نوشته: حسين جوادي

همچنانكه مي دانيم در نسبيت، سرعت نور بالاترين سرعت هاست و هيچ چيز بالاتر از سرعت نور حركت نمي كند.

اين سرعت تقريباً c=3x10^8 m/s است. بنابراين در نسبيت سرعت گرانش برابر سرعت نور است. اما هنگاميكه اسپين يك الكترون تغيير مي كند، اسپين الكترون مشابه آن نيز فوري تغيير مي كند و چنين به نظر مي آيد كه اين تغييرات همزمان انجام مي شود.

اين نشان مي دهد كه انتقال اطلاعات دز اندازه هاي اتمي بالاتر از سرعت نور صورت مي گيرد. ما مي توانيم بپذيريم كه هيچ چيز بالتر از سرعت نور حركت نمي كند، اما انتقال اطلاعات از اين قانون طبعيت نمي كند. اما چنين ديدگاهي برخورد علمي با طبيعت نيست. اما چگونه مي توانيم اين پديده را توجيه كنيم؟ ما بايد بپذيريم كه انتقال اطلات بالاتر از سرعت نور انجام مي شود، اما اين پديده نيز از قوانين طبيعي طبعيت مي كند و بايد آنرا توجيه كرد آيا علامتي در فيزيك وجود دارد كه سريعتر از امواج الكترومغناطيسي حركت كند؟

مطمئاً چنين علامتي هست و آن گراويتون است.

گرانش

در نظريه سي. پي. اچ. ، گرانش يك جريان است. اين جريان دائمي بين تمام ذرات و اجسام وجود دارد. به عنوان مثال به زمين و ماه توجه كنيد.

زمين داراي ميدان گرانش است. يك ميدان گرانشي از تعداد متنابهي سي. پي. اچ. (گراويتون) تشكيل شده است. پس ميدان گرانشي زمين نيز از تعداد بيشماري سي. پي. اچ تشكيل شده است كه در اطراف زمين در حركت هستند.

فرض كنيم زمين منزوي است. يعني هيچ كنش و واكنشي بين زمين و ساير اجسام وجود ندارد. در اين صورت همه ي سي. پي. اچ. هايي كه به زمين مي رسند، جذب آن شده و از نيروهاي موجود در آنجا اطاعت مي كنند اما همچنان كه مي دانيم زمين منزوي نيست و با ساير احسام كنش متقابل دارد. نگاهي به زمين و ماه بيندازيد. در اينجا دو ميدان وجود دارد، يكي ميدان گرانشي زمين و ديگري ميدان گرانشي ماه هنگاميكه يك گراويتون به زمين مي رسد، گراويتون ديگري زمين را ترك مي كند و به دليل آنكه داراي يك زير كوانتوم گرانشي است، زمين را به دنبال خود مي كشد.

تا جاييكه زمين از حوزه عمل اين زير كوانتوم گرانشي خارج شود. مانند يك توپ كه جدار خارجي آن را با چسب مايع آغشته كرده باشيم. هنگاميكه مي خواهيم آن را از زمين جدا كنيم، زمين را به دنبال خود مي كشد.

اما سي. پي. اچ. چيست؟

تعريف سي. پي. اچ

فرض كنيم يك ذره با جرم ثابت m وجود دارد كه با مقدار سرعت ثابت Vc نسبت به تمام دستگاه هاي لخت حركت مي كند. و Vc>c, c is speed of light بنابراين سي. پي. اچ. داراي اندازه حركت خطي برابر mVc است.

اصل سي. پي. اچ

Principle of CPH

سي. پي. اچ. يك ذره بنيادي با جرم ثابت است كه با مقدار سرعت ثابت حركت مي كند. اين ذره داري لختي دوراني است. در هر واكنش بين اين ذره با ساير ذرات يا نيروها در مقدار سرعت آن تغييري داده نمي شود، بطوريكه حال با توجه به اصل سي. پي. اچ. و گراش از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. اجازه بدهيد نگاه جديدي به انتقال اطلاعات در ساختمان اتم بيندازيم.

دو الكترون الف و ب را در ساختمان فوتون در نظر بگيريد. اين دو الكترون مدام در حال تبادل سي. پي. اچ. هستند، مانند همه ي ذرات و اجسام موجود در جهان هنگاميكه يك گراويتون از الكترون الف به الكترون ب مي رسد، اسپين و جهت حركت آن تملم اطلاعات الكترون الف را به الكترون ب منتقل مي كند.

بنابراين اگر اسپين الكترون الف تغيير كرده باشد، الكترون ب، اين اطلاعات را از طريق گراويتون دريافت مي كند. حال ما مي توانيم سرعت گراويتون را حساب كنيم. فرض كنيد دو الكترون در فاصله d=1x10^-15 m كه برابر با قطر اتم است قرار دارند. يك گراويتون فاصله ي d را در كمترين زمان ممكن طي مي كند. اين كمترين زمان برابر است با زمان پلانك كه برابر است با T=5.39x10^-44 s. بنابراين سرعت گراويتون V از رابطه ي زير به دست مي آيد.

V=d/T=(10^-15m)/(5.39x10^-44s)=2x10^28 m/s اين مقدار تقريباً ده بتوان بيست برابر سرعت نور است:

يعني V=10^20c لطفاً توجه كنيد كه Vc>V زيرا گراويتون داراي اسپين است و Vc سرعت سي. پي. است زمانيكه داراي اسپين نيست.

نوشته : حسين جوادي

انصافاٌ هاوكينگ در توضيح مطالب پيچيده و بغرنج فيزيك به زبان ساده مهارت خاصي دارد. بهمين دليل آثار عمومي ايشان از استقبال چشم گيري برخوردار است. علاوه بر آن نام هاوكينگ به دليل در دو كار جالب در مورد سياه چاله ها جاودان خواهد شد. يكي تكينگي و ديگري تبخير سياه چاله ها. اين دو مورد زمينه ي يك بحث فراگير جهاني را بين فيزيكدانان فراهم كرد. هرچند به اعتراف خود هاوكينگ در كتاب تاريچه زمان از فيزيكدانان روسي الهام گرفته بود، اما اين هاوكينگ بود كه با محاسبات و معادلات رياضي توانست توجه فيزيكدانان را به آن جلب كند. اين نوشته نقدي است بر مقالات پايان فيزيك كه در سايت هوپا منتشر شد و مجموع آنها در اينجا و بطور يكجا فرهم شده است. در اين نوشته برخي نكات مهم نوشته هاوكينگ مورد بحث قرار مي گيرد.

هاوكينگ:

ذرات مادي رو كه همگي مي‌شناسيم. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الكترون‌ها كه به دور هسته مي‌چرخند. ذرات مادي اتم رو به‌نام كلي فرميون‌‌ها مي‌شناسيم. فرميون‌ها يك سيستم پيام‌رساني دارند كه بين آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌هاي معيني موجب ايجاد تاثير و در نتيجه تغييراتي در آن‌ها مي‌شود. اين سرويس‌ها را نيرو مي‌ناميم. ذراتي وجود دارد كه اين پيام‌ها را بين فرميون‌ها و در برخي موارد حتي بين خود رد و بدل مي‌كنند. اين ذرات پيام‌رسان به‌طور مشخص بوزون ناميده مي‌شوند. پس هر ذره‌اي كه در جهان وجود دارد يا فرميون هست يا بوزون.

نظريه سي. پي. اچ. :

همه ي ذرات اعم از فرميونها و بوزونها از ذرات واحدي تشكيل شده اند كه آن سي. پي. اچ. يا CPH, Creation Particle Higgs مي ناميم. سي. پي. اچ. ها روي يكديگر اثر دارند و اين اثر بصورت توليد اسپين براي آنها نمودار مي شود. سي. پي. اچ. ها پس از آنكه داراي اسپين شدند، با يكديگر ادغام شده و كوانتومهاي انرژي را به وجود مي آورند. اين كوانتومهاي انرژي در فراينهاي فيزيكي به زوج هاي ماده و پاد ماده تبديل مي شوند. در واقع بوزونها و فرميونها از ذرات واحدي تشكيل مي شوند كه سي. پي. اچ. ناميده مي شود. اگر ما ديدگاه خود را از مورد نيرو و انرژي تغيير دهيم و اين دو را هم ارز بدانيم (كه در حقيقت هم ارز هم هستند) آنگاه مي توانيم دليل تاثير بوزنها بر فرميونها و همچنين تاثير بوزونها را بر يكديگر توضيح دهيم.

هاوكينگ:

گفتيم كه سرويس‌هاي پيام‌رسان 4گانه نيرو ناميده مي‌شوند. يكي از اين نيروها گرانش هست. نيروي گرانش را كه ما را روي زمين نگه مي‌دارد، مي‌توانيم مثل پيامي در نظر بگيريم. حامل اين پيام نوعي بوزون هست كه گراويتون ناميده مي‌شود. گراويتون‌ها حامل پيامي بين ذرات اتم‌هاي بدن ما و ذرات اتم‌هاي زمين هستند و به ذرات مذكور مي‌گويند كه به‌هم نزديك شوند.

نظريه سي. پي. اچ. :

هنگاميكه سي. پي. اچ. داراي اسپين است، گراويتون ناميده مي شود.

هاوكينگ:

نظريه‌ها

نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است.

مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها (ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. اين نظريه اصل نااميدكننده‌اي را نيز كه اصل عدم قطعيت نام دارد در بر مي‌گيرد. بنابر اين اصل هيچ‌گاه ما نمي‌توانيم همزمان مكان و سرعت (تندي و جهت حركت) يك ذره را با دقت بدانيم. با وجود اين مسئله مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است.

يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.

اما اگر نيروي گرانش را مانند پيام بين ذرات در نظر بگيريم، با مشكلاتي مواجه مي‌شويم. قبلاْ ديديم كه شما مي‌توانيد نيرويي را كه شما را روي زمين نگه مي‌دارد، مثل تبادل گراويتون‌ها(همان پيام‌رسان‌هاي گرانش) بين ذرات بدن خود و ذراتي كه كره زمين را تشكيل مي‌دهند، در نظر بگيريد. در اينصورت نيروي گرانشي با روش مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود. اما چون همه گراويتونها بين خود نيز رد و بدل مي‌شوند، حل اين مساله از نظر رياضي بسيار بغرنج مي‌شود. بي‌نهايت‌هايي حاصل مي‌شوند كه خارج از مفهوم رياضي معنايي ندارند. نظريه‌هاي علم فيزيك واقعاْ نمي‌توانند با اين بي‌نهايت‌ها سر و كار داشته باشند. آن‌ها اگر در نظريه‌هاي ديگر يافت شوند، تئوريسين‌ها به روشي كه آن را ريترماليزيشن يا بازبهنجارش مي‌نامند، متوسل مي‌شوند. ريچارد فاينمن در اين باره مي‌گويد: اين كلمه هر چقدر زيركانه باشد، باز من آن را يك روش ديوانه‌وار مي‌نامم. خود او هنگامي كه روي نظريه‌اش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كار مي‌كرد، از اين روش سود جست. اما او به اين كار زياد راغب نبود. در اين روش از بي‌نهايت‌هاي ديگري براي خنثي كردن بي‌نهايت‌هاي نخستين، استفاده مي‌شود. نفس اين عمل اگر چه مشكوك است ولي نتيجه در بسياري از موارد كاربرد خوبي دارد. نظريه‌هايي كه با به‌كارگيري اين روش به‌دست مي‌آيند، خيلي خوب با مشاهدات همخواني دارند.

استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كارساز است ولي در مورد گرانش اين روش موفق نبوده. بي‌نهايت‌ها در مورد نيروي گرانش از جهتي بدتر از بي‌نهايت‌هاي نيروي الكترومغناطيسي هستند و حذفشان ممكن نيست. ابرگرانش كه هاوكينز در خطابه لوكاشين خود بدان اشاره كرد و نظريه ابرريسمان كه در ا» اشياء بنيادي جهان، بصورت ريسمان‌هاي نازكي هستند، پيشرفت‌هاي اميدوار كننده‌اي داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.

نظريه سي. پي. اچ. :

مشكل اصلي در فيزيك اين است كه تلاش مي كنند اين دو نظريه، يعني مكانيك كوانتوم و نسبيت را با يكديگر سازگار سازند. در حاليكه با توجه به اصل هم ارزي نيرو و انرژي نياز به تلاش زيادي نيست تا نسبيت و مكانيك كوانتوم با يكديگر سازگار شوند. در واقع بايستي مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتوم و نسبيت را همزمان و با توجه به اصول و قوانين شناخته شده ي علمي كه از نظر تجربي نيز تاييد شده مورد بررسي مجدد قرار داد. براي اينكار بايستي تعريف جديدي از انرژي ارائه داد و با توجه با اين تعريف ساختمان فوتون را تعريف كرد. با چنين نگرشي بينهايت هاي مشكل ساز بسادگي برطرف خواهند شد. بينهايت هاي موجود و مشكل ساز ناشي از نگرش موجود در مكانيك كوانتم به درات است كه ساختمان ذراتي نظير فوتون و الكترون را قابل بررسي نمي داند. ابرريسمانها نيز قادر به ارائه ي راه اساسي نخواهند بود. زيرا در نظريه ريسمانها، يك ريسمان يك واحد بسيار كوچك انرژي است. اما در اين نظريه هم نگرش نويني به انرژي ديده نمي شود. در حاليكه نظريه سي. پي. اچ. كار را با يك نگرش نوين و انقلابي از خود انرژي آغاز مي كند.

هاوكينگ:

راه ديگر

از طرف ديگر اگر ما مكانيك كوانتومي را براي مطالعه اجسام بسيار بزرگ در قلمرويي كه گرانش فرمانرواي بي‌چون و چرا است، بكار گيريم، چه خواهد شد؟ به‌ديگر سخن اگر ما آنچه را كه نظريه نسبيت عام در باره گرانش مي‌گويد، در پرتو اصل عدم قطعيت بازنگري كنيم، چه اتفاقي خواهد افتاد؟

همانطور كه گفتيم طبق اصل عدم قطعيت (Uncertainty principle) نمي‌توان با دقت مكان و سرعت يك ذره را همزمان اندازه گرفت. آيا اين بازنگري موجب تفاوت زيادي خواهد شد؟ در ادامه خواهيم ديد كه استفن‌هاوكينگ در اين زمينه به چه نتايج شگرفي دست يافته است.

سياهچاله‌ها سياه نيستند!

شرايط مرزي ممكن است به اين نتيجه منتهي شود كه مرزي وجود ندارد حالا كه از ضد و نقيض‌ها گفتيم، يكي ديگر هم اضافه كنيم:

فضاي خالي، خالي نيست

در ادامه خواهيم ديد كه چگونه مي‌توان به اين نتيجه رسيد. فعلا همينقدر بدانيم كه اصل عدم قطعيت بدان معني است كه فضا مملو از ذره و پادذره است!

نظريه نسبيت عام همچنين به مـــا مي‌گويد كـــه وجود ماده يـــا انرژي سبب خميدگي يــا تاب‌خوردن فضا-زمان مي‌شود. يك نمونه خميدگي آشنا مي‌شناسيم. خميدگي باريكه‌هاي نور ستارگان دور هنگامي كه از نزديكي اجسام با جرم بزرگ نظير خورشيد مي‌گذرند.

اين دو موضوع را به‌ياد داشته باشيم:

1- فضاي «خالي» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع كل انرژي آن‌ها مقداري عظيم يا مقداري بي‌نهايت از انرژي است.

2- وجود اين انرژي باعث خميدگي فضا-زمان مي‌شود.

نظريه سي. پي. اچ. :

به جاي آنكه اصل عدم قطعيت را به نسبيت تعميم دهيم، بايد به اين نكته ي بسيار مهم توجه كنيم كه همه ي جهان از كوانتوم ها (انرژي، اتم، ذرات زير اتمي) تشكيل شده اند. بنابراين همان قوانيني را كه بر اين ذرات حاكم است مي توانيم به تمام جهان تعميم دهيم. در نظريه سي. پي. اچ. فضا از سي. پي. اچ. انباشته شده است. سي. پي. اچ. ها روي يكديگر كار انجام مي دهند و كوانتوم هاي انرژي را توليد مي كنند. در مكانيك كوانوتم هيچ توضيحي وجود ندارد كه چرا فضا از فضا از ماده و پاد ماده انباشته شده است و تنها اصل عدم قطعيت مجوز آن را صادر كرده است. در حاليكه در نظريه سي. پي. اچ. ضمن توضيح كافي براي آن، دليل اينكه چرا در فضا ماده وجود دارد يا فضا به توليد ماده و پاد ماده مي پردازد ارائه مي شود.

همچنين در نسبيت عام با توجه به اصل هم ارزي فضا داراي انحنا است. در حاليكه در نظريه سي. پي. اچ. انحناي فضا كاملاً توجيه شهودي دارد. همين دلايل شهودي و ملموس نشان مي دهد كه فضا باايستي داراي انحنا باشد و ميزان انحناي فضا نيز تابع چگالي سي. پي. اچ. در فضا است.

هاوكينگ:

نسبيت عام و مكانيك كوانتومي هر دو نظريه‌هاي فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترين دستاوردهاي فيزيك در قرن گذشته هستند. از اين دو نظريه نه‌تنها براي هدف‌هاي نظري بلكه براي بسياري كاربردهاي عملي، به‌نحوي درخشان استفاده مي‌شود. با وجود اين اگر آن‌ها را با هم در نظر بگيريم، نتيجه همانطور كه ديديم بي‌نهايت‌ها و بي‌معني بودن است. نظريه همه چيز بايد به‌نحوي اين بي‌معنا بودن را حل كند.

نظريه سي. پي. اچ. :

نظريه همه چيز با گذشت سالهاي متمادي و كار مداوم فيزيكدانان روي آن هنوز نتوانسته اين مشكل را حل كند. زيرا همچنانكه گفته شد، بدون توجه به هم ارزي نيرو و انرژي اين مشكل قابل حل نخواهد بود.

ويژگيهاي برجسته نظريه سي. پي. اچ

در اين نظريه بر خلاف نظريه ريسمانها مي توان علت ثابت بودن سرعت نور و مسير منحي شكل نور را در ميدانهاي گرانشي توضيح داد.

در واقع:

نظريه سي. پي. اچ. هر سه نظريه ي مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتومي و نسبيت را پوشش مي دهد.

بسياري از پديدهاي فيزيكي كه نظرات قديمي و حتي نظريه ريسمانها قادر به توضيح انها نيستند، در نظريه سي. پي. اچ. بسادگي قابل توضيح دادن است.

منشاء زمان و شرايط پيدايش جهان قابل مشاهده (بينگ بنگ) توضيح داده مي شود.

در فيزيك تا به حال همواره از تاثير نيرو بر اجسام صحبت مي شود. نظريه سي. پي. اچ. اولين نظريه اي است كه از تاثير اجسام بر نيرو سخن مي گويد.

نظريه سي. پي. اچ. فيزيك را از حالت يك دانش پيچيده و خشك، به صورت يك دانش ساده و شهودي در آورده است.

از زمان مطرح شدن نظريه ريسمانها به دليل آنكه توان توضيح پديده ها را با همان ده بعدي كه در آغاز بيان كرده بود نداشت، دائم بر تعداد ابعاد آن افزوده مي شود و امروزه تلاش مي شود با بيست و شش بعد به توضيح جهان بپردازد. در حاليكه نظريه سي. پي. اچ. نيازي ندارد ابعاد اضافي را بكار گيرد.

در ساختار كلان حهان همان قانوني حاكم است كه در كوچكترين واحدهاي كميت هاي طبيعت حاكم است. يعني قوانين جهان ميكروسكپي را مي توان به جهان ماكروسكپي تعميم داد و اين كاري است كه نظريه سي. پي. اچ. انجام داده است.

اميد است نظريه ي سي. پي. اچ. بتواند در گسترش بحثهاي علمي در دانشگاه هاي كشور موثر واقع شود. گسترش بحث و تبادل نظر در زمينه هاي علمي مي تواند در نهادينه شدن گفتمان منطقي در جامعه مفيد باشد. به متن سخنراني در سمينار فيزيك مراجعه فرماييد.

نوشته : حسين جوادي

روش استقرايي و ديفرانسيلي:

جهان بيني علمي در فيزيك نظري با كارهاي گاليله آغاز شد. هرچند كه تلاشهاي گاليله زيربناي فيزيك را تشكيل داد، اما اين تلاشها ريشه در نگرشهاي جديد به پديده هاي فيزيكي داشت كه مهمترين آنها را مي توان در آثار برونو و كپلر مشاهده كرد. برونو به طرز ماهرانه اي در آثار خود تشريح كرد كه همه ي ستارگان جهان نظير خورشيد هستند. كپلر با ارائه سه قانون خود نشان داد كه حركت سيارات قانونمند است و يك نظم منطقي در حركت، دوره تناوب و مسير آنها وجود دارد.

گاليله آزمايشهاي زيادي انجام داد تا بتواند حركت اجسام را در يكسري قوانين كلي خلاصه كند. در اين ميان آزمايش سطح شيبدار گاليله از همه مشهورتر است. اما نمي توان تاثير نگرش گاليله را در پيشرفت علم به اين آزمايشها خلاصه كرد. در حقيقت گاليله نوعي نگرش منطقي به پديده هاي فيزيكي داشت كه تا آن زمان بي سابقه بود. اين نگرش زيربناي روش استقرايي را در فيزيك تشكيل داد و بتدريج به ساير علوم گسترش يافت.

هرچند آزمايشهاي گاليله از نظر كمي و كيفي با آزمايشهاي امروزي قابل مقايسه نيست، اما آزمايشهاي بسيار پيچيده و پيشرفته امروزي نيز از همان قاعده ي نگرش استقرايي گاليله پيروي مي كنند. به اين ترتيب گاليله زير ساخت فيزيك را ايجاد كرد و نحوه ي برخورد علمي با طبيعت را نشان داد. اما نتيجه ي اين تلاشها به صورت تشريحي بيان مي شد.

سالها بعد نيوتن نتايج به دست آمده توسط گاليله را فرمول بندي و در قالب يكسري معادلات رياضي ارائه كرد و ساختار فيزيك كلاسيك را مدون ساخت. قانون جهاني گرانش نيوتن دست آورد بزرگي بود. نيوتن براي توجيه پديده هاي فيزيكي " نگرش ديفرانسيلي" را جايگزين روش انتگرالي كرد. در روش انتگرالي همواره نتايج مورد نظر است. در حاليكه در نگرش ديفرانسيلي تحليل روند رسيدن به نتايج مورد بحث قرار مي گيرد و جواب هاي خاص را مي توان از ان به دست اورد. به عنوان مثال قوانين كپلر را با قانون جهاني گرانش نيوتن مقايسه كنيد. در قوانين كپلر نمي توان دوره ي گردش يك سياره را از روي دوره ي گردش سياره ي ديگر استخراج كرد. علاوه بر آن هر سه قانون كپلر مستقل از هم هستند. در حاليكه در قانون نيوتن مي توان دوره گردش همه ي سيارات به دور خورشيد را به دست آورد.

بنابراين مي توان گفت گاليله روش استقرايي را به وجود آورد و نيوتن روش ديفرانسيلي را ابداع كرد. لذا تاثير تلاشهاي گاليله و نيوتن در پيشرفت علوم ممتاز و غير قابل انكار و در عين حال بي نظير است.

مشكلات قوانين نيوتن

هنگاميكه نيوتن قوانين حركت و قانون جهاني جاذبه را ارائه كرد، اين قوانين از نظر منطقي با اشكالات جدي همراه بود. قانون دوم نيوتن تا سرعتهاي نامتناهي را پيشگويي مي كرد كه با تجربه سازگار نيست. قانون دوم به صورت F=ma ارائه شده است كه طبق آن نيروي وارد شده به جسم مي تواند تا بي نهايت سرعت آن افزايش دهد. اين امر با مشاهدات تجربي قابل تطبيق نيست. مشكل بعدي كنش از راه دور بود. يعني اثر نيروي جاذبه با سرعت نامتناهي منتقل مي شد. تاثير از راه دور همواره مورد انتقاد قرار قرار داشت.

اما مهمترين مشكل قوانين نيوتن در قانون جهاني جاذبه وي بود و خود نيوتن نيز متوجه آن شده بود.

نيوتن دريافت كه بر اثر قانون جاذبه او، ستاركان بايد يكديگر را جذب كنند و بنابراين اصلاً به نظر نمي رسد كه ساكن باشند. نيوتن در سال 1692 طي نامه اي به ريچارد بنتلي نوشت "كه اكر تعداد ستارگان جهان بينهايت نباشد، و اين ستارگان در ناحيه اي از فضا پراكنده باشند، همگي به يكديگر برخورد خواهند كرد. اما اكر تعداد نامحدودي ستاره در فضاي بيكران به طور كمابش يكسان پراكنده باشند، نقطه مركزي در كار نخواهد بود تا همه بسوي آن كشيده شوند و بنابراين جهان در هم نخواهد ريخت."

اين برداشت نيز با يك اشكال اساسي مواجه شد. بنظر سيليجر طبق نظريه نيوتن تعداد خطوط نيرو كه از بينهايت آمده و به يك جسم مي رسد با جرم آن جسم متناسب است. حال اكر جهان نامتناهي باشد و همه ي اجسام با جسم مزبور در كنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بينهايت خواهد شد.

مشكل بعدي قانون جاذبه نيوتن اين است كه طبق اين قانون يك جسم به طور نامحدود مي تواند ساير اجسام را جذب كرده و رشد كند، يعني جرم يك جسم مي تواند تا بينهايت افزايش يابد. اين نيز با تجربه تطبيق نمي كند، زيرا وجود جسمي با جرم بينهايت مشاهده نشده است.

مشكل بعدي قوانين نيوتن در مورد دستكاه مرجع مطلق بود. همچنان كه مي دانيم حركت يك جسم نسبي است، وقتي سخن از جسم در حال حركت است، نخست بايد ديد نسبت به چه جسمي يا در واقع در كدام چارچوب در حركت است. دستگاه هاي مقايسه اي در فيزيك داراي اهميت بسياري هستند. قوانين نيوتن نسبت به دستگاه مطلق مطرح شده بود. يعني در جهان يك چارچوب مرجع مطلق وجود داشت كه حركت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ي اجسام در اين چارچوب مطلق كه آن را "اتر" مي ناميدند در حركت بودند. يعني ناظر مي توانست از حركت نسبي دو جسم سخن صحبت كند يا مي توانست حركت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد.

براين اساس مايكلسون تصميم داشت سرعت زمين را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. مايكلسون يك دستگاه تداخل سنج اختراع كرد و در سال 1880 تلاش كرد طي يك آزمايش سرعت مطلق زمين را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. نتيجه آزمايش منفي بود. (براي بحث كامل در اين مورد به كتابهاي فيزيك بنيادي مراجعه كنيد.) با آنكه آزمايش بارها و بارها تكرار شد، اما نتيجه منفي بود. هرچند مايكلسون از اين آزمايش نتيجه ي مورد نظرش به دست نياورد، اما به خاطر اختراع دستگاه تداخل سنج خود، بعدها برنده جايزه نوبل شد.

نسبيت خاص

براي توجيه علت شكست آزمايش مايكلسون نظريه هاي بسياري ارائه شد تا سرانجام اينشتين در سال 1905 نسبيت خاص را مطرح كرد. نسبيت خاص شامل دو اصل زير است:

1 - قوانين فيزيك در تمام دستگاه هاي لخت يكسان است و هيچ دستگاه مرجع مطلقي در جهان وجود ندارد.

2 - سرعت نور در فضاي تهي و در تمام دستگاه هاي لخت ثابت است.

در نسبيت سرعت نور، حد سرعت ها است، يعني هيچ جسمي نمي تواند با سرعت نور حركت كند يا به آن برسد.

نتيجه اين بود كه قانون دوم نيوتن بايد تصحيح مي شد. طبق نسبيت جرم جسم تابع سرعت آن است، يعني با افزايش سرعت، جرم نيز افزايش مي يابد وهر جسمي كه بخواهد با سرعت نور حركت كند بايد داراي جرم بينهايت باشد. لذا قانون دوم نيوتن بصورت زير تصيح شد.

F=dp/dt=d(mv)/dt=vdm/dt+mdv/dt

m=m0/(1-v^2/c^2)^1/2

بنابر اين جرم تابع سرعت است و با افزايش سرعت، جرم نيز افزايش مي يابد. هنگاميكه سرعت جسم به سمت سرعت نور ميل كند، جرم به سمت بينهايت ميل خواهد كرد و عملاً هيچ نيرويي نمي تواند به آن شتاب دهد.

از طرف ديگر طبق نسبيت جرم و انرژي هم ارز هستند، يعني جرم جسم را مي توان بصورت محتواي انرژي آن مورد ارزيابي قرار داد. بنابراين انرژي داراي جرم است. اما در نسبيت نور از كوانتومهاي انرژي تشكيل مي شود كه آن را فوتون مي نامند و با سرعت نور حركت مي كند. اين سئوال مطرح شد كه اكر انرژي داراي جرم است و فوتون نيز حامل انرژي است كه با سرعت نور حركت مي كند، پس چرا جرم آن بينهايت نيست؟

پاسخ نسبيت به اين سئوال اين بود كه جرم حالت سكون فوتون صفر است. در حاليكه رابطه ي جرم نسبيتي در مورد جرم حالت سكون غير صفر بر قرار است. لذا در نسبيت با دو نوع ذرات سروكار داريم، ذراتي كه داراي جرم حالت سكون غير صفر هستند نظير الكترون وذراتي كه داراي جرم حالت سكون صفر هستند مانند فوتون. در نسبيت تنها ذراتي مي توانند با سرعت نور حركت كنند كه جرم حالت سكون آنها صفر باشد.

مشكل نسبيت خاص در اين است كه جرم نسبيتي آن (جرم بينهايت) مانند سرعت بينهايت در مكانيك كلاسيك با تجربه تطبيق نمي كند. يعني هيچ نمونه ي تجربي كه با جرم بينهايت نسبيت تطبيق كند وجود ندارد.

علاوه بر آن در نسبيت و حتي در مكانيك كوانتوم توضيحي وجود ندارد كه نحوه ي توليد فوتون را با سرعت نور توضيح بدهد. و چرا فوتون در حالت سكون يافت نمي شود. آيا فوتون از ذرات ديگري تشكيل شده است؟ اگر جواب منفي است اين سئوال مطرح مي شود كه فوتون هاي مختلف با يك ديگر چه اختلافي دارند؟ در حاليكه همه ي فوتون ها با انرژي متفاوت با سرعت نور حركت مي كنند. آزمايش نشان داده است كه فوتون در برخورد با ساير ذرات قسمتي از انرژي خود را از دست مي دهد. حال اين سئوال مطرح مي شود كه فرض كنيم فوتون شامل ذرات ديگري نيست، اين را بايد توضيح داد وقتي قسمتي از آن جدا مي شود و باز هم داراي همان خواص اوليه است ولي با انرژي كمتر؟ يعني فوتون قابل تقسيم است، هر ذره ي قابل تقسيمي بايد شامل زير ذره باشد.

واقعيت اين است كه فوتون در شرايط نور توليد مي شود و اجزاي تشكيل دهنده آن نيز بايستي با همان سرعت نور حركت كنند و حالت سكون فوتون يعني تجزيه ي آن به اجزاي تشكيل دهنده اش.

از طرفي مي دانيم جرم و انرژي هم ارز هستند، آيا اين منطقي است كه مي توان سرعت جرم را تغيير داد اما سرعت انرژي ثابت است؟

نسبيت عام:

نسبيت خاص داراي يك محدوديت اساسي بود. اين محدوديت ناشي از آن بود كه رويدادهاي فيزيكي را در دستگاه هاي لخت مورد بررسي قرار مي داد، در حاليكه در جهان واقعي دستگاه ها شتاب دار هستند. هرچند مي توان در بر رسي برخي رويداد ها به دستگاه هاي لخت بسنده كرد، اما اين دستگاه ها براي بررسي تمام رويدادها ناتوان هستند.

اينشتين در سال 1915 نسبيت عام را ارائه كرد و نسبيت خاص به عنوان حالت خاصي از نسبيت عام در آمد.

نسبيت عام بر اساس اصل هم ارزي تدوين شد.

اصل هم ارزي:

قوانين فيزيك در يك ميدان جاذبه يكنواخت و در يك دستگاه كه با شتاب ثابت حركت مي كند، يكسان هستند.

به عنوان: فرض كنيم يك دستگاه مقايسه اي با شتاب ثابت در حركت است. مشاهدات در اين دستگاه نظير مشاهدات در يك ميدان گرانشي يكنواخت است در صورتي كه شدت ميدان گرانشي برابر شتاب دستگاه باشد، يعني:

a=g

باشد، در اين صورت مشاهدات يكسان خواهد بود.

مهمترين دستاورد نسبيت عام توجيه مدار عطارد بود. بررسي هاي نجومي نشان داده بود كه نقطه حضيض عطارد جابه جا مي شود. بيش ار يكصد سال بود كه فيزيكدانان متوجه ان شده بودند، اما نمي توانستند با قوانين نيوتن توجيه كنند. اما نسبيت عام توانست أن را توجيه كند. بنا بر نسبيت، گرانش اثر هندسي جرم بر فضاي اطراف خود است. كه فضا-زمان ناميده مي شود. يعني جرم فضاي اطراف خود را خميده مي كند و مسير نور در اطراف آن خط مستقيم نيست، بلكه منحني است. در سال 1919 انحناي فضا را اهنگام كسوب كامل خورشيد با نوري كه از طرف ستاره ي مورد نظري به سوي زمين در حركت بود و از كنار خورشيد مي گذشت مورد تحقيق قرار دادند كه با پيشگويي نسبيت تطبيق مي كرد. اين موفقيت بسيار بزرگي براي نسبيت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسي و خواص توپولوژيك فضا بررسي واقعيت هاي فيز يكي را به حاشيه راند.

مضافاً اين كه گرانش را از فهرست نيروهاي اساسي طبيعت در فيزيك نظري حذف كرد. مشكلات اساسي نسبيت را مي توان به صورت زير فهرست كرد: 1- مشكل نسبيت با مكانيك كوانتوم- مكانيك كوانتوم ساختار ريز و كوانتومي كميت ها و واكنش متقابل آنها را مورد بررسي قرار مي دهد. به عبارت ديگر نگرش مكانيك كوانتوم بر مبناي كوانتومي شكل گرفته است. در اين زمينه تا جايي پيش رفته كه حتي اندازه حركت و برخي ديگر از كميتها را كوانتومي معرفي مي كند. اين نتايج بر مبناي يكسري شواهد تجربي مطرح شده و قابل پذيرش است. علاوه بر آن تلاشهاي زيادي انجام مي شود پديده هاي بزرگ جهان را با قوانين شناخته شده در مكانيك كوانتوم توجيه كنند. حال به نسبيت توجه كنيد كه فضا-زمان را پيوسته در نظر مي گيرد. بنابراين نسبيت با مكانيك كوانتوم ناسازگار است.

تلاشهاي زيادي انجام شده تا به طريقي يك همانگي منطقي و قابل قبول بين نسبيت و مكانيك كوانتوم ايحاد شود. در اين مورد كارهاي ديراك شايان توجه است كه مكانيك كوانتوم نسبيتي را پايه گذاري كرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبيت عام موفقيت چنداني نصيب فيزيكدانان نشده است. 2- پيچيدگي و عدم وجود تفاهم در نسبيت- پيچيدگي نسبيت موجب شده كه تفاهم منطقي بين فيزيكدانان در مورد نتايج و پيشگويي هاي نسبيت وجود نداشته باشد. به عبارت ديگر نسبيت شديداً قابل تفسير است. اين تفاسيرگاهي چنان متناقض هستند كه حتي فيزيكدان بزرگي نظير استفان هاوكينگ نظر خود را تغيير داد. البته اين براداشتهاي متفاوت از نسبيت ناشي از گذشت زمان نيست، بلكه از آغاز حتي براي خود اينشتين كه نسبيت را مطرح كرد وجود داشت. به عنوان مثال: اينشتين از سال 1917 شروع به تدوين يك نظريه قابل تعميم به عالم يرد.

وي با مشكلات حل نشدني رياضي برخورد كرد. به همين دليل در معادلات گرانش عبارت مشهور " پارامتر عالم " را وارد كرد. ملاحظات وي در اين موضوع بر دو فرضيه مبتني بود. 1- ماده داراي چگالي متوسطي در فضاست كه در همه جا ثابت و مخالف صفر است. 2- بزرگي " شعاع " فضا به زمان بستگي ندارد. در سال 1922 فريدمان نشان داد كه اگر از فرضيه دوم چشم پوشي شود، مي توان فرضيه اول را حفظ كرد بي آنكه در معادلات به پارامتر عالم نيازي باشد. فريدمان بر اين اساس يك معادله ي ديفرانسيل به صورت زير ارائه كرد: (dR/dt)^2 - C/R+K=0 در واقع سالها قبل از كشف هابل در مورد انبساط فضا، فريدمان دقيقاً كشفيات او را پيش بيني كرده بود. معادله ي فريدمان معادله ي اصلي كيهان شناخت نيوتني است و بدون تغيير در نظريه نسبيت عام نيز صادق است.

اينشتين بر همه نتايج به دست آمده توسط فريدمان اعتراض كرد و مقاله اي نيز در اين باب انتشار داد. سپس حقايق را در فرضيه فريدمان ديد و با شجاعت كم نظيري طي نامه اي كه براي سردبير مجله آلماني فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف كرد. بيشتر مشيلات نسبيت ناشي از خواصي است كه به علت وجود ماده براي فضا قايل مي شوند. كه در آن هندسه جاي فيزيك را مي گيرد. زماني پوانكاره گفته بود كه اگر مشاهدات ما نشان دهد كه فضا نااقلبدسي است، فيزيكدانان مي توانند فضاي اقليدسي را قبول كرده و نيروهاي جديدي وارد نظريه هاي خود كنند. اما نسبيت چنين نكرد و ماهيت پديده هاي فيزيكي را به دست فراموشي سپرد. هرچند پديده هاي فيزيكي را بدون ابزار محاسباتي، اعم از جبري و هندسي نمي توان توجيه كرد، اما فيزيك نه هندسه است و نه جبر، فيزيك، فيزيك است وبس!!! 3- مشكل گرانش نيوتني در نسبيت همچنان باقي است- در نسبيت فضا-زمان داراي انحناست. هرچه ماده بيشتر و چگالتر باشد، انحناي فضا بيشتر است.

سئوال اين است كه اين انحناي فضا تا كجا مي انجامد؟ در نسبيت انحناي فضا مي تواند چنان تابيده شود كه حجم به صفر برسد. براي آنكه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد كه حجم به صفر برسد، بايد جرم به سمت بي نهايت ميل كند. يعني نسبيت نتوانست مشكل قانون گرانش را در مورد تراكم ماده در فضا حل كند، علاوه بر آن بر مشكل افزود. زيرا قانون نيوتن مي پذيرد كه ماده تا بي نهايت مي تواند متمركز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نيست. اما نسبيت علاوه بر آن كه مي پذيرد ماده مي تواند تا بي نهايت متراكم شود، پيشگويي مي كند كه حجم آن نيز به صفر مي رسد.

چه بايد كرد؟

1 - مشاهدات تجربي نشان مي دهد كه قانون جهاني گرانش نيوتن (يا حجم صفر نسبيت) بايد مجدداً مورد بررسي قرار گيرد.

2 - قانون دوم نيوتن نياز به برسي مجدد دارد، اما نه به گونه كه افزايش جرم (انرژي) را تا بي نهايت بپذيرد. جرم-انرژي بينهايت در نسبيت مانند سرعت بي نهايت در م كانيك نيوتني غير واقعي و با مشاهدات تجربي ناسازگار است.

3 - ساختار هندسي فضا تابع چگالي ماده است كه از نيروي گرانش آن ايجاد مي شود. به عبارت ديگر اين نيروي گرانش است كه ساختار هندسي فضا را شكل مي دهد، نه شكل هندسي فضا موجب ايجاد پديده اي مي شود كه ما آن را گرانش مي ناميم. در واقع گرانش نه تنها يك نيروي اساسي است، بلكه منشاء توليد انرژي است.

4 - در ساختار كلان حهان همان قانوني حاكم است كه در كوچكترين واحدهاي كميت هاي طبيعت حاكم است. يعني قوانين جهان ميكروسكپي را مي توان به جهان ماكروسپي تعميم داد.

نتيجه: مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتوم و نسبيت را بايد همزمان مورد بررسي مجدد قرار داد و اين كاري است كه:

Theory of CPH آن را انجام داده است.

S(4s) = 1 x (.35) + 9 x .85 + 10 x 1.0 = 18

So, Z*=21-18=3.

Example 2: As from a 3d perspective (Its nuclear has 33 protons);

S(3d)=20.3 and Z*=33-20.3=12.7