ما حقيقتاً از چه ساخته شده ايم؟

پنجاه سال پیش در اسکاتلند، مردی ایده بی‌نظیری که امروز سوداگران علم در اروپا و امریکا را در مقابل هم و در مسابقه ای 10 بیلیون دلاری قرار داده است را ارائه داد تا به چیستانی که می‌گوید من و شما و همه چیز پیرامون ما، واقعاً از چه ساخته شده ایم، پاسخ دهند.
این سفری به قلب ماده و غوطه ور شدن در هسته وجود فیزیکی ما و تمامی این جهان فیزیکی است.
اما آیا این سفر به جهان ذره ای درک ما را از طبیعت متحول می‌سازد؟
یا این که برای ما روشن می شود که حقیقتاً چقدر کم درباره چیستی خودمان و اینکه از چه ساخته شده ایم، می‌دانیم؟
ما واقعاً از چه ساخته شده ایم؟
من و شما و همه چیز در اطرافمون؟
این سوال ساده هزاران سال هست که بشر را به حدس و گمان کشانده است.
در دوران باستان، جواب ساده بود. همه چیز در هستی از چهار عنصر یا بیشتر از آن به وجود آمده بود:
خاک ، هوا، آتش و آب.
وقتی من بچه بودم، البته نه خیلی در دوران باستان به ما می‌گفتند که همه چیز از اتم ساخته شده، اما در این چند دهه گذشته دانشمندان با بررسی داخل اتم فهمیدند که موضوع بسیار پیچیده‌تر از اینهاست. با وجود این همه دانش ما هنوز هم حقیقت ذات ماده را نمی‌فهمیم. اما در حال حاضر هزاران محقق متواتراً ردّ پاها را دنبال می‌کنند. و از همیشه بیشتر به درک اینکه چطور همه چیز در اطراف ما به هم چفت می‌شوند، می‌رسند و این کار را هم با شکستن اشیاء انجام می دهند.
وقتی که من 6 ساله بودم، پدرم ساعت جیبی قدیمی خود را به من داد. (یک زمان سنج). می‌خواستم بدانم
چطور کار می‌کند! تصمیم گرفتم این موضوع را بفهمم. متلاشی کردنش، بسیار آسان تر از دوباره درست کردنش بود. اما من کمی درباره اینکه چه چیزی باعث صدای تیک می‌شود، فهمیدم. این تا حد زیادی همان کاریست که فیزیکدان‌های امروز انجام می‌دهند. اجرام را خرد می‌کنند و خرده‌ریزهای آن را با میکروسکوپ‌های پر قدرت بررسی می‌کنند. ما همان کاری را می‌کنیم که بچه‌ها می‌کنند. همه چیز را می‌شکنیم و نگاه می‌کنیم ببینیم چی ازش در میاد. برای این کار هم باید همه چیز را سخت‌تر و سخت‌تر و سخت‌تر بشکنیم تا کوچک‌ترین و ریزترین ذره‌ها را ببینیم.
در "آزمایشگاه ملّی آرگون" در شیکاگو "باب استنک" دستگاه‌هایی می‌سازد که همتراز دنیای اتمیست. این منبع مجهز فوتون ماست. میکروسکوپی که در حدود نیم مایل قطر دارد و حاوی 33 ایستگاه هست که در اونها 33 آزمایش مجزا می‌تواند اتفاق بیفتد.
برای اندازه گیری ساختارهای ریزی از هر چه که این آقایون دلشون بخواد اندازه بگیرند. اگر دوران دبیرستان را به یاد داشته باشید، زمانی که با میکروسکوپ به چیزی نگاه می‌کردیم. می‌گفتیم: اوه اینها رو ببین چقدر جالب است.
این بسیار شگفت انگیزه که نور و دید معمولی بتوانند شما را به چنین سطحی از جزئیات برسانند. در هر حال امروز به دلایل زیادی به چیزهایی بیش از یک نور عادی نیاز هست.
لازم است که ریز تر و ریز تر و ریز تر بشویم.
با A.P.S ما می‌توانیم همه چیز را بسیار کوچکتر از چیزی که با میکروسکوپ معمولی می‌شود دید، ببینیم. می‌توانیم اشیاء را 10 بار کوچکتر ببینیم. هزار بار کوچکتر ببینیم یا 10.000 بار کوچکتر ببینیم. در حقیقت ما می‌توانیم اشیاء را 10 در 10 برابر کوچکتر از حالتی با نور عادی ببینیم. می‌توانیم مولکول‌ها را ببینیم. می‌توانیم ویروس‌ها را ببینیم. می‌توانیم تقریباً ساختار حیات را ببینیم.
توانایی تصویر برداری از مولکول‌ها و اتم‌ها موضوع خارق العاده ایست. زیرا همین صد سال پیش "اتم" تنها یک تئوری بود. در اواخر قرن بیستم اعتقاد بر این بود که اگر اتم اصلاً وجود داشته باشد یا صدف‌هایی خالیست و یا گوی‌های توپُر و ریز. اما یک تحقیق، همه چیز را تغییر داد.
این تصور "ارنست راترفورد" یا "شرلوک هولمزِ" فیزیک ذره ای بود.

استیو نان پروفسور M.I.T و سرپرست تیم بزرگترین شتاب‌دهنده ذره ای بزرگ اروپاست (Hadron Collider) هادرن کُلایدر.
"استیو" قرار است یکی از مهم‌ترین آزمایشات در تاریخ علم را بازسازی کند. کاوشگر "راترفورد" در ساختار یک اتم این آزمایش هم مثل تجربه "راترفورد" هست. ما از همان ورقه های طلا استفاده می‌کنیم و میلیون‌ها ذره را از این ورقه‌ها عبور می‌دهیم.
"راترفورد" فکر می‌کرد که همه ذرات مستقیماً عبور می‌کنند و هیچ شکستی پیدا نمی‌کنند. اما اینطور نیست.
تجربه "راترفورد" مثل شلیک به یک کومه علف است. ذرات، مثل گلوله هستند و اتم‌های ورقه طلا هم مثل کومه خرمن علف. اگر خرمن توخالی باشد گلوله مستقیماً از آن عبور می‌کند. اما اگر خرمن با گلوله‌های توپ پر شده باشد، همه گلوله‌ها کمانه می‌کنند و اگر هم فقط چند گلوله توپ در مرکز باشد، بعضی از گلوله‌ها کمانه می‌کنند که این همان اتفاقیست که می‌افتد.
وقتی "راترفورد" ذرات را شلیک کرد، بیشتر آنها مستقیماً عبور کردند، اما بعضی از آنها از مرکز هدف، کمانه کردند. درست بر خلاف قاعده آن زمان، چیزی کوچک و سخت در آن میان وجود داشت. در اعماق صدف اتم این شاهدی از وجود جرمی بسیار ریز و بسیار سنگین در هسته اتم است. هسته سنگینی که با فضای خالی وسیعی احاطه شده است. در حقیقت هسته اتم صد هزار بار کوچکتر از شعاع اتم است.
قابل مقایسه است با نوک یک سنجاق در وسط یک استادیوم فوتبال. پس از "راترفورد" فیزیکدان‌ها جستجوی درون اتم را ادامه دادند و دریافتند که اتم از سه بخش تشکیل شده است:
پروتون‌ها و نوترون‌ها که هسته اتم را شکل می‌دهند. به همراه الکترون‌ها که پوسته اطراف آن را فرم می‌بخشد. همه اینها با هم، اتم را تشکیل می‌دهند. اتم‌ها به هم می‌چسبند و مولکول را می‌سازند و از این مولکول‌ها اشکال پیچیده‌تر DNA و هفت هزار تریلیون تریلیون اتمی که بدن انسان را به وجود می‌آورد، ایجاد می‌شود. برای مدتی، تئوری اتمی جهان به نظر می‌رسید که همه چیز را توضیح می دهد. اما بعد فیزیکدان‌ها، اتم را شکستند و باتلاقی از معماهای ذرات جدید را کشف کردند که تئوری‌های اونها را وارونه کرد.
بُهت آورترین‌شان، هم "ضد ماده" نامیده می‌شود. یعنی دوقلوی اهریمنی ماده که اگر فقط این اندازه از اون با ماده معمولی برخورد کند، یک شهر را با خاک یکسان می‌کند.
حالا چرا دانشمندان این‌همه سعی می‌کنند اون رو تولید کنند؟ چون معلوم شده که ممکن است حاوی راز معمای ماده باشد. در ابتدا وقتی دانشمندان اتم را شکستند، پرده از ذات سلول‌های بنیادین اتم برداشتند:
پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها.
بعد، دستگاه‌هایی ساختند که اونها را قادر می کرد تا همین ذرات کوچک را هم له کنند و از دل اونها ذرات عجیب تازه ای استخراج شد.
شاید عجیب ترینش، چیزیست که ما به آن ،"ضد ماده" می گوییم، یعنی قطب مخالف ماده، انفجاری ترین عنصر هستی.
وقتی ماده و ضد ماده با هم بر خورد کنند به صورت شدیدی همدیگر را خنثی می‌کنند. فیزیکدان‌ها می‌گویند: همدیگر رو نابود می‌کنند.
انفجاری عظیم ایجاد می‌کند. چقدر عظیم؟ کمتر از نیم گرم ضد ماده می‌تواند 13 کیلو تُن انفجار تولید کند. یعنی به بزرگی بمب هیروشیما.
پروفسور "فرنک کلوز" فیزیکدان تئوریک دانشگاه "آکسفورد" است.
پروفسور "فرنک": ضد ماده ، بهترین مخالف ماده است. اگر من از ضد ماده ساخته شده بودم، دقیقاً به همان شکلی که امروز هستم به نظر می‌رسیدم. اگر به اتم‌هایی که من از آن درست شده بودم نگاه می‌کردید، دقیقاً به شکل اتم ضد ماده بودند. شما فقط وقتی وارد اتم می‌شوید، قادرید، اختلاف اونها رو ببینید. اتم‌هایی که ما از اونها ساخته شده ایم، الکترون‌های بار منفی کوچکی دارند که به دور هسته مثبت بزرگی در گردشند. اما ضد ماده؟
از این مرد بپرسید.
"جول فِیجِنس" یک محقق ضد ماده در دانشگاه برکلی کلیفرنیاست.
ضد ماده در همه جای دنیا هست. برای مثال، این موز، حاوی پتاسیم 40 هست. یک ایزوتوپ پتاسیمی که پازیترون منتشر می‌کند. مطالعه پازیترون و سایر فرم‌های ضد ماده دشوار هست و این همان کاریست که من انجام می‌دهم. این شغل منه که درباره ضد ماده مطالعه کنم. من تا حدی الهام این کار را از تجربه ای که در اینجا به دست آوردم کسب کردم.
این شتاب دهنده "به واتران" در آزمایشگاه ملی "لارنس" بِرکلی است.
"بِه واتران" اولین شتاب دهنده ذره ای بوده. در حال حاضر از هم پاشیده اما در دهه پنجاه مرکز تحقیقات جهان فیزیک بود. همان تکنیکی که در "به واتران" برای شتاب دادن ذرات مورد استفاده بود، امروز در شتاب دهنده‌های عظیم سراسر دنیا استفاده می‌شود. شتاب دهنده‌های ذره ای مثل میکروسکوپ‌های غول‌پیکری هستند که به ما اجازه می‌دهند تا وارد دنیای اتمی بشویم. مواد را به کوچکترین اجزای آن می‌شکنند.
فرو رفتن به درون اتم تا حد رسیدن به ضد ماده نیازمند گرفتن پروتون‌های هسته اتم و گیر انداختن آنها در یک مکنده و سپس شلیک آنها به حلقه غول پیکر الکترون‌هاست.
یک شتاب دهنده ذره ای با شروع حرکت پروتون‌ها به دور یک حلقه کار می‌کند و هر بار که می‌چرخند، یک ضربه ای با میدان الکتریکی به اونها وارد می‌شود تا سریعتر و سریعتر و سریعتر و سریعتر... و سریعتر بچرخند تا اینکه تقریباً به سرعت نور برسند. اونها تقریباً در سرعت‌دهنده ذره ای واقعا به سرعت نور می‌رسند.
البته اینجا، خیلی سرعت نمی‌گیرند، یعنی نه هنوز.... حالا پروتون‌ها در این جهت با پروتون‌هایی در جهت دیگری به سوی هم در حرکتند و یک جایی مثل تصادف ماشین به هم برخورد می‌کنند.

می‌توانید زمان برخورد دو تا ماشین به هم را تصور کنید. همه قطعات به اطراف می‌پاشند و در اطراف این نقطه تداخل که تصادف رخ داده، همانجاییست که ما گیرنده‌های خودمان را داریم و این اتفاق میلیون‌ها و میلیون‌ها و میلیون‌ها بار در ثانیه می افتد. وقتی شما پروتون‌ها را می‌شکنید، انرژی عظیمی را آزاد می‌کنید. اتفاقات غریبی از این انفجار حاصل می‌شوند که شامل اجرام ریزیست که به ظهور می‌رسند و در یک بیلیونیم ثانیه نیز ناپدید می‌شوند. ذراتی همچون ضد نوترون و ضد پروتون.
نظریه پردازان معتقدند که اینها در 1920 وجود داشته اند. دهها سال بعد، "بِه وِاتران" ثابت کرد که آنها درست می‌گفتند. ناگهان جهانی که ما تصور می‌کردیم آن را می‌شناسیم، بسیار غریبه تر شد. پازیترون‌های مواد مثل فساد رادیو اکتیوی یک ماده مثل موز یا تشعشعات کیهانی از نیمه دیگر یک جهان ضد ماده یا حتی ضد پروتون‌های دستگاه‌هایی مثل این و تشعشعات کیهانی و سایر منابع طبیعی دیگر را از نیمه دیگر یک جهان ضد ماده بگیرید و کنار هم بگذارید، یک جهان کاملاً ضد ماده قرینه خواهید داشت که دقیقاً مثل جهان ماست.
به جز اینکه همه چیز در اون برعکس هست و همه چیز قرینه دیگریست و این موضوع یک کمی غیر منتظره و شاید شوکه کننده هست. چون دنیای ماده و دنیای ضد ماده خیلی با هم قابل مقایسه نیستند.وقتی اینها را کنار هم می‌گذارید و با هم تماس پیدا می‌کنند، نابود یا تخریب می‌شوند.
پس ما چطور به وجود آمدیم؟ چون اگر به اندازه ماده، ضد ماده هم در جهان وجود داشته باشد، همه باید با هم مخلوط شده باشند و ما باید الآن با نیستی کامل روبرو باشیم.
انفجارهای ریز نورهایی که شما در اینجا می بینید ضد الکترون یا پازیترون هستند. وقتی از یک دیسک کوچک رادیو اکتیو نشت می‌کند، الکترون‌های مخالف خود را در ماده معمولی موجود گرم کرده و در یک آن نابود می‌شوند و این تشعشعات انرژی را به وجود می‌آورند.
پازیترون‌ها و الکترون‌ها کوچکترین ذرات قابل تصورند. بنابراین ، این حقیقت که شما می‌توانید انفجار آنها را با چشم غیر مسلح ببینیدT به شما درکی از اندازه انرژی آزاد شده می‌دهد. ضد ماده، از بالاترین حد انفجار برخوردار است. برخی نگرانند که در صورت افتادن به دست نا اهل می‌تواند در تولید بمب ضد ماده به کار رود. یعنی نهایی‌ترین سلاح ممکن.
ممکن نیست که ما بتوhنیم زمین را با استفاده از ضد ماده تولید شده نابود کنیم. این کاملاً غیر ممکن است که بشود مقدار زیادی از ضد ماده را پیدا کرد. به خصوص از نظر اقتصادی.
اگر شما بخواهید فقط چند گرم ضد ماده هم درست کنید، باید این کارخانه ها را برای هزاران سال به کار بیندازید. تازه اگر نگوییم دهها هزار سال، تا بشود فقط چند گرم ضد ماده تولید کرد. این فقط یک موضوع بنیادی در فیزیک هست. موضوع بازدهی در کار نیست. اینطور نیست که بخواهیم در این زمینه بهتر از آنچه بشویم که هستیم. پس نگران نباشید. دنیا امن است.
ضد ماده چیزیست که ما از آن درست نشده ایم. اما اصل وجود داشتن آن مبین این است که جهان غریبه واقعاً چه می‌تواند باشد و ما چقدر کم از نیروهای کیهانی که در آسمان و در درون بدن خود ما در کارند خبر داریم.
کشف ضد ماده، با کاوش عمیق‌تر در قلب اتم. با تولید کننده فشار ذره ای قدرتمندتری ادامه یافت. اما فیزیکدان‌ها از آنچه که دیدند خوشحال نشدند. هر چه جلوتر می‌رفتند، همه چیز کمتر قابل درک می‌شد.
شتاب‌دهنده‌ها، ناوگانی از ذرات اسرار آمیز غیر منتظره را آشکار کردند.
دهها گونه مختلف، تکه‌هایی از ماده که همه با هم فرق داشتند.
برخی در حدی باورنکردنی سنگین بودند، برخی هیچ وزنی نداشتند. دنیای ذره ای معروف شد به "باغ وحش ذرات".
ما وقتی درباره "باغ وحش ذرات" مطالعه می‌کردیم که خیلی هم معین نبود. می‌دیدیم که خیلی به هم ریخته هست و اصلاً درست به نظر نمی‌رسید. به خودتون می‌گویید: این دیگر چیست؟ باید چیز بهتری اینجا باشد. چون این انگار که مثلاً یک چیزهایی دسته بندی شده است. مثل جادوی سیاه که طرف نمی دانسته دارد چه می‌کند. فیزیک تقلاییست برای هر چه ساده تر کردن.
اما این یک به هم ریختگی کامل بود. چرا؟
برای کمک به شکافتن این معما در دهه هفتاد، ایالات متحده "آزمایشگاه فِرمی" یک تجهیزات تحقیقی انرژی بالا را در سی مایلی خارج شیکاگو احداث کرد. آزمایشگاه "فرمی" روی "تِه واتران" ، شتاب‌دهنده ذره ای چهار مایلی ساخته شده است. فیزیکدان برنده جایزه نوبل "لئون لدرمن" بسیاری از آزمایشات خود را در اینجا به انجام رسانده است.
اما برای دهها سال او نیز همچون دیگران در تاریکی می‌گشت تا منطقی را برای این در هم ریختگی دنیای کوانتومی بیابد.
کم کم ذرات بیشتر و بیشتری وارد صحنه می‌شدند تا اینکه به دویست ذره در دهه‌های 50 و 60 و 70 رسیدند و بعد اینجا بود که آنها را در گروه‌های هم خانواده دسته‌بندی کردند و در نهایت هم در اواخر دهه 70 و اوایل 80 بود که به یک جمع بندی به نام "مدل استاندارد" دست یافته شد. اما این یک روند تدریجی بود. درست مثل یک "پازل جیگسا" که باید قطعات درست را انتخاب کرد و همه چیز باید روی هم بریزد و در جعبه هم روی آن گذاشته بشود. پس از مطالعه هزاران پازل جیگسا فیزیکدان‌ها متوجه شدند که در حال نگریستن به چه چیزی هستند.
"راب روزِر" مسئول ردیاب غول پیکریست که از برخورد مواد و ضد مواد در این مجموعه عکس‌برداری می‌کند شت سر من ، یک رخداد از برخورد پروتون و آنتی‌پروتون در حال نمایش هست که در داخل ردیاب CDF اتفاق افتاده است.
می‌توانید تصور کنید که یک پروتون از یک جهت و خارج از صفحه وارد و در نقطه مرکزی دچار برخورد شده است. بنابراین با مشاهده خم‌شدگی‌ها و انحناهای ذرات اگر در یک جهت انحنا پیدا کرده باشد، این ذره بار مثبت دارد و اگر در جهت مخالف انحنا پیدا کرده باشد. ذره بار منفی دارد. حالا اگر ما این رخداد را بررسی کنیم، می‌توانید یک جرم بلند منفرد صورتی را ببینید که معطوف به این دسته بزرگ صورتیست.
هر چه پر رنگ‌تر باشد، یعنی انرژی بیشتری دارد.
پس می‌بینید که در اینجا یک ذره منفرد، مقدار زیادی انرژی را درست در منطقه گرماسنج از دست می‌دهد که این نشان دهنده الکترون هست.
اینطرف هم شما یک خط منفرد را می‌بینید که در نیمه پشت ردیاب انرژی خودش را از دست می دهد.
بیشتر خصوصیات یک ذره "میون" را دارد. "میون"، یک الکترون سنگین هست.
حالا ما می‌توانیم اطلاعات زیادی را فقط با بررسی یکی دو تا ایده ساده به دست بیاوریم. با توجه کردن به اینکه این ذرات به کجا می‌روند. چقدر انحنا دارند و انرژی خودشون را در کجای ردیاب تخلیه کرده‌اند.
امروز پس از سالها مطالعه‌ی این ذرات اتمی برگ‌های چای، فیزیکدان‌ها معتقدند که ما به پاسخ این سوال که ما واقعاً از چه ساخته شده ایم، نزدیک می‌شویم.
آنچه ما امروز متشکل از آن هستیم، شاید فقط شامل یک مشت ذره باشد. اتم‌هایی که در خارج اونها الکترون‌ها هستند که مثل سیارات به دور آن می‌چرخند. یک هسته هم در وسط اتم هست که ما فکر می‌کردیم از پروتون و نوترون تشکیل شده است که البته همینطور هم هست. اما عمیق‌تر که بشویم یعنی درست در قلب پیاز، کیهانی می‌بینیم که از ذرات ریزی تشکیل شده که "کوارک" نامیده می‌شود و این کوارک‌ها هم دو نوع هستند: کوارک فرازین و فرودین و فقط همین.
این کوارک‌های فرازین و فرودین به روش‌های مختلفی به هم وصل می‌شوند و در نهایت هسته اتم را تشکیل می‌دهند و الکترون‌های خارج از آنها هم، با هم اتم را درست می‌کنند. فرو رفتن در یک نوترینو که ضمن روند رادیو اکتیوی تولید شده، ذره ابتدایییست که همه چیزهایی را که شما می‌توانید ببینید تشکیل داده است. البته فوتون‌های نور هم هستند که ما به وسیله اونها می‌توانیم ببینیم. و همین و همین.
بیشتر اتم‌های بدنِ ما از هسته و الکترون درست شده است و خود هسته‌ها از پروتون‌ها و نوترون‌ها ساخته شده اند و پروتون‌ها و نوترون‌ها هم از کوارک‌ها ساخته شده اند. و البته شما می‌خواهید بدونید که "کوارک‌"ها از چی ساخته شده اند؟
و اینجا همانجایی هست که ما فعلاً گیر کرده ایم. ظرف این 40-50 سال اخیر ما در حال مطالعه کوارک‌ها بوده ایم تا بتوانیم چیزی را در درون اونها پیدا کنیم. ولی همان نتیجه ای را که از الکترون‌ها گرفتیم،حاصل کردیم.
هیچ چیزی داخل‌شان نیست.
کوارک سایز ندارد.
اندازه کوارک صفر هست.
یک کمی شبیه به فیلم "الیس در سرزمین عجایب" هست. یادتون هست که "الیس" گربه "چسیر" را دید که با لبخند روی شاخه درختی نشسته بود؟.
در حیرت فوق العاده "الیس" و درست در مقابل چشمش گربه "چسایر" شروع به ناپدید شدن کرد و ناگهان...پوف...ناپدید شد. اما یک اثری از خودش به جای گذاشته بود: لبخندش...
این لبخند کوارک جعبه کوچکیست پر از انرژی، تمامی مواد در حقیقت متشکل از انرژیهایی هستند که در فرم ذرات، منجمد شده اند و این به نظر می‌رسد همان چیزی باشد که ما از آن ساخته شده ایم. حداقل تا آنجا که ما می‌دانیم. اما علم به این موضوع معمای دیگری را پیش روی ما گسترده می‌کند که می‌گوید: چرا موادی که ما از آن ساخته شده ایم، اینگونه عمل می‌کنند؟

کشف ما از ماده، مبین آن است که همه چیز تقریباً توخالیست. من ، شما و همه چیز در جهان، همه فضاهایی خالی هستند با نقاطی چند از ماده که در یک تهی شناورند. مثل سنگی در وسعت فضا. اما چگونه سر سوزن‌های ماده فرم و حالت می‌گیرند؟
باید چیزی باشد که آنها را به هم متصل کند. چیزی مثل چسب، در اقیانوسی از نیستی. سوال این است که "آن چیست؟".
امروز ما فکر می‌کنیم که می‌دانیم از چه ساخته شده ایم. سلول‌های بنیادین بی‌نهایت ریزی که تمامی مواد در جهان را فرم می‌دهند. اما یافتن این ذرات و تکه‌های ماده، معمایی چالش برانگیزتر از این را آشکار کرد.
چرا اشیاء جامدند؟ چرا جرم دارند؟
ماده بیشتر از فضای خالی تشکیل شده است. اینجا و آنجا شما یک اتم پیدا می‌کنید. اما بیشتر جاها خالیست. پس اینجا اتم هست و اونجا هم اتم هست و همین‌طور الی آخر.
پس چطور به هم وصل شده اند؟ شما چطوری یک پارچه هستید؟ من چطوری یک پارچه هستم؟
چسب نیست، می‌دانید که چسب نیست. باید یک جور تبادل بنیادین باشد. این تبادل نیرو باید رخ بدهد. حتی اگر شما اون را نبینید هم باید در سطح جهانی در همه جا اتفاق بیفتد.
فضای خالی ، به هیچ وجه خالی نیست، بلکه با نیرو پر شده است. وقتی این دو نفر بسکتبال را به هم پاس می‌دهند، لحظه انتقال توپ از یکی به دیگری که آنها را از هم دور می‌کند.
یک مجموعه تبادل از نیروهایی نامرئیست که با یکدیگر در ارتباطند.
پس چهار نیروی بنیادی در کار هست، "نیروی گرانشی" که همه درباره اون می‌دانند. نیروی الکترو مغناطیسی" که اغلب آنرا می‌شناسند. "نیروی ضعیف" که شما درباره آن نشنیده اید و "نیروی قوی" که این یکی را هم نشنیده اید.
نیروی ضعیف چیزیست که ضایعات رادیو اکتیو را تعیین می‌کند. اینکه اورانیوم چطور و به چه ضایعه ای تبدیل بشود. این مرحله به وسیله نیروی ضعیف اداره می‌شود.
نیروی قوی ، نیروییست که پروتون‌ها را به هم متصل نگه می‌دارد.
چیزی که "کوارک‌ها" را در سه قعطه به هم وصل می‌کند تا پروتون را بسازند. پس ما نیروی ضعیف و قوی را در حال عمل داریم و چیزی که نمی‌فهمیم، نیروی گرانشیست و از طرفی هم فکر می‌کنیم که نیروی الکترو مغناطیس را می‌شناسیم. همانطور که ما نمی‌توانیم ببینیم، همه چیز از چه ساخته شده است.
نمی‌توانیم نیروهای بنیادین پیرامونمان را هم ببینیم. اما می‌دانیم که وجود دارند. دریافتن این که این نیروها چگونه کار می‌کنند و اصولاً از کجا آمده اند، کنکاش اصلی فیزیک مدرن است.
حل این معما می‌تواند روشن کننده مسدودترین معمای هستی باشد که نه تنها بگوید ما از چه ساخته شده ایم، بلکه توضیح دهد که چرا همه چیز در درون ما فرم ثابتی دارد. کلید اساسی در فیزیک ذره ای کشف آن بود که برخی از ذرات در حقیقت حامل نیرو هستند.
برای مثال، فوتون‌ها که ذرات نور هستند، حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند.
تمامی نیروها چنین حاملینی دارند.
ما هنوز تمامی آنها را نیافته ایم، اما آنقدر می‌دانیم که آنها وجود دارند و به اندازه کافی می‌دانیم که آنها چگونه در همکاری با هم هستند تا در دماهای بسیار شدید نزدیک به یک میلیون بیلیون درجه الکترو مغناطیس و نیروی ضعیف شروع به ادغام شدن در هم کنند. به این ادغام، "ادغام الکترو ویک" می‌گویند
(Electroweak Unification).
سعی نکنید آن را بفهمید.
من هم آن را نمی‌فهمم، اما برای فیزیکدان‌ها این موضوع همچون یافتن حلقه‌ای گمشده بود. این موضوع راهی بود به سوی موفق‌ترین تئوری‌های تاریخ علم.
مدل استاندارد فیزیک ذره ای در طول 40 سال اخیر بارها و بارها اثبات شده است. اما مشکلی در این میان وجود دارد. مشکلی بزرگ که به "باغ وحش ذرات" مربوط می‌شود. همان ذرات عجیبی که
با تصادم پروتون‌ها به هم قادریم ببینیم چه در درون آنهاست. ذرات اتمی، وزن یا جرم زیادی دارند. برای مثال یک "کوارک" می‌تواند وزنی 200 برابر بیشتر از الکترون داشته باشد و این ذرات، اقوامی حتی سنگین‌تر با وزنی 100.000 برابر بیشتر از خود هم دارند.
"مدل استاندارد"، نمی‌تواند توضیح دهنده دلیل چنین مقیاس عجیبی در جرم ذرات باشد یا حتی اینکه بگوید چرا ذرات باید اصلاً وزنی داشته باشند.
حل این مشکل به یکی از بزرگ‌ترین تلاش‌های فیزیک نوین تبدیل شد و رستگاری هم به دست این مرد انجام گرفت. با "پیتر هیگز" آشنا شوید.
پروفسور بی ادعایی که بزرگ‌ترین و پر هزینه‌ترین تحقیقات را در تاریخ علم به انجام رساند. یک روزنه در مدل استاندارد جهان وجود داشت. "پیتر هیگز" آن را به کار انداخت. "هیگز" گفت که یک میدان وسیع که تا ابدیت گسترده است، در همه چیز جریان دارد.
وقتی انواع به خصوصی از ذرات با این میدان برخورد می‌کنند، این برخورد است که به آن ذرات، جرم می‌دهد.
اگر نظریه "هیگز" به حقیقت تبدیل شود، ممکن است ما بتوانیم بفهمیم چرا اجسام جامدند. اما در ابتدا "هیگز" برای پذیرش نظریه اش دچار مشکل بود.
مقاله او در توضیح این ایده توسط "سرن" (CERN) رد شد.
من ناراحت شدم.
چون فکر می‌کردم کاری که انجام داده ام، احتمالاً پیامد مهمی بوده است. پس دوباره مطالبی را با اضافه کردن یک پاراگراف دیگر نوشتم و به جای ارسال آن به "ژنو" که فکر می‌کردم کارگزاران "سرن" در آنجا متوجه نشده بودند که من چه می‌گویم. آنرا به آن سوی اقیانوس و به مرکز بازخوانی فیزیک ارسال کردم. به جورنال امریکایی مکاتبه کننده و در آنجا هم پذیرفته شد. پاراگرافی که "هیگز" به مقاله اش اضافه کرد، می‌گفت که میدان تولید کننده جرم، ذراتی هماهنگ را با خود دارد. یک حاملِ نیرو موسوم به "هیگز بوزان" و این ذره هماهنگ می‌تواند به صورت تئوریک در دستگاه شتاب دهنده ذرات تولید شود.
خوشبختانه فیزیکدان‌های دست اندر کار با ایده "هیگز" به هیجان آمدند. اتفاقی که درباره این تئوری افتاد آن بود که البته تعداد اندکی از تئوریسینها از آن حمایت کرده بودند، اما آنها عاشق این ایده شدند و بعد کم کم تئوریسین‌های بیشتر و بیشتری به این قائله پیوستند.
می‌دانید چه می‌گویم؟ مثل یک قطار...هو هو... و دیگر این قطار به راه افتاده بود. در یکی از بزرگترین سخریه های علم مدرن "سرن"، یعنی ارگانی که ،مقاله "هیگز" را رد کرده بود. تنها 10 بیلیون دلار هزینه کرد تا دستگاهی بسازد که بتواند ذرات "هیگز" را بیابد. اما "هیگز" دقیقاً چیست؟
از نیم دوجین فیزیکدان بپرسید تا نیم دو جین پاسخ متفاوت داشته باشید.
"هیگز" گفتنش سخت است. وقتی که به مقیاس "هیگز بوزاس" می‌رسیم، یک مقایسه ای هست با چیزی که از شیره قند بیرون می‌کشید، اما برای من این سر در گم کننده است. چون اتلاف انرژیست و این قیاس غلط است. واقعاً مقیاس خوبی برای "هیگز" وجود ندارد. چیزی که من در باره "هیگز" خواندم، از نظر من گیج کننده هست. من اینطوری فهمیدم.
فرض کنید که یک گروه خبرنگار در یک اتاق هستند. یک اتاق پر جمعیت و من و پرزیدنت "اوباما" می‌خواهیم وارد این اتاق بشویم و از در دیگرش هم خارج بشویم. پس ما وارد می‌شویم و چه می‌شود؟
البته همه خبرنگارها دور آقای "اوباما" را می‌گیرند و "باب" که اینطرف هست، راحت به در خروجی می‌رسد. پس من بدون هیچ مزاحمتی می‌توانم به این در برسم. در حالیکه آقای "اوباما" با مزاحمت زیادی روبروست، با جرم زیادی مواجه هست. میدان "هیگز" هم یک ذره را به همین شکل بیش از ذره دیگر تحت تاثیر قرار می‌دهد. باید بیشتر قابل مقایسه باشد با، بگذارید وقتی ما چیزی مثل آنرا پیدا کردیم، مقایسه بهتری براتون انجام می‌دهیم. یک مقایسه دیگر، یک چیزی که در رابطه با ماشین باشد یا یه چیز دیگر. چه بگویم؟
هر طور که آن را تشریح کنید، "هیگز" مشکل را حل می‌کند. مشکلی که با "باغ وحش ذرات" آغاز می‌شود. ایده بسیار شکوهمندیست. چون وقتی آنرا قبول می‌کنید، دیگر تصویر کلی ذرات ساده تر می‌شود، دیگر ذرات زیادی وجود ندارند. بلکه جرم هست که باعث می‌شود ذرات زیادی به نظر برسند.
یک کمی شبیه به "کالایدوسکوپ" هست که شما با آینه‌های زیادی به درونش نگاه می‌کنید و فقط هم یک مسیر کوچکی وجود دارد. اما پشت سر هم در آینه‌ها منعکس می‌شود و منعکس می‌شود و به نظر خیلی پیچیده می‌رسد. پدیده "هیگز" راه بسیار مطلوبی برای ساده کردن "مدل استاندارد" هست. هیگز" به بذر ابتدایی ماده جرم می‌بخشد. بذرهایی همچون الکترون و اتم و کوارک‌های درون پروتون، همانطور که جرم الکترون به تعیین اندازه اتم کمک می‌کند. "هیگز" به هر چه که ما می‌شناسیم، فرم و ساختار می‌بخشد.
اگر آن را حذف کنید، من، شما، سگ‌تان و همه زمین به سرعت برق از هم می‌‌پاشیم. حالا چطور شما چنین نیروی طبیعی نامرئی غیر قابل کشفی را میابید؟
تمامی نیروهای اتصال دهنده ذرات قابل دیدن به اندازه کافی انرژی دهنده اند. با ابزار مناسب می‌توانیم این ذرات نیرو را تولید کنیم. البته بماند که نزدیک به 50 سال زمان برد تا ابزاری ساخته شود که شاید بتواند "هیگز" را تولید کند.
این "هادرن کُلایدر" بزرگ "سرن" است که در بالاترین حد نیرو می‌تواند 7 تریلیون الکترون ولت ایجاد کند که در نهایت بالاترین انرژی ذره ایست که تا کنون تولید شده است.
سطح بالاتر انرژی LHC تصادم‌های بزرگتری را ایجاد کرد که قادر به پشتیبانی ذرات بزرگتری بود. این موضوع نشان می‌دهد که از بیلیونها برخورد تولید شده در هر ثانیه LHC چیزهایی را میابد که بشر تا کنون هرگز ندیده است. چیزهایی مثل "هیگز". اما LHC کاری بسیار بیش از پیدا کردن ذرات ریز انجام می دهد. چون چیزی که واقعاً در "سرن" ساخته شده است، ماشین "بیگ بنگ" هست.
در تلاش حل معمای ماده فیزیکدان‌ها متوجه شدند که در مسیر معمای بسیار بزرگتری قرار گرفته اند. شاید در واقع معمای نهایی و آن اینکه چه اتفاقی در اولین لحظه خلقت رخ داده است؟
در حال حاضر هزاران دانشمند محقق در حال شکار "هیگز بوزان" هستند. ذره نادیدنی که به همه چیز جرم می‌دهد. چیزی که باعث می‌شود همه چیز به هم بچسبد.
معمایی که همه تلاش در حل آن دارند. بسیار بسیار بزرگتر از آن چیزیست که به تصور بیاید. برای حل آن باید به آغاز بازگردند و اولین لحظه جهان را باز آفرینی کنند. اولین لحظات، درست بعد از اینکه "بیگ بنگ" اتفاق افتاد. به شکل خارق‌العاده ای (در حد بیلیونها بیلیون درجه) داغ بوده است.
گرما هم انرژیست و این انرژی بوده که به فرم ماده ، سرد شده است. بسیاری از آن را ما از قبل کشف کرده ایم. بسیاری از آن هم هم هست که ما معتقدیم وجود دارد. به خاطر معادلات مان. اما بیشتر اینها فقط برای یک تریلیون ثانیه وجود داشته اند. یعنی به وجود آمده اند و بعد هم از بین رفته اند و بچه ها و نوه‌ها و نسلشان را هم به جا گذاشته اند.
این آبشار از ذرات یکروزه به اجرامی ثابت بسیار سریع اتفاق افتاده است. این اجرام ثابت، بعداً سرد شده اند و چیزهایی را به وجود آورده اند که من و شما امروز از همان‌ها به وجود آمده ایم.
پس کاری که ما می‌کنیم، باز سازی اولین لحظات جهان در آزمایشگاه هست و بعد هم با محاصره کردن محیط برخوردها با این دوربین‌های مخصوص یا ردیاب‌ها می‌توانیم آنچه که اتفاق می‌افتد را ثبت کنیم. پس ما درست پس از بیگ بنگ را شبیه‌سازی می‌کنیم. یا به عبارتی دیگر یک "مینی بنگ" در آزمایشگاه به وجود می‌آوریم و از ماحصل کار می‌توانیم به این نتیجه برسیم که چطور ماده یعنی چیزهایی که در نهایت 15 بیلیون سال بعد از ماده اولیه به وجود آمدن ما شد اصلاً ایجاد شده است.
جان باتر وورت" فیزیکدانی" در دانشکده کالج لندن است.
"ادم دیویسن" دانشجوی فوق دکتراست.
آنها دو تن از 6000 دانشمندی هستند که در حال انجام آزمایشات "سرن" می باشند. ارگان اروپایی تحقیقات هسته ای "سرن" به خودی خود...خیلی جالب توجه نیست. انگار که کسی یک بار آجر روی زمین خالی کرده است.
من احساس می کنم که اصلاً هیچ نقشه معماری در "سرن" به کار نرفته است، مگر اینکه شما به طبقه زیر زمین وارد شوید که با ابزار شرورانه جیمز باندی آن مواجه می‌شوید. این به عنوان بخشی از مهندسی، یک معجزه است. واقعاً اهرام زمان ماست.
قلب "سرن" همان "هادرن کُلایدر" بزرگ آن است. شتاب دهنده ذره ای 10 بیلیون دلاری با 17 مایل طول. واقعاً شگفت انگیزترین ابزار علمیست که تا کنون ساخته شده است.
LHC انفجارات نخستین را تولید می‌کند . سپس چهار ردیاب عظیم در حلقه شتاب دهنده از این برخوردها تصویر برداری می‌کنند.
دو ردیاب بزرگتر "اطلس" و "CMS" نام دارند. "استیو نان" مسئول تیمیست که در طراحی آن دست داشته‌اند و حال مسئول ردیاب CMS هستند.
ما ردیاب‌های خودمون را ساختیم تا از هر برخوردی که در هر 25 بیلیونیم ثانیه اتفاق می‌افتد، تصویر برداری کند. این یعنی 40 میلیون بار در ثانیه.
ما یک فعل و انفعالی داریم که می خواهیم عکس اون رو بگیریم. ردیابهای ما از چندین دوربین متفاوت ساخته شده اند.
می‌تونید اینطور تصور کنید که مثلاً یک دوربین اشعه ایکس و مادون قرمز و ماورای بنفش و یک دوربین معمولی داشته باشید که همه همزمان تصاویری از زوایای مختلف این رخداد می گیرند. پس با این هزاران هزار داده‌های این دیسک‌ها ما باید الگوریتم‌ها را که از غربال رد می‌شود بنویسیم و اون برخوردی را پیدا کنیم که یک در میلیون و یک در صد میلیون و یک در بیلیون می‌شود پیدا کرد.
در نقطه دیگری از LHC ،"باتر وورت" و "دیویسن" راهی یافته اند تا داده‌های بی‌حساب را جارو کنند. داده هایی که به وسیله رد یاب "اطلس" جمع آوری شده است.
این دو مرد تلاش می کنند نقشه ای از آنچه که فکر می کنند تصویر جهان ذره ای باشد ، تهیه کنند. تصویری درست چند ثانیه پس از خلقت و سپس نقشه های تصویری خود را با حقیقت مقایسه کنند.
جایی در این میان امیدوارند که "هیگز" را بیابند.
مثل یک مرز پیرامون کشوری ناشناخته هست. ما می‌دانیم که هست. ما تجربه این را داشته ایم که به اندازه کافی از انرژی برسیم که بتوان گفت مرزی هست و سرزمینی در ورای اون قرار دارد. اما هنوز حتی یک نگاه اجمالی هم به اون سرزمین نداشتیم. LHC واقعاً به ما این اجازه را می دهد تا از این مرز بگذریم. به این سرزمین نگاهی بندازیم و یک برداشتی از اون داشته باشیم. این همون چیزی هست که مردم می‌پرسند. اینکه ما دنبال چی می‌گردیم یا کِی می‌خواهید جایزه نوبل را ببرید؟
ما واقعاً نمی دانیم. ما می‌دانیم که اگر "هیگز" وجود داشته باشد، جایی در این سرزمین خواهد بود و ردیاب ما هم به اندازه کافی خوب خواهد بود تا پیداش کند. شاید یه چند سالی طول بکشد، ولی ما پیداش می کنیم.
در همین حال در آمریکا آزمایشگاه "فرمی" نیز عقب نشینی نکرده است. این رقابتی برای یافتن "هیگز" است.
پیش از اینکه LHC در "سرن" به کار بیفتد، البته ما اینجا در شیکاگو نشسته ایم و دوست داشتیم اون دستگاه اینجا در شیکاگو بود. بنابراین ما به موفقیت همکاران اروپایی‌مان با احساسات پیچیده‌ای نگاه می‌کنیم.
یک کمی مثل این هست که به مادر زن تان نگاه کنید که می‌خواهد با بی-ام-دبیلیوی شما از یه تپه پایین بیاد.
جهان فیزیک نفس را در سینه حبس کرده است. در حالیکه "LHC" برای اولین بار به کار می‌افتد، اولین اشعه های کم قدرت در طول حلقه 17 مایلی شلیک می‌شوند و همه چیز روبراه است.
آماده اند تا پرده از راز جهان بردارند و روی "هیگز" را ببینند و اکنون دستگاه به کار افتاده است. یک دور دیگر به 70 تریلیون ولت باقیست و سپس... LHC منفجر می‌شود.
انفجار در طول تونل 17 مایلی "هادرن کُلایدر" بزرگ رخ می‌دهد. ماشین بیگ بنگ اروپا، انفجاری عظیم صدها سوپر ردیاب مغناطیسی را که پروتون‌ها را به شتاب دهنده پرتاب می‌کنند نابود کرد. خیلی متاثر کننده بود.
آره واقعاً اینطور بود. یک سال طول کشید تا تعمیر شود.
باید قوس الکتریکی بوده باشد که باعث آب شدنش شده است.
فقط چهره کسی که درِ تونل رو باز کرده تصور کنید. می‌توانم تصورش را بکنم که در انتظار رسیدن به تونل باشم. باید حتماً خیلی خیلی نگران بوده باشد تا ببیند چه اتفاقی افتاده است.
در حد بیچاره کننده ای ناراحت کننده بود. برای هر کسی که در اون کار شریک بود.
در حالیکه "سرن" آهن رباهای متلاشی شده را بازسازی می‌کرد، آزمایشگاه فرمی "تِه واتران" وارد گود شد، اما نتوانستند "هیگز" را ببینند. این یعنی که ذرات "هیگز" یعنی همان حامل نیرویی که موجب چسبیدن مواد به هم می‌شود.
جِرم سنگینی است و هر چه جرم سنگین‌تر باشد، انرژی خارجی بیشتری نیاز است تا آن را باز کند. در حال حاضر، آزمایشگاه "فرمی" نمی‌تواند انرژی لازم را تولید کند.
در دسامبر 2009 LHC "سرن" دوباره به کار افتاد. ظرف چند هفته به راه افتادن، ظرفیت آزمایشگاه "فرمی" را پشت سر نهاد. دقیقاً 7 برابر قدرتمندتر از آن است. با کار کردن هر دو دستگاه ذرات "هیگز" را می‌‌توان در چند سال آینده به دست آورد.
مگر اینکه ترس پنهان همگانی به واقعیت بپیوندد.
اگر اصلاً وجود نداشته باشد چطور؟
اگر "مدل استاندارد" غلط باشد و "هیگز" وجود نداشته باشد چطور؟
اگر معلوم بشود و شواهد تجربی قویاً ثابت کنند که چنین چیزی وجود ندارد، من واقعاً گیج می‌شوم. چون این یعنی اینکه حجم بزرگی از فیزیک که من فکر می‌کنم در حال حاضر آنرا می‌فهمم، دیگر برام قابل درک نباشد.
اگر تئوری "هیگز" غلط باشد، البته بسیاری از فیزیکدان‌های تئوریک از طبقه دوم خودشون را به بیرون پرت می‌کنند.
خیال‌تان راحت باشد. بالاتر از این طبقه نمی‌روند.
طبیعت خودش می داند که چطور عمل می‌کند. اما به زودی ما هم می‌فهمیم.
ما نظریات خودمون را درباره چگونگی عملکردش داریم که ممکن هست درستی اونها ثابت بشود و ممکن هم هست که نادرستی اونها ثابت بشود. هر کدام که باشه ما بیشتر یاد می‌گیریم.
اگر بخواهید نظر مرا بدانید، فکر می‌کنم چیزی باشه مثل "هیگز بوزان" که در انتظار کشف شدن هست.
قسمت هیجان انگیزتر ماجرا در حقیقت این هست که
چیزهایی پیدا می‌کنیم که اصلاً از اونها سر در نمیاریم. بنابراین ما می‌فهمیم که "هیگز" وجود دارد، پس می‌رویم که پیداش کنیم.
خوب بعدش چه کنیم؟ اگر چیزی پیدا کنید که ندانید چیست، اینجاست که همه سر کار می روند.
شغل من این میشه که هر روز سر کار بروم تا چیزهایی را بفهمم که نمی‌فهمم. حالا اگر چیزهای بیشتری باشد که نفهمم، اون وقت این تضمین شغلم می‌شود.
پس ما واقعاً از چی ساخته شدیم؟ به عمق اتم رفتیم و ذرات ریزی را پیدا کردیم که با یک نیروی نامرئی در دریای فضایی از نیستی به هم چسبیده اند. اگر بیشتر فرو بروید، می‌فهمید که همه چیز از قوطی‌های کوچولوی انرژی درست شده که در تنور کیهانی متولد شده اند.
این انرژی که سرد شده توسط یک نیروی اسرار آمیز به نام "هیگز" گیر افتاده و به هم چسبیده است و همه چیزهایی را که ماده می‌دانیم، فرم داده است.
یک دوقلوی شیطان هم وجود دارد به نام ضد ماده که بیشترش از همان دوران ناپدید شده است. همینطور که ما به بازسازی حرارت بیگ بنگ در شتاب دهنده هامون نزدیک می‌شویم، به درک اینکه چرا و چگونه اینها به وجود آمده اند هم نزدیک‌تر می‌شویم.
شاید روزی که خیلی دور نیست بالاخره آخرین بقایای معمای ماده رو حل کنیم و به طور کامل ‌عملکرد درونی خلقت را بفهمیم.