پایان فیزیک

[Rez@ee]

در 29 اوریل 1980 در سالن کنفرانس کوکرافت در کمبریج انگلستان جایی که عرصه بالیدن تامسون و راترفورد بود، دانشمندان و مقامات دانشگاه روی صندلی‌های ردیف‌شده بر کف شیب‌دار سالن که مقابل دیواری پوشیده از وایت‌برد و پرده اسلاید بود، گرد‌هم آمده بودند. این جلسه برای وضع اولین خطابه یک پروفسور جدید کرسی لوکاشین(Lucasian) ریاضی برقرار شده بود. این پروفسور استفن ویلیام هاوکینگ ریاضی‌دان و فیزیک‌دان 38 ساله بود.
عنوان خطابه یک سوال بود:
آیا دورنمای پایان فیزیک نظری دیده می‌شود؟
و هاوکینگ با اعلام این که پاسخ او به این سوال مثبت است، شنوندگان را شگفت‌زده کرد! او از حضار دعوت کرد تا به او بپیوندند و با گریزی شورانگیز از میان زمان و مکان جام‌مقدس علم را بیابند. یعنی نظریه‌ای که جهان و هر چه را که در آن روی می‌دهد، تبیین کند.
استفن هاوکینگ در حالی که یکی از شاگردانش خطابه او را برای جمعیت گرد آمده قرائت می‌کرد. روی صندلی‌چرخ‌دار نشسته بود. در یک قضاوت ظاهری به‌نظر نمی‌رسید که او انتخاب مناسبی برای رهبری یک کار خطیر باشد. فیزیک نظری برای او گریز بزرگی از یک زندان بود. زندانی بسیار بدتر از آن‌چه در مورد آزمایشگاه‌های قدیمی کاوندیش به طعنه بیان می‌شد. از اوایل بیست سالگی او با بیماری از کار افتادگی روزافزون که از مرگ زودرس او خبر می‌داد، می‌ساخت. هاوکینگ مبتلا به اسکلروز جانبی آمیوتروفیک(Amyotrophic Lateral Sclerosis) یا ALS بود و زمانی که کرسی لوکاشین رو عهده‌دار شد، دیگر توانایی راه رفتن، نوشتن، غذا خوردن، را نداشت و اگر سرش به پایین می‌افتاد نمی‌توانست آن را بلند کند. صحبت کردن او غیر مفهوم و فقط برای کسانی که وی را خوب می‌شناختند قابل درک بود. برای خطابه لوکاشین، او با زحمت فراوان متن مورد نظر خود را قبلاْ دیکته کرده بود تا شاگردش بتواند، آن را قرائت کند. اما هاوکینگ معلول نبوده و نیست. او یک ریاضی‌دان و فیزیک‌دان برجسته است و بسیاری او را برجسته‌ترین فیزیک‌دان پس از انیشتین می‌دانند. کرسی لوکاشین یک مقام آکادمیک ممتاز است که زمانی سر آیزاک نیوتن عهده‌دار آن بود.
هاوکینگ ضمن مبارزه دائمی با بیماری لاعلاجش همواره در تلاش برای دستیابی به پاسخ این سوال اصلی کیهان‌شناسی بوده است که این جهان از کجا آمده و به کجا می‌رود؟ زندگی او تلاشی مستمر و پیگیر در راه کشف حقایق این جهان است. او به دنبال نظریه «همه چیز» است. نظریه جامعی که بتواند قوانین حاکم بر جهان را در یک سری معادلات و قواعد خلاصه کند. موقعی که نظریه نسبیت عمومی انیشتین را برای توضیح برخی ویژگی‌های فیزیکی سیاهچاله‌ها ناتوان می‌بیند، به مکانیک کوانتومی متوسل می‌شود. سعی می‌کند این دو را در هم آمیزد. فرضیه‌ای مطرح می‌کند. فرضیه‌اش را مورد سوال قرار می‌دهد. در راه کشف حقیقت به سوال‌هایی برمی‌خورد. فضای خالی، خالی نیست! سیاه‌چاله‌ها سیاه نیستند! آغازها می‌توانند پایان‌ها باشند و .... حقیقت بسیار پیچیده و گریزان است. آیا هاوکینگ و دانشمندان دیگر روزی به نظریه همه چیز دست خواهند یافت؟
دانشمندان زیادی در این زمینه تلاش می‌کنند. برخی حداقل به اندازه هاوکینگ شهرت دارند. اما چیزی که زندگی هاوکینگ را متمایز می‌کند، امید است. 39 سال از از زمانی که پزشکان برای هاوکینگ عمری دو یا سه ساله در حالی که تکه‌گوشتی بیشتر نخواهد بود پیش‌بینی کرده بودند، می‌گذرد. او هنوز با بیماریی که تمام عضلات او را از کار انداخته است، مبارزه می‌کند و کماکان به حیات پربار خود ادامه می‌دهد. پیام او به دیگران همواره این بوده است که به بیماری‌اش نیندیشند.


منبع : www.hupaa.com - هوپا

[Rez@ee]

قواعدی پشت قواعد دیگر


هر ماده‌ای که بیندیشیم در جهان وجود دارد(مردم، هوا، یخ، ستارگان، گازها، میکروب‌ها، صفحه مانیتور شما) از اجزاء ساختاری بسیار ریزی به‌نام اتم تشکیل شده اند. می‌دانیم که اتم‌ها بنوبه خودشان از موجودات کوچکتری به نام ذرات و یک فضای خالی بسیار بزرگ(در مقایسه با ابعاد این ذرات) ساخته شده‌اند. همچنین می‌دانیم که برخی از ذرات خود از ذرات ریزتری تشکیل شده‌اند.
ذرات مادی رو که همگی می‌شناسیم. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الکترون‌ها که به دور هسته می‌چرخند. ذرات مادی اتم رو به‌نام کلی فرمیون‌‌ها می‌شناسیم.
فرمیون‌ها یک سیستم پیام‌رسانی دارند که بین آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌های معینی موجب ایجاد تاثیر و در نتیجه تغییراتی در آن‌ها می‌شود. سیستم پیام‌رسانی انسان‌ها را در نظر بگیرید. کبوتر نامه‌بر، پست، تلفن و فکس سرویس‌های این سیستم می‌تانند نامیده شوند. اما همه انسان‌ها از هر 4 سرویس فوق برای رد و بدل کردن پیام بین همدیگر استفاده نمی‌کنند.
در مورد ذرات مادی هم سیستم پیام‌رسانی وجود دارد که سرویس‌های چهارگانه‌ای دارد. این سرویس‌ها را نیرو می‌نامیم. ذراتی وجود دارد که این پیام‌ها را بین فرمیون‌ها و در برخی موارد حتی بین خود رد و بدل می‌کنند. این ذرات پیام‌رسان به‌طور مشخص بوزونBoson نامیده می‌شوند.
پس هر ذره‌ای که در جهان وجود دارد یا فرمیون هست یا بوزون.
گفتیم که سرویس‌های پیام‌رسان 4گانه نیرو نامیده می‌شوند. یکی از این نیروها گرانش هست. نیروی گرانش را که ما را روی زمین نگه می‌دارد، می‌توانیم مثل پیامی در نظر بگیریم. حامل این پیام نوعی بوزون هست که گراویتون نامیده می‌شود. گراویتون‌ها حامل پیامی بین ذرات اتم‌های بدن ما و ذرات اتم‌های زمین هستند و به ذرات مذکور می‌گویند که به‌هم نزدیک شوند.
نیروی دوم یا نیروی الکترومغناطیس پیام‌هایی هست که به‌وسیله بوزون‌هایی به‌نام فوتون بین پروتون‌های درون هسته یک اتم و الکترون‌های نزدیک به آن، یا بین الکترون‌ها رد و بدل می‌شوند. این پیام‌ها موجب می‌شوند که الکترون‌ها دور هسته گردش کنند. در مقیاس‌های بزرگ‌تر از اتم فوتونها خودشان را بصورت نور نشان می‌دهند. سومین سرویس پیام‌رسان نیروی قوی است که موجب می‌شود هسته اتم یکپارچگی خود را حفظ کند و چهارمین سرویس نیروی ضعیف است که موجب رادیواکتیویته می‌شود.
فعالیت این 4 نیرو باعث رد و بدل شدن پیام بین کلیه فرمیون‌های جهان و برهمکنش بین آنها می‌شود. بدون این 4 نیرو هر فرمیون اگر هم وجود داشته باشد در جدایی به‌سر می‌برد، بدون این که بتواند با آنها مرتبط شود و بر آنها تاثیر بگذارد. بزبان ساده‌تر:
اگر چیزی بوسیله این چهار نیرو روی ندهد، اتفاقی نخواهد افتاد.
درک کامل این چهار نیرو به ما امکان می‌دهد تا اصولی را که مبنای همه رویدادهای جهان هست، درک کنیم.
بسیاری از کارهای فیزیک‌دانان قرن بیستم برای آگاهی بیشتر از طرز عمل این جهار نیروی طبیعی و ارتباط بین آنها انجام شد. در سیستم پیام‌رسانی انسان‌ها، ممکن هست به این موضوع واقف بشیم که تلفن و فکس دو سرویس جداگانه نیستند. بلکه هر دو اجزای یک سیستم واحدند که به دو طریق متفاوت جلوه‌گر می‌شوند. آگاهی از این واقعیت موجب یگانگی دو سیستم پیام‌رسانی خواهد شد. به طریق مشابهی فیزیک‌دان‌ها تا حدودی با موفقیت سعی کردند نوعی یگانگی بین نیروها رو استنباط کنند. آنها امیدوار بودند نظریه‌ای بیابند که در غایت امر هر چهار نیرو را بوسیله یک ابرنیرو توجیه کند. نیرویی که خودش را به‌گونه‌های مختلف نشان می‌دهد و نیز موجب یگانگی فرمیون‌ها و بوزون‌ها در یک خانواده می‌شود. فیزیک‌دان‌ها این نظریه را نظریه یگانگی نام دادند. این نظریه باید دنیا را توجیه کند. یعنی نظریه همه چیز باید یک قدم پیش‌تر برود و به این سوال پاسخ بده: دنیا در لحظه آغاز قبل از این که زمانی بگذرد، چگونه بوده است؟
فیزیک‌دان‌ها همین سوال را بزبان خودشان با این عبارت بیان می‌کنند که: شرایط اولیه یا شرایط مرزی در آغاز جهان چه بوده است؟
درک کامل ابرنیرو ممکن هست که درک شرایط مرزی را هم برای ما امکان‌پذیر کند. از طرف دیگر ممکن است که ضروری باشد که ما شرایط مرزی را بدانیم تا بتوانیم ابرنیرو را بفهمیم. این دو بطور تنگاتنگی با یکدیگر ارتباط دارند و نظریه پردازان هم از هر دو طرف مشغول کار هستند تا به «نظریه همه‌چیز» ( از منشا آلمانی= Weltformel ) دست پیدا کنند.

منبع : www.hupaa.com - هوپا

[Rez@ee]

پایان فیزیک - بخش سوم

نظریه‌ها

نظریه نسبیت عام اینشتین نظریه‌ای در باره جرم‌های آسمانی بزرگ مثل ستارگان، سیارات و کهکشان‌هاست که برای توضیح گرانش در این سطوح بسیار خوب است.
مکانیک کوانتومی نظریه‌ای است که نیروهای طبیعت را مانند پیام‌هایی می‌داند که بین فرمیون‌ها(ذرات ماده) رد و بدل می‌شوند. این نظریه اصل ناامیدکننده‌ای را نیز که اصل عدم قطعیت نام دارد در بر می‌گیرد. بنابر این اصل هیچ‌گاه ما نمی‌توانیم همزمان مکان و سرعت(تندی و جهت حرکت) یک ذره را با دقت بدانیم. با وجود این مسئله مکانیک کوانتومی در توضیح اشیاء، در سطوح بسیار ریز خیلی موفق بوده بوده است.
یک راه برای ترکیب این دو نظریه بزرگ قرن بیستم در یک نظریه واحد آن است که گرانش را همانطور که در مورد نیروهای دیگر با موفقیت به آن عمل می‌کنیم، مانند پیام ذرات در نظر بگیریم. یک راه دیگر بازنگری نظریه نسبیت عام اینشتین در پرتو نظریه عدم قطعیت است.
اما اگر نیروی گرانش را مانند پیام بین ذرات در نظر بگیریم، با مشکلاتی مواجه می‌شویم. قبلاْ دیدیم که شما می‌توانید نیرویی را که شما را روی زمین نگه می‌دارد، مثل تبادل گراویتون‌ها(همان پیام‌رسان‌های گرانش) بین ذرات بدن خود و ذراتی که کره زمین را تشکیل می‌دهند، در نظر بگیرید. در اینصورت نیروی گرانشی با روش مکانیک کوانتومی بیان می‌شود. اما چون همه گراویتونها بین خود نیز رد و بدل می‌شوند، حل این مساله از نظر ریاضی بسیار بغرنج می‌شود. بی‌نهایت‌هایی حاصل می‌شوند که خارج از مفهوم ریاضی معنایی ندارند. نظریه‌های علم فیزیک واقعاْ نمی‌توانند با این بی‌نهایت‌ها سر و کار داشته باشند. آن‌ها اگر در نظریه‌های دیگر یافت شوند، تئوریسین‌ها به روشی که آن را ری‌نرمالیزیشن یا بازبهنجارش می‌نامند، متوسل می‌شوند. ریچارد فاینمن در این باره می‌گوید: این کلمه هر چقدر زیرکانه باشد، باز من آن را یک روش دیوانه‌وار می‌نامم. خود او هنگامی که روی نظریه‌اش در مورد نیروی الکترومغناطیسی کار می‌کرد، از این روش سود جست. اما او به این کار زیاد راغب نبود. در این روش از بی‌نهایت‌های دیگری برای خنثی کردن بی‌نهایت‌های نخستین، استفاده می‌شود. نفس این عمل اگر چه مشکوک است ولی نتیجه در بسیاری از موارد کاربرد خوبی دارد. نظریه‌هایی که با به‌کارگیری این روش به‌دست می‌آیند، خیلی خوب با مشاهدات همخوانی دارند.
استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نیروی الکترومغناطیسی کارساز است ولی در مورد گرانش این روش موفق نبوده. بی‌نهایت‌ها در مورد نیروی گرانش از جهتی بدتر از بی‌نهایت‌های نیروی الکترومغناطیسی هستند و حذفشان ممکن نیست. ابرگرانش که هاوکینز در خطابه لوکاشین خود بدان اشاره کرد و نظریه ابرریسمان که در ا» اشیاء بنیادی جهان، بصورت ریسمان‌های نازکی هستند، پیشرفت‌های امیدوار کننده‌ای داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.

راه دیگر


از طرف دیگر اگر ما مکانیک کوانتومی را برای مطالعه اجسام بسیار بزرگ در قلمرویی که گرانش فرمانروای بی‌چون و چرا است، بکار گیریم، چه خواهد شد؟ به‌دیگر سخن اگر ما آنچه را که نظریه نسبیت عام در باره گرانش می‌گوید، در پرتو اصل عدم قطعیت بازنگری کنیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟
همانطور که گفتیم طبق اصل عدم قطعیت(Uncertainty principle) نمی‌توان با دقت مکان و سرعت یک ذره را همزمان اندازه گرفت. آیا این بازنگری موجب تفاوت زیادی خواهد شد؟ در ادامه خواهیم دید که استفن‌هاوکینگ در این زمینه به چه نتایج شگرفی دست یافته است.
سیاهچاله‌ها سیاه نیستند!
شرایط مرزی ممکن است به این نتیجه منتهی شود که مرزی وجود ندارد حالا که از ضد و نقیض‌ها گفتیم، یکی دیگر هم اضافه کنیم:
فضای خالی، خالی نیست
در ادامه خواهیم دید که چگونه می‌توان به این نتیجه رسید. فعلا همینقدر بدانیم که اصل عدم قطعیت بدان معنی است که فضا مملو از ذره و پادذره است!
نظریه نسبیت عام همچنین به مـــا می‌گوید کـــه وجود ماده یـــا انرژی سبب خمیدگی یــا تاب‌خوردن فضا-زمان می‌شود. یک نمونه خمیدگی آشنا می‌شناسیم. خمیدگی باریکه‌های نور ستارگان دور هنگامی که از نزدیکی اجسام با جرم بزرگ نظیر خورشید می‌گذرند.

این دو موضوع را به‌یاد داشته باشیم:


1- فضای «خالی» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع کل انرژی آن‌ها مقداری عظیم یا مقداری بی‌نهایت از انرژی است.
2- وجود این انرژی باعث خمیدگی فضا-زمان می‌شود.

ترکیب این دو ایده ما را به این نتیجه می‌رساند که کل جهان می‌بایستی در یک توپ کوچک پیچیده شده باشد. چنین چیزی روی نداده است! بدین‌سان موقعی که از نظریه‌های نسبیت عام و مکانیک کوانتومی توامان استفاده می‌شود، پیشگویی آن‌ها اشتباه محض است.
نسبیت عام و مکانیک کوانتومی هر دو نظریه‌های فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترین دستاوردهای فیزیک در قرن گذشته هستند. از این دو نظریه نه‌تنها برای هدف‌های نظری بلکه برای بسیاری کاربردهای عملی، به‌نحوی درخشان استفاده می‌شود. با وجود این اگر آن‌ها را با هم در نظر بگیریم، نتیجه همانطور که دیدیم بی‌نهایت‌ها و بی‌معنی بودن است. نظریه همه چیز باید به‌نحوی این بی‌معنا بودن را حل کند.

منبع : www.hupaa.com - هوپا

[Rez@ee]

پایان فیزیک - بخش چهارم

آیا پیش‌گویی ممکن است؟


نظریه همه‌چیز باید بتواند این امکان را به‌شخصی که جهان ما را ندیده است، بدهد که همه چیز را پیش‌گویی کند. با چنین نظریه‌ای شاید بشود خورشیدها و سیارات و کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌ها و کوزارها را پیشگویی کرد. اما آیا می‌شود به‌وسیله آن برنده مسابقه اسب‌دوانی سال أینده ایالت کنتاکی را پیشگویی کنیم؟ آیا این پاسخ قابل اعتماد است؟ نه‌چندان!
محاسبات لازم برای بررسی همه داده‌های جهان بطور مضحکی بسیار فراتر از ظرفیت هر کامپیوتر قابل تصوری خواهد بود.
هاوکینگ می‌گوید که گر چه ما می‌توانیم معادلات حرکت دو جسم را با استفاده از نظریه نیوتن محاسبه کنیم، اما نمی‌توانیم همین محاسبات را دقیقاْ برای حرکت سه‌جسم انجام دهیم! علت آن نیست که قوانین نیوتن در مورد بیش از دو جسم صادق نیستند. بلکه پیچیدگی ریاضی معادلات کار را سخت می‌کند. لازم به یادآوری هم نیست که در جهان واقعی با بیش از سه جسم روبرو هستیم.
ما در خصوص سلامتی خود نیز با وجود این که به شالوده اصول دانش پزشکی، شیمی، بیولوژی بسیار مسلط هستیم، نمی‌توانیم پیش‌گویی کنیم. در اینجا نیز مساله آن هست که میلیاردها میلیارد رویدادهای جزئی در سیستم بدن انسان وجود دارد.
با دستیابی به نظریه همه چیز ما هنوز به طرز گیج‌کننده‌ای از پیش‌گویی همه‌ چیزها دور خواهیم بود. حتی اگر اصول زیربنایی ساده و به‌خوبی فهمیده شده باشند، نحوه عملکرد آن‌ها فوق‌العاده پیچیده است. پس این که چه اسبی در مسابقه اسب‌دوانی سال آینده کنتاکی برنده می‌شود، با نظریه همه‌چیز قابل پیشگویی است. اما هیچ کامپیوتری نمی‌تواند تمام داده‌های این پیشگویی را در خود جای داده و معادلات آن را حل کند. آیا این درست است؟
آری و خیر! زیرا یک مسئله دیگر باقی است! اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی!!! در سطح بسیار ریز یعنی سطح کوانتومی جهان، اصل عدم قطعیت توانایی ما را برای پیش‌گویی رویدادها بسیار محدود می‌کند.
ساکنان عجیب و گرفتار دنیای کوانتوم‌ یعنی فرمیون‌ها و بوزون‌ها را در نظر بگیرید. این‌ها باغ‌وحش عظیمی از ذرات را تشکیل می‌دهند. الکترون‌ها و پروتونها و نوترونها در میان فرمیون‌ها وجود دارند. هر پروتون و نوترون به نوبه خود از سه کوارک که آن‌ها هم فرمیون هستند، تشیل شده است. بعد بووزن‌ها را داریم. فوتون‌ها پیام‌رسان نیروی الکترومنیتیک، گراویتون‌ها پیام‌رسان نیروی جاذبه، گلوئون پیام‌رسان نیروی قوی و wها و Zها پیام‌رسان نیروی ضعیف هستند. دانستن این که این‌ها و خیلی از موجودات شبیه آن‌ها کجا هستند؟ به کجا می‌روند؟ و با چه سرعتی می‌روند، ممکن است ما را یاری کند. اما آیا می‌توانیم این چیزها را بدانیم؟ ارنست راترفورد در اوایل قرن بیستم در آزمایشگاه کاوندیش کمبریج، مدلی از اتم را ارائه داد که در آن الکترونها در مدارهایی شبیه مدار سیارات به دور خورشید، دور هسته اتم می‌گردند. ما اکنون می‌دانیم که مدارات الکترونها را نمی‌توان به این دقت و وضوح رسم کرد. بهتر اسن بجای آن مدار الکترون‌ها را بصورت پراکنده و نامشخص شبیه ابری در اطراف هسته تصور کنیم. این وضعیت در مورد همه ذرات دیگر هم به همین شکل است. اصل عدم قطعیت همانطور که گفته شد، می‌گوید که نمی‌توان با دقت به‌طور همزمان مکان و سرعت یک ذره را تعیین کرد. موضوع مثل الاکلنگی است که پایین رفتن یک سمت آن، منجر به بالا رفتن سمت دیگر می‌شود. هر چه سرعت را دقیق‌تر اندازه بگیریم دقتمان در تعیین مکان ذره کمتر می‌شود و برعکس هر چه مکان دقیق‌تر پیش‌بینی شود، سرعت ذره را با دقت کمتری می‌توان تعیین کرد. در دنیای کوانتوم موشکافی بیشتر به ویرانی می‌انجامد. برای توصیف مدار یک ذره بهترین راه آن است که همه راه‌هایی را که آن ذره می‌تواند حرکت کند، بررسی و محاسبه کنیم. این عمل ما را به مبحث احتمالات می‌کشاند. در نهایت فقط می‌توانیم بگوییم که این ذره احتمال دارد در فلان مسیر حرکت کند و احتمال دارد فلان‌جا باشد. با تمامات ابهامات چنین راهی، استفاده از آن اطلاعات مفیدی به ما می‌دهد.
در فیزیک کوانتومی فیزیک‌دانان راه‌های ماهرانه‌ای ابداء کرده‌اند تا زیرکانه ذرات را مشاهده کنند. اما کارشان بی‌ثمر مانده است. علت آن نیست که ما هوشیارانه عمل نکردیم یا بهترین ابزار مشاهده و اندازه‌گیری را به‌کار نگرفته‌ایم. دنیای ذرات حقیقتاْ مبهم و غیر قطعی است.
تعجب‌آور نیست که هاوکینگ در سخنرانی لوکاشین خود از مکانیک کوانتومی به عنوان «نظریه‌ای در باره آن‌چه نمی‌دانیم و نمی‌توانیم پیش‌گویی کنیم» یاد کرد.


منبع : - هوپا www.hupaa.com

[Rez@ee]

پایان فیزیک - بخش پنجم

بازنگری در هدف علم فیزیک


با در نظر گرفتن محدودیت‌هایی که از آن‌ها یاد شد، فیزیک‌دانان تعریف جدیدی را از علم ارائه کرده‌اند: نظریه همه چیز مجموعه‌ای از قوانینی خواهد بود که پیشگویی رویدادها را تا حدی که اصل عدم قطعیت معین کرده است، امکان‌پذیر می‌سازد!
این بدان معنی است که در بسیاری موارد باید به احتمالات راضی شویم و از گرفتن نتایج مشخص و دقیق صرف‌نظر کنیم!
استیون هاوکینگ مسئله را چنین جمع‌بندی می‌کند! او در پاسخ این سوال که آیا همه چیز از پیش به طور جبری به وسیله خدا یا نظریه همه چیز تعیین شده است؟ می‌گوید:
ولی این امکان هم وجود دارد که چنین نباشد! زیرا هرگز ممکن نیست که ما بدانیم چه چیزی از پیش معین شده است! اگر نظریه از پیش تعیین کرده است که ما باید با چوبه دار اعدام شویم، بنابراین در آب غرق نخواهیم شد. اما قبل از این که سوار یک قایق کوچک در دریایی طوفانی شویم، باید اطمینان داشته باشیم که سرنوشت ما برای اعدام با چوبه دار مقدر شده است!
به نظر هاوکینگ ایده آزادی اراده، نظریه تقریبی بسیار خوبی در باره رفتار بشر است!
اگر منصف باشیم، باید بگوییم که همه فیزیک‌دانان گمان نمی‌کنند که «نظریه همه چیز» وجود دارد یا اگر هست، دستیابی به آن برای ما میسر است. بعضی از آن‌ها بر این باورند که علم با باریک‌بینی و اکتشافات پی‌ در پی به باز کردن اطاق‌های تو در توی اسرار ادامه خواهد داد ولی هیچ‌گاه به آخرین اطاق نمی‌رسد. برخی دیگر چنین استدلال می‌کنند که رویدادها مسلماْ به‌طور کامل قابل پیش‌بینی نیستند و به‌طور تصادفی اتفاق می‌افتند. برخی اعتقاد دارند که خدا و موجوداتی مثل بشر بسیار بیش از آن‌چه نظریه همه چیز ممکن است اجازه دهد، از آزادی کنش و واکنش در چارچوب جهان برخوردار هستند. آنها می‌گویند که موضوع مثل نواختن یک موسیقی از پیش نوشته شده توسط ارکستر است. باز هم نوازنده امکان آفرینش زیادی در نواختن نتها دارد. امکانی که از پیش معین نشده است!
به هر رو چه یک نظریه رسا و کامل برای توضیح جهان هستی در دسترس بشر باشد یا امید دسترسی به آن در آینده وجود داشته باشد، افرادی بین ما هستند که می‌خواهند در راه دسترسی به آن کوشش کنند. ما موجوداتی دلیر و دارای حس کنجکاوی سیری‌ناپذیر هستیم. منصرف کردن برخی از ما مثل استیون‌هاوکینگ از چنین راهی، کار دشواری است. موری گلمان فیزیک‌دان دیگری از Caltech که او نیز چنین کوششی دارد، می‌گوید: تکاپو برای فهمیدن این جهان، این که از کجا آمده است و چگونه کار می‌کند، سترگ‌ترین و ماندگارترین ماجرای زندگی بشر است. دشوار است که در نظر آریم که مشتی ساکنان سیاره کوچکی در گردش به‌دور یک ستاره ناچیز در کهکشانی کوچک، سودایشان فهم همه این جهان پهناور باشد! ذره بسیار خردی از هستی بر این باور باشد که توانایی فهم همه جهان هستی را دارد!

منبع : www.hupaa.com - هوپا

[Rez@ee]

پایان فیزیک - بخش ششم

از گرانش و نور چه می‌دانیم؟

گرانش (جاذبه) یکی از نیروهای چهارگانه و برای ما از همه آشناتر است.

در کودکی به ما یاد داده‌اند که هنگامی که بستنی می‌خوریم، اگر روی قالی بریزد یا وقتی از روی تاب به زمین می‌افتیم، گناه از نیروی گرانش است. اگر از شما بخواهند حدس بزنید که آیا نیروی جاذبه خیلی ضعیف یا خیلی قوی است، چه میگویید؟ احتمالا خواهید گفت: « فوق‌العاده قوی است!». در این صورت در اشتباه خواهید بود. این نیرو به‌مراتب، از سه نیروی دیگر ضعیف‌تر است. گرانشی که در زندگی روزمره ما، این قدر محسوس است، گرانش سیاره بسیار بزرگی است که روی آن زندگی می‌کنیم یا در حقیقت، برآیند گرانش همه ذرات موجود در زمین است. سهم هر ذره، ناچیز است. برای اندازه‌گیری جاذبه گرانشی ضعیف بین اشیاء کوچکی که هر روز با آن‌ها سروکار داریم، به‌دستگاه‌های خیلی‌ دقیق، نیازمندیم. ضمن این که گرانش همیشه حالت جذب دارد و هرگز دفع نمی‌کند، پس خصوصیت جمع‌پذیری دارد.
جان ویلر فیزیکدان، مایل است گرانش را شبیه یک سیستم دموکراتیک فرض کند. هر ذره یک رأی دارد که می‌تواند بر هر ذره دیگر موجود در جهان اثر بگذارد. اگر ذرات جمع شوند و رأی جمعی بدهند(مثلاْ در یک ستاره یا زمین)، تأثیر بیشتری اعمال می‌کنند. جاذبه گرانش بسیار ضعیف تک‌تک ذرات، در اجسام بزرگی مثل زمین مانند همان رای دسته جمعی، با هم جمع می‌شوند و نیروی قابل توجهی پدید می‌آورند.
هر چقدر ذرات مادی که یک جسم را تشکیل می‌دهند، زیادتر باشد، جرم آن جسم بیشتر است. جرم با اندازه یک جسم تفاوت دارد. جرم تعیین می‌کند که چه قدر ماده در جسمی وجود دارد، یا تعداد آرا، در این رأی دسته جمعی چقدر است (بدون توجه به تراکم و تفرق این ذرات ماده)
سر ایزاک نیوتن، در سالهای 1600 پروفسور کرسی لوکاشین ریاضیات در کمبریج بود. وی همان مقامی را داشت که هاوکینگ امروزه دارد. نیوتن قوانینی را کشف کرد که چگونگی عمل گرانش را در شرایط کم و بیش عادی، توضیح می‌دهند. نخست این که اجسام درجهان درحال سکون نیستند. آن‌ها به‌حال سکون نمی‌مانند تا نیرویی آن‌ها را با کشیدن یا راندن به حرکت درآورد و سپس با « از کار افتادن » این نیرو، بار دیگر به حال سکون درآیند. بلکه بر عکس، اگر جسمی کاملاْ به حال خود گذارده شود، در امتداد یک خط راست بدون تغییر جهت و تغییر تندی به حرکت خود ادامه می‌دهد. بهترین دیدگاه آن است که فکر کنیم، در جهان، همه چیز در حال حرکت است. ما می‌توانیم سرعت یا جهت حرکت خود را نسبت به سایر اجسامی که در جهان وجود دارند، بسنجیم، اما نمی‌توانیم آن را نسبت به سکون مطلق یا چیزی مثل شمال و جنوب، بالا یا پایین مطلق اندازه‌گیری کنیم.
به عنوان مثال، اگر کره ماه در فضا تنها بود، در حال سکون نمی‌ماند بلکه در امتداد خط راست بدون تغییر سرعت، به حرکت خود ادامه می‌داد.
البته اگر ماه واقعاْ تنها بود، امکان نداشت که حرکت آن را به گونه‌ای که گفته شد، بیان کنیم زیرا چیزی نبود که حرکت ماه را به آن نسبت دهیم. اما ماه کاملاْ تنها نیست. نیرویی موسوم به گرانش، ماه را وادار می‌کند که تندی حرکت و جهت حرکت خود را تغییر دهد. این نیرو از کجا می‌آید؟ این نیرو از مجموعه آراء ذرات نزدیک به‌هم (جسمی با جرم زیاد) می‌آید که همان زمین باشد. ماه در برابر این تغییر، مقاومت می‌کند و سعی می‌کند که حرکت خود را روی یک خط راست نگه دارد. در همین حال، گرانش ماه نیز روی زمین تأثیر می‌گذارد. می‌دانیم که نمونه بارزش جذر و مد اقیانوس‌هاست.
نظریه گرانش نیوتن به ما می‌گوید که مقدار جرم یک جسم، چگونه بر شدت گرانش بین آن جسم و جسم دیگر، تأثیر می‌گذارد. اگر عوامل دیگر تغییر نکنند، هر قدر جرم زیادتر باشد، جاذبه شدیدتر خواهد بود. اگر زمین دو برابر جرم فعلی خود را داشت، جاذبه‌‌ای که بین زمین و ماه وجود دارد، نسبت به جاذبه کنونی آن، دو برابر می‌شد. اما اگر فاصله ماه تا زمین، دو برابر فاصله کنونی بود، شدت جاذبه بین آنها یک‌چهارم شدت فعلی می‌شد. (نظریه گرانش نیوتن را در کتب پایه فیزیک ببینید)
نظریه گرانش نیوتن، نظریه بسیار موفقی بود و تا 200 سال بعد، مورد تجدید نظر واقع نشد. هنوز هم ما از آن استفاده می‌کنیم در حالی که می‌دانیم، در بعضی شرایط، مثلاْ اگر نیروهای گرانشی فوق‌العاده شدید باشند(به عنوان مثال در نزدیکی یک سیاهچاله)، یا زمانی که اجسام با سرعتی معادل نور حرکت کنند، این نظریه دیگر صادق نیست.
آلبرت اینشتین، در اوایل این قرن، به مشکلی در نظریه نیوتن پی برد. دانستیم که نیوتن، شدت گرانی بین دو جسم را به فاصله آنها، مربوط می‌دانست. در صورتی که این فرضیه درست باشد، اگر خورشید در یک لحظه به هر دلیلی به فاصله خیلی دورتر از زمین برود، می‌بایستی جاذبه بین خورشید و زمین در همان لحظه تغییر کند. آیا چنین چیزی ممکن است؟
نظریه نسبیت خاص اینشتین می‌گوید که سرعت نور ثابت است. در هر مکان از جهان و با هر سرعتی که اجسام حرکت کنند، سرعت نور تغییر ناپذیر است و هیچ سرعتی، بالاتر از سرعت نور نیست. نور خورشید در زمانی معادل 8 دقیقه به ما می‌رسد. بنابراین، ما همیشه خورشید را آن طور می‌بینیم که هشت دقیقه پیش بوده است. اگر خورشید از زمین دور شود، 8 دقیقه بعد، ما به هر اثری که این تغییر فاصله داشته باشد، پی خواهیم برد. برای 8 دقیقه،‌ما خورشید را در همان مدار می‌بینیم که قبلاً دیده‌ایم. مثل اینکه خورشید حرکتی نکرده است. به عبارت دیگر، اثر گرانی یک جسم بر جسم دیگر، نمی‌تواند فوراْ تغییر کند! زیرا سرعت انتقال گرانش که زیادتر از سرعت نور نیست. اطلاع از اینکه خورشید چه اندازه دور شده است، نمی‌تواند فوراْ از طریق فضا به ما برسد. این اطلاع‌رسانی، به هر وسیله‌ای که باشد، سریعتر از سرعت نور، یعنی 300000 کیلومتر در ثانیه که نخواهد بود. بنابر این، روشن است که اگر بخواهیم در باره حرکت اجسام در جهان گفتگو کنیم، واقع بینانه نخواهد بود که تنها سه بعد فضا را در نظر بگیریم. اگر هیچ چیز نمی‌تواند سریعتر از نور منتقل شود، چیزهایی در فاصله‌های نجومی، صرفاْ بدون یک عامل زمان نه برای ما وجود دارند و نه برای خود آن چیزها بین یکدیگر! توصیف جهان در سه بعد همان قدر ناکافی است که بخواهیم یک مکعب را در دو بعد توصیف کنیم. بسیار پرمعنی‌تر خواهد بود که بعدی به‌نام زمان را به ابعاد دیگر اضافه کنیم. یعنی بپذیریم که در واقع، چهار بعد وجود دارد و به بحث فضا ـ زمان بپردازیم.

منبع : - هوپا www.hupaa.com

[Rez@ee]

پایان فیزیک - بخش هفتم

نسبیت عام و فضا - زمان


اینشتین چندین سال بی‌وقفه در تلاش بود تا نظریه‌ای در باره گرانش بیابد که با آن‌چه خود او در باره نور و حرکت نزدیک به سرعت نور یافته بود، هم‌خوان باشد. او در سال 1915، نظریه نسبیت عام را اعلان کرد. بنابراین نظریه گرانش نه به عنوان نیرویی بین اجسام، بلکه بر حسب شکل و خمیدگی فضا ـ زمان چهار بعدی، در نظر گرفته می‌شود. در نسبیت عام، گرانش، هندسه جهان است.
برایس دویت، از دانشگاه تگزاس توصیه می‌کند که برای شروع فکر کردن در باره این خمیدگی، می‌توانیم فردی را تصور کنیم که عقیده دارد کره زمین کروی نیست، بلکه مسطح است و می‌خواهد یک شبکه شطرنجی صاف، روی زمین پهن کند:
نتیجه را می‌توان از درون یک هواپیما، در روزی با هوای صاف، روی کشتزارهای گریت‌پلینز آمریکا، نگریست. زمین، بین جاده‌های شمال جنوب و شرق ـ غرب به تکه‌هایی که هر یک، یک مایل مربع وسعت دارد، تقسیم شده است. جاده‌های شرقی ـ غربی اغلب با خطوطی که در طول چند کیلومتر بریدگی ندارد، ادامه می‌یابد ولی در مورد جاده‌های شمال ـ جنوب، وضع بدین منوال نیست. اگر یک راه شمالی ـ جنوبی را پی‌بگیریم، در هر چند مایل با پیش‌آمدگیها و پس‌رفتگیهایی، در شرق و غرب این جاده، برخورد می‌کنیم. این بی‌قاعدگی‌ها، در اثر خمیدگی زمین پدید می‌آیند. اگر این انحرافات را از بین ببریم، جاده‌ها به هم نزدیک شده و قطعاتی به وجود می‌آید که کمتر از یک مایل مربع وسعت خواهند داشت.
در حالت سه بعدی، می‌توان داربست غول پیکری را در فضا تصور کرد که از اتصال میله‌هایی راست با طول مساوی و زوایای 90 درجه و 180 درجه تشکیل شده باشد. اگر فضا مسطح باشد، ساختمان این داربست بدون اشکال پیش می‌رود. اما اگر فضا خمیده باشد، ساختمان داربست منوط به این خواهد بود که میله‌ها را کوتاهتر یا درازتر کنیم، تا روی خمیدگی فضا جا بیفتد.
بر اساس نظریه اینشتین، خمیدگی، به علت وجود جرم و انرژی ایجاد می‌شود. هر جسم پرجرم بسیار بزرگ، در خمیدگی فضا ـ زمان، نقش دارد. اجسامی که در «امتداد خطی مستقیم در جهان حرکت می‌کنند»، مجبور به دنبال کردن مسیرهای خمیده‌ای هستند. یک تشک ورزش آکروبات را در نظر بگیریم. فرض کنیم در مرکز آن، یک توپ بولینگ وجود دارد که تا اندازه‌ای در تشک، فرو می‌رود. یک توپ کوچک بازی گلف را روی تشک در امتداد یک خط مستقیم به‌نحوی رها کنیم که از کنار توپ بزرگتر، بگذرد. توپ گلف، هنگامی که به فرورفتگیهای نزدیک توپ، بولینگ که در اثر آن به وجود آمده است، می‌رسد، مسیر خودش را تغییر می‌دهد. احتمال دارد که این توپ، از این هم فراتر رود. ممکن است مسیر بیضی شکلی انتخاب کرده و به عقب بازگردد. چیزی شبیه این، زمانی که کره ماه روی مسیر مستقیمی در نزدیکی زمین قرار دارد، روی می‌دهد. زمین، فضا ـ زمان را همان گونه منحرف می‌کند که توپ بزرگ، مسیر توپ کوچک را تغییر می‌دهد. مدار ماه، نزدیکترین چیز به خط مستقیم، در فضا ـ زمان منحرف شده است. ملاحظه می‌کنیم که اینشتین، همان پدیده‌ای را که نیوتن به توجیه آن پرداخته بود، تشریح کرده است. از نظر اینشتین، یک جسم با جرم زیاد، موجب انحراف فضا ـ زمان می‌شود. در نظریه نیوتن یک جسم بزرگ روی جسم کوچکتر، نیرو اعمال می‌کند. نتیجه در هر دو حالت، تغییر مسیر جسم کوچکتر است. طبق نظریه نسبیت عمومی، «میدان جاذبه» و «خمیدگی» دو مفهوم یکسان‌اند.
اگر مدارهای سیارات منظومه شمسی را بر اساس نظریه‌های نیوتن و سپس با استفاده از نظریه اینشتین محاسبه کنیم، نتیجه، بجز در مورد عطارد، تقریباً یکسان خواهد بود زیرا عطارد نزدیکترین سیاره به خورشید است و بیشتر تحت تأثیر جاذبه خورشید، قرار می‌گیرد. پیش‌بینی نتیجه این نزدیکی طبق نظریه اینشتین، اندکی با آنچه طبق نظریه نیوتن به دست می‌آید، متفاوت است. مشاهدات نشان می‌دهد که مدار عطارد، با پیش‌بینی اینشتین، هم‌خوانی بهتری دارد، تا نظریه نیوتن.
نظریه اینشتین، پیش‌گویی می‌کند که چیزهای دیگری بجز ماه و سیارات نیز، تحت تأثیر خمیدگی فضا ـ زمان قرار می‌گیرند. مثلاً فوتونها (ذرات نور)، باید در فضای خمیده حرکت کنند. اگر باریکه نوری که از ستاره‌ای دور سیر می‌کند، مسیر آن از نزدیکی خورشید بگذرد، خمیدگی فضا ـ زمان در نزدیکی خورشید موجب می‌شود که این مسیر اندکی به طرف خوردشید خمیده شود همان گونه که مسیر توپ گلف به طرف توپ بولینگ، اندکی منحرف می‌شود. شاید هم مسیر نور ستاره به نحوی خمیده شود که نور در نهایت با زمین برخورد کند. خورشید خیلی نورانی‌تر از آن است که بتوانیم نور ستاره را در کنارش ببینیم مگر در حالت کسوف. اگر ما ستاره را در این حالت ببینیم و متوجه نباشیم که خورشید مسیر نور ستاره را منحرف می‌کند، برداشتی نادرست خواهیم داشت از اینکه نور از کجا به طرف ما می‌آید و ستاره دقیقاْ در کجای آسمان جا دارد. ستاره‌شناسان، با استفاده از این پدیده، جرم اجسام آسمانی را با اندازه‌گیری مقدار انحراف مسیر نور ستارگان دور، حساب می‌کنند. هر چه جرم این «خم‌کننده» زیادتر باشد، خمیدگی مسیر نور بیشتر خواهد بود.
تا اینجا ما از گرانش، با در نظر گرفتن آنچه که در مقیاس بزرگ مشاهده می‌کنیم، گفتگو کردیم. البته این مقیاسی است که در آن گرانش در ستارگان، کهکشانها و حتی تمام جهان آشکار می‌شود و این همان مقیاسی است که هاوکینگ در دهه 1960، با آن سروکار داشت اما، گرانش را می‌توان در مقیاسهای بسیار کوچک، حتی تا سطح کوانتومی نیز مورد توجه قرار داد. در حقیقت، اگر ما به گرانش در این سطح توجه نکنیم، هرگز نمی‌توانیم به یگانگی آن با سه نیروی دیگر که دوتای آنها تنها دراین سطح عمل می‌کنند، دست یابیم. روش مکانیک کوانتومی برای در نظر گرفتن نیروی گرانش بین ماه و زمین آن است که این نیرو را با تبادل گراویتونها (بوزونها یا ذرات پیام‌رسان نیروی گرانش)، بین ذرات تشکیل دهنده این دو کره در نظر بگیریم.

منبع : - هوپا www.roshd.ir

[ACE]

من دانشجوی فیزیک خواجه نصیر هستم وبا برخی از این نظریات موافق وبا برخی مخالف هستم

[Rez@ee]

پایان فیزیک - بخش هشتم

گر روزی زمین فشرده شود!

به خاطر بیاورید که از نیروی گرانش بر روی زمین چه احساسی دارید. فرض کنید که می‌خواهید برای گذراندن تعطیلات به فضا بروید. در زمان غیبت شما، واقعه عجیبی در زمین روی می‌دهد: زمین فشرده می‌شود و به نصف اندازه اصلیش می‌رسد. در این حال، زمین هنوز همان جرم قبلی را دارد، ولی اکنون فشرده شده است. پس از پایان این مسافرت به زمین باز می‌گردید، فضاپیمای شما مدتی سرگردان می‌ماند، تا محلی را که قبل از فشرده شدن، از آن پرواز کرده بود، پیدا کند. در این مسیر که شعاع آن، برابر شعاع سابق زمین است، خود را با همان سنگینی قبل از پرواز، احساس می‌کنید. کشش جاذبه زمین در آنجا تغییری نکرده است زیرا در جرم شما و جرم زمین، نسبت به سابق تفاوتی وجود ندارد. فاصله شما از مرکز گرانی (گرانیگاه) زمین نیز همان فاصله قبلی است(نیوتن را به یاد آورید!). ماه نیز مانند گذشته دور زمین می‌گردد. اما هنگامی که فضاپیمای شما در همان مکانی که از آن پرواز کرده بودید فرود می‌آید (با شعاع بسیار کمتر و نزدیکتر به مرکز گرانش زمین)، گرانش در سطح جدید زمین چهار برابر مقداری است که قبل از فشردگی زمین به یاد دارید. شما خود را بسیار سنگینتر احساس می‌کنید.
اگر واقعه بسیار شگفت‌انگیزتری روی دهد چه می‌شود؟ چه می‌شود، اگر زمین تا اندازه یک نخود فشرده شود، یعنی تمام جرم زمین که میلیاردها تن است، در فضایی آنقدر کوچک تمرکز یابد؟ گرانی در سطح این کره نخودی آنقدر شدید می‌شود که سرعت گریز از آن، بیشتر از سرعت نور خواهد بود. زمین به یک سیاهچاله تبدیل می‌شود. حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد. با وجود این، در شعاعی از فضای خارج آن، جایی که سطح زمین قبل از فشردگی بوده، کشش گرانی زمین هنوز همان است که امروز احساس می‌کنیم. کره ماه مثل قبل، روی مدار خود در حرکت خواهد بود.
تا آنجا که ما می‌دانیم، چنین داستانی روی نخواهد داد. سیاره‌ها به سیاهچاله تبدیل نمی‌شوند. اما احتمال آن زیاد است که این واقعه برای بعضی از ستارگان، روی دهد. اکنون همین داستان را، در باره یک ستاره بازگو می‌کنیم. از ستاره‌ای شروع کنیم که جرمی در حدود ده برابر جرم خورشید دارد. شعاع ستاره تقریباً 3 میلیون کیلومتر یعنی قریب 5 برابر شعاع خورشید است. سرعت گریز از این ستاره حدود 1000 کیلومتر در ثانیه و عمر آن نزدیک به 100 میلیون سال است و در این مدت زمان، زندگی و مرگ و کشاکش نیروها با یکدیگر ادامه دارد. در یک سوی این کشاکش، گرانش است: جاذبه هر ذره موجود در ستاره، برای جذب ذرات دیگر. این گرانش بود که در آغاز پیدایش ستاره، ذرات گازی را به سوی هم کشید تا نخستین بار، ستاره تشکیل شود. این کشش حتی اکنون که ذرات به هم نزدیکتر شده‌اند، زیادتر شده است. تیم گرانش، در این مسابقه، سعی در رمبیدن(کولاپس) ستاره دارد.
طرف مقابل این کشاکش، نیروی فشار گاز در ستاره است. این فشار از گرامای حاصل از همجوشی هسته‌های هیدروژن، و تشکیل هسته هلیوم ناشی می‌شود. این انرژی گرمایی، موجب درخشندگی ستاره می‌شود و فشار کافی برای مقاومت در برابر گرانش و جلوگیری از رمبیدن ستاره ایجاد می‌کند. کشاکش نیروها، 100 میلیون سال ادامه دارد. آنگاه سوخت ستاره تمام می‌شود. دیگر هیدروژن، برای تبدیل به هلیوم موجود نیست. پاره‌ای از ستارگان، هلیوم را نیز با همجوشی هسته‌ای به عناصر سنگینتر تبدیل می‌کنند ولی این عمل فقط مدت کوتاهی به عمر ستاره اضافه می‌کند. زمانی که دیگر فشاری برای مقابله با نیروی جاذبه موجود نباشد، ستاره منقبض می‌شود. در این حال، گرانش در سطح ستاره، مانند آنچه قبلاً در مورد داستان فشردگی زمین دیدیم، به تدریج افزایش می‌یابد. لازم نیست که ستاره، برای آنکه به یک سیاهچاله تبدیل شود، به اندازه یک نخود در آید. زمانی که شعاع این ستاره که جرم آن ده برابر خورشید بود به 30 کیلومتر برسد، سرعت گریز از آن 300 هزار کیلومتر در ثانیه یعنی برابر سرعت نور خواهد بود. موقعی که نور نتواند از آن بگریزد، ستاره به سیاهچاله تبدیل می‌شود. (به دلایلی که جای بحثش اینجا نیست، ستاره‌هایی که جرم آنها از 8 برابر خورشید کمتر باشد، احتمالاً پس از طی این مراحل، به سیاهچاله تبدیل نمی‌شودند. تنها ستارگانی که جرم آنها بیشتر باشد، سیاهچاله به وجود می‌آورند.)
پس از آنکه سرعت گریز از ستاره از سرعت نور فزونی یافت، ما دیگر برای این سوال که آیا ستاره به منقبض شدن خود ادامه خواهد داد یا نه، پاسخی نداریم. حتی اگر منقبض نشود، باز هم ما یک سیاهچاله خواهیم داشت. به یاد داشته باشیم که در داستان فشردگی کره زمین، گرانی در شعاع اولیه زمین هیچ‌گاه تغییر نکرد. خواه ستاره تا سرحد یک نقطه با چگالی بی‌نهایت منقبض شود یا در شعاعی که سرعت گریز از آن معادل سرعت نور است، باقی بماند، در هر دو حالت، مادامی که جرم ستاره تغییر نکرده است، گرانی در این شعاع یکسان خواهد بود. سرعت گریز در آن شعاع، سرعت نور است و در سرعت نور باقی خواهد ماند. برای نور، گریز از ستاره غیر ممکن است. باریکه‌های نور مجاور که از ستارگان دور دست می‌رسند، نه تنها منحرف می‌شودن بلکه ممکن است چند دور اطراف سیاهچاله بچرخند و بعد، از آن گریخته یا در آن سقوط کنند. اگر نور داخل سیاهچاله شود، دیگر گریزی نخواهد داشت. هیچ چیز نمی‌تواند سرعتی بیش از سرعت نور داشته باشد. چه «خاموشی» عمیقی خواهیم داشت! نه نور، نه بازتابش، نه هیچ‌گونه تابش (رادیویی، میکروویو، پرتو ایکس و غیره)، نه صدا، نه چشم‌انداز، نه کاوشگر فضایی، مطلقاً هیچ داده‌ای نمی‌تواند از آن خارج شود.
شعاع کره‌ای را که سرعت گریز آن برابر سرعت نور باشد مرز سیاهچاله، شعاع بدون بازگشت یا افق رویداد می‌نامند. هاوکینگ و پن‌روز در اواخر دهه 1960، پیشنهاد جدیدی برای تعریف سیاهچاله ارائه کردند. بنابر این تعریف، سیاهچاله ناحیه‌ای از جهان یا «مجموعه‌ای از رویدادها»ست که از یک فاصله معین، گریز از آن برای هیچ چیز ممکن نیست. در زمان ما این تعریف پذیرفته شده است. یک سیاهچاله با افق رویدادش به‌عنوان یک مرز بیرونی، شکلی مانند کره دارد. یا اگر در حال چرخیدن باشد، به یک کره کشیده شده می‌نماید که از دیدگاه جانبی بیضی شکل است (یا می‌توانست به این شکل نمایان شود، اگر ما می‌توانستیم آن را ببینیم). افق رویداد، با مسیرهایی در فضا ـ زمان پرتوهای نوری که درست بر لبه آن منطقه کروی شکل در جا می‌زنند، مشخص می‌شود. این پرتوها نه می‌توانند به درون کره کشیده شوند و نه می‌توانند از آن بگریزند. گرانش در این شعاع، به آن شدت نیست که این پرتوها را به داخل بکشاند ولی به اندازه‌ای است که از گریز پرتوها جلوگیری می‌کند. آیا ما آن پرتوها را مانند کره‌ای با روشنایی ضعیف خواهیم دید؟ خیر. اگر فوتونها بتوانند از این شعاع بگریزند، رسیدن آنها به چشمهای ما نیز، میسر نخواهد بود. برای اینکه شما چیزی را ببینید، باید فوتونهای آن به چشم شما برسد. اندازه سیاهچاله را جرم آن معین می‌کند. اگر بخواهیم شعاع سیاهچاله (شعاع تشکیل افق رویداد) را محاسبه کنیم، باید جرم خورشیدی سیاهچاله را در 3 کیلومتر ضرب کنیم. بدینسان، افق رویداد سیاهچاله با جرم خورشیدی 10، برابر با 30 کیلومتر خواهد بود. (جرم خورشید ستاره، برابر با جرم ستاره رمبیده شده نسبت به جرم خورشید است، به شرط آنکه جرم ستاره، در جریان رمبیدگی و تبدیل شده به سیاهچاله، کم نشده باشد. ) روشن است که اگر جرم سیاهچاله تغییر پیدا کند، شعاع افق رویداد و اندازه سیاهچاله نیز تغییر خواهد کرد. در باره امکان تغییر اندازه سیاهچاله، بعداْ بسیار بیشتر خواهیم گفت.




منبع : www.hupaa.com - هوپا

[Rez@ee]

پایان فیزیک - بخش نهم

تصوری از جهان ما


با کشیده شدن حفاظی بر افق رویداد، ستاره در تنهایی کامل قرار می‌گیرد. هر نوری که بتابد به داخل کشیده می‌شود. پن‌روز می‌خواست بداند که آیا ستاره به رمبیدن خود ادامه خواهد داد، یا اینکه رویداد دیگری در انتظار ستاره خواهد بود؟
او کشف کرد که در ستاره‌ای که به شرحی که رفت، رمبیده می‌شود، همه ماده آن با نیروی گرانی خودش، در داخل سطح آن به دام می‌افتد. حتی اگر رمبش کاملاً کروی و هموار نباشد، ستاره به رُمبیده شدن ادامه می‌دهد. سرانجام، این سطح، با همه ماده‌ای که هنوز در آن محبوس است، آنقدر منقبض می‌شود تا به صفر برسد. در این صورت، ستاره عضیم مورد بحث ما، با جرمی ده برابر جرم خورشیدی، پس از رمبش به ناحیه‌ای به شعاع 30 کیلومتر که افق رویداد آن است محدود نمی‌شود، بلکه شعاع نهایی و نیز حجم آن به صفر می‌رسد. ریاضی‌دانان این مرحله را تکینگی می‌نامند. در چنین تکینگی، چگالی ماده، به بی‌نهایت می‌رسد. خمیدگی فضا ـ زمان، بی‌نهایت می‌شود، و پرتوهای نور تنها در اطراف پیچیده نمی‌شوند، بلکه به طوری بی‌نهایت فشرده، به هم می‌پیچند. نسبیت عام، وجود تکینگی‌ها را پیشگویی می‌کند ولی در اوایل دهه 1960 کمتر کسی این پیشگویی را جدی می‌گرفت. فیزیکدانان فکر می‌کردند که یک ستاره اگر جرمی به اندازه کافی بزرگ داشته باشد و تحت نیروی گرانش رمبیده شود، ممکن است یک تکینگی به وجود آورد. پن‌روز نشان داد که اگر جهان از نسبیت عام اینشتین پیروی کند، باید این تکینگی به وجود آید.
در گذشته ما یک تکینگی وجود دارد
ایده پن‌روز، آنش به ذهن هاوکینگ انداخت. هاوکینگ متوجه شده که اگر جهت زمان را معکوس کند، به طوری که رُمبش به انبساط تبدیل شود، همه چیز در نظریه پن‌روز به جای خود باقی می‌ماند. اگر نسبیت عام به ما می‌گوید هر ستاره‌ای که فراسوی نقطه معینی می‌رُمبد، باید به یک تکینگی ختم شود، در این صورت نیز می‌گوید که هر جهان در حال انبساط باید از یک تکینگی آغاز شده باشد. هاوکینگ دریافت که اگر این نتیجه‌گیری درست باشد، باید جهان از مدلی که دانشمندان آن را مدل فریدمان می‌نامند، پیروی کند. مدل جهان فریدمان چیست؟ تا زمانی که هابل ثابت کرد جهان در حال انبساط است، اعتقاد به جهان ایستا (جهانی که اندازه آن تغییر نکند)، خیلی شدید بود. زمانی که اینشتین، در سال 1915 نظریه نسبیت عام را ارائه کرد، این نظریه انبساط جهان را پیشگویی می‌کرد. اما، اینشتین آنقدر از غیر واقعی بودن این نتیجه مطمئن بود که نظریه خود را مورد تجدید نظر قرار داد. او یک ثابت کیهانی، برای متوازن کردن گرانش به آن اضافه کرد. اما، بدون این ثابت کیهانی، نظریه نسبیت عام آنچه را که ما امروزه درست می‌دانیم پیشگویی می‌کرد: اندازه جهان در حال تغییر است. یک فیزیکدان روسی به نام الکساندر فریدمان، تصمیم گرفت که نظریه اینشتین را بدون ثابت کیهانی به کار گیرد. با این کار، او آنچه را که هابل در 1929 به اثبات آن دست یافت، پیشگویی کرد: جهان در حال انبساط است. فریدمان کار خود را با دو فرض آغاز کرد؟ (1) جهان، در هر جهت که به آن نگاه کنیم، یکسان است (به استثنای چیزهایی که نزدیک هستند مثل منظومه شمسی و کهکشان راه شیری از دیدگاه ما)؛ (2) جهان از هرکجا که به آن نگاه کنیم یکسان است.
فرض اول فریدمان را می‌توان به آسانی پذیرفت، ولی پذیرفتن فرض دوم مشکل است. هیچ‌ دلیل قاطعی برای اثبات یا رد آن وجود ندارد. هاوکینگ می‌گوید: «ما آن را تنها از نظر تواضع می‌پذیریم: بسیار جالب خواهد بود اگر انیا در هر جهت از اطراف ما یکسان باشد اما نه در اطراف هر نقطه دیگر از جهان!» شاید بتوان گفت که جالب است ولی غیر ممکن نیست. برای باور داشتن چیزی، تواضع، دلیلی منطقیتر از غرور به نظر نمی‌رسد. با وجود این، فیزیکدانان تمایل دارند که فرضیه دوم فریدمان را هم بپذیرند.
در مدل جهان فریدمان، همه کهکشانها از یکدیگر دور می‌شودند. هر قدر فاصله آنها از یکدیگر زیادتر باشد، با سرعت بیشتری از هم دور می‌شوند. این موضوع با مشاهدات هابل همخوانی دارد. طبق نظریه فریدمان، در هر کجای فضا که حرکت کنیم، باز کهکشانها را در حال دور شدن از خود می‌بینیم. برای درک بهتر این موضوع یک مورچه را در نظر بگیریم که روی یک بادکنک، آهسته راه می‌رود. روی بادکنک نقاطی با فضای یکنواخت ترسیم شده است. فرض کنیم که مورچه بعدی را که به او امکان نگاه کردن به «بیرون»، از سطح بادکنک را بدهد، نمی‌بیند و از فضای درون بادکنک آگاهی ندارد. جهان مورچه، تنها سطح بادکنک است که در هر جهت یکسان می‌نماید. این مورچه هر جا که باشد و در هر جهت که روی سطح بادکنک حرکت کند، همان قدر نقطه در جلوی خود می‌بیند که در عقب خود. اگر بادکنک بزرگتر شود، این نقاط از نظر مورچه، در هر کجای بادکنک که باشد، دور می‌شوند. این «جهان» بادکنکی با هر دو فرض فریدمان همخوانی دارد: در همه جهات، یکسان به نظر می‌آید. در هر جای آن که باشیم باز هم در همه جهات یکسان است.
چه چیز دیگری می‌توانیم در باره دنیای بادکنکی بگوییم؟ اندازه آن بی‌نهایت نیست. سطح آن ابعادی دارد که می‌توانیم آن را مانند سطح زمین اندازه بگیریم. هیچ‌کس نمی‌تواند گمان ببرد که سطح زمین بی‌نهایت است. اما این سطح نیز نه مرز و نه پایان دارد. مورچه، صرف نظر از جایی که روی سطح بادکنک حرکت می‌کند، هیچ‌گاه به مانعی برخورد نمی‌کند، پایانی نمی‌یابد و از لبه‌اش نمی‌افتد. سرانجام به نقطه‌ای که از آنجا حرکت کرده بود، باز می‌گردد.
در مدل اولیه فریدمان، فضا به همین شکل است، اما به جای دو بعد، سه بعد دارد. گرانش، فضا را به سوی گرداگرد خودش خم می‌کند. جهان از حیث اندازه بی‌نهایت نیست ولی پایان و مرزی هم ندارد. یک سفینه فضایی هیچ‌ وقت به مکانی از فضا نمی‌رسد که در آن جهان تمام شود. ممکن است درک این مسأله مشکل باشد، زیرا ما معمولاً از بی‌نهایت این را می‌فهمیم که «پایان ندارد». این دو مقوله، معناهای متفاوتی دارند. هاوکینگ متذکر می‌شود که گرچه فکر فضانوردی دورادور جهان و بازگشت به نقطه مبدأ، به نظر داستان علمی تخیلی بزرگی می‌آید، اما دست کم با این مدل فریدمان، انجام آن غیر ممکن است. شما می‌بایستی از حداکثر سرعت (سرعت نور) که مجاز نیست تجاوز کنید تا قبل از اینکه جهان به پایان عمر خود برسد، آن را دور بزنید. جهان یک بادکنک فوق‌العاده عظیم است و ما مورچه‌های بسیار ریزی هستیم.
در مدل فریدمان، زمان مثل فضا نامحدود نیست. می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد. زمان بر خلاف فضا مرزهایی دارد:‌یک آغاز و یک پایان. انبساط آنقدر آهسته و جرم به قدر کافی در جهان موجود است که در نهایت، جاذبه گرانشی، انبساط را متوقف کرده و موجب منقبض شدن جهان شود. کهکشانها بار دیگر به یکدیگر نزدیک می‌شوند. در پایان زمان، فاصله آنها بار دیگر به صفر می‌رسد.
ممکن است جهان ما چیزی شبیه این باشد.
با کشیده شدن حفاظی بر افق رویداد، ستاره در تنهایی کامل قرار می‌گیرد. هر نوری که بتابد به داخل کشیده می‌شود. پن‌روز می‌خواست بداند که آیا ستاره به رمبیدن خود ادامه خواهد داد، یا اینکه رویداد دیگری در انتظار ستاره خواهد بود؟
او کشف کرد که در ستاره‌ای که به شرحی که رفت، رمبیده می‌شود، همه ماده آن با نیروی گرانی خودش، در داخل سطح آن به دام می‌افتد. حتی اگر رمبش کاملاً کروی و هموار نباشد، ستاره به رُمبیده شدن ادامه می‌دهد. سرانجام، این سطح، با همه ماده‌ای که هنوز در آن محبوس است، آنقدر منقبض می‌شود تا به صفر برسد. در این صورت، ستاره عضیم مورد بحث ما، با جرمی ده برابر جرم خورشیدی، پس از رمبش به ناحیه‌ای به شعاع 30 کیلومتر که افق رویداد آن است محدود نمی‌شود، بلکه شعاع نهایی و نیز حجم آن به صفر می‌رسد. ریاضی‌دانان این مرحله را تکینگی می‌نامند. در چنین تکینگی، چگالی ماده، به بی‌نهایت می‌رسد. خمیدگی فضا ـ زمان، بی‌نهایت می‌شود، و پرتوهای نور تنها در اطراف پیچیده نمی‌شوند، بلکه به طوری بی‌نهایت فشرده، به هم می‌پیچند. نسبیت عام، وجود تکینگی‌ها را پیشگویی می‌کند ولی در اوایل دهه 1960 کمتر کسی این پیشگویی را جدی می‌گرفت. فیزیکدانان فکر می‌کردند که یک ستاره اگر جرمی به اندازه کافی بزرگ داشته باشد و تحت نیروی گرانش رمبیده شود، ممکن است یک تکینگی به وجود آورد. پن‌روز نشان داد که اگر جهان از نسبیت عام اینشتین پیروی کند، باید این تکینگی به وجود آید.
در گذشته ما یک تکینگی وجود دارد
ایده پن‌روز، آنش به ذهن هاوکینگ انداخت. هاوکینگ متوجه شده که اگر جهت زمان را معکوس کند، به طوری که رُمبش به انبساط تبدیل شود، همه چیز در نظریه پن‌روز به جای خود باقی می‌ماند. اگر نسبیت عام به ما می‌گوید هر ستاره‌ای که فراسوی نقطه معینی می‌رُمبد، باید به یک تکینگی ختم شود، در این صورت نیز می‌گوید که هر جهان در حال انبساط باید از یک تکینگی آغاز شده باشد. هاوکینگ دریافت که اگر این نتیجه‌گیری درست باشد، باید جهان از مدلی که دانشمندان آن را مدل فریدمان می‌نامند، پیروی کند. مدل جهان فریدمان چیست؟ تا زمانی که هابل ثابت کرد جهان در حال انبساط است، اعتقاد به جهان ایستا (جهانی که اندازه آن تغییر نکند)، خیلی شدید بود. زمانی که اینشتین، در سال 1915 نظریه نسبیت عام را ارائه کرد، این نظریه انبساط جهان را پیشگویی می‌کرد. اما، اینشتین آنقدر از غیر واقعی بودن این نتیجه مطمئن بود که نظریه خود را مورد تجدید نظر قرار داد. او یک ثابت کیهانی، برای متوازن کردن گرانش به آن اضافه کرد. اما، بدون این ثابت کیهانی، نظریه نسبیت عام آنچه را که ما امروزه درست می‌دانیم پیشگویی می‌کرد: اندازه جهان در حال تغییر است. یک فیزیکدان روسی به نام الکساندر فریدمان، تصمیم گرفت که نظریه اینشتین را بدون ثابت کیهانی به کار گیرد. با این کار، او آنچه را که هابل در 1929 به اثبات آن دست یافت، پیشگویی کرد: جهان در حال انبساط است. فریدمان کار خود را با دو فرض آغاز کرد؟ (1) جهان، در هر جهت که به آن نگاه کنیم، یکسان است (به استثنای چیزهایی که نزدیک هستند مثل منظومه شمسی و کهکشان راه شیری از دیدگاه ما)؛ (2) جهان از هرکجا که به آن نگاه کنیم یکسان است.
فرض اول فریدمان را می‌توان به آسانی پذیرفت، ولی پذیرفتن فرض دوم مشکل است. هیچ‌ دلیل قاطعی برای اثبات یا رد آن وجود ندارد. هاوکینگ می‌گوید: «ما آن را تنها از نظر تواضع می‌پذیریم: بسیار جالب خواهد بود اگر انیا در هر جهت از اطراف ما یکسان باشد اما نه در اطراف هر نقطه دیگر از جهان!» شاید بتوان گفت که جالب است ولی غیر ممکن نیست. برای باور داشتن چیزی، تواضع، دلیلی منطقیتر از غرور به نظر نمی‌رسد. با وجود این، فیزیکدانان تمایل دارند که فرضیه دوم فریدمان را هم بپذیرند.
در مدل جهان فریدمان، همه کهکشانها از یکدیگر دور می‌شودند. هر قدر فاصله آنها از یکدیگر زیادتر باشد، با سرعت بیشتری از هم دور می‌شوند. این موضوع با مشاهدات هابل همخوانی دارد. طبق نظریه فریدمان، در هر کجای فضا که حرکت کنیم، باز کهکشانها را در حال دور شدن از خود می‌بینیم. برای درک بهتر این موضوع یک مورچه را در نظر بگیریم که روی یک بادکنک، آهسته راه می‌رود. روی بادکنک نقاطی با فضای یکنواخت ترسیم شده است. فرض کنیم که مورچه بعدی را که به او امکان نگاه کردن به «بیرون»، از سطح بادکنک را بدهد، نمی‌بیند و از فضای درون بادکنک آگاهی ندارد. جهان مورچه، تنها سطح بادکنک است که در هر جهت یکسان می‌نماید. این مورچه هر جا که باشد و در هر جهت که روی سطح بادکنک حرکت کند، همان قدر نقطه در جلوی خود می‌بیند که در عقب خود. اگر بادکنک بزرگتر شود، این نقاط از نظر مورچه، در هر کجای بادکنک که باشد، دور می‌شوند. این «جهان» بادکنکی با هر دو فرض فریدمان همخوانی دارد: در همه جهات، یکسان به نظر می‌آید. در هر جای آن که باشیم باز هم در همه جهات یکسان است.
چه چیز دیگری می‌توانیم در باره دنیای بادکنکی بگوییم؟ اندازه آن بی‌نهایت نیست. سطح آن ابعادی دارد که می‌توانیم آن را مانند سطح زمین اندازه بگیریم. هیچ‌کس نمی‌تواند گمان ببرد که سطح زمین بی‌نهایت است. اما این سطح نیز نه مرز و نه پایان دارد. مورچه، صرف نظر از جایی که روی سطح بادکنک حرکت می‌کند، هیچ‌گاه به مانعی برخورد نمی‌کند، پایانی نمی‌یابد و از لبه‌اش نمی‌افتد. سرانجام به نقطه‌ای که از آنجا حرکت کرده بود، باز می‌گردد.
در مدل اولیه فریدمان، فضا به همین شکل است، اما به جای دو بعد، سه بعد دارد. گرانش، فضا را به سوی گرداگرد خودش خم می‌کند. جهان از حیث اندازه بی‌نهایت نیست ولی پایان و مرزی هم ندارد. یک سفینه فضایی هیچ‌ وقت به مکانی از فضا نمی‌رسد که در آن جهان تمام شود. ممکن است درک این مسأله مشکل باشد، زیرا ما معمولاً از بی‌نهایت این را می‌فهمیم که «پایان ندارد». این دو مقوله، معناهای متفاوتی دارند. هاوکینگ متذکر می‌شود که گرچه فکر فضانوردی دورادور جهان و بازگشت به نقطه مبدأ، به نظر داستان علمی تخیلی بزرگی می‌آید، اما دست کم با این مدل فریدمان، انجام آن غیر ممکن است. شما می‌بایستی از حداکثر سرعت (سرعت نور) که مجاز نیست تجاوز کنید تا قبل از اینکه جهان به پایان عمر خود برسد، آن را دور بزنید. جهان یک بادکنک فوق‌العاده عظیم است و ما مورچه‌های بسیار ریزی هستیم.
در مدل فریدمان، زمان مثل فضا نامحدود نیست. می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد. زمان بر خلاف فضا مرزهایی دارد:‌یک آغاز و یک پایان. انبساط آنقدر آهسته و جرم به قدر کافی در جهان موجود است که در نهایت، جاذبه گرانشی، انبساط را متوقف کرده و موجب منقبض شدن جهان شود. کهکشانها بار دیگر به یکدیگر نزدیک می‌شوند. در پایان زمان، فاصله آنها بار دیگر به صفر می‌رسد.
ممکن است جهان ما چیزی شبیه این باشد.



منبع : - هوپا www.hupaa.com