جدید ترین عناوین خبری امروز
Registering new users is currently not allowed.

چرا در فیزیک به بعد پنجم نیاز داریم؟

اندیشه وجود بعد پنجم چیز جدیدی نیست و از کارهای دو دانشمند معروف آلمانی به نامهای کالوزا (Theodor Kaluza) و کلاین (Oskar Klein) ناشی شده است.
این دو دانشمند که به صورت مستقل کار می کردند، خواستند با استفاده از تعمیم نظریه نسبیت عام انیشتین به وحدت گرانش و الکترومغناطیس دست یابند. آنها نشان دادند که ممکن است بتوان نیروی الکترومغناطیسی را یک بعد اضافی به حساب آورد. همچنین در جواب این سوال که چرا در فواصل عادی و انرژیهای کم بعد پنجم دیده نشده است، اظهار داشتند که بعد پنجم در اندازه ای کوچکتر از یک اتم در هم پیچیده است.

لزوم وحدت نیروها

فیزیکدانان سعی دارند که برای نیروهای چهارگانه بنیادی خاستگاه مشترکی را بیابند. این امید با نظریه مه‌بانگ و انبساط جهان فیزیکی سازگار است. چون این دو فرضیه ، با فرض درست بودن آنها ، گواه بر آن هستند که در آغاز تنها یک نیرو و یک نوع از ذرات وجود داشته اند. میل به دستیابی به ساختار و فرضیه‌ای یگانه، در حقیقت ناشی از این واقعیت است که جهان فیزیکی در آغاز، از تقارنی بسیار گسترده برخوردار بوده است.

پس از مه‌بانگ ، جهان فیزیکی ، همچنان که سردتر و گسترده تر می شد، پیچیده‌تر و گونه گونه تر هم می گشت. بنابر این نیرو و ذره یگانه نخستین ، رفته رفته به چهار نیرو و ذرات بنیادی بسیاری تبدیل گشت. دانشمندان فیزیک می گویند که باید تقارن نخستین شکسته شده باشد تا نیروهایی که ما می شناسیم پدید آیند.

نظریه کالوزا- کلاین

نیاز به بعد پنجم زمانی احساس شد که فیزیکدانان خواستند بین میدان گرانشی و میدان الکترومغناطیسی وحدت ایجاد کنند. بیش از هفتاد سال قبل کالوزا نظریه‌ای را برای وحدت گرانش و الکترو مغناطیس با استفاده از یک چند گونای پنج بعدی ارائه داد. در این نظریه تاثیرات بار الکتریکی در فضا به عنوان چشمه‌هایی که انحنا ایجاد می کنند در نظر گرفته می‌شوند. در نظریه نسبیت عام انیشتین نیز در مورد جرم به این صورت عمل می شود. کلاین دانشمند دیگری بود که بصورت جداگانه در این زمینه به فعالیت پرداخت.

بعدها فیزیکدانان این دو نظریه را باهم ادغام کرده و بصورت نظریه واحدی تحت عنوان نظریه کالوزا – کلاین ارائه دادند. در نظریه کالوزا – کلاین هر نقطه مادی ، در واقع یک حلقه در بعد پنجم است. یک ذره باردار ( حتی اگر در فضای معمولی ساکن باشد )، همانند موشی در داخل یک چرخ گردون بطور دائمی حول حلقه در حرکت خواهد بود.
بنابراین آنچه را که ما تحت عنوان بار الکتریکی می شناسیم، در واقع حرکت در بعد اضافی است. بین نظریه کلاسیک الکترومغناطیس و این حرکت چند ارتباط قانع کننده وجود دارد. به عنوان مثال اگر قانون سوم نیوتون را در امتداد بعد پنحم در نظر بگیریم ، به قانون بقای بار الکتریکی خواهیم رسید.

نظریه کالوزا – کلاین با وجود موفقیت های اولیه نتوانست تعریف واحدی از نیروهای الکترومغناطیس و گرانش ارائه دهد. بعدها که دو نیروی بنیادی دیگر تحت عناوین نیروی ضعیف و نیروی قوی (که در مورد کوارکها مطرح است) بوجود آمدند، نظریه کالوزا – کلاین به ابعاد بیشتر تعمیم داده شد. به بیان دیگر چارچوبی که شامل چهار نیروی بنیادی باشد، باید دارای ابعاد بیشتر باشد. به عنوان مثال نظریه ابر ریسمان که در آن قطعات اساسی سازنده ماده را به عنوان ظهور چهار بعدی تکه های کوچکی از ریسمان مرتعش در نظر می گیرند، نیاز به ده بعد دارد. در حالت کلی می توان گفت آنچه برای تعمیم مفاهیم چهار بعدی به پنج بعد و ابعاد بیشتر صورت گیرد، تحت عنوان نظریه کالوزا – کلاین معروف است.

بعد اضافی و اصل عدم قطعیت

معمولا چنین گفته می‌شود که ابعاد اضافی با شعاع انحنایی معادل ۳۵-^۱۰ متر که به عنوان طول پلانک معروف است در هم پیچیده شده اند. طول پلانک مقیاسی است که در آن نیروی گرانشی از لحاظ قدرت با سایر نیروهای مطابقت قابل مقایسه‌ای دارد. اما اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ایجاب می کند که با کوچکتر شدن مقیاس باید انرژی افزایش پیدا کند. به عبارت دیگر طول پلانک با انرژی عظیمی معادل ۱۹^۱۰ * ۱٫۲۲ GeV مرتبط است.
این انرژی تنها در خلال اولین ثانیه‌های انفجار بزرگ در دسترس ذرات قرار داشت.

امکان وجود بعد اضافی در فواصل بزرگتر

این نظریه که ممکن است ابعاد اضافی در طول های بسیار بزرگتر از مقیاس پلانک ظاهر شوند، اولین بار توسط ایکناتیوس آنتونیارین از پاریس مطرح شد. در سال ۱۹۹۰ او سعی نمود که یک مسئله پیچیده در نظریه ابر ریسمان را حل کند، و متوجه شد که این مسئله را می توان با ابعاد اضافی بزرگی که دقیقا چنین ویژگی هایی را دارند، حل کرد. تنها مشکلی که وجود داشت این بود که ابعاد بیشتر بطور خودکار ذرات جدیدی را بوجود می آورند و این ذرات اثرات مشکل برانگیزی دارند.

به عنوان مثال بوزون که یکی از حمل کنندگان نیروی هسته‌ای ضعیف است، دارای مجموعه کاملی از خویشاوندان است که در برخوردهای پر انرژی بوجود می آیند. ذرات جدید به دلیل خاصیت موجی ذرات اصلی بوجود می آیند. به بیان دیگر هنگامی که یک ذره اساسی در ابعاد بالاتر حرکت می کند، مولفه موج مانند آن به حرکت در اطراف آن در بعد بالاتر می پردازد و تولید یک مجموعه پژواک می کند که این پژواکها را حالتهای کالوزا – کلاین می‌گویند.

بایدها و نبایدهای نظریه واحد

نظریه واحد باید توضیح دهد که چگونه نیروهای ضعیف ، قوی و الکترومغناطیسی ، همچنان که جهان اولیه سرد می شد، از دل یک نیروی واحد تنها بیرون آمدند و از هم جدا شدند و برعکس چگونه درانرژی های بسیار زیاداین سه نیرو به یک نیرو تبدیل می‌شوند. بر اساس این نظریه با افزایش انرژی ، نیروهای الکترومغناطیسی و برهمکنش ضعیف ، قویتر شده و نیروی هسته‌ای قوی ، ضعیفتر می‌شوند.
منبع: physics today

به اشتراک بگذارید
دیدگاه ها 0

دیدگاه بگذارید

avatar
  اشتراک  
مطلع شدن
رفتن به نوار ابزار