کوچکترین ذره در جهان کدام است؟
جست‌وجوی کوچکترین ذره‌ی جهان، دانشمندان را به فوتون‌ها، نوترینوها و کوارک‌ها رسانده، اما هنوز پاسخ قطعی در دست نیست.
این پرسش که کوچکترین ذره جهان کدام است، پرسشی ساده به نظر می‌رسد، اما در دل خود یکی از پیچیده‌ترین مباحث فیزیک مدرن را پنهان کرده است.
به گزارش زومیت، چه پروتون‌ها و نوترون‌هایی که اتم‌ها را می‌سازند، چه فوتون‌هایی که ما آن‌ها را به شکل نور می‌بینیم، و چه الکترون‌هایی که برق تلفن‌های هوشمندمان را فراهم می‌کنند؛ جهان ما چیزی جز مجموعه‌ای از ذرات زیراتمی نیست. با‌این‌حال، همین ذرات به دلیل اندازه‌ی فوق‌العاده کوچک‌شان، از درک و دید مستقیم ما پنهان می‌مانند.
اما وقتی پای «اندازه»ی این ذرات به میان می‌آید، موضوع پیچیده‌تر از چیزی است که به ذهن خطور می‌کند. معمولاً تصور می‌کنیم ذرات مثل توپ‌های کوچکی هستند که می‌توان طول و عرض‌شان را با خط‌کش اندازه گرفت. در حالی که ذرات بنیادی هیچ شباهتی به این تصویر ساده‌انگارانه ندارند.
از کجا شروع کنیم؟
«کوچک بودن» همیشه معنای واحدی ندارد. همان‌طور که جانت کانراد، فیزیک‌دان ذرات از موسسه فناوری ماساچوست، می‌گوید، توپ پنبه‌ای ممکن است به خاطر سبک بودنش «کوچک» به نظر برسد، اما توپ فلزی هم‌اندازه، سنگین‌تر است. یعنی وقتی درباره ذرات صحبت می‌کنیم، باید مشخص کنیم منظورمان کوچکی از نظر وزن است یا کوچکی از نظر اندازه فیزیکی.
از طرف دیگر، ذرات در دو دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند:
فرمیون‌ها: ذرات ماده مثل پروتون‌ها و الکترون‌ها که همه‌ی ماده‌ی جهان را می‌سازند.
بوزون‌ها: ذرات حامل نیرو مثل فوتون‌ها که نیروها را بین ذرات ماده منتقل می‌کنند.
اما مهم‌تر از همه، باید بین ذرات بنیادی (که قابل شکستن به بخش‌های کوچک‌تر نیستند) و ذرات مرکب تفاوت قائل شد. مثلاً پروتون بنیادی نیست، چون اگر با انرژی کافی به آن ضربه بزنید، به کوارک‌ها تجزیه می‌شود؛ اما کوارک‌ها در حال حاضر بنیادی به حساب می‌آیند.
مشکل تعریف اندازه
در نگاه اول به نظر می‌رسد که ذرات بنیادی باید کوچک‌تر از ذرات مرکب باشند، چون ذرات مرکب از چند ذره بنیادی تشکیل شده‌اند. اما این‌جا مسئله پیچیده می‌شود. طبق مدل استاندارد فیزیک ذرات، همه‌ی ذرات بنیادی بی‌بعد هستند؛ یعنی اصلاً نمی‌توان برایشان اندازه فیزیکی مشخص کرد.
به زبان ساده‌تر، وقتی می‌پرسیم «کدام ذره کوچک‌تر است؟»، این پرسش بی‌معنی است؛ شبیه این است که بخواهیم بپرسیم «شمال بالاتر از بالا کجاست؟» ذرات بنیادی وجود دارند و اثراتشان قابل اندازه‌گیری است، اما مفهوم «اندازه» برایشان مانند اشیای روزمره کاربردی ندارد.
به جای تصور الکترون‌ها مثل توپ‌های کوچک در مدار هسته، باید آن‌ها را مثل ابری از احتمال در نظر گرفت. ابری که بیان می‌کند احتمال یافتن ذره در یک نقطه‌ی خاص چقدر است.
وزن یا جرم به‌عنوان معیار
آن‌طور که ساینتیفیک امریکن توضیح می‌دهد، فیزیکدانها برای کنارزدن ابهام درباره اندازه و جرم ذرات بنیادی، از محاسبات معکوس معادله مشهور اینشتین E = mc² استفاده می‌کنند. این معادله نشان می‌دهد که انرژی و جرم دو روی یک سکه هستند و می‌توان جرم یک ذره را از انرژی آن محاسبه کرد.
برای این کار معمولاً از واحد انرژی الکترون‌ولت (eV) استفاده می‌شود، که انرژی یک الکترون با بار واحد را نشان می‌دهد. با تبدیل این انرژی به جرم، مشخص می‌شود که جرم الکترون حدود ۰٫۵۱ MeV/c² است. اگر بخواهیم این مقدار را به کیلوگرم بیان کنیم، تقریباً برابر است با ۹٫۱ × ۱۰⁻³¹ کیلوگرم؛ یعنی خیلی، خیلی کوچک‌تر از هر چیزی که در زندگی روزمره می‌بینیم.
درمقابل، سبک‌ترین کوارک، یعنی کوارک بالا، بیش از چهار برابر سنگین‌تر است و جرمش حدود ۲٫۱۴ MeV/c² است. یعنی هنوز هم فوق‌العاده سبک است، اما نسبت به الکترون قابل توجه‌تر است.
به این ترتیب، حتی کوچکترین ذرات بنیادین، با اینکه بی‌اندازه سبک و کوچک‌اند، تفاوت‌های جزئی در جرم دارند که فیزیکدانها می‌توانند اندازه‌گیری و مقایسه کنند.
چند پاسخ برای یک سؤال
در نهایت، کوچکترین ذره‌ی جهان بسته به نوع ذره متفاوت است: اگر فقط به بوزون‌ها (ذراتی که نیروها را منتقل می‌کنند) نگاه کنیم، کوچکترین ذره فوتون است، زیرا هیچ جرمی ندارد و در سراسر جهان حضور دارد. گلوئون‌ها نیز جرم ندارند، اما چون همیشه داخل پروتون‌ها و نوترون‌ها گیر می‌کنند، مطالعه‌ی آن‌ها بسیار دشوار است.
اگر به فرمیون‌ها (ذراتی که ماده را می‌سازند) نگاه کنیم، کوچکترین گزینه نوترینو است. نوترینوها جرمی فوق‌العاده کم دارند: حدود ۰٫۴۵ الکترون‌ولت بر مجذور سرعت نور، یعنی کمتر از یک میلیونیم جرم یک الکترون! به بیان ساده‌تر، نوترینوها تقریباً بی‌وزن‌اند و می‌توانند از دل ماده عبور کنند بدون اینکه چیزی را لمس کنند.
با این وجود، تمامی ذرات بنیادی بی‌بعد هستند و ساختار داخلی قابل اندازه‌گیری ندارند، بنابراین مفهوم «کوچکترین ذره» همواره نسبی و وابسته به معیار مورد نظر یعنی جرم، اندازه فضایی یا نقش فیزیکی ذره، خواهد بود. این نتیجه نشان می‌دهد که جهان زیراتمی بسیار پیچیده‌تر از تصورات ساده‌ی ماست و هنوز اسرار زیادی برای کشف وجود دارد.
