نیروهای بنیادی چیست؟

کلمه نیرو (Force) یا لغزنده (Slippery) مفهوم پیچیده‌ای دارد. در زندگی روزمره، نیرو معمولا به معنای هل دادن یا کشیدن اجسام است، اما فیزیکدانان از این کلمه به معنای عام‌تری استفاده می‌کنند و گاهی به جای آن از کلمه برهمکنش (Interaction) استفاده می‌کنند تا این مفهوم گسترده‌تر را نشان دهند. این تفاوت در تعریف، اهمیت درک عمیق‌تر از نیروهای فیزیکی را نشان می‌دهد که شامل تعاملات غیرتماسی نیز می‌شود.

نیرو، یک عمل است که حرکت یک شی را تغییر می‌دهد. اشیا تمایل دارند حرکت خود را حفظ کنند (اینرسی)، اما اگر نیرویی بر آن‌ها وارد شود، سرعت یا جهت حرکتشان تغییر می‌کند که نشان‌دهنده اعمال نیرو است. قانون اول نیوتن که به قانون اینرسی نیز معروف است، این مفهوم را توضیح می‌دهد.

نیروهای اینرسی، نیروهایی هستند که در داخل یک وسیله نقلیه در حال حرکت، مانند خودرو، احساس می‌شوند. این نیروها زمانی ظاهر می‌شوند که سرعت یا جهت حرکت وسیله نقلیه تغییر می‌کند؛ به عنوان مثال، هنگامی که خودرو شتاب می‌گیرد، نیرویی شما را به سمت عقب می‌کشد؛ همچنین، در هنگام پیچیدن خودرو، نیروی گریز از مرکز شما را به سمت بیرون هل می‌دهد. اینرسی، تمایل اجسام به حفظ حالت سکون یا حرکت یکنواخت است. در این حالت، بدن شما تمایل دارد به حرکت مستقیم خود ادامه دهد، در حالی که ماشین در حال چرخش است.

نیروها به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• نیروی گرانش که در مسافت عمل می‌کند و اجسام دارای جرم را جذب می‌کند.
• نیروی الکترومغناطیسی که در مسافت عمل می‌کند و اجسام دارای بار و آهن‌رباها را جذب یا دفع می‌کند.
• نیروهای تماسی که با تماس فیزیکی بین دو جسم ایجاد می‌شوند و شامل نیروهایی مانند فشار، کشش، پیچش، تغییر شکل و اصطکاک هستند.

گرانش و الکترومغناطیس به عنوان نیروهای اصلی عمل‌کننده در مسافت در نظر گرفته می‌شوند؛ این سه دسته برای محاسبه تمام نیروهای کیهان کافی هستند، اما آیا این نیروها به صورت بنیادی وجود دارند؟ یا حاصل پدیده‌های دیگر هستند؟ برای پاسخ به این پرسش باید نگاه ریزتری داشته باشیم. طبیعت و رخدادهای آن، بر پایه چهار نیروی بنیادین استوار هستند که کنترل این رخدادها را در دست دارند.

نیروی الکترومغناطیسی بر اساس بارهای الکتریکی عمل می‌کند و تمام ذرات باردار، از جمله شش کوارک و سه لپتون باردار (الکترون، میون و تاو)، آن را تجربه می‌کنند. فوتون که جرمی ندارد، واسطه این نیرو است. این نیرو، مانند استاتیک الکتریسیته که مسئول جاذبه بین اشیا باردار است.

به عنوان مثال، نیروی الکترومغناطیسی که جوراب‌ها را پس از خشک شدن در خشک‌کن به هم می‌چسباند، یک نمونه از نیروی الکترومغناطیسی است که در آن جوراب‌ها به یکدیگر جذب می‌شوند (نیروی ربایش). همانند نیرویی که آهن‌ربا را به در یخچال می‌چسباند، اما وقتی یک لامپ روشن می‌شود، هیچ نیروی محسوس و محدودی از جاذبه یا ربایش وجود ندارد.

تعامل الکترومغناطیسی که شامل نیروی الکترومغناطیسی نیز می‌شود، در پدیده های مختلفی مانند تابش و جذب نور دخیل است. این تعامل، اساسا پدیده‌های بنیادی مشابهی را در بر می‌گیرد که بر نیروهای بین اجسام مختلف حاکم است؛ به عبارت دیگر، اگرچه این ارتباط ممکن است آشکار نباشد، اما نور و نیروهای الکترومغناطیسی از اصول یکسانی پیروی می‌کنند.

نیروی گرانشی نیرویی است که بر اجسامی با جرم حاکم است. این نیرو در مقایسه با سایر نیروهای بنیادی در مورد ذرات بنیادی و فواصل کوتاه بسیار ضعیف می‌باشد و بر اجسام آسمانی موثر است.

نیروی هسته‌ای قوی، همانطور که از نامش پیداست، قوی‌ترین نیروی بنیادی طبیعت است. این نیرو ذرات داخل هسته اتم‌ها، یعنی کوارک‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد. قدرت این نیرو به قدری زیاد است که شش هزار تریلیون تریلیون تریلیون برابر از گرانش قوی‌تر است و این قدرت بالا برای غلبه بر دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون‌های بار مثبت ضروری است؛ به عبارت دیگر، نیروی هسته‌ای قوی عامل اصلی پایداری هسته اتم است. این نیرو در فواصل بسیار کوتاه، در داخل هسته اتم عمل می‌کند و به همین دلیل درک آن دشوار است.

نیروی هسته‌ای ضعیف، نیرویی است که بین کوارک‌ها و لپتون‌ها عمل می‌کند و باعث تبادل انرژی و تکانه بین آن‌ها می‌شود. این نیرو در مقایسه با نیروی هسته‌ای قوی، بسیار ضعیف‌تر است و برد کوتاه‌تری دارد. نقش اصلی این نیرو، مسئولیت پوسیدگی رادیواکتیو اتم‌ها است. این نیرو در هسته اتم نیز نقش دارد و باعث اتصال پروتون‌ها و نوترون‌ها به یکدیگر می‌شود، اگرچه این نقش توسط نیروی قوی نیز ایفا می‌شود.

نظریه‌ اتحاد بزرگ (Grand Unified Theory به اختصار GUT) پیش‌بینی می‌کنند که در انرژی‌های بسیار بالا، نیروهای الکترومغناطیسی، هسته‌ای ضعیف و هسته‌ای قوی به یک میدان نیرو واحد تبدیل می‌شوند. آزمایشات نشان داده‌اند که در انرژی‌های بالا، نیروی الکترومغناطیسی و نیروی ضعیف با هم متحد شده و نیروی الکتروضعیف را تشکیل می‌دهند. GUT به دنبال توضیح این است که چگونه این نیروها در انرژی‌های بالاتر، حتی پس از نیروی الکتروضعیف، به یک نیروی واحد تبدیل می‌شوند.

فیزیکدانان تاکنون توانسته‌اند الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف را در نیروی الکتروضعیف متحد کنند. تلاش‌ها در جهت یکپارچه‌سازی نیروی هسته‌ای ضعیف و کرومودینامیک کوانتومی (QCD) ادامه دارد تا به تعامل QCD-الکتروضعیف برسند که گاهی به عنوان نیروی الکترو-قوی شناخته می‌شود. این یکپارچه‌سازی‌ها در دماهای بسیار بالا رخ می‌دهد که در آن نیروها به هم می‌پیوندند. هنوز یک نظریه کامل برای یکپارچه‌سازی همه نیروها به طور کامل وجود ندارد، اما تحقیقات در این زمینه همچنان ادامه دارد.

فراتر از نظریه وحدت بزرگ، تلاش‌ها برای یکپارچه‌سازی گرانش با سه نیروی دیگر، نظریه همه‌چیز را هدف قرار داده است. نظریه وحدت بزرگ، نیروهای الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی را در یک نیروی واحد، در انرژی‌های بالا متحد می‌کند. ادغام گرانش با این نیروها، به منظور دستیابی به نظریه همه‌چیز است. بخشی از این نظریه، مرتبط با نظریه الکتروضعیف است که توسط عبدالسلام، واینبرگ و گلاشو پیشنهاد شد.

بر اساس تحقیقات شتاب‌دهنده‌های ذرات، نیروی هسته‌ای قوی در دماهای بسیار بالا رفتاری غیرمنتظره نشان می‌دهد. این نیرو با افزایش دما، ضعیف می‌شود و باعث می‌شود که اتصال کوارک‌ها و گلوئون‌ها از هم بپاشد و به ذرات آزاد تبدیل شوند. این پدیده با رفتار نیروی الکتروضعیف در دماهای بالا که برعکس عمل می‌کند، یعنی با افزایش دما قوی‌تر می‌شود، در تضاد است. این توفیقی است که ما بتوانیم در دماهای خیلی بالا، این دو نیرو را هم ارز با یکدیگر کنیم و به وحدت بزرگ دست یابیم.

نظریه میدان واحد، تلاش برای توصیف تمامی نیروهای بنیادی و ذرات بنیادی در قالب یک چارچوب واحد است. نظریه‌های وحدت بزرگ نشان می‌دهند که کاهش دما در جهان عامل جدایی نیروهاست. با افزایش دما و انرژی، نیروها به سمت وحدت نزدیک می‌شوند. این نظریه‌ها هنوز میدان گرانشی را شامل نمی‌شوند و در حال توسعه برای رسیدن به نظریه جامع‌تر هستند.