عطارد یا تیر کوچک‌ترین و نزدیک‌ترین سیاره به خورشید در منظومهٔ خورشیدی است. تلفظ درست نام عربی آن عُطارِد است اما در تداول عامه فارسی‌زبانان عَطارُد رایج‌تر است. سطح رو به خورشیدِ سیارهٔ عطارد، به‌دلیل نزدیکی به خورشید، بسیار داغ است و رویهٔ پشت به خورشید آن نیز بسیار سرد است.

سیارهٔ عطارد (تیر) کوچک‌ترین سیارهٔ منظومهٔ خورشیدی است و قمری ندارد. عطارد از نظر میدان جاذبه، تقریباً قفل شده‌است، به این معنا که حرکت وضعی آن در منظومهٔ خورشیدی بی‌همتاست. سیاره تیر، به ازای هر دو باری که به دور خورشید می‌گردد، دقیقاً سه بار به دور خود می‌چرخد (نسبت حرکت وضعی به حرکت انتقالی ۳ به ۲)؛ با در نظرگرفتن سرعت حرکت انتقالی سیاره تیر، و جهت و سرعت حرکت وضعی نسبت به آن، یک روز کامل در سیاره تیر حدود ۲۴۳ روز زمینی(۵۸۳۲ساعت) طول می‌کشد. با وجود اندازهٔ کوچک، سیارهٔ تیر از میدان مغناطیسی نسبتاً نیرومندی برخوردار است؛ شدت میدان مغناطیسی این سیاره حدود یک‌صدم زمین است.

عطارد همچنین تندروترین سیارهٔ منظومه خورشیدی است که با سرعتی حدود ۴۸ کیلومتر بر ثانیه، هر ۸۸ روز یک بار خورشید را دور می‌زند. از این رو سیاره‌ای گریزپاست که دیدنش آسان نیست و به همین دلیل است که شاید، ایرانیان باستان آن را «تیر» نامیده و در یونان «مرکوری» یا «پیک خدایان» لقبش داده بودند.

دهانه‌های برخوردی

دهانه‌های برخوردی سیاره عطارد به نام نویسندگان و هنرمندان مشهور جهان نامیده شده‌اند که در میان آن‌ها نام شاعران مختلف ایرانی نیز دیده می‌شود ازجمله: دهانه فردوسی، دهانه نظامی، دهانه رودکی، و دهانه نوایی. یکی از دشت‌های بزرگ عطارد به نام هامونه تیر نیز نام فارسی این سیاره را بر خود دارد.

ویژگی‌ها

سیاره عطارد یا تیر با فاصلهٔ ۵۷ میلیون و ۹۲۴ هزار کیلومتری از خورشید، نزدیکترین سیاره منظومه خورشیدی به خورشید است و کم‌ترین مسافتی که با زمین پیدا می‌کند، به ۸۰ میلیون کیلومتر می‌رسد. به خاطر نزدیکی این سیاره به خورشید اگر در طرف رو به خورشید آن (بخشی که روز است) قرار بگیرید به راحتی در دمای ۴۶۵درجه سانتیگراد پخته خواهید شد و به علت حرکتی وضعی آرامش اگر در طرف شب آن قرار بگیرید آن قدر سرد خواهد شد که در دمای ۱۴۸- درجه سانتیگراد به راحتی مرگ را بر اثر یخ بستن تجربه می‌کنید. گردش وضعی این سیاره، حدود دو ماه طول می‌کشد و از این رو، گرم شدن آن در روز و سرد شدنش در شب دیرپاست.

حفره‌های کوچک ویا بزرگ بسیاری در سطح سیارهٔ تیر دیده می‌شود که حکایت از برخورد شهاب‌سنگ‌های کوچک و بزرگ دارد البته قطر برخی از دهانه‌ها به ده‌ها کیلومتر می‌رسد. برخی از این دهانه‌ها محل خروج مواد مذاب است که امروزه با سنگهای مذاب پر شده‌اند و مانند کوه‌های آتشفشانی هستند. سطح تیر بیشتر خاکستری‌رنگ است و به خاطر نوع دهانه‌های آتشفشانی و آبگیرها خیلی شبیه کره ماه است. دانشمندان تصور می‌کردند که فعالیت‌های آن مانند کره ماه‌است. اما اکنون می‌دانیم که سیاره عطارد با کره ماه بسیار متفاوت است. تیر کوه و آتشفشان‌های بزرگ و عمده‌ای ندارد و از نظر فعالیت‌های زمین‌شناختی سیاره‌ای مرده به‌شمار می‌آید.

عطارد از دسته سیاره‌های زمین‌سان است. عطارد همچون ناهید و ماه، حالت‌های گوناگونی از هلال تا قرص کامل را به خود می‌گیرد. قرص کامل، چون در آن سوی خورشید است دیده نمی‌شود. اما اشکال هلالی و نیمهٔ آن به هنگام جلوه‌های شرقی و غربی، مشاهده می‌گردند.

نیروی گرانش این سیاره کم و دارای جو ناچیزی است که ۹۸٪ آن از هلیم و بقیه از هیدروژن، اکسیژن و سدیم ساخته شده‌است. بادهای خورشیدی به شدت به عطارد می‌دمند و این می‌رساند که تقریباً هیچ هوایی در آن وجود ندارد.

این سیاره نیز، مانند سیاره زهره بین زمین و خورشید قرار گرفته و به خاطر این ویژگی، چشم‌اندازی که «جلوه‌های شرقی و غربی» و… نامیده می‌شوند، به وجود می‌آورد.

مشخصه‌های فیزیکی

شعاع عطارد 24400 کیلومتر است. جرم آن 33×1023kg می‌باشد که از اختلالات گرانشی بر روی فضاپیما محاسبه شده است. عطارد هیچ قمر طبیعی ندارد. چگالی متوسط آن 5420 کیلوگرم بر متر مکعب می‌باشد که نظیر یک سیاره خاکی است، اما برای اندازه عطارد زیاد است. از آنجا که گرانش کلی عطارد کمتر از زمین است (فشردگی آن کمتر است)، اما چگالی حجمی ‌آن در حدود چگالی حجمی‌ زمین می‌باشد، لذا باید در برگیرنده مقدار بیشتری از فلزات باشد.

حدس می‌زنیم که در داخل عطارد یک گوشته صخره‌ای و یک هسته بزرگ فلزی (شاید نیکل و آهن) وجود داشته باشد. عطارد هوا ندارد. در آن ، پس از سپری شدن روز بی‌درنگ شبی سرد فرا می‌رسد. از اینرو ، سطح آن در نتیجه فرسایش تغییر نمی‌کند. طی هزاران میلیون سال ، سطح عطارد مورد اصابت خرده سنگهای فضایی قرار گرفته است. به علت این بمباران مداوم اکنون سطح سیاره پر از گودال است. کف گودالها پوشیده از گرد و غباری است که از متلاشی شدن این خرده سنگها به‌وجود آمده است.

فاصله متوسط از خورشید 57.93 کیلومتر
قطر استوا 4879 کیلومتر
مدت حرکت وضعی 58.65 روز زمینی
مدت حرکت انتقالی 87.97 روز زمینی
سرعت مداری 47.89 کیلومتر در ثانیه
دمای سطحی 180- تا 430 درجه سانتیگراد
جرم (زمین=1) 0.06
چگالی متوسط (آب=1) 5.43
جاذبه (زمین=1) 0.38
تعداد قمر 0

 

میدان مغناطیسی

درسال 1974 میلادی (1353 شمسی) سفینه فضایی مارنیر 10 از کنار عطارد گذشت. مارینر 10 یک میدان مغناطیسی ضعیف سیاره‌ای را با شدتی در حدود 220nT ، 1nT=10-9T آشکار کرد. اگر چه این مقدار کوچک است. ولی برای قطع مغناطوسپهر در بادهای خورشیدی کافی است. در اینجا میدان مغناطیسی ، ذرات باردار (اکثرا پروتونها) را از باد خورشیدی اطراف سیاره منحرف می‌کند.

به نظر می‌رسد که میدان عطارد یک دوقطبی باشد که کم و بیش با محور چرخش سیاره ، در یک امتداد قرار گرفته است. دراین صورت ، بطور کلی میدان مغناطیسی عطارد شبیه میدان مغناطیسی زمین ولی ضعیفتر از آن است. حضور یک میدان مغناطیسی و همچنین چگالی زیاد سیاره دلالت بر آن دارد که عطارد مانند زمین دارای یک هسته فلزی است که عمدتا از آهن و نیکل تشکیل شده است. به نظر می‌رسد که این سیاره همانند یک آهنربای دائمی ‌است. میدان مغناطیسی زمین صدبار شدیدتر از میدان مغناطیسی عطارد است.

حوزه کالریس

حوزه کالریس به وسعت 1300 کیلومتر (800 مایل) بزرگترین حوزه ناشی از برخورد شهابسنگها به سطح عطارد است. حلقه‌های کوهستانی هم مرکز ناشی از برخورد شهابسنگهای عظیم ، این حوزه را محصور کرده‌اند. کف این حوزه پوشیده از گدازه سفت شده است، همچنین گودالهای کوچک و جوان نیز در کف این حوزه یافت می‌شوند. کالریس واژه‌ای لاتینی و به معنای گرما می‌باشد. این اسم به این دلیل انتخاب شده است که این حوزه هنگام نزدیک شدن عطارد به خورشید یک دور در میان ، رو به خورشید بوده و گرمترین نقطه سیاره می‌گردد.

عارضه‌های سطحی

دانشمندان هنوز نمی‌دانند که فعالیت‌های آتشفشانی این سیاره سنگی، چقدر به طول انجامیده. سن دشت‌های گدازه‌ای‌اش را می‌توان به عصر «بمباران سهمگین متأخر»، یا حدود ۴ میلیارد سال پیش نسبت داد؛ که در جریانش اعضای منظومه خورشیدی، آماج برخورد شهابسنگ‌های غول‌آسا واقع می‌شدند. به محض کاهش آمار این برخوردها بود که گدازه در سرتاسر عطارد جریان یافت و با پر کردن گودال‌ها، عوارض نرم و مسطحی را به وجود آورد. فرو زمین‌ها هم در همین گودال‌ها به وجود آمدند و در واقع تنها نقاطی به‌شمار می‌رفتند که بستر سنگیِ سیاره در آن‌ها «منبسط» (و نه منقبض) می‌شد.

در دشت‌های آتشفشانی عطارد عوارض نامتعارفی وجود دارد که بیشتر شبیه «کلوچه» های کیهانی‌اند و هیچ‌گونه نمونه مشابهی در سایر نقاط منظومه‌مان ندارند. این «کلوچه‌ها» سازه‌های دوار و غول‌آسایی هستند که مرز گودال‌های مدفون را مشخص کرده‌اند و خودْ از چین‌خوردگیهای درونی و عوارضی موسوم به «فروزمین» پر شده‌اند؛ یعنی باریکه‌هایی که در مرز دو گسل موازی، فرو نشسته‌اند.

حدود یک میلیارد سال پیش، گدازه‌های آتشفشانی به‌سرعت بستر گودال‌های شهابسنگی پراکنده در سطح عطارد را پر کردند. حجم عظیمی از گدازه در مدت‌زمان نسبتاً کوتاهی نشست کرد و همین می‌توانسته عاملی برای ظهور این دره‌های نامتعارف باشد.

اساطیر

عطارد در ادبیات فارسی و ادبیات عربی، «دبیر فلک» نیز خوانده شده‌است. در فارسی به خانه عطارد (برج جوزا و سنبله)، پاتو می‌گفتند. نام اروپاییِ این سیاره، Mercury، از واژه‌ای لاتین گرفته شده که در مقابل نام یونانی هرمس است. خدایی که پیغام برنده برای خدایان دیگر بوده و به همین دلیل هرمس در اغلب تصاویر با صندل‌های بالدار کشیده می‌شود. علاوه بر پیغام‌رسانی، او نگهدار بازرگانان و مسافران بود. مرکوری در ادبیات افسانه‌ای یونان و روم، خدای سخن‌وری و نویسندگی است.

اندازهٔ تیر در مقایسه با زمین
مقایسۀ چرخش زمین و عطارد به دور خورشید

به اعتقاد یوهان مرسیه، رئیس دانشکدهٔ علوم اختریِ دانشگاه پاریس، در مقاله‌ای که در اواخر سال ۲۰۰۹ منتشر شد، احتمالاً تیر یکی از ماه‌های سیارات داخلیِ منظومهٔ خورشیدی بوده که از گرانش مادر خود جدا شده و به دام خورشید گرفتار گشته‌است.

سیاره تیر و عصر فضا

در سال ۱۹۷۴ میلادی، سفینهٔ مارینر ۱۰ آمریکا، از نزدیکی سیارهٔ تیر گذشت و توانست ۶۴۸ عکس خوب، از حدود ۵۰٪ سطح سیاره، که در آن هنگام در برابر خورشید واقع شده بود، گرفته و مخابره کند. عکس‌ها نشان می‌دهند که سطح تیر نیز چون ماه، دارای کوه‌ها و نیز دره‌های فراوانی است که به نظر می‌آید به علت بمباران مداوم صدها هزار سنگ آسمانی صورت گرفته باشد. زمان این بمباران‌ها شاید بلافاصله پس از پیدایش و تکوین دستگاه خورشیدی بوده‌است.

عکس‌هایی که فضاپیمای «مسنجر» ناسا از عطارد برداشته‌است شواهد فعالیت «گسترده» آتشفشانی بر سطح این سیاره را آشکار می‌کند.

در تیر، درهٔ بزرگی به قطر تقریبی ۱٬۳۰۰ کیلومتر وجود دارد که اطراف آن را کوه‌های به نسبت بلندی که ارتفاع برخی از آن‌ها به یک و نیم کیلومتر نیز می‌رسد، احاطه کرده‌اند. برخی از این گودی‌ها، شاید به علت جریان مواد مذاب آتشفشانی قدیمی، صاف و تیز شیار شیار شده‌اند.

ارتباط با مارینر ۱۰ در ۲۴ مارس ۱۹۷۵ قطع شد. این سفینه اولین و تنها سفینه‌ای بوده‌است که تا امروز به مقصد تیر روانه شده‌است.

در بررسی‌هایی که در سال ۱۹۹۰م از روی زمین در مورد سیارهٔ تیر به عمل آمد، دیده شد که دو ناحیه بر روی سطح این سیاره از نقاط دیگر بسیار داغ ترند، علت آن را تأثیر توأم گردش‌های وضعی و انتقالی تیر در حفظ گرمای گرفته شده از خورشید دانستند. زیرا مدت یک شبانه روز در تیر دو سوم مدت یک سال آن است.

تیر بر خلاف اندازهٔ کوچکی که دارد، بسیار سنگین است و از این جهت ستاره‌شناسان معتقدند، در زیر پوستهٔ سنگی نازک این سیاره، هستهٔ مرکزی بزرگی از جنس آهن، وجود داشته باشد.

گذر عطارد

سیاره عطارد نیز مانند سیاره زهره بین زمین و خورشید قرار گرفته و از ناظر زمینی موجب گذر قرص آن از خورشید می‌گردد. عبور عطارد فقط یا در اردیبهشت ماه (ماه مه) یا آبان ماه (ماه نوامبر) روی می‌دهد؛ و علت ندرت این عبورها (که در هر قرن تا ۱۳بار روی می‌دهند) به این علت است که زاویه میل مدار آن با مدار زمین (۷درجه) سبب می‌شود که سیاره معمولاً یا از شمال یا از جنوب خورشید بگذرد. اندازه‌گیری‌های دقیق عبورهای عطارد نه فقط برای تعیین دقیق مدار عطارد بلکه برای محاسبه دوره تناوب حرکت وضعی زمین نیز به کار می‌آید.

تصاویر شگفت انگیز فضاپیمای مسنجر از سیاره عطارد

گذر اخیر سیاره عطارد دوشنبه ۲۰ اردیبهشت ۱۳۹۵ (۹ مه ۲۰۱۶) که از ساعت ۱۵:۴۱ تا ۲۳:۱۰ به وقت تهران رخ می‌دهد. در این پدیده گذر سایه عطارد از برابر قرص خورشید به کمک وسایل اپتیکی مجهز به فیلتر مخصوص تضعیف شدت نور و ضد اشعه مضر خورشید در ساعات روز قابل رویت است. این گذر در بیشتر نقاط دنیا به صورت کامل یا نیمه دیده می‌شود و فقط از استرالیا و جنوب شرقی‌ترین نقاط آسیا قابل مشاهده نیست. گذر قبلی عطارد که از ایران هم قابل رویت بود سال ۱۳۸۲ رخ داد و گذر بعدی سال ۱۳۹۸ در مناطق غربی ایران مشاهده خواهد شد. اولین گذر در قرن پانزدهم خورشیدی ۱۴۱۱ خواهد بود.

گرانش سیاره

جاذبه سطحی عطارد به قدری ضعیف است که قادر به نگهداری ذرات اطراف خود نیست. در نتیجه عطارد تقریبا فاقد جو است. چگالی فضایی اطراف عطارد حدود 1000 میلیارد برابر کمتر از چگالی جو زمین است.

کشف اسراری تازه در مورد عطارد

با اینکه سیاره عطارد در نگاه اول شبیه ماه دیده می شود، اما دانشمندان ماهواره فضایی مسنجر (پیام آور) می گویند، معلوم می شود که عطارد یک سیاره واقعأ پویا و به مراتب شبیه مریخ می باشد. به گونه مثال، قبل از این مأموریت دانشمندان مطمئن نبودند که آیا آتشفشانی در سطح عطارد وجود داشته یا نه، اما در نتیجه دو پرواز مسنجر از کنار عطارد معلوم شد که این مسئله یک بخش بسیار مهمی از گذشته این سیاره می باشد. یافته های جدید دیگر از پرواز دوم مسنجر در ماه اکتوبر 2008 نشان داد که اتموسفیر، مگنوتوسفیر (کره مغناطیسی) و گذشته زمین ساختی آن با سطح بالایی از فعالیت ها مشخص شده و برخلاف تصور قبلی دانشمندان است.
یکی از هیجان انگیز ترین یافته ها در نتیجه پرواز دوم مسنجر کشف یک دهانه برخوردی بزرگ است که قبلأ کشف نشده بود. دهانه یا حفره رمبرانت بیش از 700 کیلومتر قطر دارد و بخاطر دیدن کل حفره لازم است تا مسنجر تصاویر بدست آمده از دو بار پرواز به دور عطار را یکجا کند. دهانه برخوردی رمبرانت نسبتأ جوان است و حدود 3.9 میلیارد سال قبل بوجود آمده و نسبت به هر منطقه برخوردی یا دهانه دیگر در سطح عطارد جوانتر است.درقسمت های بیرونی دهانه، عوارض اولیه زمینی و همچنان نواقص زمین ساختی در آن دیده می شود که در هیچ دهانه بزرگ دیگر دیده نشده بود.

به گفته توماس واتر پژوهشگر ارشد مسنجر ” این اولین بار است که عوارض زمین ساختی را در سطح یک دهانه برخوردی از زمانی که تشکیل شده، می بینیم. ساختار و شکل های زمین ساختی مانند آنهایی که در سطح دهانه رمبرانت دیده شده اند، توسط جریان گدازه های آتشفشانی کاملأ دفن شده اند. ما میدانیم، بعد از اینکه دهانه رمبرانت شکل گرفت، عطارد در حال منقبض شدن بود، بنائأ این یک دهانه برخوردی جدیدی است که در منظومه مان می توانیم آن را مطالعه کنیم.”
طیف سنج ترکیبات سطحی و اتموسفیری عطارد که در ماهواره مسنجر نصب شده مقدار زیادی از مگنیزیم را به صورت توده ها در اتموسفیر رقیق این سیاره بنام جو خارجی، کشف نموده است. دانشمندان قبلأ هم می گفتند که مگنیزیم باید در اتموسفیر عطارد وجود داشته باشد، اما نه به این فراوانی و پخش گسترده.
مسنجر در جریان دور دوم، کره مغناطیسی کاملأ متفاوتی را کشف نمود که در مقایسه با اطلاعاتی که در پرواز نزدیک در 14 جنوری 2008 بدست آورده بود، متفاوت بود. در دور اول هیچ ساختار یا نشانه پویایی دیده نشد، اما دور دوم پرواز کاملأ متفاوت بود. همچنان در نیمه روز عطارد مسنجر جریان تراوش عظیمی از مغناطیس را در ایست مغناطیسی آن یعنی حدود 10 درجه بیشتر از آنچه که در فاصله های فعالیت عمده زمین دیده شده بود، کشف نمود. مسنجر در جریان پرواز ها و با کمک مغناطیس سنج اش، میزان بسیار بالای انتشار انرژی توسط باد های خورشیدی را در عرض البلد های بزرگتر بصورت امواج گاز داغ و ساختار های عظیمی مغناطیسی آشکار نمود.

میدان مغناطیسی عطارد حامل تشابهات مشخصی نسبت به آنچه که در زمین وجود دارد، می باشد، ولی حدود 100 مرتبه ضعیف تر از زمین که نشان میدهد قسمت درونی عطارد مذاب است. در سطح این سیاره پویایی وجود دارد که باعث حفظ میدان مغناطیسی عطارد می شود.
دانشمندان هنوز هم در حال مطالعه تکامل قشری یا سطحی عطارد هستند و تا هنوز حدود 90 درصد سطح سیاره را نقشه برداری نموده اند. حدود 40 درصد عطارد را سطوح هموار پوشانیده و حالا مشخص گردید که منشاء و اساس آتشفشانی داشته است. این همواری ها تقریبأ در سراسر سطح عطارد تقسیم شده (یعنی برخلاف ماه که سطح آن پوشیده از دهانه های برخوردی نزدیک و تقارنی است)
این یافته ها اسرار سیارات سنگی را که در نزدیکی خورشید در گردش اند، آشکار می سازد.
نوشته : kabulsky.com
“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”

موضوع: سحابی ها – سحابی سیاره نما

نویسنده و گردآورنده: ابوالفضل فضلی کارشناس فیزیک (فارغ التحصیل از دانشگاه دامغان)

خلاصه ای از مقاله:

فضا از کهکشانها، منظومه ها، ستارگان، سیارات و بسیاری اجرام آسمانی دیگر انباشته شده  است. عجایب و عظمت آنها به مراتب از تمامی دیگر پدیده های آفرینش بیشتر است. کهکشانها و ستارگان و به طور کلی پدیده های آسمانی انبوهی که عجیب و غریب اند، وجود دارند، که پاره ای از آنها به وسیله دانشمندان شناسایی شده اند. از جمله این پدیده ها سحابی ها هستند. …

 

لینک دانلود مقاله:

مقاله سحابی ها – سحابی سیاره نما.pdf

نگاه کردن به سحابی‌ها براستی با احساس شگرفی همراه است. نام “nebulae” از لاتین کلمه‌ی ابر آمده اما سحابی‌ها صرفاً ابرهای حجیمی از غبار، گاز هلیوم و هیدروژن، و پلاسما نیستند. آنها بیشتر خانه‌ی دوران کودکی ستارگان‌اند – منظور محل تولد ستارگان است. برای قرن‌ها، کهکشهان‌های دور با این ابرهای حجیم اشتباه گرفته می شد. متأسفانه این تعریف و توضیح از سحابی‌ها، نیز بسیار سطحی است و ماهیت اصلیشان را بیان نمی کند. از پروسه‌ی ایجاد شدنشان گرفته تا نقششان در تولد ستاره‌ها و سیارات، و تنوعشان، سحابی‌ها همیشه برای بشر رمزآلود و کشف‌ نشده بوده‌اند.

نمایی از گرد و غبار سحابی عقاب

مدتی است که دانشمندان و ستاره‌شناسان دریافته‌اند که فضای دوردست، خلأ مطلق هم نیست. در حقیقت این فضاها از گاز و غباری تشکیل شده‌اند که تحت عنوان محیط میان‌ستاره‌ای(ISM) شناخته می شوند. حدودا ۹۹ درصد این محیط از گاز ساخته‌شده، که ۷۵ درصد این گاز هیدروژن و ۲۵ درصد دیگر از گاز هلیوم میباشد.

بخشی از این گازهای میان‌ستاره‌ای از اتم‌ها و مولکول‌های خنثی ساخته‌شده، درحالی که بخش‌های باردار (پلاسما)، مثل یون و الکترون‌ها نیز در این گاز وجود دارند. این گاز بشدت رقیق است و غلظتی حدود یک اتم در هر سانتی‌متر‌مکعب دارد. درمقابل، چگالی اتمسفر زمین حدوداً ۳۰ کوینتیلیون (ده به توان ۱۸) مولکول در هر سانتی‌مترمکعب در سطح دریا میباشد. اگرچه گاز میان‌ستاره‌ای بسیار پراکنده است، ولی در فواصل طولانی میان ستاره‌ها، جرمش افزایش می‌یابد. و گاهی نیروی گرانشی بین اجرام این ابرها به قدری میرسد که ذرات را جمع کند و ستاره‌ها و سیارات را شکل دهد.

شکل‌گیری سحابی‌ها

اساساً سحابی‌ها با رمبش گرانشی بخش‌های مختلف مواد میان‌ستاره‌ای شکل میگیرند. گرانش متقابل باعث ایجاد توده‌ای از مواد شده که به مرور زمان سنگین و سنگین‌تر میشود. براساس این گفته‌ها، ستاره‌ها احتمالاً در دل مواد درهم‌رونده شکل میگیرند که تشعشعات فرابنفش حاصل از یونش باعث شفاف شدن گاز محیط اطراف با طول‌موج قابل رؤیت میشود.

اکثر سحابی‌ها اندازه‌ی بزرگی دارند و قطرشان به صدها سال نوری هم میرسد. اگرچه تراکم سحابی‌ها از محیط‌های اطرافشان کمتر است، با این‌ وجود محیط‌های خلأ روی زمین از سحابی‌ها متراکم‌ترند. در حقیقت، یک ابرسحابی که از نظر اندازه با زمین یکی است، به اندازه تنها چند کیلوگرم جرم خواهد داشت.

طبقه‌‌بندی سحابی‌ها

اجرام آسمانی‌ای که سحابی نامیده‌ شده‌اند، در چهار دسته‌ی اصلی جای‌ میگیرند. اکثر آنها در رده‌ی سحابی‌های نشری قرار میگیرند، بدین معنی که مرزهای مشخصی ندارند. میتوان ‌آن‌ها را براساس رفتارشان با نورمرئی به دو دسته‌ی دیگر تقسیم‌بندی کرد- “سحابی نشری” و “سحابی بازتابی”. سحابی‌های نشری آنهایی هستند که از گازهای یونیزه شده، تشعشعات طیفی خطی منتشر میکنند و اکثر اوقات تحت عنوان منطقه اچ ۲ از آنها یاد میشود چرا که بخش‌های زیادی از آنها از هیدروژن یونیزه‌شده ساخته‌ شده است. در مقابل، سحابی بازتابی نور چشمگیری از خود منعکس نمیکند اما با این‌ وجود بخاطر نزدیکی با ستاره‌ها همچنان پرنور است.

تصویری از انواع سحابی های سیاره نما، تاریک، نشری، بازتابی و ابر نواختری.

همچنین دسته‌ای تحت عنوان سحابی تاریک وجود دارد. ابرهای کدر و ماتی‌ که تشعشعات قابل رؤیت ندارند و نه‌ تنها توسط ستاره‌ها هم روشن نمیگردند بلکه مانع رسیدن نور اجرام درخشنده‌ی پشتشان به ما نیز می شوند. مشابه سحابی‌های نشری و بازتابی، سحابی‌های تاریک هم منبع تشعشعات مادون قرمز میباشند که بطور عمده این تشعشعات به‌دلیل حضور گرد و خاک درونشان میباشد.

برخی سحابی‌ها بدلیل انفجار ابرنواخترها پدید می‌آیند، و از این‌ رو دسته‌ی آنها سحابی‌های بازمانده‌ ابر نواختر نامگذاری شده است. در این موارد ستاره‌های کوتاه‌ عمر دچار یک انفجار داخلی در هسته‌هایشان شده و لایه‌های بیرونی خود را پوست‌اندازی میکنند. انفجار مذکور، باقی‌مانده‌ای به شکل جسمی متراکم، یعنی ستاره‌ی نوترونی به‌جای میگذارد – همچنین ابری از گاز و گرد و غبار که توسط انرژی انفجار یونیزه میشود.

شکلی دیگر از سحابی‌ها تحت عنوان سحابی سیاره‌نما شناخته میشود که از ورود یک ستاره کم‌جرم به مراحل آخر عمرش حاصل میگردد. در این سناریو، ستاره‌ها به غول سرخ تبدیل شده و لایه‌های بیرونی خود را به‌سبب تشعشعات هلیومی داخلشان از دست میدهند. زمانی که ستاره بقدر کافی جرم از دست داد، دمایش افزایش یافته و نور اشعه‌ی فرابنفشی ساطع میکند که باعث یونش تمام مواد اطرافش، که خودش کمی قبل‌تر از دست داده بود میشود. این شاخه که خود شامل زیرشاخه‌ای دیگر به اسم سحابی پیش-سیاره‌نما(PPN) میشود، شامل جرمی نجومیست که بخشی کوتاه از عمرش را در ستاره‌ای در حال شکل‌گیری میگذراند. این یک فاز سریع و زودگذر است که شامل اواخر شاخه‌ی عظیم مجانبی(LAGB) و بدنبالش سحابی سیاره‌نماست.

برخی  دیگر از دسته های سحابی ها:

  • سحابی انکساری که ذرات غبار نور را منعکس نمی‌کنند، بلکه متواری می‌کنند. نور قرمز می‌تواند آسانتر از نور آبی از ابر غبار بگذرد، پس نور آبی بیشتر پراکنده می‌شود، این امر موجب آبی شدن آن ابر می‌شود. دلیل آبی بودن رنگ آسمان نیز همین می‌باشد.
  • سحابی خارج کهکشانی توده‌های عظیم و پیوسته گازی نیست، بلکه مجموعه‌ای است از ستارگانی شبیه ستارگان کهکشان. رصدهای انجام شده نشان می‌دهد خاصیت طیفی نوری که از این سحابیها صادر می‌شود، بسیار شبیه به نوری است که از خورشید خود ما خارج می‌گردد؛ بنابراین درجه حرارت متناظر با چنین صدور نوری نمی‌تواند با درجه حرارت سطحی خورشید اختلاف فراوان داشته باشد و این درجه حرارت بایستی به چند هزار درجه برسد. اگر این سحابیها واقعاً توده‌های غول پیکر گاز پیوسته‌ای بودند که درجه حرارت سطحی آن‌ها همان درجه حرارت سطحی خورشید بود، ناچار می‌بایستی نوری که از آن‌ها صادر می‌شود با وسعت سطح یعنی با مربع یکی از ابعاد آن‌ها متناسب باشد.
  • سحابی سیاره ای: ستارگان غول سرخ در اواخر عمرشان لایه‌های گازی بیرونی شان را به دور می‌اندازند. این لایه‌ها پوسته منبسط شونده‌ای از گازهای تابان را تشکیل می‌دهند که سحابی سیاره‌ای نامیده می‌شوند. علت این نامگذاری این است که ویلیام هرشل، منجم آلمانی الاصل (۱۸۲۲–۱۷۸۳)، تصور کرد که این پوسته‌ها شبیه سیاره‌اند. شاید از دید ناظر زمینی، این پوسته گازی به شکل ساعت شنی، حباب یا حلقه به نظر آید. این سحابی با سرعت تقریبی ۲۰ کیلومتر (۱۲ مایل) در ثانیه رو به بیرون حرکت می‌کند و بعد از ۳۵ هزار سال در محیط میان‌ستاره‌ای پراکنده خواهد شد.

 

  • سحابی گسترده که در اثر نور ستارگان نزدیک به آن می‌درخشد.
    • سحابی گسیلشی یا نشری، که دارای خطوط گسیلشی هستند که از خود آن‌ها تابیده می‌شود. دو گونه اصلی از این سحابی‌ها منطقه اچ۲ (H II) و سحابی های سیاه ای هستند.
    • سحابی بازتابی که نورشان از بازتابش نور ستارگان نزدیک پدید آمده‌است. برای نمونه سحابی‌شدگی ان‌جی‌سی ۱۴۳۵ (NGC 1435) که در پیرامون خوشه پروین جای گرفته‌است.

 

چهار دستۀ مختلف از سحابی‌ سیاره نما

در بازه‌ی شاخه‌ عظیم مجانبی، ستاره بخشی از جرم خود را به‌صورت پوسته‌ی قرص پیرا-ستاره‌ای از گاز هیدروژن از دست میدهد. وقتی این مرحله به پایان رسید، ستاره وارد فاز سحابی پیش-سیاره‌نما شده، که در این مرحله توسط یک ستاره‌ی مرکزی انرژی یافته و در نتیجه شروع به تشعشع مادون قرمز می کند و تبدیل به یک سحابی بازتابی می شود. مرحله‌ی سحابی پیش-سیاره‌نما تاجایی ادامه می‌یابد که دمای ستاره به ۳۰۰۰۰ کلوین برسد، که در این مرحله به اندازه‌ی کافی برای یونیزه کردن گازهای اطرافش گرم شده است.

سحابی‌های معروف

  • سحابی سر اسب
  • سحابی نعل اسب
  • سحابی اسب تاریک
  • سحابی جبار
  • سحابی خرچنگ
  • سحابی کیسه ذغال
  • سحابی جغد
  • سحابی مار
  • سحابی اسکیمو
  • سحابی چپق
  • سحابی سه تکه
  • سحابی دمب
  • مسیه 16
  • سحابی تن فیل
  • سحابی اومگا
  • سحابی اخگر
  • سحابی رتیل
  • سحابی عقاب
  • سحابی پیچه ای

تاریخ مشاهدات سحابی‌ها

بسیاری از اجرام سحابی‌شکل توسط ستاره‌‌شناسان در عهد گذشته و قرون وسطی مشاهده شده بودند. اولین مشاهده‌ی مکتوب در سال ۱۵۰ میلادی توسط بطلمیوس صورت گرفت که او در کتابش “المجسطی” آورده که متوجه حضور ۵ ستاره شده که شبیه به سحابی هستند. او همچنین متوجه‌ ناحیه‌ای پرنور میان صور فلکی خرس بزرگ (دُبّ اکبر) و برج اسد شد که با هیچ‌ یک از ستاره‌های دیگر مرتبط نبود.

در کتاب صورالکواکب، نوشته شده در سال ۹۶۴ میلادی، ستاره‌شناس ایرانی عبدالرحمان صوفی رازی اولین مشاهده از یک سحابی واقعی را انجام می دهد. عبدالرحمان صوفی، “ابری کوچک” در بخشی از آسمان شب که امروزه میدانیم محل قرارگیری کهکشان آندرومدا است، مشاهده نمود. او همچنین اجرام سحابی دیگری مثل امیکرون بادبان و کولیندر ۳۹۹ را دسته‌بندی و مکتوب کرد.

عبدالرحمان صوفی رازی منجم ایرانی اولین مشاهده از یک سحابی واقعی را به ثبت رساند

در ۴ جولای سال ۱۰۵۴، ابرنواختری که سحابی خرچنگ را پدید آورد، برای ستاره‌شناسان روی زمین قابل مشاهده بود و مشاهداتی مکتوب از سوی منجمان چینی و عرب نیز یافت شده است. البته براساس نقل قول‌هایی، تمدن‌های دیگر موفق به مشاهده‌ی این ابرنواختر شده بودند، اما سند مکتوبی از این مشاهدات در دست نیست.

در قرن ۱۷ پیشرفت تلسکوپ‌ها منجر به مشاهده‌ی اولین سحابی شد. داستان از ۱۶۱۰ شروع می شود جایی که نیکولاس کلود فابری دی پیرسک، ستاره‌شناس فرانسوی مشاهدات خود از سحابی شکارچی را ثبت و ضبط نمود. در ۱۶۱۸ نیز ستاره‌شناس سوئیسی، یوهان باپتیست کایسات نیز موفق به مشاهده‌ی این سحابی گردید. و در سال ۱۶۵۹، کریستیان هویگنس اولین مطالعات دقیق را روی این سحابی انجام داد.

با رسیدن قرن ۱۸، شمار سحابی‌های کشف شده شروع به افزایش کرد و ستاره‌شناسان شروع به تنظیم لیستی از آنها نمودند. در سال ۱۷۱۵، “ادموند هالی” لیستی از ۶ سحابی منتشر نمود – M11, M13, M22, M31, M42 و خوشه کروی امگا قنطورس (NGC 5139) – او نام این سحابی‌ها را در کتابش “گزارشی از چند سحابی و نقاطی شفاف مثل ابرها در میان ستاره‌ها که اخیراً به کمک تلسکوپ کشف گردید” آورده است.

در سال ۱۷۴۶ ژان فلیپ دو شزو لیستی از ۲۰ سحابی ثبت نمود که ۸ تا از آنها تا پیش از آن زمان هنوز کشف نشده بودند. بین سال‌های ۱۷۵۱ و ۱۷۵۳ نیکولاس-لوئی دو لاکای فهرستی از ۴۲ سحابی را منتشر نمود که از روی دماغه امید نیک مشاهده کرده بود. اکثر این سحابی‌ها نیز جدید بودند. در ۱۷۸۱ شارل مسیه فهرستی شامل ۱۰۳ سحابی ارائه کرد (که امروزه تحت عنوان اجرام مسیه شناخته میشوند) اگرچه بعد مشخص شد برخی از آن‌ها کهکشان و دنباله‌دارها بودند.

تصویری از سحابی مسیه ۲۰

شمار سحابی‌های مشاهده و فهرست شده به لطف تلاش‌های ویلیام هرشل و خواهرش کارولاین بسیار گسترش یافت. در سال ۱۷۸۶ آن دو “فهرست ۱۰۰۰ سحابی و خوشه‌های ستاره‌ای جدید”شان را منتشر نمودند، آنها در سال‌های ۱۷۸۶ و ۱۸۰۲ ادامه‌‌ی فهرست را نیز منتشر نمودند. در آن زمان، هرشل معتقد بود که این سحابی‌ها خوشه‌های ستاره‌ای حل‌ نشده‌ای بودند، دیدگاهی که البته او در سال ۱۷۹۰ پس از مشاهده‌ی احاطه‌ی یک ستاره بدست سحابی اصلاح کرد.

در سال ۱۸۶۴ ویلیام هاگینز ستاره‌شناس انگلیسی شروع به دسته‌بندی سحابی‌ها براساس طیف آنها نمود. تقریباً یک‌سوم آن‌ها طیف تشعشعات یک گاز خاص را داشتند (سحابی‌های نشری)، در حالی که دیگر سحابی‌ها از جمله سحابی سیاره نما طیفی پیوسته، مرتبط و وابسته به جرم ستاره‌ها نمایش میدادند. در سال ۱۹۱۲ ستاره‌شناس امریکایی وستو اسلیفر زیر رده‌ی اصلی سحابی بازتابی را پس از مشاهده‌ی یکی بودن طیف سحابی محیط خوشه‌ی پروین با طیف خود خوشه‌ی پروین، به رده‌های سحابی‌ها اضافه نمود. در سال ۱۹۲۲ و در میان مباحثات میان دانشمندان درباره‌ی طبیعت سحابی مارپیچی و اندازه‌ی کیهان، آشکار شده بود که بسیاری از سحابی‌های مشاهده شده در اصل کهکشان‌های مارپیچی بسیار دور بوده‌اند.

در همان سال، ادوین هابل اعلام کرد که تمام سحابی‌ها به‌ نوعی با ستاره‌ها در ارتباطند و روشنایی آنها از نور ستاره‌ها تأمین می شود. از آن پس، تعداد سحابی‌های حقیقی (نه آنهایی که دراصل خوشه‌های ستاره‌ای و کهکشان‌های دور بودند) رشد چشمگیری داشته، و طبقه‌بندی سحابی‌ها به لطف پیشرفت تجهیزات مشاهده‌ای و طیف‌بینی تا حد زیادی اصلاح گردیده است. بطور خلاصه، سحابی‌ها نه تنها نقاط شروع تکامل ستاره‌ها هستند بلکه نقطه‌ی اتمامش نیز میباشند. و از بین تمام اجرام فضایی که کهکشان و کیهان ما را پر کرده‌اند، ابرها و اجرام سحابی های فراوانی یافت خواهند شد که منتظر است تا نسل جدیدی از ستاره‌ها را متولد کنند!

منبع: universetoday.com

“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”

ولاتکو وِدرالِ فیزیکدان می گوید: ما در حال ساخت ماشینی هستیم که به وسیله تونل زنی از میان تعداد زیادی از قوانین محکم و استوار طبیعت، عمل می کند. وی می گوید: چند سال پیش، ایده ای داشتم که ممکن است نشانه ی کمی جنون به شمار آید. با خودم فکر کردم که آیا راهی برای ساختن موتوری کارآمدتر وجود دارد؟ و آیا قوانین فیزیک این اجازه را می دهند؟

DbVoGfXkAIIDWCشما در ضمیر خودتان برای رد کردن این پیشنهاد تردیدی نخواهید داشت. همه می دانیم که بازدهی موتورها، تحت حاکمیت ترمودینامیک، یکی از ستون‌های بسیار محکم فیزیک است. این یکی از مجموعه قوانین طبیعی است که شما به وسیلۀ آن نمی توانید زیاد مانور دهید. با این حال، اگر من دفترم در دانشگاه آکسفورد را ترک کرده و به سمت پایین راهرو قدم بزنم، می توانم ماشینی را ببینم، که بی اعتنا به این قوانین کار می کند. این ماشینی با توان و پیچیدگی قابل توجه، به همراه لیزرهای سبز و یونها، به جای روغن و پیستون‌ها است. راهی طولانی در پیش است، اما من اعتقاد دارم، اختراعاتی از این دست، اَشکالی از تکنولوژی آینده خواهد بود.

کامپیوترهای بهتر و کارآ تر از راه خواهند رسید. و اینچنین موتورهایی، طلایه‌دار دوران نوین علم هستند. برای ساختن این موتورها، ما در حال کشف حوزه‌ای هستیم که “ترمودینامیک کوانتومی” نامیده می شود. مجموعه‌ای بازنویسی شده از نظرات‌مان در مورد چیستی و در واقع سرشت حیات، کیهان و همه چیز. ترمودینامیک، نظریه‌ای است که اثر متقابل میان دما و حرارت، انرژی و کار را توصیف می کند. لذا خیلی از چیزها از مغز تا عضلات شما گرفته تا موتور ِ خودروها و ماشین مخلوط کن آشپزخانه و همچنین ستاره‌ها تا اختروش‌ها را به خوبی تنظیم می کند. ترمودینامیک بستری را از آنچه می توانیم حل کنیم شامل ِ انواع چیزهایی که می توانند یا نمی توانند در کیهان رخ دهند، فراهم می کند. اگر یک برگر بخورید، یا باید کالری آن را بسوزانید یا چاق‌تر شوید. قهوه تا زمانی که روی میز قرار دارد، هرگز خود به خود گرم نمی شود. کیهان همان طور که گسترش می یابد، سردتر شده، و بطور بی‌رحمانه‌ای به سوی مرگ گرمایی در آینده‌ای دور هدایت می شود. همۀ اینها حقایق گریزناپذیر قابل ارجاع به ترمودینامیک هستند. در واقع این حقایق، از دو قانون اصلی آن می آیند، که به طور خلاقانه‌ای قوانین اول و دوم نامیده شده‌اند.

این قوانین مسیری طولانی در پیشینه خود دارند. یکی از داستان‌های مورد علاقۀ من در مورد ایجاد آنها، ماجرای درگیر شدن پزشک آلمانی “جولیوس فون مایر” با این مباحث است. پزشکی که عشق واقعی‌اش فیزیک بود. این ماجرا به دهه ۱۸۴۰ میلادی باز می گردد. زمانی که مایر بعنوان جراح در کشتی در سفری دریایی به جاکارتای اندونزی مشغول به کار شد. در طی این سفر، او متوجۀ چیزی نادر شد: نزدیک مدار استوا، خون در رگ های ملوانان، آبی به نظر نمی رسید همانطور که در بازگشت به خانه‌شان در آلمان، باید قرمز تیره باشد. مایر این فرضیه را ارائه داد که خون قرمزتر به علت کمبود غذایی است که برای حفظ حرارت بدن در آب و هوای گرم تر استفاده شده است. او با تفکر در مورد دادن و گرفتن در خِلال سوخت و ساز و دما و حرارت تولید شده در بدن، ماهیت قانون اول را روشن ساخت: انرژی نمی تواند ایجاد شده یا از بین برود، بلکه تنها به اطراف منتقل می شود.

پیدایش آنچه که قانون دوم نامیده می شود به حدود ۲۰ سال قبل از سوار شدن مایر به کشتی‌اش بر می گردد. در آن زمان، موتورهای بخار اروپا را تغییر داده بودند. کوره‌ها و پیستون‌های آنها، کارخانه‌ها و ماشین‌های انقلاب صنعتی را به حرکت در آورده بودند. مهندس فرانسوی “سَدی کارنو” از این موضوع ناراحت بود که هیچکس درک درستی از چگونگی کار این موتورها ندارد. لذا شخصا دست به کار شد. بینش عمیق او این بود که فارغ از نوع دستگاه، چیزهای داغ، همیشه حرارت را به محیط اطرافشان منتشر می کنند. بعنوان مثال، هنگامی که آب در موتورهای بخار گرم می شود، همیشه مقداری از حرارت به هوای بیرون نشت می کند. بنابراین این موتورها، هرگز به طور کامل کارآ نیستند. در سال ۱۸۲۴، او تنها کتاب خود را جهت عمومی کردن این ایده منتشر کرد. این کتاب نشان می دهد که هیچ موتوری نمی تواند از محدودۀ معینی که به عنوان “بازدهی کارنو” شناخته می شود، فراتر رود. این بازدهی، به تفاوت دمایی مابین منبع حرارتی (کوره) و چاه حرارتی (هوای بیرون) بستگی دارد.

انتروپی گریزناپذیر

کارنو چند سال بعد فوت کرد و کتابش برای دهه‌ها نادیده گرفته شد. تا اینکه فیزیکدان آلمانی، رُدُلف کلازیوس به آن پرداخت. کارنو حرارت را به عنوان یک ماده بی وزن می پنداشت، اما کلازیوس حرارت را در واقع مربوط به چگونگی حرکت سریع اتم‌ها یا مولکول‌ها مربوط می دانست. که این امر او را قادر ساخت ایده‌های کارنو را بر حسب ترم‌های اندازه‌گیریِ بی نظمی که “اِنتروپی” نامید، اصلاح نماید. تصور کنید جعبه‌ای دارید که دارای ذراتی داغ با حرکت سریع و ذراتی سرد با حرکت کُند است. این یک چینش منظم است، زیرا همه ی ذرات در مجموع دارای انرژی های مشابه هستند. اما کلازیوس عنوان کرد که کیهان شبیه حالت‌های انتروپی پایین نیست. اگر شما جعبه‌ها را باز کنید، ذرات درهم هستند. این مساله، او را به سوی قانون دوم آنچنان که ما امروزه می دانیم سوق داد: انتروپی به صورت طبیعی افزایش می یابد، مگر اینکه شما مقداری کار برای توقفش به کار ببرید.

با پیروی از منطق ِ این دو قانون، شما در نهایت به توصیفی پولادین در مورد آنچه در کیهان رخ می دهد، دست خواهید یافت. اخترفیزیکدان “آرتور اِدینگتون” یک بار گفت: «اگر نظریه خود را بر خلاف قانون دوم ترمودینامیک یافتید، من نمی توانم هیچ امیدی به شما بدهم؛ برای نظریه شما هیچ چیزی جز فروافتادن در ورطۀ سرشکستگی وجود ندارد.» پس ایدۀ من برای یک موتور که قوانین را زیر پا می گذارد، چه می شود؟ به نظر می رسد پا در هوا می ماند. در واقع، ما نامی برای موتوری که جدای از ترمودینامیک کار می کند، داریم. ما آن را “ماشین حرکت دائمی” می نامیم، که ضرب‌المثلی برای چارچولک بازی علمی است. اما ماشین پایین راهرو از این نوع نیست. این ماشین، زیرکانه اما مشروع به کار انداخته می شود: از طریق فیزیک کوانتومی.

entropy fractalترمودینامیک از تئوری کوانتومی قدیمی تر است و در واقع؛ مسئول تولد آن است. در سال ۱۹۰۰ میلادی فیزیکدان آلمانی، “ماکس پلانک” کوشش می کرد خصوصیات اشیائی فرضی را که “جسم سیاه” نامیده می شد و همۀ اشعه‌هایی که به آن می تابید را جذب کرده و سپس دوباره بازمی تاباند را بفهمد. بهترین فیزیک در آن زمان پیشنهاد می کرد که باید تعداد نامحدودی از طول موج ها وجود داشته باشد. لذا جسم سیاه باید مقدار انرژیِ بی نهایت را بیرون می داد. که چیزی مزخرف بود. پلانک مساله را با فرض اینکه انرژی فقط می تواند تکه تکه منتشر شود، حل کرد. او این تکه‌ها را “کوانتا” نامید.

این جهش، برای توضیح بسیاری از پرسش‌های آزاردهنده در فیزیک کمک شایانی کرد. اما هنگامی که ما شروع به مطالعۀ اشیائی که طبق نمایشنامه کوانتومی، به ایفای نقش می پردازند می کنیم، در می یابیم که آنها چیزهای خارق‌العاده‌ای انجام می دهند. یکی از بهترین و شناخته شده‌ترین مثال‌ها، “درهم تنیدگی” است. هنگامی که دو ذره در هم بافته می شوند به طوری که تداخل با یکی از آنها، فورا خصوصیات دیگری را تغییر می دهد. مثال دیگر این است که یک اتم می تواند به طور همزمان در حالت انرژی بالا و پایین وجود داشته باشد. که به “برهم نهی” مشهور است.

این رفتارها، همۀ قوانین معمول در دینامیک را زیر پا می گذارند. آیا دلیلی وجود دارد که فکر کنیم ترمودینامیک مستثنی است؟ فقط در طی پنج سال گذشته یا بیشتر است که ما ابزارهایی برای تحقیق در مورد این پرسش در اختیار داریم. کار “توبیاس اسکاتس” در موسسه مطالعات پیشرفتۀ فرایبورگ آلمان را در سال ۲۰۱۶ در نظر بگیرید. او آزمایشی را برای نگاه کردن به یون های درون کریستال ترتیب داد. او به آنها مقداری انرژی داد و سپس به نظاره نشست که آنها چگونه سرد می شوند. برخلاف فنجان قهوه که رفته رفته سرد می شود، به نظر می رسید یون‌ها برای مدتی انرژی خود را از دست داده ولی به طور ناگهانی به حالت قبل پرش می کرد. این اثباتی است بر آنچه ما نسبت به آن بدگمان شده بودیم: قوانین ترمودینامیک کلاسیک، همیشه در جهان کوانتومی کار نمی کنند.

متاسفانه، چسباندن قوانین ترمودینامیک کلاسیک در کاربردهای کوانتومی، فریب کارانه است. به این دلیل که، معادل کوانتومیِ مفاهیم ترمودینامیک کلاسیک نظیر حرارت و اِنتروپی، هنوز روشن نیست. این مفاهیم محصول نهایی حرکتِ دسته جمعی ذرات هستند؛ لذا هنگامی که با یک یا دو ذره سروکار دارید، چگونه می توانید در مورد نظایر این مفاهیم فکر کنید؟

بگذریم. با خود فکر کردم به هر حال باید نسخه ی کوانتومیِ موتور حرارتی را بسازم. این موتور متفاوت‌تر از هر چیزی خواهد بود که کارنو با آن آشنایی داشت، اما با اصولی مشابه. ایده این بود که یک جفت مولکول آلی را ایجاد کرده و با تاباندن نورِ درخشان بر رویشان، آنها را به سطح انرژی بالا رساند. با انجام آزمایش فقط از سمت چپ، با بازنشر نور با فرکانس‌های مختلف، مولکول‌ها اندکی به سطح انرژی پایین‌تر برخواهند گشت.

بخش مهم کار این است که اگر آزمایش را صرفا از سمت راست برپا کنیم، نور منتشر شده هیچ اطلاعاتی حمل نمی کند که بتواند بگوید از کدام دو مولکول آمده است. طبق تئوری کوانتومی، این نیروها به آنها درهم تنیده شده و لذا هنگامی که یک مولکول به سطح انرژی پایین تر می پرد، دیگری هم به طور خودکار همین کار را می کند. این عمل توسط ِ هر دو نور منتشره، و در راستای فرآیندی موسوم به “اَبَر رسانایی” انجام می شود. من انتظار داشتم که این موتور کوانتومی باز هم تحت نشتی‌های انرژی به همان شیوه‌ای که کارنو نزدیک به ۲۰۰ سال پیش مشخص کرد باشد. اما به دلیل ابررسانایی، این موتور، باید انرژی را سریعتر انتقال داده و کارآ تر از موتور غیرکوانتومی باشد.

من سال گذشته با کمک دو همکار آزمایشگر خود، تریستان فارو و روبرت تیلر، کنترل آزمایش را در حالی که مولکول ها درهم تنیده نبودند، کامل کردم. ولی همان طور که در حال تنظیم نسخۀ نهایی جذابی برای ارائه بودیم، از دیگران پیشی گرفتیم. در اکتبر ۲۰۱۷، همکاران آکسفوردی‌ام، آن وامسلی و تیمش، آزمایشی مشابه با آنچه که ما انتظار داشتیم، توصیف کردند. در این موتور، مولکول‌های آلی عمل جذب و انتشار را انجام نمی دادند، بلکه اتم‌ها درون یک حفره مشخص در الماس به دام افتادند. اتم‌ها درهم تنیده نبودند، اما به صورت برهم نهی از حالات انرژی بالا و پایین بودند. و با اطمینان کافی، وامسلی و تیمش مشاهده کردند که نور سریعتر از آنچه قوانین کلاسیک ترمودینامیک پیش بینی می کند، تولید شد. هنوز کاملا روشن نیست که چرا اینچنین است. و قطعا درجه ی خطا کوچک است. با این وجود، اولین اثبات قاطعی است بر اینکه موتور حرارتیِ کوانتومی می تواند قوانین پولادین را بشکند.

من انتظار دارم این ماشین تکمیل شود. و در مورد آیندۀ ماشین‌های حرارتیِ کوانتومی هیجان‌زده هستم. چیزی که در ابتدا مرا به این بازی کشاند، کارم روی کامپیوترهای کوانتومی بود. بحث‌های زیادی وجود دارد در مورد طرز کار این ماشین‌های آتی با استفاده از بیت‌ها یا کیوبیت های کوانتومی و اینکه باید بتوانند همۀ محاسبات دشوار را حل کنند. اما به کارگیری آنها در گرو سرد کردن سخت افزارشان به دماهای بسیار پایین است. و این امر مستلزم مقادیر عظیمی از انرژی است. اَخلاف ماشین وامسلی می توانند به این مهم کمک کنند. با این همه، موتور حرارتی، حرارت را به کار مستقیم تبدیل می کند. برای مثال در موتور بخار، حرارت موجب حرکت پیستون می شود. اگر این فرآیند را معکوس کنید می توانید از کار مستقیمِ پمپِ حرارتی استفاده کنید که نتیجه‌اش یخچال کوانتومی است. گِلِب ماسِنیکُف از دانشگاه ملی سنگاپور و همکارانش، قبلا روی یخچال‌های کوانتومی با نشانه‌هایی نویدبخش از اینکه ممکن است نسبت به همتایان کلاسیک شان کارآ تر باشند، آزمایشاتی انجام دادند.

این تنها کامپیوترهای کوانتومی نیستند که باید از این فرآیند سود ببرند. یکی از موانع بزرگ بر سر راهِ خیلی کوچک کردن مدارهای معمولی این است که اگر سعی کنیم اجزایشان را فشرده‌تر کنیم، بسیار داغ می شوند. سرد کردن آنها دقیقا چیزی است که به آن نیاز داریم. اگر در مورد یک یخچال کوانتومی در دسترس فکر می کنید، اجازه دهید باتری‌های کوانتومی را به شما معرفی کنم. دانشجوی سابقم، فلیکس بایِندِر، اکنون در دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور، نشان داده است که باتری‌های کوانتومی می توانند نسبت به موارد معمولی خیلی سریعتر شارژ شوند.

به جای حرکت یون‌ها به اطراف، که در باتری‌های سنتی انجام می شد، این دستگاه‌ها دارای بیت‌های الکترونیکی مشابه با بیت کامپیوتر هستند. بیت‌هایی که یا شارژ هستند یا نه. بر اساس ترمودینامیک کلاسیک، مقدار انرژی مورد استفاده برای شارژ باتری به صورت خطی با تعداد بیت‌ها افزایش می یافت. اما بایندر نشان داد که اگر بیت ها را درهم تنیده کنیم، مقدار انرژی مورد نیاز برای شارژ کامل، با ریشه ی دوم تعداد آنها متناسب خواهد بود. این بدان معناست که یک باتری کوانتومی با یک میلیون بیت، در  همان زمانی که برای شارژ ۱۰۰۰ بیت از باتری کلاسیک طول می کشد، به طور کامل شارژ خواهد شد. ویتوریو پِلِگرینی از موسسه فناوری جِنووای ایتالیا، پژوهشگری است که امیدوار است یک چنین “اَبَرباتری” ای را در عرض چند سال آینده بسازد.

خانه‌ای نامرتب

“ترمودینامیک کوانتومی ممکن است بدین معنا باشد که زمان می تواند در دو جهت تیک تاک کند.” ما نباید فکر کنیم که ترمودینامیک کوانتومی فقط محدود به ساخت ابزار است. بلکه روی ژرف ترین تمایزات انگشت می گذارد: زندگی و مرگ. موجودات زنده همواره می کوشند برخلاف قانون دوم ترمودینامیک، با مکیدن انرژی، نظم درون سلول‌های خود را حفظ کنند. توان تولیدی برای این کار توسط اندام‌هایی تامین می شود که مشابه موتور حرارتی هستند و “میتوکُندری” نامیده می شوند. لذا این پرسش جذاب خواهد بود: با اینکه انتخاب طبیعی به تقویت کارآیی تمایل دارد، آیا زیست شناسی موتورهای حرارتی کوانتومی را تکامل بخشیده است؟ این یک بحث داغ است در مورد اینکه چقدر اثرات کوانتومی در زیست شناسی دارای اهمیت هستند. اما به عقیدۀ من کسی که فکر کند تکامل، کارآ ترین موتورهای ممکن را تولید کرده است، دیوانه نیست.

حتی جریان زمان ممکن است به وسیله ی ترمودینامیک کوانتومی از نو قالب ریزی شود. به جز قانون دوم ترمودینامیک، هیچ قانونی در فیزیک وجود ندارد که دلیلی ارائه دهد در مورد اینکه چرا هیچ یک از فرآیندهای طبیعی نمی توانند به عقب برگردند. پافشاری بر این که انتروپی باید افزایش یابد، بسیاری از فیزیکدانان را به سمتی هدایت کرده است که گمان کنند زمان به طریقی از تغییر انتروپی برمی خیزد.

به بیان کلاسیک، انتروپی یک حس غریزی برای ما به وجود می آورد. بعنوان مثال، ترمودینامیک کلاسیک می گوید که بی نظمی در کیهان باید دست کم مشابه با بی نظمی در بخش‌های مختلفش باشد. این امر شبیه این است که بگوییم: میزان کل درهم برهمی یک خانه، می تواند به عنوان مقدار انرژی لازم برای مرتب کردن آن محاسبه شود. این مقدار نمی تواند از درهم برهمی خانۀ نامرتب کمتر باشد.

اگر گیتی از قوانین ترمودینامیک کوانتومی پیروی کند، تصویر آن به طور اساسی متفاوت خواهد بود. ما دقیقا هنوز نمی دانیم که این قوانین چه هستند. اما از معادلات نظریه کوانتومی می دانیم که مقدار کل بی نظمی در گیتی باید ثابت باقی بماند. پس انتروپی چه چیزی زیاد می شود؟ عدم قطعیت کوانتومی ما را از به دست آوردن اطلاعات کامل در مورد حالات بخش‌های منحصر به فرد گیتی باز می دارد. این بدان معناست که بعضی از بخش‌های کیهان می توانند بی نظمی بیشتری از کل مجموعه داشته باشند.

این یعنی اگر شما به گیتی به عنوان یک کل نگاه کنید، انتروپی تغییر نخواهد کرد و لذا در آن زمان هم وجود نخواهد داشت. اما با نگاه کردن به تکه‌های کوچک است که انتروپی تغییر کرده و زمان شروع به تیک تاک می کند. زیرا چیزها همیشه و در همه جا، چیزی برای عرضه ندارند. حتی ممکن است که پیکان زمان در بخش‌های مختلفی از کیهان در جهات متفاوتی جریان یابند. این کاوشی دقیق در بنیان‌ ترمودینامیک است که به وسیلۀ آن می فهمیم، تصویری که از واقعیت به ما نشان می دهد چقدر درست است. این است که موتورهای حرارتی کوانتومی برای ما اینچنین جذاب هستند. من نمی توانم از گفتن در مورد آنها تعلل کنم زیرا آنها سرعت زیادی دارند.

نوشته: وِلاتکو وِدرال/ فیزیکدان دانشگاه آکسفورد انگلستان و دانشگاه ملی سنگاپور
ترجمه: سیدامین مهناپور/ عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی در گروه مکانیک

منبع: مجلۀ نیوساینتیست، آوریل ۲۰۱۸

در ماهِ مارچِ ۲۰۱۲ ژوزف پولشینسکی (Joseph Polchinski) در اندیشه‌ی یک خودکشیِ ریاضی افتاد. او که فیزیک‌دانی در شاخه‌ی نظریه‌ی ریسمان در موسسه‌ی فیزیکِ نظریِ کاولی (Kavli) در سانتاباربارای کالیفرنیاست، در این اندیشه فرو رفت که اگر فضانوردی به درونِ یک سیاه‌چاله شیرجه بزند برای او چه رخ خواهد داد؟ آشکارا پیداست که او خواهد مُرد، اما چگونه؟

بنابر توجیهِ پذیرفته‌شده، فضانورد در ابتدا چیزی احساس نخواهد کرد، حتی هنگامی که در حالِ گذر از افقِ روی‌دادِ سیاه‌چاله است. بنا به تعریف، افقِ روی‌دادِ سیاه‌چاله مرزی نامریی‌ست که هیچ چیز از پشتِ آن نمی‌تواند به بیرونِ سیاه‌چاله بگریزد. اما پس از گذرِ چندین ساعت، روز، و یا هفته (اگر سیاه‌چاله به اندازه‌ی کافی بزرگ باشد) این فضانورد در خواهد یافت که نیروی گرانشی که به پاهای او وارد می‌شود بیش از نیرویی‌ست که به سرش وارد می‌شود. هم‌چنان که شیرجه‌ی فضانورد او را بی‌امان به سمتِ مرکزِ سیاه‌چاله می‌کشاند، این اختلافِ نیروی گرانشی افزایش یافته و پیکرِ او را از هم خواهد درید و سپس بقایای او در هسته‌ی بی‌نهایت‌چگالِ سیاه‌چاله خورد خواهد شد.
black_hole
اما محاسباتِ پولشینسکی که به همراهِ دو تن از دانش‌جویانش –احمد المری (Ahmed Almheiri) و جیمز سالی (James Sully)- و با هم‌کاریِ یک نظریه‌پردازِ دیگر در شاخه‌ی ریسمان به نامِ دونالد مارولف (Donald Marolf) از دانش‌گاهِ کالیفرنیا واقع در سانتاباربارا ( به اختصار UCSB) انجام شده است، داستانِ دیگری را بازگو می‌کند [۱]. بنابر محاسباتِ وی، اثراتِ کوانتومی سبب می‌شوند که افقِ روی‌دادِ سیاه‌چاله به گردبادی خروشان از ذرات تبدیل شود. هرکس که به سوی افقِ روی‌دادِ یک سیاه‌چاله سقوط کند، به دیواری آتشین رسیده و در یک چشم‌به‌هم‌زدن، بِرِشته خواهد شد.

ادعای این گروه در جولایِ ۲۰۱۲ منتشر شد و جامعه‌ی فیزیک را شگفت‌زده کرد. وجودِ چنین دیوارِ آتشینی یکی از اصولِ بنیادینِ فیزیک را که نزدیک به یک قرنِ پیش توسطِ آلبرت اینشتین پایه‌گذاری شده بود، زیرِ پا می‌گذارد. این اصل که اینشتین آن را بنیانی برای نظریه‌ی گرانشیِ نسبیتِ عامِ خود قرار داد با نامِ «اصلِ هم‌ارزی» شناخته می‌شود. این اصل بیان می‌دارد که ناظری که به درونِ یک میدانِ گرانشی سقوط می‌کند (حتی اگر این میدانِ گرانشی به اندازه‌ی میدانِ درونِ یک سیاه‌چاله نیرومند باشد)، پدیده‌ها را دقیقاً همانندِ ناظری می‌بیند که در فضایی تهی غوطه‌ور است. بدونِ این اصل، چارچوبی که اینشتین در نظریه‌ی خود بنا کرد فرو خواهد ریخت.

پولشینسکی و هم‌کارانش که به خوبی از پیامدهای ادعای خود آگاه بودند، طرحِ جای‌گزینی پیش‌نهاد کردند که به ایجادِ دیوارهای آتشین منجر نمی‌شد. اما این راهِ حل نیز هزینه‌ی گزافی در پی داشت. این‌بار فیزیک‌دانان می‌بایست از فروریختنِ یکی دیگر از پایه‌ی دانشِ خود رنج می‌کشیدند: مکانیکِ کوانتومی، نظریه‌ای که بر برهم‌کنش‌های میانِ ذراتِ زیراتمی حاکم است.

پیامدِ این ادعا، طوفانِ پر جوش‌وخروشی از مقاله‌های پژوهشی درباره‌ی «دیوارِ آتشین» بود که هریک در تلاش برای رهایی از این بن‌بست بودند، اما در پایان هیچ‌یک از این تلاش‌ها نتوانست خشنودیِ همگان را در پی داشته باشد. استیو گیدینگز (Steve Giddings) فیزیک‌دانی در شاخه‌ی مکانیکِ کوانتومی در UCSB این شرایط را چنین توصیف می‌کند: «نقطه‌ی عطفی در زمینه‌های بنیادینِ فیزیک که شاید برای حل‌شدن، نیازمندِ یک انقلاب باشد».

متخصصینِ سیاه‌چاله در حالی‌که همه‌ی این اندیشه‌ها را در سر داشتند، ماهِ گذشته در سِرن (آزمایش‌گاهِ فیزیکِ ذراتِ اروپا که در نزدیکیِ ژنو در سوییس قرار دارد) گردِ هم آمدند تا به طورِ رودررو درباره‌ی این موضوع با یک‌دیگر گفت‌وگو کنند. آن‌ها امیدوار بودند که مسیری به سوی یک نظریه‌ی گرانشِ کوانتومیِ وحدت‌یافته بیابند که همه‌ی نیروهای بنیادینِ طبیعت را زیرِ یک چتر گِرد آورد، این همان آرمانی‌ست که در طولِ دهه‌های گذشته، همواره از دست‌رسِ فیزیک‌دانان به دور مانده است.

رافایل بوییسا (Raphael Bousso) که فیزیک‌دانی نظری در شاخه‌ی ریسمان و از دانش‌گاهِ برکلیِ کالیفرنیاست، سخن‌رانیِ خود در نشستِ سرن را با این جمله آغاز کرد: «ایده‌ی دیوارِ آتشین، پایه‌ی باورهای بسیاری از ما در موردِ سیاه‌چاله‌ها را به لرزه انداخت. این ایده دو نظریه‌ی مکانیکِ کوانتومی و نسبیتِ عام را رودرروی یک‌دیگر قرار می‌دهد، بی آن‌که هیچ سرنخی به دستِ ما دهد که در گامِ بعدی باید به کدام سو رفت».

سرچشمه‌های آتشین :

ریشه‌های ایده‌ی دیوارِ آتشین که نقطه‌ی عطفی در فیزیکِ سیاه‌چاله‌هاست به سالِ ۱۹۷۴ باز می‌گردد، هنگامی که استیون هاوکینگ (Stephen Hawking) از دانشگاهِ کمبریجِ انگلستان نشان داد که اثراتِ کوانتومی سبب می‌شود که بتوان به سیاه‌چاله‌ها دما نسبت داد [۱]. سیاه‌چاله‌های منزوی به آرامی و به صورتِ فوتون و ذراتِ دیگر، از خود تابشِ گرمایی گسیل می‌کنند و به این ترتیب اندک‌اندک جرمِ خود را از دست می‌دهند تا جایی که به طورِ کامل تبخیر شوند. گرچه این ذراتِ گسیلی نیستند که دیوارِ آتشین را می‌سازند چراکه ریزه‌کاری‌های نطریه‌ی نسبیت هم‌چنان تضمین می‌کند که فضانوردی که در حالِ سقوط به افقِ رویدادِ سیاه‌چاله است، متوجهِ این تابش نمی‌شود. با این‌حال نتایجِ هاوکینگ هم‌چنان تکان‌دهنده بود چراکه معادلاتِ نسبیتِ عام پیش‌بینی می‌کند که سیاه‌چاله‌ها تنها می‌توانند اجرامِ دیگر را در کامِ خود فرو برده و بزرگ و بزرگ‌تر شوند، نه آن‌که تبخیر شوند.

استدلالِ هاوکینگ اساساً به این مشاهده منجر می‌شود که در گستره‌ی مکانیکِ کوانتومی، فضای تهی واقعاً تهی نیست. در مقیاسِ میکروسکوپی هیاهویی برپاست، جفتِ ذره-پادذره به طورِ پی‌درپی به وجود آمده و سپس به طورِ ناگهانی بازترکیب شده و نابود می‌شوند. تنها در آزمایش‌گاه‌های بسیار حساس است که پیامدهای چنین هیاهوی میکروسکوپیکی، مشاهده‌پذیر است. هاوکینگ دریافت که هنگامی که یک زوجِ ذره-پادذره درست بیرونِ افقِ روی‌دادِ یک سیاه‌چاله پدید بیایند این امکان وجود دارد که پیش از بازترکیب، یکی از این ذرات به درونِ سیاه‌چاله افتاده، ذره‌ی دیگر از چنگِ سیاه‌چاله نجات یافته و به صورتِ تابش، به بیرون از سیاه‌چاله بگریزد. انرژیِ ذره‌ی گریخته از سیاه‌چاله مثبت است، در حالی‌که انرژیِ ذره‌ای که به دام سیاه‌چاله می‌افتد منفی‌ست و به این ترتیب انرژیِ گریخته از سیاه‌چاله خنثی می‌شود (بنابر قانونِ پایستگیِ انرژی، انرژیِ کل در فرآیندِ تولید و نابودیِ زوج، صفر است چراکه زوجِ ذره-پادذره در خلا آفریده و سپس نابود می‌شوند. این به این معناست که از زوجِ آفریده شده، یکی از دو ذره دارای انرژیِ مثبت و ذره‌ی دیگر دارای همان‌مقدار انرژیِ منفی‌ست. ذره‌ای که دارای انرژیِ مثبت است می‌تواند از سیاه‌چاله بگریزد اما ذره‌ی دارای انرژیِ منفی به دامِ سیاه‌چاله می‌افتد. به این ترتیب انرژیِ جهانِ بیرون از سیاه‌چاله اندکی افزایش یافته و انرژیِ درونِ سیاه‌چاله، اندکی کاهش می‌یابد اما هم‌چنان انرژیِ سامانه‌ی کل که شاملِ جهانِ بیرون از سیاه‌چاله و خودِ سیاه‌چاله است، بدونِ تغییر باقی می‌ماند). می‌دانیم بنابر قوانینِ مکانیکِ کوانتومی ذرات می‌توانند انرژیِ منفی نیز اختیار کنند. انتقالِ این مقدار انرژیِ منفی به درونِ سیاه‌چاله به این معناست که سیاه‌چاله اندکی از جرمِ خود را از دست داده و بنابراین رفته‌رفته کوچک‌تر می‌شود.
بنابر قواعدِ مکانیکِ کوانتومی، اطلاعات نابود نمی‌شود. در اصل باید بتوان به کمکِ اندازه‌گیریِ حالتِ کوانتومیِ تابشی که از سیاه‌چاله گسیل می‌شود، داده‌های مربوط به اجسامی که به درونِ سیاه‌چاله افتاده‌اند را بازیابی کرد. اما هاوکینگ نشان داد که این کار چندان هم ساده نیست چون تابشی که از سیاه‌چاله گسیل می‌شود تصادفی‌ست. هیچ تفاوتی ندارد که سیاه‌چاله یک کیلوگرم سنگ را ببلعد یا یک کیلوگرم تراشه‌ی کامپیوتری را، نتیجه کاملاً یکسان است. حتی اگر تا هنگامِ مرگِ یک سیاه‌چاله آن را رصد کنیم باز هم هیچ راهی وجود ندارد که دریابیم چگونه تشکیل شده و یا چه چیزهایی به درونِ آن افتاده‌اند.

این مسئله که «پارادوکسِ اطلاعاتِ سیاه‌چاله» نامیده می‌شود فیزیک‌دانان را به دو جبهه تقسیم کرده است. برخی مانندِ هاوکینگ بر این باورند که پس از مرگِ سیاه‌چاله، اطلاعات نیز نابود می‌شود. این گروه هم‌چنین معتقدند که اگر باورِ آن‌ها درباره‌ی نابودشدنِ اطلاعات، قوانینِ مکانیکِ کوانتومی را زیر پا می‌گذارد باید به دنبالِ قوانین بهتری (برای مکانیکِ کوانتومی) بود. اما برخی دیگر هم‌چنان به مکانیکِ کوانتومی وفادارند، مانندِ جان پرِسکیل (John Preskill) که در شاخه‌ی فیزیکِ کوانتومی در موسسه‌ی فن‌آوریِ کالیفرنیا در پاسادنا مشغول است. او می‌گوید: «برای مدتی من به طورِ جدی به دنبالِ ساختِ نظریه‌ای جای‌گزین (برای مکانیکِ کوانتومی) بودم که نابودیِ اطلاعات را نیز دربر بگیرد. اما به هیچ نظریه‌ی معناداری نرسیدم و هیچ کسِ دیگر نیز نخواهد رسید». این بن‌بست به مدتِ دو دهه ادامه یافت و در سالِ ۱۹۹۷ شناخته‌شده‌ترین نمایش در این جدال رقم خورد، هنگامی که پرسکیل در حضورِ همگان با هاوکینگ شرط بست که اطلاعات نابود نمی‌شود. جایزه‌ی این شرط‌بندی یک دانش‌نامه به انتخابِ خودِ برنده بود.

event-horizon
پارادوکس اطلاعات : جسمی که به درونِ سیاه‌چاله می‌افتد له شده و به سوی مرکزِ بی‌نهایت‌چگالِ سیاه‌چاله کشانده می‌شود. دو سناریوی متفاوت در تلاش هستند تا آن‌چه برای محتوای اطلاعاتیِ این جسم رخ می‌دهد را توضیح دهند.

سناریوی نخست: ناپدید شدن. ۱) فضای تهی پر از جفت‌های ذره-پادذره است که بنابر اثراتِ کوانتومی تولید شده و با یک‌دیگر هم‌بسته هستند. ۲) به طورِ طبیعی زوج‌های ذره-پادذره بی‌درنگ بازترکیب شده و ناپدید می‌شوند. ۳) اگر زوجِ ذره-پادذره درست بیرونِ افقِ روی‌دادِ یک سیاه‌چاله تشکیل شوند، آن‌گاه این امکان وجود دارد که یکی از ذرات به درونِ سیاه‌چاله افتاده و دیگری از دامِ سیاه‌چاله بگریزد و به صورتِ تابشِ هاوکینگ از سیاه‌چاله گسیل شود که این تابش قابلِ مشاهده و رصدکردن است. ۴) انرژیِ هریک از ذراتی که به درونِ سیاه‌چاله می‌افتند، منفی‌ست و این به این معناست که سیاه‌چاله به طورِ پیوسته در حالِ ازدست‌دادنِ جرمِ خود است. (به غیر از این ذرات که در واقع متعلق به یک زوجِ ذره-پادذره هستند، یک سیاه‌چاله می‌تواند اجسامِ عادی را نیز ببلعد که چون این اجسام، پیش از فروافتادن در سیاه‌چاله به صورتِ زوجِ ذره-پادذره نبوده‌اند پس انرژیِ آن‌ها مثبت است). اگر یک سیاه‌چاله چنین اجسامِ عادی را نبلعد رفته‌رفته جرمِ خود را از دست داده و سرانجام تبخیر می‌شود.

تکینگی که در مرکزِ یک سیاه‌چاله وجود دارد بی‌نهایت کوچک و چگال بوده و هیچ اطلاعاتی درباره‌ی ماده‌ی تشکیل‌دهنده‌ی سیاه‌چاله دربر ندارد.

سناریوی دوم: دیوارِ آتشین. اطلاعات از راه هم‌بستگی‌های موجود میانِ ذراتِ گسیل‌شده از سیاه‌چاله، به بیرون از آن منتقل می‌شود. ۱) ذراتِ گسیل‌شده از سیاه‌چاله هم‌بستگیِ خود با ذره‌ی جفتشان که به درونِ سیاه‌چاله افتاده است را می‌شکنند. ۲) انرژی (که از گسستنِ هم‌بستگیِ میانِ زوجِ ذره-پادذره) آزاد می‌شود دیواری آتشین در پیرامونِ سیاه‌چاله ایجاد می‌کند. ۳) هم‌بستگیِ میانِ ذراتِ گسیل‌شده از سیاه‌چاله دربردارنده‌ی اطلاعاتی درباره‌ی هرآن‌چیزی‌ست که تاکنون به درونِ سیاه‌چاله افتاده است. این اطلاعات را حتی پس از تبخیرِ سیاه‌چاله می‌توان بازیابی کرد.

اما با کشفِ خوان مالداسِنا (Juan Maldacena) در همان سال، این بن‌بست شکسته شد. وی فیزیک‌دانی بود که پس از آن به دانش‌گاهِ هاروارد در کمبریج رفت. دیدگاهِ مالداسنا بر پایه‌ی یک طرحِ پیش‌نهادیِ قدیمی‌تر بنا شده بود که بیان می‌کرد هر ناحیه‌ی سه‌بعدی (۳D) از جهانِ ما را می‌توان به کمکِ داده‌هایی که بر روی مرزِ دوبعدیِ (۲D) آن رمزنگاری شده است، توصیف کرد [۴-۲]، درست به همان ترتیبی که به کمکِ پرتوی لیزر می‌توان یک تصویرِ سه‌بعدی را بر روی یک هولوگرامِ دوبعدی رمزنگاری کرد. لئونارد ساسکیند (Leonard Susskind) نظریه‌پردازِ ریسمان از دانشگاهِ استنفورد در کالیفرنیا و یکی از کسانی‌ست که این فرضیه را مطرح کرده است [۳]. او می‌گوید: «ما واژه‌ی «هولوگرام» را به عنوانِ یک استعاره به کار بردیم. اما پس از پیش‌بردِ محاسباتِ ریاضی، چنین به نظر می‌رسید که این فرضیه یک معنای لغوی هم دربر دارد و آن عبارت‌ست از این‌که کیهان، برافکنشی (تصویری) از اطلاعات بر روی یک مرز است».

آنچه که مالداسنا پیش‌نهاد کرد یک فرمول‌بندیِ ریاضیِ ملموس [۵] از ایده‌ی هولوگرام بود که از دیدگاه‌های نظریه‌ی ابرریسمان بهره می‌گرفت، نظریه‌ای که این فرض را به عنوانِ مبنا قرار می‌دهد که ذراتِ بنیادی از ترکیبِ حلقه‌های بسیار کوچک و مرتعشِ انرژی ساخته شده‌اند. مدلِ او جهانی سه‌بعدی را در نظر می‌آورد که ریسمان‌ها و سیاه‌چاله‌ها را دربر گرفته است. این ریسمان‌ها و سیاه‌چاله‌ها که تنها گرانش بر آن‌ها فرمان می‌راند در سطحی دوبعدی مقید شده‌اند. در این سطحِ دوبعدی ذرات بنیادی و میدان‌ها از قوانینِ رایجِ مکانیکِ کوانتومی، بدونِ در نظر گرفتنِ گرانش، پیروی می‌کنند. ساکنانِ فرضیِ این فضای سه‌بعدی هرگز این مرز (دوبعدی) را نخواهند دید چراکه این مرز از آن‌ها بی‌نهایت دور است. اما این مسئله مهم نیست چون هر آن‌چه در این جهانِ سه‌بعدی رخ دهد را می‌توان به طورِ هم‌ارز به کمکِ معادلاتِ حاکم بر مرزِ دوبعدی توصیف کرد و برعکس. مالداسنا چنین توضیح می‌دهد: «من دریافتم که می‌توان واژه‌نامه‌ای ریاضی یافت و به کمکِ آن زبان‌های این دو جهان را به یک‌دیگر ترجمه کرد».

این به این معنا بود که حتی تبخیرِ سیاه‌چاله‌ها که پدیده‌ای در جهانِ سه‌بعدی‌ست را می‌توان در جهانِ دوبعدی توصیف کرد، یعنی جایی که گرانشی در آن تعریف نمی‌شود، قوانینِ مکانیکِ کوانتومی حاکمِ بی‌چون‌وچراست و اطلاعات هرگز نابود نمی‌شود. اگر اطلاعات در چنین جایی پایسته می‌ماند باید در جهانِ سه‌بعدی نیز چنین باشد، یعنی اطلاعات باید به گونه‌ای از سیاه‌چاله به بیرون بگریزد.
4152000

یکی برای همه

پس از گذشتِ چند سال، مارولف (Marolf) نشان داد که هر مدلی که برای گرانشِ کوانتومی نوشته شود از قوانینِ یکسانی پیروی خواهد کرد، مستقل از آن‌که این مدل بر پایه‌ی نظریه‌ی ریسمان ساخته شده باشد یا خیر [۶]. تِد جکوبسون (Ted Jacobson) فیزیک‌دانی در شاخه‌ی مکانیکِ کوانتومی در دانش‌گاهِ مریلند در کالج‌پارک که برای مدت‌ها هوادارِ نظریه‌ی نابودیِ اطلاعات بود چنین می‌گوید: «ترکیبی از کارهای پژوهشیِ مالداسنا و مارولف بود که سبب شد دیدگاهِ من (به سودِ مخالفانِ نابودیِ اطلاعات) تغییر کند». در سالِ ۲۰۰۴ هاوکینگ در حضورِ همگان پذیرفت که دیدگاهش نادرست بوده و برای به‌جا آوردنِ شرطی که با پرسکیل بسته بود یک دانش‌نامه‌ی بیس‌بال به وی هدیه داد.

کشفِ مالداسنا چنان قدرتمند و مستدل بود که بیش‌ترِ فیزیک‌دانان انگاشتند که پارادوکسِ اطلاعاتِ سیاه‌چاله به نتیجه رسیده است. اگرچه هیچ‌کس تاکنون توضیحی برای این مطلب ندارد که چگونه اطلاعات از راهِ تابشِ هاوکینگ به بیرون از سیاه‌چاله منتقل می‌شود. پولشینسکی می‌گوید: «گمان می‌کنم که همگی تنها وانمود می‌کنیم که باید پاسخِ سرراستی برای این مسئله وجود داشته باشد».

اما چنین نبود. در ابتدای سالِ ۲۰۱۲ پولشینسکی و گروهش خود را موظف دانستند که پایانِ نادقیق و سرسریِ پارادوکسِ اطلاعاتِ سیاه‌چاله را روشن سازند. دیری نگذشت که آن‌ها نیز به پارادوکسی برخوردند که تا امروز حل‌نشده باقی مانده است. همین پارادوکس بود که سرانجام آن‌ها را به سوی ایده‌ی دیوارِ آتشینِ مرگ‌بار کشانید.

هاوکینگ نشان داده بود که حالتِ کوانتومیِ هر ذره‌ای که از سیاه‌چاله می‌گریزد، تصادفی‌ست. بنابراین حالتِ ذره نمی‌تواند هیچ اطلاعاتِ سودمندی دربر داشته باشد. اما در میانه‌ی دهه‌ی ۱۹۹۰ ساسکیند و دیگران دریافتند که اگر حالتِ ذراتِ گسیل‌شده از سیاه‌چاله به گونه‌ای درهم‌تنیده باشد، آن‌گاه اطلاعات می‌توانند در حالت‌های کوانتومیِ تابشِ سیاه‌چاله رمزنگاری شوند. «حالت‌های درهم‌تنیده» مربوط به دو یا چند ذره است که حالت‌های کوانتومیِ آن‌ها چنان به یک‌دیگر جفت شده‌است که انجامِ هرگونه اندازه‌گیری به روی یکی از این ذرات، روی ذراتِ دیگر نیز تاثیر می‌گذارد. این اثرگذاری بی‌درنگ است، مستقل از آن‌که ذرات در چه فاصله‌ای از هم قرار داشته باشند.

اما چه چیز گروهِ پژوهشیِ پولشینسکی را شگفت‌زده کرده بود؟ ذره‌ای که از دامِ سیاه‌چاله گریخته و به بیرون از آن گسیل می‌شود باید با ذره‌ای که به درونِ سیاه‌چاله فرومی‌افتد، درهم‌تنیده باشد. از سوی دیگر، اگر دیدگاهِ ساسکیند و هم‌نظرانش درست باشد، این ذره باید با همه‌ی ذراتی که پیش از آن به صورتِ تابشِ هاوکینگ از سیاه‌چاله گسیل شده‌اند نیز درهم‌تنیده باشد. این درحالی‌ست که یکی از نتایجِ موشکافانه‌ی مکانیکِ کوانتومی «تک‌جفت بودنِ درهم‌تنیدگی» نام دارد که بیان می‌کند یک سامانه‌ی کوانتومی نمی‌تواند به طورِ هم‌زمان با دو سامانه‌ی مستقل از هم، به طورِ کامل درهم‌تنیده باشد.

پولشینسکی و هم‌کارانش دریافتند که برای گریز از این پارادوکس، باید یکی از این دو درهم‌تنیدگی را گسست. اما آن‌ها نمی‌خواستند از درهم‌تنیدگیِ میانِ ذره‌ی گسیل‌شده و دیگر ذراتِ (تابشِ هاوکینگ) که پیش از آن ذره گسیل شده بودند، دست بکشند چراکه وجودِ این درهم‌تنیدگی برای رمزنگاریِ اطلاعات در تابشِ هاوکینگ ضروری بود. بنابراین چنین تصمیم گرفتند که از درهم‌تنیدگیِ میانِ ذره‌ی گریخته از سیاه‌چاله و جفتش که به درونِ سیاه‌چاله افتاده است، چشم‌پوشی کنند. اما این کار هم بهایی داشت. هم‌چنان که پولشینسکی می‌گوید: «گسستنِ درهم‌تنیدگیِ میانِ این زوج‌ذرات، فرآیندِ سختی‌ست. درست مانند شکستنِ پیوندهای یک مولکول که سبب آزادشدنِ انرژی می‌شود». اما میزانِ انرژی که از گسستنِ درهم‌تنیدگیِ زوج‌ذراتِ بسیاری آزاد می‌شود بی‌اندازه کلان خواهد بود. پولشینسکی می‌افزاید: «بنابراین افقِ روی‌دادِ سیاه‌چاله به معنای واقعیِ کلمه، حلقه‌ای از آتش است که هر کسی را در حالِ سقوط به درونِ سیاه‌چاله خواهد سوزاند». در عوض، این شرایط اصلِ هم‌ارزی را زیرِ پا خواهد گذاشت چون به این نتیجه منجر می‌شود که ناظری که در حالِ سقوط‌آزاد در نزدیکیِ افقِ روی‌دادِ یک سیاه‌چاله است خواهد سوخت در حالی که اصلِ هم‌ارزی بیان می‌کند که ناظری که در حالِ سقوط‌آزاد است همه‌چیز را همانندِ ناظری خواهد دید که در فضای تهی غوطه‌ور است. بنابراین اعضای این گروه بر آن شدند که مقاله‌ای را به سِرورِ پیش‌ازچاپِ arXiv فرستاده و فیزیک‌دانان را با گزینشی سخت‌گیرانه روبه‌رو کنند: یک گزینه پذیرشِ این است که دیوارهای آتشین وجود دارند و بنابراین نظریه‌ی نسبیتِ عام درهم فرو خواهد ریخت (چون اصلِ هم‌ارزی دیگر برقرار نخواهد بود)، و گزینه‌ی دیگر آن‌که اطلاعات در سیاه‌چاله‌ها نابود می‌شود و بنابراین مکانیکِ کوانتومی نظریه‌ای نادرست از کار در خواهد آمد [۱]. مارولف چنین می‌گوید: «گویا با این شرایطِ گزینشی، دیوارهای آتشین واپسین گزینه‌ی جنون‌آمیز برای ما خواهد بود».

این مقاله جامعه‌ی فیزیک را به لرزه افکند. جکوبسون می‌گوید: «این ادعا که دست‌کشیدن از اصلِ هم‌ارزیِ اینشتین بهترین گزینه است، به راستی تکان‌دهنده بود». بوییسا نیز با این نظر موافق بوده و چنین می‌افزاید: «این ممکن نیست که دیوارِ آتشین در فضای تهی پدیدار شود. درست مانندِ آن است که درفضایی خالی، به ناگاه دیواری آجری ظاهر شده و به صورتِ شما برخورد کند». اگر نظریه‌ی اینشتین در موردِ افقِ روی‌دادِ یک سیاه‌چاله کارایی نداشته باشد آن‌گاه کیهان‌شناسان باید از خود بپرسند که آیا جایی هست که بتوان این نظریه را به طورِ تمام‌وکمال به کار بست؟

پولشینسکی اعتراف می‌کند که در ابتدا چنین می‌پنداشته که اشتباهی احمقانه کرده است. به همین دلیل به سراغِ یکی از پدرانِ ایده‌ی هولوگرافی، یعنی ساسکیند می‌رود تا اشتباه خود را دریابد. ساسکیند چنین می‌گوید: «نخستین واکنشِ من این بود که آن‌ها در اشتباه هستند». وی مقاله‌ای منتشر کرده [۷] و دیدگاهِ خود را در این باره بازگو می‌کند، اما پس از آن‌که بیش‌تر می‌اندیشد بی‌درنگ وادار می‌شود ادعای خود را پس بگیرد. او با خنده می‌گوید: «دومین واکنشم این بود که نتایجی که آن‌ها به دست آورده‌اند درست است، برای بارِ سوم دوباره پنداشتم که آن‌ها در اشتباهند. اما بارِ چهارم دریافتم که حق با آن‌هاست. این نتیجه‌گیری‌های پیاپی سبب شد به من لقبِ «یویو» بدهند اما درواقع واکنشِ بیش‌ترِ فیزیک‌دانان درباره‌ی نتایجِ به دست آمده توسطِ پولشینسکی، درست مانندِ واکنشِ من بود».

از زمانِ انتشارِ مقاله‌ی پولشینسکی تا امروز، بیش از ۴۰ مقاله در این باره در arXiv به ثبت رسیده است اما هیچ‌کس نتوانسته خدشه و نقطه‌ضعفی در منطق و شیوه‌ی استدلالِ اعضای این گروهِ پژوهشی بیابد. دان پِیج (Don Page) یکی از هم‌کارانِ هاوکینگ در طولِ دهه‌ی ۱۹۷۰ که هم‌اینک در دانش‌گاهِ آلبرتا در ادمونتونِ کاناداست می‌گوید: «این واقعاً بحثی زیباست که ثابت می‌کند جایی، در شیوه‌ی اندیشه‌ی ما در موردِ سیاه‌چاله‌ها، ناسازگاری وجود دارد». البته شماری راه حلِ ابتکاری نیز برای این مسئله پیش‌نهاد شده است.

پیامدها در جهانِ واقعی :

بنا به گفته‌ی ساسکیند یکی از راهِ حل‌های نویدبخش، راهِ حلی بود که توسطِ دو پژوهشگر با نام‌های دنیل هارلو (Daniel Harlow) فیزیک‌دانی در شاخه‌ی کوانتوم از دانش‌گاهِ پرینستون در نیوجرسی و پاتریک هایدن (Patrick Hayden) پژوهشگرِ علومِ کامپیوتر از دانش‌گاهِ مک‌گیل در مونترالِ کانادا ارایه داده‌اند. این دو این پرسش را بررسی کرده‌اند که آیا هرگز یک فضانورد می‌تواند توسطِ اندازه‌گیری‌های ممکن در جهانِ واقعی به وجودِ چنین پارادوکسی پی ببرد؟ برای انجامِ چنین کاری نخست او باید بخشِ قابلِ توجهی از تابشِ هاوکینگ که از سیاه‌چاله بیرون آمده است را رمزنگاری کند. سپس برای بررسیِ ذراتی که به درونِ سیاه‌چاله می‌افتند، به درونِ سیاه‌چاله شیرجه بزند. محاسباتِ مربوط به جفت‌ذرات نشان می‌دهد که رمزنگاریِ تابشِ هاوکینگ چنان دشوار (و وقت‌گیر) است که ممکن است پیش از آماده شدنِ فضانورد برای شیرجه زدن، سیاه‌چاله تبخیر شود [۱]. هارلو می‌گوید: «گرچه در اصل هیچ قانونی وجود ندارد که از اندازه‌گیریِ این پارادوکس جلوگیری کند، اما چنین اندازه‌گیری در عمل ناممکن است».

با این وجود گیدینگز بر این باور است که پارادوکسِ دیوارِ آتشین برای حل‌شدن نیاز به راهِ حلی انقلابی دارد. او محاسبه‌ای انجام داده که بر اساسِ آن، اگر درهم‌تنیدگیِ میانِ ذره‌ای که به عنوانِ تابشِ هاوکینگ به بیرون از سیاه‌چاله می‌گریزد و ذره‌ی جفتش که به درونِ سیاه‌چاله می‌افتد، از بین نرود تا هنگامی که ذره‌ی گریخته از سیاه‌چاله اندکی از افقِ روی‌داد دور شود، آن‌گاه انرژی که از شکستنِ درهم‌تنیدگیِ آن‌ها آزاد می‌شود بسیار کم‌تر خواهد بود، چنان‌که دیگر هیچ دیوارِ آتشینی تشکیل نخواهد شد [۲]. این نتیجه اصلِ هم‌ارزی را محترم می‌شمارد اما در عوض، لزومِ تغییرِ چند قانونِ مکانیکِ کوانتومی را نیز نشان می‌دهد. مدلِ گیدینگز را می‌توان در بوته‌ی آزمایش قرار داد چراکه این مدل پیش‌بینی می‌کند که در صورتِ ادغامِ دو سیاه‌چاله، ریزموج‌های ویژه‌ای در فضازمان تولید می‌شود که به کمکِ رصدخانه‌های امواجِ گرانشیِ موجود بر روی زمین، می‌توان این امواج را شناسایی و آشکارسازی کرد. آگاه‌شدن از همین موضوع، حاضران در گردهماییِ سرن را بسیار هیجان‌زده کرد.

blackholeeventhorizon

گزینه‌ی دیگری نیز هم‌چنان وجود دارد که اصلِ هم‌ارزی را (از خطرِ بی‌اعتباری) نجات می‌دهد، اما این گزینه چنان بحث‌انگیز است که کم‌تر کسی شهامتِ پشتیبانی از آن را دارد. شاید در همه‌ی این سال‌ها، حق با هاوکینگ بوده و اطلاعات درونِ سیاه‌چاله‌ها به راستی گم می‌شود. این واقعاً طعنه‌آمیز است که پرسکیل، کسی که بر خلافِ ادعای هاوکینگ با وی شرط‌بندی کرده و خودِ او بود که ایده‌ی دیوارهای آتشین را مطرح ساخت، در کارسوقی پیرامونِ موضوعِ دیوارهای آتشین که در پایانِ سالِ گذشته در دانش‌گاهِ استنفورد برگزار شد چنین می‌گوید: «شگفت‌آور است که فیزیک‌دانان به طورِ جدی درباره‌ی احتمالِ گم‌شدنِ اطلاعاتِ درونِ سیاه‌چاله نمی‌اندیشند چون به نظر نمی‌رسد هیچ ایده‌ای به اندازه‌ی ایده‌ی دیوارهای آتشین جنون‌آمیز باشد». البته او می‌افزاید که سرشتِ وی هم‌چنان بر آن است که اطلاعات از دامِ سیاه‌چاله جان سالم به در می‌برند.

روی‌گردانیِ فیزیک‌دانان برای بازبینیِ ادعای هاوکینگ نشانه‌ای از احترامِ بی‌پایانِ آنان نسبت به دانش‌نامه‌ی مالداسناست که گرانش را به نظریه‌ی کوانتوم مرتبط کرده و ظاهراً ثابت می‌کند که اطلاعات درونِ سیاه‌چاله نابود نمی‌شوند. پولشینسکی نتایجِ به دست آمده توسطِ مالداسنا (که تاکنون نزدیک به ۹۰۰۰ ارجاع داشته است) را در جای‌گاهِ مقایسه با کشفی که در قرنِ نوزدهم انجام شد و به ارتباطِ میانِ نور، الکتریسیته و مغناطیس انجامید (نظریه‌ی نسبیتِ خاصِ اینشتین) قرار داده و چنین می‌گوید: «ایده‌ی مالداسنا گرانش را به میدان‌های کوانتومی مرتبط می‌سازد و به همین دلیل، ژرف‌ترین بینشی‌ست که تاکنون در موردِ گرانش به دست آمده است». بوییسا می‌گوید: «به نظرِ من، اگر بحثِ دیوارِ آتشین در ابتدای دهه‌ی ۱۹۹۰ آغاز شده بود، یکی از قوی‌ترین استدلال‌ها به سودِ گم‌شدنِ اطلاعات بود (که به پیروزیِ نظریه‌ی نسبیتِ عام در برابرِ مکانیکِ کوانتومی منجر شده و نادرستیِ نتایجِ مالداسنا را به همراه داشت). اما هم‌اینک (که با آگاهی از نتایجِ مالداسنا بر سرِ دوراهیِ دیوار آتشین قرار گرفته‌ایم که در یک‌سو با پذیرشِ وجودِ دیوارهای آتشین، به باقی‌ماندنِ اطلاعات درونِ سیاه‌چاله و نادرست‌بودنِ اصلِ هم‌ارزیِ اینشتین می‌رسیم و در سوی دیگر با ردِ وجودِ دیوارهای آتشین، به نابود شدنِ اطلاعات و نادرستیِ نتایجِ مالداسنا می‌رسیم) هیچ‌کس نمی‌خواهد این ایده را در سر بپروراند که مالداسنا در اشتباه بوده است».

مالداسنا از این بابت به خود می‌بالد که در رویاروییِ آشکارش با اینشتین، بیش‌ترِ فیزیک‌دانان از او پشتیبانی می‌کنند، گرچه خودِ وی بر این باور است که کار به این‌جا نخواهد کشید. وی هم‌چنین می‌افزاید: «برای درکِ کاملِ پارادوکسِ دیوارِ آتشین شاید نیاز باشد که این دانش‌نامه (میانِ گرانش و نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی) را با افزودنِ جزییاتِ هرچه بیش‌تر، کامل‌تر کنیم. اما نیازی نیست که آن را به طورِ کامل کنار بگذاریم».

تنها دیدگاهِ مشترکی که تاکنون به دست آمده آن است که این مسئله به این زودی‌ها برطرف نخواهد شد. پولشینسکی در طولِ گفت‌وگوی خود، همه‌ی ترفند‌های ارایه‌شده برای کم‌ترکردنِ مشکلِ دیوارِ آتشین را به میان آورد و با دقتِ تمام، کاستی‌ها و نقاطِ ضعف هریک را برشمرد و در پایان چنین نتیجه‌گیری کرد: «متاسفم که هنوز هیچ‌کس از دستِ مسئله‌ی دیوارِ آتشین رهایی نیافته است، اما خواهشِ من این است که همگی هم‌چنان به تلاشِ خود ادامه دهیم».

منابع:

http://www.nature.com/news/astrophysics-fire-in-the-hole-1.12726

مراجع:
الف- Harlow, D. & Hayden, P. Preprint at http://arxiv.org/abs/1301.4504 2013

ب- Giddings, S. B. Preprint at http://arxiv.org/abs/arXiv:1302.2613 2013

ج- Almheiri, A., Marolf, D., Polchinski, J. & Sully, J. Preprint at http://arxiv.org/abs/1207.3123 2012.

ح- Bekenstein, J. D. Phys. Rev. D 7, 2333–۲۳۴۶ ۱۹۷۳٫

خ- Susskind, L. J. Math. Phys. 36, 6377 1995.

چ- Stephens, C. R., ’t Hooft, G. & Whiting, B. F. Class. Quant. Grav. 11, 621–۶۴۷ ۱۹۹۴٫

د- Maldacena, J. M. Adv. Theor. Math. Phys. 2, 231–۲۵۲ ۱۹۹۸٫

ذ- Marolf, D. Phys. Rev. D 79, 044010 2009.

ر- Susskind, L. Preprint at http://arxiv.org/abs/1207.4090 2012

ز- Hawking, S. W. Nature 248, 30–۳۱ (۱۹۷۴).

و- Almheiri, A., Marolf, D., Polchinski, J. & Sully, J. Preprint at http://arxiv.org/abs/1207.3123 (2012).

تپ اخترها، گونه ای از ستارگان نوترونی اند که میراث مرده ستارگان پرجرم محسوب می شوند. چیزی که تپ اخترها را از ستارگان نوترونی معمولی متمایز می سازد، سرعت چرخش فوق العاده زیاد و میدان مغناطیسی عظیم آنهاست. تَپ‌اخترها (به انگلیسی: Pulsar) ستاره‌های نوترونی چرخانی هستند که با سرعت بسیار زیادی دوران می‌کنند و پالس‌های مداومی از انرژی تابشی به همراه خطوط میدان مغناطیسی قوی را از خود منتشر می‌کنند. برخی از تپ‌اخترها نیز پرتوهای ایکس تابش می‌کنند. ستاره‌های نوترونی در حقیقت بقایای هستهٔ ستارهٔ منفجر شده‌ای هستند که حجم کوچک و چگالی بسیار بالایی دارند. برای نمونه تپ‌اختری به قطر ۲۰ کیلومتر ۱٫۵ برابر جرم خورشید را در خود جای داده‌است. تپ‌اخترها هنگام تولد دمایی در حدود چند میلیون درجه سلسیوس دارند و بلافاصله شروع به سرد شدن می‌کنند. نحوه و سرعت سرد شدن نیز به مواد تشکیل دهنده و چگالی آن‌ها بستگی دارد.

601939main_MS-PulsarCU0723

تاکنون بیش از ۱۰۰ تپ‌اختر مشخص شده‌اند. به جرأت می‌توان گفت که هر یک از آن‌ها ستاره‌ای نوترونی می‌باشد. تپ‌اختر سحابی خرچنگ سریعترین آنهاست، که انفجارات انرژی اش به میزان ۳۰ ضربان در ثانیه به ما می‌رسد و این میزان، ۳۰ چرخش در ثانیه را برای ستاره نوترونی پیشنهاد می‌کند. سایر تپ‌اخترها دارای میزانهایی تا حداقل یک ضربان در دو ثانیه می‌باشند، که این موضوع مبین چرخش بسیار آهسته این ستارگان نوترونی است. چون تپ‌اخترها با پیر شدن آهسته‌تر می‌چرخند، در نتیجه تپ‌اختر خرچنگ جوان‌ترین تپ‌اختری است که تاکنون مشاهده شده‌است.

تپ‌اختر بادبان، علاوه بر خرچنگ، تپ‌اختر دیگری درون ابرگاز در حال انبساطی قرار گرفته‌است، که به نظر می‌رسد باقی‌مانده یک ابرنواختر انفجاری باشد. به علت اینکه این تپ‌اختر در جهت صورت فلکی بادبان قرار دارد، تپ‌اختر بادبان نامیده می‌شود. این تپ‌اختر در مرکز سحابی آدامس که چاه رقیقی از ماده بین ستاره‌ای و به فاصله ۱۵۰۰ سال نوری از ما است، قرار دارد. ضربان‌های حاصل از تپ‌اختر بادبان به میزان ۱۲ عدد در ثانیه به ما می‌رسند. چون تپ‌اختر بادبان از تپ‌اختر خرچنگ آهسته‌تر می‌چرخد، در نتیجه ابرنواختری که این تپ‌اختر را تولید کرده‌است بایستی زودتر از ابرنواختر خرچنگ اتفاق افتاده باشد،

با یک تقریب ساده، ابرنواختر بادبان بین ۵۰۰۰تا۱۰۰۰۰ سال قبل منفجر شده‌است. چون تپ‌اختر بادبان به زمین بسیار نزدیک است – حدود یکدهم فاصله خرچنگ از ما – از این‌رو، انفجار ابرنواختر مربوط به آن بایستی به صورت یک ستاره جدید وبسیار روشن در جهان ظاهر شده باشد. این روشنائی بایستی بسیار زیادتر از روشنائی ماه کامل در طول چند هفته و در مراحل اولیه به رنگ قرمز آتشین دیده شده باشد. یک ابرنواختر به نزدیکی نمونه اخیر، امروزه منظره باهیبتی دارد و مطمئناً برای ما منظره وحشتناکی خواهد بود.

یک ستاره در یک سامانه ستاره‌ای دوتایی به یک ستاره نوترونی فروپاشیده‌است.

ستاره شناسان، تپ اخترها را با ضربان های رادیویی ای که در فواصل زمانی یکسان از آنها تابش می شود تشخیص می دهند. تشکیل یک تپ اختر، با تشکیل یک ستاره نوترونی بسیار مشابه است. وقتی که یک ستاره با جرم ۴ تا ۸ برابر جرم خورشید ما، در جریان یک انفجار ابرنواختری می میرد، لایه های فوقانی خود را به فضا می فرستد و هسته داخلی ستاره زیر فشار گرانشی خود فرو می ریزد. نیروی گرانش آنچنان قوی است که بر نیروی نگه دارنده اتم های سازنده هسته ستاره غلبه کرده و با فشرده شدن بیش از حد اتم و در نتیجه برخورد الکترون ها و پروتون های آن به یکدیگر، نوترون تشکیل می شود. نیروی گرانش بر سطح یک ستاره نوترونی، در حدود ۱۱^۱۰×۲ برابر نیروی گرانش بر سطح زمین است.

تپ اخترها، در واقع ستاره های نوترونی چرخان هستند. آنها انرژی را از قطب های مغناطیسی اشان به بیرون ساتع می کنند؛ اما به دلیل این که محور چرخشی و محور مغناطیسی آنها بر هم منطبق نیست و نیز به دلیل چرخش فوق العاده سریع آنها، ما این تابش مغناطیسی را بصورت ضربان هایی با فواصل زمانی یکسان می بینیم؛ چیزی مثل یک فانوس دریایی. البته شرط سوم برای مشاهده یک پالسار این است که زمین در راستای یکی از قطب های آن قرار بگیرد تا تابش ها را دریافت کند.

تاریخچه کشف تپ اختر

نخستین بار دو اخترشناس از دانشگاه کمبریج به نام‌های جاسلین بل برنر و آنتونی هیوش در اواخر سال ۱۹۶۸ تپ‌اخترها را به صورت منابعی رادیویی کشف کرد که با فرکانس ثابتی روشن و خاموش می‌شدند. این کشف برای دانشمندان روشن ساخت هنگام رمبش یک ستاره ی پرجرم ، چه بر سر ستاره می آید. اخترشناسان کمبریج ، در حال به کار انداختن یک تلسکوپ رادیویی بسیار مهم در انگلستان بودند. آنها آخرین آزماشها را  بر روی دستگاه انجام می دادند که شامل نقشه برداری از تمام منابع پارازیت های محلی بود که امکان داشت با تداخل در سیگنالهای کیهانی، سبب اشتباه در اندازه گیری ها شوند. گیرنده های رادیویی آنها  چنان حساس بود که می توانست گستره متنوعی از تداخل های محلی را آشکار کند، از خطوط انتقال نیرو گرفته تا اتومبیل های در حال رفت و آمد در جاده های نزدیک و همچنین منابع دیگر. در پایان آزمایشها، آنها منبعی یافتند که نتوانستند هویت آن را تعیین کنند، این منبع تپ هایی گسیل می کرد که در اندکی پیش از یک ثانیه تکرار می شدند، در حالی خود تنها دوام بسیار کوتاهی داشتند.

207358main_whitedwarf_20080102_HI1

 

تپ اخترها با پرتوی ایکس

برخی تپ‌اخترها پرتوهای ایکس تابش می‌کنند که به نام تپ‌اختر پرتوایکس شناخته می‌شوند. سحابی خرچنگ واقع در صورت فلکی ثور یک نمونه قطعی از ستاره‌ای نوترونی است که در طی یک انفجار ابرنواختری شکل گرفته‌است و منبع عظیمی از پرتو ایکس است. تحقیقاتی که توسط ماهواره‌های اشعه ایکس پیرامون ستاره‌های نوترونی صورت گرفته، حاکی از این است که در هر تپ‌اختر از دو نقطه اشعه ایکس گسیل می‌شود. ا. سطح ستاره چنان داغ است که از خود اشعه ایکس گسیل می‌کند. ۲.ذرات باردار الکترو مغناطیسی که در میدان مغناطیسی تپ‌اختر وجود دارند هنگام حرکت در طول خطوط میدان از خود اشعه ایکس ساطع می‌کنند. نوع بسیار متفاوتی از تپ‌اخترها به وسیله تلسکوپ‌های پرتو ایکس در برخی دوتایی‌های پرتو ایکس دیده شده‌است. در این مورد، یک ستاره نوترونی و یک ستاره معمولی منظومه ای دو تایی را تشکیل می‌دهند. نیروی گرانش شدید ناشی از ستاره نوترونی ماده را از ستاره معمولی به سمت آن می‌کشد. در این فرایند، که برافزایش نام دارد، ماده چنان داغ می‌شود که تابش پرتو ایکس تولید می‌کند. تپهای پرتو ایکس وقتی دیده می‌شوند که نقاط داغ ستاره نوترونی چرخان در امتداد خط دید ناظر زمینی قرار بگیرند.

تعیین هویت

جاسلین بل از دانشگاه کمبریج، این منبع را آنقدر مطالعه کرد که دریافت منبع به طور منظم در هر ۲۳ ساعت و ۵۶ دقیقه تکرار می شود. این امر، برای اخترشناسان به این معنی بود که منبع می باید یک منبع کیهانی باشد، چرا که تکرار آن دقیقا منطبق با دوره چرخش زمین نسبت به ستارگان دوردست بود. تا آن زمان، هیچ منبع رادیویی در فضا کشف نشده بود که بدین گونه تپش داشته باشد. مطالعات مکرر نشان می داد که تپ های تابش در حدود سی هزارم ثانیه طول می کشند و دوره تناوب میان تپ ها فوق العاده منظم و دقیقا ۲۷۵ ،۳۷۲ ،۱٫۳ ثانیه است.

آشکار سازی تپ اختر

تپ اختر خرچنگ

تقریبا به مدت دو سال، تپ اخترها را تنها با اخترشناسی رادیویی می شد مطالعه کرد، زیرا به رغم تلاشهایی که در این مدت برای آشکارسازی اپتیکی این اجرام صورت گرفته بود، نتیجه مثبتی از این طریق به دست نیامده بود . در سال ۱۹۶۸ اخترشناسان رصدخانه ملی اخترشناسی رادیویی در ویرجینیای غربی، تپ اختری کشف کردند که به نظر می رسید در راستای سحابی خرچنگ است. سه ماه بعد، سه اخترشناس در رصدخانه استوارد دانشگاه آریزونا به طور اپتیکی کشف کردند که یکی از ستارگان نزدیک به مرکز سحابی خرچنگ را می توان با این تپ اختر یکی دانست، زیرا این ستاره نیز با همان دوره و به همان طریق تپهای رادیویی، به طور اپتیکی می تپیدند. آنها با به کار گرفتن روش استروبوسکوپی نشان دادند که ستاره ی اپتیکی پدیدار و ناپدید می شود و با دوره تناوب ۰٫۰۳ ثانیه چشمک می زند. اهمیت کشف تپ اختر در سحابی خرچنگ از آن روست که خود سحابی به منزله بازمانده یک ابرنواختر شناخته شده است و از این رو تپ اختر را می توان به عنوان بازماده ستاره ای دانست که سبب انفجار ابرنواختری شده است.

سحابی خرچنگ ده سال نوری وسعت دارد. دقیقا در مرکز سحابی یک تپ اختر قرار دارد: یک ستاره نوترونی به سنگینی خورشید اما به اندازه یک شهر کوچک. تپ اختر خرچنگ ثانیه‌ای سی بار به دور خود می‌چرخد.

اکنون، اعتقاد دانشمندان بر این است که احتمالا همه تپ اخترها، مغز رمبیده ستاره هایی هستند که به صورت ابرنواختر منفجر شده اند. تپ اختر سحابی خرچنگ یکی از جوانترین تپ اخترهاست، واقعیتی که نه تنها از روی سن خود سحابی استنباط می شود، بلکه آهنگ افزایش دوره تناوب تپ اختر نیز گواه آن است . اندازه گیریها نشان می دهند که آهنگ کند شدن تقریبا ۳۶ میلیونیم ثانیه در هر روز است، اما گاه تغییرات ناگهانی در آن دیده می شود. این تغییرات ناگهانی به منزله رویدادهایی شبیه به زلزله در ستاره تعبیر می شوند.

منابع: universetoday , Pulsar

ساختار ستارگان و کهکشانها نوشته پاول هاج

“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”

دوران کلاسیک (1897 – 1932)

با کشف الکترون به وسیله تامسون در سال 1897 فیزیک ذرات بنیادی متولد شد.

تامسون می دانست که که پرتوهای کاتدی را که از یک رشته ی داغ گسیل می شوند می توان با یک آهن ربا منحرف کرد. این انحراف نشان می دهد پرتوها حامل  بار الکتریکی اند، در واقع جهت خمیدگی ایجاب میکند که بار آنها منفی باشد. بنابراین به نظر می رسد که آنها اصلا پرتو نیستند بلکه جریانی از ذرات اند. با عبور دادن آنها از میدان های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم و تنظیم شدت میدان تا آنجا که انحراف خالص صفر شود، تامسون توانست سرعت ذرات (حدود یک دهم سرعت نور) و نسبت بار به جرمشان را تعیین کند. این نسبت بسیار بزرگتر از مقدار مربوط به هر یون شناخته شده ای بود که نشان می داد یا بار بسیار بزرگ یا جرم بسیار کوچک است. شواهد غیر مستقیم نتیجه گیری دوم را تأیید می کرد.

J.J_Thomson

تامسون ذرات را ذره ریز و بار آنها را الکترون نامید. بعدها واژه الکترون برای خود ذرات به کار گرفته شد. تامسون به درستی حدس زد که این الکترونها اجزای اساسی اتمها هستند، به هر حال چون کل اتم از نظر الکتریکی خنثی و بسیار سنگین تر از الکترونهاست، بلافاصله این مسئله مطرح می شود که بار مثبت جبرانی _ و توده جرم _ چگونه در داخل اتم توزیع شده است. خود تامسون تصور میکرد که الکترونها در خمیری سنگین با بار مثبت معلق هستند، به گفته او شبیه کشمشهای درون کیک کشمشی. اما مدل تامسون را آزمایش معروف پراکندگی رادرفورد، که نشان داد که بار مثبت و بخش اعظم جرم در یک مغز کوچک، یا هسته، در مرکز اتم متمرکز شده است، رد کرد. رادرفورد این موضوع را با تاباندن باریکه ای از ذرات α (اتمهای هلیم یونیده) به یک ورقه نازک و کوچک طلا نشان داد. اگر آن طور که تامسون فرض کرده بود اتمهای طلا کره هایی نسبتا پراکنده بودند ذرات α باید اندکی منحرف شوند. اما هیچ کدام از آنها نباید به مقدار زیاد بیشتر از گلوله ای که از یک کیسه ی خالی عبور می کند منحرف می شدند. آنچه واقعا رخ داد آن بود که اغلب ذرات α دست نخورده از طلا عبور کردند، اما تعداد کمی از آنها در زاویه های بزرگی منحرف شدند.

رادرفورد نتیجه گرفت که ذرات α با چیزی بسیار کوچک، بسیار سخت و بسیار سنگین مواجه شده اند. ظاهراٌ بار مثبت و در واقع همه جرم در مرکزی که فقط کسر کوچکی از حجم اتم را اشغال کرده است متمرکز شده است (الکترونها سبک تر از آنها هستند که نقشی را در پراکندگی داشته باشند؛ ذرات αی بسیار سنگین تر آنها را از سر راه بر می دارد).

رادرفورد هسته سبک ترین اتم (هیدروژن) را پروتون نامید. در سال 1914 نیلز بور مدلی برای هیدروژن پیشنهاد کرد که شامل تک الکترونی بود که درست مانند سیاره ای که به دور خورشید می گردد، در مداری ناشی از  جاذبه ی متقابل بارهای مخالف می چرخید. بور توانست با استفاده از روایت اولیه مکانیک کوانتومی، طیف هیدروژن را محاسبه کند و سازگاری آن با تجربه بسیار تماشایی بود. پس طبیعی بود فرض شود هسته ی اتمهای سنگین تر ترکیبی از دو یا چند پروتون وابسته به هم باشد که همان تعداد الکترونهای مداری را نگه میدارند. متأسفانه اتم سنگین تر بعدی (هلیم) هر چند واقعا حامل دو الکترون بود اما چهار بار سنگین تر از هیدروژن بود و لیتیم (با سه الکترون) هفت بار سنگین تر از هیدروژن و همین طور تا آخر. این مشکل سرانجام در سال 1932 با کشف نوترون _ همتای پروتون که از نظر الکتریکی خنثی است _ توسط چادویک حل شد. معلوم شد که هسته ی هلیم بجز دو پروتون حاوی دو نوترون نیز هست، ظاهراٌ لیتیم چهار نوترون دارد و به طور کلی برای هسته های سنگین تر تعداد نوترون ها تقریبا برابر با تعداد پروتونهاست (در واقع تعداد نوترونها تا حدودی انعطاف پذیر است: اتم های به لحاظ شیمیایی یکسان ممکن است چندین ایزوتوپ مختلف داشته باشند که همه ی آنها دارای تعداد پروتون یکسان ولی تعداد نوترون مختلف هستند.)

کشف نوترون آخرین کار در آنچه که می توان آن را دوره کلاسیک در فیزیک ذرات بنیادی نامید است. تا قبل از آن (متأسفم که باید بگویم پس از آن) فیزیک پاسخ قانع کننده و ساده ای برای پرسش (( ماده از چه ساخته شده است؟)) پیشنهاد نکرده است. در سال 1932 ماده فقط از پروتون ها و نوترونها، الکترونها ساخته شده بود. اما بذر سه نظریه بزرگ که بر دوران میانی فیزیک ذرات (1930 – 1960) حاکم بودند یعنی، مزون یوکاوا، پوزیترون دیراک و نوترینوی پائولی کاشته شد.

فوتون (1900 – 1924)

از چند جهت نوترون ذره ای بسیار “جدید” است که شباهت آن با W و Z (که تا 1983 کشف نشده بودند) از گروه سه تایی کلاسیک بیشتر است. به علاوه مشکل بتوان گفت دقیقا کی و چه کسی واقعا فوتون را “کشف” کرد، هر چند مراحل اساسی در این فرآیند کاملا روشن است. اولین گام را پلانک در سال 1900 برداشت. پلانک می خواست طیف جسم سیاه را برای تابش الکترومغناطیسی گسیلیده از یک جسم داغ توضیح دهد. هنگامی که مکانیک آماری، که موفقیتهای درخشانی در توضیح دیگر فرآیندهای گرمایی داشت، در مورد میدان الکترومغناطیسی می شد نتایج غیر منطقی داد. به خصوص به پیش گویی معروف “فاجعه فرابنفش” انجامید که در آن کل توان تابیده شده باید بی نهایت باشد. پلانک دریافت که اگر فرض کند تابش الکترومغناطیسی کوانتیده و به صورت “بسته های” کوچک انرژی به صورت زیر باشد می تواند از فاجعه فرابنفش اجتناب کند و بر داده تجربی منطبق شود

E = hϑ

از رابطه بالا ϑ بسامد تابش و h ثابتی است که پلانک آن را طوری در نظر گرفت که به داده ها برازش یابد. مقدار جدید ثابت پلانک برابر است با

h = 6.626 068  ⨯10 – 34   j s = 6.626 ⨯ 10 -27 erg s

پلانک مدعی نبود که می داند چرا تابش کوانتیده است؛ او فرض کرد که کوانتش ناشی از یک خصلت غیر عادی در فرآیند گسیل است: به دلایلی، یک سطح داغ فقط نور را به صورت فورانهای کوچک گسیل می کرد.

در سال 1905، اینشتین دیدگاه افراطی تری را مطرح کرد. او استدلال کرد که کوانتش یک ویژگی خود میدان الکترومغناطیسی است و هیچ ربطی به سازوکار گسیل ندارد. با این گرایش جدید، اینشتین ایده پلانک را با فرمول خودش تطبیق داد تا اثر فوتوالکتریک را توضیح دهد: هنگامی که تابش الکترومغناطیسی به سطح فلزی برخورد می کند، الکترون ها از آن کنده می شوند. اینشتین پیشنهاد کرد که کوانتوم نور فرودی به الکترونی در فلز اصابت می کند و انرژی (hϑ) خود را از دست می دهد؛ سپس الکترون برانگیخته از سطح فلز می گذرد و در این فرآیند انرژی ω از دست میدهد (ω تابع کار ماده نامیده می  شود و یک ثابت تجربی است که به نوع فلز به کار رفته بستگی دارد). پس الکترون با انرژی زیر خارج می شود

E ≤ hϑ – ω

اثر فوتوالکتریک

به دست آوردن فرمول اینشتین نسبتا ساده است، اما مستلزم این مفهوم خارق العاده است که بیشینه انرژی الکترون مستقل از شدت نور است و فقط به رنگ (بسامد) آن بستگی دارد. بدون شک، باریکه با شدت بیشتر الکترونهای بیشتری را بیرون می اندازد اما انرژی همه آنها یکسان است.

برخلاف نظریه پلانک، با نظریه اینشتین برخوردی خصمانه شد و در 20 سال بعد او به نبرد یک تنه ای به خاطر کوانتوم نور دست زد. اینشتین با بیان اینکه تابش الکترومغناطیسی به خاطر سرشت خود، بدون توجه به ساز و کار گسیل، کوانتیده است، به طور خطرناکی به احیای نظریه بی اعتبار ذره های نور نزدیک شد. البته نیوتون چنین مدل ذره ای را مطرح کرده بود، اما از یک دستاورد بزرگ فیزیک قرن نوزدهم رد قطعی ایده نیوتن به نفع نظریه موجی رقیب آن بود. هیچ کس آمادگی نداشت این دستیافت مسلم را مورد سوال قرار دهد، حتی هنگامی که آزمایشها به نفع اینشتین بود. در سال 1916 میلیکان مطالعه جامعی درباره اثر فوتوالکتریک انجام داد و ناگزیر شد گزارش دهد که به نظر می رسد “معادله فوتوالکتریک اینشتین … در تمام موارد مورد استفاده نتایج مشاهده شده را به دقت پیشگویی می کند …” اما در حال حاضر به نظر می رسد که نظریه شبه ذره ای که اینشتین به کمک آن به معادله اش دست یافته است به طور کلی غیر قابل دفاع باشد.

آنچه سرانجام مناقشه را فرو نشاند آزمایشی بود که کامپتون در سال 1923 انجام داد. کامپتون دریافت که طول موج نوری که از یک ذره در حال سکون پراکنده می شود، طبق معادله زیر جابه جا می شود:

 λf = λi + λc (1 – cos θ)

که در آن λi طول موج فرودی، λf طول موج پراکنده، θ زاویه پراکندگی و

 λc = h / mc

طول موج کامپتون ذره هدف (به جرم m) است. اکنون اگر با نور به صورت ذره ای به جرم سکون صفر و انرژی به دست آمده از معادله پلانک رفتار کنید و قوانین پایستگی انرژی و تکانه (نسبیتی) را درست مانند برخورد کشسان معمولی به کار ببندید، دقیقا همین فرمول را به دست می آورید. این آزمایش موضوع را فیصله داد، این دلیل تجربی سرراست و بی چون و چرا ثابت کرد که نور در مقیاس زیراتمی همانند یک ذره رفتار می کند. این ذرات را فوتون می نامیم (نامی که گیلبرت لیویز شیمیدان در سال 1926 پیشنهاد کرد) و نماد فوتون Ϫ (از پرتو گاما) است. اینکه چطور سرشت ذره ای نور در این سطح با رفتار موجی تثبیت شده ی نور در مقیاس ماکروسکوپی (که در پدیده های پراش و تداخل تجلی می کند) آشتی پیدا کرد خو داستانی است جدا و مفصل.

شکل . پراکندگی کامپتون. فوتونی با طول موج λi از ذره ای به جرم m که در ابتدا ساکن است، پراکنده میشود. فوتون پراکنده شده دارای طول موج λf است.

گرچه فوتون در ابتدا خود را به جامعه ی فیزیکدانان تحمیل کرد اما سرانجام جایگاهی طبیعی در نظریه ی میدان کوانتومی پیدا کرد و چشم انداز جدیدی به برهمکنشهای الکترومغناطیسی ارائه داد. در الکترودینامیک کلاسیک، دافعه ی الکتریکی دو الکترون را به میدان الکتریکی اطراف آنها نسبت می دهیم، هر الکترون در میدان سهیم است و هر الکترون به میدان پاسخ می دهد. اما در نظریه ی میدان کوانتومی، میدان الکتریکی کوانتیده است (به شکل فوتونها) و می توان برهمکنش را به صورت جریانی از فوتونها که بین دو بار ردوبدل می شوند در نظر گرفت، هر الکترون دائماٌ آنها را گسیل و جذب می کند. همین واقعه برای هر نیروی غیرتماسی که به طور کلاسیک آن را به صورت “کنش از راه دور” با “ردوبدل” شدن میدان تعبیر می کنیم، وجود دارد. اکنون می گوییم کهاین برهمکنش با تبادل ذرات (کوانتومهای میدان) ردوبدل می شود. در مورد الکترودینامیک واسطه فوتون است؛ برای گرانی، آن را گراویتون می نامیم.

در تصویر “کلاسیک” مادۀ معمولی از اتمها ساخته شده است که در آنها الکترونها را نیروی جاذبه بارهای مخالف در مدارهایی حول هسته هایی متشکل از پروتونها و نوترونها نگه می دارد. اکنون می توان با نسبت دادن نیروی بستگی به تبادل فوتون بین الکترونها و پروتونهای هسته، این مدل را به صورت پیشرفته ای فرمولبندی کرد. به هر حال برای  اهداف فیزیک اتمی این تصویر بیش از حد نیاز است. زیرا در این شرایط کوانتش میدان الکترومغناطیسی فقط اثرات بسیار جزئی به وجود می آورد. با تقریب بسیار خوبی می توان وانمود کرد که نیروها از قانون کولن به دست می آیند. نکته آن است که در یک حالت مقید تعداد بی شماری از فوتونها دائماٌ ردوبدل می شوند، به طوری که “ناهمواری” میدان به طور موثری هموار می شود و الکترودینامیک کلاسیک تقریب مناسبی از واقعیت است. اما در اغلب فرآیندهای ذرات بنیادی، مانند اثر فوتوالکتریک یا پراکندگی کامپتون، با تک تک فوتونها سروکار داریم و دیگر نمی توان کوانتش را نادیده گرفت.

منابع: کتاب “آشنایی با ذرات بنیادی” / نویسنده: دیوید گریفیث

“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”

نویسنده علمی، “رابرت لاورنس کوهن” در این مقاله به موضوعی جذاب پرداخته: چندجهانی. از کودکی مجذوب هستی بوده‌ام. هستی چیست؟ وسعت هستی چقدر است؟ هدف هستی چیست؟ حالا شش دهه گذشته و بعد از بررسی چیزهای زیاد، نه مطمئن‌تر شده‌ام و نه باهوش‌تر، ولی به جستجویم ادامه می‌دهم. بزرگ‌ترین و قطعی‌ترین حقیقت راجع به هستی که می‌توانم با اطمینان بدانم چیست؟ برای من پاسخ این سوال عظمت کیهان است. جهان بسیار بزرگ است ولی با اکتشافات چند وقت اخیر بود که فهمیدیم جهان به چه طرز غیرقابل ِ درکی بزرگ است و یا جهان‌های چندگانه می‌تواند وجود داشته باشد. حالا این یکی از سوالات غایی بشریت است و تا همین چند وقت پیش آن‌قدر نمی‌دانستیم که بتوانیم بپرسیم چند جهان وجود دارد؟

اگر جهان را به معنای “هر آن چیزی که هست” یا “هر آن چیزی که وجود دارد” تعریف کنیم پس مشخصاً طبق تعریف، تنها یک جهان می‌تواند وجود داشته باشد. اما اگر “جهان” را به عنوان « هر آن چیزی که می‌توانیم مشاهده کنیم»(‌ اهمیتی ندارد که تلسکوپ‌هایمان چقدر بزرگ باشد) یا « نواحی فضا- زمانی که با هم منبسط می‌شود» تعریف کنیم، آن‌وقت قطعاً جهان‌های زیادی وجود دارد. در علم هیچ چیزی جالب‌تر و باشکوه‌تر از چندجهانی نیست. برای تشخیص ماهیت واقعیت غایی باید با چالش چندجهانی شروع کنیم.

یک “چندجهانی” چیست؟

همان‌طور که فیزیکدان و برنده‌ی جایزه‌ی نوبل، استیون واینبرگ به من گفت:« تصور می‌کنم که کلمه‌ی “جهان” باید به درستی به معنای تمام چیزها باشد- همه‌چیز، ولی وقتی به کلمه‌ی جهان فکر می‌کنیم گاهی‌اوقات از این کلمه تنها برای بیگ بنگ( مه‌بانگ) استفاده می‌کنیم، چیزهایی را که می‌توانیم در تمامی جهات تا فواصل دور کیهان ببینیم و از این جهت این سوال معقولانه‌ای است: آیا جهان ما منحصر به فرد است؟ آیا بیگ بنگ‌های چندگانه وجود دارد؟ آیا این امکان وجود دارد تا بیگ بنگ‌های متعدد به معانی مختلف وجود داشته باشد؟»

آندری لینده فیزیکدان روسی‌- آمریکایی که حالا در استنفورد مشغول به کار است می‌گوید:« منظورمان از کلمه‌ی “چندجهانی” مجموعه‌ای بی‌شمار از فضا- زمان‌های گسسته بود.» او نظریه‌ی « تورم بی‌نظم ابدی» را طراحی کرد که تعداد رو به افزایش ابدی از جهان‌ها را بدون هیچ پایانی تولید می‌کند. در ادامه لینده می‌گوید:« دانشمندان واژه‌ی جدید “چندجهانی” را ابداع کردند چون فهمیدیم چیزی که  “جهان” می‌نامیدیم می‌تواند به نواحی به شدت بزرگی تقسیم شود که احتمال دارد قوانین فیزیک متفاوتی داشته باشد و شاید یک قسمت برای حیات مناسب بوده و قسمت‌های دیگر مناسب نباشد.»

لینده “جهان‌ها” را به صورت بادکنک‌هایی رنگ شده یا حباب‌هایی روی بوم نقاشی به تصویر می‌کشد که از طریق تورم ابدی از یکدیگر “جدا” شده‌‌ است. هر کدام از حباب‌هایش یک جهان مجزا است و هر کدام قوانین فیزیک متفاوتی دارد. کل مجموعه‌ی جهان‌ها یا چندجهانی به طرز غیرقابل‌درکی عظیم است و همچنان به رشد خود ادامه می‌دهد.

آیا این نوع چندجهانی گمانه‌زنی محض است؟ قطعاً اینطور نیست چون به طرز گسترده‌ای مثل فیزیک کوانتوم یا مدل استاندارد فیزیک ذرات توسط دانشمندان مورد قبول واقع شده است. ولی اساس آن علم واقعی است و از معادلات کیهان‌شناسی‌ای پیروی می‌کند که به صورت بهینه، خاستگاه و ساختار جهان ما را توضیح می‌دهد. در حقیقت در بعضی از مدل‌های ریاضیاتی لینده، تورم کیهانی باید به صورت ابدی و بی‌نظم در حال انبساط باشد.

تورم کیهانی

تورم بی‌نظم کیهانی که جهان‌های چندگانه را تولید می‌کند، از نظریه‌ی تورم کیهانی ساخته می‌شود که در ابتدا توسط آلن گوت در موسسه‌ی فناوری ماساچوست مطرح شد. او تورم کیهانی را فرمول‌بندی کرد تا چند مسئله‌ی عمیق در کیهان‌شناسی جهان ما را حل کند- برای مثال چرا جهان آغازین به شدت(و به طرز عجیبی) همگن بود، اگرچه نواحی مجزا به طور اتفاقی گسسته بودند؟ـ نواحی نمی‌توانست باعث ایجاد انفعال با باقی نواحی شود چون این نواحی بسیار بزرگ و مدت زمان سپری شده بسیار کوتاه بود، هرچند اطلاعات با سرعت نور مبادله می‌شد، چیزی که نظریه‌پردازان “مسئله‌ی افق” می‌نامند.)

 

آلن گوت تورم را به این صورت توصیف می‌کند:« جهان ما با دوره‌ی شگفت‌انگیز بسیار کوتاهی از انبساط نمایی و عظیم شروع شد که توسط حالت ویژه‌ای از ماده هدایت می‌شد که “خلاء کاذب” نام دارد. این عمل در واقع دافعه‌ی گرانشی درست می‌کند.» دوره‌ی کوتاه شگفت‌انگیز گوت قطعاً به طرز شگفت‌انگیزی کوتاه بود- از ۱۰ به توان ۳۶- ثانیه بعد از T0( زمان صفر) یعنی خاستگاه جهان، تا حدود ۱۰ به توان ۳۲- ثانیه.

طبق نظریه‌ی میدان کوانتومی، کلمه‌ی “خلاء” نشان‌دهنده‌ی بخشی از فضا است که انرژی کمینه‌ی محلی دارد ولی کمترین انرژی محتمل ممکن نیست و کلمه‌ی ” کاذب” به معنای در نهایت ناپایدار است اگرچه خلاء می‌تواند به مدت بسیار طولانی‌ای پایدار باقی بماند. نکته‌ی قابل‌توجه این است که “خلاء کاذب” می‌تواند به یک حالت انرژی پایین‌تر “تونل” بزند و انرژی عظیمی را آزاد یا ” ایجاد” کند.

گوت می‌گوید در این سناریوی تورمی، انبساط نمایی به پایان می‌رسد، چون خلاء کاذبی که محرک گرانش دافع است ناپایدار بوده و فرو می‌پاشد، چیزی که بسیار شبیه واپاشی عناصر پرتوزا است. پایان آن تورم اولیه( بعد از اینکه فضا به صورت نمایی در کسری از ثانیه منبسط شده) به بیگ بنگ سنتی تبدیل می‌شود که در آن انرژی وسیعی که در خلاء کاذب محبوس شده بود، آزاد شده و به انرژی و ماده‌ی جهان آغازین تبدیل می‌شود. این انرژی چیزی است که سوپ بسیار داغ و یکنواختی از ذرات پلاسمایی را تولید می‌کند که نقطه‌ی شروع در نظریه‌ی سنتی بیگ بنگ است.

ولی طبق مدل تورم کیهانی، در حالی که فروپاشی خلاء کاذب جرقه‌ی بیگ بنگ را در یک بخش از فضای در حال انبساط زده است، آن فروپاشی در تمام فضای در حال انبساط اتفاق نیافتاده است چون تمام فضای در حال انبساط به صورت هم‌زمان فرو نمی‌پاشد. آن آهنگ‌های متغیر فروپاشی کلید مخصوصی را فراهم کرد که باعث می‌شود جهان‌های چندگانه بدون هیچ پایانی متولد شود.

دلیل‌اش این است: بخش‌هایی از فضای خلاء کاذب که فرو نمی‌پاشد به صورت نمایی منبسط می‌شود و فضا را نسبت به بخش‌هایی از خلاء کاذب که فرو می‌پاشد هم سریع‌تر کشیده و بسط می‌دهد- و چون این فضای خلاء کاذب و در حال انبساط “شبه‌پایدار” است، در نهایت قسمت‌هایی از آن ( در طول دوره‌های زمانی بسیار طولانی) فرو می‌پاشد. هر فروپاشی یک به اصطلاح “جهان پاکتی(pocket universe)” منفرد تولید می‌کند که این عبارت اصطلاح گوت برای ناحیه‌ی متصل فضا- زمان است. آهنگ انبساط‌ها بسیار سریع‌تر از آهنگ فروپاشی‌ها است به همین دلیل نواحی جدیدی درست می‌شود- با پتانسیل فروپاشی‌های جدید و از این‌رو پتانسیل جهان‌های پاکتی جدید.

تمام اینها به این خاطر کار می‌کند که فشار گرانش منفی خلاء کاذب(در بخش‌هایی از فضا که فرو نپاشیده) به ایجاد میدان گرانشی دافع ادامه می‌دهد که نیروی محرک پشت قضیه‌ی انبساط نمایی تورم فضا است. این عمل فرصت‌های بیشتری برای فروپاشی‌های محلی درست می‌کند که در عوض جهان‌های پاکتی‌ای تولید می‌کند که به معنای واقعی کلمه‌ بی‌نهایت یا نامحدود است. یکبار دیگر به خاطر آهنگ انبساط‌های فضای خلاء کاذب( که فضا را بسط می‌دهد) که از آهنگ فروپاشی فضای خلاء کاذب( که بیگ بنگ‌ها را تولید می‌کند) جلو می‌زند است که فرآیندهای تولید جهان‌های چندگانه هیچ‌وقت متوقف نمی‌شود.

 

الکس ویلکنین، کیهان‌شناس دانشگاه توفت در ماساچوست توضیح داد که چون:« فضای بین این جهان‌های پاکتی یا حبابی با سرعت بسیار زیادی منبسط می‌شود، جا برای شکل‌گیری حباب‌های جدید باز می‌شود، بنابراین تعداد نامحدودی از جهان‌های پاکتی در طول تورم شکل می‌گیرد.» اگر این تصویر صحیح باشد گوت می‌گوید:« هیچ پایانی برایش نمی‌بینیم.»

جهان‌های پاکتی و تونل‌های کوانتومی

برای اینکه به خوبی متوجه شویم چطور چندجهانی می‌تواند تولید شود، اجازه دهید با نظریه‌ی تورم کیهانی شروع کنم که خاستگاه و ساختار جهان ما را توضیح می‌دهد. سپس چون تورم کیهانی به طور هم‌زمان در همه جا به پایان نمی‌رسد این موضوع منجر به نظریه‌ی تورم بی‌نظم ابدی می‌شود که چند جهان پاکتی را به صورت مداوم و بدون هیچ پایانی تولید می‌کند.

خیلی راحت می‌شود فراموش کرد که هر کدام از این جهان‌های پاکتی جدید به شدت بزرگ‌تر از جهان قابل‌مشاهده‌ی ما است ولی این جهان‌های جدید خیلی عجیب نیستند چون همگی درون همان چهارچوب فضا- زمانی قرار دارند که ما در جهان خود می‌شناسیم- هرچند آنها در فراسوی چیزهایی که می‌توانیم در جهان قابل‌مشاهده‌مان ببینیم جوانه می‌زنند. به علاوه زمانی که این جهان‌های پاکتی متولد می‌شوند، کاملا و به طور همیگشی از باقی جهان‌های دیگر( از جمله جهان ما) جدا می‌شوند. ولی چطور تورم کیهانی را آغاز کنیم؟ به مقدار هر چقدر کوچکی از مواد فیزیکی نیاز داریم. بنابراین این ماده‌ی اولیه از کجا می‌آید؟

ویلکنین می‌گوید که پاسخ این سوال، “تونل‌زنی کوانتومی” است. او به من گفت:« تونل‌زنی کوانتومی می‌تواند جهانی را از هیچ به وجود بیاورد؛ چون چیزهایی که در فیزیک کلاسیک به وسیله‌ی موانع انرژی ممنوع است، در مکانیک کوانتومی می‌تواند توسط تونل‌زنی در موانع انرژی اتفاق بیافتد. بنابراین جهانی با اندازه‌ی صفر- به عبارت دیگر نیستی یا نبود هیچ جهانی- می‌تواند به طور خودبخودی با تونل‌زنی در مانع انرژی و سپس انبساط تورمی به وجود بیاید.» البته وجود “هیچِ” قوانین مکانیک کوانتوم با “هیچ حقیقی” برابری نمی‌کند- ولی این داستان دیگری است( بررسی سطوح هیچ).

 

معمایی مشابه این است که به نظر می‌رسد تورم کیهانی، انرژی را “از هیچ” درست کند که این موضوع قانون پایستگی انرژی را نقض می‌کند( یک ممنوعیت فیزیکی). در حقیقت انرژی خالص جهان صفر است، چون انرژی مثبت تمام موادی که درست شده است با انرژی منفی گرانش در تعادل قرار دارد. گوت به آن “ناهار رایگان غایی” می‌گوید.( واژه‌ی ناهار رایگان به سنتی در زمان‌های قدیم آمریکا اشاره دارد که در سالن‌های غذاخوری به مشتریانی که می‌توانستند یک نوشیدنی بخرند یک ناهار رایگان اهدا می‌شد. ناهار رایگان در اینجا به معنی گرفتن «چیزی از هیچ» است- م.)

چه شواهدی برای نظریات تورم کیهانی، تورم بی‌نظم ابدی و جهان‌های چندگانه وجود دارد؟ حداقل می‌توان گفت در نظر گرفتن این موضوع که تورم کیهانی درون کوچک‌ترین کسری از اولین ثانیه‌ی موجودیت جهان ما آغاز و پایان یافته، یک مقدار چالش‌برانگیز است و طبق تعریف، تورم بی‌نظم کیهانی را نمی‌توان دید چون جهان‌های دیگر( که به طور نامعلومی توسط تورم بی‌نظم کیهانی تولید می‌شود) به طور دائمی از جهان ما جدا می‌شود.

با این حال چند سری از شواهد تائید کننده( به غیر از زیبایی معادلات‌ها)، بسیاری از کیهان‌شناسان را به حدی متقاعد کرده است که تورم کیهانی و تورم بی‌نظم کیهانی اساساً به “مدل استاندارد” کیهان‌شناسی تبدیل شده‌اند؛ چون به نظر می‌رسد تورم کیهانی به طور هم‌زمان چند معمای مجزا از هم در خاستگاه و ساختار جهان را( که شامل مسئله‌ی افقی که قبلا مطرح کردم هم می‌شد) حل کند. به علاوه تورم کیهانی پیش‌بینی‌های جالبی نیز انجام می‌دهد، مخصوصا درباره‌ی تابش زمینه‌ی ریزموج کیهانی( که آثار باقی‌مانده‌ای از بیگ بنگ است)؛ پیش‌بینی‌هایی که توسط داده‌های دقیق فزاینده از ماهواره‌ها تائید و بازتائید شد.

به نظر می‌رسد که تورم بی‌نظم ابدی هم پی‌آمدی اجتناب‌ناپذیر از ریاضیات تورم کیهانی باشد: زمانی که تورم کیهانی آغاز می‌شود توقف‌اش غیرممکن به نظر می‌رسد. هرچند در حالی که نشانه‌هایی شگفت‌انگیز از داده‌هایی تائید کننده وجود داشته است ولی هیچ کدام ( فعلاً؟) متقاعد کننده نبوده‌ است. تورم کیهانی، انقلابی در کیهان‌شناسی به وجود آورد و اگر در نهایت تایید شود( لازمه‌ای مهم)، شاید به عنوان یکی از اکتشافات بنیادی بشریت شناخته شود.

یک سوال بزرگ هستی به سادگی این است: وسعت آن چقدر است؟ منظور از “آن” هر چیزی است که وجود دارد. تمام چیزهایی که وجود دارد. ابعاد فیزیکی هر آن چیزی که هست چیست؟

مکانی برای شروع، اندازه‌ی جهانی است که خود را در آن می‌یابیم. طبق یکی از مدل‌های آلن گوت جهان پاکتی‌ ما احتمال دارد حداقل ۱۰ به توان ۲۳ بار بزرگ‌تر از جهان قابل‌مشاهده‌ی ما باشد( چون برای اینکه نظریه‌ی تورم کار کند نیاز دارد اندازه‌ی جهان، حداقل ۱۰۰ برابر شود. ۲ به توان ۱۰۰ مساوی است با تقریبا ۱۰۳۰). این بدان معنی است که جهان پاکتی که آن را خانه می‌نامیم ۱۰۰ میلیارد تریلیون بار بزرگ‌تر از هر چیزی است که می‌توانیم با بزرگ‌ترین تلسکوپ‌هایمان مشاهده کنیم.

گوت می‌گوید بنابراین وسعت عظیم جهان قابل‌مشاهده‌ی ما چیزی جزء لکه‌ای ناچیز درون جهان پاکتی در حال تورم‌مان نیست و خود این جهان هم یک جهان پاکتی در میان تعداد بی‌شمار یا حتی نامحدودی از جهان‌های پاکتی دیگر است. وقتی برای اولین بار فهمیدم که چطور تورم کیهانی به طرز باشکوهی اندازه‌ی چندجهانی را افزایش داد و کل کیهان به چه طرز غیرقابل‌اظهاری وسیع است بسیار دلسردکننده و ترسناک بود. هنوز می‌توانم شوک وارده را درون خود احساس کنم. این اتفاق در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ افتاد، وقتی داشتم خودم را برای اولین مصاحبه‌ی برنامه‌ام با آندری لینده آماده می‌کردم.

در مطالعه‌ی مقالات لینده در باب تورم بی‌نظم کیهانی(قسمت‌هایی که می‌توانستم درک کنم) دائماً به اعداد بسیار بزرگی بر می‌خوردم که او داشت برای نشان دادن اندازه‌ی جهان استفاده می‌کرد- ولی اغلب هیچ واحد اندازه‌گیری‌ای را برای این اعداد مشاهده نکردم. گیج شده بودم: فکر می‌کردم اندازه همیشه به یکا نیاز دارد. می‌فهمیدم که بسیاری از اعداد بزرگ به اندازه‌ی جهان فعلی ما مربوط بود ولی وسعت جهان فعلی ما چقدر است؟ به خاطر محدودیت سرعت نور و حرکت آن از زمان بیگ بنگ نمی‌توانیم تمام جهان را ببینیم. به واحدهایی برای تمام این اعداد نیاز داشتم تا بتوانم درکی از اندازه‌ی واقعی تصویر چندجهانی لینده(در مدل‌های مختلف) به دست بیاورم.

لینده داشت درباره‌ی سانتی‌متر صحبت می‌کرد یا کیلومتر؟ یا از این باب راجع به نانومتر( ۱۰ به توان ۹-) یا کیلوپارسک( ۳.۲۶۲ سال نوری)؟ به نظر غیرممکن می‌رسید که اندازه‌ی اصلی را تنها با یک عدد بدون واحد توصیف کرد. چرا لینده با استفاده نکردن از واحدها داشت مرا می‌ترساند؟ ناگهان به ذهنم خطور کرد. واحدها اهمیتی ندارند! این خلاف‌شهود به نظر می‌رسد: چطور می‌شود تفاوت بین نانومتر و کیلوپارسک اهمیتی نداشته باشد؟ بدتر از این هم می‌شود. کوچک‌ترین و بزرگ‌ترین اندازه‌های شناخته شده را مقایسه کنید: طول پلانک که حدودا ۱۰ به توان منفی ۳۵ متر است( یک پروتون در حدود ۱۰ میلیون تریلیون بار بزرگ‌تر از طول پلانک است) و قطر جهان قابل‌مشاهده که حدوداً ۱۰ به توان ۲۷ متر است. تفاوت بین این کوچک‌ترین و بزرگ‌ترین واحدهای اندازه‌گیری بالقوه حدوداً ۱۰ به توان ۶۲ مرتبه‌ی بزرگی است- ولی وقتی این واحدها را با اعداد لینده مقایسه می‌کنیم حتی این دامنه‌ی غول‌آسا هم اساساً به صفر کاهش پیدا می‌کند.

این چیزی است که لینده به من گفت:« اگر داریم راجع به ساده‌ترین مدل‌های تورم صحبت می‌کنیم توقع می‌رود اندازه‌ی جهان حداقل چند مرتبه‌ی بزرگی بزرگ‌تر از چیزی که الان می‌بینیم باشد ولی به راحتی نمی‌توان توضیح داد که چرا تنها چند مرتبه‌ی بزرگی بزرگ‌تر از چیزی که الان می‌بینیم است. در گذشته از برآورد ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۱۲ استفاده می‌کردم ولی اگر این یک جهان خودتولیدمثل‌کننده و در حال انبساط ابدی است پس به احتمال زیاد نامحدود است.» ( لینده اظهار داشت که « هر نوع برآوردی بسیار خام بوده و به مدل‌ها بستگی دارد.»)

بیایید عدد محدود ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۱۲ لینده را در نظر بگیریم. چون ۱۰ به توان ۱۲ مساوی با ۱۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ یا ۱ تریلیون است، عدد ما به این صورت خواهد بود: ۱۰۱۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰. این عدد یعنی یک تریلیون مرتبه‌ی بزرگی؛ یک تریلیون به صورت متوالی(consecutive) ضربدر ۱۰ شود. در مقایسه حتی فاصله‌ی وسیع بین طول پلانک و قطر جهان قابل‌مشاهده( ۶۲ مرتبه‌ی بزرگی) بی‌معنا می‌شود! این تفاوت بین ۶۲ و ۱ تریلیون نیست( که حتی خود آن هم مشخصاً بسیار بزرگ است). این تفاوت بین ۶۲ و ۱ تریلیون مرتبه‌ی بزرگی است. تفاوت بین ۶۲ بار ضرب آن در ۱۰ و ۱ تریلیون بار ضرب آن در ۱۰ است. یعنی این تفاوت بین ضرب دنباله‌ای ۱۰ از ۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۳۸ است. به همین خاطر است که عدد لینده برای وسعت یک جهان در حال انبساط بی‌نظم ابدی به هیچ واحد اندازه‌گیری‌ای نیاز ندارد. یکاها هیچ چیزی به معنایش اضافه نمی‌کند. وسعت کیهان بسیار عظیم است.

انواع چندجهانی‌

اکثر دانشمندان از تورم کیهانی پشتیبانی می‌کنند چون می‌تواند خاستگاه و ساختار کیهان ما را حساب کرده و چندین مسئله‌ی عمیق را توضیح دهد. “سر مارتین ریس” اخترشناس سلطنتی بریتانیا چندجهانی را “علم نظرپردازانه و کمی دور از متافیزیک” می‌نامند. او می‌گوید اطمینان دارد که واقعیت فیزیکی بسیار بیشتری نسبت به قلمروی عظیمی که از طریق تلسکوپ‌هایمان می‌بینیم وجود دارد و می‌گوید:« اگر جهان هزاران برابر چیزی که ما می‌توانیم ببینیم نباشد» بسیار متعجب خواهد شد. ولی سوالات بی‌پاسخی وجود دارد و ریس دو تا از مهم‌ترین آنها را در میان می‌گذارد:« اول اینکه آیا بیگ بنگ تنها یکی بوده است؟ و دوم اینکه اگر بیگ بنگ‌های متعددی وجود دارد، آیا همگی از یک سری قوانین فیزیک یکسان تبعیت می‌کند؟»

 

ریس می‌گوید:« گزینه‌ی شگفت‌انگیز این است که قوانین فیزیکی متفاوتی بر جهان‌های دیگر حاکم باشد. شاید فضا متفاوت باشد. شاید گرانش متفاوت باشد. شاید اتم‌ها متفاوت باشد. این بدان معنی است که واقعیت از تمام جهان‌هایی تشکیل می‌شود که قوانین متفاوتی بر آنها حاکم است و تنها زیرمجموعه‌ی بسیار کوچکی از آنها قوانینی دارد که اجازه‌ی رشد پیچیدگی را می‌دهد. اکثر جهان‌ها عقیم و نازا خواهد بود چون برای مثال گرانش آن‌قدر شدید خواهد بود که نخواهد گذاشت ساختارهای پیچیده یا اتم‌ها پایدار بماند.»

ریس می‌گوید قطعا اگر بیگ بنگ‌های متعددی قوانین فیزیکی متعدد عظیمی را تولید کند آن‌وقت تنها داستان‌های علمی‌-تخیلی می‌تواند تمام اتفاقاتی که احتمال دارد بیافتد را توصیف کند. ویلکنین هم اشاره می‌کند:« این حباب‌های تورمی یا جهان‌های پاکتی با سرعت‌هایی نزدیک به نور منبسط می‌شود، بنابراین احتمالا نمی‌توانیم به جهان‌های دیگر سفر کنیم. برای اهداف عملی، هر کدام از این جهان‌‌حباب‌های تورمی واحدی مجزا و خودکفا است و می‌تواند به طور کلی مشخصات فیزیکی متفاوتی داشته باشد.»

ساسکیند می‌گوید:« چیزی که نظریه‌ی ریسمان در میان می‌گذارد چیزی در حدود تعداد احتمالات است ولی اعدادش بسیار بسیار بزرگ‌تر از تعداد اتم‌های جهان است- عدد ۱۰ به توان ۵۰۰ چیزی است که از اینور آنور شنیده می‌شود. این بدان معنی نیست که ۱۰ به توان ۵۰۰ جهان پاکتی متفاوت وجود دارد بلکه ۱۰ به توان ۵۰۰ نوع متفاوت از آنها در یک “چشم‌انداز” نظریه‌ی ریسمان است و هر کدام بارها و بارها تکرار می‌شود. بنابراین از یک طرف، نظریه‌ی ریسمان به شما قیاس تعداد متفاوت روش‌های بازآرایی یک مولکول دی‌ان‌ای را می‌دهد. از طرف دیگر چیزی که نظریه‌ی تورم کیهانی به شما می‌دهد این است که چطور این جهان‌های متفاوت را به وجود می‌آورید.»

ویلکنین می‌گوید:« به همین خاطر است که یک چندجهانی از حباب‌ها یا جهان‌های پاکتی بی‌شمار، می‌تواند تعداد بسیار متنوعی از مشخصات فیزیکی را داشته باشد. مشخصه‌ای از تورم این است که چشم‌انداز کامل این احتمالات یا “خلاء‌ها” را بررسی می‌کند چون مکانیک کوانتوم اجازه‌ی تونل‌زنی از درون موانع انرژی را به کمینه‌های دیگر می‌دهد. به علاوه مکانیک کوانتوم به ما می‌گوید که آیا یک گذار بین دو کمینه توسط یک قانون کاملاً ممنوع است یا نه، سپس به طور اجتناب‌ناپذیری باید رخ دهد. این بدان معنی است که تمام گذارهای امکان‌پذیر بین تمام حالت‌های امکان‌پذیر باید اتفاق بیافتد.»

تصویری بسیار شگفت‌انگیز است. نظریه‌ی ریسمان چشم‌انداز تمام قوانین مجاز فیزیک و تورم کیهانی ساز و کار مورد نیاز برای تولید جهان‌های واقعی و اشغال کردن آن چشم‌انداز را فراهم می‌کند. این بدان معنی است که برای هر جهان پاکتی، نظریه‌ی ریسمان مجموعه‌ی بخصوصی از قوانین فیزیک را فراهم می‌کند. کوچک‌ترین ساختارها بزرگ‌ترین ساختارها را تعیین می‌کند.

 

سطوح چندجهانی

مکس تگمارک، کیهان‌شناس دانشگاه MIT، پا را فراتر گذاشته و چهار نوع چندجهانی‌که احتمال دارد وجود داشته باشد را متصور می‌شود و به آن « سطوح» می‌گوید:

• سطح ۱: فضای جهان ما به فراسوی چیزی که می‌توانیم ببینیم می‌رود و شاید برای همیشه ادامه داشته باشد که این یعنی نواحی نامحدود متعدد دیگری در جهان پاکتی ما وجود دارد، نواحی‌ای مثل جهان قابل مشاهده‌ی ما که در آنها قوانین فیزیک یکسان است.

• سطح ۲: نواحی نامحدود متعدد دیگری در فضا- زمان یکسان مثل جهان ما وجود دارد ولی به طور دائمی از جهان پاکتی ما جدا شده‌ و هر کدام قوانین فیزیکی خاص خود را دارد، این سطح توسط تورم بی‌نظم ابدی لینده و به صورت بالقوه چشم‌انداز نظریه‌ی ریسمان توصیف می‌شود.

• سطح ۳: نوعی از فضا وجود دارد که با فضا- زمان جهان ما متفاوت است( که فضای هیلبرتی نام دارد و بی‌نهایت بعد داشته و انتزاعی است) که در آن قوانین مکانیک کوانتوم از طریق انشعاب‌های بی‌شمار جهان‌های متعددی را تولید می‌کند. (این براساس جدی‌گرفتن تابع موج کوانتوم به دست می‌آید که دامنه‌ی احتمال حالت کوانتومی سامانه است.) جهان با هر تیک تاک زمان، به واقعیت‌های کاملاً جداگانه و متفاوتی انشعاب پیدا می‌کند، چه در هر زمان پلانک که ۱۰ به توان منفی ۴۳ است( زمانی که طول می‌کشد فوتونی که با سرعت نور حرکت می‌کند یک طول پلانک را بپیماید ۱۰ به توان منفی ۳۵ متر باشد) یا در هر لحظه از زمان که یک مشاهده انجام می‌شود. این جهان‌های کاملاً مجزا برحسب نوع فضای ما خیلی هم دور نیستند( به نوعی آنها همین‌جا هستند) ولی به طور وسیعی به این فضاهای(‌ هیلبرت) متفاوت انشعاب می‌یابند. این سطح تفسیر « دنیاهای چندگانه» از مکانیک کوانتومی است که توسط فیزیکدان تقریباً ناشناخته‌ی آن زمان، هیو اورت در سال ۱۹۵۷ طراحی شد و حالا از داشتن اعتبارپذیری جدید لذت می‌برد.)

• سطح ۴: تگمارک ادعایی شگفت‌انگیز می‌کند و می‌گوید سامانه‌ی ریاضیاتی سازگار، نوعی دنیا یا جهان موجود را توصیف می‌کند. او به من گفت:« به نظر عجیب است که اگر نوعی عدم‌تقارن بنیادی درون ریاضیات وجود داشته باشد، به طوری که بعضی از معادلات حق توصیف یک جهان فیزیکی را داشته و باقی آنها نداشته باشند. حدسم این است که تمام ساختارهای ریاضیاتی که ریاضیدانان بتوانند آن را مطالعه کنند هم همین حق را داشته و نوعی جهان فیزیکی را توصیف می‌کند. فکر می‌کنم دلیلی که طبیعت این‌قدر به خوبی توسط ریاضیات توصیف می‌شود این است که از لحاظی بسیار عمیق، طبیعت واقعاً همان ریاضیات است.»

تمام این جهان‌ها بالاتر از حد تصور و تخیلات ما، بزرگ و وسیع است ولی آیا واقعاً آنها به معنای واقعی کلمه نامحدود بوده و هیچ پایان و مرزی ندارد؟ همان‌طور که لینده اخیراً به من گفت:« زیرکانه است. فرض کن یک حباب از یک خلاء جدید در یک فضای دائماً منبسط شونده درست شده است- تصوری معیار( استاندارد) در تورم بی‌نظم ابدی و چشم‌انداز نظریه‌ی ریسمان( سطح ۲). سپس، از بیرون، هر کدام از این نوع حباب‌ها مثل حباب محدودی است که به صورت نامحدود در زمان رشد می‌کند. ولی از درون شبیه یک جهان باز نامحدود است. البته منظورمان از “شبیه” این است که کسی دارد نگاه می‌کند ولی هیچ‌کس نمی‌تواند یک جهان نامحدود را مشاهده کند.»

 

سطح ۱ تگمارک تقریبا توسط کل کیهان‌شناسان مورد قبول واقع شده است( یعنی فضا در جهان ما به فراسوی چیزی می‌رسد که می‌توانیم با بهترین تلسکوپ‌هایمان مشاهده کنیم)؛ سطح دومش‌اش به “مدل استانداردی” از کیهان‌شناسی تبدیل شده است(‌ یعنی تورم کیهانی گوت منجر به تورم بی‌نظم ابدی می‌شود و دائما و به صورت ابدی جهان‌های پاکتی گسسته‌ای را تولید می‌کند)؛ سطح سوم‌اش نظری و بحث‌برانگیز است(یعنی انشعاب کوانتومی)؛ و سطح چهارم‌اش فردویژه(idiosyncratic) است ولی به دنبال حقایق عمیق هستی می‌گردد( یعنی واقعیت، ریاضیاتی است).

تمام اینها نشان می‌دهد دانش ما از کیهان چقدر وسیع و سریع توسعه پیدا کرده است: تولید جهان‌های چندگانه با تورم ابدی، نظریه‌ای که در چهار دهه‌ی اخیر طراحی و بسط یافته حالا به مدل استاندارد کیهان‌شناسی تبدیل شده است. از استیون واینبرگ بنیان‌گذار مدل استاندارد فیزیک ذرات درباره‌ی انواع دیگر جهان‌های چندگانه پرسیدم. او گفت:« یک احتمال دیگر وجود دارد که تصورش نسبتاً آسان است. بیگ بنگ یک قسمت است و شاید بعد از آن یک سری بنگ‌های دیگر وجود داشته باشد( یا قبل از آن وجود داشته است) و جهان‌مان گذاری به گونه‌ی متفاوتی از جهان در حال انبساط انجام خواهد داد و ما تنها در یک عصر بخصوص زندگی می‌کنیم.

واینبرگ ادامه داد:« هنوز احتمالات دیگری هم وجود دارند که پیچیده‌تر هستند. مکانیک کوانتوم می‌تواند در کل این ساختار به کار برده شود. چون کوانتوم‌های بنیادی در مکانیک کوانتوم ذره‌ی منفرد یا توپ بیلیارد نیست اما چیزی است که “تابع موج” نامیده می‌شود که تمام احتمالات را توصیف می‌کند و شاید اینطور باشد که جهان، جهان کامل، کل جهان، نوعی برهم‌نهی مکانیک کوانتومی از احتمالات متفاوت باشد.»( این سطح سوم تگمارک است.)

واینبرگ اضافه کرد:« سپس احتمالات عجیب‌تری وجود دارد. فیلسوف رابرت نوژیک، “اصل بارآوری(principle of fecundity)” را معرفی کرد که طبق آن هر چیز تصور‌پذیر( قابل‌تصور) در جایی وجود دارد، نه در فضا- زمان یکسان با ما بلکه در مکانی کاملاً جداگانه.» واینبرگ اشاره کرد که اصل بارآوری این سوال را که چرا چیزها همان‌طوری هستند که هستند( یا به عبارت دیگر چرا “اینطور” به جای “آنطور”) را تحلیل برده یا بی‌اهمیت می‌سازد چون هر چیزی که امکان‌پذیر باشد باید وجود داشته باشد و حتماً ( جایی) وجود دارد. فیلسوف، دیوید لوئیس، نظریه‌ی مشابهی به نام “واقع‌گرایی موجهاتی(modal realism)” را مطرح کرده که در آن تمام جهان‌های امکان‌پذیر وجود دارد و به طرز خارق‌العاده‌‌ای دنیاهایی واقعی هستند.)

ولی آیا نباید هنوز برای به دست آوردن چنین عظمت و تنوعی در سطوح عمیق، یک نوع “قوانین ایجاد‌کننده‌ی جهان” بنیادی و پایه‌ای وجود داشته باشد تا تمام این چندجهانی‌ها را درست کند که هر کدام قوانین متفاوت مخصوص به خودشان را دارد؟ واقعیت بنیادی در کجا نهفته است؟

نویسنده:“رابرت لاورنس کوهن“

“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”

منبع: space.com

 

موضوع مقاله:

انرژی هسته ای

خلاصه ای از مقاله:

انرژي يکي از مهمترين نياز هاي جامعه امروزي است ، از آنجايي که استحصال انرژي از منابع سوخت فسيلي براي بشر و محيط زيست او ، به دليل ايجاد گازهاي گلخانه اي ،  زيان هاي جبران ناپذيري را به همراه دارد ، اين روزها جامعه بشري به دنبال جايگزين هاي نويني از انرژي است . از مناسب ترين آنها   مي توان به انرژي هسته اي نهفته در هسته اتم ها اشاره کرد ،که اين انرژي بيش از 5 دهه است که مورد بهره برداري قرار دارد .

استفاده از نیروی هسته‌ای از 50 سال پیش آغاز شد و اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تأمین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد. حدود دو سوم از جمعیت جهان در کشورهایی زندگی می‌کنند که نیروگاههای هسته‌ای آنها در زمینه تولید برق و زیر ساختهای صنعتی نقش مکمل را ایفا می‌کنند.

لینک دانلود:

enerzhi-hastei[www.Adenia.ir]

 

“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”

موضوع:

نیروگاه هسته ای

فهرست مطالب مقاله:

نیروگاه های اتمی

نحوه آزاد شدن انرژی هسته ای

کاربرد حرارتی انرژی هسته ای

تبدیل اورانیوم

غنی سازی اورانیوم

راکتورهای هسته ای

نیروگاه هسته ای

انرژی بستگی هسته ای

کاربرد انرژی هسته ای در تولید برق

فرآیند عملیاتی نیروگاه اتمی بوشهر

وظیفه سیستم های ایمنی در هنگام بروز احتمالی حادثه

 

لینک دانلود مقاله:

nirogah(www.Adenia.ir)

 

“کاری از بخش انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”