صبح رامهرمز

سرعت گرانش

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 شده توسط samanghan | لینک ثابت | موضوع: فیزیک |

نقدي بر پايان فيزيك نوشته هاوكينگ

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 شده توسط samanghan | لینک ثابت | موضوع: فیزیک |

فيزيک نظري مشكلات و راه حل ها

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.

نوشته شده توسط samanghan | لینک ثابت | موضوع: فیزیک |

نيروي الكتريكي موثر هسته و مدارهاي اتم

حسين جوادي

نيروي الكتريكي موثر هسته، عبارت از نيروي الكتريكي است كه يك الكترون را به طرف هسته مي كشد. مثال اتم هيدروژن داراي يك پروتون و يك الكترون است. فرض كنيم نيروي الكتريكي كه از طرف هسته بر الكترون وارد مي شود برابر يك واحد باشد. اتم هليوم داراي دو پروتون و الكترون است. اما نيرويي الكتريكي كه بر هريك از الكترونهاي اتم هليوم وارد مي شود، برابر دو واحد نيست و بيروي الكتريكي موثري كه بر هر الكترون در اتم هليوم وارد مي شود تقريباً برابر 1.7 واحد است.

قاعده ي استالر

Staler's Rule

براي نخستين بار استالر روش ساده اي براي محاسبه نيروي الكتريكي موثر وارد به هر الكترون را ارائه داد. بنابر روش استالر نيروي الكتريكي هسته كه بر هر الكترون وارد مي شود، به اندازه ي S كاهش مي يابد و نيروي موثر هسته از رابطه ي زير به دست مي آيد.

Z*=Z-S.

كه در آن Z* , Z, S. به ترتيب نيروي الكتريكي موثر هسته، عدد اتمي و مقدار استالر ، يعني مقداري كه از نيروي الكتريكي واقعي كاهش مي يابد.

با توجه به روش استالر نخست بايد توجه كرد كه الكترون در كداميك از مدارات اصلي يا فرعي كه بصوررت زير داده مي شود، قرار دارد:

(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5f)...

در اين روش الكترونهاي سمت راست روي نيروي الكتريكي هسته كه بر يك الكترون وارد مي شود، تاثيري ندارند فرض كنيم مي خواهيم نيروي الكتريكي موثر بر الكتروني را كه در مدار n قرار دارد حساب كنيم در هر گروه، هر الكترون به اندازه ي 0.35 واحد از مقدار نيروي الكتريكي كه از طرف هسته اعمال مي شود، مي كاهند.

الكترونهاي گروه (s,p) n-1 به اندازه 0.85 واحد مي كاهند. الكترونهاي گروه n-2 به اندازه 1 واحد مي كاهند .

مثال: در اتم Sc كه شامل 21 پروتون است داريم:

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

روش كلمنتي و رايموندي

Clementi and Raimondi

كلمنتي و رايموندي كار خود را روي نيروي الكتريكي موثر هسته در سال 1960 شروع كردند. در اين زمان اطلاعات زيادي در زمينه مدارات و مولكولها جمع آوري شده بود و كامپپوتر نيز اختراع شده بود كه در محاسبات بسيار مفيد بود. ايشان با استفاده از تابع موج روي اتمهاي مختلف از هيدروژن تا كريپتون كار كردند و يك روش رياضي براي محاسبه نيروي الكتريكي موثر هسته ارائه دادند. نتايج اين روش دقيق تر از روش استالر بود :

در روش كلمنتي

Atom : Sc,4s

Staler : Z*=3

Clementi : Z*=4.632

Atom : Sc,3d

Staler : Z*=12.7.

Clementi : Z*=17.378

توجه

قاعده ي استالر و روش كلمنتي بر مبناي آزمايش استوار است و و هيچگونه توضيح نظري ندارد كه چرا بايستي نيروي الكتريكي هسته براي رسيدن به الكترون در اتمهايي كه بيش از يك الكترون دارند، كاهش يابد.

اجازه بدهيد اين پديده را از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بررسي كنيم. آيا نيرو تباه مي شود؟ اگر نيرو تباه نمي شود، پس چرا نيروي موثر هسته از يك مدار به مدار ديگر كاهش مي يابد؟ براي مقدار نيرويي كه كاهش مي يابد، چه اتفاقي مي افتد؟ آيا نيرو تبديل پذير است؟ نيرو به چه چيزي تبديل مي شود؟ هنگاميكه يك الكترون به طرف پروتون شتاب مي گيرد، انرژي الكترون افزايش مي يابد. سئوال اين است كه براي مقدار نيروي موجود در ميدان چه اتفاقي مي افتد؟

با توجه به نظريه سي. پي. اچ. نيرو و انرژي به يكديگر قابل تبديل هستند. اجازه بدهيد كاهش نيروي الكتريكي هسته را با استفاده از تبديل نيرو و انرژي به يكديگر توضيح دهيم.

كار كوانتومي است

در مورد قضيه كار انرژي W=DE برخوردي دوگانه وجود دارد. قسمت كار آن را با مكانيك كلاسيك مد نظر قرار مي دهند و كار را كميتي پيوسته در نظر مي گيرند، در حاليكه با انرژي آن برخوردي كوانتومي دارند. در واقع بايستي هر دو طرف رابطه را با ديد كوانتومي در نظر گرفت. در اين مورد مثالهاي زيادي مي توان ارائه داد كه با اين برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. هنگاميكه يك فوتون در ميدان گرانشي سقوط مي كند، انرژي آن افزايش مي يابد. همچنانكه مي دانيم انرژي فوتون كوانتومي است، لذا كار انجام شده روي آن نيز بايد كوانتومي باشد. يك كوانتوم كار را بصورت زير تعريف مي كنيم:

Wq=FgLp

كه در آن Wq, Fg, Lp از چپ براست به ترتيب كوانتوم كار، كوانتوم نيروي گرانش و طول پلانك است. و در حالت كلي مقدار كار از رابطه ي زير به دست مي آيد :

W=nWq, n is an integer number. (n=...-2, -1, 0, 1, 2...)

با اين تعريف نيروي الكتريكي موثر هسته را بررسي مي كنيم.

نيروي الكتريكي موثر هسته

با توجه به نظريه سي. پي. اچ. هنگاميكه نيرو روي يك ذره/جسم كار انجام مي دهد، اگر كار متبت باشد، نيرو به انرژي تبديل مي شود و اگر كار منفي باشد، در اين صورت انرژي به نيرو تبديل مي شود.

فرض كنيم يك اتم با تعداد Z پروتون و نيدوي الكتريكي هسته Fz و نيروي الكتريكي موثر Fz* را روي يك الكترون اعمال مي كند. در طي زمانيكه نيروي الكتريكي مي خواهد به الكترون مورد نظر برسد، روي ساير الكترونهايي كه در مسير يا اطراف آن وجود دارند، كار انجام مي دهد. بنابراين مقدار Fw به انرژي تبديل مي شود، يعني E=W و به اندازه Fw از مقدار Fz كاسته خواهد شد و داريم Fz*=Fz - Fw با توجه به مدار بندي زير:

(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5f)...

و در نظر گرفتن شكل، نيروي الكتريكي هسته براي رسيدن به الكترون مورد نظر، روي الكترونهاي سمت راست مدار بندي، هيچگونه كاري انجام نميدهد.

نوشته شده توسط samanghan | لینک ثابت | موضوع: فیزیک |

مغناطيس گرانشي

Gravitomagnetisem

فضا پيماي Gravity Probe B or GPB بيستم آوريل 2004 زمين را براي جستجوي نيرويي از طبيعت كه در وجودش ترديد است، ترك كرده است. اين نيرو كه هيچ وقت ثابت نشده مغناطيس گرانشي يا Gravitomagnetisem ناميده مي شود.

مغناطيس گرانشي بوسيله ستاره ها يا سياره هايي كه به دور خود مي چرخند توليد مي شود. كلير فرد ويل از دانشگاه واشنگتن مي گويد " از نظر شكل شبيه يك ميدان مغناطيسي است كه توسط يك كره (توپ) باردار در حال چرخش توليد مي شود" بار را با جرم جايگزين كنيد مي شود مغناطيس گرانشي ما در حالي كه زندگي مي كنيم، مغناطيس گرانشي را احساس نمي كنيم. اما بر طبق نظريه عام اينشتين اين حقيقت دارد وقتي كه يك ستاره يا سياه چاله يا هر چيزي كه جرم زيادي دارد به دور خود مي پيچد فضا و زمان اطراف را به دور خود مي كشد.

عملي به نام كشش چارچوب

Frame dragging

ساختار فضا - زمان مثل يك گرداب پيچيده مي شود. انيشتين به ما مي گويد تمام نيروهاي گرانشي هم ارز با خم شدن (پيچيده شدن) فضا-زمان است كه مغناطيس گرانشي است.

مغناطيس گرانشي چه كار مي كند؟

ويل مي گويد " مي تواند مدار اقمار را منحرف كند و باعث شود كه ژيروسكوپ قرار داده شده در زمين بلرزد. هر دو پديده خيلي كوچك هستند و اندازه گيري آن سخت است. محققان تحت رهبري اگنا كيوفليني Ignazio ciufolini فيزيكدان سعي مي كنند انحراف مسير اقماري را كه مغناطيس گرانشي آن را ايجاد مي كن آشكار كنند. براي مطالعه اين دو پديده (پديده هاي مورد بحث ويل) آنها از ماهواره هاي ليزري ژئوديناميكي Lagoes استفاده كردند.

دو كره با قطر 60 سانتيمتر كه آينه هايي روي آنها كار گذاشته شده است. دسته بندي ليزرهاي دقيق از هر دو نوع مدارهايشان را نشان مي دهد.

اما يك مشكل وجود دارد: تحدب ناحيه استوايي باعث انحرافي بيليون ها بار بزرگتر از مغناطيس گرانشي زمين مي شود. آيا كيوفوليني براي يافتن مغناطيس گرانشي اين كشش بزرگ را با دقت كافي كم مي كند؟ ويل مي گويد دانشمندان زيادي نتايج كيوفوليني را پذيرفتند در حالي كه ديگران شك دارند.

GPB كه توسط دانشگاه استنفورد و ناسا توسعه داده شده، آزمايش را به گونه ديگري و با استفاده از ژيروسكوپ انجام داده است. فضا پيما زمين را در مدار قطبي به ارتفاع 400 مايل دور مي زند. چهار ژيروسكوپ وجود دارد كه هركدام يك كره يا يك گوي به قطر 1.5 اينچ است كه در خلا معلق اند و ده هزار بار در دقيقه مي چرخند. اگر معادلات انيشتين درست باشد و مغناطيس گرانشي واقعي باشد، ژيروسكوپ هاي در حال چرخش بايد هنگامي كه زمين را دور مي زنند بلرزند. كم كم محور دورانشان جا بجا مي شود، تا يك سال ديگر محور دورا ژيروسكوش ها در حدود 42 mili-arc second از جايي كه آنها شروع كردند دور مي شوند. GPB مي تواند اين زاويه را با دقت 0.5 mili-arc second يا حدود يك درصد اندازه بگيرد. هرچند زاويه اندازه گيري شده mili-arc second خيلي جوچك است، اين را در نظر بگيريد كه يك arc second برابر با يك درجه است. يك mili-arc second هزار بار از arc second كوچكتر است. مقدار 0.5 mili-arc second انحراف مورد انتظار در GPB هم ارز با اين است كه بخواهيم ضخامت يك ورق كاغذ را از فاصله ضد مايلي اندازه گيري كنيم. حس كردن اين مقدار به اين كوچكي چالش بزرگي است.

دانشمنداني كه روي GPB كار مي كردند بايد تكنوژي هاي جديدي كاملي را براي آن اختراع مي كردند.

فيزيكدانان هم نگران و هم هيجان زده هستند. نگران براي اين كه شايد مغناطيس گرانشي آنجا نباشد. نظريه انيشتين مي تواند غلط باشد ( احتمالي كه اكثراً دوستش ندارند) و اين باعث تحولي در فيزيك خواهد بود. و به همين دليل آنها هيجان زده نيز هستند. هر كسي خواستار اين است كه در پيشرفت بزرگ بعدي علم مقدم باشد، و پيش دستي كند.

نزديك زمين مغناطيس گرانشي ضعيف است به خاطر همين است كه ژيروسكوپ هاي GPB فقط 42 mili-arc second تكان مي خورند.

اما در جاهايي از عالم اين ميدان قوي است. براي مثال در نزديكي يك سيه چاله يا يك ستاره نوتروني. يك ستاره نوتروني نوعي جرمي در حدود خورشيد دارد اما قطر آن 10 كيلمتر است و چند هزار بار سريع تر از زمين به دور خودش مي چرخد. بنابراين مغناطيس گرانشي در آنجا خيلي قوي خواهد بود.

اخترشناسان احتمالاً آثار مغناطيس گرانشي را قبلاً مشاهده كرده اند. بعضي سياه چاله ها و ستاره هاي نوتروني جت هاي روشني از ماده و با سرعتي نزديك نور به بيرون دارند. اين جت ها در صورتي كه از قطب هاي يك شئي چرخنده نشات بگيرند جفتي و مختلف الجهت هستند.

نظريه پردازان تصور مي كنند جت ها توسط مغناطيس گرانشي قدرت مي گيرند. بعلاوه سياه چاله ها بوسيله ديسكي از ماده به نام accretion disk دارند و به قدري داغ است كه تابش اشعه X طيف الكترومغناطيسي ساتع مي كند. شواهدي وجود دارد كه توسط تلسكوپ هاي اشعه ايكس نظير Nasa's chandra X ray obsevatiry جمع شده و مي گويد اين ديسك ها مي لرزند. ژيروسكوپ هاي GPB هم انتظار همين را مي كشند.

اينجا در منظومه شمسي ما، مغناطيس گرانشي در بهترين حالت مي توان گفت كه ضعيف است. سئوالي پيش مي آيد: بعد از آنكه مغناطيس گرانشي را پيدا كرديم چه كنيم؟

سئوالي شبيه اين بارها در قرن 19 پرسيده شده بود. وقتي كه ماكسول، فارادي و ديگران الكترومغناطيس را بررسي مي كردند. چه استفاده اي دارد؟ امروز ما توسط فوايد تحقيقات آنها محاصره شده ايم: چراغ، كامپيوتر، ماشين لباسشويي، اينترنت و غيره

مغناطيس گرانشي براي چه خوب است؟ آيا اين فقط رخداد مهمي در راه طولاني جستجوي طبيعي ما براي فهم طبيعت است؟ يا چيزي غير قابل تصود: زمان خواهد گذشت.

منبع :

VACUUM فصلنامه علمي فرهنگي دانشجويان فيزيك امير كبير

نوشته شده توسط samanghan | لینک ثابت | موضوع: فیزیک |

اندازه اتم با انبساط جهان افزايش مي يابد

Atom's size increases by Expanding of Universe

حسين جوادي

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)

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 samanghan | لینک ثابت | موضوع: فیزیک |

كرمچاله ها ، تونل هاي فضازماني

مهدي اسحاقي

يك سال بعد از ارائه نظريه نسبيت عام توسط آلبرت اينشتين ،سال 1916م فلام متوجه شد كه ازحل شوارتزشيلد معادلات اينشتين ميتوا ن جواب كرمچاله اي بدست آورد . اين نوع كرمچاله ،«كرمچاله شوارتزشيلد » ناميده شد .

كرمچاله ها ساختارهاي فضازماني پل مانندي هستند كه دو ناحيه مجزا از يك فضا زمان يا دوفضا زمان مجزا را به يكديگر وصل مي كنند . كرمچاله ها باعث كوتاه شدن مسافت و زمان لازم براي رسيدن از يك نقطه به نقطه ديگر مي شوند .در دهه 1930م اينشتين و روزن با استفاده از غوطه وركردن متريك شوارتزشيلد در فضاي استوانه اي ، معادله غوطه وري يك كرمچاله گذر ناپذير وغير ايستا موسوم به « پل اينشتين - روزن » را بدست آوردند .

يكي از جنبه هاي جالب كرمچاله ها ، استفاده از آنها براي انجام سفر در فضازمان است . مي دانيم كه فاصله زمين تا نزديك ترين ستاره غير از خورشيد ، حدود 4سال نوري مي باشد . يعني نور با سرعت 300 هزار كيلومتر بر ثانيه حدود 4 سال طول مي كشد تا به اين ستاره برسد . حال ما با تكنولوژي امروزه ممكن است بيش از يك ميليون و سيصد هزار سال طول زمان نياز داشته باشيم تا به اين ستاره برويم كه براي انسان امر غير ممكني است . بنظر مي رسدكه با فرض وجود كرمچاله ، مي توان از يك طرف وارد آن شد و تقريبا بلافاصله پس از خروج از طرف ديگر ، در ناحيه اي دوردست از جهان سردرآورد . در اين طرح امكان سردرآوردن از جهاني ديگر نيز وجود دارد .

بعضي افراد به اشتباه سياهچاله ها را به عنوان ابزارهايي براي مسافرت هاي فضايي مي شناسند . اما بايد بدانيم كه سياهچاله ها داراي افق هستند و وقتي جسمي ، حتي نور ، وارد آنها شد ، علاوه بر نابودي ، امكان خروج برايش وجود ندارد . امم برخي از كرمچاله ها اين امكان را به ما مي دهند كه بدون صدمه ديدن از آنها عبور كنيم .

در اين مقاله ضمن آشنايي با اين ساختارها ، امكان عبور از آنها را نيز بررسي مي كنيم .

هندسه يك كرمچاله :

يك كرمچاله در صورت وجود ، خود بخشي از فضازمان چهار بعدي عالم مي باشد . همانطور كه مي دانيد اينشتين در سال 1905 م ثابت كرد كه جهان تنها از سه بعد فضايي تشكيل نشده و زمان صرفآ يك پارامتر در حال تغيير نيست . بلكه زمان خود نيز به عنوان بعد چهارم عالم به حساب مي آيد . در اين فضازمان چهار بعدي ، كرمچاله ها مي توانند سوراخي به جهاني ديگر يا ناحيه اي ديگر از همين جهان باشند . پس بايد در نظر داشته باشيم كه اين اجسام چهاربعدي هستند و ما تنها براي ساده سازي آنها را به صورت دو بعدي نشان مي دهيم .

به عنوان مثالي ساده ، يك صفحه كاغذ تخت را در نظر بگيريد كه از چهار طرف تا فواصل بسيار دور گسترده شده باشد . هر دو طرف صفحه كه آنها را « رو » و « زير » صفحه مي ناميم ، بطور مستقل يك فضاي دوبعدي راتشكيل مي دهند كه مي توانيم آن را يك جهان دوبعدي فرض كنيم . ساكنان اين جهانها خود موجودات دو بعدي هستند . واضح است كه اين دو جهان هيچ ارتباطي با هم ندارند و ساكنان آنها از وجود همديگر بي خبرند .اكنون تصور كنيد يك سوراخ دايره اي در اين صفحه ايجاد شود . به اين ترتيب دو جهان بطور پيوسته با هم ارتباط دارند . ما اين حفره تونل مانند را يك كرمچاله مي ناميم .

حال بيائيد به جاي يك سوراخ ، دو سوراخ درصفحه ايجاد كنيم . سپس لبه هاي اين دو سوراخ را بكشيم تا به صورت دو لوله درآيد وبا ادامه دادن اين كار دو لوله را به هم وصل كنيم. اين نيز يك كرمچاله است . با اين تفاوت كه بر خلاف حالت قبلي دو ناحيه از يك جهان را به هم وصل مي كند . در حالتي كه فضاي ما خميده باشد مسافرت از طريق اين كرمچاله بسيار سريع تر امكان پذير است . چون مسافت كوتاهتر است .

اگردر هر يك از دو ورق تخت موازي نيز يك سوراخ ايجادكنيم ، با كشيدن لبه هاي سوراخ و رساندن دو لوله ايجاد شده به هم مي توانيم يك كرمچاله ايجاد كنيم كه صفحه بالايي يكي از ورق ها را به صفحه پائيني ورق ديگر وصل كند . تا اينجا تا حدودي با هندسه كرمچاله آشنا شديم . در مقاله بعدي با ساختار يك كرمچاله آشنا خواهيم شد .

نوشته شده توسط samanghan | لینک ثابت | موضوع: فیزیک |

نيروهاي اساسي و امواج گرانشي

حسين جوادي

مقدمه

گرانش يكي از چهار نيروي اساسي طبيعت است كه ماهيت عمل آن نظير ساير نيروها است، با اين تفاوت كه بسيار ضعيف تر از آنها است.

براي توضيح امواج گرانشي ناگزير بايد ساير نيروها را مورد دقت و بررسي قرار داد و با توجه به نحوه ي عملكرد آنها به توضيح عملكرد گرانش پرداخت. بنابراين در اين نوشته نيز اين نكته رعايت شده است تا درك امواج گرانشي را با تجارب و واقعيتهاي شهودي همراه سازد. بر اين اساس توجه به نظريه ي ذرات تبادلي براي شناخت و توضيح امواج گرانشي ضروري است.

نيرو

از نظر لغوي نيرو مفاهيم مختلفي دارد و در هيچ فرهنگي كلمه ي نيرو به صورتي جامع تعريف نشده است. شايد اين امر به آن دليل باشد كه نيرو تعريف پذير نيست.

اگر به آنچه كه معمولاً نيرو ناميده مي شود، دقت كنيم، از كثرت آن دچار شگفتي خواهيم شد. اين كثرت نيروها نبايد ما را به بيراهه بكشد. يكي از ويژگيهاي علم آن است كه كثرت را وحدت بخشد و در عين حال از وحدت بتواند موارد خاص و مختلف را نتيجه بگيرد. ما در اينجا به نيروهايي مي پردازيم كه در فيزيك به عنوان نيروهاي اساسي شناخته مي شوند و از اصطلاح برهم كنش براي آنها استفاده مي شود و ساير نيروهايي كه با آنها سروكار داريم ناشي از نيروهاي اساسي طبيعت است.

در طبيعت چهار نيروي اساسي شناخته شده كه عبارتند از :

گرانش

نخستين نيرويي كه به طور جدي مورد توجه قرار گرفت گرانش است. طبق قانون جهاني گرانش كه نيوتن كاشف آن است، هرگاه دو جسم در فاصله اي از يكديگر قرار گيرند، نيرويي برهم وارد مي كنند كه با حاصلضرب جرم دو جسم متناسب و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد. اين نيرو خاصيت ذاتي ماده است و تجربه نشان داده مستقل از خواص فيزيكي، شيميايي و محيطي همواره اعمال مي گردد. برد اين نيرو بينهايت است. دوباره به آن بر مي گرديم.

نيروي الكترومغناطيسي

دو جسم كه داراي بار الكتريكي باشند بر يكديگر نيرو وارد مي كنند. كولن تحت تاثير قانون جهاني گرانش نيوتن مقدار نيرويي را كه اجسام باردار بر يكديگر وارد مي كنند به طور رياضي بيان كرد كه طبق آن اين مقدار با حاصلضرب بارها متناسب و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد. كولن پس از ارائه قانون الكتريكي خود، در صدد تهيه قانوني براي نيروي مغناطيسي برآمد. كولن براي نيروي مغناطيسي فرمولي مشابه با نيروي الكتريكي به دست آورد كه مورد توجه فيزيكدانان واقع نشد. اما پس از كشف ارتباط متقابل ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي، مشخص شد كه اين دو ميدان مستقل از هم نيستند كه آن را نيروي الكترومغناطيسي مي نامند. برد اين نيرو نيز بينهايت است.

نيروي پر قدرت كوارك

نيروي قوي هسته اي كه نيروي رنگ نيز ناميده مي شود از جدا شدن بيش از حد كواركهاي هسته از يكديگر و يا حتي از پرت شدن آنها به خارج جلوگيري مي كند. نيروي پر قدرت كوارك يا نيروق قوي از طريق ذرات مبادله كننده يا به اصطلاح گلوئون ها انتقال مي يابدكه بين كواركها در پرواز هستند اين نيرو مانند چسب پيوستگي بين كواركها را تضمين ميكند. نيروي هسته اي كه پروتونها و نوترونها را در هسته اتم به هم پيوسته نگاه مي دارد در واقع نيروي بنيادي نيست بلكه نيرويي است كه از نيروي رنگ كواركها(يعني قويترين نيرويي كه به آن اشاره شد) به دست مي آيد. برد اين نيرو بسيار كوتاه است و در خارج از ساختمان اتم بي اثر است.

نيروي ضعيف

بسياري از ذرات نسبت به هيچ يك از دو نيروي ياد شده در بالا يعني نيروي قوي كوارك و نيروي الكترو مغناطيسي واكنش نشان نمي دهند از آن ميان ذراتي هستند كه فاقد بار الكتريكي و رنگ هستند براي اين گونه ذرات يك نيروي بنيادي ديگر وجود دارد كه در فاصله هاي خيلي خيلي كم كارگر است.

يكسان سازي نيروها

بسياري از فيزيكدانان ازجمله فارادي و پلانك اعتقاد داشتند نيروهاي گرانشي و الكترومغناطيسي تشابه بسيار زيادي به يكديگر دارند و احتمالاً رابطه ي مشابهي نظير آنچه كه بين نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي وجود دارد، بين گرانش و نيروي الكترومغناطيسي وجود دارد. آلبرت اينشتين نيز تلاش بسيار كرد كه اين دو نيرو را در يك نيروي اوليه خلاصه كند. اما موفق نشد. البته در زمان اينشتين نيروهاي مهم و مطرح همين دو نيروي گرانشي و الكترومغناطيسي بود.

امروز فيزيكدانها موفق شده اند نشان دهنده كه در درجه حرارتها و انرژيهاي بسيار بالا تفاوت بين نيروي الكتروو مغناطيسي و نيروي ضعيف از بين مي رود و امكان دارد كه در در جه حرارتها و انرژي ذره اي خيلي بالاتر تفاوت بين نيروي قوي و نيروي ضعيف و همچنين تفاوت بين "لپتونها " و "كواراكها " نيز از بين برود به گونه اي كه فقط يك ذره اوليه و يك نيروي اوليه وجود داشته باشد.

چنين روابطي را حتي با بزرگترين شتابدهنده ها نيز نمي توان برقراركرد ولي "فرضيه وحدت نيروها " احتمالاَ مي توانسته مدت بسيار كوتاهي پس از "انفجار اوليه " وجود داشته باشد يعني زماني كه هنوز تمام كيهان به صورت يك گو ي آتشين فوق فشرده و داراي بار انرژي عظيمي بوده است.

در قلمرو كوچكترين ها هنوز مطالب قابل پژوهش زيادي وجود دارد . مثلا فيزيكدانهاي قرن 21 مي توانند اين پرسش را مطرح كنند كه آيا كواركها و الكترونها هم از ذرات كوچكتري ساخته شده اند؟

ذرات تبادلي

نخستين گام براي توجيه نيروهاي هسته اي قوي در سال 1932 توسط هايزنبرگ برداشته شد. وي نظر داد كه پروتونها به وسيله ي نيروهاي تبادلي در كنار يكديگر قرار مي گيرند. به اين ترتيب مي توان تصور كرد كه دو ذره، به تبادل ذره ي سوم مي پردازند و ذره ي تبادلي دو ذره را به سوي هم مي راند. طبق نظريه هايزنبرگ، همه ي نيروهاي جاذبه و دافعه نتيجه ي ذرات تبادلي هستند. به شكلهاي پائين صفحه مراجعه كنيد.

در مورد جاذبه و دافعه ي الكترومغناطيسي، ذره ي تبادلي فوتون است. لازم به ذكر است كه فيزيكدانان به وجود دو نوع فوتون اعتقاد دارند، يكي فوتونهاي حقيقي كه قابل مشاهده هستند و ديگري فوتونهاي مجازي است كه نمي توان آنها را مشاهده كرد. فوتون مجازي نيز با سرعت نور حركت مي كند. فوتونهاي مجازي نتيجه ي اصل عدم قطعيت هستند.

در شكل زير نمودار فضا-زمان ذرات تبادلي بين دو الكترون (1) كه اثر آن دافعه است و يك الكترون و يك پروتون (2) كه اثر آن جاذبه است، نشان داده شده است:

شكل 1

در شكل بالا الكتروني در راس A يك فوتون مجازي توليد كرده و مي فرستد و الكترون دوم آنرا در راس B در مي آشامد. انرژي و اندازه حركت هر يك از الكترون هاي واكنش كننده در اثر تبادل فوتون تغيير مي كند. غير قابل مشاهده بودن فوتون مجازي امكان عدم بقاي انرژي و اندازه حركت را در طول بازه ي زماني بين گسيل و در آشاميدن فوتون فراهم مي كند. اصل عدم قطعيت انرژي فرض شده را كه توسط آن بقاي انرژي نقض مي شود به مقدار زير محدود مي كند:

dE=h/dt

كه در آن dt برابر است با بازه ي زماني بين گسيل و در آشاميدن فوتون مجازي است.

امواج گرانشي

نظريه ي نسبيت عام كه گرانش را به منزله ي انحناي فضا-زمان چهار بعدي مطرح مي كند، انواعي از پديده هاي غير عادي را پيش بيني مي كند. بنابر نسبيت عام هر جسمي كه جرم داشته باشد موجب مي گردد كه فضاي اطراف آن خميده شود. هر زمان كه اين جسم حركت كند، اين انحنا با صورت بندي جديد ماده متناسب مي گردد. اين تنظيم فضا-زمان با وضعيت متغيير مكاني ماده موجب مي شود كه امواج گرانشي با سرعت نور در فضا منتشر شود. در نتيجه هر جسم متحركي از خود تشعشعات گرانشي منتشر مي كند.

امواج گرانشي نسبت به ساير نيروها فوق العاده ضعيف است. براي مشاهده ي ضعيف بودن امواج گرانشي نسبت به امواج الكترومغناطيسي كافيست قانون گرانش و قانون كلون را براي دو الكترون بكار بريد. خواهيد ديد كه امواج الكترومغناطيسي تقريباً ده بتوان چهل مرتبه از امواج گرانشي قوي تر است.

وقتي امواج الكترومغناطيسي به ماده برخورد مي كنند، فقط ذرات باردار را تكان مي دهند. ولي امواج گرانشي موجب مي شوند كه تمام ذرات ماده تحت تاثير قرار گيرند. همچنين به دليل آنكه امواج الكترومغناطيسي بسيار قوي تر از امواج گرانشي است (تقريباً ده بتوان چهل بار) هنگام عبور امواج به همين نسبت نيز ذراتي كه در مسير آنها هستند تحت تاثير قرار مي گيرند.

در دهه ي 1960 ژوزف وبر از دانشگاه مريلند ترتيبي داد تا امواج گرانشي را آشكار سازد. آنتني كه وبر براي آشكار ساختن امواج گرانشي ساخت استوانه اي آلومينيمي بود به قطر 60 سانتيمتر و طول 1.5 متر كه وزن آن بيش از يك تن بود. اين استوانه توسط سيمي كه در وسط آن آن به دور استوانه پيچيده شده بود در يك محفظه ي خلا به طور معلق قرار داشت. همچنين اين محفظه به وسيله سيستمي از كمك فنرها از جهان خارج جدا شده بود. وقتي يك موج گرانشي از درون استوانه عبور مي كرد فشارهايي به وجود مي آورد. وبر براي آشكار كردن نوسانات حاصل، تعدادي كريستال پيزوالكتريك بر روي سطح استوانه نصب كرد. اين كريستالها نوسانات را به جريانهاي الكتريكي ضعيفي مبدل مي كنند. سپس اين جريانها تقويت و ثبت مي شوند. يك چنين استوانه ي آلومينيمي به دليل وجود تاثيرات گرمايي همواره در حال نوسان خواهد بود. براي غلبه بر اين مشكل صافيهايي الكترونيكي در سيستم نصب شده تا تمام نوسانات را به استثناي بزرگترين آنها حذف كند. علاوه بر اين وبر دو عدد از اين آنتنها را يكي در دانشگاه مريلند در نزديكي واشنگتن و ديگري را در آزمايشگاه ملي ارگون خارج از شيكاگو نصب كرد. اين دو آنتن بوسيله خطوط تلفن به نحوي به هم وصل بودند كه نوسانات بزرگ آني كه در هر دو ايستگاه رخ مي داد، به سرعت ثبت مي كردند.

در سال 1969 وبر با اعلام اين خبر كه امواج گرانشي را به طور موفقيت آميزي آشكار كرده فيزيكدانان را متحير كرد. هر روزه حداقل يك نوسان بزرگ ثبت مي شد و نشان مي داد كه يك موج گرانشي به زمين برخورد مي كند. با اين وجود بسياري از دانشمندان نسبت به درستي نتايج آزمايش وبر مشكوك هستند. هرچند كه هيچ كس نتوانسته نشان دهد كه كدام قسمت از نتايج آزمايش وبر نادرست است.

اشكالات امواج گرانشي در نسبيت عام

همچنانكه مي دانيم در نسبيت عام گرانش اثر هندسي ماده بر فضاي اطرافش است و آنرا فضا-زمان مي نامند كه كميتي پيوسته است. با حركت جسم ميزان انحناي فضا نيز تغيير مي كند. اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كميتي پيوسته است آنگاه با مكانيك كوانتوم ناسازگار خواهد بود. يعني از چهار نيروي اساسي سه تاي آنها كوانتومي و يكي پيوسته است. اگر فرض كنيم كه امواج گرانشي نيز كوانتومي است كه در اين صورت فضا-زمان با امواج گرانشي كه نسبيت خود باني است ناسازگار خواهد بود. تنها راه حل ممكن اين است كه فضا-زمان نيز كوانتومي باشد و اين همان چيزي است كه نظريه ي سي. پي. اچ. بر آن تاكيد دارد. در نظريه سي. پي. اچ. گرانش كوانتومي است.

نظريه سي. پي. اچ. و امواج گرانشي

در نظريه سي. پي. اچ. امواج گرانشي همواره در اطراف اجسام وجود دارد و اين امواج ناشي از تبادل سي. پي. اچ. بين اجسام است. با توجه به هم ارزي نيرو و انرژي كه نظريه سي. پي. اچ. مطرح كرده براي تبادل ذرات بين اجسام كه نيروي گرانش را حمل مي كنند نيازي به نقض قانون بقاي انرژي نيز نمي باشيم.

براي توضح بيشتر در اين مورد نخست سي. پي. اچ. را تعريف كرده و گرانش را از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بيان و آنگاه دو باره به اين بحث خواهم پرداخت.

در نظريه سي. پي. اچ. نيرو و انرژي قابل تبديل به يكديگر هستند. همچنين با توجه به نسبيت كه در آن جرم و انرژي هم ارزند، بنابر اين، نيرو، انرژي و جرم هم ارز مي باشند. و مي توان نتيجه گرفت كه نيرو، انرژي و جرم سه جلوه (ظاهر) متفاوت از يك ذره واحد و بنيادي هستد و ما بايد تصورات خود را در مورد نيرو، انرژي و جرم تغيير دهيم.

تعريف CPH

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 (شكل 2). و Vc>c, c is speed of light بنابراين سي. پي. اچ. داراي اندازه حركت خطي برابر mVc است.

2 شكل

اصل CPH

Principle of CPH سي. پي. اچ. يك ذره بنيادي با جرم ثابت است كه با مقدار سرعت ثابت حركت مي كند. اين ذره داراي لختي دوراني است. در هر واكنش بين اين ذره با ساير ذرات يا نيروها در مقدار سرعت آن تغييري داده نمي شود، بطوريكه:

gradVc=0 in all inertial frames and any space

CPH is a particle with constant mass m and moves with constant speed Vc

تشريح Explain

با توجه به شكل 2 اين ذره داراي اندازه حركت P=mVc .است همچنين داراي لختي دوراني I است. Momentum of Inertia I

هنگاميكه نيروي خارجي بر آن اعمال شود، قسمتي از سرعت انتقالي آن به سرعت دوراني (يا بالعكس ) تبديل مي شود، بطوريكه در مقدار Vc تغييري داده نمي شود. يعني اندازه حركت خطي آن به اندازه حركت دوراني و بالعكس تبديل مي شود. بنابراين مجموع انرژي انتقالي و انرژي دوراني آن نيز همواره ثابت است. تنها انرژي انتقالي آن به انرژي دوراني و بالعكس تبديل مي شود.

هنگاميكه سي. پي. اچ. داراي حركت دوراني حول محوري كه از مركز جرم آن مي گذرد است، يعني زمانيكه سي. پي. اچ. داراي Spin است، آن را گراويتون مي ناميم. شكل 3

شكل 3

هنگاميكه گراويتون روي يك ذره/جسم كار انجام مي دهد، گراويتون ناپديد شده و به انرژي جسم تبديل مي شود. زيرا اين امر قابل توجيه نيست كه نيرو توليد انرژي كند و هيچ تغييري در آن ايجاد نشود تمام تلاشها براي پيدا كردن يك نيروي اساسي واحد در طبيعت به اين دليل بي نتيجه بوده است كه فيزيكدانان هيچ توجهي به تغييرات نيرو نداشته اند. در حقيقت نيرو و انرژي قابل تبديل به يكديگرند. يعني نيرو به انرژي تبديل مي شود و انرژي نيز به نيرو تبديل مي شود.

همچنين يك گراويتون روي گراويتون ديگر كار انحام مي دهد، اما نتيحه ي اين كار تغيير انرژي جنبشي به انرژي دوراني است . شكل 4

هنگاميكه گراويتون ها در كنار يكديگر قرار مي گيرند (ادغام مي شوند) همان جلوه اي را از خود بروز مي دهند كه ما آن را انرژي مي ناميم.

شكل4 نشان مي دهد كه دو گراويتون در فاصله r , يكديگر را حس كرده و جذب مي كنند. اما چون مقدار سرعت آنها ثابت است، حركت انتقالي آنها به حركت دوراني Spin تبديل مي شود.

شكل 4

يك فوتون از تعدادي گراويتون تشكيل مي شود كه داراي Spin هستند . شكل5.

شكل 5

همچنين فوتون داراي اسپين است. بنابراين هنگاميكه فوتون با سرعت نور حركت مي كند، گرايتون هايي كه فوتون را تشكيل داده اند داراي حركتهاي زير مي باشند.

حركت انتقالي برابر سرعت نور، زيرا فوتون با سرعت نور منتقل مي شود و اجزاي تشكيل دهنده آن نيز الزاماً با همين سرعت منتقل مي شوند

حركت دوراني (اسپين)، زيرا طبق اصل سي. پي. اچ. مقدار سرعت سي. پي. اچ. بيشتر از سرعت نور است و هنگاميه سي. پي. اچ. ها با يكديگر ادغام مي شوند و ساير ذرات را تشكيل مي دهند، مقداري از سرعت انتقالي آنها به اسپين تبديل مي شود.

و حركت ناشي از اسپين فوتون، زيرا گراويتون ها در ساختمان فوتون هستند و از حركت اسپيني فوتون سهم مي برند. شكل 5

نظريه سي. پي. اچ. براي اولين بار هم ارزي نيرو و انرژي را مطرح كرده است. اين نظريه با مطرح كردن يك اصل ساده و بنيادي به توجيه پديده ها مي پردازد.

gradVc=0 in all inertial frames and any space

اين نظريه يك زير بناي كاري بسيار ساده را براي توجيه پديده ها تشكيل مي دهد. طبق اين نظريه تمام ذرات بنيادي،نيروهاي اساسي، انرژي و جرم (ماده و پاد ماده) از ذره ي واحدي تشيل مي شوند.

CPH نيروي گرانش محض است.

در حقيقت CPH يك زير كوانتوم هستي در طبيعت است.

گرانش Gravity

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 گرانشي 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. هنگاميه مي خواهيم آن را از زمين جدا كنيم، زمين را به دنبال خود مي كشد شكل 6

شكل 6

امواج گرانشي از سي. پي. اچ. ها تشكيل مي شود.

همچنانكه در بالا بيان شد، ميدان گرانشي در اطراف اجسام به اين دليل وجود دارد كه اجسام همواره با يكديگر در حال تبادل سي. پي. اچ. هستند. در شكل 7 يك گراويتون از جسم 1 به جسم 2 مي رسد و جسم 2 با ارسال يگ گراويتون به طرف 1 واكنش نشان مي دهد. جسم 1 نيز به محض دريافت گراويتون از جسم 2 با ارسال گراويتون ديگري به طرف جسم 2 تغيير مسير مي دهد.

شكل 7

حال 3 جسم را در نظر بگيريد كه چگونه با تبادل گراويتون در ارتباط با يكديگر هستند. شكل 8

شكل 8

فضا توسط CPH خميده مي شود

همچنانكه مي دانيم فركانس فوتون در ميدان گرانشي تغيير مي كند. هنگاميكه گرانش روي فوتون كار انجام مي دهد، انرژي و فركانس فوتون افزايش مي يابد. در صورتيكه كار منفي باشد، انرژي و فرانس فوتون كاهش مي يابد. هنگام جابجايي به سمت سرخ گرانش كار منفي است. و هنگام جابجايي به سوي آبي كار مثبت است. هنگاميكه فوتون در حال فرار از ميدان گرانشي است، جابجايي به سمت سرخ است و هنگام سقوط در ميدان گرانشي، جابجايي به سمت آبي است. اگر نور در فضايي عبور كند كه در آنجا ميدان گرانشي وجود نداشته باشد، مسير آن خط مستقيم است.

حال فرض كنيد نور از ميدان گرانشي يك جسم چگال عبور مي كند، گرانش روي آن كار انجام مي دهد. اگر فاصله بين فوتون و جسم كم شود، نور به سمت آبي جابجا مي شود و هنگاميكه فاصله افزايش مي يابد، جابجايي به سمت سرخ است. شكل 8

در شكل 9 نشان داده شده كه ناظر داخل و خارج مسير نور را چگونه مي بينند.

شكل 9

تغيير انحناي فضا و تبادل سي. پي . اچ

همچنانكه در بالا بيان شد، فضاي اطراف اجسام داراي انحنا است و اين انحنا به دليل وجود سي. پي. اچ. است.

بنابراين ميزان انحناي فضا به چگالي سي. پي. اچ. در فضا بستگي دارد. با حركت جسم، چگالي سي. پي. اچ. در فضا تغيير مي كند و فضا انحناي جديد خود را با سي. پي. اچ. هاي موجود در هر لحظه تنظيم مي كند. بنابراين فضا-زمان كميتي كوانتومي است كه به اين ترتيب ناسازگاري فضا-زمان با مكانيك كوانتوم بر طرف خواهد شد.

حال به اين موضوع توجه كنيد كه گراويتون هايي كه از ماه يا خورشيد يا ساير اجسام به زمين مي رسند، در هر لحظه به تعداد زيادي وارد مي شوند و فشار زيادي به زمين وارد مي كنند و موجب انقباض زمين مي شوند.

زمين نيز به همان ميزان گراويتون متصاعد مي كند و بدين ترتيب منبسط مي شود. در واقع زمين و ساير اجسام مانند يك كره ي نواسانگر عمل مي كند و دائماً در حال ارتعاش هستند. اين نوسانات موجب توليد و انتشار امواج گرانشي در فضا مي شود.

منابع

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html

كواركها نوشته هارالد فربج ترجمه جهانشاه ميرزا بيگي انتشارات علمي و فرهنگي

مرزهاي فيزيك - ستاره شناسي نوشته فرد هويل و جايانت نارليكار ترجمه بهزاد قهرمان انتشارات آستان قدس رضوي

نظريه هاي علمي- رد يا تعميم نوشته حسين جوادي انتشارات اتا

نسبيت و مفهوم نسبيت نوشته آلبرت اينشتين ترجمه محمدرضا خواجه پور انتشارات خوارزمي

اختر فيزيك نسبيتي نوشته رومن سگسل و هانه لوره سگسل ترجمه رضا منصوري انتشارات مركز نشر دانشگاهي

نسبيت و كيهان شناسي نوشته ويليام جي-كافمن ترجمه تقي عدالتي و بهزاد قهرمان انتشارات مركز نشر دانشگاهي

تاريخچه زم