از ديرباز فيزيکدانان توجه زيادي به اتحاد نيروهاي الکترومغناطيسي و گرانشي نشان دادند. نخستين بار فارادي که درک عميقي از نيروهاي الکترومغناطيسي داشت، خاطر نشان کرد که نيروهاي گرانشي و الکترومغناطيسي تشابه بسيار زيادي به يکديگر دارند و احتمالاً رابطه ي مشابهي نظير آنچه که بين نيروهاي الکتريکي و مغناطيسي وجود دارد، بين گرانش و نيروي الکترومغناطيسي وجود دارد. پلانک نيز نظر مشابهي داشت. آلبرت اينشتين نيز تلاش بسيار کرد که اين دو نيرو را متحد کند. وي بيش از سي سال در اين زمينه کار کرد، اما موفق نشد. البته در زمان اينشتين نيروهاي مهم و مطرح همين دو نيروي گرانشي و الکترومغناطيسي بودند و نيروهاي قوي و ضعيف تازه مورد توجه قرار گرفته بود
علاوه بر آن امروزه مفهوم نيرو با زمان انيشتين تفاوت اساسي پيدا کرده است. در مکانيک کوانتوم به نيرو به عنوان ذراتي نگريسته مي شود که بين ذرات شرکت کننده در برهم کنش مبادله مي گردد. ذره ي تبادلي براي نيروهاي الکترومغناطيسي، فوتون است و ذره تبادلي براي گرانش، گراويتون ناميده مي شوداگر بخواهيم اتحاد نيروهاي الکترومغناطيسي و گرانشي را مورد توجه قرار دهيم، راهي نداريم چز آنکه ارتباط بين فوتون و گراويتون را مورد کنکاش قرار دهيم. اما قبل از ادامه ي بحث لازم است به توليد و واپاشي زوج ماده - پاد ماده توجه کنيم، زيرا بررسي اين پديده براي شناخت وابستگي و ايجاد وحدت بين نيروهاي الکترومغناطيسي و گرانشي نقش اساسي دارد

:

◄   ماده و پاد ماده

در مقاله بالا اثر فوتوالکتريک و اثر کامپتون با استفاده از نظريه سي. پي. اچ. مورد بررسي قرار گرفت. علاوه بر اثر فوتوالکتريک و اثر کامپتون، فرايند جالبي تحت عنوان توليد زوج ماده - پاد ماده وجود دارد که از نظر اهميت و مفاهيم بنيادي بي نظير است. توليد و واپاشي زوج يک مثال بسيار بارز و عالي از تبديل انرژي به ماده و بالعکس است. بررسي نظري اين پديده نخستين بار توسط ديراک در سال 1928 صورت گرفت. ديراک با حل معادله

 

 

بصورت

 

 

به جاي آنکه قسمت منفي انرژي را به دليل غير فيزيکي بودن آن کنار بگذارد، به پژوهش پيرامون پيامدهاي تمامي معادله پرداخت و به نتايج بسيار جالبي رسيد. به طور خلاصه ديراک با توجه به قسمت منفي رابطه ي بالا وجود پاد ماده را پيشگويي کرد. اگر اين پيشگويي درست مي بود، مي بايست براي ذره اي مانند الکترون، ذره ي ديگري وجود داشته باشد که حرم حالت سکون آن برابر جرم الکترون باشد. تجزيه تحليل ديراک چنين نشان مي داد که اين ذره بايد داراي بار الکتريکي مثبت باشد. زمانيکه ديراک وجود چنين ذره اي را پيشگويي کرد با ناباواري فيزيکدانان مواجه شد. اما چهار سال بعد، آندرسن اين ذره را در اشعه ي کيهاني کشف کرد و آن را پوزيترون ناميدند. بعدها در آزمايشگاه نيز با واپاشي فوتون زوج الکترون - پوزيترون توليد شد
فوتوني با انرژي زياد، تمامي انرژي  E=hf خود را در برخورد با هسته از دست مي دهد و يک زوج الکترون - پوزيترون مي آفريند. پوزيترون ذره اي است که کليه ي خواص آن با خواص الکترون يکسان است مگر بار الکتريکي و علامت گشاور مغناطيسي آن، زيرا بار الکتريکي پوزيترون مثبت است

 


◄   توليد زوج الکترون - پوزيترون:
در فرايند توليد زوج الکترون - پوزيترون اصولي بايد محفوظ بماند تا اين پديده روي دهد. اين اصول عبارتند از بقاي انرژي نسبيتي کل، بقاي اندازه حرکت و بقاي بار الکتريکي، زيرا فوتون از نظر الکتريکي خنثي است و مجموع بارهاي الکتريکي بعد از توليد نيز بايد صفر باشد. بقاي اندازه حرکت نيز نشان مي دهد که يک فوتون نمي تواند در فضاي تهي محو شود و زوج توليد کند. چنين فرايندي با حضور يک هسته ي سنگين امکان پذير است تا بقاي اندازه حرکت و بقاي انرژي نسبيتي نقض نشود
در ارتباط با توليد زوج، فرايند معکوسي وجود دارد که نابودي زوج ناميده مي شود. يک الکترون و يک پوزيترون مجاور يکديگر، در هم ادغام مي شوند و به جاي آن انرژي تابشي به وجود مي ايد

نابودي زوج

 

امروزه مشاهده ي توليد و واپاشي زوج الکترون - پوزيترون در آزمايشگاه يک پديده ي عادي بشمار مي رود. در سال 1955 براي نخستين بار زوجهاي پروتون- پاد پروتون و نوترون - پاد نوترون در آزمايشگاه آفريده شدند

 

◄   بررسي فرايند توليد و واپاشي زوج:
حال بايد فرايند توليد و واپاشي زوج ماده - پاد ماده را با دقت مورد بررسي قرار داد تا ببينيم چگونه مي توان اتحاد بين نيروهاي الکتريکي و مغناطيسي را از آن نتيجه گرفت و چرا تا به حال اين تلاشها بي نتيجه بوده است؟
فوتوني را در نظر بگيريد که با انرژي کافي در حرکت است و در يک فرايند واپاشيده شده و يک زوج الکترون - پوزيترون (يا پروتون - پاد پروتون) توليد مي کند. همجنانکه که مي دانيم انرژي نسبيتي فوتون با جرم - انرژي ذرات توليد شده برابر است. زوج توليد شده شامل دو ذره يکي با بار الکتريکي مثبت و ديگري با بار الکتريکي منفي است. اين دو ذره در دو برهم کنش با يکديگر شرکت مي کنند. يکي برهم کنش گرانشي و ديگري برهم کنش الکتريکي. طبق نظريه کوانتوم مکانيک اين برهم کنشها از طريق تبادل ذرات انجام مي شود. ذره ي تبادلي الکترومغناطيسي، فوتون است که نيروي الکترومغناطيسي را حمل مي کند و ذره ي تبادلي گرانشي، گراويتون است که نيروي گرانش را حمل مي کند. حال چندين سئوال اساسي قابل طرح مي باشد

الف - ذرات باردار چگونه از يک ذره ي خنثي توليد مي شوند؟

ب - ذره ي تبادلي (فوتون) چگونه و از چه چيزي توليد مي شود؟

ج - فوتون حامل انرژي الکترومغناطيسي است که شامل دو ميدان الکتريکي و مغناطيسي عمود بر هم است. چه رابطه اي بين اين ميدانهاي الکترومغناطيسي و بار الکتريکي ذرات ماده - پاد ماده که در فرايند آفرينش توليد مي شوند، وجود دارد؟

د - نقش گرانش (گراويتونها) در اين فرايند ها چيست؟

براي رسيدن به پاسخ اين سئوال ها نيازي نيست که روابط پيچيده اي را اختراع کنيم که با طبيعت فيزيکي اين پديده ها بيگانه است. همچنين نيازي نيست که معادلات پيچيده تر رياضي ابداع کرده و بعد تلاش کنيم اين معادلات را به طبيعت تحميل کنيم يا تحقيق کنيم که کداميک از آنها و تحت چه شرايطي سازگارند. راهنماي ما در اين زمينه خود امواج الکترومغناطيسي، نحوه ي توليد آنها و اندرکنش انرژي الکترومغناطيسي با گرانش (يا گراويتون ها) است
براي اين کار دو مورد خاص را در نظر مي گيريم

يک - نحوه ي توليد و انتشار امواج الکترومغناطيسي

دو - اثر گرانش بر امواج الکترومغناطيسي

◄   توليد امواج الکترومغناطيسي:
قوانين الکتروديناميک نشان مي دهد هرگاه يک ذره ي باردار شتاب بگيرد، يک موج الکترومغناطيسي در فضا منتشر مي شود که با سرعت نور حرکت مي کند. اگر اين ذره ي باردار نوسان کند با هر نوسان آن يک کوانتوم انرژي الکترومغناطيسي که فوتون ناميده مي شود، توليد و منتشر مي گردد

 

 

با نوسان ذره ي باردار موج الکترومغناطيسي در فضا منتشر مي شود  که فرکانس آن با فرکانس نوسان ذره ي باردار برابر است

بنابراين براي توليد يک موج الکترومغناطيسي (فوتونها)، بايستي ذره ي بار دار را به نوسان در آوريم. هرچند روشهاي گوناگوني براي به نوسان درآوردن ذره ي باردار وجود دارد، اما همه ي آنها از اين قانون کلي پيروي مي کنند که بايد روي ذره ي باردار کار انجام شود تا ذره شتاب بگيرد. ذره ي باردار (الکترون هاي آزاد فلز) با گرفتن يک کوانتوم انرژي به مدار بالاتر صعود مي کند و با سقوط به مدار پئين تر، انرژي را تابش مي کند. مستقل از اينکه منشاء نوسان چيست و چگونه الکترون به نوسان در مي ايد، اين تابش وجود دارد و قابل آشکار سازي است

از طرف ديگر مي دانيم انرژي ها قابل تبديل به يکديگرند. حال تبديل انرژي پتانسيل گرانشي را به انرژي الکترومغناطيسي، نظير آنچه که در سدها و با استفاده از توربين انجام مي شود در نظر بگيريد. در اين فرايند مقداري آب در ارتفاع خاصي قرار دارد که بر اثر سقوط در ميدان گرانشي، انرژي جنبشي کسب مي کند و هنگام برخورد با پره هاي توربين، قسمتي از اين انرژي جنشي به توربين منتقل مي گردد و سيم پيچ آن را به چرخشد در مي آورد. چرخش سيم پيچ موجب مي شود شار مغناطيسي حاصل از آهنرباي موجود در وسط سيم پيچ تغيير کند و جريان الکتريکي بر قرار گردد و در نتيجه الکترونهاي آزاد درون سيم ها نوسان کرده و انرژي الکترومغناطيسي توليد شود. در واقع انرژي پتانسيل گرانشي به انرژي الکترومغناطيسي تبديل شده است. تبديل انرژي گرانشي به انرژي الکترومغناطيسي را مي توان از زاويه ديگري نيز مورد بررسي قرار داد

◄   تاثير گرانش بر انرژي الکترومغناطيسي:
طبق پيشگويي نسبيت هرگاه فوتوني در ميدان گرانشي سقوط کند، فرکانس و در نتيجه انرژي آن افزايش مي يابد که آن را جابجايي به سمت آبي مي گويند. عکس اين حالت نيز صادق است، يعني هنگاميکه نور در حال ترک (فرار) از يک ميدان گرانشي است، فرکانس و در نتيجه انرژي آن کاهش مي يابد که جابجايي به سمت سرخ گرانش ناميده مي شود. اين پيشگويي براي مدتها قابل آزمايش نبود تا آنکه موسبوئر در سال 1958 نشان داد که يک بلور در بعضي شرايط مي تواند دسته اشعه اي گاما با طول موج کاملاَ معيني توليد کند. اشعه ي گاما با چنين طول موجي را مي توان با بلوري مشابه بلوري که آن را توليد کرده است جذب کرد. اگر طول موج اشعه ي گاما فقط مختصري با طول موج اشعه اي که توسط بلور توليد مي شود تفاوت داشته باشد، به وسيله آن جذب نخواهد شد. اين پديده را اثر موسبوئر مي نامند. آزمايشهايي که در سال 1960 توسط پوند و ربکا و سالهاي بعد، بارها و با استفاده از اثر موسبوئر انجام شد، درستي پيشگويي نسبيت را تاييد کرد. در نسبيت فرکانس و در نتيجه انرژي فوتون در يک ميدان گرانشي تغيير مي کند که براي آن رابطه زير ارائه شده است

f"=f(1+MG/Rc^2)

 

يعني جابجايي به سمت آبي گرانش. که در آن

 

M, G, R, c , f, f"


به ترتيب جرم جسمي که موجب ايجاد ميدان گرانشي شده، ثابت جهاني گرانش، شعاع جسم و سرعت نور و فرکانس فوتون قبل از سقوط و بعد از سقوط است. با افزايش انرژي فوتون، شدت ميدان الکتريکي و مغناطيسي آن افزايش مي يابد بطوري که رابطه ي زير همواره بر قرار است

بنابراين کاري که توسط نيروي گرانش روي فوتون انجام مي شود، تنها به معني ساده ي افزايش انرژي آن نيست، بلکه مفاهيم عميق تري در وراي آن نهفته است. اگر اين پديده را بخواهيم از ديدگاه نظريه ميدان کوانتومي نگاه کنيم، بايد بپذيريم که گراويتونها در ساختمان فوتون نفوذ کرده و علاوه بر افزايش انرژي آن موجب افزايش شدت ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي آن شده اند. اما با توجه به خواصي که مکانيک کوانتوم براي گراويتونها قائل است، اين پديده قابل توجيه نيست. بلکه بايد در مفاهيم بنيادي مکانيک کوانتوم تجديد نظر کنيم و از ماوراي مکانيک کوانتوم اين پديده را مورد بررسي قرار دهيم. زيرا در مکانيک کوانتوم به گفته ي ديراک الکترون و فوتون نقاط مادي هستند که نمي توان ساختمان آنها را مورد کنکاش و بررسي قرار داد. در حاليکه در نظريه سي. پي. اچ. همه ي ذرات از تعدادي سي. پي. اچ. تشکيل مي شوند و سي. پي. اچ. در حالت خاص گراويتون است

 

 ◄   نگاهي نوين به شواهد تجربي
براي به دست آوردن يک نتيجه ي رضايت بخش که بتوان با استفاده از آن به اتحاد نيروهاي الکترومغناطيسي و گرانشي رسيد، نمي شود و نبايد با ديدگاه معمول به آن برخورد کرد. زيرا اين ديدگاه در هشتاد سال گذشته با تمام تلاشي که انجام شده، موفقيت چنداني نداشته است
واقيعيت غير قابل انکار اين است که کاري که گرانش روي فوتون انجام مي دهد، علاوه بر تغيير انرژي آن، بر شدت ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي آن نيز موثر است و اين چيزي است که مکانيک کوانتوم و نسبيت براي آن توضيحي ندارند
از ديدگاه مکانيک کوانتوم، فوتون بسته انرژي در حال دوران است. همچنين ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي اطراف يک پرتو نوري ازنوع ميدانهاي الکترومغناطيسي استاتيک نيست. ميدان الکترومغناطيسي که توسط يک فوتون ايجاد مي شود، بسيار قوي تر از ميدان گرانشي آميخته با آن است. همچنين هنوز شناخته نشده که اين دو ميدان الکترومغناطيسي و گرانشي چگونه توسط فوتون توليد مي شود و چرا تا اين اندازه اختلاف دارند. اين يک معماي حل نشده ي فيزيک است

بايد توجه داشت که براي حل يک مسئله قديمي، نمي توان به همان راه حل هاي کهنه و متداول بسنده کرد، بلکه بايد به دنبال راه حلهاي متفاوت و نوين بود تا به نتايج قابل قبولي رسيد. البته بايد توجه داشت که فيزيک دانشي متکي بر تجربه است، بنابراين هر توصيفي از پديده هاي فيزيکي که بخواهد نظريه اي را مطرح کند، بايد متکي بر شواهد تجربي باشد. بر اين اساس است که نمي توان و نبايد يک نظريه جديد شواهد تجربي را نقض کند، بلکه بايد در شواهد تجربي ريشه گرفته و براي توجيه همين شواهد تجربي بکار رود و در اين کارايي است که سير تحول منطقي و تکامل خود را خواهد پيمود
حتي چنين نگرشي نيز نمي تواند روابط پذيرفته شده و متکي بر آزمايش را نفي کند، بلکه تنها مي تواند به تعديل يا تعميم آنها بپردازد. نگاه نظريه سي. پي. اچ. به فيزيک از اين زاويه است. بهمين دليل در نظريه سي. پي. اچ. تلاش مي شود با درک شهودي از پديده ها روابط پذيرفته شده را تعميم دهد. در اين راستا به تعميم يکي از بنيادي ترين روابط شناخته شده ي فيزيک، يعني قضيه کار و انرژي مي پردازيم

◄   قضيه کار و انرژي و تابش الکترومغناطيسي:
مي دانيم هرگاه روي جسم/ذره اي کار انجام شود، کار انجام شده موجب تغيير انرژي جنبشي جسم/ذره مي شود. از طرفي فوتون تنها حامل انرژي جنبشي است و سکون فوتون به معني از دست دادن انرژي آن است. خوب حال فوتوني را در نظر بگيريد که با انرژي  E=hf در حال سقوط در يک ميدان گرانشي است. همچنانکه در بالا اشاره شد، بر اثر سقوط فوتون، انرژي و در نتيجه فرکانس آن افزايش مي يابد. حال فرض کنيم يک گراويتون نيروي گرانشي برابر با Fg را حمل مي کند و فاصله Lp را طي مي کند تا از مرز خارجي فوتون وارد ساختمان فوتون شود. در اين صورت کار انجام شده برابر است با Wq=Fg.Lp=dE که در  Wq, Fg, Lp به ترتيب و از چپ به راست کوانتوم کار انجام شده، نيروي گرانشي که يک گراويتون حمل مي کند، طول پلانک که تقريباً برابر  10-35 ( ده به توان منهاي سي و پنج) متر و  dE  تغيير انرژي فوتون است. و در حالت کلي مقدار کار از رابطه ي رير به دست مي ايد
 

W=nWq=nFg.Lp , n=...., -2. -1, 0, 1, 2, ...


◄   تغيير ميدان الکتريکي و مغناطيسي فوتون:
هنگاميکه فوتون در حال سقوط در ميدان گرانشي است، گراويتونها وارد ساختمان فوتون مي شوند. با افزايش گراويتونها در ساختمان فوتون، شدت ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي فوتون نيز افزايش مي يابد. به شکل زير توجه فرماييد
 

 

هنگاميکه گرانش روي فوتون کار انجام مي دهد شدت ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي فوتون افزايش مي يابد

اگر کار انجام شده بر روي فوتون تنها موجب افزايش انرژي آن مي شد و تاثيري بر روي ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي آن نداشت، اصولاً دليلي بر وجود نيروهاي الکتريکي و مغناطيسي وجود نمي داشت. وجود ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي در امواج الکترومغناطيسي، ناشي از آن است که اين ميدانها خود از اجزاي کوچکتري تشکيل شده اند که آنها نيز داراي خواص الکتريکي و مغناطيسي هستند. به عبارت ديگر گراويتونها نه تنها حامل نيروي گرانش هستند، بلکه داراي خواصي هستند که ما آنها را تحت عناوين بار الکتريکي و شار مغناطيسي مي شناسيم.
اين نگرش موجب مي شود که ديدگاه خود را نسبت به گراويتون تغيير دهيم و اعتراف کنيم که گراويتونها داراي خواص الکتريکي و مغناطيسي هستند که مي توان آنها تحت عناوين بار - رنگ و مغناطيس - رنگ معرفي کرد. در واقع انباشتگي اين بار-رنگ ها و مغناطيس - رنگ ها عامل توليد ذرات باردار هستند.
 

◄   بار الکتريکي و نيروي الکتريکي:

هنگاميکه انرژي به ذرات باردار تبديل مي شود، مانند آنچه که در پديده ي توليد زوج الکترون - پوزيترون روي مي دهد، اين ذرات موجوديت و خواص الکتريکي خود را با انتشار فوتون هاي تبادلي بروز مي دهند. در واقع بار الکتريکي يک ژنراتور (توليد کننده) نيروي الکتريکي است و گراويونهاي اطراف را انباشته کرده و به صورت ذرات تبادلي نيروي الکتريکي در فضا منتشر مي کند. يک بار الکتريکي منزوي را در نظر بگيريد که دائم در حال انتشار نيروي الکتريکي است، و هيچگاه جرم آن کاهش نمي يابد. اين امر به دليل آن است که مواد مورد مصرف آن گراويتون است که در اطراف آن به وفور يافت مي شود. مقاومت گرانش در مقابل تغيير ميدان الکتريکي بصورت ميدان مغناطيسي ظاهر مي شود. قانون آمپر را به ياد آوريد

 


◄   توليد ميدان مغناطيسي توسط بار الکتريکي متحرک:
هرچند ديراک وجود تک قطبي هاي مغناطيسي را پيشگويي کرده است، اما نه تنها هنوز چنين تک قطبي ها مشاهده نشده، حتي بدون بار الکتريکي ميدان مغناطيسي نيز ايجاد نمي شود. ميدان مغناطيسي يک جريان است که بر اثر مقاومت ميدان گرانشي در مقابل تغيير ميدان الکتريکي ايجاد مي شود

 

 

ميدان مغناطيسي در اطراف دو سيم حامل جريان الکتريکي