ستارگان و سیارات

ستارگان و سیارات

مراحل شکل‌گیری٬ شکل ظاهری و تعادل هیدرواستاتیکی

توصیه: قبل از خواندن هر بخش٬ به هر یک از سوالاتی که در ابتدای آن بخش مطرح می‌شود٬ به صورت جداگانه فکر کنید و سعی کنید خودتان به آن‌ها پاسخ دهید.

مراحل شکل‌گیری ستارگان

اجازه بدهید سوال نخست را بر مبنای پدیده‌ای آشنا ارائه دهم: اگر در اتاقی٬ در ِ یک ظرف حاوی نوعی گاز خاص را باز کنید؛ چه اتفاقی روی می‌دهد؟

پاسخ آن ساده است! گاز به طور همگن و مساوی٬ در تمام فضای اتاق پراکنده می‌شود!

حال بگذارید سطح سوال را کمی بالاتر ببرم! سوال دیگری که در این مرحله باید به آن پاسخ داد این است که آیا در فضای بین ستاره‌ای نیز گازهای مختلف٬ رویکری مشابه دارند و اگر آن‌ها را رها کنیم در تمام نقاط فضا به طور یکسان٬ پخش می‌شوند؟ و یا اینکه این گازها به شکل متفاوتی عمل می‌کنند؛ یعنی در یک نقطه جمع می‌شوند و ستاره‌ای را تشکیل می‌دهند؟ (همان طور که می‌دانید ستاره‌ها از جمع شدن گازها در یک نقطه‌ی خاص٬ پدید می‌آیند.)

پاسخ به هر دو سوال مطرح شده در بالا مثبت است! یعنی گازها٬ در فضای بین ستاره‌ای٬ هم رویکردی مشابه فعالیت زمینی‌شان دارند و هم رویکردی متفاوت با آن! اما چه طور؟ و چرا؟ قرار است به همین سوال پاسخ دهیم:

قطعاً‌ می‌دانید که در فضای بین‌ ستاره‌ای هم گازها در فضا پخش می‌شوند. به عنوان مثال٬ یک سحابی (یا nebulae) که اگر با آن آشنایی ندارید٬ کافی است کمی صبر کنید؛ دو پاراگراف پایین‌تر تعریفی از آن ارائه خواهم کرد) (که اگر با آن آشنایی ندارید٬ کافی است کمی صبر کنید؛ دو پاراگراف پایین‌تر تعریفی از آن ارائه خواهم کرد) که از ستاره‌ای در حال مرگ به وجود آمده است را در نظر بگیرید.

قضیه از این قرار است که هنگامی که‌ ستاره‌ای با جرم نه‌چندان زیاد٬ به پایان عمر خود می‌رسد منفجر می‌شود؛ پس از انفجار بخش عمده‌ای از گازهای این ستاره٬ در فضای بین‌ستاره‌ای پخش شده و یک سحابی را شکل می‌دهند. این سحابی تا زمانی که انرژی حاصل از انفجار اولیه‌ی ستاره به اتمام نرسیده است٬ مرتب بزرگ و بزرگ‌تر می‌شود. بعد از این اینکه انرژی حاصل از انفجار اولیه به پایان رسید٬ اگر قرار باشد که گازها در فضای بین ستاره‌ای٬ در فضا پخش نشوند٬ باید مجدداً به جای نخستین خود بازگردند و در همان محلی که ستاره‌ی اولیه منفجر شد تجمع کنند. در حالی که می‌دانیم این‌چنین نیست و رصدها هم به سادگی می‌تواند نشان دهد که این سحابی حتی پس از پایان یافتن انرژی حاصل از انفجار اولیه هم٬‌ به دلیل ماهیت گازیِ خود٬ هم‌چنان به بزرگ شدن ادامه می‌دهد.

البته افزایش اندازه‌ی یک سحابی پس از پایان آن انرژی اولیه٬ دیگر چندان به چشم نیاید٬ چرا که برای جسمی با ابعادی در حدود چند صد سال نوری٬ دیگر افزایش چند کیلومتری اندازه‌ی آن جسم در هر روز٬‌ میزان چشم‌گیری به حساب نمی‌آید؛ اما به هر حال این اتفاق (یعنی پخش شدن گازها در فضا و بزرگ‌تر شدن آن سحابی) هم‌چنان٬ روی می‌دهد.

اگر گازها در فضا پخش می‌شوند پس یک ستاره چگونه شکل می‌گیرد؟ نمی‌‌توان با قطعیت پاسخ گفت. اما نظریه‌های قدرتمندی در این باره ارائه شده است. بگذارید حالا که به اینجای مقاله رسیدیم و پیش از آن‌که بگوییم ستاره‌ها از تراکم سحابی‌ها پدید می‌آیند٬ به اختصار بگویم که سحابی به مجموعه‌ای از گرد و غبار٬‌ گازها و پلاسماهای پراکنده در فضای بین ستاره‌ای می‌گویند. البته به هر جرم پراکنده در فضا٬ سحابی نمی‌گویند بلکه این ذرات باید به نسبه (اما نه در مقیاسی همانند ستارگان) متراکم باشند. (اجازه بدهید در ادامه تعریفی تقریباً علمی‌تر هم ارائه خواهیم کرد.)

قابل ذکر است که سحابی‌ها به اشکال گوناگونی٬ پدید می‌آیند که انفجار یک ستاره٬ یکی از انواع آن است و در ضمن تمام سحابی‌ها هم به ستاره تبدیل نمی‌شوند. آن دسته از سحابی‌ها که معمولاً به ستاره تبدیل می‌شوند٬ ابرهای مولکولی (molecular clouds) نامیده می‌شوند. علت این نام‌گذاری نیز این است که بخش عمده‌ی مواد تشکیل‌دهنده‌ی این ابرها٬ مولکول‌های H₂ می‌باشد. (و همان‌طور که می‌دانید عنصر اصلی سازنده‌ی ستارگان نیز همین مولکول‌های هیدروژن است.)

برای مطالعه‌ی چند آمار جالب درباره‌ی ابعاد ابرهای مولکولی می‌توانید به این لینک مراجعه کنید. قرار شد بگوییم اجرام پراکنده در آسمان با چه چگالی‌ای٬ سحابی نامیده می‌شوند و با چه چگالی و تراکمی دیگر سحابی نامیده نمی‌شوند. پس بد نیست بدانید که چگالی ابرهای مولکولی (که تنها یک درصد از فضای بین‌ستاره‌ای را هم تشکیل می‌دهند) 10² تا 10⁶ اتم در سانتی‌مترمکعب است و اگر تعداد اتم‌ها در هر سانتی‌مترمکعب از این مقدار کمتر باشد٬ دیگر به آن ناحیه سحابی نمی‌گویند.

خیلی از بحث اصلی دور شدیم. داشتیم می‌گفتیم که قابل حدس زدن است که این ابرهای مولکولی که به صورت روزافزون بزرگ و بزرگ‌تر هم می‌شوند قرار نیست به خودی‌خود٬‌ متراکم شوند و ستاره‌ای را شکل دهند. یا اگر بخواهیم دقیق‌تر بگوییم رمبش گرانشی گازهای سازنده‌ی این مولکولی‌ها به خودی‌خود اتفاق نمی‌افتد.

از اینجا به بعد نظریات زیادی برای اینکه چه‌طور این رمبش گرانشی روی می‌دهد وجود دارد. یکی از آن‌ها این است که یک شوک (یا در اصل یک موج خارجی) سبب برانگیزش مولکول‌های این ابر مولکولی شوند. این شوک یا موج٬ بر اثر برخورد دو کهکشان به هم‌دیگر حاصل می‌شود و یا انفجار یک ستاره‌ی در حال مرگ و امواج ناشی از این انفجار سبب آن می‌شوند و یا حتی ممکن است که این شوک به سبب برخورد دو ابرمولکولی با هم٬ وارد آید. البته قابل ذکر است که این ابر مولکولی باید آن قدر جرم داشته باشد که فشار گاز (که سبب دور شدن مولکول‌های آن سحابی از همدیگر می‌شود.) نتواند بر نیروی گرانش آن (که سبب نزدیک شدن مولکول‌ها به هم می‌شود) غلبه کند. (این جرم لازم را جرم جینز – Jeans mass– می‌نامند که برای رسیدن به بی‌ثباتی جینز – Jeans Instability– لازم است.)

گاهی هم ابعاد بزرگ یک سحابی سبب پدید آمدن ستاره می‌شود. به این شکل که یک سمت از آن سحابی به مرکز کهکشانی که سحابی در آن واقع است٬ بسیار نزدیک است و سمت دیگر آن از مرکز کهکشان بسیار دور. سمتی که به مرکز کهکشان بیشتر نزدیک است با سرعت بیشتری به دور آن می‌چرخد و در نتیجه تراکم بیشتری می‌یابد و در همین بین با جاروب کردن یا جذب اجرام پراکنده‌ی بین‌ستاره‌ای٬‌ جرم آن نیز افزایش می‌یابد تا آن‌جا که در نهایت ستاره‌ای را شکل می‌دهد.

تا همین‌جا کافی است! دیگر قرار نیست سایر نظریات موجود درباره‌ی شکل‌گیری ستارگان را توضیح دهم یا درباره‌ی اصطلاحاتی چون «پیش ستاره» بنویسم٬ مراحل زندگی یک ستاره را گام‌به‌گام شرح دهم٬ درباره‌ی منبع انرژی ستاره‌ها٬ سخن بگویم و یا به جرم٬ اندازه٬ دما دوران٬‌ سینماتیک و میدان‌های مغناطیسی ستاره‌ها و روابط بین‌شان بپردازم! من را از باقی این قضایا معاف کنید که از صبرمان خارج است بدجور!

کروی بودن ستارگان

سوال دیگری که قصد دارم در این مقاله به آن پاسخ بگویم آن است که چرا ستارگان (و یا حتی سیارات) کروی‌اند؟ آیا می‌شود شاهد ستاره (و یا سیاره‌ای) به شکل بیضوی٬ مکعبی و یا هرمی‌شکل باشیم؟

پاسخ به سوال اول این است: سطح انرژی علت کروی بودن اجرام آسمانی است.

پاسخ به سوال دوم این است: یک ستاره؟ نه! یک سیاره؟‌ شاید!

بگذارید قبل از آن‌که به موضوع اصلی بپردازیم کمی درباره‌ی فلسفه‌ی کره توضیح دهیم. در یونان باستان٬ نخستین بار این اقلیدس بود که کره و دایره را کامل‌ترین اشکال هندسی نامید و علت این عقیده را هارمونی خاص کره و دایره٬ در بین تمام اشکال هندسی بیان کرد. یونانیان بعد از اقلیدس نیز غالباً به تبعیت از او٬ به اهمیت کره اعتقاد داشتند و کره را برترین شکل هندسی می‌پنداشتند.

این فیلسوفان یونانی٬ تا آنجا در عقیده‌ی خود نسبت به کره راسخ بودند که حتی برای برخی اثبات‌های علمی خود هم از همین کمال کره بین اشکال استفاده می‌کردند. مثلاً برای اثبات اینکه مدارهای گردش سیارات به دور زمین (تا ظهور کوپرنیک در دوران رنسانس٬ دانشمندان همواره٬ زمین را مرکز جهان می‌پنداشتند.) دایره‌ای است و یا اینکه شکل سیارات کروی است؛ از این استدلال بهره می‌بردند که خدا نمی‌تواند جهان را به شکلی غیرکامل بیافریند و شرط کمال جهان استفاده از دایره و کره در بخش‌های مختلف آن است.

همچنین بد نیست اگر اشاره کنیم که ارسطو٬ کره‌هایی را که مدارهای سیارات بر روی آن‌ها بنا شده بود٬ از جنس اتر (پنجمین ماده‌ی سازنده‌ی جهان به اعتقاد یونایان) می‌پنداشت و عقیده داشت هر یک از این مدارها٬ خدای خاص خود را دارند که مسئول حرکت دادن سیارات در آن مدار است.

بگذریم! (برای اطلاعات بیشتر می‌توانید مقاله‌ی «Celestial spheres» را از ویکی‌پدیای انگلیسی بخوانید.) هر چند پیشرفت علم ثابت کرد که مدار حرکت سیارات به دور خورشید دایره‌ای و یا حتی بیضوی کامل نیست و یا حتی بسیاری از سیارات کاملاً هم کروی نیستند٬ اما همچنان بر هارمونی خاص کره صحه می‌گذارند.

می‌دانید که در فیزیک٬ اجسام تمایل دارند که در پایدارترین حالت ممکن خود واقع شوند. تصور کنید که یک ستاره٬ به شکل یک معکب مربع باشد. آن‌گاه قطعاً می‌توانید حدس بزنید که چه اتفاقی روی می‌دهد! بخش‌هایی از لایه‌ی بیرونی این مکعب از مرکز آن٬ دورترند و بخشی‌هایی به مرکز نزدیکتر. پس گرانش کمتری به بخش‌هایِ دور از مرکز می‌رسد در نتیجه این بخش‌ها به زودی یا از ستاره جدا می‌شوند و یا برای آن‌که در پایدارترین حالت ممکن باشند در موقعیتی قرار می‌گیرند که فاصله‌ی کمتری با مرکز داشته باشند.

در این وضعیت به راحتی می‌توانید بگویید که کدام شکل هندسی است که تمام نقاط آن (در هر لایه) به یک میزان از مرکز آن فاصله دارند و اجرام در آن شکل٬ به بیشترین پایداری ممکن می‌رسند؟ بله. پاسخ کره است. (اصلاً تعریف کره همین است!)

در مورد سیاراتی که جرم زیادی دارند هم قضیه تقریباً به صورت مشابه است. با این تفاوت که سیارات برخلاف ستارگان بعد از مدتی حالت سیال خود را از دست داده و حالت صُلب و جامد می‌یابند. زمانی که یک سیاره به حالت صلب در آمد آن‌وقت دیگر احتمال آن‌که تغییر شکل دهد٬ اندک است. (هر چند که باز هم تحت شرایط خاص امکان آن وجود دارد.) با این وجود می‌توان پیش‌بینی کرد که اگر یک سیاره‌ی صلب با جرم زیاد بدون آن‌که حالت جامد خود را از دست بدهد٬ به دو نیم‌کره تقسیم شود٬ دیگر آن‌گاه به همان شکل باقی خواهند ماند. (مانند سیارک وستا –Vesta– که در ابتدا کروی کامل بود اما پس از اصابت با یک جرم عظیم آسمانی به دو نیم شده و به همین شکل باقی ماند. تصویر این سیارک را می‌توانید در این لینک از سایت ناسا ببینید.)

تعادل هیدرواستاتیکی

تعادل هیدرواستاتیکی (Hydrostatic Equilibrium) چیست؟ لازم است قبل از ارائه‌ی پاسخ به این سوال٬ سوال دیگری مطرح شود: با توجه به اینکه٬ برآیند نیروهای گرانش در یک ستاره یا سیاره٬ به سمت مرکز آن ستاره یا سیاره است؛ پس چرا شکل آن جرم آسمانی تغییر نمی‌یابد؟ به عبارت دیگر چرا اجزای این ستاره یا سیاره به سمت داخل فرونمی‌پاشند؟ پاسخ به این سوال راه را برای رسیدن به تعادل هیدرواستاتیکی باز می‌کند.

می‌دانیم که اگر ظرفی حاوی نوعی گاز خاص داشته باشیم٬ گازهای ظرف همواره رو به بیرون فشار می‌آورند. این فشار در مورد گازهای سازنده‌ی ستارگان نیز برقرار است. به عبارت دیگر گازها با فشاری رو به بیرون٬ سعی دارند که از انحصار ستاره بگریزند و یا ابعاد آن را افزایش دهند. اما در طرف مقابل٬ نیروی قوی گرانش٬ گازها را به سمت مرکز ستاره می‌کشاند.

اگر نیروی فشار گاز به اندازه‌ی کافی زیاد نباشد که بتواند در مقابل نیروی گرانش بایستد٬ در این هنگام٬ ستاره اندک‌اندک کوچک و کوچک‌تر می‌شود٬ تا آن‌جا که اندازه‌ی نیروی روبه‌بیرون فشار و نیروی رو به داخل گرانش با هم برابر شوند. در این هنگام تغییر اندازه‌ی ستاره متوقف شده و اصطلاحاً می‌گوییم که ستاره به «تعادل هیدرواستاتیکی» رسیده است. (برای آشنایی بیشتر با پدیده‌ی تعادل هیدرواستاتیک می‌توانید مقاله‌ی‌ تصویریِ «چگونه تعادل هیدرواستاتیک کار می‌کند؟» را بخوانید.)

در مورد سیارات نیز وضع به همین ترتیب است. اگر به یاد داشته باشیم گفتیم که سیارات اگر جرم زیادی داشته باشند؛ آن‌گاه همانند ستاره‌ها٬ شکل کروی می‌یابند. تنها تفاوتی که در این هنگام حاصل می‌شود آن است که اگر سیارات جرم اندکی داشته باشند٬ ممکن است هیچ‌گاه به تعادل هیدرواستاتیکی نرسند و آن‌گاه به اشکال عجیب و غریب دیگری به غیر از کره و شبه‌کره درآیند. (و البته در این صورت دیگر به آن جسم سیاره نمی‌گویند. بنابه‌تعریف ممکن است سیارک یا سیاره‌ی‌کوتوله یا قمر یک سیاره‌ی دیگر باشد.) علت هم این است که کاهش وزن به کاهش نیروی گرانش و در نتیجه برهم‌خوردن تعادل هیدرواستاتیک می‌انجامد.

نوشتیم که اکثر سیارات و ستارگان به شکل کره یا بیضی دوارند.

و ذکر کردیم که جرمی همانند وستا را هم داریم که به دلیل اصابت با یک جرم دیگر٬ به شکل یک نیم کرده درآمده است و دیگر تغییر شکل نیافته.

همچنین نوشتیم که اگر اجرام به اندازه‌ی کافی جرم داشته باشند به تعادل هیدرواستاتیک دست یافته و شکل کره می‌یابند وگرنه به تعادل هیدرواستاتیک نرسیده و شکلی غیر از کره پیدا می‌کنند. (و البته این استثناها تنها در مورد سیارات است و نه ستارگان.)

در پایان اگر این نکته را متذکر نشویم که سیارات و اجرام آسمانی‌ای هم وجود دارند که جرم کافی برای کروی شدن را دارند اما کروی نیستند٬ مقاله را ناکامل به پایان برده‌ایم. به عنوان نمونه٬ می‌توان از سیاره کوتوله‌ی هائومی (Haumea) نام برد (برای دیدن تصویر ٱن می‌توانید به این لینک از سایت ناسا مراجعه کنید.) که هر چند جرم کافی برای رسیدن به تعادل هیدرواستاتیک را داراست اما شکل آن شبیه یک بیضی‌دوار بسیار کشیده است. از جمله دلایل این شکل عجیب هائومی هم سرعت چرخش فوق‌العاده بالای آن است (هر چهار ساعت یک بار به دور خود می‌چرخد.) که به سبب برخورد با یک جرم آسمانی در چندین میلیارد سال قبل ایجاد شده است و همچنین چگالی فوق‌العاده بالای آن. (درباره‌ی هایومی به مقاله‌ی «کوتوله‌ی بی‌نام‌ونشان» از کیوان فیض‌اللهی در سایت روزنامه‌ی کارگزاران مراجعه کنید.)

شتاب دهنده بزرگ هادرونی

شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی

مقدمه.

LHC چیست و قرار است چه آزمایش‌هایی انجام دهد؟ اگر آزمایش‌های این شتاب‌دهنده با موفقیت به پایان برسد به چه سوالاتی در فیزیک پاسخ داده می‌شود؟ استفن هاوکینگ درباره‌ی LHC چه می‌گوید؟ می‌شود لینکِ شبیه‌سازهای این شتاب‌دهنده را ارائه کنید؟

این‌ها سوالاتی است که قرار است در این مقاله به آن‌ها پاسخ دهم.

در ابتدا باید بگویم که LHC مخفف Large Hadron Collider به معنای «تصادم‌دهنده‌ی بزرگ هادرون» یا «شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی» است. اما پیش از آنکه بروم سراغ مقاله‌ی اصلی لازم است تا توضیحاتی درباره‌ی هادرون بدهم.

ذرات بنیادی

تعریف مهم: ذره‌ی بنیادین به ذره‌ای گفته می‌شود که خود از ماده و ذره‌ی دیگری تشکیل نشده باشد یا به عبارت دیگر ذره‌ی بنیادین به ذره‌ای گفته می‌شود که قابل تجزیه به مواد ِ ریزتر نباشد.

از چند صد سال پیش از میلاد مسیح تا اواخر قرن 19م میلادی٬ همواره اتم را به عنوان جزء ِ تجزیه‌ناپذیر ماده تصور کرده‌اند. اما در اواخر قرن 19م و اوایل 20م میلادی بود که برای اولین بار کشف شد که اتم٬ خود از ذرات کوچکتری به نام‌های الکترون٬ پروتون و نوترون ساخته شده است. در آن زمان این سه ذره را ذرات بنیادین تصور کردند.

اما ماجرا به همین‌جا ختم نشد. پس از مدتی کشف شد که پروتون و نوترون هم به نوبه‌ی خود از ذرات ریزتری تشکیل شده‌اند. مثلاً پروتون خود به تنهایی از ترکیبِ سه ذره‌ی دیگر (دو کوارک بالا و یک کوارک پایین) ساخته شده است.

نظریه‌ای در فیزیک که این ذرات بنیادی را توجیه می‌کند و درباره‌ی آن‌ها سخن می‌گوید٬ مدل استاندارد (Standard Model) نامیده می‌شود.

مدل استاندارد برای اتم٬ بیش از 60 ذره‌ی کوچک نام می‌برد که بسیاری از آنها از دیدگاه این مدل بنیادی‌اند. (یعنی از ذرات کوچکتری ساخته نشده‌اند.) هر چند ما در بسیاری از رشته‌های فیزیک و شیمی٬ حتی در سطوح بالای دانشگاهی هم با این 60 نوع ذره آشنا نمی‌شویم – چرا که آشنا شدن با آن‌ها در درجه‌ی اول دشوار است و در ثانی اصلاً ضرورتی ندارد – اما حتی اگر کار به همین 60 ذره هم خاتمه می‌یافت باز هم جای شکرش باقی بود اما ای دریغ که ماجرا پیچیده‌تر از این حرف‌هاست!

ده‌ها ذره‌ی دیگر هم در اتم هستند که مدل استاندارد از آن‌ها نام نمی‌برد یا قادر به توجیه آن‌ها نیست (مانند گراویتون‌ها) اما از دیدگاه فیزیک‌دانان وجود آن‌ها قطعی است یا حداقل احتمال وجود آن‌ها فراوان است. همچنین نظریه‌ای با نام تئوری ریسمان (String theory) نیز در فیزیکِ مدرن مطرح است که ادعا می‌کند خودِ این ذرات بنیادین از ذرات دیگری (یا بهتر است بگوییم از ذراتِ انرژیِ دیگری) با نام ریسمان ساخته شده‌اند. – و قابل حدس زدن است که ریسمان‌ها هم خود ویژگی‌های متفاوتی دارند که تفاوت ویژگی در ریسمان‌ها به تفاوت در ساختار ماده‌ها ختم می‌شود! – هم‌چنین نظریه‌ی وحدت نیروها نیز که بسیاری از فیزیک‌دانان آن‌را دنبال می‌کنند سعی در تصحیح مدل استاندارد دارد چرا که این مدل قادر به برقرار کردن اتحاد بین تئوری گرانشی آینشتین و تئوری مکانیک کوانتومی نیست.

در ضمن تمام تئوری‌ها که – که از آن‌ها نام برده شد – تنها درباره‌ي ساختارهای عادی اتمی بحث می‌کنند؛ اما در مورد ماده‌ی تاریک ماجرا کاملاً متفاوت است چرا که ماده‌ی تاریک اصلاً از الکترون٬ پروتون و نوترون یا سایر ذرات بنیادی ساخته نشده است٬ بلکه ساختار ناشناخته و کاملاً متفاوتی دارد!

بگذریم! از آخر این هادرون چیه!؟

گفتیم که از دیدگاه فیزیک‌دانان «مدل استاندارد» مدلی نارسا است. با این حال فعلاً بهترین تئوریِ موجود در مورد ذرات بنیادین در فیزیک مدرن همین مدل استاندارد است. به همین خاطر فعلاً٬ در این مقاله٬ سایر تئوری‌ها مانند نظریه‌ی ریسمان و نظریه‌ی اتحاد نیروها را به کنار می‌گذاریم و می‌چسبیم به همین مدل استاندارد!

مدل استاندارد معتقد است که ما دو دسته ذرات بنیادین داریم: فرمیون‌ها (Fermion) و بوزون‌ها (boson). فرمیون‌ها ذراتی هستند که با ماده سر و کار دارند. بوزون ها ذراتی‌اند با انتقال نیرو بین مواد مرتبط-اند. مدل استاندارد وجود بیش از 30 نوع فرمیون و بوزون را در طبیعت پیش‌بینی می‌کند که از بین تمام این 30 ذره‌ی بنیادین٬ تنها ذره‌ی کشف نشده بوزونی با نام بوزون هیگز (Higgs boson) است که LHC قرار است آن را کشف کند. تمام ذرات دیگر را دانشمندان پیش‌تر٬ در آزمایش‌های مختلف کشف کرده یا وجود آن‌ها را به اثبات رسانده‌اند.

قبل از اینکه برسیم به بحث LHC بگویم که از ترکیب ذرات بنیادین با هم٬ ذرات جدیدی تشکیل می‌شوند که آن‌ها را هادرون می‌نامند. مثلاً پروتون و نوترون معروف‌ترین هادرون‌های شناخته شده هستند. به این دلیل نام ِ «شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی» را بر روی این دستگاه گذارده‌اند که قرار است پروتون‌ها (که یکی از انواع هادرون هستند) را با سرعتی معادل 99.999999 ٪ سرعت نور و با انرژی فوق‌العاده عظیمی به هم برخورد دهند و به بررسی نتایج این برخورد بپردازند.

برای اطلاعات بیشتر درباره‌ی ذرات بنیادی می‌توانید به مقاله‌ی «همه چیز درباره‌ی اتم» از سایت هوپا و یا مقاله‌ی «لیست ذرات» از ویکی پدیای انگلیسی مراجعه کنید.

LHC قرار است به چه سوالاتی پاسخ دهد؟

خب اجازه بدهید برسیم به اصل مطلب و اینکه از آخر این LHC قرار است چه گلی به سر دانشمندان بزند!؟

مهم‌ترین هدف از ساخت ِ LHC٬ کشفِ بوزونِ هیگز است که اگر کشف شود به سوالاتِ فراوانی در فیزیک پاسخ می‌دهد. به طور مثال دانشمندان٬ وجودِ خاصیتی به نام جرم در مواد را مدیون همین ذره می‌دانند. حالا تصور کنید که این آزمایش نشان دهد که ذره‌ای با نام بوزون هیگز اصلاً وجودِ خارجی ندارد. آن وقت چه اتفاقی می‌افتد؟

استفن هاوکینگ در مصاحبه‌ای که در تاریخ 9م سپتامبر 2008 (یک روز پیش از آغاز به کار ِ شتاب‌دهنده‌ی هادرونی) با BBC انجام داد در همین رابطه گفت: «فکر می‌کنم که خیلی هیجان‌انگیزتر باشد اگر که ما هیگز را کشف نکنیم؛ چرا که این نشان خواهد داد که چیزی اشتباه است و ما نیاز داریم که باز هم مجدداً فکر کنیم. من سر 100 دلار شرط می‌بندم که ما بوزون هیگز را نخواهیم یافت!» می‌توانید این مصاحبه را به طور کامل در اینجا بشنوید.

اما قرار نیست که این پروژه‌ی چند میلیارد دلاری (که با نام بزرگ‌ترین پروژه‌ی علمی تاریخ بشر لقب گرفته) تنها به آزمایش بر روی همین یک ذره بپردازد. همان‌طور که هاوکینگ در مصاحبه‌اش می‌گوید چه این ذره کشف بشود و چه نه٬ دانشمندان پاسخ به بسیاری از سوالاتِ خود را در نتیجه‌ی این آزمایش‌ها کسب خواهند کرد. دیگر آزمایش‌هایی که LHC قرار است انجام دهد عبارت است از:

شبیه‌سازی مهبانگ: مهبانگ٬ انفجار بزرگ یا Big Bang نام تئوری‌ای است که برای توجیهِ آغاز جهان از آن بهره می‌برند. آزمایش‌های LHC پاسخ بسیاری از سوالات ما را درباره‌ی مهبانگ خواهد داد. مثلاً به هنگام تولدِ جهان٬ ماده و پاد‌ماده به صورت مساوی به وجود آمده است٬ اما در حال حاضر مقدار ماده بسیار بیشتر است از مقدار پادماده؛ بر سر این پادماده‌ی گم شده چه آمده است؟

تک‌قطبی‌های مغناطیسی: LHC قرار است درباره‌ی وجود موادی که با نام تک‌قطبی مغناطیسی (Magnetic monopole) نامیده می‌شوند٬ تحقیق کند. تک‌قطبی‌های مغناطیسی ذراتی فرضی هستند که دیراک در کنار تئوری کوانتومی خود ارائه نمود و فیزیک نظری معتقدِ به وجود آن‌ها است اما هنوز توسط هیچ آزمایشی وجودشان به اثبات نرسیده است.

سیاه‌چاله‌های کوچک: این آزمایش قرار است بر روی سیاه‌چاله‌های کوچکی (Micro black hole) که فیزیک مدرن از آن‌ها سخن می‌گوید تحقیق کند. بر اساس تئوری «تابش هاوکینگ» سیاه‌چاله‌ها٬ اندک اندک و به مرور زمان جرم خود را از دست می‌دهند تا اینکه به مرور از بین می‌روند. اما اگر یک سیاه‌چاله از اندازه‌های معمولی خود بسیار کوچک‌تر باشد آن‌وقت آن‌قدر زود از بین می‌رود که اثرات آن برای ما قابل مشاهده نیست. در ضمن اگر تابش هاوکینگ درست باشد آن وقت سیاه‌چاله‌هایی که در آغاز آفرینش به وجود آمده‌اند تا به امروز باید به اندازه‌ی یک میکروسیاه‌چاله‌ی در آمده باشند. در این آزمایش قرار است بررسی شود که آیا واقعاً امکان تشکیل سیاه‌چاله‌هایی در ابعاد بسیار کوچک وجود دارد؟ اگر پاسخ مثبت است خواص این سیاه‌چاله‌ها چیست؟ و واقعاً چه بلایی به سر آن‌ها می‌آید؟

LHC قرار است علاوه بر این‌ها آزمایش‌های فراوان دیگری را هم درباره‌ی ابعاد اضافی جهان و امکان رؤیت آن‌ها٬ ذرات ابرمتقارن٬ ماهیت ماده‌ی تاریک٬ علت ضعیف بودن نیروی گرانش نسبت به سایر نیروهای بنیادین و بسیاری موارد دیگر انجام دهد.

برای اطلاعات بیشتر درباره‌ی مشخصات فنی LHC یا آزمایش‌های آن می‌توانید مراجعه کنید به «سایت رسمی LHC« بر روی پایگاه اینترنتی موسسه‌ی CERN و یا مقاله‌ی «شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی» از ویکی‌پدیای انگلیسی.

تصاویر و فلش‌هایی از این آزمایش

فلش: برای مشاهده‌ی شبیه‌ساز آشکارگر اطلس٬ یکی از شش آشکارگر LHC که قرار است یکی از مهم‌ترین آزمایش‌هایِ آن را هم انجام دهد می‌توانید این فلش ساده و کم‌حجم را ببینید.

پانوراما: برای مشاهده‌ی LHC و یک گشت‌و‌گذار مجازی در تاسیسات آن٬ می توانید این پانورامای زیبا و کم‌حجم از LHC را ببینید.

تصویر: 44 تصویر از LHC هم در اینجا قابل مشاهده است. همچنین لوگوی گوگل به مناسبت افتتاح این پروژه را در اینجا ببینید.