بیگ بنگ: بوزون هيگز، يكي از داغ‌ترين موضوعات علمي دوران ما به شمار مي‌رود و كليد درك وجود داشتن جرم. شون كرول، فيزيك‌دان كلتك، به شرح داستان كشف اين ذره مي‌پردازد. هزينه‌هاي ميليارد دلاري و هزاران دانشمند در برخورددهنده‌ي بزرگ هادرون در پي دست‌نيافتني‌ترين ذره‌اي هستند كه چه بسا درگاهي باشد بر كشف عجيب‌ترين‌ها يعني ماده‌ي تاريك.

ذره در پايان گيتي
————————–
The Particle At The End Of Universe

نوشته‌ي : شون كرول (Carroll, Sean)

ترجمه: رامين رامبد
انتشارات: مازيار
موضوع: فيزيك – ذرات بنيادي – برخورددهنده‌ها
چاپ اول، 1392
تعداد صفحه:340 ص
وب‌سايت ناشر: www.mazyarpub.com
قيمت: 16000 تومان (به همراه سي‌دي)

كتاب ذره‌ در پايان گيتي، به بيان همه دشواري‌ها در اين راه مي‌پردازد: پول و سياست، حسدورزي و فداكاري، تاريخ و آخرين تكنولوژي. خواننده با قلمي شيوا به گشت و گذاري در قلمرو شتاب‌دهنده‌ها، ساختار مدل استاندارد ذرات بنيادي، مباني شكسته‌شدن تقارن، اصول نظريه‌ي ميدان، دليل و اهميت ميدان و در نتيجه بوزون هيگز، زمينه‌ي تاريخي اين ذره‌ي اغواگذ و دانشمندان درگير در بنيان‌گذاري نظري آن، آزمايش‌هاي مورد استفاده در كشف آن و ساختار آشكارسازها و ديگر مطالب برده مي‌شود. سرانجام وي پي مي‌برد كه چرا هيگز مهم است و كشف آن چه امكان‌پذيري‌هايي را پيش روي ما مي‌گذارد. آيا كشف هيگز به معناي بسته‌شدن پرونده‌ي ذرات بنيادي است يا ماجرا همچنان با هيجان ادامه پيدا خواهد كرد؟

به قسمت‌هايي از متن كتاب توجه فرماييد:
جالب است بدانيد كه گرانش بدان صورتي كه نيوتن و لاپلاس توصيفش كردند، هيچ نوع تابشي را پيش‌بيني نمي‌كند. نظريه مي‌گويد وقتي سياره يا ستاره‌اي حركت مي‌كند، كشش گرانشي آن، در جا، در سراسر گيتي دگرگون مي‌شود. اين موجي انتشاريابنده نيست. بلكه انتقالي آني در همه جا است. اين فقط يكي از جنبه‌هايي است كه گرانش نيوتوني انگار به خوبي با چارچوب دگرگون‌شونده‌ي فيزيكي كه در طي سده‌ي نوزدهم توسعه پيدا كرده بود، جور در نمي‌آمد. الكترومغناطيس، و به ويژه نقشي كليدي كه سرعت نور ايفا كرد، در برانگيختن آلبرت اينشتين و سايرين براي توسعه‌ي نظريه‌ي نسبيت خاص در 1905 حياتي بود. بنا به اين نظريه، چيزي نمي‌تواند تندتر از نور برود، نه حتي تغييرات فرضي در ميدان گرانشي. چيزي بايد ارائه مي‌شد. پس از ده سال كار سخت، اينشتين توانست نظريه‌‌ي كاملاً تازه‌اي براي گرانش ارائه دهد: نظريه‌ي نسبيت عام كه به طور كامل جايگزين گرانش نيوتوني شد. درست مانند نسخه‌ي لاپلاس از گرانش نيوتوني، نسبيت عام اينشتين گرانش را بر حسب ميداني توصيف مي‌كند كه در هر نقطه از فضا تعريف مي‌شود. ولي ميدان اينشتين، از نظر رياضي خيلي پيچيده‌تر و ترسناك‌تر از ميدان لاپلاس است.

به جاي پتانسيل گرانشي كه تنها در هر نقطه يك دانه است، اينشتين از چيزي به نام تانسور متريك استفاده كرد كه مي‌توان آن را به صورت مجموعه‌اي از ده عدد مستقل در هر نقطه در نظر گرفت. اين پيچيدگي رياضي است كه آوازه‌ي نسبيت عام را به عنوان نظريه‌اي كه فهمش بسيار دشوار است، سبب مي‌شود. اما ايده‌ي پايه، ساده است و ژرف: متريك، خميدگي خود فضازمان را توصيف مي‌كند.به گفته‌ي اينشتين گرانش نمودي است از خميدگي و كشيدگي همان بافتار فضا، شيوه‌اي كه فواصل و زمان را در گيتي اندازه مي‌گيريم. وقتي مي‌گوييم ميدان گرانشي صفر است، منظورمان اين است كه فضازمان تخت است و هندسه‌ي اقليدسي فراگرفته شده در دبيرستان معتبر. يكي از پيامدهاي خوشحال‌كننده‌ي نسبيت عام آن است كه درست مانند الكترومغناطيس، آژنگ‌ها در ميدان، امواجي را توصيف‌ مي‌كنند كه با سرعت نور مي‌روند و ما آن‌ها را آشكارسازي كرده‌ايم. گرچه نامستقيم.

در سال 1974، راسل هالس و جوزف تيلور، منظومه‌اي دوتايي پيدا كردند كه در آن هر دو جسم ستارگان نوتروني بودند و با سرعت در مداري تنگاتنگ مي‌چرخيدند. نسبيت عام پيش‌بيني مي‌كند كه چنين منظومه‌اي بايد با پس دادن امواج گرانشي، انرژي از دست دهد كه سبب مي‌شود تناوب مداري آرام آرام كم شود. چون ستارگان به هم نزديك مي‌شوند. هالس و تيلور توانستند اين تغيير در تناوب را اندازه بگيرند. درست همان چيزي كه با نظريه‌ي اينشتين پيش‌بيني مي‌شد. در 1993 آنان به پاس كوشش‌هاي خود برنده‌ي جايزه‌ي نوبل فيزيك شدند. گذركردن موجي گرانشي، فضازمان را كش مي‌دهد، آينه‌ها را به هم نزديك و سپس از هم دور مي‌كند.اين را مي‌شود با اندازه‌گيري تغييرات جزئي در تعداد طول موج‌هاي ليزر بين دو آينه آشكارسازي كرد.
————————————

تفاوت عمده بين جهان كوانتومي و جهان كلاسيك را مي‌توان در رابطه‌ي بين چيزي كه ««به راستي هست»» و چيزي را كه عملا مي‌بينيم، بيان كرد. بديهي است كه هر اندازه‌گيري جهان واقعي در معرض عدم دقيت وسايل اندازه‌گيري ماست، ولي در مكانيك كلاسيك مي‌توانيم دست كم هر چه بيشتر دقيق باشيم و اندازه‌گيري‌هايمان را هر چه بيشتر به واقعيت نزديك كنيم. مكانيك كوانتومي اين امكان‌پذيري‌ را از دستانمان بيرون مي‌كشد، حتي در اصل. در جهان كوانتومي، چيزي را كه امكان ديدنش را داريم، تنها زيرمجموعه‌اي است كوچك از آنچه كه به راستي هست.

بياييد سراغ يك همانني تقريبي برويم. فرض كنيد كه دوستي داريد بسيار خوش‌عكس. ولي درباره‌ي عكس‌هاي او به نكته‌ي عجيبي پي مي‌بريد: همواره نميرخش، چپ يا راست، در عكس است، نه از روبه رو و نه از پشت سر. وقتي او را از بغل مي‌بينيد و عكسي مي‌گيريد، تصوير همواره هماني است كه گرفتيد. ولي وقتي عكسي درست از روبرو از او مي‌گيريد، در نيمي از مواقع نيمرخ چپ و در نيمي از مواقع نيمرخ راست او ديده مي‌شود. (شرط اين همانندي آن است كه عكس‌گرفتن، هم ارز مشاهده‌ي كوانتومي باشد.) شما مي‌توانيد از يك زاويه‌ عكسي بگيريد و واقعا به سرعت به سمت ديگر برويد و در زاويه‌ي نود درجه عكسي ديگر بگيريد. ولي تنها داريد هميشه از نيمرخ عكس مي‌گيريد.

اين جان مايه‌ي مكانيك كوانتومي است. دوستمان مي‌تواند واقعاً در هر جهتي باشد، ولي وقتي عكسي مي‌گيريد، ما تنها يكي از دو زاويه‌ي ممكن را مي‌بينيم. اين همانندي خوبي است براي اسپين الكترون در مكانيك كوانتومي. ويژگي‌اي كه همواره آن را يا به صورت ساعت‌گرد اندازه مي‌گيريم يا پادساعت‌گرد. فارغ از اينكه چه محوري را براي اندازه‌گيري به كار مي‌بريم. همين اصل براي ديگر كميت‌هاي مشاهده‌پذير هم برقرار است. مكاني از يك ذره را در نظر بگيريد. در مكانيك كلاسيك چيزي به نام موقعيت ذره هست و مي‌توانيم آن را اندازه‌گيري كنيم. در مكانيك كوانتومي چنين چيزي وجود ندارد. در عوض چيزي است به نام تابع موج ذره. كه مجموعه‌اي است از اعدادي كه احتمال ديدن آن ذره را در هر مكاني خاص وقتي به آن مي‌نگريم،‌آشكار مي‌كند. خبري از چيزي به صورت واقعا ذره كجاست، نيست. ولي وقتي مي‌نگريم، همواره آن را در مكاني خاص مي‌بينيم.

هنگامي كه مكانيك كوانتومي به ميدان‌ها اعمال شد،‌به نظريه‌ي ميدان كوانتومي رسيديم كه مبناي توضيحات مدرن ما از واقعيت، در بنيادي‌ترين سطح‌ش است. بنا به نظريه‌ي ميدان كوانتومي، وقتي با دقت كافي به ميداني بنگريم، آن را به صورت ذرات مجزا مي‌بينيم. گرچه خود ميدان واقعي است. (خود ميدان عملا داراي تابع موجي است كه احتمال يافتن آن را با هر مقدار خاصي در هر نقطه از فضا توصيف مي‌كند. نظريه‌ي ميدان كوانتومي مسئول پديده‌ي ذرات مجازي، از جمله پترون‌ها (كوارك‌ها و گلوئون‌ها) درون پروتون است كه براي آنجه كه در برخوردهاي درون ال اچ سي رخ مي‌دهند، اهميت بسياري دارد. همان‌طور كه هرگز نمي‌توانيم تك پروتوني را به مكاني معين سنجاق كنيم، هرگز نمي‌توانيم ميداني را به پيكربندي خاصي سنجاق كنيم. اگر به حد كافي از نزديك به آن بنگريم، ذراتي را مي‌بينيم كه در فضاي تهي، بسته به شرايط موضعي، هست و نيست مي‌شوند. ذرات مجازي پيامد مستقيم عدم قطعيت ذاتي در اندازه‌گيري‌هاي كوانتومي است. نسل‌ها است كه دانشجويان فيزيك با اين پرسش دشوار روبه‌رو شده‌اند كه آيا ماده به راستي از ذرات ساخته شده است يا امواج؟ اغلب آنان سال‌ها بدون دست يافتن به جواب قطعي به تحصيل ادامه مي‌دهند. پاسخ اين است: ماده به راستي موج است (ميدان كوانتومي)، ولي وقتي با دقت كافي به آن بنگريم، ذرات را مي‌بينيم.

فهرست مطالب

1) آن هنگام
2) در كنار خدامانندي
3) اتم‌ها و ذرات
4) داستان شتاب‌دهنده
5) بزرگترين ماشين تا كنون ساخته شده
6) دانايي از راه كوبيدن
7) ذرات در امواج
8) از درون آينه‌اي شكسته
9) خراب‌كردن خانه
10) پراكندن سخن
11) روياهاي نوبل
12) وراي اين افق
13) قابل دفاع ساختن

پيوست 1 – جرم و اسپين
پيوست 2 – ذرات مدل استاندارد
پيوست 3 – ذرات و برهم‌كنش‌هايشان