0:00 امروز وارد یکی دیگه از مباحث جالب فیزیک کوانتوم می‌شیم که مطمئنم ازش خوشتون میاد: نظریه‌ی میدان کوانتومی، که از دید خیلی از فیزیکدان‌ها، زیباترین نظریه‌ی فیزیکه. جواب خیلی از سوالات بنیادی ما توی همین نظریه پیدا میشه. اینکه ذراتی مثل الکترون و کوارک، ذاتشون دقیقا چیه؟ چطور ایجاد میشن، چطور نابود میشن؟ نیروهای بنیادی چه جوری بین ذرات ماده منتقل میشن؟ پس بریم به دنیای عجیب و غیر قابل پیش‌بینی کوانتوم تا ببینیم جهان هستی توی ریزترین سطوحش چطور کار می‌کنه. این برنامه با حمایت مالی فیوتک ساخته شده، شرکتی که تخصص اصلیش، طراحی و تولید انواع سنسورها یا حسگرهای پیشرفته‌ست.
0:46 محصولات فیوتک تو پروژه‌های زیادی از سراسر دنیا استفاده میشن، از جمله پروژه‌های بزرگ ناسا. برای اطلاعات کامل‌تر، پیشنهاد می‌کنم به سایت یا لینکدین فیوتک مراجعه کنید، که لینک هردوشون تو بخش توضیحات ویدیو هست. توی یکی از ویدیوهای قبلی به نام ذره‌ی خدا، در مورد نظریه‌ی مدل استاندارد فیزیک ذرات صحبت کردم. خلاصه‌ش اینه که فیزیکدان‌ها تمام ذرات بنیادی رو توی یه جدول شبیه جدول مندلیف قرار دادن و ویژگی‌های هرکدومشون رو مشخص کردن. این ذره‌ها به دو تا دسته‌ی کلی تقسیم میشن: فرمیون‌ها، بوزون‌ها. فرمیون‌ها ذرات سازنده‌ی ماده هستن، مثل کوارک‌ها و الکترون‌ها. بوزون‌ها، ذرات انتقال‌دهنده‌ی نیروهای بنیادی‌ان.
1:34 مثلا گلوئون نیروی هسته‌ای قوی رو حمل می‌کنه، یا فوتون مخصوص حمل نیروی الکترومغناطیسیه. اما ذات همه‌ی این ذرات چیه؟ جواب این سوال رو نظریه‌ی میدان کوانتومی به ما میده. تو این نظریه، تک‌تک ذرات بنیادی برای خودشون یه میدان مخصوص دارن که توی کل جهان هستی گسترده شده و هر نقطه‌ش یه مقدار مشخصی انرژی داره. نکته‌ی مهم اینه که این میدان‌ها سه‌بعدی‌ان، ولی ما اینجا برای اینکه راحت‌تر درکشون کنیم، یه بُعدش رو کم می‌کنیم، به صورت چند تا صفحه نشونشون میدیم، که هر صفحه مربوط به میدان یکی از ذره‌هاست. مثلا هر الکترون، در واقع یه جور برانگیختگی داخل یه بخشی از میدان الکترونه.
2:25 منظور از برانگیختگی، یعنی انرژی این میدان، تو یه نقطه‌ی مشخص، از حالت تعادل خارج بشه. مثل اینکه یه سنگ بندازیم داخل یه برکه‌ی آروم. اگه مقدار این انرژی تقریبا ۰.۵۱ مگا الکترون‌ولت باشه، اونوقت ما یه ذره‌ی الکترون داریم. اگه دو برابر این مقدار انرژی رو داشته باشیم، دو تا الکترون داریم. سه برابر، سه تا الکترون. یعنی انرژی این میدان، کوانتیزه یا کوانتیده‌ست، برای همین نمی‌تونیم مثلا یکی و نصفی الکترون داشته باشیم، فقط مضرب‌های صحیحش امکان‌پذیره. و اینکه برانگیختگی تو یه جهت، خود ذره رو تولید می‌کنه، تو جهت مخالف، پادذره‌ش.
3:14 در مورد بقیه‌ی ذرات بنیادی هم همینه. مثلا اگه تو یه قسمتی از میدان کوارک بالا، ۲.۳ مگا الکترون‌ولت انرژی وجود داشته باشه، یه کوارک بالا ایجاد میشه. اگه مقدار این انرژی دو برابر بشه، دو تا کوارک بالا داریم. پس خلاصه‌ش این شد که هر ذره‌ی بنیادی، چیزی نیست جز یه برانگیختگی توی مقدار انرژی میدان همون ذره. که این برانگیختگی، یا ذره، می‌تونه آزادانه تو فضا حرکت کنه. و اینکه میدان‌ها رو به جای حالت سه‌بعدی، روی یه صفحه‌ی دوبعدی نشون میدیم تا این برانگیختگی‌ها رو راحت‌تر بفهمیم. اگه با درک مفهوم میدان مشکل دارید، شاید این مثال کمکتون کنه.
4:04 فضای داخل یه اتاق رو در نظر بگیرید که با مولکول‌های هوا پر شده. می‌دونیم که صدا، در واقع تغییر چگالی مولکول‌های هواست. پس اینجا یه میدان چگالی هوا داریم که تو کل فضای اتاق گسترده شده. میدان چیزی نیست جز یه ویژگی که تو هر نقطه از فضا مقدار مشخصی داره. دقیقا همون چیزی که در مورد میدان‌های مربوط به ذرات بنیادی مختلف دیدیم. اما قضیه اینجا تموم نمیشه، یه چیز عجیب دیگه هم داریم به نام ذرات مجازی. موضوع پیچیده و بزرگیه اما سعی می‌کنم تا حد امکان کوتاه و ساده توضیحش بدم. خب دیدیم که اون نوسان‌ها یا برانگیختگی‌هایی که
4:50 مقدار انرژی مشخصی داشته باشن، ذرات واقعی رو می‌سازن، مثل کوارک و الکترون. اما بیشتر وقتا نوسان‌هایی تو میدان‌ها ایجاد میشه که خیلی زود از بین میرن. به این برانگیختگی‌های زودگذر میگن ذرات مجازی. شبیه سطح آب دریا که پر از تلاطمه، میدان‌های مختلف هم دچار تلاطم و آشفتگی دائمی‌ان، که همین آشفتگی‌ها رو ما به عنوان ذرات مجازی می‌شناسیم. سیستمشون اینجوریه که به صورت جفت‌های ذره-پادذره ظاهر میشن. مثلا توی میدان الکترون، یه الکترون مجازی همراه با یه پادالکترون مجازی ظاهر میشه، که بلافاصله همدیگه رو خنثا می‌کنن و نابود میشن.
5:37 اما تکلیف قانون پایستگی ماده و انرژی چی میشه. چون منطقی نیست که این ذرات از هیچ به وجود بیان. اینم بحث بزرگیه اما خلاصه‌ش اینه که ذرات مجازی، از خلا انرژی قرض می‌گیرن، ظاهر میشن، بعدش که نابود میشن دوباره همون انرژی رو پس میدن به خلا. حالا می‌رسیم به قسمت جالب این نظریه، یعنی تبدیل ذرات به همدیگه. برای درکش از یه مثال استفاده می‌کنم. واپاشی بتا یکی از رایج‌ترین واکنش‌های هسته‌ایه که باعث میشه یه عنصر تبدیل بشه به یه عنصر دیگه، مثلا اتم کربن تبدیل بشه به اتم نیتروژن. این واپاشی به این صورته که کوارک پایین داخل یکی از نوترون‌ها
6:25 تبدیل میشه به کوارک بالا، در نتیجه این نوترون تبدیل میشه به پروتون. همزمان یه دونه الکترون و یه دونه آنتی‌نوترینو هم منتشر می‌کنه. اینجا یه سوال مهم پیش میاد. همونطور که گفتم، هر ذره‌ی بنیادی، میدان خودشو داره. یا در واقع هر ذره، چیزی نیست جز برانگیختگی یه نقطه از میدان خودش. پس چطور ممکنه کوارک پایین که توی یه میدان جداست، تبدیل بشه به کوارک بالا و الکترون و آنتی‌نوترینو که توی سه تا میدان جدا هستن؟ اتفاقی که میفته اینه که انرژی می‌تونه از طریق یه میدان بوزون، بین میدان‌های دیگه منتقل بشه. دو تا میدان بوزون دابلیو و بوزون زِد داریم که ذراتشون
7:13 نیروی هسته‌ای ضعیف رو منتقل می‌کنن، یه میدان گلوئون داریم که ذراتش نیروی هسته‌ای قوی رو حمل می‌کنن، یه دونه هم میدان الکترومغناطیسی که ذراتش، یعنی همون فوتون‌ها، نیروی الکترومغناطیسی رو انتقال میدن. در مورد مثال واپاشی بتا، بوزون دابلیو انتقال انرژی رو انجام میده. یعنی انرژی از میدان کوارک پایین، منتقل میشه به میدان بوزون دابلیو، بعدش منتقل میشه به میدان‌های کوارک بالا و الکترون و آنتی‌نوترینو. اینجوری، یه ذره تبدیل میشه به سه تا ذره‌ی دیگه، اونم فقط از طریق انتقال انرژی بین میدان‌های مختلف. قانون پایستگی ماده یا انرژی هم نقض نشده،
8:01 چون مجموع جرم و انرژی کوارک پایین، برابره با مجموع جرم و انرژی اون سه تا ذره‌ی جدیدی که ایجاد شدن. به این نکته هم توجه داشته باشید که توی حالت واقعی سه‌بعدی، اینطور نیست که میدان‌ها جدا باشن و یه فاصله‌ای از همدیگه داشته باشن، همه‌شون با هم توی یه فضا قرار گرفتن و تو دل همدیگه هستن. پس می‌بینید که این نظریه، واقعیت‌های دنیای ما رو توی ریزترین سطوحش خیلی دقیق و قشنگ توصیف می‌کنه. البته اینم بگم که برای تمام اینا آزمایش‌های محکمی انجام شده و روابط ریاضی درست و حسابی هم وجود داره، با یه موضوع کاملا علمی طرفیم.
8:46 هرچند قسمت‌های زیادی ازش باقی مونده که هنوز کشف نکردیم. یه مثال دیگه هم می‌زنم تا بهتر توی ذهنمون بشینه. کوارک‌هایی که پروتون‌ها و نوترون‌ها رو می‌سازن، با نیروی هسته‌ای قوی به هم می‌چسبن. این نیرو توسط ذرات گلوئون حمل میشه که برانگیختگی‌های میدان گلوئون هستن. پس این میدان گلوئون، واسطه‌ی انتقال انرژی بین میدان‌های کوارک‌هاست. در کل، ذرات مختلف ماده، نمی‌تونن خودشون به طور مستقیم با همدیگه تعامل داشته باشن و به هم انرژی بدن. این کار باید با وساطت یه میدان بوزون انجام بشه. اما از بین تمام میدان‌های مربوط به بوزون‌ها، یکیشون از بقیه جالب‌تره:
9:34 میدان هیگز، یا میدان بوزون هیگز که ذراتش معروفن به ذره‌ی خدا. این میدان، همون چیزیه که باعث میشه بعضی از ذرات بنیادی جرم داشته باشن، بعضیاشون نداشته باشن. حتما می‌دونید که توی فیزیک، جرم و وزن، دو تا چیز کاملا متفاوتن. زمانی که شما رو سطح زمین ایستادید، نیروی گرانش زمین به بدن شما یه شتابی میده به اندازه‌ی ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه، که وقتی این شتاب رو ضرب کنیم در جرم بدن شما بر حسب کیلوگرم، نیرویی به دست میاد که بهش میگن وزن. وقتی شما تو فضا معلق باشی، دیگه خبری از گرانش زمین نیست، پس خبری از نیروی وزن هم نیست.
10:20 با این حال، جرم بدن شما همچنان همونیه که روی زمین بود. این جرم، دقیقا از کجا داره میاد؟ جواب ساده اینه که بگیم تک‌تک اتم‌ها جرم دارن. خب جرم اتم‌ها از کجا میاد؟ از دو تا منبع مختلف. یه بخشیش از جرم ذرات سازنده‌ی اتم میاد، یعنی الکترون‌ها و کوارک‌ها، یه بخشیش هم از نیروی هسته‌ای قوی که کوارک‌ها رو به هم می‌چسبونه و پروتون‌ها و نوترون‌ها رو ایجاد می‌کنه. جالب اینجاست که فقط یک درصدش جرم ذرات اتمه، ۹۹ درصد جرم هر اتم، مربوط میشه به همین نیروی هسته‌ای قوی. یعنی در واقع انرژی این نیرو، با جرم کوارک‌ها و الکترون‌ها
11:06 جمع میشه و نتیجه‌ش میشه جرم کل اتم. خب باز یه سوال دیگه پیش میاد: اون یک‌درصد جرم مربوط به خود الکترون‌ها و کوارک‌ها از کجا سرچشمه می‌گیره. جرم و انرژی با هم معادلن، پس باید ببینیم چه عاملی به این ذرات زیراتمی انرژی میده و باعث میشه جرم مشخصی داشته باشن. جوابش میدان هیگزه. این میدان هم مثل بقیه‌ی میدان‌هایی که در موردشون صحبت کردم، توی کل جهان هستی گسترده شده. دلیل جرم داشتن یه ذره‌ای مثل الکترون، اینه که با این میدان هیگز، برهم‌کنش یا تعامل داره، میدان هیگز روی الکترون اثر می‌ذاره. اگه این تعامل وجود نداشت، الکترون هم مثل فوتون، بدون جرم
11:56 بود، انرژی داشت اما نه به شکل جرم، به شکل تکانه. اینجوری می‌تونست مثل فوتون با سرعت نور حرکت کنه. هر میدانی که ذراتش، یا در واقع برانگیختگی‌هاش، بیشتر با میدان هیگز تعامل داشته باشن، جرم بیشتری دارن. پس با اینکه میدان هیگز فقط مسئول جرم یک‌درصد از جهان هستیه، اما همین یک‌درصد هم اگه وجود نداشت، دنیای ما کاملا از هم می‌پاشید چون وجود اتم‌ها به این جرم وابسته‌ست. آخرین نکته‌ای که می‌خوام در موردش صحبت کنم، اینه که این نظریه‌ی میدان کوانتومی هم با وجود قدرتی که داره، هنوز کامل نیست. دلیلش بازم برمی‌گرده به گرانش رام‌نشدنی.
12:42 توی ویدیوی ذره‌ی خدا گفتم که دانشمندا دنبال یه ذره‌ی فرضی می‌گردن به نام گراویتون که باید مسئول حمل نیروی گرانش باشه. الان کسی نمی‌دونه که واقعا چنین ذره‌ای وجود داره یا نه. اما اگه وجود داشته باشه، باید مثل بقیه‌ی ذرات بنیادی، یه میدان به نام میدان گراویتون هم داشته باشیم که ذرات گراویتون، از برانگیختگی این میدان ایجاد میشن. فعلا چاره‌ای نداریم جز اینکه منتظر باشیم ببینیم گرانش هم وارد نظریه‌ی میدان کوانتومی میشه یا نه. خب الان تا حدودی با کلیات نظریه‌ی میدان کوانتومی آشنا شدیم. اما وقتی عمیق‌تر بهش نگاه می‌کنیم، یه نکته‌ی خیلی جالبی داره که
13:29 باعث شده یکی از زیباترین نظریه‌های فیزیک باشه. اینکه کل جهان هستی و تمام چیزایی که داخلشه، همه‌شون به هم متصلن. ما یه میدان الکترون داریم که کل الکترون‌های جهان از نوسان همین میدان ایجاد شدن، یه میدان کوارک بالا، کوارک پایین، الکترومغناطیس، که همه چیز داخل همین چند تا میدان ساخته شده. تمام کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیارات، کل موجودات زنده از جمله خود ما، همه به هم وصلیم، از طریق همین میدان‌های مشترک. همه‌مون فقط یه سری برانگیختگی توی این میدان‌ها هستیم. جالبتر اینکه یه بخشی از همین برانگیختگی‌ها، یعنی ما، تونسته خودشو کشف کنه و به خودش فکر کنه. هرچی جلوتر میریم داره عجیب‌تر میشه، اینطور نیست؟
