وانتوم كرومودايناميك كه بطور خلاصه

ناميده مي شود، يك نظريه مدرن در مورد واكنش قوي است. از نظر تاريخي ريشه آن به فيزيك هسته اي بر مي گردد و توضيحي است براي ماده و درك اينكه پروتون و نوترون چه هستند و چگونه با هم واكنش دارند

در توضيح لفظي مي توان گفت

ويرايش جديد و توسعه يافته از

الكتروديناميك كوانتومي است

در الكتروديناميك كوانتومي تنها يك نوع بار الكتريكي (مثبت يا منفي) وجود دارد، اما در كوانتوم كرموديناميك سه نوع مختلف بار الكتريكي با برچسب رنگ

وجود دارد. براي دوري جستن از هرگونه تعصب، رنگهاي قرمز، سبز و آبي را انتخاب مي كنند. اما البته بار-رنگ كوانتوم كرومودايناميك هيچگونه ارتباطي با رنگهاي معمولي فيزيك ندارد. در واقع اينها تشبيح خواص بار الكتريكي هستند. بويژه بار-رنگها در هر فرايند فيزيكي پايسته هستند و ذرات بدون جرمي شبيه ذره ي بدون جرم فوتون، وجود دارد كه گلوئون-رنگ ناميده مي شود

برهمكنش الكترومغناطيسى
فيزيكدانان توانسته اند به كمك تئورى الكتروديناميك كوانتومى

توصيف مناسبى براى برهمكنش الكترو مغناطيسى ارائه نمايند. اين تئورى يكى از موفقيت آميزترين تئورى هاى فيزيكى است كه با دقت يك در ده ميليون با نتايج آزمايشگاهى توافق دارد. يكى از دلايل موفقيت اين نظريه وجود يك ثابت كوچك به اسم ثابت كوپلاژ با مقدار 137/1 در معادلات است. وجود اين ثابت كوچك تر از يك اين امكان را فراهم مى سازد كه براى محاسبه اثر نيروى الكترو مغناطيس از بسط سرى ها در معادلات استفاده شود. اين روش رياضى كه به آن روش حل اختلالى مى گويند توسط فاينمن بسط و گسترش يافت
يكى از خواص مهم نظريه الكترو ديناميك كوانتومى

اين است كه ثابت كوپلاژ در انرژى هاى مختلف مقادير مختلفى دارد. اين مقدار با افزايش انرژى افزايش مى يابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده

مقدار آن در انرژى حدود 100 بيليون الكترون ولت به جاى 137/1 ، 128/1 اندازه گيرى شده است. اگر نمودار اندازه ثابت كوپلاژ نسبت به انرژى رسم شود، آن گاه اين منحنى داراى يك شيب آرام به سمت بالا خواهد بود كه فيزيكدانان اصطلاحاً مى گويند شيب منحنى يا تابع بتا مثبت است

از دهه 1960 مشخص شده بود كه پروتون و نوترون از ذرات بنيادى ترى به اسم كوارك ساخته شده اند. اما نكته عجيب اين بود كه امكان مشاهده ذره كوارك به صورت آزاد وجود نداشت. آنها هميشه محبوس هستند و اين خاصيتى بنيادى براى اين ذرات است
تنها جمع كوارك ها به صورت دوتايى و سه تايى مى تواند وجود داشته باشد. بار الكتريكى كوارك ها كسرى از بار الكتريكى پروتون است به صورت يك سوم يا دو سوم بار پروتون و اين خاصيتى است عجيب كه هنوز توضيحى براى آن يافت نشده است

هر كوارك علاوه برداشتن بار الكتريكى خاصيت ويژه ديگرى نيز دارد كه مانند بار الكتريكى كميتى كوانتومي است و تنها مى تواند مقادير ويژه اى داشته باشد. به اين خاصيت بار-رنگ گفته مى شود. كوارك ها مى توانند بار رنگى قرمز، آبى و سبز داشته باشند. براى هر كوارك يك پادكوارك نيز وجود دارد مانند پوزيترون كه پاد ذره الكترون است. پادكوارك ها داراى بار رنگى پاد قرمز، پاد آبى يا پاد سبز هستند. جمع كوارك هايى كه در طبيعت مى توانند وجود داشته باشند بايد داراى بار-رنگ خنثى باشند همانطور كه تشكيل مولكول هاى خنثى (از نظر الكتريكى) به خاطر جاذبه الكتريكى بين اجزاى مثبت و منفى آن است. نيروى بين پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نيروى بين بار هاى رنگى كوارك هاى تشكيل دهنده آنها به وجود مى آيد. نيروى بين كوارك ها توسط ذرات حاملى به اسم گلوئون ها حمل مى شود. اين ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولى برخلاف فوتون ها داراى بار-رنگ هستند. همين خصوصيت باعث پيچيدگى توضيح اين نيرو و تفاوت آن با نيروى الكترو مغناطيس است

مقادير منفي تابع بتا

براى سال ها فيزيكدانان اعتقاد داشتند كه نمى توان روشى براى محاسبه برهمكنش قوى ميان كوارك ها يافت كه شبيه روش محاسبات برهمكنش هاى الكترو مغناطيسى باشد. به اين دليل كه ثابت كوپلاژ براى برهمكنش قوى بزرگ تر از يك است و نمى توان روش اختلالى فاينمن (كه در بالا توضيح داده شد) را براى محاسبات اين نظريه به كار برد. كورت زيمانسكى فيزيكدان آلمانى دريافت كه تنها راه رسيدن به يك نظريه معقول پيدا كردن يك تابع بتا منفى براى اين نظريه است. اين رهيافت همچنين مى تواند علت آنكه گاهى اوقات كوارك ها در داخل پروتون به صورت ذره هاى آزاد خود را آشكار مى سازند توضيح دهد. اثرى كه در آزمايش برخورد ميان الكترون و پروتون ديده مى شود
متاسفانه زيمانسكى خود نتوانست به اين نظريه دست يابد حتى جرارد هوفت در تابستان 1972 به اين كشف نزديك شده بود. اما فيزيكدانان نااميد شده بودند زيرا شواهد نشان مى داد كه يك نظريه واقعى بايد داراى تابع بتاى مثبت باشد. اما امروزه ديگر مشخص شده است كه اين موضوعى نادرست است زيرا در ژانويه 1973دو مقاله پى در پى در مجله فيزيكال ريويولترز توسط گراس و ويلچك و پوليتزر به چاپ رسيدند كه در كمال تعجب نشان مى دادند تابع بتا مى تواند مقادير منفى داشته باشد. آنها زمانى اين كشف را انجام دادند كه دانشجو بودند. مطابق نظريه آنها حامل هاى نيروى برهمكنش قوى يعنى گلوئون ها داراى خاصيتى غيرمنتظره و ويژه هستند به اين صورت كه آنها نه تنها با كوارك ها بلكه با خودشان نيز برهمكنش مى كنند. طبق اين خاصيت هنگامى كه كوارك ها به يكديگر نزديك مى شوند برهمكنش بار رنگى ميان آنها كاهش مى يابد. كوارك ها موقعى به يكديگر نزديك مى شوند كه انرژى آنها افزايش يافته باشد و طبق اين نظريه اندازه برهمكنش در اين هنگام كاهش مى يابد. اين خاصيت كه به آن «آزادى مجانبى» مى گويند به معنى منفى بودن تابع بتا است. به عبارت ديگر برهمكنش با افزايش فاصله افزايش مى يابد كه اين مى تواند توضيحى براى اين باشد كه چرا كوارك ها هميشه در نوكلئون ها محبوس هستند

آزادى مجانبى اين امكان را نيز فراهم مى سازد كه بتوان فاصله اى را كه در آن كوارك ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار مى كنند، محاسبه كرد. با برخورد دادن ذرات در انرژى هاى بسيار زياد با يكديگر مى توان آنها را به اندازه كافى به يكديگر نزديك كرد. هنگامى كه آزادى مجانبى كشف شد و نظريه

فرمول بندى شد محاسبات توانستند توافق بسيار خوبى با نتايج آزمايشگاهى از خود نشان دهند

شواهد تجربي
يكى از مهم ترين اثبات هاى نظريه

توسط آزمايش برخورد الكترون و پاد ذره آن يعنى پوزيترون در انرژى هاى بالا صورت مى گيرد. در اين آزمايش الكترون و پوزيترون يكديگر را نابود مى كنند و مطابق معادله اينشتين

انرژى اين ذرات مى تواند به صورت ذرات جديدى ظاهر شود، به عنوان مثال ذرات كوارك. در اين فرآيند ذرات كوارك در فواصل بسيار نزديك به هم آفريده مى شوند و با سرعت بسيار زيادى از يكديگر دور مى شوند. امروزه مى توان اين فرآيند را به كمك مفهوم آزادى مجانبى به دقت محاسبه كرد. در حقيقت وقتى كوارك ها مى خواهند از يكديگر دور شوند تحت تاثير نيروى افزايش يابنده برهمكنش قوى قرار مى گيرند (در بخش قبل توضيح داده شد) كه اين نيرو باعث توليد زوج ذرات جديد كوارك مى شود و بدين ترتيب رگبارى از ذرات در جهت كوارك و پادكوارك اوليه توليد مى شود. با اين حال اين فرآيند خاطره اى از آزادى مجانبى ذرات اوليه را در خود نگه مى دارد كه مى توان تاثير آن را بر احتمالات وقايعى كه در رگبار ذرات اتفاق مى افتد محاسبه كرد. نتايج اين محاسبات با آزمايش ها توافق زيادى دارد. واقعه بسيار قانع كننده ديگرى كه در شتاب دهنده

در هامبورگ آلمان در اواخر 1970 يافت شد وجود سه رگبار در آ زمايشات بود كه اين فرآيند را مى توان در نظر گرفتن تابش گلوئون از كوارك _ پادكوارك اوليه به خوبى توضيح داد. آزادى مجانبى حتى توانست پديده اى را كه قبلاً در شتاب دهنده استانفورد ديده شده بود توجيه نمايد. اجزاى سازنده پروتون ها كه داراى بار الكتريكى هستند (كوارك ها) در انرژى هاى بالا به صورت ذرات آزاد عمل مى كنند در اين حالت اندازه حركت كوارك ها تنها نصف اندازه حركت پروتون ساخته شده از آنها است و بقيه اندازه حركت پروتون ناشى از اندازه حركت گلوئون ها است

آيا مى توان نيروهاى طبيعت را وحدت بخشيد

به وجود آمدن امكان توصيف واحد براى نيروهاى طبيعت

يكى از جالب ترين آثار آزادى مجانبى در نظريه است. هنگامى كه نمودار مقدار ثابت كوپلاژ بر حسب انرژى را براى برهمكنش هاى الكترومغناطيسى، ضعيف و قوى بررسى مى كنيم، اين موضوع آشكار مى شود كه اين سه نمودار يكديگر را در يك نقطه اى با انرژى بالا (به طور تقريبى نه به صورت دقيق) قطع مى كنند و در اين نقطه مقدار يكسانى دارند. بدين ترتيب مى توان ديد كه اين سه نيرو با همديگر يكى شده اند و اين يكى از روياهاى قديمى فيزيكدانان است كه دوست دارند قوانين طبيعت را به ساده ترين زبان ممكن توضيح دهند.با اين حال براى آنكه روياى وحدت نيروها به واقعيت بپيوندد بايد اصلاحاتى در مدل استاندارد به وجود آورد. يك راه ممكن در نظر گرفتن ذرات جديدى به اسم ذرات ابرتقارن است كه اگر جرمشان به اندازه كافى كم باشد مى توان وجود آنها را در شتاب دهنده در حال ساخت

در

بررسى كرد. اگر ابرتقارن كشف شود مى تواند پشتوانه قويى براى نظريه ي همه چيز باشد كه آن نيز شايد بتواند نيروى گرانش را با بقيه نيروها وحدت ببخشد. صرف نظر از اين پيشرفت ها كشف آزادى مجانبى در

تغييرات عميقى را در فهم ما از نيروهاى بنيادين طبيعت به وجود آورده است

زير كوانتوم كرومودايناميك

كيزير كوانتوم كرومودايناميك چيست؟

براي يافتن پاسخ اين سئوال بايد توجه كرد كه همه ي ذرات مورد مطالعه ي فيزيكدانان در نهايت به دو دسته فرميونها و بوزنها تقسيم مي شوند. فرميونها نظير الكترون و كواريها سنگ بناي ماده را تشكيل مي دهند . بوزونها حامل نكرو هاي اساسي طبيعت هستند. اما سئوال اساسي اين است كه آيا بوزونها و فرميونها از يك ذره ي واحدي ساخته شده اند يا دو چيز كاملاً متفاوتي هستند؟

در نظريه سي. پي. اچ. همه ي ذرلت شناخته شده و ناشناخته موجود در جهان از ذره ي واحدي به نام سي. پي. اچ. ساخته شده اند. اگر به رابطه جرم-انرژي

توجه كنيم، همه ي اجسام قابل تبديل به انرژي هستند. اين اجسام در نهايت از اتمها ساخته شده اند كه شامل فرميونها و بوزونها هستند. از طرف ديگر نوسان يك ذره ي باردار موجب انتشار امواج الكترومغناطيسي مي شود كه اين موج خود حامل دو ميدان الكتريكي و مغناطيسي با خواص مختلف است. اين ميدانها هر يك شامل تعداد زيادي ذره ي فوق العاده كوچكي هستند كه ميدان الكتريكي و مغناطيسي را شكل مي دهند. اما اين ذرا بقدري كوچك هستند كه نمي توانند بعنوان يك ذره ي باردار قابل مشاهده يا يك آهنربا بتشند. بنابراين آنها را بار-رنگ و مغناطيس-رنگ مي ناميم كه همه ي كوانتومهاكي كه داراي خواص الكتريكي يا مغناطيسي هستند، از آنها ساخته مي شوند. بهمين دليل آنها را زير كوانتوم كروموديناميك مي ناميم. بهمين دليل زير كوانتوم كرموديناميك ذراتي هستند كه ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي از جمله بار-رنگها را توليد مي كنند

Vc>c, c is speed of light

1 Figure

Principle of CPH

gradVc=0 in all inertial frames and any space

p=mVc

Momentum Inertia I

When CPH has Spin

It calls Graviton

Figure 2

3 Figure

Figure 4

همچنين فوتون داراي اسپين است. بنابراين هنگاميكه فوتون با سرعت نور حركت ميكند، گرايتون هايك كه فوتون را تشكيل داده اند داراي حركتهاي زير مي باشند

حركت انتقالي برابر سرعت نور، زيرا فوتون با سرعت نور منتقل مي شود و اجزاي تشكيل دهنده آن نيز الزاماً با همين سرعت منتقل مي شوند

حركت دوراني (اسپين)، زيرا طبق اصل سي. پي. اچ. مقدار سرعت سي. پي. اچ. بيشتر از سرعت نور است و هنگاميكه سي. پي. اچ. ها با يكديگر ادغام مي شوند و ساير ذرات را تشكيل مي دهند، مقداري از سرعت انتقالي آنها به اسپين تبديل مي شود

و حركت ناشي از اسپبن فوتون، زيرا گراويتون ها در ساختمان فوتون هستند و از حركت اسپينك فوتون سهم مب برند. شكل 4

امواج الكترومغناطيس و بار و مغناطيس-رنگ

Electromagnetic waves and color charge/magnet

فوتون بسته انرژي در حال دوران است. همچنين ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي (الكترومغناطيسي) اطراف يك پرتو نوري ازنوع ميدانهاي الكترومغناطيسي استاتيك نست. ميدان الكترومغناطيسي كه توسط يك فوتون ايجاد مي شود، بسكار قوي تر از ميدان گرانشي آميخته با آن است. افزون بر آن تا كنون مشخص نشده كه انرژي ميدان گرانشي فوتون استاتيك است يا نوساني مي باشد. همچنين هنوز شناخته نشده كه اين دو ميداني ميدان الكترومغناطيسي و گرانشي چگونه توسط فوتون تولید مي شود و چرا تا اين اندازه اختلاف دارند. اين يك معماي حل نشده ي فيزيك است

اجازه دهيد يك نگاه جديد به رفتار امواج الكترومغناطيسي در ميدان گرانشي بيندازيم، اين نگرش مي تواند در حل اين معما مفيد واقع شود. همچنانكه مي دانيم يك موج الترومغناطيسي از دو ميدان الكتريكي و مغناطيسي عمود بر هم تشكيل شده است. شكل 5

شكل 5

همچنانكه نسبيت عام پيشگويي كرده و شواهد تجربي نشان مي دهد، فركانس فوتون در ميدان گرانشي تغيير مي كند

هنگاميكه يك فوتون در ميدان گرانشي سقوط ميكند، فركانس آن افزايش مي يابد

در اين حالت چه اتفاقي مي افتد؟

در مجموع مي توان گفت نيروي گرانش روي فوتون كار انجام مي دهد. با توجه به رابطه

Figure 6

همچنانيه در بالاي صفحه بيان شد، براي اين پديده در فيزيك نظري تا بحال توضيحي ارائه نشده است. بنابراين در اينجا مي خواهم اين پديده را با توجه به نظر توضيح دهم

بار-رنگ و مغناطیس-رنگ

هنگاميكه يك سي. پي. اچ. وجود سي. پي. اچ. ديگري را احساس ميكند، آنها داراي اسپين مي شوند كه گراويتون ناميده مي شود. يك گراويتون نظير نيروي الكتريكي رفتار ميكند و گراويتون ديگر نظير نيروي مغناطيسي رفتار مي كند، بهمين دليل ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي ظاهر مي شود.

شكل 3 نشان مي دهد كه دو گراويتون با جرم

m

و اندازه حركت

p=mVC

در فاصله ي

r ,

سي. پي. اچ. ها هنگامي يكديگر را حس مي كنند كه با يكديگر تماس بگيرند (برخورد كنند كه در اينصورت به دليل اسپين يكديگر را مي رانند) يا در فاصله بسكار كمك از يكديگر باشند نظير فاصله اي به اندازه ي طول پلاني كه تقريباً برابر است با

( Plank Length that is equal 1.6x10^-35 m)

در چنين حالتي بار-رنگ/مغناطيس رنگ آنها روي يكديگر اثر كرده و يكديگر را جذب مي كنند. شكل 7

Figure 7

گرانش

زمين داراي ميدان گرانش است. يك ميدان گرانشي از تعداد متنابهي سي. پي. اچ. (گراويتون) تشكيل شده است. پس ميدان گرانشي زمين نيز از تعداد بيشماري سي. پي. اچ تشكيل شده است كه در اطراف زمين در حركت هستند
فرض كنيم زمين منزوي است. يعني هيچ كنش و واكنشي بين زمين و ساير اجسام وجود ندارد. در اين صورت همه ي سي. پي. اچ. هايك كه به زمين مي رسند، جذب آن شده و از نيروهاي موجود در آنجا اطاعت مي كنند
اما همچنان كه مي دانيم زمين منزوي نيست و با ساير احسام كنش متقابل دارد
نگاهي به زمين و ماه بيندازيد. در اينجا دو ميدان وجود دارد، يكي ميدان گرانشي زمين و ديگري ميدان گرانشي ماه.
هنگاميكه يك گراويتون به زمين مي رسد، گراويتون ديگري زمين را تري مي كند و به دليل آنكه داراي يك زير كوانتوم بار-رنگ/مغناطيس است، زمين را به دنبال خود مي كشد.
تا جايكه زمين از حوزه عمل اين زير كوانتوم ميدان خارج شود

فرض كنيم دو سي. پي. اچ. با سرعت خطي

Vc

حركت مي كنند كه يكديگر ار احساس مي كنند. آنها يكديگر را جذب مي كنند و با توجه به

gradVc=0

آنها داراي اسپين خواهند شد و مي توان نوشت

gradVc=0 => axi+ayj+azk=0, that ax is accelerating on x axes, ay is accelerating on y axes, az is accelerating on z axes and i, j and k are unit vectors.

يعني مجموع شتاب ها روي سه محور برابر صفر است

فرض كنيم كه سي پي. اچ. روي محور حركت انتقالي دارد. ما سرعت امواج الكترومغناطيسي برابر

c

نسبت به دستگاه لخت مي باشد. شكل 8

بنابراين مقدار سرعت آن تنها روي محور هاي

y and z

تغيير مي كند و شتاب روي محور

صفر است، يعني

ax=0

تنها شتاب روي دو محور ديگر خواهد داشت بطوريكه

ay+az=0

هنگاميكه

ay=0 => az is maximum. And ay is maximum=> az=0

Figure 8

كه در آن

Ec

مقدار بار-رنگ است و

Ecm

مقدار مازيمم بار-رنگ است

براي سي. پي. اچ. ديگر كه به مغناطيس-رنگ تبديل مي شود مي توان نوشت

كه در آن

Bc

مقدار مغناطيس-رنگ است و

Bcm

مقدار ماكزيمم مغناطيس رنگ است. شكل 9

و براي

سي. پي. اچ. اختياري داريم

هنگاميكه يك فوتون در حال سقوط در يك ميدان گرانشي است، تعداد

n

افزايش مي يابد. بنابراين شدت ميدانهاي الكتريكي و مغناطيس يعني

E and B

افزايش مي يابد. و اين به معني آن است كه تعدادي سي. پي. اچ. وارد ساختمان فوتون مي شوند

همچنانكه مي دانيم يك ذره باردار كه شتاب داشته باشد، امواج الكترومغناطيسي منتشر مي كند. هنگاميكه نيروي روي ذره ي بار دار كار مثبت انجام دهد، يعني

تعدادي سي. پي. اچ. وارد ساختمان الكترون مي شود. در حقيقت نيرو به انرژي تبديل مي شود و به عبارت ديگر بوزونها به انرژس تبديل مي شوند. شكل 10

Figure 10

اما يك ذره ي باردار مي خواهد خواص ذاتي خود را حفظ كند. يك ذره ي باردار از تعدادي بار-رنگ تشكيل مي شود، در حاليكه انرژي الكترومغناطيسي از دو شيئي متفاوت يعني بار-رنگ و مغناطيس-رنگ تشكيل مي شود. بهمين دليل ذره باردار انرژي منتشر مي كند

آلفاي گرانش

براي به دست آوردن ساختار ثابت گرانشي بايستي به نسبت نيروي گرانش و نيروي الكتريكي توجه كنيم. براي اينكار نيروي الكتريكي و نيروي گرانشي بين اليترون و پروتون را در اتم هيروژن حساب ميكنيم. خواهيم داشت

Fe=kq1q2/r^2, Fg=Gm1m2/r^2,

بنابراين داريم

Fg/Fe=10^-40,

پس

بنابراين

Alfa of gravity is 1/137x10^40

همچنين بايد توجه داشت كه در رابطه ي آلفا

h-bar

اسپين فوتون و ثابت است. اما در رابطه ي آلفاي گرانش

h-bar

اسپين گراويتون و برابر 2 است و با توجه به نظريه سي. پي. اچ. اسپين تابعي از شدت گرانشي است

فضا-زمان چگونه انرژي توليد مي كند؟
يك كوانتوم انرژي از تعداد زيادي سي. پي. اچ. تشكيل مي شود. سي. پي. اچ. ها روي يكديگر كار انجام مي دهند و انرژي توليد مي كنند. البته اين رويداد هنگامي رخ مي دهد كه چگالي گرانش بالا است. شكل 11
با توجه به اندازه ي فوتون گاما مي توانيم چگالي سي. پي. اچ. را در ساختمان فوتون به دست آورد. قطر يك الكترون تقريباً بربر 18- ^ 10 متر است. يك فوتون گاما در توليد زوج، يك الكترون و يك پوزيترون توليد مي كند. فرض كنيم حجم يك فوتون گاما تقريباً دو برابر حجم الكترون باشد.

Figure 11

Figure 12

Integration of gravitons is a projection to production electromagnetic energy

به عبارت نيرو به انرژي تبديل مي شود و انرژي قابل تبديل به نيرو است .