مقاله کامل بحران فیزیک مدرن و نظریه های نوین

بحران فیزیک مدرن و نظریه های نوین مقدمهمکانیک کوانتوم با ذرات زیر اتمی سروکار دارد که خواص و روابط آنها را مورد بررسی قرار می دهد. این ذرات مجموعه ای از کوانتومهای مختلف ماده، انرژی و نیروها هستند. فرمیونها سنگ بنای ماده را تشکیل می دهند و بوزونها موجب پیوند یا گسستگی فرمیونها می شوند. در هر صورت با هر عنوان و طبقه بندی که به این ذرات بنگریم، از یکدیگر جدا و گسسته اند. در حالیکه فضا-زمان کمیتی پیوسته است. آن گسستگی با این پیوستگی سازگار نیست. کوششهای زیادی انجام شده تا این دو نظریه بزرگ علمی را سازگار سازد
 در این راستا نظریه های مختلفی مانند نظریه کوانتوم لوپ، نظریه ریسمانها و نظریه هگز بوزون مطرح شده اند. نظریه ریسمانها و هگز بوزون در میان سایر نظریه ها از اهمیت بیشتری برخوردار است. نظریه ریسمانها در دهه ی 1920 مطرح شده و در 80 سال گذشته کارهای زیادی توسط فیزیکدانان انجام شده تا نظریه ریسمانها جایگزین مناسبی برای مکانیک کوانتوم و نسبیت باشد. در این دوره ی طولانی بارها به بن بست رسیده و طرفدارانش با ارائه ی توجیحات جدید تلاش کرده اند آن را به گونه ای جدید مطرح کنند. نظریه هگز بوزون به دهه ی 1960 بر می گردد که هنوز با مشکلات عدیده ای سروکار دارد و طرفدانش نتوانسته اند این مشکلات را برطرف سازند
آخرین نظریه، نظریه سی. پی. اچ. است. هرچند زمان مطرح شدن نظریه سی. پی. اچ. ئر ایران به اواخر دهه ی 1980 بر می گردد، اما کمتر از دو سال در خارج از کشور و کمتر از یک سال در ایران بطور جدی مطرح شده است. با این عمر کوتاه، از حالت نهالی نوپا در آمده و توانسته بصورت یک نظریه انقلابی و سرنوشت ساز جایگاه ویژه ای برای خود فراهم سازد و در مقابل نظریه های مختلف ایستادگی کند. در این فصل هر سه نظریه مورد بحث قرار می گیرد
 محدودیت ها
بشر همواره در تلاش بوده تا یک ارتباط منطقی بین اجسام بزرگ نظیر زمین و خورشید و ذرات ریز که بعدها اتم و ذرات زیر اتمی خوانده شد بیابد. نمونه بارز این تلاشها را می توان در نظریه اتمی دموکریتوس و عناصر چهار گانه آب، آتش، خاک و هوا مشاهده کرد. اما تمام این کوششها بیشتر جنبه ی فلسفی داشتند و با برداشت امروزی که از علم داریم، دارای اعتبار علمی نبودند. نخستین کوشش علمی را می توان در آزمایشهای گالیله مشاهده کرد که بعداً توسط نیوتن بیان و شالوده ی فیزیک را تشکیل داد.
پس از اثبات نظریه اتمی ماده و مشاهده اینکه اتم خود نیز از ذرات دیگری تشکیل شده، تلاشهای زیادی صورت گرفت تا قوانین حاکم بر جهان اجسام بزرگ را به ذرات زیر اتمی تعمیم دهند که مدل اتمی بور یک نمونه ی بارز این تلاشها است.
بعدها که مکانیک کوانتوم مطرح و ذرات زیر اتمی مورد بررسی دقیق قرار گرفت، مشخص شد که مکانیک کوانتوم نظریه ساده ای نیست و نمی توان رفتار ذرات زیر اتمی را با اجسام بزرگ مقایسه کرد. رفتار اجسام بزرگ بخوبی در مکانیک کلاسیک قابل توضیح می باشد. اما برای توضیح ذرات در مکانیک کوانتوم به یک بینش جدید نیاز است.
 
پایه بینش جدید
برای شکل دادن به پایه بینش خود در مکانیک کوانتوم، باید به خصوصیات مولکولها، اتمها و سایر ذرات زیر اتمی توجه کرد. این ذرات بسادگی و با سرعت زیاد از مکانی به مکان دیگر حرکت می کنند و همین امر پایه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را تشکیل می دهد.
QM1
ذرات، نقاط مادی اجسام بزرگ نیستند که با سرعت ثابت حرکت می کنند.
 QM2
ذرات دارای یک ویژگی مشترک می باشند که آنرا اسپین می نامیم و به حالت های زیر قابل تقسیم است:
اگر ذره در یک حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین صفر است
اگر ذره در دو حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین یک دوم است
اگر ذره در سه حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین یک است
اگر ذره در پنج حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین دو است
 فرمیونها و بوزونها
ذراتی که دارای اسپین درست (صفر، یک و دو) هستند، بوزون نامیده می شوند.
ذراتی که دارای اسپین نادرست (یک دوم و سه دوم.. ) هستند، فرمیون نامیده می شوند.
در مکانیک کوانتوم نیروها توسط بوزون ها حمل می شوند
فوتون با اسپین یک نیروی الکترومغناطیسی را حمل می کند
Vectorboson (W,Z)   
با اسپین یک نیروی هسته ای ضعیف را حمل می کند
Gluon (A)
با اسپین یک حامل نیروی هسته ای قوی است.
همچنین گراویتون با اسپین دو حامل نبروی گرانش است که تا به حال مشاهده نشده است.
 SR1
علاوه براین یک محدودیت دیگر بر رفتار ذرات اعمال می شود که ناشی از نسبیت خاص است که به موجب آن هیچ جسم یا ذره ای نمی تواند با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت کند و این محدودیت مدل استاندارد است.
  Quantum Field Theory, QFT
 به طور کلی می توان گفت که نظریه میدان کوانتومی بر پایه:
 QM1, QM2, SR1
شکل گرفته است.
 نسبیت عام
در مدل استاندارد ساختمان ماده مورد بررسی قرار می گیرد و نیروهایی مورد بحث قرار می گیرند که در هنگام بررسی اجسام خنثی شده اند. نیروهای هسته ای برد کوتاهی دارند و نیروی الکترومغناطیسی نیز در ساخمان ماده خنثی شده اند. بنابراین ما در مکانیک کوانتوم نمی دانیم چرا سیب سقوط می کند و این پدیده در نسبیت عام مورد توجه و توضیح قرار می گیرد.
در نسبیت عام گرانش یک نیروی اساسی نیست و اثر هندسی ماده بر فضای اطراف است. بنابر نسبیت عام، ماده به فضای اطراف خود انحناء می دهد.
 Unified Field Theory
 تلاشهای زیادی انجام شده است که مکانیک کوانتوم و نسبیت عام را ادغام کرده و به عنوان یک نظریه واحد بیان کند که آنرا unified Field Theory   مي نامند. در واقع
Unified Field Theory
باید با مدل استاندارد تطبیق کند و بتواند نسبیت عام را نیز شامل شود.
  19-2
String Theory
در نظريه ي ريسمان به جاي اينكه هر ذره را مستقل در نظر بگيريم به صورت رشته اي پيوسته با شكلهاي مختلف درنظر ميگيريم , مثلا الكترون را مي توان مانند يك النگو رشته اي بدانيم كه دو سرش بهم گره خورده و حلقه دايره اي تشكيل داده است.
 علت بوجود آمدن اين نظريه اين بود كه گرانش با كوانتوم مشكل دارد. همچنانکه گفته شد در دنياي ما چهار نيروي اصلي الكترومغناطيسي، هسته اي قوي، هسته اي ضعيف و گرانشي وجود دارد. سه نيروي اول به ترتيب مي توانند با هم در انرژيهاي بالا متحد شوند و يك نظريه واحد داشته باشند. يعني انشعاباتي از يك نظريه ي اصلي باشند. اصطلاحاٌ مي گويند اين سه نظريه در انرژيهاي بالا تقارن دارند و در انرژيهاي معمولي دچار شكست خودبخودي تقارن مي شوند. اما چهارمين نيروي اصلي يعني گرانش دو مشكل اساسي دارد. يكي وحدت نيافتن با سه نيروي ديگر و ديگر اينكه اگر ذرات را نقطه اي در نظر بگيريم، سطح مقطع برهم كنش نيروي گرانشي بين دو ذره ي نقطه اي كه بهم نزديك مي شوند طبق نظريه ي كوانتومي بي نهايت بدست مي آيد. از اينرو ذرات بصورت ريسمانهاي يك بعدي در نظر گرفته شدند. مثلا الكترون يا كواركها همگي ريسمانهاي بسته و حلقوي با شكلهاي مختلفند.
  در اين تصورجديد، ديگر برهم كنش ذرات در زمان و مكان خاص رخ نمي دهد بلكه شما دو حلقه داريد كه در فضا بهم نزديك مي شوند و با عكسبرداي تخيلي يك پوسته به شكل شلنگ نمايش داده مي شود.

فایل : 22 صفحه

فرمت : Word