سلام دوستان به وبلاگ pskn هم سر بزنید
نوشته شده توسط جواد در سه شنبه هفتم خرداد 1387 ساعت 10:32 | لینک ثابت |
انجمن فیزیک سمپاد کرمان افتتاح شد لطفا سر بزنیدکلیک
نوشته شده توسط جواد در پنجشنبه نوزدهم اردیبهشت 1387 ساعت 13:20 | لینک ثابت |
اندازه اتم با انبساط جهان افزايش مي يابد
Atom's size increases by Expanding of Universe
مشاهدات كيهاني هابل نشان مي دهد كه جهان نسبت به زمان منبسط مي شود. در اين مورد رابطه ي هابل نشان مي دهد كه سرعت كهكشانها به فاصله انها نسبت به ناظر بستگي دارد كه به صورت زير ارائه شده است :
u(t)=k(t)x(t)
كه در آن u(t) سرعت k(t) ثابت هابل x(t) فاصله بين ناظر و كهكشان است و همگي تابع زمان هستند .
رابطه هابل يك مفهوم سئوال بر انگيز است و سئوال اين است كه آيا انيساط جهان تاثيري روي اندازه اتمها دارد؟
به عبارت ديگر فرض كنيم فاصله زمين از دو كهكشان الف و ب، به صورت زير باشد :
d1 and d2 and d1>d2
آيا اندازه اتمها در دو كهكشان الف و ب نسبت به زمين يكسان است؟
اجازه دهيد يك نگاه جديد به جهان بيندازيم :
با توجه به نظريه سي. پي. اچ. انبساط جهان روي همه ي اجسام موجود در جهان اثر دارد و اندازه كهكشانها و ستارگان و اتمها با انبساط جهان افزايش مي يابد. همچنين هنگاميكه اندازه اتمها افزايش مي يابد، طول موج تابشي توسط اتمها به سمت سرخ جابجا مي شود .
در ادامه مي خواهم اين پديده را توضيح دهم : با توجه به نسبيت عام اينشتين، بيگ بنگ از انفجار يك توده يگانه (يا گاز بسيار داغ و عجيب ) با فشار نامحدود، چگالي نامحدود با انحناي نامحدود فضا زمان ايجاد شده است. اين شرايطي كه نسبيت براي زمان قبل از بيگ بنگ ترسيم مي كند، قابل پذيرش نيست .
با توجه به نظريه سي. پي. اچ. بيگ بنگ بر اثر انفجار يك سياه چاله مطلق ايجاد شده كه آن سياه چاله نيز از نيروي محظ تشكيل شده بود و در انجا انرژي و جرم وجود نداشت.
فرض كنيم بيگ بنگ در لحظه صفر و حجم جهان در آن لحظه به صورت زير بود :
t=0. volume=V
نخست ذرات نيرو روي يكديگر كار انجام داده و انرژي توليد مي كنند. انرژي به ذرات زير اتمي تبديل شده و آنگاه اتمها شكل مي گيرند.
سپس حجم جهان شروع به افزايش مي كند. با افزايش حجم جهان، چگالي جهان كاهش مي يابد و با توجه به قوانين شناخته شده فيزيك بر اثر كاهش چگالي جهان فاصله بين اجرام افزايش يافته و كنش نيروها كه تابع فاصله هستند نيز كاهش مي يابد .
فرض كنيد اتم الف در فاصله د از مركز مركز انفجار باشد در آن صورت حجم اتم تابع حجم جهان است و مي توان نوشت :
V(atom)=k V(universe), that V(univerese) is volume of universe of center of explosion to atom's situation.
اما حجم جهان به زمان بستگي دارد يعني : V(uninverse)=V(t)
So, V(atom)=kV(t)
So, V(atom)=kV(t)
با توجه به نسبيت در جهان هيچ دستگاه مرجع مطلقي وجود ندارد، بنابراين هر ناظري خود را در مركز انفجار مشاهده خواهد كرد.
فرض كنيم يك ناظر بر سطح زمين ايستاده و مشاهده مي كند جهان در حال انبساط است و سرعت فرار اجسام تابع فاصله است كه توسط رابطه هابل مشخص مي شود :
u(t)=k(t)x(t)
اما ناظر چگونه سرعت فرار كهكشانها را اندازه مي گيرد؟ اين ناظر چگونه متوجه شتاب كهكشان مي شود؟
تنها بر اثر جابجايي به سمت سرخ گرانش. اما جابجايي به سمت سرخ گرانش تابع سرعت كهكشان و حجم اتمهاي موجود در آن است.
كهكشان بتدريج دور مي شود و فاصله آن با ناظر افزايش مي يابد. بنابراين حجم كهكشان و حجم اتمهاي موجود در آن افزايش مي يابد و اين نيز نشان مي دهد كه كهكشان داراي شتاب است.
بنابراين براي توجيه درست انبساط جهان بايد يك پارامتر در رابطه هابل منظور گردد كه مربوط به افزايش حجم اتها است. زيرا رابطه هابل با فرض ثابت بودن حجم اتمها ارائه شده است .
بعضي اجسام (مانند كوسارها) با سرعتي نزديك به سرعت نور يا فراتر از آن در حال فرار هستند. زيرا هنگاميكه فاصله بين ناظر و و جسم افزايش مي يابد، حجم اتمها نيز افزايش مي يابد و امواج الكترومغناطيسي كه از فضا مي يايد، بيشتر به طرف سرخ جابجا مي شود و در نتيجه سرعت نسبي آن با ناظر افزايش مي يابد تا جاييكه ديگر مشاهده نمي شود و وارد جهان غير قابل مشاهده خواهد شد.
نوشته شده توسط جواد در سه شنبه نهم بهمن 1386 ساعت 9:9 | لینک ثابت |
سلام ببخشید دیر آپ کردم تا چند روز دیگه سوالای المپیادو با جواباش رو میزارم
نوشته شده توسط جواد در سه شنبه نهم بهمن 1386 ساعت 9:0 | لینک ثابت |
نوشته شده توسط جواد در یکشنبه بیست و پنجم آذر 1386 ساعت 16:6 | لینک ثابت |
برگرفته از كتاب Stephen Hawking - The story of his life and work نوشته Kitty Ferguson
بازنگري در هدف علم فيزيك
با در نظر گرفتن محدوديتهايي كه از آنها ياد شد، فيزيكدانان تعريف جديدي را از علم ارائه كردهاند: نظريه همه چيز مجموعهاي از قوانيني خواهد بود كه پيشگويي رويدادها را تا حدي كه اصل عدم قطعيت معين كرده است، امكانپذير ميسازد!
اين بدان معني است كه در بسياري موارد بايد به احتمالات راضي شويم و از گرفتن نتايج مشخص و دقيق صرفنظر كنيم!
استيون هاوكينگ مسئله را چنين جمعبندي ميكند! او در پاسخ اين سوال كه آيا همه چيز از پيش به طور جبري به وسيله خدا يا نظريه همه چيز تعيين شده است؟ ميگويد:
ولي اين امكان هم وجود دارد كه چنين نباشد! زيرا هرگز ممكن نيست كه ما بدانيم چه چيزي از پيش معين شده است! اگر نظريه از پيش تعيين كرده است كه ما بايد با چوبه دار اعدام شويم، بنابراين در آب غرق نخواهيم شد. اما قبل از اين كه سوار يك قايق كوچك در دريايي طوفاني شويم، بايد اطمينان داشته باشيم كه سرنوشت ما براي اعدام با چوبه دار مقدر شده است!
به نظر هاوكينگ ايده آزادي اراده، نظريه تقريبي بسيار خوبي در باره رفتار بشر است!
اگر منصف باشيم، بايد بگوييم كه همه فيزيكدانان گمان نميكنند كه «نظريه همه چيز» وجود دارد يا اگر هست، دستيابي به آن براي ما ميسر است. بعضي از آنها بر اين باورند كه علم با باريكبيني و اكتشافات پي در پي به باز كردن اطاقهاي تو در توي اسرار ادامه خواهد داد ولي هيچگاه به آخرين اطاق نميرسد. برخي ديگر چنين استدلال ميكنند كه رويدادها مسلماْ بهطور كامل قابل پيشبيني نيستند و بهطور تصادفي اتفاق ميافتند. برخي اعتقاد دارند كه خدا و موجوداتي مثل بشر بسيار بيش از آنچه نظريه همه چيز ممكن است اجازه دهد، از آزادي كنش و واكنش در چارچوب جهان برخوردار هستند. آنها ميگويند كه موضوع مثل نواختن يك موسيقي از پيش نوشته شده توسط اركستر است. باز هم نوازنده امكان آفرينش زيادي در نواختن نتها دارد. امكاني كه از پيش معين نشده است!
به هر رو چه يك نظريه رسا و كامل براي توضيح جهان هستي در دسترس بشر باشد يا اميد دسترسي به آن در آينده وجود داشته باشد، افرادي بين ما هستند كه ميخواهند در راه دسترسي به آن كوشش كنند. ما موجوداتي دلير و داراي حس كنجكاوي سيريناپذير هستيم. منصرف كردن برخي از ما مثل استيونهاوكينگ از چنين راهي، كار دشواري است. موري گلمان فيزيكدان ديگري از Caltech كه او نيز چنين كوششي دارد، ميگويد: تكاپو براي فهميدن اين جهان، اين كه از كجا آمده است و چگونه كار ميكند، سترگترين و ماندگارترين ماجراي زندگي بشر است. دشوار است كه در نظر آريم كه مشتي ساكنان سياره كوچكي در گردش بهدور يك ستاره ناچيز در كهكشاني كوچك، سودايشان فهم همه اين جهان پهناور باشد! ذره بسيار خردي از هستي بر اين باور باشد كه توانايي فهم همه جهان هستي را دارد
بازنگري در هدف علم فيزيك
با در نظر گرفتن محدوديتهايي كه از آنها ياد شد، فيزيكدانان تعريف جديدي را از علم ارائه كردهاند: نظريه همه چيز مجموعهاي از قوانيني خواهد بود كه پيشگويي رويدادها را تا حدي كه اصل عدم قطعيت معين كرده است، امكانپذير ميسازد!
اين بدان معني است كه در بسياري موارد بايد به احتمالات راضي شويم و از گرفتن نتايج مشخص و دقيق صرفنظر كنيم!
استيون هاوكينگ مسئله را چنين جمعبندي ميكند! او در پاسخ اين سوال كه آيا همه چيز از پيش به طور جبري به وسيله خدا يا نظريه همه چيز تعيين شده است؟ ميگويد:
ولي اين امكان هم وجود دارد كه چنين نباشد! زيرا هرگز ممكن نيست كه ما بدانيم چه چيزي از پيش معين شده است! اگر نظريه از پيش تعيين كرده است كه ما بايد با چوبه دار اعدام شويم، بنابراين در آب غرق نخواهيم شد. اما قبل از اين كه سوار يك قايق كوچك در دريايي طوفاني شويم، بايد اطمينان داشته باشيم كه سرنوشت ما براي اعدام با چوبه دار مقدر شده است!
به نظر هاوكينگ ايده آزادي اراده، نظريه تقريبي بسيار خوبي در باره رفتار بشر است!
اگر منصف باشيم، بايد بگوييم كه همه فيزيكدانان گمان نميكنند كه «نظريه همه چيز» وجود دارد يا اگر هست، دستيابي به آن براي ما ميسر است. بعضي از آنها بر اين باورند كه علم با باريكبيني و اكتشافات پي در پي به باز كردن اطاقهاي تو در توي اسرار ادامه خواهد داد ولي هيچگاه به آخرين اطاق نميرسد. برخي ديگر چنين استدلال ميكنند كه رويدادها مسلماْ بهطور كامل قابل پيشبيني نيستند و بهطور تصادفي اتفاق ميافتند. برخي اعتقاد دارند كه خدا و موجوداتي مثل بشر بسيار بيش از آنچه نظريه همه چيز ممكن است اجازه دهد، از آزادي كنش و واكنش در چارچوب جهان برخوردار هستند. آنها ميگويند كه موضوع مثل نواختن يك موسيقي از پيش نوشته شده توسط اركستر است. باز هم نوازنده امكان آفرينش زيادي در نواختن نتها دارد. امكاني كه از پيش معين نشده است!
به هر رو چه يك نظريه رسا و كامل براي توضيح جهان هستي در دسترس بشر باشد يا اميد دسترسي به آن در آينده وجود داشته باشد، افرادي بين ما هستند كه ميخواهند در راه دسترسي به آن كوشش كنند. ما موجوداتي دلير و داراي حس كنجكاوي سيريناپذير هستيم. منصرف كردن برخي از ما مثل استيونهاوكينگ از چنين راهي، كار دشواري است. موري گلمان فيزيكدان ديگري از Caltech كه او نيز چنين كوششي دارد، ميگويد: تكاپو براي فهميدن اين جهان، اين كه از كجا آمده است و چگونه كار ميكند، سترگترين و ماندگارترين ماجراي زندگي بشر است. دشوار است كه در نظر آريم كه مشتي ساكنان سياره كوچكي در گردش بهدور يك ستاره ناچيز در كهكشاني كوچك، سودايشان فهم همه اين جهان پهناور باشد! ذره بسيار خردي از هستي بر اين باور باشد كه توانايي فهم همه جهان هستي را دارد
نوشته شده توسط جواد در جمعه شانزدهم آذر 1386 ساعت 22:38 | لینک ثابت |
آيا پيشگويي ممكن است؟
نظريه همهچيز بايد بتواند اين امكان را بهشخصي كه جهان ما را نديده است، بدهد كه همه چيز را پيشگويي كند. با چنين نظريهاي شايد بشود خورشيدها و سيارات و كهكشانها و سياهچالهها و كوزارها را پيشگويي كرد. اما آيا ميشود بهوسيله آن برنده مسابقه اسبدواني سال أينده ايالت كنتاكي را پيشگويي كنيم؟ آيا اين پاسخ قابل اعتماد است؟ نهچندان!
محاسبات لازم براي بررسي همه دادههاي جهان بطور مضحكي بسيار فراتر از ظرفيت هر كامپيوتر قابل تصوري خواهد بود.
هاوكينگ ميگويد كه گر چه ما ميتوانيم معادلات حركت دو جسم را با استفاده از نظريه نيوتن محاسبه كنيم، اما نميتوانيم همين محاسبات را دقيقاْ براي حركت سهجسم انجام دهيم! علت آن نيست كه قوانين نيوتن در مورد بيش از دو جسم صادق نيستند. بلكه پيچيدگي رياضي معادلات كار را سخت ميكند. لازم به يادآوري هم نيست كه در جهان واقعي با بيش از سه جسم روبرو هستيم.
ما در خصوص سلامتي خود نيز با وجود اين كه به شالوده اصول دانش پزشكي، شيمي، بيولوژي بسيار مسلط هستيم، نميتوانيم پيشگويي كنيم. در اينجا نيز مساله آن هست كه ميلياردها ميليارد رويدادهاي جزئي در سيستم بدن انسان وجود دارد.
با دستيابي به نظريه همه چيز ما هنوز به طرز گيجكنندهاي از پيشگويي همه چيزها دور خواهيم بود. حتي اگر اصول زيربنايي ساده و بهخوبي فهميده شده باشند، نحوه عملكرد آنها فوقالعاده پيچيده است. پس اين كه چه اسبي در مسابقه اسبدواني سال آينده كنتاكي برنده ميشود، با نظريه همهچيز قابل پيشگويي است. اما هيچ كامپيوتري نميتواند تمام دادههاي اين پيشگويي را در خود جاي داده و معادلات آن را حل كند. آيا اين درست است؟
آري و خير! زيرا يك مسئله ديگر باقي است! اصل عدم قطعيت مكانيك كوانتومي!!! در سطح بسيار ريز يعني سطح كوانتومي جهان، اصل عدم قطعيت توانايي ما را براي پيشگويي رويدادها بسيار محدود ميكند.
ساكنان عجيب و گرفتار دنياي كوانتوم يعني فرميونها و بوزونها را در نظر بگيريد. اينها باغوحش عظيمي از ذرات را تشكيل ميدهند. الكترونها و پروتونها و نوترونها در ميان فرميونها وجود دارند. هر پروتون و نوترون به نوبه خود از سه كوارك كه آنها هم فرميون هستند، تشيل شده است. بعد بووزنها را داريم. فوتونها پيامرسان نيروي الكترومنيتيك، گراويتونها پيامرسان نيروي جاذبه، گلوئون پيامرسان نيروي قوي و wها و Zها پيامرسان نيروي ضعيف هستند. دانستن اين كه اينها و خيلي از موجودات شبيه آنها كجا هستند؟ به كجا ميروند؟ و با چه سرعتي ميروند، ممكن است ما را ياري كند. اما آيا ميتوانيم اين چيزها را بدانيم؟ ارنست راترفورد در اوايل قرن بيستم در آزمايشگاه كاونديش كمبريج، مدلي از اتم را ارائه داد كه در آن الكترونها در مدارهايي شبيه مدار سيارات به دور خورشيد، دور هسته اتم ميگردند. ما اكنون ميدانيم كه مدارات الكترونها را نميتوان به اين دقت و وضوح رسم كرد. بهتر اسن بجاي آن مدار الكترونها را بصورت پراكنده و نامشخص شبيه ابري در اطراف هسته تصور كنيم. اين وضعيت در مورد همه ذرات ديگر هم به همين شكل است. اصل عدم قطعيت همانطور كه گفته شد، ميگويد كه نميتوان با دقت بهطور همزمان مكان و سرعت يك ذره را تعيين كرد. موضوع مثل الاكلنگي است كه پايين رفتن يك سمت آن، منجر به بالا رفتن سمت ديگر ميشود. هر چه سرعت را دقيقتر اندازه بگيريم دقتمان در تعيين مكان ذره كمتر ميشود و برعكس هر چه مكان دقيقتر پيشبيني شود، سرعت ذره را با دقت كمتري ميتوان تعيين كرد. در دنياي كوانتوم موشكافي بيشتر به ويراني ميانجامد. براي توصيف مدار يك ذره بهترين راه آن است كه همه راههايي را كه آن ذره ميتواند حركت كند، بررسي و محاسبه كنيم. اين عمل ما را به مبحث احتمالات ميكشاند. در نهايت فقط ميتوانيم بگوييم كه اين ذره احتمال دارد در فلان مسير حركت كند و احتمال دارد فلانجا باشد. با تمامات ابهامات چنين راهي، استفاده از آن اطلاعات مفيدي به ما ميدهد.
در فيزيك كوانتومي فيزيكدانان راههاي ماهرانهاي ابداء كردهاند تا زيركانه ذرات را مشاهده كنند. اما كارشان بيثمر مانده است. علت آن نيست كه ما هوشيارانه عمل نكرديم يا بهترين ابزار مشاهده و اندازهگيري را بهكار نگرفتهايم. دنياي ذرات حقيقتاْ مبهم و غير قطعي است.
تعجبآور نيست كه هاوكينگ در سخنراني لوكاشين خود از مكانيك كوانتومي به عنوان «نظريهاي در باره آنچه نميدانيم و نميتوانيم پيشگويي كنيم» ياد كرد.
نظريه همهچيز بايد بتواند اين امكان را بهشخصي كه جهان ما را نديده است، بدهد كه همه چيز را پيشگويي كند. با چنين نظريهاي شايد بشود خورشيدها و سيارات و كهكشانها و سياهچالهها و كوزارها را پيشگويي كرد. اما آيا ميشود بهوسيله آن برنده مسابقه اسبدواني سال أينده ايالت كنتاكي را پيشگويي كنيم؟ آيا اين پاسخ قابل اعتماد است؟ نهچندان!
محاسبات لازم براي بررسي همه دادههاي جهان بطور مضحكي بسيار فراتر از ظرفيت هر كامپيوتر قابل تصوري خواهد بود.
هاوكينگ ميگويد كه گر چه ما ميتوانيم معادلات حركت دو جسم را با استفاده از نظريه نيوتن محاسبه كنيم، اما نميتوانيم همين محاسبات را دقيقاْ براي حركت سهجسم انجام دهيم! علت آن نيست كه قوانين نيوتن در مورد بيش از دو جسم صادق نيستند. بلكه پيچيدگي رياضي معادلات كار را سخت ميكند. لازم به يادآوري هم نيست كه در جهان واقعي با بيش از سه جسم روبرو هستيم.
ما در خصوص سلامتي خود نيز با وجود اين كه به شالوده اصول دانش پزشكي، شيمي، بيولوژي بسيار مسلط هستيم، نميتوانيم پيشگويي كنيم. در اينجا نيز مساله آن هست كه ميلياردها ميليارد رويدادهاي جزئي در سيستم بدن انسان وجود دارد.
با دستيابي به نظريه همه چيز ما هنوز به طرز گيجكنندهاي از پيشگويي همه چيزها دور خواهيم بود. حتي اگر اصول زيربنايي ساده و بهخوبي فهميده شده باشند، نحوه عملكرد آنها فوقالعاده پيچيده است. پس اين كه چه اسبي در مسابقه اسبدواني سال آينده كنتاكي برنده ميشود، با نظريه همهچيز قابل پيشگويي است. اما هيچ كامپيوتري نميتواند تمام دادههاي اين پيشگويي را در خود جاي داده و معادلات آن را حل كند. آيا اين درست است؟
آري و خير! زيرا يك مسئله ديگر باقي است! اصل عدم قطعيت مكانيك كوانتومي!!! در سطح بسيار ريز يعني سطح كوانتومي جهان، اصل عدم قطعيت توانايي ما را براي پيشگويي رويدادها بسيار محدود ميكند.
ساكنان عجيب و گرفتار دنياي كوانتوم يعني فرميونها و بوزونها را در نظر بگيريد. اينها باغوحش عظيمي از ذرات را تشكيل ميدهند. الكترونها و پروتونها و نوترونها در ميان فرميونها وجود دارند. هر پروتون و نوترون به نوبه خود از سه كوارك كه آنها هم فرميون هستند، تشيل شده است. بعد بووزنها را داريم. فوتونها پيامرسان نيروي الكترومنيتيك، گراويتونها پيامرسان نيروي جاذبه، گلوئون پيامرسان نيروي قوي و wها و Zها پيامرسان نيروي ضعيف هستند. دانستن اين كه اينها و خيلي از موجودات شبيه آنها كجا هستند؟ به كجا ميروند؟ و با چه سرعتي ميروند، ممكن است ما را ياري كند. اما آيا ميتوانيم اين چيزها را بدانيم؟ ارنست راترفورد در اوايل قرن بيستم در آزمايشگاه كاونديش كمبريج، مدلي از اتم را ارائه داد كه در آن الكترونها در مدارهايي شبيه مدار سيارات به دور خورشيد، دور هسته اتم ميگردند. ما اكنون ميدانيم كه مدارات الكترونها را نميتوان به اين دقت و وضوح رسم كرد. بهتر اسن بجاي آن مدار الكترونها را بصورت پراكنده و نامشخص شبيه ابري در اطراف هسته تصور كنيم. اين وضعيت در مورد همه ذرات ديگر هم به همين شكل است. اصل عدم قطعيت همانطور كه گفته شد، ميگويد كه نميتوان با دقت بهطور همزمان مكان و سرعت يك ذره را تعيين كرد. موضوع مثل الاكلنگي است كه پايين رفتن يك سمت آن، منجر به بالا رفتن سمت ديگر ميشود. هر چه سرعت را دقيقتر اندازه بگيريم دقتمان در تعيين مكان ذره كمتر ميشود و برعكس هر چه مكان دقيقتر پيشبيني شود، سرعت ذره را با دقت كمتري ميتوان تعيين كرد. در دنياي كوانتوم موشكافي بيشتر به ويراني ميانجامد. براي توصيف مدار يك ذره بهترين راه آن است كه همه راههايي را كه آن ذره ميتواند حركت كند، بررسي و محاسبه كنيم. اين عمل ما را به مبحث احتمالات ميكشاند. در نهايت فقط ميتوانيم بگوييم كه اين ذره احتمال دارد در فلان مسير حركت كند و احتمال دارد فلانجا باشد. با تمامات ابهامات چنين راهي، استفاده از آن اطلاعات مفيدي به ما ميدهد.
در فيزيك كوانتومي فيزيكدانان راههاي ماهرانهاي ابداء كردهاند تا زيركانه ذرات را مشاهده كنند. اما كارشان بيثمر مانده است. علت آن نيست كه ما هوشيارانه عمل نكرديم يا بهترين ابزار مشاهده و اندازهگيري را بهكار نگرفتهايم. دنياي ذرات حقيقتاْ مبهم و غير قطعي است.
تعجبآور نيست كه هاوكينگ در سخنراني لوكاشين خود از مكانيك كوانتومي به عنوان «نظريهاي در باره آنچه نميدانيم و نميتوانيم پيشگويي كنيم» ياد كرد.
نوشته شده توسط جواد در جمعه شانزدهم آذر 1386 ساعت 22:7 | لینک ثابت |
اكنون دسامبر 2005 است و تصادم دهنده عظيم هادرون (ال اچ سي) در سرن در نزديكي ژنو اولين عمليات موفقيت آميز خود را به پايان رسانده است . در اتاق فرمان نيمه تاريكي در اعماق زمين، نمايشگر رايانه تصاوير رنگي دو رويداد ذوره اي از ميليلردها رويداد مشاهده شده توسط يكي از آشكارسازهاي غول پيكر ( ال اچ سي ) را نشان ميدهد. اين تصاوير براي فيزيكداناني كه دور آن جمع شده اند و طي هفته هاي گذشته به سختي مشغول كار بوده اند ، بسيار مهيج است آنها از خوشحالي فرياد ميكشند ،زيرا بر صفحه نمايش امظاي غير قابل ترديد بعد پنجم را ميبينند .گروه بسياري از فيزيكدانان بر اين عقيده اند كه چهار بعد چهان ما ( سه بعد مربوط به فضا و يك بعد مربوط به زمان) همانند نوك يك كوه يخ هستند كه قسمت اعظم آن زير آب قرار دارد. علاوه بر اين ميگويند ممكن است به زودي قادر به ديدن اثرات بعد پنجم باشند. حتي ممكن است بعد پنجم دست خود را در دور بعدي آزمايشهاي شتاب دهنده، براي ما رو كند و اين چشم اندازي است كه دهان هر فيزيكدان ذره اي را آب خواهد انداخت ! اما اين شور و شعف تنها به خاطر خود بعد پنجم نخواهد بود . زيرا چنين چيزي گامي بزرگ در پيشروي دراز مدت به سوي يك « نظريه همه چيز» خواهد بود .
نظريه اي كه دانشمندان مدتها در جستجوي آن بودند و چهار نيروي اساسي فيزيك را با هم يكي خواهد كرد . كوردون كين ، نظريه پردازي از دانشگاه ميشيگان ، ميگويد: اگر بعد پنجم را كشف كنيم ، اين مهمترين كشف پس از نظريه كوانتوم خواهد بود نظريه اي كه دانشمندان مدتها در جستجوي آن بودند و چهار نيروي اساسي فيزيك را با هم يكي خواهد كرد .
انديشه وجود بعد پنجم چيز جديدي نيست و از كارهاي انجام گرفته دو رياضي دان آلماني به نام هاي تئودور-كالوتساو اسكار كلاين در دهه 1920 ناشي شده است ، با استفاده از كارهاي انيشتين كه نشان داده بود (گرانش از انحناي ساختار چهار بعدي فضا -زمان ناشي ميشود ) اين دو رياضي دان كه مستقل از يكديگر كار ميكردند در جستجوي اين بودند كه نشان دهند ممكن است نتوان نيروي الكترومغناطيسي توسط يك بعد پنجم به حساب آورد براي توضيح اينكه چرا هرگز اثرات بعد پنجم در انرژيها و فواصل عادي ديده شده است ، آنها فرض كردند كه بعد پنجم به اندازه اي كوچكتر از يك اتم در هم پيچيده است در نظريه كالوتسل-كلاين(KK ) هر نقطه فضاي عادي ، در واقع يك حلقه در اين بعد پنجم ميباشد . يك ذره باردار ( حتي اگر در فضاي عادي بي حركت باشد ) همانند موش در چرخ گردان دائماً به دور حلقه در حركت خواهد بود آنچه ما بار الكتريكي ميناميم ، در واقع حركت در اين بعد مخفي ميباشد . چند ارتباط قانع كننده بين اين حركت و نظريه كلاسيك الكترومغناطيس وجود دارد . به عنوان مثال ، اگر قانون نيوتن را كه ميگويد براي هر عمل در امتداد بعد در هم پيچيده يك عكس العمل وجود دارد را اعملا منيد به قانون بقاي بار الكتريكي خواهد رسيد. كالوتسا و كلاين علي رغم موفقيتي كه بدستآوردند نتوانستند تعريفي مه نيروي الكتومغناطيسي و گرانش را با هم در بر بگيرد ، ادامه دهنده دو نيروي اساسي ديگر در آن زمان كشف نشده بودند .
اين دو نيرو عبارتند از نيروي ضعيف كه روي كواركها عمل ميكنند تا «چاشي» آنها رامثلاًاز يك كوارك بالا به يك كوارك پائين انتقال دهد . و نيروي قوي كه چيزي را به نام بار «رنگي» كواركها شناخته ميشود ، تغيير ميدهد . تا اينجا براي ساختن چهارچوبي كه شامل همه اين چهار نيرو باشد ، نسخه هاي جديد نظريه KK بايد ابعاد بيشتري را در نظر بگيرد . خواص كواركها مثل چاشني و رنگ در حلقه هاي چند بعدي KK تبديل به رقصهاي مداري ميشوند .
امروزه نظريات ابر ريسماني كه قطعات اساسي سازنده ماده را به عنوان ظهور چهار بعدي تكه هاي كوچكي از ريسمان ارتعاش كننده در نظر ميگيرند ، به ده بعد نياز دارد .
معمولاً بيان ميشود كه شش بعد اضافي ، با شعاع انحنائي معادل1035 متر در هم پيچيده شده اند اين مقدار به عنوان طول « پلانك» ناميده ميشود مقياسي كه در آن گرانش از لحاظ قدرت باساير نيروهاي طبيعت قابل مقايسه ميشود اصل عدم قطعيت كه يكي ار اجزاي اصلي نظريه كوانتوم است ، ميگويد كه هر چه مقياسي را كع ميخواهيد كاوش كنيد كوچكتر باشد ، به انرژي بيشتري نياز خواهيد داشت بنابراين مقياس بسيار كوچك پلانك با انرژي عظيمي معادل 1019 گيگا الكترون ولت (GeV ) مرتبط است . اين انرژي تنها در خلال اولين كسر تأييد انفجار بزرگ در دسترس ذرات قرار داشت و مقدار آن 100 تريليون برابر بالاترين انرژي هايي است كه امروزه در شتابدهنده هاي ذرات ميتوان به آن دست يافت .
بنابراين هيچ تعجبي ندارد كه تا قبل از اين بعد پنجم تنها به عنوان يك كنجكاوي ذهني در نظر گرفته ميشد .
موضوعي كه همه چيز را دستخوش تغيير كرده است ، فهميدن اين مسئله است كه نيازي نيست ابعاد اضافي در اندازه اي به كوچكي طول يك پلانك در هم پيچيده شده باشند كيت دنيس از آزمايشگاه فيزيك ذره اي سرن ميگويد :هيچ دليل قابل قبولي در اين مورد وجود نداشت ، جز اينكه طول پلانك يك مقياس فيزيكي طبيعي است اگر ابعاد اضافي بزرگتر از ابعاد پلانك باشند در اين صورت اثرات آنها در انرژي كمتري (كه حتي ممكن است انرژي كمي معدلGeV 1000 باشد) توسط ذرات قابل احساس خواهد بود . و اين چيزي است كه توسط تصادم دهنده هادرون به آساني قابل دسترسي خواهد بود .
اين نظر كه ممكن ا ست ابعاد اضافي در طولهايي بسيار بزرگتر از مقياس پلانك ظهور كنند اولين بار توسط ايگناتيوس آنتونيادليس ار دانشكه فني پاريس مطرح شد . در سال 1990 او سعي ميكرد كه يك مسله پيچيده در مسئله ابر آسماني را حل كند ، و متوجه شد كه مسئله را مي توان با ابعاد اضافي بزرگي كه دقيقاًچنين ويژگي هائي را دارا بودند حل كرد . با اين حال او به مشكل جديدي برخورد كرد ابعاد بيشتر به طور خودكار ذرات جديدي را به وجود مي آورند و اين ذرات اثرات مشكل برانگيزي دارند . ذرات جديد به اين دليل به وجود مي آيند كه تمامي ذرات اصلي ميتوانند شبيه موج نيز رفتار كنند تصور اين مسئله مشكل است اما هنگامي كه يك ذره اساسي در ابعاد بالاتر حركت مي كند مؤلفخ موج مانند آن به حركت در اطراف آن در بعد بالاتر مي پردازند و توليد يك مجموعه «پژواك» ميكند اين پژواكها كه حالات كالوسا -كلاين ناميده ميشوند براي ما به عنوان ذرات كاملاًجديد به نظر خواهند رسيد به عنوان مثال بوزون كه يكي از حمل كنندگان نيروي هسته اي ضعيف است داراي مجموعه كاملي از خويشاوندان بزرگتر است كه در تصادمهاي پرانرژي موجوديت خواهند يافت.
مسئله اي كه آنتونياديس با آن برخورد كرد مبدأ تلاشهاي دانشمندان براي يافتن بك «نظريه بزرگ واحد» (GUT ) گرديد چنين نظريه اي بايد توضيح دهد كه چگونه نيروهاي ضعيف ،قوي و الكترومغناطيسي، همچنان كه جهان اوليه سرد ميشد از حل يك نيروي واحد تنها بيرون آمدند و از هم جدا شدند و برعكس چگونه در انرژي هاي بسيار زياد اين سه نيرو مجدداً يكي ميشوند طبق اين نظريه با افزايش انرژي نيروهاي الكترومغناطيسي و ضعيف ، قويتر و نيروي قوي ضعيفتر ميشود آنها در انرژي حدودGeV 1016 تبديل به يك نيروي واحد ميشوند متأسفانه ظهور گروه هايي از ذرات جديد حامل بعد نيرو از دل بعد پنجم نيروهاي ضعيف الكتريكي و قوي را قويتر را قويتر از آنچه كه انتظار ميرود ميسازد و اغلب فيزيكدانان از جمله آنتونياديس گمان ميكنند كه آنها آنقدر قوي خواهند شد كه نمي توان شيوه هاي مرشوم رياضي را در موردشان بكار برد .
كواركهاي آزاد به نظر ميرسد كه اين مسئله مانع بزرگي بر سر راه باشد ، دنيس ميگويد: اين چيزي بيشتر از يك مشكل رياضي است نيروها آنقدر قوي خواهند شد كه كل روش نظري براي اتحاد نيرو ها را نا معتبر ميكند اين همانند آن است كه بخواهيم كواركها را هنگامي كه نيروهاي بين آنها آنقدر قو ي است كه وجود كواركهاي آزاد را امكان پذير ميسازد به عنوان ذرات آزاد در نظر بگيريم .
آنتونياديس با خنثي كردن اثرات پژواكهاي KK راهي را براي حل مسئله و در نتيجه حفظ اتحاد در انرژي GeV 1016 پيدا كرد اما در اوايل سال 98 براي دنيس و دو نفر از همكارانش در سرن به نامهاي ايمليان دوداس و توني كركتا اين سؤال پيش خواهد آمد كه چه روي خواهد داد اگر به پژواكهاي KK اجازه داده شود تا در قدرت نيروهاي ضعيف الكتريكي و قوي دستكاري كنند . اين سه نفر خيلي خود ه اين نتيجه رسيدند كه بعضي از نيروها خيلي زود قوي ميشوند اما در كمال تعجب دريافتند كه نيروها هنوز يكي «متحد» شوند علاوه بر اين اتحاد هنگامي روي داد كه نيروها هنوز ضعيفتر از آن بودند كه بتوان شيوه هاي مرسوم رياضي را در مورد آنها بكار بود دنيس مي گويد : بر خلاف تصور همه اتحاد در انرژي كمتر از GeV 1016 امكان پذير است در حقيقت اگر ابعاد اضافي در طولي معادل m 1019 متر در هم پيچيده شده باشند انرژي اتحاد مي تواند مقداري برابر GeV 1000 داشته باشد .
محققان از اين موضوع شگفت زده شدند زيرا گمان ميرفت كه اتحاد در چنين انرژي كمي غير ممكن است يكي از دلايل براي اين موضوع واپاشي پروتون بود اگرچه نظريه هاي GUT پيش بيني ميكنند كه پروتون ها بايد واپاشيده شوند اما اين واپاشي هرگز مشاهده نشده است توضيح معمول براي اين مسئله اين بود كه واپاشي شامل يك ذره حامل نيروي GUT است اين ذره آنقدر سنگين است كه تا كنون شناخته نشده است اما اگر مقياس GUT از GeV 1016 پائين تر آورده شود حاملين نيروي GUT نسبتاً سبكتر خواهند شد و بنابراين شاهد واپاشي پروتون هاي بسياري خواهيم بود دنيس مي گويد : خوشبختانه يك بعد پنجم ما را نجات خواهد داد واپاشي پروتون بايد به حفظ اندازه حركت در 5 بعد بپردازد بنابراين خواص بعد پنجم را مي توان چنان انتخاب كرد كه بسياري از عواملي كه در فروپاشي پروتون دخالت دارند بقاي اندازه حركت در 5 بعد را نقض كنند و بدين ترتيب واپاشي پروتون روي ندهد .
نظريه اي كه دانشمندان مدتها در جستجوي آن بودند و چهار نيروي اساسي فيزيك را با هم يكي خواهد كرد . كوردون كين ، نظريه پردازي از دانشگاه ميشيگان ، ميگويد: اگر بعد پنجم را كشف كنيم ، اين مهمترين كشف پس از نظريه كوانتوم خواهد بود نظريه اي كه دانشمندان مدتها در جستجوي آن بودند و چهار نيروي اساسي فيزيك را با هم يكي خواهد كرد .
انديشه وجود بعد پنجم چيز جديدي نيست و از كارهاي انجام گرفته دو رياضي دان آلماني به نام هاي تئودور-كالوتساو اسكار كلاين در دهه 1920 ناشي شده است ، با استفاده از كارهاي انيشتين كه نشان داده بود (گرانش از انحناي ساختار چهار بعدي فضا -زمان ناشي ميشود ) اين دو رياضي دان كه مستقل از يكديگر كار ميكردند در جستجوي اين بودند كه نشان دهند ممكن است نتوان نيروي الكترومغناطيسي توسط يك بعد پنجم به حساب آورد براي توضيح اينكه چرا هرگز اثرات بعد پنجم در انرژيها و فواصل عادي ديده شده است ، آنها فرض كردند كه بعد پنجم به اندازه اي كوچكتر از يك اتم در هم پيچيده است در نظريه كالوتسل-كلاين(KK ) هر نقطه فضاي عادي ، در واقع يك حلقه در اين بعد پنجم ميباشد . يك ذره باردار ( حتي اگر در فضاي عادي بي حركت باشد ) همانند موش در چرخ گردان دائماً به دور حلقه در حركت خواهد بود آنچه ما بار الكتريكي ميناميم ، در واقع حركت در اين بعد مخفي ميباشد . چند ارتباط قانع كننده بين اين حركت و نظريه كلاسيك الكترومغناطيس وجود دارد . به عنوان مثال ، اگر قانون نيوتن را كه ميگويد براي هر عمل در امتداد بعد در هم پيچيده يك عكس العمل وجود دارد را اعملا منيد به قانون بقاي بار الكتريكي خواهد رسيد. كالوتسا و كلاين علي رغم موفقيتي كه بدستآوردند نتوانستند تعريفي مه نيروي الكتومغناطيسي و گرانش را با هم در بر بگيرد ، ادامه دهنده دو نيروي اساسي ديگر در آن زمان كشف نشده بودند .
اين دو نيرو عبارتند از نيروي ضعيف كه روي كواركها عمل ميكنند تا «چاشي» آنها رامثلاًاز يك كوارك بالا به يك كوارك پائين انتقال دهد . و نيروي قوي كه چيزي را به نام بار «رنگي» كواركها شناخته ميشود ، تغيير ميدهد . تا اينجا براي ساختن چهارچوبي كه شامل همه اين چهار نيرو باشد ، نسخه هاي جديد نظريه KK بايد ابعاد بيشتري را در نظر بگيرد . خواص كواركها مثل چاشني و رنگ در حلقه هاي چند بعدي KK تبديل به رقصهاي مداري ميشوند .
امروزه نظريات ابر ريسماني كه قطعات اساسي سازنده ماده را به عنوان ظهور چهار بعدي تكه هاي كوچكي از ريسمان ارتعاش كننده در نظر ميگيرند ، به ده بعد نياز دارد .
معمولاً بيان ميشود كه شش بعد اضافي ، با شعاع انحنائي معادل1035 متر در هم پيچيده شده اند اين مقدار به عنوان طول « پلانك» ناميده ميشود مقياسي كه در آن گرانش از لحاظ قدرت باساير نيروهاي طبيعت قابل مقايسه ميشود اصل عدم قطعيت كه يكي ار اجزاي اصلي نظريه كوانتوم است ، ميگويد كه هر چه مقياسي را كع ميخواهيد كاوش كنيد كوچكتر باشد ، به انرژي بيشتري نياز خواهيد داشت بنابراين مقياس بسيار كوچك پلانك با انرژي عظيمي معادل 1019 گيگا الكترون ولت (GeV ) مرتبط است . اين انرژي تنها در خلال اولين كسر تأييد انفجار بزرگ در دسترس ذرات قرار داشت و مقدار آن 100 تريليون برابر بالاترين انرژي هايي است كه امروزه در شتابدهنده هاي ذرات ميتوان به آن دست يافت .
بنابراين هيچ تعجبي ندارد كه تا قبل از اين بعد پنجم تنها به عنوان يك كنجكاوي ذهني در نظر گرفته ميشد .
موضوعي كه همه چيز را دستخوش تغيير كرده است ، فهميدن اين مسئله است كه نيازي نيست ابعاد اضافي در اندازه اي به كوچكي طول يك پلانك در هم پيچيده شده باشند كيت دنيس از آزمايشگاه فيزيك ذره اي سرن ميگويد :هيچ دليل قابل قبولي در اين مورد وجود نداشت ، جز اينكه طول پلانك يك مقياس فيزيكي طبيعي است اگر ابعاد اضافي بزرگتر از ابعاد پلانك باشند در اين صورت اثرات آنها در انرژي كمتري (كه حتي ممكن است انرژي كمي معدلGeV 1000 باشد) توسط ذرات قابل احساس خواهد بود . و اين چيزي است كه توسط تصادم دهنده هادرون به آساني قابل دسترسي خواهد بود .
اين نظر كه ممكن ا ست ابعاد اضافي در طولهايي بسيار بزرگتر از مقياس پلانك ظهور كنند اولين بار توسط ايگناتيوس آنتونيادليس ار دانشكه فني پاريس مطرح شد . در سال 1990 او سعي ميكرد كه يك مسله پيچيده در مسئله ابر آسماني را حل كند ، و متوجه شد كه مسئله را مي توان با ابعاد اضافي بزرگي كه دقيقاًچنين ويژگي هائي را دارا بودند حل كرد . با اين حال او به مشكل جديدي برخورد كرد ابعاد بيشتر به طور خودكار ذرات جديدي را به وجود مي آورند و اين ذرات اثرات مشكل برانگيزي دارند . ذرات جديد به اين دليل به وجود مي آيند كه تمامي ذرات اصلي ميتوانند شبيه موج نيز رفتار كنند تصور اين مسئله مشكل است اما هنگامي كه يك ذره اساسي در ابعاد بالاتر حركت مي كند مؤلفخ موج مانند آن به حركت در اطراف آن در بعد بالاتر مي پردازند و توليد يك مجموعه «پژواك» ميكند اين پژواكها كه حالات كالوسا -كلاين ناميده ميشوند براي ما به عنوان ذرات كاملاًجديد به نظر خواهند رسيد به عنوان مثال بوزون كه يكي از حمل كنندگان نيروي هسته اي ضعيف است داراي مجموعه كاملي از خويشاوندان بزرگتر است كه در تصادمهاي پرانرژي موجوديت خواهند يافت.
مسئله اي كه آنتونياديس با آن برخورد كرد مبدأ تلاشهاي دانشمندان براي يافتن بك «نظريه بزرگ واحد» (GUT ) گرديد چنين نظريه اي بايد توضيح دهد كه چگونه نيروهاي ضعيف ،قوي و الكترومغناطيسي، همچنان كه جهان اوليه سرد ميشد از حل يك نيروي واحد تنها بيرون آمدند و از هم جدا شدند و برعكس چگونه در انرژي هاي بسيار زياد اين سه نيرو مجدداً يكي ميشوند طبق اين نظريه با افزايش انرژي نيروهاي الكترومغناطيسي و ضعيف ، قويتر و نيروي قوي ضعيفتر ميشود آنها در انرژي حدودGeV 1016 تبديل به يك نيروي واحد ميشوند متأسفانه ظهور گروه هايي از ذرات جديد حامل بعد نيرو از دل بعد پنجم نيروهاي ضعيف الكتريكي و قوي را قويتر را قويتر از آنچه كه انتظار ميرود ميسازد و اغلب فيزيكدانان از جمله آنتونياديس گمان ميكنند كه آنها آنقدر قوي خواهند شد كه نمي توان شيوه هاي مرشوم رياضي را در موردشان بكار برد .
كواركهاي آزاد به نظر ميرسد كه اين مسئله مانع بزرگي بر سر راه باشد ، دنيس ميگويد: اين چيزي بيشتر از يك مشكل رياضي است نيروها آنقدر قوي خواهند شد كه كل روش نظري براي اتحاد نيرو ها را نا معتبر ميكند اين همانند آن است كه بخواهيم كواركها را هنگامي كه نيروهاي بين آنها آنقدر قو ي است كه وجود كواركهاي آزاد را امكان پذير ميسازد به عنوان ذرات آزاد در نظر بگيريم .
آنتونياديس با خنثي كردن اثرات پژواكهاي KK راهي را براي حل مسئله و در نتيجه حفظ اتحاد در انرژي GeV 1016 پيدا كرد اما در اوايل سال 98 براي دنيس و دو نفر از همكارانش در سرن به نامهاي ايمليان دوداس و توني كركتا اين سؤال پيش خواهد آمد كه چه روي خواهد داد اگر به پژواكهاي KK اجازه داده شود تا در قدرت نيروهاي ضعيف الكتريكي و قوي دستكاري كنند . اين سه نفر خيلي خود ه اين نتيجه رسيدند كه بعضي از نيروها خيلي زود قوي ميشوند اما در كمال تعجب دريافتند كه نيروها هنوز يكي «متحد» شوند علاوه بر اين اتحاد هنگامي روي داد كه نيروها هنوز ضعيفتر از آن بودند كه بتوان شيوه هاي مرسوم رياضي را در مورد آنها بكار بود دنيس مي گويد : بر خلاف تصور همه اتحاد در انرژي كمتر از GeV 1016 امكان پذير است در حقيقت اگر ابعاد اضافي در طولي معادل m 1019 متر در هم پيچيده شده باشند انرژي اتحاد مي تواند مقداري برابر GeV 1000 داشته باشد .
محققان از اين موضوع شگفت زده شدند زيرا گمان ميرفت كه اتحاد در چنين انرژي كمي غير ممكن است يكي از دلايل براي اين موضوع واپاشي پروتون بود اگرچه نظريه هاي GUT پيش بيني ميكنند كه پروتون ها بايد واپاشيده شوند اما اين واپاشي هرگز مشاهده نشده است توضيح معمول براي اين مسئله اين بود كه واپاشي شامل يك ذره حامل نيروي GUT است اين ذره آنقدر سنگين است كه تا كنون شناخته نشده است اما اگر مقياس GUT از GeV 1016 پائين تر آورده شود حاملين نيروي GUT نسبتاً سبكتر خواهند شد و بنابراين شاهد واپاشي پروتون هاي بسياري خواهيم بود دنيس مي گويد : خوشبختانه يك بعد پنجم ما را نجات خواهد داد واپاشي پروتون بايد به حفظ اندازه حركت در 5 بعد بپردازد بنابراين خواص بعد پنجم را مي توان چنان انتخاب كرد كه بسياري از عواملي كه در فروپاشي پروتون دخالت دارند بقاي اندازه حركت در 5 بعد را نقض كنند و بدين ترتيب واپاشي پروتون روي ندهد .
نوشته شده توسط جواد در سه شنبه نوزدهم تیر 1386 ساعت 20:6 | لینک ثابت |
همه ما براي يكبار هم كه شده گذرمان به ساعتفروشي افتاده است و ساعتهاي بزرگ و كوچك را ديده ايم كه روي ساعت ده و ده دقيقه قرار دارند. ولي هيچگاه از خودمان نپرسيده ايم چرا؟ انيشتين در نظريه نسبيت خاص با حركت شتابدار و يا با گرانش كاري نداشت. اولين موضوعات را در نظريه نسبيت عام خود كه در 1915 انتشار يافت مورد بحث قرار داد.نظريه نسبيت عام ديد گرانشي را بكلي تغيير داد و در اين نظريه جديد نيروي گرانش را مانند خاصيتي از فضا در نظر گرفت نه مانند نيرويي بين اجرام ، يعني برخلاف آنچه كه نيوتن گفته بود !در نظريه او فضا در مجاورت ماده كمي انحنا پيدا ميكرد. در نتيجه حضور ماده اجرام ، مسير يا به اصطلاح كمترين مقاومت را در ميان منحنيها اختيار ميكردند. با اين كه فكر انيشتين عجيب به نظر ميرسيد ميتوانست چيزي را جواب دهد كه قانون ثقل نيوتن از جواب دادن آن عاجز مي ماند.سياره اورانوس در سال 1781 ميلادي كشف شده بود و مدارش به دور خورشيد اندكي ناجور به نظر ميرسيد و يا به عبارتي كج بود !
نيم قرن مطالعه اين موضوع را خدشه ناپذير كرده بود.بنابر قوانين نيوتن مي بايست جاذبه اي برآن وارد شود. يعني بايد سياره اي بزرگ در آن طرف اورانوس وجود داشته باشد تا از طرف آن نيرويي بر اورانوس وارد شود.در سال 1846 ميلادي اختر شناس آلماني دوربين نجومي خودش را متوجه نقطه اي كرد كه ? لووريه? گفته بود و بي هيچ ترديد سياره جديدي را در آنجا ديد كه از آن پس نپتون نام گرفت.نزديك ترين نقطه مدار سياره عطارد به خورشيد در هر دور حركت ساليانه سياره تغيير ميكرد و هيچ گاه دوبار پشت سر هم اين تغيير در يك نقطه خاص اتفاق نميافتاد.اختر شناسان بيشتر اين بي نظمي ها را به حساب اختلال ناشي از كشش سياره هاي مجاور عطارد مي دانستند !مقدار اين انحراف برابر 43 ثانيه قوس بود. اين حركت در سال 1845 به وسيله ? لووريه? كشف شد بالاخره با ارائه نظريه نسبيت عام جواب فراهم شد اين فرضيه با اتكايي كه بر هندسه نااقليدسي داشت نشان داد كه حضيض هر جسم دوران كننده حركتي دارد علاوه برآنچه نيوتن گفته بود.وقتي كه فرمولهاي انيشتين را در مورد سياره عطارد به كار بردند، ديدند كه با تغيير مكان حضيض اين سياره سازگاري كامل دارد. سياره هايي كه فاصله شان از خورشيد بيشتر از فاصله تير تا آن است تغيير مكان حضيضي دارند كه به طور تصاعدي كوچك مي شوند.اثر بخشتر از اينها دو پديده تازه بود كه فقط نظريه انيشتين آنرا پيشگويي كرده بود. نخست آنكه انيشتين معتقد بود كه ميدان گرانشي شديد موجب كند شدن ارتعاش اتمها مي شود و گواه بر اين كند شدن تغيير جاي خطوط طيف است به طرف رنگ سرخ! يعني اينكه اگر ستاره اي بسيار داغ باشد و به طوري كه محاسبه مي كنيم بگوييم كه نور آن بايد آبي درخشان باشد در عمل سرخ رنگ به نظر ميرسد كجا برويم تا اين مقدار قواي گرانشي و حرارتي بالا را داشته باشيم، پاسخ مربوط به كوتوله هاي سفيد است.دانشمندان به بررسي طيف كوتوله هاي سفيد پرداختند و در حقيقت تغيير مكان پيش بيني شده را با چشم ديدند! اسم اين را تغيير مكان انيشتيني گذاشتند. انيشتين مي گفت كه ميدان گرانشي شعاع هاي نور را منحرف ميكند چگونه ممكن بود اين مطلب را امتحان كرد.اگر ستاره اي در آسمان آن سوي خورشيد درست در امتداد سطح آن واقع باشد و در زمان كسوف خورشيد قابل رؤيت باشد اگر وضع آنها را با زماني كه فرض كنيم خورشيدي در كار نباشد مقايسه كنيم خم شدن نور آنها مسلم است. درست مثل موقعي كه انگشت دستتان را جلوي چشمتان در فاصله 8 سانتيمتري قرار دهيد و يكبار فقط با چشم چپ و بار ديگر فقط با چشم راست به آن نگاه كنيد به نظر مي رسد كه انگشت دستتان در مقابل زمينه پشت آن تغيير جا ميدهد ولي واقعاً انگشت شما كه جابجا نشده است!
دانشمندان در موقع كسوف در جزيره پرنسيپ پرتغال واقع در آفريقاي غربي ديدند كه نور ستاره ها به جاي آنكه به خط راست حركت كنند در مجاورت خورشيد و در اثر نيروي گرانشي آن خم مي شوند و به صورت منحني در مي آيند. يعني ما وضع ستاره ها را كمي بالاتر از محل واقعيش ميبينيم.ماهيت تمام پيروزيهاي نظريه نسبيت عام انيشتين نجومي بود ولي دانشمندان حسرت مي كشيدند كه اي كاش راهي براي امتحان آن در آزمايشگاه داشتند.ـ نظريه انيشتين به ماده به صورت بسته متراكمي از انرژي نگاه مي كرد به همين خاطر مي گفت كه اين دو به هم تبديل پذيرند يعني ماده به انرژي و انرژي به ماده تبديل مي شود. E = mc?دانشمندان به ناگاه جواب بسياري از سؤالها را يافتند. پديده راديواكتيوي به راحتي توسط اين معادله توجيه شد. كم كم دانشمندان متوجه شدند كه هر ذره مادي يك پادماده مساوي خود دارد و در اينجا بود كه ماده و انرژي غير قابل تفكيك شدند.تا اينكه انيشتين طي نامه اي به رئيس جمهور آمريكا نوشت كه مي توان ماده را به انرژي تبديل كنيم و يك بمب اتمي درست كنيم و آمريكا دستور تأسيس سازمان عظيمي را داد تا به بمب اتمي دست پيدا كند. براي شكافت هسته اتم اورانيوم 235 انتخاب شد. اورانيوم عنصري است كه در پوسته زمين بسيار زياد است. تقريباً 2 گرم در هر تن سنگ! يعني از طلا چهارصد مرتبه فراوانتر است اما خيلي پراكنده.در سال 1945 مقدار كافي براي ساخت بمب جمـع شـده بود و ايـن كار يعني ساختن بمب در آزمايشگاهــي در ? لوس آلاموس ? به سرپرستي فيزيكدان آمريكايي ? رابرت اوپنهايمر ? صورت گرفت. آزمودن چنين وسيله اي در مقياس كوچك ناممكن بود. بمب يا بايد بالاي اندازه بحراني باشد يا اصلاً نباشد و در نتيجه اولين بمب براي آزمايش منفجر شد. در ساعت 5/5 صبح روز 16 ژوئيه 1945 برابر با 25 تيرماه 1324 و نيروي انفجاري برابر 20 هزار تنT.N.T آزاد كرده دو بمب ديگر هم تهيه شد. يكي بمب اورانيوم بنام پسرك با سه متر و 60 سانتيمتر طول و به وزن 5/4 تن و ديگري مرد چاق كه پلوتونيم هم داشت. اولي روي هيروشيما و دومي روي ناكازاكي در ژاپن انداخته شد. صبح روز 16 اوت 1945 در ساعت 10 و ده دقيقه صبح شهر هيروشيما با يك انفجار اتمي به خاك و خون كشيده شد. با بمباران هيروشيما جهان ناگهان به خود آمد، 160000 كشته در يك روز وجدان خفته فيزيكدانها بيدارر شد! ? اوپنهايمر? مسئول پروژه بمب و ديگران از شدت عذاب وجدان لب به اعتراض گشودند و به زندان افتادند.انيشتين اعلام كردكه اگر روزي بخواهم دوباره به دنيا بيايم دوست دارم يك لوله كش بشوم نه يك دانشمند!
نيم قرن مطالعه اين موضوع را خدشه ناپذير كرده بود.بنابر قوانين نيوتن مي بايست جاذبه اي برآن وارد شود. يعني بايد سياره اي بزرگ در آن طرف اورانوس وجود داشته باشد تا از طرف آن نيرويي بر اورانوس وارد شود.در سال 1846 ميلادي اختر شناس آلماني دوربين نجومي خودش را متوجه نقطه اي كرد كه ? لووريه? گفته بود و بي هيچ ترديد سياره جديدي را در آنجا ديد كه از آن پس نپتون نام گرفت.نزديك ترين نقطه مدار سياره عطارد به خورشيد در هر دور حركت ساليانه سياره تغيير ميكرد و هيچ گاه دوبار پشت سر هم اين تغيير در يك نقطه خاص اتفاق نميافتاد.اختر شناسان بيشتر اين بي نظمي ها را به حساب اختلال ناشي از كشش سياره هاي مجاور عطارد مي دانستند !مقدار اين انحراف برابر 43 ثانيه قوس بود. اين حركت در سال 1845 به وسيله ? لووريه? كشف شد بالاخره با ارائه نظريه نسبيت عام جواب فراهم شد اين فرضيه با اتكايي كه بر هندسه نااقليدسي داشت نشان داد كه حضيض هر جسم دوران كننده حركتي دارد علاوه برآنچه نيوتن گفته بود.وقتي كه فرمولهاي انيشتين را در مورد سياره عطارد به كار بردند، ديدند كه با تغيير مكان حضيض اين سياره سازگاري كامل دارد. سياره هايي كه فاصله شان از خورشيد بيشتر از فاصله تير تا آن است تغيير مكان حضيضي دارند كه به طور تصاعدي كوچك مي شوند.اثر بخشتر از اينها دو پديده تازه بود كه فقط نظريه انيشتين آنرا پيشگويي كرده بود. نخست آنكه انيشتين معتقد بود كه ميدان گرانشي شديد موجب كند شدن ارتعاش اتمها مي شود و گواه بر اين كند شدن تغيير جاي خطوط طيف است به طرف رنگ سرخ! يعني اينكه اگر ستاره اي بسيار داغ باشد و به طوري كه محاسبه مي كنيم بگوييم كه نور آن بايد آبي درخشان باشد در عمل سرخ رنگ به نظر ميرسد كجا برويم تا اين مقدار قواي گرانشي و حرارتي بالا را داشته باشيم، پاسخ مربوط به كوتوله هاي سفيد است.دانشمندان به بررسي طيف كوتوله هاي سفيد پرداختند و در حقيقت تغيير مكان پيش بيني شده را با چشم ديدند! اسم اين را تغيير مكان انيشتيني گذاشتند. انيشتين مي گفت كه ميدان گرانشي شعاع هاي نور را منحرف ميكند چگونه ممكن بود اين مطلب را امتحان كرد.اگر ستاره اي در آسمان آن سوي خورشيد درست در امتداد سطح آن واقع باشد و در زمان كسوف خورشيد قابل رؤيت باشد اگر وضع آنها را با زماني كه فرض كنيم خورشيدي در كار نباشد مقايسه كنيم خم شدن نور آنها مسلم است. درست مثل موقعي كه انگشت دستتان را جلوي چشمتان در فاصله 8 سانتيمتري قرار دهيد و يكبار فقط با چشم چپ و بار ديگر فقط با چشم راست به آن نگاه كنيد به نظر مي رسد كه انگشت دستتان در مقابل زمينه پشت آن تغيير جا ميدهد ولي واقعاً انگشت شما كه جابجا نشده است!
دانشمندان در موقع كسوف در جزيره پرنسيپ پرتغال واقع در آفريقاي غربي ديدند كه نور ستاره ها به جاي آنكه به خط راست حركت كنند در مجاورت خورشيد و در اثر نيروي گرانشي آن خم مي شوند و به صورت منحني در مي آيند. يعني ما وضع ستاره ها را كمي بالاتر از محل واقعيش ميبينيم.ماهيت تمام پيروزيهاي نظريه نسبيت عام انيشتين نجومي بود ولي دانشمندان حسرت مي كشيدند كه اي كاش راهي براي امتحان آن در آزمايشگاه داشتند.ـ نظريه انيشتين به ماده به صورت بسته متراكمي از انرژي نگاه مي كرد به همين خاطر مي گفت كه اين دو به هم تبديل پذيرند يعني ماده به انرژي و انرژي به ماده تبديل مي شود. E = mc?دانشمندان به ناگاه جواب بسياري از سؤالها را يافتند. پديده راديواكتيوي به راحتي توسط اين معادله توجيه شد. كم كم دانشمندان متوجه شدند كه هر ذره مادي يك پادماده مساوي خود دارد و در اينجا بود كه ماده و انرژي غير قابل تفكيك شدند.تا اينكه انيشتين طي نامه اي به رئيس جمهور آمريكا نوشت كه مي توان ماده را به انرژي تبديل كنيم و يك بمب اتمي درست كنيم و آمريكا دستور تأسيس سازمان عظيمي را داد تا به بمب اتمي دست پيدا كند. براي شكافت هسته اتم اورانيوم 235 انتخاب شد. اورانيوم عنصري است كه در پوسته زمين بسيار زياد است. تقريباً 2 گرم در هر تن سنگ! يعني از طلا چهارصد مرتبه فراوانتر است اما خيلي پراكنده.در سال 1945 مقدار كافي براي ساخت بمب جمـع شـده بود و ايـن كار يعني ساختن بمب در آزمايشگاهــي در ? لوس آلاموس ? به سرپرستي فيزيكدان آمريكايي ? رابرت اوپنهايمر ? صورت گرفت. آزمودن چنين وسيله اي در مقياس كوچك ناممكن بود. بمب يا بايد بالاي اندازه بحراني باشد يا اصلاً نباشد و در نتيجه اولين بمب براي آزمايش منفجر شد. در ساعت 5/5 صبح روز 16 ژوئيه 1945 برابر با 25 تيرماه 1324 و نيروي انفجاري برابر 20 هزار تنT.N.T آزاد كرده دو بمب ديگر هم تهيه شد. يكي بمب اورانيوم بنام پسرك با سه متر و 60 سانتيمتر طول و به وزن 5/4 تن و ديگري مرد چاق كه پلوتونيم هم داشت. اولي روي هيروشيما و دومي روي ناكازاكي در ژاپن انداخته شد. صبح روز 16 اوت 1945 در ساعت 10 و ده دقيقه صبح شهر هيروشيما با يك انفجار اتمي به خاك و خون كشيده شد. با بمباران هيروشيما جهان ناگهان به خود آمد، 160000 كشته در يك روز وجدان خفته فيزيكدانها بيدارر شد! ? اوپنهايمر? مسئول پروژه بمب و ديگران از شدت عذاب وجدان لب به اعتراض گشودند و به زندان افتادند.انيشتين اعلام كردكه اگر روزي بخواهم دوباره به دنيا بيايم دوست دارم يك لوله كش بشوم نه يك دانشمند!
نوشته شده توسط جواد در چهارشنبه ششم تیر 1386 ساعت 21:20 | لینک ثابت |
پيش بينى هاى نسبيت خاص
نسبيت خاص پيش بينى هايى مى كند كه براى ما بسيار عجيبند. مثلاً اينكه ساعت هاى متحرك كندتر كار مى كنند، خط كش هاى متحرك كوتاه ترند. يا اينكه ممكن است مقدارى جرم به انرژى تبديل شود (E=mc2) . تمام پيش بينى هاى نسبيت خاص با دقت بسيار آزموده شده اند و امروزه تقريباً هيچ فيزيك پيشه مطرحى هيچ شكى درباره درست بودن نسبيت خاص ندارد. انگيزه اينشتين از پرداختن نسبيت خاص آشتى دادن نظريه الكتريسيته و مغناطيس مكسول با اصل نسبيت گاليله بود. در واقع نسبيت خاص كامل شده نسبيت گاليله اى است. از سال 1905 به اين طرف همه فيزيك پيشه ها متقاعد شده اند كه هر نظريه فيزيكى اى بايد با نسبيت خاص سازگار باشد.
چهار قرن و نيم پيش در سال 1543 نيكلاس كوپرنيكوس مرد و در همان سال كتاب معروف او De revolutionibus منتشر شد. در اين كتاب نظامى جديد براى هيئت پيشنهاد شده بود، نظامى كه در آن خورشيد در مركز بود و زمين و ديگر سياره ها به دور آن مى گشتند. گاليله اين ايده را پذيرفت و براى آن تبليغ بسيار كرد. اين كه زمين به دور خودش و به دور خورشيد مى گردد، با فلسفه رسمى آن دوران نمى خواند. استدلالى كه مخالفان نظام كپرنيكى مى كردند اين بود كه چرا ما متوجه حركت زمين نمى شويم. گاليله در اين باره فكر كرد و كشفى كرد كه بسيار مهم است. گاليله كشف كرد كه با هيچ آزمايشى نمى توان حركت يكنواخت را آشكار كرد. امروزه همه اين تجربه را داريم كه اگر قطارى با سرعت ثابت حركت كند، در داخل قطار همه چيز همان طورى است كه در ايستگاه است، با هيچ آزمايشى نمى توان فهميد قطار حركت مى كند يا نه (تنها با نگاه كردن به بيرون است كه مى توان اين را فهميد). فيزيك پيشه ها اين را اصل نسبيت گاليله مى نامند.
پس از گاليله، نيوتن سه قرن پيش دو چيز بسيار مهم كشف كرد: 1- قوانين مكانيك را كشف كرد؛ قوانينى كه براساس آنها مى توان فهميد كه يك سيستم مكانيكى (مثلاً منظومه شمسى) در زمان هاى آينده چه وضعيتى دارد، مشروط بر آن كه وضعيت آن در يك زمان مثلاً الان معلوم باشد. 2- قانون گرانش عمومى را كشف كرد؛ قانونى كه مى گويد در طبيعت هر دو جسمى يكديگر را با نيروى جذب مى كنند و اين نيرو متناسب است با عكس مجذور فاصله و متناسب با جرم هر كدام از جسم ها. فيزيك پيشه ها اين پديده را گرانش و اين نيرو را نيروى گرانشى مى نامند. به دليل اين نيروى گرانشى است كه ماه به دور زمين و زمين به دور خورشيد مى گردد. ضمناً مكانيكى كه نيوتن ساخت با اصل نسبيت گاليله سازگار است.
دقيقاً صد سال پيش آلبرت اينشتين با انتشار چند مقاله تاريخ ساز، انقلاب يا در واقع انقلاب هايى در علم فيزيك راه انداخت. يكى از اين مقاله ها با عنوان «درباره الكتروديناميك جسم هاى متحرك» ارائه نظريه اى است كه به نسبيت خاص معروف شد.
نسبيت خاص پيش بينى هايى مى كند كه براى ما بسيار عجيبند. مثلاً اينكه ساعت هاى متحرك كندتر كار مى كنند، خط كش هاى متحرك كوتاه ترند. يا اينكه ممكن است مقدارى جرم به انرژى تبديل شود E=mc2 . تمام پيش بينى هاى نسبيت خاص با دقت بسيار آزموده شده اند و امروزه تقريباً هيچ فيزيك پيشه مطرحى هيچ شكى درباره درست بودن نسبيت خاص ندارد.
انگيزه اينشتين از پرداختن نسبيت خاص آشتى دادن نظريه الكتريسيته و مغناطيس مكسول با اصل نسبيت گاليله بود. در واقع نسبيت خاص كامل شده نسبيت گاليله اى است. از سال 1905 به اين طرف همه فيزيك پيشه ها متقاعد شده اند كه هر نظريه فيزيكى اى بايد با نسبيت خاص سازگار باشد.
تقريباً بلافاصله پس از تكميل نسبيت خاص اين سئوال مطرح شد كه آيا گرانش عمومى نيوتن با نسبيت خاص سازگار هست و پاسخ منفى بود. پس لابد نظريه گرانش نيوتن كامل نيست. بعضى از فيزيك پيشه ها به دنبال نظريه كامل ترى براى گرانش گشتند، نظريه اى كه با نسبيت خاص سازگار باشد. هيچ كس نتوانست نظريه شسته رفته و موفقى براى گرانش بيابد كه هم نسبيت خاصى باشد، هم با تجربه بخواند.
آزمايش هاى بسيارى مويد اين هستند كه اگر نيرويى جز گرانش در كار نباشد همه اجسام با يك شتاب مى افتند! در 1911 اينشتين از اين واقعيت تجربى نتيجه گرفت1 كه اگر در اتاقكى باشيم كه از بالاى برجى رها شده باشد (ول شده باشد)، با هيچ آزمايشى نمى توانيم گرانش زمين را حس كنيم.2 امروزه فيزيك پيشه ها اين را اصل هم ارزى مى نامند. اينشتين فهميد كه كليد نظريه نسبيتى گرانش همين اصل هم ارزى است. با استدلال هايى كه نبوغ از آنها مى بارد، اينشتين از اين اصل چند نتيجه گرفت: 1- اينكه اگر نورى از زمين به بالا فرستاده شود وقتى به ارتفاع هاى بالاتر مى رسد طول موجش بيشتر مى شود. 2- اينكه ساعت ها در نزديكى سطح زمين كندتر كار مى كنند تا ساعت هايى كه در ارتفاع هاى بالاتر هستند. 3- اينكه اگر پرتوى نورى از كنار يك جسم سنگين مثلاً از كنار خورشيد بگذرد، كمى خم مى شود. در مورد خورشيد اين خم شدگى حدود 1 ثانيه قوس است.
پس از آن با پنج سال كار طاقت فرسا اينشتين نظريه اى براى گرانش ساخت و آن را نسبيت عام ناميد. بنابر نسبيت عام گرانش عبارت است از خميده بودن فضازمان علت سخت فهم بودن نسبيت عام اين است كه مبتنى است بر دو ساختار رياضى كه هنوز جزء برنامه هاى درسى مدارس و دبيرستان هاى ما نشده: خميدگى و فضازمان.
در قرن نوزدهم هندسه پيشرفت زيادى كرد. از جمله كارل فردريش گاوس هندسه سطح هاى خميده را بررسى كرد. منظور از سطح هاى خميده چيز هايى است مثل سطح يك توپ يا سطح يك تيوب، چرخ ماشين (كه رياضى پيشه ها به آن چنبره مى گويند) يا سطح يك زين اسب. رياضياتى را كه گاوس پيش كشيده بود گئورگ فردريش برنهارد ريمان رياضى پيشه ديگر آلمانى بسيار پيش برد.3 ريمان كشف كرد كه آنچه در هندسه مهم است چه در هندسه اقليدسى، چه در هندسه رويه هاى خميده قضيه فيثاغورث براى مثلث هاى كوچك است. در هندسه اقليدسى صفحه قضيه فيثاغورث مى گويد كه اگر مثلث قائم الزاويه اى داشته باشيم كه يك ضلع آن dx و ضلع ديگرش dy باشد، طول وترش ds است و داريم ds2=dx2+dy2 كه در اينجا x و y مختصه هاى دكارتى متداول صفحه اند و dx2 يعنى 2(dx). ريمان كشف كرد كه تمام هندسه اقليدسى صفحه نتيجه اين تساوى ds2=dx2+dy2 است. اين فرمول رياضى را رياضى پيشه ها متريك ريمانى مى نامند. در مورد سطح خميده كره زمين اين اصطلاح متريك به شكل ds2=R2cos2dldj درمى آيد. كه در اينجا R شعاع زمين، l عرض جغرافيايى و j طول جغرافيايى است.
Ds فاصله دو نقطه نزديك روى سطح زمين است كه عرض جغرافيايى آنها به اندازه dl و طول جغرافيايى آنها به اندازه dj فرق دارد. ضمناً اين نكته بسيار مهم است كه در اين فرمول dj و dl بايد بسيار كوچك باشند؛ اگر نه براى محاسبه فاصله بايد از فرمولى پيچيده تر استفاده كرد.) تعميم به ابعاد بيش از دو براى رياضى پيشه اى مثل ريمان سرراست بود.
در 1908 هرمان مينكفسكى كه زمانى در پلى تكنيك زوريخ استاد رياضى اينشتين بود، كشف كرد كه آنچه نسبيت خاص مى گويد در واقع اين است كه فضا و زمان موجوديت مستقلى ندارند. آنچه موجوديت مستقل دارد چيزى است كه مينكفسكى آن را فضازمان ناميد. مينكفسكى در واقع براى نسبيت خاص يك تعبير هندسى كشف كرد: فضازمان يك پيوستار چاربعدى است و ساختار اين پيوست ها تعميمى است از چيزى كه هندسه اقليدسى مى ناميم. در واقع آنچه مينكفسكى كشف كرد اين بود كه اولاً عنصر بنيادى كه در هندسه اقليدسى نقطه است، در نسبيت خاص رويداد است، يعنى اتفاقى كه در يك لحظه خاص در يك جاى خاص روى مى دهد- براى مشخص كردن يك نقطه در صفحه اقليدسى بايد x و y آن را داد؛ حال آنكه براى مشخص كردن يك رويداد در نسبيت خاص بايد x، y، z و t آن را داد. ثانياً مينكفسكى كشف كرد كه تمام نسبيت خاص در واقع بيان اين است كه در اين فضازمان قضيه اى شبيه قضيه فيثاغورث درست است كه باعث مى شود بتوان فضازمان را مثل يك هندسه ريمانى در نظر گرفت، منتها با متريك شبه ريمانى ds2=dx2+dy2+dz2-c2dt2 كه در آن c سرعت نور است (سرعتى كه بنابر نسبيت خاص يكى از ثابت هاى طبيعت است، همان c اى كه در E=mc2 ظاهر مى شود.) به دليل علامت منفى در كنار dt2 است كه به اين متريك شبه ريمانى مى گويند.
اينشتين متوجه شد كه گرانش يعنى اينكه متريك شبه ريمانى فضازمان به شكل ساده اى كه در نسبيت خاص مى آيد نيست. اين گام كه اينشتين برداشت گام بسيار سختى بود. اينشتين با نبوغ خود از اصل هم ارزى نتيجه گرفت كه فضازمان خميده است. اما اين تازه شيوع نسبيت عام بود. اينشتين فهميد وجود ماده در فضا باعث مى شود متريك فضازمان عوض شود، اما چقدر و چگونه؟ براى يافتن پاسخ اينشتين مى بايست هندسه ريمانى فرا بگيرد. در اين كار دوست رياضى پيشه اش مارسل گرسمان (كه اينشتين در 1905 پايانه نامه دكترايش را به او تقديم كرده بود) به كمكش آمد. اينشتين از گرسمان هندسه ياد گرفت4، و توانست معادله هايى به دست آورد كه با حل كردن آنها مى توان متريك را به دست آورد. اين معادله ها كه معادله هاى اينشتين نام دارند، مى گويند كه وجود جرم و انرژى در فضا چگونه فضازمان را مى خماند. معادله هاى اينشتين بسيار پيچيده اند.
نتيجه هاى فيزيكى
يكى از نخستين حل هاى معادله اينشتين را فيزيك پيشه منجمى به نام كارل شوارتس شيلد به دست آورد.5 شوارتس شيلد متريك اطراف يك كره مثلاً اطراف يك ستاره را به دست آورد. اين متريك كه امروزه متريك شوارتس شيلد نام دارد، خاصيت بسيار عجيبى دارد: اگر شعاع ستاره از حدى كوچك تر شود، ديگر حتى نور هم از آن نمى تواند بيرون بيايد. در اين حالت ستاره تبديل به شىء عجيبى مى شود كه سياهچاله نام گرفته است. درك فيزيك سياهچاله ها يكى از چالش هايى است كه فيزيك پيشه ها بيش از نيم قرن است با آن دست و پنجه نرم مى كنند. امروزه تقريباً اكثر اخترفيزيك پيشه هاى فعال اعتقاد دارند كه در دنيا از جمله در مركز كهكشان راه شيرى سياهچاله هست. بعد از تكميل نسبيت عام اينشتين به اين مسئله پرداخت كه معادله هايى كه نوشته چه چيزى براى كل جهان يا كيهان پيش بينى مى كنند. فرض هايى بسيار معقول و كلى براى كل كيهان كرد. مثلاً اينكه كيهان در مقياس هاى بزرگ نه مركز مرجحى دارد نه امتداد. مرجحى معادله ها را حل كرد و در كمال تعجب ديد كه حل ايستا ندارند: يا جهان در حال بزرگ شدن است يا در حال كوچك شدن، در گذشته اى متناهى از يك نقطه آغاز شده و ممكن است در آينده اى متناهى به يك نقطه بينجامد! از اين حل خوشش نيامد. دستى در معادله هايش برد. جمله اى به آنها افزود. در اين جمله ثابتى ظاهر مى شود كه آن را ثابت كيهان شناختى نامگذارى كرد. اگر اين ثابت كه آن را با l نشان مى دهند، صفر باشد، معادله ها مى شوند همان معادله هاى قبلى اگر l مثبت باشد، جلوى انبساط عالم گرفته مى شود و اگر l منفى باشد، جهان به نحو فزاينده اى منبسط مى شود. چند سال بعد ادوين هابل منجم آمريكايى انبساط جهان را كشف كرد! پس از آن اينشتين گفت اين افزودن جمله كيهان شناختى به معادله هايش بزرگ ترين اشتباه زندگى اش بوده. امروز يك نظريه بسيار موفق براى كيهان شناخت داريم موسوم به مدل استاندارد كيهان شناخت.6 يكى از سنگ هاى اصلى اين بناى بسيار عظيم و زيبا نسبيت عام است.
نسبيت خاص پيش بينى هايى مى كند كه براى ما بسيار عجيبند. مثلاً اينكه ساعت هاى متحرك كندتر كار مى كنند، خط كش هاى متحرك كوتاه ترند. يا اينكه ممكن است مقدارى جرم به انرژى تبديل شود (E=mc2) . تمام پيش بينى هاى نسبيت خاص با دقت بسيار آزموده شده اند و امروزه تقريباً هيچ فيزيك پيشه مطرحى هيچ شكى درباره درست بودن نسبيت خاص ندارد. انگيزه اينشتين از پرداختن نسبيت خاص آشتى دادن نظريه الكتريسيته و مغناطيس مكسول با اصل نسبيت گاليله بود. در واقع نسبيت خاص كامل شده نسبيت گاليله اى است. از سال 1905 به اين طرف همه فيزيك پيشه ها متقاعد شده اند كه هر نظريه فيزيكى اى بايد با نسبيت خاص سازگار باشد.
چهار قرن و نيم پيش در سال 1543 نيكلاس كوپرنيكوس مرد و در همان سال كتاب معروف او De revolutionibus منتشر شد. در اين كتاب نظامى جديد براى هيئت پيشنهاد شده بود، نظامى كه در آن خورشيد در مركز بود و زمين و ديگر سياره ها به دور آن مى گشتند. گاليله اين ايده را پذيرفت و براى آن تبليغ بسيار كرد. اين كه زمين به دور خودش و به دور خورشيد مى گردد، با فلسفه رسمى آن دوران نمى خواند. استدلالى كه مخالفان نظام كپرنيكى مى كردند اين بود كه چرا ما متوجه حركت زمين نمى شويم. گاليله در اين باره فكر كرد و كشفى كرد كه بسيار مهم است. گاليله كشف كرد كه با هيچ آزمايشى نمى توان حركت يكنواخت را آشكار كرد. امروزه همه اين تجربه را داريم كه اگر قطارى با سرعت ثابت حركت كند، در داخل قطار همه چيز همان طورى است كه در ايستگاه است، با هيچ آزمايشى نمى توان فهميد قطار حركت مى كند يا نه (تنها با نگاه كردن به بيرون است كه مى توان اين را فهميد). فيزيك پيشه ها اين را اصل نسبيت گاليله مى نامند.
پس از گاليله، نيوتن سه قرن پيش دو چيز بسيار مهم كشف كرد: 1- قوانين مكانيك را كشف كرد؛ قوانينى كه براساس آنها مى توان فهميد كه يك سيستم مكانيكى (مثلاً منظومه شمسى) در زمان هاى آينده چه وضعيتى دارد، مشروط بر آن كه وضعيت آن در يك زمان مثلاً الان معلوم باشد. 2- قانون گرانش عمومى را كشف كرد؛ قانونى كه مى گويد در طبيعت هر دو جسمى يكديگر را با نيروى جذب مى كنند و اين نيرو متناسب است با عكس مجذور فاصله و متناسب با جرم هر كدام از جسم ها. فيزيك پيشه ها اين پديده را گرانش و اين نيرو را نيروى گرانشى مى نامند. به دليل اين نيروى گرانشى است كه ماه به دور زمين و زمين به دور خورشيد مى گردد. ضمناً مكانيكى كه نيوتن ساخت با اصل نسبيت گاليله سازگار است.
دقيقاً صد سال پيش آلبرت اينشتين با انتشار چند مقاله تاريخ ساز، انقلاب يا در واقع انقلاب هايى در علم فيزيك راه انداخت. يكى از اين مقاله ها با عنوان «درباره الكتروديناميك جسم هاى متحرك» ارائه نظريه اى است كه به نسبيت خاص معروف شد.
نسبيت خاص پيش بينى هايى مى كند كه براى ما بسيار عجيبند. مثلاً اينكه ساعت هاى متحرك كندتر كار مى كنند، خط كش هاى متحرك كوتاه ترند. يا اينكه ممكن است مقدارى جرم به انرژى تبديل شود E=mc2 . تمام پيش بينى هاى نسبيت خاص با دقت بسيار آزموده شده اند و امروزه تقريباً هيچ فيزيك پيشه مطرحى هيچ شكى درباره درست بودن نسبيت خاص ندارد.
انگيزه اينشتين از پرداختن نسبيت خاص آشتى دادن نظريه الكتريسيته و مغناطيس مكسول با اصل نسبيت گاليله بود. در واقع نسبيت خاص كامل شده نسبيت گاليله اى است. از سال 1905 به اين طرف همه فيزيك پيشه ها متقاعد شده اند كه هر نظريه فيزيكى اى بايد با نسبيت خاص سازگار باشد.
تقريباً بلافاصله پس از تكميل نسبيت خاص اين سئوال مطرح شد كه آيا گرانش عمومى نيوتن با نسبيت خاص سازگار هست و پاسخ منفى بود. پس لابد نظريه گرانش نيوتن كامل نيست. بعضى از فيزيك پيشه ها به دنبال نظريه كامل ترى براى گرانش گشتند، نظريه اى كه با نسبيت خاص سازگار باشد. هيچ كس نتوانست نظريه شسته رفته و موفقى براى گرانش بيابد كه هم نسبيت خاصى باشد، هم با تجربه بخواند.
آزمايش هاى بسيارى مويد اين هستند كه اگر نيرويى جز گرانش در كار نباشد همه اجسام با يك شتاب مى افتند! در 1911 اينشتين از اين واقعيت تجربى نتيجه گرفت1 كه اگر در اتاقكى باشيم كه از بالاى برجى رها شده باشد (ول شده باشد)، با هيچ آزمايشى نمى توانيم گرانش زمين را حس كنيم.2 امروزه فيزيك پيشه ها اين را اصل هم ارزى مى نامند. اينشتين فهميد كه كليد نظريه نسبيتى گرانش همين اصل هم ارزى است. با استدلال هايى كه نبوغ از آنها مى بارد، اينشتين از اين اصل چند نتيجه گرفت: 1- اينكه اگر نورى از زمين به بالا فرستاده شود وقتى به ارتفاع هاى بالاتر مى رسد طول موجش بيشتر مى شود. 2- اينكه ساعت ها در نزديكى سطح زمين كندتر كار مى كنند تا ساعت هايى كه در ارتفاع هاى بالاتر هستند. 3- اينكه اگر پرتوى نورى از كنار يك جسم سنگين مثلاً از كنار خورشيد بگذرد، كمى خم مى شود. در مورد خورشيد اين خم شدگى حدود 1 ثانيه قوس است.
پس از آن با پنج سال كار طاقت فرسا اينشتين نظريه اى براى گرانش ساخت و آن را نسبيت عام ناميد. بنابر نسبيت عام گرانش عبارت است از خميده بودن فضازمان علت سخت فهم بودن نسبيت عام اين است كه مبتنى است بر دو ساختار رياضى كه هنوز جزء برنامه هاى درسى مدارس و دبيرستان هاى ما نشده: خميدگى و فضازمان.
در قرن نوزدهم هندسه پيشرفت زيادى كرد. از جمله كارل فردريش گاوس هندسه سطح هاى خميده را بررسى كرد. منظور از سطح هاى خميده چيز هايى است مثل سطح يك توپ يا سطح يك تيوب، چرخ ماشين (كه رياضى پيشه ها به آن چنبره مى گويند) يا سطح يك زين اسب. رياضياتى را كه گاوس پيش كشيده بود گئورگ فردريش برنهارد ريمان رياضى پيشه ديگر آلمانى بسيار پيش برد.3 ريمان كشف كرد كه آنچه در هندسه مهم است چه در هندسه اقليدسى، چه در هندسه رويه هاى خميده قضيه فيثاغورث براى مثلث هاى كوچك است. در هندسه اقليدسى صفحه قضيه فيثاغورث مى گويد كه اگر مثلث قائم الزاويه اى داشته باشيم كه يك ضلع آن dx و ضلع ديگرش dy باشد، طول وترش ds است و داريم ds2=dx2+dy2 كه در اينجا x و y مختصه هاى دكارتى متداول صفحه اند و dx2 يعنى 2(dx). ريمان كشف كرد كه تمام هندسه اقليدسى صفحه نتيجه اين تساوى ds2=dx2+dy2 است. اين فرمول رياضى را رياضى پيشه ها متريك ريمانى مى نامند. در مورد سطح خميده كره زمين اين اصطلاح متريك به شكل ds2=R2cos2dldj درمى آيد. كه در اينجا R شعاع زمين، l عرض جغرافيايى و j طول جغرافيايى است.
Ds فاصله دو نقطه نزديك روى سطح زمين است كه عرض جغرافيايى آنها به اندازه dl و طول جغرافيايى آنها به اندازه dj فرق دارد. ضمناً اين نكته بسيار مهم است كه در اين فرمول dj و dl بايد بسيار كوچك باشند؛ اگر نه براى محاسبه فاصله بايد از فرمولى پيچيده تر استفاده كرد.) تعميم به ابعاد بيش از دو براى رياضى پيشه اى مثل ريمان سرراست بود.
در 1908 هرمان مينكفسكى كه زمانى در پلى تكنيك زوريخ استاد رياضى اينشتين بود، كشف كرد كه آنچه نسبيت خاص مى گويد در واقع اين است كه فضا و زمان موجوديت مستقلى ندارند. آنچه موجوديت مستقل دارد چيزى است كه مينكفسكى آن را فضازمان ناميد. مينكفسكى در واقع براى نسبيت خاص يك تعبير هندسى كشف كرد: فضازمان يك پيوستار چاربعدى است و ساختار اين پيوست ها تعميمى است از چيزى كه هندسه اقليدسى مى ناميم. در واقع آنچه مينكفسكى كشف كرد اين بود كه اولاً عنصر بنيادى كه در هندسه اقليدسى نقطه است، در نسبيت خاص رويداد است، يعنى اتفاقى كه در يك لحظه خاص در يك جاى خاص روى مى دهد- براى مشخص كردن يك نقطه در صفحه اقليدسى بايد x و y آن را داد؛ حال آنكه براى مشخص كردن يك رويداد در نسبيت خاص بايد x، y، z و t آن را داد. ثانياً مينكفسكى كشف كرد كه تمام نسبيت خاص در واقع بيان اين است كه در اين فضازمان قضيه اى شبيه قضيه فيثاغورث درست است كه باعث مى شود بتوان فضازمان را مثل يك هندسه ريمانى در نظر گرفت، منتها با متريك شبه ريمانى ds2=dx2+dy2+dz2-c2dt2 كه در آن c سرعت نور است (سرعتى كه بنابر نسبيت خاص يكى از ثابت هاى طبيعت است، همان c اى كه در E=mc2 ظاهر مى شود.) به دليل علامت منفى در كنار dt2 است كه به اين متريك شبه ريمانى مى گويند.
اينشتين متوجه شد كه گرانش يعنى اينكه متريك شبه ريمانى فضازمان به شكل ساده اى كه در نسبيت خاص مى آيد نيست. اين گام كه اينشتين برداشت گام بسيار سختى بود. اينشتين با نبوغ خود از اصل هم ارزى نتيجه گرفت كه فضازمان خميده است. اما اين تازه شيوع نسبيت عام بود. اينشتين فهميد وجود ماده در فضا باعث مى شود متريك فضازمان عوض شود، اما چقدر و چگونه؟ براى يافتن پاسخ اينشتين مى بايست هندسه ريمانى فرا بگيرد. در اين كار دوست رياضى پيشه اش مارسل گرسمان (كه اينشتين در 1905 پايانه نامه دكترايش را به او تقديم كرده بود) به كمكش آمد. اينشتين از گرسمان هندسه ياد گرفت4، و توانست معادله هايى به دست آورد كه با حل كردن آنها مى توان متريك را به دست آورد. اين معادله ها كه معادله هاى اينشتين نام دارند، مى گويند كه وجود جرم و انرژى در فضا چگونه فضازمان را مى خماند. معادله هاى اينشتين بسيار پيچيده اند.
نتيجه هاى فيزيكى
يكى از نخستين حل هاى معادله اينشتين را فيزيك پيشه منجمى به نام كارل شوارتس شيلد به دست آورد.5 شوارتس شيلد متريك اطراف يك كره مثلاً اطراف يك ستاره را به دست آورد. اين متريك كه امروزه متريك شوارتس شيلد نام دارد، خاصيت بسيار عجيبى دارد: اگر شعاع ستاره از حدى كوچك تر شود، ديگر حتى نور هم از آن نمى تواند بيرون بيايد. در اين حالت ستاره تبديل به شىء عجيبى مى شود كه سياهچاله نام گرفته است. درك فيزيك سياهچاله ها يكى از چالش هايى است كه فيزيك پيشه ها بيش از نيم قرن است با آن دست و پنجه نرم مى كنند. امروزه تقريباً اكثر اخترفيزيك پيشه هاى فعال اعتقاد دارند كه در دنيا از جمله در مركز كهكشان راه شيرى سياهچاله هست. بعد از تكميل نسبيت عام اينشتين به اين مسئله پرداخت كه معادله هايى كه نوشته چه چيزى براى كل جهان يا كيهان پيش بينى مى كنند. فرض هايى بسيار معقول و كلى براى كل كيهان كرد. مثلاً اينكه كيهان در مقياس هاى بزرگ نه مركز مرجحى دارد نه امتداد. مرجحى معادله ها را حل كرد و در كمال تعجب ديد كه حل ايستا ندارند: يا جهان در حال بزرگ شدن است يا در حال كوچك شدن، در گذشته اى متناهى از يك نقطه آغاز شده و ممكن است در آينده اى متناهى به يك نقطه بينجامد! از اين حل خوشش نيامد. دستى در معادله هايش برد. جمله اى به آنها افزود. در اين جمله ثابتى ظاهر مى شود كه آن را ثابت كيهان شناختى نامگذارى كرد. اگر اين ثابت كه آن را با l نشان مى دهند، صفر باشد، معادله ها مى شوند همان معادله هاى قبلى اگر l مثبت باشد، جلوى انبساط عالم گرفته مى شود و اگر l منفى باشد، جهان به نحو فزاينده اى منبسط مى شود. چند سال بعد ادوين هابل منجم آمريكايى انبساط جهان را كشف كرد! پس از آن اينشتين گفت اين افزودن جمله كيهان شناختى به معادله هايش بزرگ ترين اشتباه زندگى اش بوده. امروز يك نظريه بسيار موفق براى كيهان شناخت داريم موسوم به مدل استاندارد كيهان شناخت.6 يكى از سنگ هاى اصلى اين بناى بسيار عظيم و زيبا نسبيت عام است.
نوشته شده توسط جواد در چهارشنبه ششم تیر 1386 ساعت 21:18 | لینک ثابت |
