فیزیک نوین |مقالات|

نظریه نسبیت

متأسفم از اینکه این مدت طولانی وقت نداشتم مطلب بذارم. امیدوارم که چند نفر از شما دوستان علاقه مند بخواهید در ادامه ی کار این وبلاگ به من کمک کنید. کار گروهی نتیجه ی بهتر میدهد، همیشه!
نظریه‌های اینشتین(نسبیت عام و خاص)
اینشتین دو نظریه دارد. نسبیت خاص را در سن 25 سالگی بوجود آورد و ده سال بعد توانست نسبیت عام را مطرح کند.
نسبیت خاص بطور خلاصه تنها نظریه ایست که در سرعتهای بالا (در شرایطی که سرعت در خلال حرکت تغییر نکند--سرعت ثابت) می‌توان به اعداد و محاسباتش اعتماد کرد. جهان ما جوریست که در سرعتهای بالا از قوانین عجیبی پیروی می‌کند که در زندگی ما قابل دیدن نیستند. مثلا وقتی جسمی با سرعت نزدیک سرعت نور حرکت کند زمان برای او بسیار کند می‌‌گذرد. و همچنین ابعاد این جسم کوچکتر می‌شود. جرم جسمی که با سرعت بسیار زیاد حرکت می‌کند دیگر ثابت نیست بلکه ازدیاد پیدا می‌کند. اگر جسمی با سرعت نور حرکت کند، زمان برایش متوقف می‌شود، طولش به صفر میرسد و جرمش بینهایت می‌شود.
نسبیت عام برای حرکتهایی ساخته شده که در خلال حرکت سرعت تغییر می‌کند یا باصطلاح حرکت شتابدار دارند. شتاب گرانش زمین g که همان عدد 9.81m/sاست نیز یک نوع شتاب است. پس نسبیت عام با شتابها کار دارد نه با حرکت. نظریه ایست راجع به اجرامی که شتاب گرانش دارند. کلا هرجا در جهان، جرمی در فضای خالی باشد حتما یک شتاب گرانش در اطراف خود دارد که مقدار عددی آن وابسته به جرم آن جسم می‌‌باشد. پس در اطراف هر جسمی شتابی وجود دارد. نسبیت عام با این شتابها سر و کار دارد و بیان می‌کند که هر جسمی که از سطح یک سیاره دور شود زمان برای او کندتر می‌شود. یعنی مثلا، اگر دوربینی روی ساعت من بگذارند و از عقربه‌های ساعتم فیلم زنده بگیرند و روی ساعت آدمی که دارد بالا می‌رود و از سیارهٔ زمین جدا می‌شود هم دوربینی بگذارند و هردو فیلم را کنار هم روی یک صفحهٔ تلویزیونی پخش کنند، ملاحظه خواهیم کرد که ساعت من تند تر کار می‌کند. نسبیت عام نتایج بسیار شگرف و قابل اثبات در آزمایشگاهی دارد. مثلا نوری که به پیرامون ستاره‌ای سنگین میرسد کمی بسمت آن ستاره خم می‌شود. سیاهچاله‌ها هم برپایه همین خاصیت است که کار می‌کنند. جرم انها بقدری زیاد و حجمشان بقدری کم است که نور وقتی از کنار آنها می‌‌گذرد به داخل آنها می‌‌افتد و هرگز بیرون نمی‌آید.

پديدة كامپتون


يكي از بهترين آزمايشاتي كه به وسيله آن مي توان خاصيت ذره اي نور را مشاهده كرد و دريافت، اثر كامپتون است. اين پديده را كه نمي توان آنرا در پرتو فيزيك كلاسيك توجيه كرد آرتور هالي كامپتون در سال 1922 كشف كرده است. وي طي آزمايشي نشان داد كه با تابيدن نور با بسامد (رنگ) مشخص بر سطح فلزي براق، الكترون ها و فوتون ها به صورت ذره اي با يكديگر برخورد مي كنند.

با ابعادي ريزتر به اين اثر نگاه مي كنيم: در هنگام تابش يك فوتون به الكترون آزادي كه در سطح فلز قرار دارد برخورد مي كند و بخشي از انرژي خود را به الكترون مي دهد كه طي اين برخورد ذره را از مسير خويش منحرف كرده و به آن انرژي منتقل مي كند (شكل 1):

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
(شكل 1)

پس از اين برخورد بدليل اينكه اندازه حركت ثابت مي ماند فوتون تخريب مي شود كه اين تخريب با كاهش انرژي يا تغيير بسامد (رنگ) فوتون مي باشد. كه مقدار اين تغيير بسامد را مي توان با توجه به رابطه زير محاسبه كرد.(شكل 2)

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
(شكل 2)

از طرفي همانطور كه گفته شد انرژي ذره افزايش پيدا مي كند كه نتيجة اين افزايش انرژي، افزايش سرعت ذره مي باشد. (شكل 3)

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
(شكل 3)

با محاسبه انرژي فوتون پس از برخورد و با داشتن معلوماتي چون جرم الكترون، سرعت نور، انرژي ابتدايي فوتون مي توان زاويه انحراف الكترون را بدست آورد.(شكل 4)

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
(شكل 4)

ممكن است در برهم كنش فوتون با ماده همه انرژي فوتون به ماده منتقل شود و يا اينكه فوتون جذب الكترون شود:


اصل موضوعه اتم بور:


نيلز بور1 در سال 1913 بعد از اينكه نظريه اتمي رادرفورد نتوانست چرخش الكترون به دور هسته و پايدار ماندن اتم را توضيح دهد، مدلي نوين را براي اتم ارائه داد. در اين مدل بور به عناون اصل مي پذيرد كه الكترونها تنها مي توانند گذارهاي ناپيوسته اي از يك مدار مجاز به مدارهاي مجاز پايين تر انجام دهند، و تغيير انرژي، به صورت تابش با بسامد زير ظاهر مي شود:

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

الكترونها مي توانند با جذب فوتون، گذار به مداري با انرژي بيشتر انجام دهند.


اثر فوتوالكتريك:


اين اثر كه حالتي خاص از پديده كامپتون است يكي از 4 مقاله2 تكان دهنده اي بود كه آلبرت اينشتين3 در سال 1905 نوشت. البته تحقيقات اوليه اين اثر را هرتز4 در سال 1887انجام داد. هاينريش رودلف هرتز دانشمند آلماني كه سالهاي زيادي از عمر علمي خود را صرف تحقيقات بر روي امواج كرد آغازگر كشف اثري بود كه بعدها يك پايه استوار تجربي براي نظريه مكانيك كوانتوم و ذره ذره يا گسسته بودن انرژي شد.
هاينريش هرتز در حالي كه سرگرم مطالعات امواج الكترومغناطيس بود متوجه اين موضوع شد كه با تاباندن نور با طول موج هاي كوتاه يا ماورا بنفش به سطح كلاهك فلزي الكتروسكوپي با بار منفي باعث تخليه شدن كلاهك فلزي مي شود.
همانطور كه گفته شد كار بر روي اين اثر و توجيه آن در پرتو نظريه كوانتوم كه در آن روزها يك تئوري نوپا بود، به همت آلبرت اينشتين جوان انجام شد كه دستاوردي بزرگ براي او و علم فيزيك به همراه داشت. اينشتين به واسطه توجيه اين پديده نوبل فيزيك را از آن خود كرد و فيزيكدانان به نظريه بزرگ كوانتوم جدي تر از قبل نگاه كردند.
اين پديده مي گويد كه اگر برسطح فلزي براق نور بتابانيم مشاهده مي كنيم كه در فركانسي خاص و ويژه الكترونها از سطح فلز جدا مي شوند.(شكل 5)

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
(شكل 5)

حال اگر در محفظه اي ايده آل در مقابل سطح فلزي كه در حال گسيل كردن الكترون است (كاتد) قطعه اي آندي قرار دهيم. مي بينيم كه جريان الكتريكي ايجاد مي شود. كه به آن جريان فوتوالكتريكي مي گوييم. حال بايد ببينيم چه عواملي در اين پديده وجود دارد كه موجب مي شود تا براي توجيه آن به مكانيك كوانتوم رجوع كنيم.

آ - در اين پديده مشاهده مي شود كه شدت جريان فوتوالكتريكي ايجاد شده مستقل از شدت نور مي باشد و فقط به بسامد (رنگ) نور بستگي دارد. اين مشاهده در حالي انجام شد كه ماكس پلانك5 فيزيكدان بزرگ آلماني به تازگي با توجه به تابش جسم سياه اثبات كرده بود كه انرژي بر خلاف تصور مكانيك كلاسيك ماهيت كوانتايي يا ذره ذره دارد. كه مقدار انرژي نور تنها به بسامد بستگي داشته و از شدت آن مستقل است. اين مشاهده از پديده فوتوالكتريك به وسيله فرمول پلانك يا بطور كلي تئوري كوانتوم قابل توجيه بود

ب- هر كاتد داراي يك فركانس ويژه مي باشد بطوري كه اگر بسامد نور تابانده شده از اين فركانس ويژه يا بسامد آستانه كمتر باشد هيچ جريان فوتوالكتروني ايجاد نخواهد شد و اين آستانه براي فلزهاي مختلف متفاوت است. اينشتين با در نظر گرفتن كوانتومهاي انرژي نشان داد كه هر فوتون انرژي الكترون را به اندازه معين افزايش مي دهد پس بديهي است كه مقدار انرژي كه صرف جدا كردن الكترون مي شود از فلزي به فلز ديگر فرق كند، اما نبايد به انرژي الكترون بستگي داشته باشد.


اصل عدم قطعيت


يكي از بزرگترين دستاوردهاي علمي بشر اصل عدم قطعيت و تعابير فلسفي آن مي باشد
اين اصل را ورنر هايزنبرگ6 با كمك هاي نيلز بور در سال 1927 ارائه كرد.
براي آنكه تكانه و وضعيت آينده ذره اي را پيش بيني كنيم بايد بتوانيم وضعيت و تكانه فعلي آن را به دقت اندازه بگيريم . بديهي است براي اندازه گيري بايد ذره را در پرتو نور مورد مطالعه قرار دهيم چون برخي از امواج نور به وسيله ذره پراكنده خواهند شد و در نتيجه وضعيت ذره مشخص مي شود . اما دقت اندازه گيري وضعيت يك ذره بناگزير از فاصله بين تاجهاي متوالي موج نور كمتر است در نتيجه براي تعيين دقيق وضعيت يك ذره بايد از نوري با طول موج كوتاه تر استفاده كرد . حال بنابر فرضيه كوانتوم پلانك ، نمي توانيم هر قدر دلمان خواست مقدار نور را كم اختيار كنيم ، دست كم بايد يك كوانتوم نور مصرف كنيم . اين كوانتوم يا همان فوتون ذره را متاثر خواهد كرد . از اين گذشته براي آنكه وضعيت ذره را هر چه دقيق تر اندازه بگيريم . بايد از نوري با طول موج كوتاهتر استفاده كنيم كه با توجه به رابطه پلانك كه مي گويد فركانس با انرژي رابطه مستقيم دارد انرژي هم افزايش پيدا مي كند و بنابراين انرژي هر كوانتوم بيشتر مي شود . با افزايش انرژي نور تابانده شده مقدار انرژي جنبشي كه به الكترون تزريق مي شود افزايش پيدا مي كند. كه باعث زياد شدن اندازه حركت الكترون مي شود بنا براين هرچه تلاش كنيم كه موقعيت الكترون را دقيق تر مشخص كنيم اندازه حركت آنرا بيشتر تغيير خواهيم داد. به عبارتي ديگر ما هيچگاه نمي توانيم آينده ذرات را با وجود اصل ذاتي عدم قطعيت به طور دقيق مشخص كنيم كه اين دستاورد دقيقا در مقابل فلسفه فكري مكانيك نيوتوني قرار دارد.

با يك مدل ساده مي توان گفت كه مكانيك نيوتوني براي توصيف وضعيت ذره تنها نياز به يك عكس در لحظه اي معين از ذره دارد. يعني با داشتن خاصيت هاي كمي ذره مي تواند وضعيت ذره را پيش بيني كند حال آنكه مكانيك كوانتوم از ذره فيلم مي گيرد. يعني هزاران عكس از ذره را در نظر مي گيرد. و اساس توصيف وضعيت ذره را بر ميانگين و احتمالات مي گذارد. يا به عبارتي ديگر در برگيرنده همه چيز و در عين حال هيچ چيز.
اين اصل مي گويد اندازه حركت و مكان ذره (و هر زوج ديگري كه ديمانسيون حاصلضربشان با اين زوج برابر شود) در كوانتوم بر خلاف نظريه كلاسيك مكمل يكديگرند.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

و كوانتوم هيچ آزمايشي را براي رد كردن اين اصل ممكن نمي داند. كه حدس زدن همين آزمايش ها زماني داغترين موضوع بحث كنفرانسهاي فيزيك از جمله انجمن سلواي7 بود.
در ادامه بحث چند آزمايش در مورد عدم قطعيت را بررسي خواهيم كرد:
آ- پراش الكترون: فرض كنيد فاصله شكافها از يكديگر و فاصله شكافها تا پرده مقدار هاي معيني باشند. در اينصورت انتظار ما از آزمايش اينست كه با رقراري شرط محاسبه شده تداخل سازنده انجام شود. حال آنكه آزمايش با خطا همراه است و عدم قطعيت يك ابهام در مكان الكترون بوجود مي آورد.
كه دليل ايجاد شدن اين عدم قطعيت حضور ناظري بر آزمايش مي باشد.
ب- ميكروسكوپ هايزنبرگ: هدف اصلي اين آزمايش اينست كه بوسيله نوري كه الكترون ها پراكنده مي كنند مكان آنها مشخص شود. يعني بوسيله يك عدسي مي توان نور پراكنده شده توسط الكترون را مشاهده كرد. حال براي محاسبه دقيق تر مكان الكترون ها بايد توان تفكيك را تغيير داد يا به عبارتي ديگر عدم قطعيت در مكان الكترون را كه تابع طول موج و سينوس زاويه اي كه ميان محور اصلي و خط گذرنده از نقطه ابتداي عدسي مي باشد، را بايد كاهش داد. اما اين كار باعث مي شود تا تكانه با دقت كمتري محاسبه شود. كوانتوم مي گويد راستاي حركت فوتون پس از پراكندگي در محدوده تشكيل نامعين است. در نتيجه تكانه عدم قطعيتي دارد كه با زاويه ذكر شده رابطه مستقيم دارد. يا به عبارتي ديگر اگر ما بخواهيم بوسيله كاهش سينوس زاويه مذكور عدم قطعيت اندازه حركت را كم كنيم آنگاه عدم قطعيت ما در مكان افزايش مي يابد.
پ- الكترون ها در مدار اتم بور: در اين آزمايش تحت مطالعه قرار دادن الكترون باعث انتقال مهارنشدني تكانه به الكترون مي شود. كه خود عدم قطعيتي در انرژي الكترون ايجاد مي كند كه بسيار بزرگتر از اترژي بستگي الكترون در مدار مي باشد. يا به عبارتي ديگر اين جذب تابش در الكترون موجب خارج شدن الكترون از مدار مي شود. كه ازين رو نمي توان مدلي از مدار به دست آورد.
نكته مهمي كه از آزمايش آخر نتيجه مي گردد اينست كه عدم قطعيت تنها به زوج اندازه حركت و مكان محدود نمي گردد بلكه زوج هاي ديگري همچون انرژي- زمان را در بر مي گيرد. كه مي توان گفت كه اين زوج حاصل و ثمره نظريه نسبيت است.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

ت- بودن يا نبودن مسئله اينست. (گربه شرودينگر): يكي از عميق ترين آزمايشاتي كه توسط ذهن خلاق اروين شرودينگر8 جوان شكل گرفت آزمايش گربه شرودينگر بود. هرچند اين آزمايش بيشتر به يك سفسطه فلسفي شبيه است تا يك آزمايش اما تفكر ذهني كه پس از مطالعه اين آزمايش به دست ميايد اعتماد ما را نسبت به عدم قطعيت بيش از پيش جلب مي كند.
در اين آزمايش او اتاقي در بسته را در نظر مي گيردكه درونش يك گربه وجود دارد و شامل مقداري سيانور در يك شيشه شكننده كه به يك چكش وصل است مي باشد. در اين اتاقك مقدار بسيار كمي ماده راديواكتيو است كه ممكن است در يك زمان طولاني حتي يك اتم آن تجزيه نشود. و در اين اتاقك شمارشگر گايگر موجود است كه به محض اكتيو شدن ماده راديواكتيو رله چكش را به كار مي اندازد و اين چكش شيشه حاوي سيانور را مي شكند و حيوان مي ميرد. حال سوال اينست كه آيا در صورت باز نكردن جعبه مي توانيم در مورد زنده بودن يا نبودن جانور حرفي بزنيم. شرودينگر مي گويد كه زندگي گربه پنجاه-پنجاه است. جان ويلسون مي گويد: « طبق كوانتوم گربه تا زماني كه كسي در جعبه را باز نكرده و مشاهده اي انجام نداده در حال زنده و مرده قرار دارد»
ث- در حيطه ماكروسكوپيك: اگر از خطاهاي كوچك در حوزه مكانيك كلاسيك چشم نپوشيم آنگاه اين اصل را مي توان براي اجسام ماكروسكوپيك هم بكار گرفت.
بطور مثال يك توپ را در نظر بگيريد اگر اين توپ را از ارتفاعي رها كنيم به زمين مي خورد و به سمت بالا بر مي گردد وآنقدر اين كار را ادامه مي دهد تا بايستد.اما آيا واقعا از حركت ايستاده است؟ اصل عدم قطعيت مي گويد نه! به اين دليل كه اگر اين توپ بخواهد دقيقا در يك نقطه باقي بماند در آن صورت مكان دقيقش مشخص مي شود طبق اصل عدم قطعيت اگر عدم قطعيت ما در مورد مكان كم باشد عدم قطعيت ما در مورد اندازه حركت فوق العاده زياد است
به حدي كه اصلا نمي توانيم عددي براي اندازه حركت قائل شويم. بنا براين احتمال اينكه توپ از حركت ايستاده باشد صفر است. يعني به محض مشاهده، نور به آن انرژي وارد مي كند پس ما هيچگاه نمي توانيم واقعيت يا همان از حركت ايستادن توپ را ببينيم.) بوسيلة اين اصل و استدلالي مشابه مي توانيم توجيه كنيم كه چرا ذرات داخل اتم مدام در حال حركت هستند.
آزمايشات ديگري نيز مطرح شده است كه از ميان آنها مي توان به مهمترين آنها يعني پديده تونل زني در كوانتوم كه بر اساس علم احتمالات در كوانتوم شكل گرفته است اشاره كرد.
اين اصل نگاه ديگري را به نوع نگرش فيزيك در طبيعت مي بخشد.كوانتوم بوسيله اين اصل توانست در خط فكري فلسفه قرن 20 و مسير كلي فلسفه علم تغييرات مهمي را ايجاد كند.


عدم قطعيت و سرنوشت غير قابل پيش بيني:


سالها از مطرح شدن اين اصل توسط هايزنبرگ مي گذرد اما اين اصل همچنان به قوت خويش باقيست. و تمام نظريه ها كه مطرح شد و تمام برداشتهايي كه بعدها از نظريه كوانتوم انجام شد اين اصل را محترم شمرد.
از دل اصل عدم قطعيت نظريه هاي ديگري بيرون آمدند كه از بين آنها مي توان به نظريه آشوب اشاره كرد. اين تئوري يكي از مهمترين جريانات در فيزيك مدرن پس از كوانتوم بود. اين نظريه تلاشي است براي پاسخگويي به پرسش هايي كه نشان از ايجاد حوادث مهم توسط حركات آشوبناك دارد. كشف وجود پديده هاي تصادفي در نظام غير قابل پيش بيني فيزيك به برآمدن رشته جديدي از علم منجر شده است كه مدعي جهان ما بسيار غير قابل پيش بيني تر از آنيست كه تصور مي شد! نظريه آشوب با در نظر گرفتن تمام آثاري كه فيزيكدانان آنها را تا پيش ازين از محاسبات خويش حذف مي كردند توانست جلوه ديگري از طبيعت را آشكار سازد: « پروانه اي در برزيل بال مي زند و در نقطه اي از آمريكاي شمالي سيل مي آيد » . البته نبايد ازين مسئله غافل شد كه نظريه آشوب غالبا در سيستم هايي حاكم است كه حساسيت فوق العاده نسبت به شرايط اوليه دارند يا اينكه به دليل دارا بدن فاكتورهاي زير تحت تاثير اثرات شگفت انگيز آشوب قرار مي گيرند:
ميان رشته اي بودن.
بزرگ مقياس بودن.
دارابودن تعداد زياد پارامتر هاي مداخله گر.
غير خطي يا بودن. بويژه زماني كه رفتار ديفرانسيلي باشد. يعني عامل زمان
(نرخ و سرعت تغيير) در سرنوشت و رفتار سيستم اثر بگذارد.
اين نظريه مدعي است كه پيچيده ترين ساختار ها تركيبي از چند قاعده ساده هستند.
اما اين نظريه تنها بر ژنتيك و هواشناسي حاكم نيست بلكه اگر به هر خاطره ذهني به چشم يك فركانس نگاه كنيم مي بينيم كه يك خاطره كوچك مي تواند آشوبي در ذهن به پا كند..


اما آشوب چگونه بوجود آمد؟


نخستين بار سيستمهايي مشاهده شدند كه اگرچه در قلمرو فيزيك مكانيك كلاسيك بودند، اما رفتار ديناميك و غير خطي آنها باعث شده بود تا پيش بيني رفتار بلند مدت آنها عملا غير ممكن گردد.
بعدا ثابت گرديد كه نه تنها در عمل پيش بيني نا ممكن است بلكه در تئوري نيز سدهايي براي رسيدن به يك پيش بيني دقيق و دراز مدت وجود دارد.
دانشمندي بنام لورنتس در سال 1965 مشغول پژوهش روي مدل رياضي بسيار ساده اي كه از آب و هواي زمين بود ، به يك معادله ديفرانسيل غير قابل حل رسيد.
وي براي حل اين معادله به روشهاي عددي با رايانه متوسل شد. او براي اينكه بتواند اين كار را در روزهاي متوالي انجام دهد، نتيجه آخرين خروجي يك روز را به عنوان شرايط اوليه روز بعد وارد مي كرد. لورنتس در نهايت مشاهده كرد كه نتيجه شبيه سازي هاي مختلف با شرايط اوليه يكسان با هم كاملا متفاوت است. بررسي خروجي چاپ شده رايانه نشان داده كه رويال مك‌بي رايانه‌اي كه لورنتس از آن استفاده مي كرد، خروجي را تا ۴ رقم اعشار گرد مي كند. از آنجايي محاسبات داخل اين رايانه با ۶ رقم اعشار صورت مي گرفت، از بين رفتن دورقم آخر باعث چنين تاثيري شده بود. مقدار تغييرات در عمل گرد كردن نزديك به اثر بال زدن يك پروانه است. اين واقعيت غير ممكن بودن پيشبيني آب و هوا در دراز مدت را نشان مي دهد..


نظم در آشوب:


هم شكلي: در تئوري آشوب ؛ نوعي شباهت بين اجزاء و كل قابل تشخيص است. بدين ترتيب كه هر جزئي از الگو همانند و مشابه كل مي باشند. خاصيت خودمانائي در رفتار اعضاي سازمان نيز مي تواند نوعي وحدت ايجاد كند ؛ همه افراد به يكسو و يك جهت و هدف واحدي نظر دارند.
جاذبه هاي بي نظم: جاذبه ها انواع مختلف دارند مانند جاذبه نقطه ثابت ؛ جاذبه دور محدود ؛ جاذبه گوي مانند و جاذبه بي شكل يا بي نظم. جاذبه هاي بي نظم برخلاف جاذبه هابي قبلي كه نوعي نظم و قابليت پيش بيني داشتند ؛ بي نظم هستند و به همين خاطر برخي آنها را جاذبه هاي بي نظم نيز ناميده اند. اما همين جاذبه بي نظمي از الگوهاي خاص و مشخصي تبعيت مي كنند.
پويا بودن: سيستمهاي بي نظم خود را با محيط پيرامون وفق مي دهند.


توضيحات پاياني:


1- دانشمند و فيلسوف بزرگ دانماركي كه مكانيك كوانتوم را بنيان نهاد.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
نيلز بور
2- نسبيت خاص، حركت براوني، فيزيك براي مواد حالت جامد و اثر فوتو الكتريك

3- دانشمند بزرگ آلماني كه در سال 1879 در اولم آلمان بدنيا آمد و در سال 1955 در آمريكا درگذشت.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
آلبرت اينشتين

صداي سخنراني اينشتين:
4- دانشمند پرتلاش آلماني كه وجود امواج الكترومغناطيس را اثبات كرد. وي در سال 1857 در آلمان بدنيا آمد و در سن 37 سالگي درگذشت.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
هاينريش هرتز

5- دانشمند آلماني كه با مطرح كردن رابطه كوانتش انرژي انقلابي در فيزيك ايجاد كرد. وي در سال 1947 در سن 89 سالگي در آلمان از دنيا رفت.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
ماكس پلانك

6 - دانشمند بزرگ آلماني كه در سال 1901 چشم به جهان گشود و در سال 1976 در مونيخ درگذشت.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
ورنر هايزنبرگ

آيا قبل از انفجار بزرگ جهاني وجود داشته است ؟ اين سوالي است كه...


همه فيزيكدانان باور ندارند كه زمان با انفجار بزرگشروع شده باشد. انفجار بزرگ تنها مي توانسته گذري از يك رمبش به جهاني در حال انبساط باشد. اينك " مارتين بوجووالد " از دانشگاه ايالت پنسيلوانياي امريكا در حال بررسي مدلي از «گرانش كوانتومي حلقوي» است تا نشان دهد كه حتي اگر چنان جهاني، پيش از انفجار بزرگ وجود داشته باشد، شناخت جنبه هاي خاص آن غيرممكن خواهد بود. بسياري انفجار بزرگ را همچون «گلوله آتش» در نظر مي گيرند كه حدود ۱۴ ميليارد سال پيش از حالتي داغ و متراكم آغاز شد و به شكل جهان وسيعي كه امروزه مي بينيم، منبسط شد. در فيزيك كلاسيك مشكلي وجود دارد؛ وقتي مدل هاي خود را در جهت گذشته مورد استنتاج قرار مي دهيم، اين مدل ها انفجار بزرگ را به عنوان لحظه يي با انرژي و دماي بي نهايت پيش بيني مي كنند كه آن را «تكينگي» مي نامند. مدل هاي كلاسيكي مي توانند تا يك هزارميلياردم ثانيه اين تكينگي پيش بروند، اما همه مفهوم هاي پيشين معادلات شان از دست مي رود. فيزيكدانان براي شناخت جهان در زمان هاي دور بايد نظريه يي انتخاب كنند كه بتواند سه نيروي قوي تر طبيعت (الكترومغناطيسي، نيروي ضعيف هسته يي و نيروي قوي هسته يي) را با نيروي گرانش تلفيق كند، يعني آنها بايد نظريه گرانش اينشتين (نسبيت عام) را با مكانيك كوانتومي تطبيق دهند و يك نظريه كوانتومي گرانشي به وجود آورند. يكي از نظريه هايي كه به همين منظور پيشنهاد شده است، گرانش كوانتومي حلقوي نام دارد. اين نظريه فرض مي كند زمان در «جهش »هاي كوانتومي محدودي جلو مي رود. در نظريه كلاسيك انرژي مقادير بالاي دلخواهي مي گيرد، اما در نظريه گرانش كوانتومي حلقوي با يك حد فوقاني محدود مي شود. «بوجووالد» در اين باره مي گويد؛ " حدود ۶ سال قبل دريافتم كه گرانش كوانتومي حلقوي مي تواند از تشكيل تكينگي اجتناب كند، اما معادلاتي به كار بردم كه هنوز هم براي نشان دادن دقيق حالت كوانتومي بسيار پيچيده هستند
به هر حال فقدان تكينگي اين احتمال را پديد آورده است كه جهان مي توانست حالتي داشته باشد كه تا زمان هاي قبل از انفجار بزرگ امتداد يابد. اين يعني انفجار بزرگ آغاز جهان را نشان نمي دهد، اما انفجار بزرگ بيشتر يك گذر يا جهش جهان بود از حالتي پيش از رمبش به چيز در حال انبساط كه امروزه مي شناسيم. اكنون «بوجووالد» مشغول تحقيق روي اين موضوع است كه آيا مي توان به جهان پيش از انفجار بزرگ نگاهي گذرا افكند يا خير. او كه تحقيقاتش را با مدلي بر اساس گرانش كوانتومي حلقوي شروع كرد، در اوايل امسال گفت كه حالت جهان با تعدادي پارامتر از جمله چگونگي انبساط كنوني جهان، مقدار ماده موجود و شدت گرانش توصيف مي شود. وي به تدريج مدل را ساده سازي كرد و توانست معادلاتي براي حالت جهان بيابد كه در زمان پيش از انفجار بزرگ دقيقاً قابل حل باشد. ما كه هم اكنون در دوره پس از انفجار بزرگ زندگي مي كنيم، از فضا و زمان كاملاً هموار برخورداريم. اما پيش از انفجار بزرگ (اگر چنان زماني وجود داشته باشد) احتمال دارد كه جهان در چنان حالت كوانتومي پرافت و خيزي بود كه حتي مفاهيم معمولي زمان هم معني خود را از دست مي دادند. «بوجووالد» دريافت كه وسعت جهان حاضر عدم قطعيت بنيادي يي در معادلاتش به وجود مي آورد كه ما را از درك چگونگي تغييرات كوانتومي بزرگ پيش از انفجار بزرگ بازمي دارد؛ يعني امكان ندارد كه مثلاً براي پيگيري گذشته همه جنبه هاي جهان پيش از انفجار بزرگ، محاسبات مان را رو به عقب انجام دهيم. اين چيزي است كه «بوجووالد» نامش را «فراموشي كيهاني» مي گذارد. او مي گويد؛ «اين حقيقت كه برخي ويژگي ها به طور كامل پيش بيني ناپذيرند، بسيار غيرمنتظره است.» البته وي اضافه مي كند كه جنبه هاي مرتبط با رفتارهاي كلاسيكي همچون وسعت جهان و آهنگ انقباض را مي توان به طور كلي مشخص كرد. اما «جان بارت»، نظريه پرداز گرانش كوانتومي از دانشگاه ناتينگهام انگلستان يادآور مي شود كه گرانش كوانتومي حلقوي نظريه يي كاملاً مقبول در ميان ساير نظريه ها نيست كه اين موضوع مي تواند نتيجه گيري هاي «بوجووالد» را متزلزل سازد. او مي گويد : گرانش كوانتومي حلقوي مثل كيكي نيم پخته است. براي دستيابي به يك نظريه كوانتومي گرانشي كامل به برخي جنبه ها نياز داريم كه هنوز وجود ندارد.
منبع : [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

فيزيك نظري مشكلات و راه حل ها

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.

منبع :www.cph-theory.persiangig.com

پلانك و مكانيك كوانتومي

مردي كه فصلي را در دنياي فيزيك گشود

در يكي از روزهاي زمستان سال 1900 ميلادي در شهر برلين يك استاد 42 ساله دانشگاه پسر كوچكش را براي پياده روي بيرون برده بود. در طول راه او رازي را براي فرزندش آشكار كرد ( امروز چيزهايي به ذهن من رسيدند كه به اندازه افكاري كه به ذهن اسحاق نيوتن خطور كردند تحول برانگيزو بزرگند). آن استاد كسي نبود جز ماكس پلانك و تنها چند ساعت پيش از آن او بينشي نسبت به ماهيت واقعيت يافته بود كه فيزيك كلاسيك را از هم مي پاشيد و نحوه تفكر در دنياي نوين را تغيير مي داد. اين عقايد از طريق عاملي پيش پا افتاده به ذهن پلانك خطور كرده بودند همانند بسياري از فيزيكدانان ديگر.

در يك قرن پيش پلانك روي مسائلي در ارتباط با ويژگي هاي اساسي حرارت كار مي كرد. هنگامي كه او در تلاش بود تا ماهيت آزمايش‌هاي مربوط به گرما و نور برخاسته از يك جسم ساده گرم و درخشان «جسم سياه) را دريابد، متوجه شد كه ناگزير است عقيده اي به ظاهر مسخره را بپذيرد. اينكه انرژي تابشي برخاسته از اجسام نه به صورت پيوسته بلكه در بسته هايي مجزا به اطراف پراكنده مي شود.

پلانك هر يك از اين بسته ها را يك "كوانتوم" ناميد. كه واژه اي برگرفته از لاتين و به معناي "چه مقدار" است و در جمع "كوانتا" خوانده مي شود. و رابطه اي را روي كاغذ آورد كه انرژي آنها را به فركانس ربط مي داد. با اين كار او پدر نظريه مكانيك كوانتومي شد. اين نظريه شامل قوانيني بود كه بر اين بسته هاي انرژي حاكم بودند. و البته به زودي مشخص شد كه دامنه نفوذ آنها بسيار فراتر از همين بسته هاست.

امروزه مي دانيم كه نظريه مكانيك كوانتومي ، حاكم بر تمامي مسائل است كه در عالم وجود دارند. از كوچكترين ذرات زيراتمي گرفته تا نيروهاي فضا زمان. اين نظريه توضيح مي دهد كه

ريز تراشه ها چگونه كار مي كنند؟

چرا گچ سفيد است؟

اتم ها چگونه انرژي هسته اي خود را آزاد مي كنند؟

نظريه مكانيك كوانتومي شالوده كل صنعت الكترونيك است. و در عين حال ممكن است منشا عالم «انفجار بزرگ) را نيز توضيح دهد. پلانك آنقدر زنده ماند تا ببيند كه كوانتاي او چه گستره وسيعي از پديده ها را توضيح مي دهند. گستره اي كه هنوز هم انتهايي بر آن متصور نيست. اما او همچنان يك "انقلابي ميل" باقي ماند.

پلانك سالها در جستجوي راههايي براي رهايي از كوانتوم ها وقت صرف كرد. براي او مايه شرمساري بود كه سبب شهرتش دنبال مفهومي باشد كه خود او به سختي آن را باور داشت. اما درنهايت اكتشافات بنياد افكن پلانك بيش از آن كه ناشي از استعداد هاي علمي باشد، از صداقت خلل ناپذير او برخاسته بود.

پلانك با اينكه باورهاي خودش را واژگون شده و ادراكش از واقعيت را ديگر گونه مي ديد. سرانجام آنچه را كه معادلاتش به او مي گفتند، پذيرفت. او به يكي از همكاران فيزيكدانش پس از اينكه ستيز براي احتراز از مفاهيم نظريه مكانيك كوانتومي را وانهاده بود، اين طور گفته بود: "اين كار هيچ فايده اي ندارد ما مجبوريم با نظريه مكانيك كوانتومي زندگي كنيم."

كشفي كه به يك انقلاب منجر شد

در ادامه مطالعه جسم سياه ، در عرض چند ساعت پلانك رابطه اي را يافت كه به نظر مي رسيد قادر به انجام چنين كاري است. او دريافت كه طول موج تابش هر مقدار كه باشد، پاسخ صحيح را به دست مي دهد. ساير دانشمندان به سرعت كشف او را به عنوان پيشرفتي كليدي مورد تحسين قراردادند، اما براي پلانك تنها اين كافي نبود او مي خواست بداند كه چرا رابطه اش كار مي كند؟

در جستجوي پاسخي براي اين پرسش او در ذهن خود مجسم كرد كه جسم سياه از نوسانگرهاي بسيار كوچكي ساخته شده است كه هر يك از آنها تابش هاي الكترومغناطيسي از خود گسيل مي كنند. اين گامي بسيار اساسي بود كه پلانك برداشت. در آن زمان فيزيكدانان اندكي آنقدر شهامت داشتند كه به تشكيل يافتن ماده از اتم ها معتقد باشند. تشكيل شدن انرژي از اجزا كوچك كه ديگر جايي براي خود داشت. با اين حال به نظرمي رسيد كه اين نگرش كار آمد است.

با استفاده از نظريه الكترومغناطيسي پلانك دريافت كه مدلي كه او به اين ترتيب از جسم سياه ساخته است، بخشي از رابطه رياضي انرژي ساطع شده از جسم سياه را به دست مي دهد «محاسبه انرژي تابشي جسم سياه). تمام آنچه كه مي ماند، تبديل كردن اين رابطه به شكل رابطه اي بود كه پلانك در آن عصر يكشنبه سرهم كرده بود. اينجا بود كه پلانك كشف تاريخي اش را انجام داد.

كشف تاريخي پلانك

پلانك دريافت كه براي دستيابي به هماهنگي لازم با رابطه يافته شده ، بايد فرض را بر اين بگذارد كه نوسانگرهاي كوچك نمي توانند تحت هر فركانسي كه دلشان خواست نوسان كنند. براي فيزيكداني كه با هزاران سال تحقيق و پژوهش در مورد نوسان اشباع شده بود، اين كار ارتداد محض بود. حتي يونانيان باستان هم مي دانستند كه سيم هاي كشيده شده را مي توان تحت هر فركانسي به نوسان در آورد. حتي اگر نتيجه كار چندان هم موسيقي يايي نباشد.

با اين وجود ، براي اينكه رابطه پلانك بتواند كار آمد باشد، او مي بايست اين را مي پذيرفت كه نوسان گرهاي كوچك در جسم سياه همانند يك زه ويولن هستند كه مي توانند دو نت موسيقي متوالي را توليد كند، اما قادر به توليد هيچ صدايي بين آن دو نيست. پلانك تلاش كرد تا از يافته عجيب خودش سردرآورد. اما در دانش شناخته شده فيزيك در آن روز چيزي وجود نداشت كه بتواند به او كمك كند.

در آنچه كه او بعدها آن را "عملي از روي ناچاري" ناميد، پلانك پذيرفت كه انرژي تابش شده در واحدهاي بسته بندي شده اي كه او آنها را كوانتا ناميده، گسيل مي شود. و دليل او نيز چيزي بيش از آن نبود كه رابطه حاصل از اين رويكرد كار آمد است و به پاسخ هاي درست منتهي مي شود. در عين حال پلانك احساس مي كرد كه كشفي بزرگ را به انجام رسانده ، همان كشفي كه هنگام قدم زدن در آن روز زمستاني براي پسرش از آن صحبت مي كرد.

يكي از منافع جنبي كشف او رابطه ساده اي بود كه مقدار انرژي موجود در اين بسته ها را به طول موج آنها ربط مي داد. هر چه طول موج كوتاهتر باشد انرژي بيشتر خواهد بود. ارتباط اين دو متغيير را كميتي كه با h نشان داده مي شد، برقرارمي كرد. چيزي كه در حال حاضر ثابت پلانك خوانده مي شود. هم اكنون مشخص شده است كه اين ثابت همراه با سرعت نور C و ثابت گرانش نيوتن از لحاظ كيهان شناسي اهميت بسيار زيادي دارد.

پلانك به قله دانش صعود مي كند

هم اكنون فيزيك كوانتومي به عنوان موفق ترين نظريه علمي شناخته مي شود. زيرا مبدع اين نظريه پلانك افتخارات بسياري از جمله جايزه نوبل فيزيك 1918 را از آن خود كرد. در آن هنگام پلانك 60 ساله باقي توان خود را بر گرد آوردن بهترين فيزيكدانان دوران از جمله آلبرت انيشتين در برلين ، براي كار روي نظريه مكانيك كوانتومي متمركز كرده بود. اين كار ارزشمند را پلانك در حالي انجام مي داد كه در زندگي شخصي خود با رويدادهاي غم انگيز هولناكي رو در رو بود.

حوادث ناگوار پلانك

در سال 1916 پسر او ، همان كسي كه كشفش را اولين بار براي او بازگو كرده بود، در يك عمليات نظامي در وردون كشته شد كه در آن زمان چندين سال از مرگ همسر اولش مي گذشت.

طي سه سال هر دو دختر او هنگام وضع حمل از دنيا رفتند.

در سال 1944 آخرين پسر او كه مظنون به شركت در نقشه اي براي قتل هيتلر بود، توسط نازيها اعدام شد.

پلانك در سال 1947 در سن 89 سالگي در آلمان از دنيا رفت.

آلبرت انيشتين وقتي از مرگ يكي از قهرمانان علمي اش خبردار شد، نامه اي به بيوه پلانك نوشت و در آن از خاطرات كار با مردي گفت كه نگاهش به حقايق جاوداني بود. اما در عين حال فعالانه درگير همه آن چيزهايي بود كه به پيشرفت مربوط است.

منبع : دانشنامه رشد

اتم - ملكول - ساختار اتم 

از مدتها قبل ،انسان مي داند كه تمام مواد از ذرات بنيادي يا عناصر شيميايي ساخته شده اند. از ميان اين مواد،مثلاً مي توان از اكسيژن ،گوگرد ،و آهن نام برد .كوچكترين ذره آهن ،يك اتم آهن و كوچكترين ذره گوگرد ،يك اتم گوگرد ناميده مي شود .
آهن خالص فقط داراي اتمهاي آهن است و گوگرد خالصل نيز فقط اتمهاي گوگرد دارد . اتمها جرمهاي گوناگوني دارند .سبكترين آنها اتم هيدوژن است .
اتمهاي آهن بسيار سنگينتر از هيدروژن و اتمهاي "اورانيم" از اتمهاي آهن سنگينترند ،يعني جرمشان بيشتر ايت .واژه اتم ،از بان يوناني گرفته شده و معناي آن در واقع "ناكسستني" يا "تقسيم ناپذير" است .
امروزه ما مي دانيم كه امها را هم مي توان به اجزاء كوچكتر تقسيم كرد.ولي به هر حال ،اگر مثلاً يك اتم آهن را درهم بشكنيم ،اجزاء شكسته شده ،و ديگر آهن نسيتند و خصوصيات آهن را ندارند به اين دليل است كه در بسياري از كتابهاي شيمي تعريف زير در باره واژه "اتم" آورده شده است :
"يك اتم كوچكترين سنگ بناي يك عنصرشيميايي است كه كليه خصوصيات ويژه آن عنصر را دارا بوده و در صورت تقسيم آن به اجزاء كوچكتر ،اين خصوصيات را از دست خواهد داد ".
اتمها در مقايسه با كليه چيزهايي كه ما در زندگي معمولي خود با آنها برخورد مي كنيم ،خيلي خيلي كوچك هستند .قطر يك اتم تقريباً سانتيمتر يا 8 - 10×1 سانتيمتراست . با ذكر يك مثال مي توان پي برد كه اتمها چقدر كوچك هستند :
برروي كره زمين تقريباً 5 ميليارد نفر زندگي مي كنند. اگر هر نفر را يك اتم حساب كنيم و با اين اتمها يك زنجير بسازيم طول اين زنجير به زحمت 50 سانتيمتر خواهد شد .
مولكول چيست؟ اتمها مي توانند براي ايجاد ذرات بزرگنر با يكديگر پيوند پيدا كنند و به اصطلاح "مولكولها " را تشكيل دهند.به عنوان مثال ،دو اتم اكسيژن با يكديگر تشكيل يك مولكول اكسيژن را مي دهند. در طبيعت اغلب اوقات اتفاق مي افتد كه امهاي عناصر مختلف به صورت مولكول با يكديگر اتحاد مي يابند .
يكي از معروفترين اين اتحادها مولكول آب است . كه ازيك اتم اكسيژن و دو اتم هيدوژن تشكيل شده است . يك مولكول آمونياك ،يك اتم نيتروژن وسه اتم هيدوژن دارد .
آب و آمونياك برخلاف اكسيژن و كربن عناصر شيميايي نيستند بلكه تركيبات شيميايي از عناصر متقاوت هستند .كوچكترين ذره چنين تركيبي مولكول ناميده مي شود .چنانچه يك مولكول آب را تجزيه كنيم خصوصيات آب از دست مي رود و فقط ذرات تشكيل دهنده آن يعني هيدروژن و اكسيژن باقي مي مانند كه خصوصياتي كاملاً متفاوت با آب دراند .
مولكولهانيز مثل اتمها به طرز غيرقابل تصوري كوچك هستند دريك ليوان ـآب معمولي تقريباً 6000000000000000000000000 يا 24 10×6 مولكول آب وجود دارد . اگر اين لوان آب را به ميزان مساوي بر روي تمام اقيانوسها و درياهاي كره زمين پخش كنيم درهر ليتر از آب درياها ،چندين هزار مولكول از آب ليوان وجود خواهد داشت . 
ساختار اتم چيست ؟ تقريباً 75سال پيش "ارنست رادر فورد " در انگلستان مطلبي را كشف كرد كه فيزيك اتمي جديد را نبيان گذارد . اما اكنون به اين مطلب مي پردازيم .اين فيزيكدان بريتانيايي يك ورق نازك طلايي را مورد اصابت ذرات آلفا قرار داد تا در ون اتمها را شناسايي كند . 
اگر مواد در يك چنين ورق فلزي بطور متناسب و يكنواخت پخش بودند ذرات آلفا درهمان مسير پرواز خود به حركت ادامه مي دادند،اگر چه در اين حالت كمي از سرعت ذرات آلفا كاسته مي شد. تمام "ذرات آلفا" تقريباً به همين شكل رفتار كردند .البته تعداد كمي نيز كاملاً از مسير خود منحرف شدند درست مثل اينكه به يك گلوله كوچك اما خيلي سنگين برخورد كرده باشند "رادرفورد " از اين آزمايش چنين نتيجه گيري كرد كه تقريبا تمام جرم اتم طلا در يك هسته بسيار كوچك وناچيز تمركز يافته است .
هسته اتم كشف شده بود.امروز ه ما دقيقاً مي دانيم ساختار اتم چيست ."اتم ماننديك منظومه شمسي كوچك است ". در مركز اتم يك هسته بسيار كوچك قرار دارد كه از نظر الكتريكي داراي با ر مثبت است و تقريباً تمام جرم اتم را تشكيل مي دهد به دور اين هسته ذرات كوچك و بسيار سبكي كه داراي بار الكتريكي منفي هستند يعني الكترونها در حركت هستند. 
اتمها ي سنگين تر ين فلزات در وقاع داراي "ساختماني اسفنجي " هستند و تقريبا فقط از فضاي خالي تشكيل شده اند اگر هسته اتم را به برزگي يك گيلاس فرض كنيم ،ساختمان اتم با مدارهاي اكتروني خود تقريبا به بزرگي "كليساي دم " در شهر كلن خواهد بود .
قطر هستهه اتم تقريبا برابر سانتيمتر يا 12- 10سانتيمتر مي باشد به عبارت ديگر 100ميليارد هسته اتم دركنار هم زنجيري به طول يك ميليمترخواهند ساخت .
ساده ترين اتم هيدروژن است . دراين اتم فقط يك الكترون به دور هسته بسيار كوچكي مي گردد . در شرايط عادي اين اكترون فقط پنج ميليارددم سانتيمتر يا 9- 10×5 سانتيمتر از هسته فاصله دارد .اما اين الكترون مي تواند روي مدارهاي دور تري نسيت به هسته نيز قرار گيرد و در اينجاست كه متاسفانه و جه تشابه بين اتم و منظومه شمسي از بين مي رود .
حركت الكترون فقط روي مدارهاي ويژه و معين يا به عبارت ديگر"تراز انرژي " مشخصي امكان پذير مي بادش در حالي كه سياره ها در هر فاصله دلخواهي از خورشيد مي توانند حركت كنند مثلا اگريك الكترون از يك مدار داخلي يا به عبارت ديگراز يكتراز پر انرژي تر به يك مدارداخلي يا يك تراز كم انرژي تر منتقل شود مقدار انرژي به شكل يك ذره يا "كوانت نوري " يا "فوتون" رها مي وشد چون فقط مدارها يا ترازهاي انرژي كاملاً معيني وجود دارد در نتيجه فقط ذره هاي نوري يا انرژي كاملاً معيني نيز منتشر خواهند شد و به عبارت ديگردرنمودار موجي طول موجهاي كاملا معيني پديدار مي شوند كه انسان ار روي آنها مي تواند درتمام كيهان يك انم هيدروژن را باز شناسايي كند.
اين مطلب براي ساير عناصر شيميايي نيزصادق است زير بناي علم "طيف نگاري و طيف شناسي " مي باشد كه به كمك آن مثلا مي توان تشخيص داد چه نوع اتمهايي در آتمسفر خورشيد وجود دارند .

منبع : physicsir.com

نظريه ي ريسمان


در نظريه ي ريسمان به جاي اينكه هر ذره را مستقل در نظر بگيريم به صورت رشته اي پيوسته با شكلهاي مختلف درنظر ميگيريم , مثلا الكترون را مي توان مانند يك النگو رشته اي بدانيم كه دو سرش بهم گره خورده و حلقه دايره اي تشكيل داده است. علت بوجود آمدن اين نظريه اين بود كه گرانش با كوانتوم مشكل دارد. حتماٌ مي دانيد در دنياي ما چهار نيروي اصلي بنامهاي الكترومغناطيسي، هسته اي قوي، هسته اي ضعيف و گرانشي وجود دارد. سه نيروي اول به ترتيب مي توانند با هم در انرژيهاي بالا متحد شوند و يك نظريه واحد داشته باشند. يعني انشعاباتي از يك نظريه ي اصلي باشند. اصطلاحاٌ مي گويند اين سه نظريه در انرژيهاي بالا تقارن دارند و در انرژيهاي معمولي دچار شكست خودبخودي تقارن مي شوند. اما چهارمين نيروي اصلي يعني گرانش دو مشكل اساسي دارد. يكي وحدت نيافتن با سه نيروي ديگر و ديگر اينكه اگر ذرات را نقطه اي در نظر بگيريم، سطح مقطع برهم كنش نيروي گرانشي بين دو ذره ي نقطه اي كه بهم نزديك مي شوند طبق نظريه ي كوانتومي بي نهايت بدست مي آيد. از اينرو ذرات بصورت ريسمانهاي يك بعدي در نظر گرفته شدند. مثلا الكترون يا كواركها همگي ريسمانهاي بسته و حلقوي با شكلهاي مختلفند. در اين تصورجديد، ديگر برهم كنش ذرات در زمان و مكان خاص رخ نمي دهد بلكه شما دو حلقه داريد كه در فضا بهم نزديك مي شوند و با عكسبرداي تخيلي يك پوسته به شكل شلنگ نمايش داده مي شود. مثل اينكه دو شلنگ بهم برخورد كرده باشند و دو شلنگ جديد بوجود آورده باشند. در اين نظريه هم وحدت ميسر است و هم بينهايتهاي گرانش كوانتومي برطرف مي شود.

نظريه ي ريسمان ادعا مي كند كه دنياي ما 10 بعديست. يعني 9 بعد مكاني و يك بعد زماني دارد. اين برخلاف تجربيات ماست. يعني ما فكر مي كنيم كه در دنيايي با سه بعد مكاني و يك بعد زماني زندگي مي كنيم. به همين دليل توجيه مي كند كه 6 بعد اضافي در واقع در دنياي ما وجود دارند ولي فشرده شده اند. فشرده شدن يعني اينكه مثلا شما يك شلنگ را از فاصله ي دور بصورت يك بعدي مي بينيد اما از نزديك بصورت يك استوانه ي دو بعدي. در نظريه ي ريسمان اشكالاتي هم وجود دارد. مثلا تمام جوابهايي كه براي ريسمانهاي موجود در ابعاد R بدست مي آيد در ابعاد R-1 هم بدست مي آيد. يعني اصطلاحا ابعاد بزرگ و كوچك خواص مثل هم دارند كه بطور بديهي غلط است. و اينكه ما مي دانيم كه دما حداقل دارد ولي نظريه ي ريسمان مي گويد علاوه بر اين حداقل دمايي، يك حداكثر هم وجود دارد به اندازه ي 1032 سانتيگراد.

براي اطلاعات كامل تر مي توانيد به مقالات زير مراجعه فرمائيد :

1) دكتر كامران وفا (استاد دانشگاه هاروارد آمريكا) در مجله ي فيزيك سال 1371 به شماره ي 4 سال 10 زمستان تحت عنوان: مروري بر فيزيك ذرات.

2) مقالات سخنراني دكتر تهوفت (برنده ي جايزه ي نوبل فيزيك سال فكر كنم 97) درسايت نوبل .



منبع : physicsir.com

عنوان مطلب :
فيزيك نوين دنياي كوچكترين ذرات
نوع فايل :
[ PDF ]
اندازه فايل :
305 KB

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]


منبع : هوپا

شتاب دهنده ذرات

علي رستمي

امروز سوخت و انرژي در دنيا به چند دسته كلي تقسيم مي شوند. سوخت هاي فسيلي و سوخت هاي غيرفسيلي و انرژي هاي تجديد پذير و غيرقابل تجديد.

سوخت هاي فسيلي عبارتند از: نفت، گاز و زغال سنگ كه با اكسيژن هوا تركيب مي شوند و ايجاد انرژي به شكل حرارت مي كنند. اين سوخت ها در مقايسه با سوخت هاي ديگر انرژي كمتر توليد مي كنند. مثلاً يك كيلوگرم زغال سنگ حدود 8 كيلووات ساعت انرژي توليد مي كند و يك كيلوگرم نفت حدود 12 كيلووات ساعت انرژي توليد مي كنند. اين سوخت ها آلوده كننده محيط زيست نيز هستند.

به علاوه جزء ذخاير غيرقابل تجديد بوده و داراي مشكلات زيادي در حمل و نقل ايمني نيز هستند. مانند گازگرفتگي (خفگي) يا توليد گاز سمي منوكسيد كربن. دسته ديگر از سوخت ها شامل سوخت هاي هسته اي هستند مانند اورانيوم يا پلوتونيوم يا ايزوتوپ هاي هيدروژن مانند دوتريوم يا تريتيوم يا فلز سبك ليتيوم. اين سوخت ها در مقايسه با سوخت هاي دسته اول داراي امتيازات مثبت و منفي هستند. اول اينكه در اين سوخت ها بعضي ايزوتوپ ها توانايي توليد انرژي به وسيله تكنولوژي فعلي بشر را دارد مانند ايزوتوپ هاي كمياب اورانيوم 235 يا پلوتونيوم 239 يا اورانيوم 233 كه به اين ايزوتوپ ها شكاف پذير مي گويند. امتيازات اينها عبارتند از توليد مقادير زياد انرژي به وسيله حجم كم ماده سوختني. مثلاً از يك كيلوگرم اورانيوم 235 يا پلوتونيوم 239 مي توان مقدار 23ميليون كيلووات ساعت گرما ايجاد كرد، اما مشكلاتي نيز دارند از آن جمله اين كه: غني سازي و توليد اين ايزوتوپ ها مشكلات و هزينه زيادي دارند. دوم اينكه، اين سوخت هاي هسته اي سنگين پس از توليد انرژي مقادير زيادي ايزوتوپ هاي پرتوزا از خود به جاي مي گذارند كه به زباله هاي هسته اي موسوم است.

اين زباله ها براي محيط زيست و سلامت افراد خطرناك هستند و بايد براي صدها سال در انبار هاي محكم نگهداري شوند تا راديواكتيو آن از بين برود. دسته ديگر از سوخت هاي هسته اي شامل عناصر سبك مانند دوتريوم يا تريتيوم يا ليتيوم هستند كه قرار است در راكتور هاي گداخت يا همجوش هسته اي توليد انرژي كنند. البته تاكنون از اينها در بمب هاي هيدروژني بهره برداري نظامي و تسليحاتي مي شد، اما براي توليد انرژي براي مصارف صلح آميز تكنولوژي راكتور هاي گداخت بايد تكميل شود، اين سوخت ها معايب و مزاياي فراواني دارند. اول توليد نوترون و تشعشعات نوتروني مي كنند كه بايد در راكتور هاي همجوشي هسته اي به نحوي جذب و كنترل شوند دوم اينكه تريتيوم نبايد از راكتور نشت كند زيرا يك ايزوتوپ راديواكتيو است.مزاياي اين سوخت ها عبارت از اين كه فراوان در دسترس هستند و دوم اينكه توليد انرژي زيادتري نسبت به اورانيوم يا پلوتونيوم مي كنند. مثلاً انرژي حاصل از گداخت هيدروژن به هليوم مساوي است با 177 ميليون كيلووات ساعت در صورتي كه انرژي حاصل از اورانيوم برابر است با 000/000/23 كيلووات ساعت. بنابراين يك كيلوگرم هيدروژن حدود 8 برابر يك كيلوگرم اورانيوم توليد انرژي مي كند.

انواع ديگر انرژي عبارتند از: انرژي خورشيدي، انرژي باد، انرژي زمين گرمايي و انرژي بيوگاز كه مشكل بزرگ اين انرژي تجديدپذير اينكه بازده انرژي اينها پايين است و دوم اينكه دائمي نيستند و سوم اينكه تكنولوژي بشر براي استفاده مقياس زياد از اينها تكميل نيافته است. ما در اين مقاله سعي مي كنيم جديدترين طرح توليد انرژي كه شايد يكي از منابع انرژي قرن 21 باشد را معرفي كنيم. اين طرح توليد انرژي عبارت از شتاب دهنده ذرات اتمي براي توليد انرژي زياد، عملكرد اين سيستم و دستگاه براساس استفاده از ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي براي شتاب دادن و كنترل ذرات باردار الكتريكي تا مرز سرعت نور است. اين سيستم ها قادر هستند سرعت الكترون ها و پروتون ها را تا مرز سرعت نور شتاب دهند. وقتي ذرات تا اين حد شتاب يافتند سطح انرژي آنها چند ميليون برابر مي شود و داراي انرژي عظيم و فراواني مي شود. يك مثال نشان دهنده اين مطلب است، به عنوان مثال شتاب دهنده پروتون در آزمايشگاه فرمي آمريكا قادر است ذرات پروتون را تا يك تريليون الكترون ولت (Tev) شتاب دهد.

اگر ما به وسيله اين شتاب دهنده پروتون هاي يك گرم هيدورژن معمولي كه در آب زياد است را تزريق كنيم و شتاب دهيم انرژي پروتون ها برابر خواهد بود با انرژي 26 ميليارد كيلووات ساعت انرژي، كه مساوي است با انرژي توليد شده به وسيله شكافت حدود 1200 كيلوگرم اورانيوم يا 15 ميليون بشكه نفت. همه اين انرژي عظيم و غيرقابل باور فقط به وسيله شتاب دادن پروتون هاي يك گرم هيدروژن تا سطح انرژي يك تريليون الكترون ولت است. پس با اين محاسبات دانستيم كه شتاب دهنده ها داراي چه قدرت عظيمي هستند.

شتاب دهنده ها به چند دسته كلي تقسيم بندي مي شوند: 1- شتاب دهنده هاي خطي، 2 _ شتاب دهنده هاي مداري، 3 _ شتاب دهنده سيلكووترون. علاوه بر آن ساخت و نگهداري شتاب دهنده آسان و كم هزينه است. در ضمن مي توان اين سيستم هاي مولد را در ابعاد و مقياس هاي مختلف ساخت به عنوان مثال يك شتاب دهنده خطي كه طول آن 100 متر و ولتاژ آن 10 ميليون ولت است كه قادر است انرژي معادل يك گيگا (Gev) الكترون ولت توليد كند. اين انرژي معادل است با انرژي 26 ميليون كيلووات ساعت در هر ثانيه. اگر تنها موفق شويم 50 درصد انرژي اين شتاب دهنده را استفاده كنيم اين شتاب دهنده قادر است معادل 20 هزار نيروگاه اتمي در مقياس نيروگاه اتمي هزار مگاواتي نيروگاه بوشهر توليد انرژي كند. يعني قادر خواهد بود 20 ميليون مگاوات انرژي الكتريكي توليد كند.

علاوه بر آن از حرارت و گرماي توليدي اين دستگاه مي توان براي بخار كردن آب دريا و توليد آب شيرين استفاده كرد. محاسبات نشان مي دهد كه اين سيستم قادر خواهد بود در سال معادل بارندگي ساليانه كشور آب شيرين توليد كند، بدون اينكه هوا را آلوده كند يا مشكلاتي از قبيل زباله هاي هسته اي يا پس مانده و آلودگي ايجاد كند، در واقع يكي از بهترين منابع انرژي خواهد بود. سوخت مصرفي اين دستگاه تنها چند گرم هيدروژن معمولي است انرژي توليدي از يك دستگاه شتاب دهنده يك گيگا الكترون ولت (Gev) برابر است با انرژي حاصل از سوختن 000/500/2 ليتر بنزين خواهد بود. بنابراين اگر به مدت يك سال كار كند معادل انرژي 500 ميليارد بشكه نفت انرژي توليد مي كند.

ارزش اقتصادي اين مقدار انرژي كه 2 برابر انرژي ذخاير نفت عربستان سعودي است با احتساب قيمت هر بشكه نفت بر مبناي 20 دلار برابر است با 10 تريليون دلار. در صورتي كه ما از اين سيستم شتاب دهنده استفاده كنيم نيازي به سوزاندن اين حجم عظيم نفت و گاز براي توليد انرژي نداريم. مزاياي اين سيستم عبارتند از: 1- مي توان در ابعاد و اندازه هاي مختلف ساخت. 2- هزينه ساخت و نگهداري آن كم بوده است. 3_ هيچ گونه زباله يا آلودگي محيطي توليد نمي كند. محصول نهايي آن آب خالص يا بخار آب است. 4 _ با استفاده از اين دستگاه عملاً عمر منابع انرژي نامحدود مي شود و منبع عظيمي از انرژي در دسترس خواهد بود.

در حوزه ذرات

1-الكترون ولت: واحد انرژي است و برابر انرژي يك الكترون يا پروتون وقتي از اختلاف پتانسيل يك ولت عبور كند برابر است با 19-10*6/1 ژول

2 _ يك گرم هيدروژن 1023 * 02/6 اتم بوده كه به آن يك اتم گرم يا يك مول هيدروژن گويند.

اگر اين مقدار هيدروژن از شتاب دهنده يك (Gev) عبور كند معادل انرژي آن برابر خواهد بود:

ژول 1013*6/9=109*1*1023*02/6* 19-10*6/1

يك كيلووات ساعت برابر است با 000/600/3 ژول. بنابراين انرژي آن برابر است با 26 كيلووات ساعت.

1013 *6/9 ژول تقسيم بر 000/600/3 مساوي 105*26

منبع 1 : physicsir.com

منبع 2 : روزنامه شرق

نظریهٔ ریسمان شاخه‌ای از فیزیک نظری و بیشتر مربوط به حوزه فیزیک انرژی‌های بالاست .این نظریه در ابتدا برای توجیه کامل نیروی قوی به وجود آمد ولی پس از مدتی با گسترش کرومودینامیک کوانتومی کنار گذاشته شد و در حدود سالهای ۱۹۸۰ دو باره برای اتحاد نیروی گرانشی و برطرف کردن ناهنجاری‌های تیوری ابر گرانش وارد صحنه شد. بنا بر آن ماده در بنیادین‌ترین صورت خود نه ذره بلکه ریسمان مانند است. یعنی تمام ذرات بنیادین (مثل الکترون، پوزیترون و فوتون) اگر با بزرگنمایی خیلی خیلی زیاد نگریسته‌شوند ریسمان‌دیس هستند. ریسمان می‌تواند بسته (مثل حلقه) یا باز (مثل بند کفش) باشد.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
همانطور که حالت‌های مختلف نوسانی در سیمهای سازهای زهی مثل گیتار صداها(نتها)ی گوناگونی ایجاد می‌کند، حالتهای مختلف نوسانی این ریسمانهای بنیادین نیز به صورت ذرات بنیادین گوناگون جلوه‌گر می‌شود.
خاصیت مهم ابرریسمان که فیزیکدانان را به سمت خود کشاند این بود که این نظریه به طرزی بسیار طبیعی گرانش (نسبیت عام) و مدل استاندارد (نظریهٔ میدان کوانتوم) که سه نیروی دیگر موجود در طبیعت (یعنی الکترومغناطیس، نیروی ضعیف و نیروی هسته‌ای قوی) را توصیف می‌کند به هم مرتبط می‌سازد.
ابعاد بالاتر
به طور سنتی فضایی که ریسمان‌ها در آن می‌زیند بیست و شش بعدی است (البته همیشه اینطور نیست چنان که در زیر توضیح داده خواهد شد). عدد بیست و شش از روی ضوابط ریاضی و نظریهٔ گروهها (برای حفظ تقارن لورنس) به‌ دست می‌آید. این امر ممکن است در ابتدا کمی ثقیل و مشکل‌زا به نظر برسد چرا که به هرحال ما در اطراف خود چهار بعد (سه بعد مکانی و یک بعد زمانی) بیشتر احساس نمی‌کنیم پس این بعدهای اضافه کجایند؟ جوابی که معمولاً به این سوال داده می‌شود اینست که این بعدها برخلاف چهار بعد دیگر) کوچک و نیز فشرده (معادل انگلیسی compact) هستند. فشرده یعنی آنکه اگر در جهت آنها به اندازهٔ کافی پیش‌روی کنید به جای اول خود باز می‌گردید. کوچک بودن هم معنایش اینست که برای آنکه به جای نخست بازگردید باید مسافت خیلی کمی را طی کنید.
برای نمونه یک لولهٔ بینهایت دراز را در نظر بگیرید. سطح این لوله مسلما دوبعدی است. یعنی مورچه‌ای که روی سطح این لوله قرار دارد می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند. فرض کنید که سر مورچه در راستای طول لوله‌است. مورچه می‌تواند یا عقب-جلو برود یا چپ-و-راست. اما اگر به‌فرض این مورچه به اندازهٔ کافی (یعنی به اندازهٔ محیط لوله) در جهت چپ حرکت کند به جای اول خود باز می‌گردد اما قضیه در مورد عقب جلو رفتن صدق نمی‌کند. پس یکی از بعدهای این فضای دوبعدی (یعنی یکی از بعدهای سطح لوله) فشرده و یکی نافشرده است.
اینک فرض کنید که این مورچه روی یک توپ قرار دارد. باز هم می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند منتهی این‌بار در هر جهتی روی سطح کره مستقیم حرکت کند، پس از طی مسافتی (برابر با محیط دایرهٔ عظیمهٔ کره) به جای نخست بازمی‌گردد. پس این بار هر دو بعد این فضای دوبعدی (یعنی سطح توپ) فشرده است.
بازگردیم به فضای دوبعدی سطح لوله. این بار فرض کنید که محیط این لوله خیلی کم باشد یا مثلاً به جای لوله یک کابل برق داشته‌باشیم. برای مورچه (اگر به اندازهٔ کافی کوچک باشد)این کابل هنوز یک سطح دو بعدی است یعنی وقتی که روی سطح کابل قرار دارد می‌تواند در دو راستای مستقل از هم حرکت کند. اما برای ما انسان‌ها کابل برق یک شی یک بعدی محسوب می‌شود چون فقط درازای آن قابل درک است.
حالتی بسیار شبیه به این در مورد این بعدهای اضافه در نظریه ریسمان رخ می‌دهد. به این معنی که ما به خاطر اندازهٔ بزرگ خود از درک این ابعاد اضافی عاجز هستیم اما این ابعاد برای ‌بعضی از ذره‌ها با انرژی زیاد قابل دسترسی است.
انواع نظریه ریسمان
باید گفت که چندین نظریه ریسمان وجود دارد. تنها تعداد کمی از آنها می‌توانند نامزدی برای توصیف طبیعت باشند. برای مثال نظریهٔ ریسمانی که در طیف ذراتش (یعنی در حالت‌های مختلف نوسانی‌اش) ذره‌ای دارد که سریع‌تر از نور حرکت می‌کند نمی‌تواند مدل خوبی از طبیعت باشد. چون هیچ چیز نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. اما حتی نظریه‌های ریسمانی که مدل خوبی از طبیعت نیستند می‌توانند به فهم فیزیکدانان از این نظریه و نظریه‌هایی که می‌توانند به فهم طبیعت کمک کنند، مدد برسانند.
به طور کلی دو گونه نظریه‌ ریسمان وجود دارد:
۱. ریسمان بوزونی
۲. اَبَرریسمان
ریسمان بوزونی
نخستین نوع و ساده‌ترین نوع نظریه‌ٔ ریسمان است. به طور سنتی احتیاج به ۲۶ بعد برای همخوانی با ضوابط و پیش‌فرضهای فیزیکی (مانند تقارن لورنس) دارد. متاسفانه در طیف ذرات آن تاکیون (ذره‌ای که سریعتر از نور حرکت می‌کند) وجود دارد بنابراین نمی‌تواند مدلی از طبیعت باشد. همچنین از آمار بوز (در مقابل فِرْمی در مکانیک آماری) پیروی می‌کند بنابراین به طور طبیعی نمی‌تواند توصیف‌گر ذراتی مثل الکترون باشد.البته این نظریه در توصیف ذرات میدانی مانند گراویتون‌ها و فوتون‌ها موفق است.
ابرریسمان
با استفاده از فرض ابرتقارن (یعنی در مقابل هر ذره بوزی ذره‌ای فرمیی داریم) نوعی نظریه ‌است که قابلیت آن را دارد که توصیف‌گر طبیعت باشد. تعداد ابعاد مورد نیاز در ابرریسمان غالبا ده است. در حال حاضر پنج نظریهٔ ابرریسمان وجود دارند که می‌توانند توصیف‌گر طبیعت باشند.
د-وسته (D-Brane) و نظریه-م (M-Theory)
در سال ۱۹۹۵ میلادی ادوارد ویتن فیزیکدان مشهور با معرفی د-وسته (خوانده می‌شود دالوسته بر وزن آموخته) انقلابی در نظریه‌ٔ ریسمان پدید آورد. د-وسته‌ها اشیایی هستند که دو سر ریسمانهای باز روی آنها می‌لغزند. این اشیا می‌توانند صفر-بعدی تا تعداد ابعاد-فضایی(غیر زمانی)-بعدی باشند. به د-وستهٔ دو بعدی یعنی شکلی مثل یک صفحه‌کاغذ با ضخامت صفر «پوسته» یا د۲-وسته (تلفظ می‌شود دال-دووسته) می‌گویند. (نام د-وسته هم به قرینهٔ پوسته انتخاب شده‌است). د۱-وسته (خوانده می‌شود دال-یکوسته) خود به شکل ریسمان است. به همین منوال می‌توانیم د۰-وسته(دال-صفروسته) د۳-وسته(دال-سووسته) د۴-وسته و … داشته‌باشیم. حرف «د» که در ابتدای این کلمه‌ها می‌آید حرف نخستین نام دریشله(ریاضیدان‌است) ‌است. بنابراین د-وستهٔ هرچند بعدی که داشته‌باشیم آن را به صورت «د تعداد ابعاد-وسته» می‌نویسیم. علاوه‌براین برای گنجاندن این اشیای جدید در نظریهٔ ابرریسمان تعداد ابعاد به ۱۱ ارتقا پیدا کرد.
ویتن همچنین ثابت کرد که پنج نظریهٔ ابرریسمان موجود بی‌ارتباط به هم نیستند و با نوعی روابط همزادی (duality) به هم مربوط می‌شوند. امروزه به نظر می‌آید این پنج نظریه درواقع پنج «نمود» (=جلوه) گوناگون از یک‌ نظریهٔ مادر و بزرگ‌تر هستند. یعنی این نظریهٔ مادر که آن را نظریه-م(تلفظ می‌شود نظریهٔ میم) می‌خوانند در شرایط خاص به هر یک از این پنج نظریه تقلیل می‌یابد (بسته به شرایط به نظریه‌های مختلف).
فیزیکدانان هنوز شناخت کاملی از نظریه-م ندارند حتی بر سراینکه «م» در نام نظریه دقیقا مبین چیست اختلاف نظر وجود دارد. بعضی می‌گویند «م» به معنی مادر است. برخی می‌گویند «م» مخفف «ماتریس» است. برخی دیگر (البته به شوخی) می‌گویند «م» (M) از واژگون‌کردن حرف نخست نام ویتن (W) می‌آید.هرچه‌ هست همکنون بسیاری از فیزیکدانان به دنبال کشف و درک نظریه-م هستند. احتمالاً یافتن نظریه-م از بزرگ‌ترین دستاوردهای بشر خواهد بود زیرا این نظریه قادر خواهد بود تمام دنیا را در بنیادین‌ترین حالت توصیف کند.باید توجه داشت که نظریهٔ ریسمان (و به تبع آن نظریه-م)، نظریه‌‌ای فاقد پارامتر آزاد است. یعنی جایی برای تنظیم پارامترها به کمک آزمایش باقی نمی‌گذارد. به بیان روشن‌تر خواص تمام ذرات باید از روی معادلات ریاضی درآورده شود. بنابراین مثلاً این نظریه‌ باید بگوید چرا الکترون وجود دارد و چرا جرم آن فلان اندازه و چرا اسپین آن یک‌دوم و چرا بار الکتریکی آن بهمان مقدار است.
د-وسته‌ها و جهانهای موازی
آیا حقیقتاً نظریهٔ ریسمان علمی‌است؟
بعضی از فیزیکدانان معتقدند که نظریهٔ ریسمان اصولا نظریه‌ای علمی نیست چرا که هیچ پیش‌بینی ابطال‌پذیری نمی‌کند و در بهترین شرایط تنها به توضیح واقعیات موجود می‌پردازد.
نظریه-م و مسایل فلسفی مربوط به آن و سرنوشت ناپیدایش
در اینجا طنز کوچکی مطرح می‌شود: ما انسان‌ها یا قابلیت آن را داریم که به کشف نظریه-م نایل شویم یا نه. یعنی نظریه-م اصولا یا قابل کشف/فهم هست یا نیست. در نهایت به نظر می‌آید که این نظریه-م است که در مورد قابل کشف/فهم بودن یا نبودن خود تصمیم گرفته است! چون بالاخره ما انسان‌ها محصول جهانی هستیم که بر اساس قوانین نظریه-م کار می‌کند.
به علاوه این سوال بنیادی‌تر هم مطرح است که آیا اصلاً نظریه-م وجود دارد؟ چرا طبیعت باید موجودی قانونمند و در درجهٔ بعد قابل فهم باشد. اینشتین معتقد بود که غیرقابل‌فهم‌ترین چیز در مورد طبیعت این‌است که طبیعت قابل فهم است. متاسفانه یا خوشبختانه از هیچ‌کجا آیه نیامده‌است که نظریه-م به عنوان نظریهٔ همه چیز یا نظریهٔ وحدت‌بخش وجود دارد تا حالا ما به دنبال آن باشیم. هرچند که به نظر می‌آید تمام فیزیکدانان ریسمان‌کار به طور ضمنی معتقد/ خستو/ اند که نظریه-م وجود دارد و همچنین قابل درک برای ما انسان‌ها است وگرنه بعید بود عمر خود صرف آن کنند. اما این فرض تماما برخاسته از خوشبینی مفرط است که خوشبختانه تاکنون خلاف آن ثابت نشده‌است.
همچنین این احتمال (هرچند بسیار اندک) وجود دارد که روزی ثابت شود نظریهٔ ریسمان اساسا نادرست است. اتفاقی شبیه این امر در مورد نظریهٔ متغیر پنهان چندین سال قبل رخ‌ داد. ریسمان‌کارها معتقدند که شانس از بیخ و بن نادرست بودن نظریهٔ ریسمان بسیار بسیار اندک و حتی نزدیک صفر است. چرا که تاکنون شواهد بسیار زیادی مبنی بر صحت آن یافت شده‌است. ممکن است آزمایش‌های آینده جهت تحقیقات را تغییر دهد ولی احتمال تکذیب این نظریه چنانکه که گفته شد تقریباً صفر است



منبع :

کد:

---

www.academist.ir

---