چهار نیروی شگفت انگیز طبیعت

جام جم/ ذرات بنيادين عالم مانند پروتون، نوترون و الکترون براي ايفاي نقش در جهان هستي و انجام کنش متقابل با يکديگر از چهار قانون اساسي پيروي مي‌کنند که مجموع آنها را قوانين چهارگانه طبيعت مي‌ناميم. اگر جهان هستي را به يکي از زبان‌هاي بشري تشبيه کنيم، ذرات در حکم واژه‌ها و نيروها در نقش دستور زبان هستند. البته دستور زبان بسيار ساده اي که توانسته فقط با استفاده از چهار قاعده اصلي، کتابي با شکوه و زيبا بيافريند و عامل پيدايش موجودات هوشمندي شود که صفحات اين کتاب را ورق بزنند، در مورد آن نيروها بينديشند و از عهده توصيف کمي و کيفي آن بخوبي برآيند. شواهد محکمي در دست است که نشان مي دهد منشا اين چهار نيرو ابتداي خلقت، يک ابرنيروي واحد بوده که با افت شديد دما در نخستين لحظات پس از بيگ بنگ به چهار نيروي متفاوت شکسته شده و کنترل جهان هستي را به دست گرفته است. آشناترين و ملموس ترين عضو اين خانواده، نيروي گرانش است. گرانش گرانش، نيروي جاذبه اي است که ميان همه ذرات داراي جرم وجود دارد. افتادن اجسام بر اثر نيروي گرانش ميان تک تک ذرات کره زمين و همه ذرات جسم مورد نظر روي مي دهد. متراکم شدن مواد پس از انفجار بزرگ و تشکيل کهکشان ها و همين طور تجمع گازها درون کهکشان ها براي تشکيل ستارگان، حاصل نيروي گرانش است. چرخش ماه به دور زمين و زمين به دور خورشيد و خورشيد به دور مرکز کهکشان راه شيري هم بدون وجود گرانش ممکن نيست. گرانش به حرکت اجرام آسماني نظم و آهنگ مي بخشد. گرانش دو ويژگي منحصربه فرد دارد. نخست اين که اين نيرو هميشه جاذبه است. حتي دو ذره با بار الکتريکي يکسان هم يکديگر را بر اثر گرانش جذب مي کنند، ولي اين نيرو به قدري ضعيف است که تاب مقاومت در برابر نيروي دافعه الکتريکي آن دو را ندارد. ويژگي ديگر گرانش دوربرد بودن آن است. در فواصل کيهاني که جرم ساختارها چشمگير است، نيروي گرانش بخوبي اثر خود را آشکار مي کند. فاصله ميان کهکشان راه شيري و کهکشان آندرومدا حدود ۲٫۵ ميليون سال نوري است؛ ولي نيروي گرانش ميان آنها، از اين فاصله هم موثر است و اين دو کهکشان با سرعت ۳۰۰ کيلومتر بر ثانيه در حال نزديک شدن به يکديگر هستند و حدود ۴٫۵ ميليارد سال ديگر به هم برخورد خواهند کرد. اگرچه داستان کشف جاذبه فقط با افتادن يک سيب از درخت، افسانه اي بيش نيست ولي اگر در اين افسانه، نيوتن اندکي باهوش تر بود و پس از کشف جاذبه اين را هم از خود مي پرسيد که چرا سيب به درون زمين فرو نرفت؟ احتمالا امروز او را کاشف نيروي الکترومغناطيسي هم مي دانستيم. نيروي الکترومغناطيسي اين نيرو، اجزاي ماده را کنار هم مي نشاند. الکترون را در اتم مقيد و با پيوند اتم ها به يکديگر مولکول ها و ساختارهاي بزرگ تر را توليد مي کند. اين نيرو مسئول همه تغييرات شيميايي است و اساس کار آن يک جمله معروف است: «بارهاي همنام يکديگر را دفع و بارهاي غيرهمنام همديگر را جذب مي کنند.» چرخش الکترون به دور پروتون برخلاف چرخش زمين به دور خورشيد نمي تواند ناشي از نيروي جاذبه باشد، چراکه با جرم ناچيز الکترون و پروتون نيروي گرانش حاصل بسيار ناچيز و قابل چشم پوشي است. بنابراين به نيرويي با سازوکاري متفاوت نياز داريم. نيروي الکترومغناطيسي باعث مي شود الکترون با بار منفي جذب بار مثبت هسته اتم شود و با چرخش به دور هسته، اتم هاي پايدار به وجود بياورد. نيروي الکترومغناطيسي ۱۰۳۶ بار قوي تر از گرانش است؛ يعني اگر بزرگي گرانش را به اندازه يک نخود تشبيه کنيم، بزرگي نيروي الکترومغناطيسي از کل عالم هستي بزرگ تر است. زماني که يک براده آهن جذب آهن ربا مي شود، يک مجموعه کوچک با تعداد محدودي الکترون و پروتون بر کل نيروي گرانش حاصل از برهم کنش همه ذرات براده آهن با همه ذرات کره زمين غلبه مي کند. نيروي الکترومغناطيسي با ايجاد پيوند ميان اتم ها و مولکول ها ماده را مي سازد و به آن انسجام مي بخشد و باعث مي شود سيب پس از افتادن از درخت به درون زمين فرو نرود. ولي اگر نيروي الکترومغناطيسي ميان بارهاي همنام باعث مي شود آنها يکديگر را دفع کنند چگونه ممکن است ۹۲ پروتون با بار مثبت همراه ۱۴۳ نوترون، درون هسته يک اتم تجمع کنند و اتمي مانند اورانيوم ۲۳۵ را به وجود آورند؟ پاسخ به اين پرسش، دانشمندان را به کشف نيروي سوم يعني نيروي هسته اي قوي هدايت کرد. نيروي هسته اي قوي نيرويي که باعث پايداري هسته اتم مي شود نيروي هسته اي قوي نام دارد. پسوند قوي، از شدت اين نيرو نسبت به نيروي الکترومغناطيسي حکايت دارد. نيروي هسته اي قوي به قدري کوتاه برد است که حوزه تاثير آن به درون هسته اتم محدود است و ما هيچ گاه نمي توانيم احساس مستقيم و درک ملموسي مانند آنچه از گرانش و الکترومغناطيس داريم از آن داشته باشيم. اگر يک متر را به ده ميليارد قسمت مساوي تقسيم کنيم، به فاصله اي مي رسيم که مي توانيم نيروي الکترومغناطيسي بين دو ذره باردار را احساس کنيم ولي براي احساس نيروي هسته اي قوي بايد يک متر را ابتدا به يک ميليارد قسمت و سپس هر قسمت را به يک ميليون قسمت ديگر تقسيم کنيم. پروتون و نوترون که خود از ذراتي کوچک تر به نام کوارک ساخته شده، تحت نفوذ اين نيروي قوي قرار دارد. البته اگر يک نوترون پر انرژي وارد يک هسته سنگين مانند اورانيوم ۲۳۵ شود نيروي الکترومغناطيسي بر نيروي هسته اي قوي چيره خواهد شد و با متلاشي شدن هسته، انرژي فراواني آزاد مي شود. اين پديده شکافت هسته اي نام دارد و در ساخت بمب اتم از همين قاعده ساده استفاده مي شود. ولي نيروها لزوما دو ذره را به سمت يکديگر نمي کشند. نيروي چهارم نيرويي است که نقش اصلي آن کمک به واپاشي عناصر، تبديل آنها به عناصر ديگر و ايجاد اثر راديواکتيويته است. نيروي هسته اي ضعيف اين نيرو باعش واپاشي نوترون و پروتون و تبديل آنها به يکديگر است که در نتيجه به هسته يک عنصر به عنصر ديگر تبديل مي شود. اين تبديل عناصر، عامل اصلي پرتوزايي و توليد انرژي هسته اي است. نقش اين نيرو در واکنش هاي هسته اي خورشيد و تبديل هيدروژن به هليم بسيار حياتي است. اين نيرو ۱۰۱۱ مرتبه از نيروي الکترومغناطيسي ضعيف تر است و برد آن خيلي کوتاه تر از نيروي الکترومغناطيسي و با برد نيروي هسته اي قوي قابل مقايسه است. اتحاد نيروها اواسط قرن ۱۹ ميلادي کلارک ماکسول توانست نشان دهد نيروهاي الکتريکي و مغناطيسي که تا آن زمان تصور مي شد دو نيروي متفاوتند در واقع دو روي يک سکه به نام نيروي الکترومغناطيسي هستند. شايد خود ماکسول هم از درک جايگاه ويژه کشف شگفت انگيزش باخبر نبود، ولي زماني که اواخر قرن ۲۰ عبدالسلام و واينرگ نشان دادند نيروي الکترومغناطيسي و هسته اي ضعيف هم در انرژي هاي بالا به يک نيرو به نام الکتروضعيف تبديل مي شوند اوضاع دگرگون شد. ظاهرا همه نيروها در انرژي هاي بالا مانند آنچه بلافاصله پس از انفجار بزرگ وجود داشت با هم متحد مي شوند. البته تلاش هايي که تاکنون براي اثبات اتحاد همه نيروها صورت گرفته هنوز به پاسخ قطعي منجر نشده است. همکاري حيرت انگيز هماهنگي نيروهاي چهارگانه براي کنترل پديده هاي عالم و ايجاد جهان کنوني بويژه براي ايجاد امکان حيات، حيرت انگيز و باورنکردني است. بهترين نمونه براي نشان دادن اين هماهنگي در فرآيند ايجاد انرژي در دل خورشيد مشاهده مي شود. اين فرآيند پيچيده چنين آغاز مي شود که نيروي جاذبه ميان پروتون هاي خورشيد، آنها را به هم نزديک مي کند. گاهي دو پروتون به قدري به هم نزديک مي شوند که بر اثر انرژي زياد خود براي يک لحظه بر نيروي دافعه الکتريکي غلبه و به هم برخورد مي کنند. در همين لحظه نيروي ضعيف، يکي از پروتون ها را به نوترون تبديل مي کند و در اين هنگام نيروي قوي وارد عمل شده، پروتون و نوترون را به هم پيوند مي دهد و اينجاست که هسته هليم متولد مي شود. بر اثر اين پيوند، انرژي فراواني ساطع مي شود که به لطف نيروي الکترومغناطيسي به شکل تابش به زمين مي رسد. حيات زميني آهنگ مناسب سوختن خورشيد را مديون هماهنگي ميان اين نيروهاست. براستي اين سازوکار باورنکردني را بايد حاصل اتفاقات و احتمالات دانست يا هنرنمايي يگانه وجودي هوشمند و مقتدر؟