در این نوشتار سعی بر آن است که مروری بر تعبیر کلاسیک و رسمی مکانیک کوانتومی شده، به برخی مشکلات آن به صورت گذرا اشاره گردد. این تعبیر که امروزه از آن به تعبیر ارتدوکس یاد می شود با آن که دست آوردهای بسیاری داشته اما دارای کمبودهایی که در نوشتارهای رسمی آموزشی مکتر به آنها اشاره می شود. در واقع این نوشتار مجالی می دهد تا درباره ی یکی از مهمترین دست آوردهای بشری کمی با دیده ی تردید بنگریم.

quantum

در مکانیک کوانتومی، سیستم های فیزیکی با موجودی ریاضی یعنی بردار حالت توصیف می شوند. این بردار حالت جای گزینی برای سرعت و مکانن در فیزیک کلاسیک است. این موضوع هم از نظر ریاضی و هم از نظر مفاهیم فیزیکی تغییری ژرف ایجاد می کند. مهمترین مشکلی که در فهم مکانیک کوانتومی با آن روبرو می شویم جای گاه واقعی تابع موج در نظریه است. این که آیا بردار حالت واقعیت فیزیکی را توصیف می کند یا فقط بخشی از اطلاعاتی را که ممکن است درباره ی چنین واقعیتی داشته باشیم؟

توصیف کاملی برای مجموعه ای از سیستم ها (توصیف آماری) است یا توصیفی برای یک سیستم (تک رویداد) ؟ اگر فرض کنیم که تابع موج به دلیل اطلاعات کم ما درباره ی سیستم مورد نظر تغییر می کند، آیا نباید دست کم از نظر اصولی انتظار داشته باشیم توصیفی بهتر وجود داشته باشد؟ و این توصیف در صورت وجود چه خواهد بود؟

ویژگی دیگر تابع حالت این است که برای سیستم های گسترده در فضا، توصیفی که از خصوصیات فیزیکی سیستم میدهد، توصیفی هم بسته است که به نظر می رسد مفهوم فضا را در بر نمیگیرد.

url

پس از آن ککه پلانک با معرفی ثابتش باعث تولد مکانیک کوانتومی شد، اینشتین و بور توانستند فرآیندهایی را با استفاده از کوانتش انرژی توجیه کنند. هایزنبرگ مکانیک ماتریسی خود را به جهان معرفی کرد. در این ساخته ی فکری مجرد، به جای کمیت های فیزیکی، مفهوم “مشاهده پذیرها” را داریم. ماتریس هایی ریاضی که بدون یاری گرفتن از شهود; با کمک انگاشت ها تعریف می شوند.

دوبروی اندیشه ی نسبت دادن موج به ذره ی مادی را بیان کرد و شرودینگر معادله موج را یافت. از این نظریه به گرمی استقبال شد، زیرا مفاهیم مکانیک جدید را بسیار ساده می کرد. شرودینگر، هایزنبرگ و دیراک نشانن دادند پیش بینی های مکانیک ماتریسی را می توان از ملاحظاتی شهودی تر درباره ی جواب معادله ی شرودینگر یعنی “تابع موج” تازه وارد، بازیافت.

universe

به سرعت مشخص شد که در این نظریه ی نوسانی مشکلاتی جدی وجود دارد. مثلا در برخورد دو ذره، موج شرودینگر مربوط به این روی داد، درست مانند اختلالی که از پرتاب سنگ در سطح آب پدید می آید،در همه ی جهات گسترش می یابد ولی در همه ی آزمایش های برخورد ذرات دیده می شود که ذرات در مسیرهایی خوش تعریف و جای گزیده و همواره در جهتی مشخص حرکت می کنند. مشکل مهم دیگر، در بررسی های سیستم های چند ذره ای پدیدار می شود. از آن جا که معادله ی موج در فضای پیکربندی انتشار می یابد; برای یک سیستم N ذره ای، با یک فضای 3N بعدی روبرو می شویم. پس واضح است که این موج جدید، هیچ شباهتی با امواج کلاسیک که در فضای معمولی منتشر می شوند، ندارد.

توصیف ذرات به صورت کاملا نوسانی، اکنون در مکانیک کوانتومی نوین کنار گذاشته شده است. بور، هایزنبرگ، بورن، دیراک، یوردان و دیگران نقشی مهم در ظهور فرمول بندی جدیدی برای مکانیک کوانتومی داشتند که در آن مفاهیم احتمالات و نوسان در یک ساختار منطقی پیچیده قرار داده شده است. در این تعبیر کلاسیک کپنهاگ از مکانیک کوانتومی، هم تحول قطعیت پذیر تابع موج بردار حالت بر اساس معادله شرودینگر وجود دارد و هم انگاشتی برای تحول تابع موج که رمبش تابع موج نامیده می شود. معادله شرودینگر به خودی خود نتایج تجربی را مشخص نمی کند ولی همه ی نتایج بالقوه را با ساختاری منسجم سازمان می دهد. نقش انگاشت کاهش تابع موج حتمی کردن به دست آوردن یک نتیجه است. در این دیدگاه، انگاشت ها و معادله ها، جداگانه و به گونه ای استفاده می شوند که یکی تحول “طبیعی” سیستم را توضیح می دهد و دیگری انجام اندازه گیری روی سیستم را. پس با این دو نوع تحول، عجیب نیست که جای گاه بردار حالت در نظریه ی ارتدوکس کوانتومی بدیهی نبوده و هیچ معادلی در فیزیک کلاسیک برایش یافت  نمی شود.

physics

دیدگاهی افراطی و شایع وجود دارد که مردم می پذیرند تابع موج، خواص فیزیکی سیستم را شرح نمی دهد بلکه اطلاعات سیستم را توصیف می کند. یعنی جایگاه تابع موج، جایگاهی نسبی یا هم بافته و همانند با توزیع احتمال کلاسیک در نظریه ی عادی احتمالات است. در نگاه اول با این دیدگاه، همه ی مشکلات بنیادی مکانیک کوانتومی به سادگی حل می شوند. تغییر اطلاعات در احتمال کلاسیک به سادگی جهشی در توزیع احتمالی وابسته به سیستم ایجاد می کند. شاید بتوان رمبش تابع موج را این گونه توضیح داد.

یک مشکل این دیدگاه نسبی بودن تابع موج است. در نظریه ی احتمالات، توزیع های احتمال “وابسته به مشاهده گر” مشکلی پدید نمی آورند، اما در مکانیک کوانتومی استاندارد این دیدگاه پذیرفتنی نیست; مکانیک کوانتومی چنین ویژگی را برای تابع موج در نظر نمی گیرد. علاوه بر این جهش ناگهانی در نظریه ی احتمال به دلیل امکان توصیف دقیق تر سیستم است که این نیز در مکانیک کوانتومی ارتدوکس امکان پذیر نمی باشد.

پس همواره باید به یاد داشته باشیم که در تعبیر سنتی مکانیک کوانتومی، تابع موج توصیف نهایی فیزیکی سیستم بوده و همه ی خواص فیزیکی آن را به دست می دهد. این توصیف نه به هم بافته است و نه  وابسته به مشاهده گر. گرچه پیش بینی های تابع موج در مورد نتایج اندازه گیری های آینده روی سیستم احتمالاتی است، تابع موج ذاتا با توضیح کلاسیک و معمولی احتمال ها، فرق دارد.

برای فهمیدن این که تا چه حد می توان تابع موج را توصیف کننده ی سیستم (تعبیر واقعی انگار) و تا چه حد، به معنایی دقیق تر از معنای تابع توزیع کلاسیک، حاوی اطلاغات دست یافتنی درباره ی سیستم (تعبیر پوزیتیویستی) در نظر گرفت. بردار حالت، خاصیت سیستم فیزیکی نیست، بلکه نماینده ی روش تجربی است که در آماده کردن یا آزمایش یک یا چند سیستم فیزیکی به کار رفته است. البته باید این نکته را نیز در نظر گرفت که نظریه ی کوانتومی با این فرض که اندازه گیری، فرآیندی است که با آن خاصیت ناشناخته و از پیش موجودی را کشف می کنیم ناسازگار است. پس تابع موج نمایش قطعی از روش آماده سازی سیستم و نه خود سیستم فیزیکی است. چون این روش می تواند شامل اطلاعاتی درباره ی خود سیستم هم باشد، وضعیتی بینابینی داریم.

url

پس جای گاه تابع موج در تعبیر ارتدوکس مخلوط ظریفی از مفاهیمی درباره ی واقعیت و دانش ما از واقعیت است که اگر متضاد نباشند، با هم فرق دارند.

مشخخص است که در بیش تر موارد تابع موج با معادله شرودینگر به آرامی و پیوسته و کاملا پیش بینی پذیر متحول شده و گاهی که اندازه گیری روی می دهد، طبق انگاشت رمبش تابع موج، تغییراتی غیر قابل پیش بینی روی می دهد. بدیهی است که در فیزیک دو انگاشت برای تحول یک شی ریاضی غیر معمول و سر چشمه ی مشکلات است. از میان همه ی بر هم کنش های سیستم فیزیکی کدام ها را باید تحولی عادی بگیریم و کدام ها را اندازه گیری؟ آیا می توان پذیرفت که در فیزیک نوین، “مشاهده گر” چنان نقشی را داشته باشد که شالوده ی نظریه انسان مدار شود؟ آیا باید به دلیل مشاهده نشدن سیستم های تنها، آن ها را غیر علمی بدانیم؟

مهمترین مشکلات مکانیک کوانتومی از زبان استپ بیان شده اند که ابهام در تعبیر نظریه ی کوانتومی به دلایل زیر است:

  1. به مفاهیم بی اعتبار کلاسیکی نقشی بنیادی می دهیم.
  2. فرآیند اندازه گیری در ساختار نظریه توصیف نمی شود.
  3. مرزی مشخص بین ذهن و شی نیست.
  4. برای تعریف سیستم مشاهده شده باید فرض کنیم سیستم تنها است ولی برای مشاهده ی آن باید سیستم برهمکنش داشته باشد.

زنجیره ی نامتناهی فون نیومن

می دانیم خطی بودن معادله ی شرودینگر منجر به تقسیم تابع موج یک سیستم اسپین 2/1 در دستگاه اشترن-گرلاخ به دو تابع موج گوناگون می شود. هر یک از این دو تابع موج نیز خود می توانند با دستگاه و محیط برهمکنش کنند. خطی بودن معادله ی شرودینگر به سرعت به بردار حالتی منجر می شود که برهم نهش خطی حالت هایی شامل تعداد ماکروسکوپی ذرات و محیط آن می باشد. اگر معادله ی شرودینگر را همواره معتبر بدانیم، هیچ چیزی وجود ندارد که این “تصاعد نامتناهی فون نیومن” را بشکند. تصاعدی میکروسکوپی به سرعت وارد دنیای ماکروسکوپی شده و حتی مشاهده گر را نیز شامل می شود. همان چیزی که باعث ایجاد پارادوکس گربه ی شرودینگر می گردد.

predict quantum jumps schrodingers cat x

از آن جا که هیچ کس دو نتیجه ی متضاد را هم زمان از یک آزمایش مشاهده نکرده است؛ برای یک نظریه ی خوش تعریف این تصاعد باید جایی شکسته شود. اما کی و چگونه؟ ویگنر ادعا می کند که ذهن آزمایش گر باعث این شکست در تصاعد می شود. اما باز باید دید که ذهن انسان چیست و رمبش تابع موج به چه مقدار آگاهی و شعور احتیاج دارد؟

خلاصه این که ریشه ی اصلی مشکلاتی که با مکانیک کوانتومی داریم این پرسش است که “فرآیندی که طبیعت را وادار می کند تصاعد را بشکند و از میان همه ی حالت های ممکن برای آزمایش دقیقا یکی را برگزیند چیست؟” می توان این واقعیت را که چنین بر هم نهش هایی را نمی توان در دامنه ی معادله ی خطی شرودینگر در هیچ مرحله ای کاهش داد، مشکل اساسی مکانیک کوانتومی قلمداد کرد.

یک چیز است: “مشکل پاسخ این سوال است که چرا رویدادها رخ می دهند؟”

منبع:

نشریه ی علمی تخصصی مهبانگ

“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”

پلاسمای غباری یکی از اجزای همه جا حاضر جهان

فیزیک پلاسمای غباری موضوعی است که اهمیت آن رو به افزایش است و علاقه مندی به آن طی چند سال اخیر بیشتر و بیشتر شده است. این موضوع بر روی بخش های مختلف فیزیک نظیر اختر فیزیک جدید، تکنولوژی نیم رساناها، وسایل گداخت، شیمی پلاسما، فیزیک کریستال، بیوفیزیک و … تاثیر بسزایی داشته است.

بنابراین امروزه شناخت پلاسما موضوع حائز  اهمیتی است که می تواند افق های علمی جدیدی را پیش روی ما قرار دهد.

خورشید یک کُرهٔ کامل است که از پلاسمای داغ ساخته شده‌است و در میانهٔ آن میدان مغناطیسی برقرار است.
خورشید یک کُرهٔ کامل است که از پلاسمای داغ ساخته شده‌است و در میانهٔ آن میدان مغناطیسی برقرار است.

پیش زمینه تاریخی

حدود 80 سال پیش تانکس و لانگمیر (1929) اولین کسانی بودند که اصطلاح پلاسما را ابداع کردند تا ناحیه ی درونی (دور از مرزها) یک گاز یونیزه شده ی برافروخته، که به وسیله ی تخلیه ی الکتریکی در یک لوله تولید شده بود، را توصیف کنند. اصطلاح پلاسما نشان داد که یک گاز خنثای  ماکروسکوپیکی شامل تعداد زیادی فعل و انفعالات بین ذرات باردار (الکترون ها و یون ها) و خنثی است.

همانطور که می دانیم 99% ماده در جهان ما (که غبار یکی از اجزای همه جا حاضر آن است) در فرم یک پلاسما است; بنابراین در بیشتر موارد با یک پلاسما با  ذرات غباری مواجه هستیم. اندازه ی این ذرات ممکن است به بزرگی یک میکرون باشد. این ذرات خنثی نیستند، اما مثبت یا منفی بودن بارشان به محیط اطراف پلاسما بستگی دارد.

یک ترکیب از غبار باردار یا میکرو ذرات، الکترون ها، یون ها و ذرات خنثی ها شکل هایی از یک پلاسمای غباری هستند.

تاریخچه ی پلاسمای غباری به سال 1997 بر می گردد. مشاهدات پیشینینان ما نشان می دهد که یک ستاره ی دنباله دار روشن می تواند یک آزمایشگاه کیهانی مناسب برای مطالعه ی فعل و انفعالات پلاسمای غباری و نتایج دینامیکی و فیزیکی آن ها باشد. نمونه هایی از پلاسماهای غباری سنگین که توسط پیشینینان ما مشاهده شده است عبارت است از: نور منطقه البروج، سحابی جبار و … .

در گذشته مشاهده ی پلاسماهای غباری در آزمایشگاه های زمینی نیز قابل دسترس بوده است، به عنوان مثال یک شعله ی معمولی نیز به عنوان یک پلاسما در نظر گرفته می شود. هنگامی که نور زرد به وسیله نوعی شعله ی هیدروکربنی (به نام شمع) منتشر می شود، باعث سفید شدن  ذرات کوپکی می شود که به خوبی تا دمای بالای 1000 درجه سلسیوس گرم شده اند، گسیل گرما یونی حاصل از الکترون ها درجه ی یونش شعله را چندین مرتبه بالا می برد که توسط معادله ی ساها در آن دما داده می شود.

این شگفت آور است که پیشینینان ما آتش را به عنوان چهارمین حالت ماده می دانستند، در حالی که این طرح از پلاسما را فقط حدود 80 سال پیش بدست آورده ایم.

پلاسماهای غباری در آزمایشگاه ها برای مطالعه ی پایه ی فرآیندهای جامع، پلاسمای کریستال و مواردی مشابه این به وجود می آیند.

مثال های زیادی از پلاسماهای غباری سنگین در محیط های زمینی وجود دارد مانند اگزوزهای موشک و شاتل فضایی و شهاب های گرما هسته ای. فرآیندهای پلاسما در ساخت وسایل نیز، مانند میکرو تراشه ها در کامپیوترها، مورد استفاده قرار می گیرند.

6a00d8341bf67c53ef0147e0d871ad970b-800wi

مشخصه های پلاسماهای غباری

یک پلاسمای غباری به طور ساده به عنوان یک پلاسمای الکترون-یونی معمولی با یک مولفه ی باردار اضافی که اندازه ی ذرات آن میکرون (یا زیر میکرون) است، تعریف می شود. این مولفه ی اضافی باعث پیچیده تر شدن سیستم می شود; به همین دلیل از پلاسمای غباری به عنوان پلاسمای پیچیده یاد می شود.

دانه های غباری خیلی بزرگ هستند (بیلیون ها مرتبه بزرگ تر از پروتون ها) و رنج اندازه ی آنها در حدود نانومتر تا میلی متر است. دانه های غباری ممکن است فلزی و رسانا باشند و یا از ذرات یخ ساخته شده باشند. در هر صورت می توان آن ها را وقتی که از دور دیده می شوند به عنوان یک بار نقطه ای در نظر گرفت.

یک پلاسما با دانه های غباری می تواند اصطلاح های “غبار در یک پلاسما” یا “یک پلاسمای غباری” را بپذیرد، که این نام گذاری بر اساس ویژگی های زیر است:

شعاع دانه ی غباری (R)

میانگین فاصله ی دانه ی درونی (a)

طول دبای پلاسما (λ)

دیمانسیون پلاسمای غباری

اصطلاح “ذرات در یک پلاسما” در موقعیتی به کار می رود که λ > a > R باشد. یعنی ذرات غباری باردار در رفتار جمعی شرکت می کنند.

زمانی که ما یک پلاسما با دانه های غباری ایزوله را فرض می کنیم (a > λ) بایستی پلاسمای موضعی غیزهمگن را در نظر بگیریم، و وقتی که موقعیت مخالف آن یعنی (a < λ) را در نظر می گیریم، ما بایستی با دانه های غبار به عنوان ذرات باردار زیادی شبیه به تکثیر کردن یون ها با بار منفی و مثبت رفتار کنیم. در هر صورت در مطالعه ی رفتار جمعی پلاسماهای غباری، بایستی فرآیندهای باردار کردن ذرات غباری را نیز در نظر بگیریم.

فعل و انفعالات بین دانه ای غباری به وسیله ی زمینه ای از یون ها و الکترون ها محافظت شده است. حضور دانه ی غباری باردار فقط با امواج موجود با فرکانس پایین تغییر نمی کند، اما علاوه بر آن نوع جدیدی از امواج وابسته ی غباری با فرکانس پایین را تولید می کند و با بی ثباتی همراه می شود.

می توان برای درک درست و دقیق ویژگی های یک پلاسمای غباری بعضی از ویژگی های پایه مانند خنثایی میکروسکوپی، حفاظ دبای، مشخصه های فرکانسی، پارامتر جفت گیری کولنی و … را دوباره مورد بررسی قرار داد.

پلاسمای غباری در فضا

پلاسماهای غباری در همه جای فضا حضور دارند. سیستم های شناخته شده ای مانند ابرهای واقع در اطراف و میان ستارگان و منظومه ی شمسی در فضا وجود دارند که حضور ذرات غباری باردار در آنها برای مدت طولانی است که به خوبی ثابت شده است. فضای بین ستارگان با گستره ی وسیعی از غبار و گاز پر شده است.

محتویات گاز فضای بین ستارگان که برای پیدایش ستارگان جدید در طی واپاشی ابرهای ابر ذره ای شکل می گیرند، دائما با زمان کاهش می یابد.  در پس این واپاشی و خرد شدن ابرهای، ابر ذره ای خوشه های ستاره ای شکل می گیرند.

دانه های غباری در فضای بین ستارگان یا ابرهای اطراف فضای ستارگان دی الکتریک (یخ و سیلیکات ها و …) و فلزات (گرافیت و مغناطیس و …) هستند.

ویژگی های فیزیکی (مانند اندازه، جرم، پگالی، بار و …) دانه های غباری به شدت به مبدا تشکیل آن ها و محیط اطرافشان بستگی دارد.

پلاسمای غباری در آزمایشگاه

ادبیات وسیع روی غبار در فضا و اختر فیزیک پلاسما نقطه ی آغازین مهیبی برای درک پلاسماهای غباری آزمایشگاهی است. دو جنبه ی مشخص در پلاسماهای غباری آزمایشگاهی وجود دارد که آن ها را به طور قابل توجهی از پلاسماهای غباری و اخترفیزیکی متفاوت می سازد;

اول: تخلیه ی الکتریکی

دوم: گردش خارجی که پلاسمای غباری را محفوظ نگه می دارد و شرایط مرزی وابسته به فضا و زمان را روی تخلیه ی الکتریکی غباری با اهمیت نشان می دهد.

غبار ممکن است در وسایل آزمایشگاهی خصوصا در جریان مستقیم (dc)،  تخلیه ی الکتریکی فرکانس رادیویی (rf)، راکتورهای فناوری پلاسما، تولیدات حاصل از احتراق سوخت جامد و وسایل گداخت پلاسما ایجاد شود.

تولید پلاسماهای غباری

برای تولید پلاسماهای غباری در آزمایشگاه ها، شماری از تکنیک های پیشرفت یافته در سال های اخیر وجود دارد که بعضی از این شیوه ها عبارتند از:

Q ماشین اصلاح شده، تخلیه ی الکتریکی dc، تخلیه ی الکتریکی rf و حفاظ الکتریکی.

در ادامه با توجه به اهمیت موضوع به بیان تحقیقاتی که روی کریستال پلاسما (یکی از انواع پلاسماهای غباری) و پلاسماهای پیچیده صورت گرفته است، می پردازیم.

کریستال پلاسما تحت شرایط مشخصی در یک پلاسمای پیچیده تشکیل می شود. بار ذرات غباری به وسیله ی جریان برق در یک شبکه ی کریستالی ماکروسکوپیکی مرتب می شود که این نوع نظم گیری، تحقیق روی ویژگی های ماده ی متراکم را در بیشترین سطح اساسی که سطح انرژی جنبشی است، ممکن می سازد.

این بدان معنی است که فرآیندهای اصلی مانند ذوب، به وسیله ی مشاهده ی حرکت انفرادی ذرات دنبال می شود. گرانش نقش بسیار مهمی را در ساخت کریستال های پلاسما ایفا می کند. در آزمایش هایی که در آزمایشگاه های زمینی صورت می گیرد، اساسا کریستال های پلاسمای دو بعدی می توانند دیده شوند. کریستال های پلاسما در میکرو گرانش های بزرگ می توانند رشد پیدا کنند. موسسه ی ماکس پلانک روی کریستال های پلاسما تحت شرایط میکرو گرانشی کار می کنند.

کریستال های پلاسما در سال 1994 کشف شدند و از آن زمان به بعد، استفاده ی آنها در تحقیقات فضایی (تئوری و آزمایشگاهی) نیز افزایش یافت.

پلاسماهای پیچیده در آزمایشگاه

در کنار آزمایش در میکرو تراشه ها، MPE با اتاق های زیاد پلاسما بر اساس آزمایشگاه های زمینی کار می کند. یک آزمایشگاه پارامغناطیس و یک آزمایشگاه میدان بالا وجود دارد که روی پلاسماهای پیچیده با میدان مغناطیسی بالای 4 تسلا تحقیق می کنند.

منابع:

1- Intoduction to DustyPlasma Physics/ PK Shukla 2002

ST: M. A. Mohammadi/ Plasma Physics/ Tabriz University

2- Www.mpe.mpg.de

Www.mpa-garching-mpg.de

 

“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”

وقتی یک شی اخترفیزیکی بزرگ مانند یک ستاره ی بوزونی یا سیاه چاله می چرخد، می تواند باعث چرخش فضا-زمان اطرافش شود. فیزیکدانان در مقاله ی بسیار جالبی نشان داده اند یک ذره دارای ویژگی های مناسب می تواند به طور کامل در یک فضا-زمان چرخان بایستد.

 

LG cosmicray feat

فیزیکدانان در مقاله ی خود، دو معیار برای اینکه یک ذره نسبت به یک ناظر ایستا در یک فضا-زمان چرخان ثابت باقی  بماند را مشخص کردند.

اول اینکه تکانه ذره (اساسا چرخشش) باید مقدار مناسبی داشته باشد، به گونه ای که به طور کامل، چرخش ناشی از کشش چارچوب را خنثی کند.

دوم اینکه، ذره باید دقیقا در یک مدار ایستا قرار بگیرد، مدار ایستا یعنی حلقه ای اطراف مرکز فضا-زمان چرخان که ذره، نه به داخل مرکز کشیده شود و نه به خارج از آن.

 

seti plan detect alien starships black holes x

نکته مهم این است که تمام اشیای اخترفیزیکی با فضا-زمان چرخان، مدارهای ایستا ندارند که این نکته در آینده می تواند به محققان کمک کند تا بین انواع مختلف اشیای اخترفیزیکی تمایز قائل شوند. به منظور داشتن یک مدار ایستا، یک سنجه ی فضا-زمان چرخان (اساسا تابعی که فضا-زمان را در نسبیت عام توصیف می کند) باید یک کمینه ی محلی داشته باشد که متناظر با فاصله بحرانی در جایی است که مدار ایستا قرار می گیرد، یعنی به نوعی، یک ذره می تواند در حالت ثابت در این کمینه ی محلی، به دام بیفتد.

فیزیکدانان چندین شی اخترفیزیکی را که مدارهای ایستا دارند، شناسایی کرده اند، مانند ستاره های بوزونی (ستاره های فرضی که از ماده ی بوزونی ساخته شده اند، مانند سیاه چاله ها، که گرانش بسیار شدیدی داشته، اما نوری تابش نمی کنند) کرم چاله ها، سیاه چاله های موج دار. از طرفی، سیاه چاله های kerr که تصور می شود رایج ترین نوع سیاه چاله باشند سنجه هایی با کمینه های محلی ندارند و در نتیجه مدارهای ایستا نیز ندارند. بنابراین یک مدار ایستا می تواند راهی برای تمایز بین سیاه چاله های kerr و برخی از اشیای کمتر معمول با مدارهای ایستا را بدست دهد.

 

black hole event horizon .adapt ..

در حالی که فیزیکدانان اذعان می کنند نباید انتظار داشته باشیم یک ذره، فقط با تکانه مناسب، در مکان درست قرار بگیرد تا در فضا-زمان چرخان، بایستد، ممکن است امکان وجود مدارهای ایستای ناشی از چیزی که نزدیکش رخ می دهد، وجود داشته باشد.

پیش بینی میشود ذراتی که در ابتدا ساکن و نزدیک مدارهای ایستا هستند، بسیار آهسته تر از آنهایی که بسیار دورترند، حرکت کنند، بنابراین حتی اگر محققان هیچگاه یک ذره ایستاده را مشاهده نکنند، ممکن است ذراتی در حال حرکت آهسته را همان نزدیکی ببینند که وجود یک مدار ایستای نزدیک را نشان می دهد.

اذعان به وجود حلقه ی ایستا، به ما کمک می کند چیزی را که از مشاهدات آینده انتظار داریم، بهتر درک کنیم، مثلا می توانیم حلقه ای را برای تشخیص اشیای عجیب ممکن مانند ستاره ی بوزونی جستجو کنیم.

“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”

آیا جهان های موازی واقعا وجود دارند؟ نوعی از جهانهای موازی می تواند وجود داشته باشد که باعث سر درگمی اینشتین شده بود و هنوز هم برای فیزیکدانان دردسرساز است. این جهان موازی کوانتومی است که با مکانیک کوانتومی عادی پیش بینی می شود. پارادوکس های فیزیک کوانتومی گویی آنقدر حل ناشدنی اند که برنده ی نوبل ریچارد فاینمن دوست داشت بگوید که هیچکس واقعا از نظریه کوانتوم سر در نمی آورد.


گزنده ترین مثال این معما عبارت است از مسئله مشهور « گربه شرودینگر » ( ۱ ) . شرودینگر با گفتن اینکه « اگر کسی مجبور شود که سراغ این پرسش کوانتومی لعنتی برود، آنگاه تاسف می خورم که چرا در این کار دست داشته ام » پاردوکس گربه شرودینگر به این قرار است: گربه ای در جعبه ای سر بسته گذاشته می شود. درون جعبه تفنگی به سمت گربه نشانه روی شده ( و ماشه ی آن به شمارنده ی گایگری در کنار تکه ای اورانیوم متصل است. ) بطور عادی زمانی که اتم اورانیوم واپاشی کند، شمارنده ی گایگر و سپس ماشه ی تفنگ را بکار می اندازد و گربه کشته می شود. اتم اورانیوم می تواند واپاشی کند یا نکند. گریه یا زنده است یا مرده. عقل سلیم چنین می گوید.اما در نظریه کوانتوم، با اطمینان نمی دانیم که اورانیوم واپاشی کرده باشد. پس مجبوریم دو احتمال را جمع بزنیم، تابع موج اتم واپاشی کرده به اضافه ی تابع اتم دست نخورده. اما این بدین معناست که، برای توصیف گربه، مجبوریم دو حالت گربه را جمع بزنیم. پس گربه نه زنده است نه مرده. جانور، بصورت مجموع گربه ی زنده و مرده ارائه می شود!

همانطور که فاینمن زمانی نوشت: مکانیک کوانتومی ( ۲ )، از دیدگاه عقل سلیم، طبیعت را بی معنی توصیف می کند و این کاملا با آزمایش همخوانی دارد. پس امیدوارم که شما طبیعت را به همین صورت بی معنی بپذیرید. از دیدگاه اینشتین و شرودینگر این چرندی بیش نبود.

universes

در نگاه نخست مفهوم کیهانشناسی کوانتومی گویی عبارتی متناقض است: نظریه ی کوانتومی به جهان بی نهایت ریز اتم اشاره دارد، حال آنکه کیهان شناسی به کل جهان باز می گردد. ولی به این توجه کنید: در لحظه ی بیگ بنگ، جهان بسیار کوچک تر از الکترون بود. هر فیزیکدانی با این موافق است که الکترونها باید کوانتیده باشند، یعنی آنها با یک معادله ی موج احتمالاتی ( معادله دیراک ) ( ۳ ) توصیف می شوند و می توانند در حالت هایی موازی وجود داشته باشند. بنابراین اگر الکترون ها باید کوانتیده باشند، و اگر جهان زمانی کوچکتر از الکترون بوده است، آنگاه جهان نیز باید در حالت های موازی وجود داشته باشد، نظریه ای که بطور طبیعی با رهیافت « چند جهانی » ( ۴) ختم می شود.
جهان به سادگی در حالت های موازی وجود دارد که همگی یک تابع موج اصلی موسوم به « تابع موج جهان » تعریف می شوند. در کیهان شناسی کوانتومی جهان از افت و خیز کوانتومی خلاء سر بر آورده است، یعنی بصورت حبابی کوچک در کف فضا- زمان. بیشتر بچه جهانها در کف فضا- زمان دارای بیگ بنگ هستند و پس از آن فورا داری بیگ کرانچ می شوند. به همین دلیل است که ما هرگز آنها را نمی بینیم، زیرا آنها بسیار کوچک هستند و عمر کوتاهی دارند. یعنی « هیچ چیز » جوشان از بچه جهانهایی است که به وجود می آیند و از بین می روند، ولی در مقیاسی آنچنان کوچک که با دستگاههای ما آشکارسازی نمی شوند.
استیون هاوکینگ ادعا می کند که جهان ما، جهان ویژه ای است. زیرا تابع موج جهان برای جهان ما بزرک است و تقریبا برای بیشتر دیگر جهانها برابر صفر است. این نظریه که جهان ما از « هیچ چیز » کف فضا-زمان به وجود آمده، شاید آزمون ناپذیر باشد ولی با چندین مشاهده ی ساده سازگار است.

نخست: بسیاری از فیزیکدانان خاطر نشان که بسیار شگفت آور است که مقدار کل بارهای مثبت و منفی در جهان ما دست کم با صحت آزمایشی دقیقا صفر می شود. این امر را که گرانش در فضای بیرونی نیروی غالب است بدیهی می دانیم، ولی دلیل آن تنها این است که بارهای مثبت و منفی دقیقا همدیگر را خنثی می کنند. یک راه ساده برای توضیح این پرسش وجود دارد و که فرض کنیم جهان ما از هیچ چیز به وجود آمده و هیچ چیز دارای بار صفر است.

دوم، جهان ما اسپین صفر دارد. اگر چه کورت گودل سال ها کوشید نشان دهد که جهان، با جمع زدن اسپین ( ۵ ) کهکشانهای مختلف دارای اسپین است، امروزه اخترشناسان عقیده دارند که اسپین کل جهان صفر است. اگر گیتی از هیچ چیز آمده باشد، توضیح این پدیده آسان می شود چون هیچ چیز اسپین ندارد.

سوم، آمدن جهان ما از هیچ چیز به تشریح این نکته کمک می کند که چرا مقدار کل ماده – انرژی جهان چنین اندک یا حتی صفر است. هنگامی که ما انرژی مثبت ماده و انرژی منفی همراه گرانش را جمع بزنیم، گویی آنها همدیگر را خنثی می کنند.

پی نوشت:

تعریف اسپین: همه ذرات داری ویژگی بنام اسپین هستند که مربوط می شود به اینکه ذره از جهتهای مختلف به چه شکلی و شمایلی بنظر می رسد.

در نوامبر ۲۰۱۸، اخترشناسان از کشف کهکشانِ پنهان Antlia 2 در نزدیکی راه شیری خبر دادند. این کهکشان یک کهکشان کم جرم اما نسبتاً عظیم است که به دور راه شیری می‌چرخد. یک تحقیق جدید نشان می دهد احتمالا این کهکشان کوچک میلیون‌ها سال پیش با راه شیری، برخورد کرده است.

wreckage epic galactic collision x

بتازگی گروهی از محققان مؤسسه فناوری روچستر شواهدی ارائه کردند که نشان می دهد یک برخورد کهکشانی در گذشته با Antlia 2 موجب ایجاد موج‌های بزرگی در دیسک هیدروژنیِ بیرونی ِ کهکشان راه شیری شده است. این کشف احتمالاً رازی که دانشمندان را بیش از یک دهه سردرگم کرده، حل می‌کند.

برخورد کهکشانی

“سوکانیا چاکرابارتی” استادیار مؤسسه روچستر، یافته‌های گروهش را در جلسه انجمن نجوم آمریکا به The Astrophysical Journal Letters ارائه کرد و در حال حاضر در سرور پیش‌ از چاپ arXiv منتشر شده است.

محققان با استفاده از داده‌های جمع‌آوری‌شدۀ ماهواره گایا مسیر قبلیِ Antlia 2 را محاسبه کردند و دریافتند که احتمالاً چندصد میلیون سال پیش این کهکشان با کهکشان راه شیری برخورد کرده و این برخورد موجب ایجاد موج‌هایی شده که امروزه شاهد آن هستیم. همچنین این گروه شبیه‌سازی‌هایی را نیز انجام دادند تا علتی که قبلاً برای موج‌ها پیشنهاد شده بود را رد کنند؛ علتی که می‌گفت برخورد کهکشانی با کهکشان کوتوله کمان موجب ایجاد موج‌ها شده است.

ماده تاریک

چاکرابارتی معتقد است که Antlia 2 می‌تواند در حل راز ماده تاریک نیز به دانشمندان کمک کند. وی گفت: «ما نمی‌دانیم ماهیت ذرات ماده تاریک چیست، اما اگر باور داشته باشید که ماده تاریک وجود دارد، آن وقت چیزی که نامعلوم است تغییر چگالی با توجه به شعاع است.»

وی ادامه داد: «اگر Antlia 2 یک کهکشان کوتوله‌ باشد که ما پیش‌بینی کرده‌ایم، آن وقت می‌دانیم که مدار آن چه بوده و چطور به دیسک کهکشانی نزدیک شده است. بنابراین محدودیت‌های سختی در مورد جرم و چگالی آن اعمال می‌شود. در نهایت می‌توانیم از این کهکشان بعنوان یک آزمایشگاه منحصربه فرد استفاده کنیم تا به ماهیت “ماده تاریک” پی ببریم.»

 

منبع: futurism.com

اینکه جهان وجود دارد معنایش این است که دانشمندان نیاز به کشف نظریات جدیدی شامل نظریه‌ای به نام اَبَرتقارن دارند. دست کم طبق نظریۀ جدید، جهان نباید وجود داشته باشد. مدلسازی شرایط کمی پس از بیگ بنگ می گوید که جهان فقط یک میکروثانیه پس از تولد انفجاری‌اش باید دچار فروپاشی می شد.

«روبرت هوگان» دانشجوی دکترای فیزیک در دانشکدۀ سلطنتی لندن می گوید: در طی جهان اولیه، انتظار داشتیم کیهان متورم شود (تورم گسترش سریع جهان پس از بیگ بنگ است). این انبساط علت جنبش بسیاری از چیزهای اطراف ماست، و اگر ما این جنبش را خیلی زیاد کنیم، باید به انرژی فضایی جدیدی برویم که باعث فروپاشی جهان می شود.

فیزیکدانان از مدلی که برای محاسبۀ خواص ذره بوزون هیگز مورد استفاده قرار می گیرد، در جهت توضیح این مساله که ذرات دیگر چگونه جرم خود را به دست آوردند، چنین نتیجه‌گیری کردند. اثرات ضعیف امواج گرانشی به آغاز جهان شکل داده و ما را از فرجام آن نیز آگاه می کنند.

انفجار!

هوگان می گوید: یک توضیح احتمالی به قوت خود باقی است که در خلال تشعشع آتشین پس از بیگ بنگ، ماده با سرعتی سرسام‌آور در فرآیندی معروف به “تورم کیهانی” به بیرون جهید. دانشمندان معتقدند این فضا-زمان خمیده و فشرده شده، موج‌هایی را به نام امواج گرانشی ایجاد کرد که تابشی را که از درون جهان عبور می کرد پیچ و تاب می داد.

اگرچه این رویدادها ۱۳/۸ میلیارد سال پیش رخ داده دانشمندان در سراسر زمین در جستجوی شواهد امواج گرانشی اولیۀ کیهان هستند که تصور می شود در اثر رویداد بیگ بنگ شکل گرفته و در تار و پود کیهان در حال ارتعاش است و اکنون شناسایی آن کمی دشوار شده است.

HiggsBosonShutterstock top quark

اما گرانش تنها نیروی بازیگر در جهان اولیه نبود. یک میدان انرژی که در همه جا وجود دارد و میدان هیگز نامیده می شود در جهان نفوذ کرده و به ذراتی که کِشان کِشان از میان این میدان عبور می کنند جرم می دهد. دانشمندان در سال ۲۰۱۲ هنگامی که بوزون هیگز را کشف کرده و جرمش را تعیین نمودند، علامت آشکارساز این میدان را یافتند.

با درک بیشتر از ویژگی‌های تورم کیهانی و جرم بوزون هیگز، هوگان و همکارش مالکوم فِیر بِیرن که او نیز فیزیکدان دانشکدۀ سلطنتی لندن است، تلاش کردند تا شرایط تورم کیهانیِ پس از بیگ بنگ را بازسازی کنند. آنچه آنها یافتند خبر بدی برای همه چیز بود. جهان نوزاد باید یک بحران شدید در میدان انرژی را تجربه کرده باشد که به نام نوسان کوانتومی شناخته می شود. این نوسانات به نوبۀ خود می توانند میدان هیگز را مختل کرده و کل سیستم را به حالت انرژی خیلی پایین‌تری بغلتانند که فروپاشی جهان را اجتناب‌ناپذیر می کند.

ذرات گم شده

اگر جهان نباید وجود داشته باشد، پس چرا اینجاست؟ انتظار عمومی این است که باید نوعی فیزیک جدید وجود داشته باشد که ما هنوز آنها را در نظریاتمان جا نداده‎ایم، زیرا قادر به کشف‌شان نیستیم. هوگان می گوید: یک احتمال مهم که به عنوان اَبَرتقارن شناخته می شود، پیشنهاد می دهد که اَبَرذرات شریکی برای همۀ ذرات شناخته شده وجود دارد. شاید شتاب دهنده‌های ذراتِ قوی‌تر بتوانند این اَبَرذرات را بیابند.

اما نظریه تورم کیهانی هنوز هم نامطمئن است، و فیزیکدانان هنوز به دنبال شواهد بیشتر هستند. «شان کارول» فیزیکدان موسسه فناوری کالیفرنیا و نویسنده کتاب ذره در پایان گیتی در ابتدای آن کتاب شرح می دهد که چگونه شکار بوزون هیگز ما را به مرزهای جهان جدید هدایت می کند.

کارول گفت که اگر جزئیات تورم کیهانی تغییر کند، آنوقت باید مدل هوگان و فیربیرن نیز متناسب با آن تغییر نماید. لازم به ذکر است که کارول در این مطالعه نقشی نداشته است. جالب توجه است که این اولین‌باری نیست که فیزیکدانان گفتند بوزون هیگز برای جهان یک طلسم نحس است. دیگر فیزیکدانان محاسبه کرده‌اند که جرم بوزون هیگز می تواند به یک جهان بنیادینِ ناپایدار منجر شود و به صورت فاجعه‌آمیزی در میلیاردها سال دیگر به پایان برسد.

کارول می گوید: جرم بوزون هیگز در حدود ۱۲۶ برابر پروتون می باشد که درست بر روی مرز پایداری جهان از آب در آمده است. اگر جرم بوزون هیگز اندکی سبک‌تر از این مقدار بود، میدان هیگز به آسانی دچار آشفتگی می شد و اگر کمی سنگین‌تر از این مقدار بود، میدان هیگز به طور باورنکردنی پایدار می شد. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review Letters منتشر شده است.

منبع: livescience.com

تی. اس. الیوت شاعر می پرسد: آیا جهان فریاد زنان می میرد یا با آه و ناله؟ رابرت فراست می پرسد؟ آیا در آتش از میان خواهیم رفت یا در یخ؟ گرچه این امکان وجود دارد که کیهان برای همیشه ادامه یابد، اما تقریبا به طور حتم انواع ساختارهایی که امروزه در آن وجود دارند، از قبیل سیارات، ستارگان، کهکشان‌ها و … برای همیشه دوام نخواهند داشت.

pspfgn

در آینده‌ای بسیار دور کهکشان ما و دیگر کهکشان‌ها یا تکه پاره شده و گرفتار مرگی مزمن، طولانی و سرد خواهند شد و یا در فرایندی بر عکس ِ بیگ بنگ فشرده شده و خواهند رمبید. اینکه کدام یک از این سرنوشت‌ها در مورد کیهان اتفاق می افتد تا حد قابل ملاحظه ای به ساختار کیهانی و طبیعت انرژی تاریک بستگی دارد. این انرژی یک نیروی مرموز و خلاف گرانش است که اخیرا معلوم شده نقشی مهم در رفتار بزرگ مقیاس عالم بازی می کند.

در گذشته کیهان‌شناسان تصور می کردند که انبساط جهان به تدریج رو به کاهش است، اما هم اکنون می دانیم که در حقیقت انبساط جهان در حال شتاب گرفتن است و کهکشان‌ها با سرعت فزاینده‌ای در حال دور شدن از هم هستند. همان انرژی تاریکی که ۷۰ درصد مجموع مواد و انرژی موجود را تشکیل می دهد، با راندن کهکشان‌ها از هم، انبساط جهان را سرعت می بخشد.

داده‌های جدید ماهوارۀ پلانک از روی تابش پس زمینه کیهانی نشان می دهد که جهان با سرعت شگفت آور ۶۷٫۱۵ میلیون کیلومتر به علاوه یا منهای ۱٫۲ کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک در حال انبساط است(پارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر ۳٫۲۶ میلیون سال نوری است)، همچنین یافته‌های جدید حاصل از مطالعات ابرنواخترها در کهکشان‌های دوردست نیز این انبساط فزاینده را تایید می کند. آدام ریس، از انستیتوی تلسکوپ جهانی می گوید: « جهان مانند راننده‌ای رفتار می کند که با نزدیک شدن به چراغ قرمز سرعت را کم کرده و سپس با سبز شدن چراغ، پدال گاز را می فشارد.»

انرژی تاریک مشابه ثابت کیهان شناختی به نظر می رسد که نیرویی مخالف گرانش است و توسط آلبرت اینشتین به عنوان بخشی از نظریۀ نسبیت عام او پیشنهاد شده بود، همچنین انرژی تاریک پاسخگوی جرم –انرژی گمشده‌ای است که برای ساختار کیهان و سرنوشت‌های محتمل آن در آینده می توان پیش‌بینی کرد. حال پرسش این است دانشمندان پیرامون ساختار و هندسه کیهان چه نظری دارند؟

ساختار و هندسه‌ی کیهان چگونه است؟

دانشمندان نظریه‌های خود در مورد سرنوشت عالم را عمدتا براساس مدل‌های ریاضی بنیان می گذارند. این مدل‌ها نشان می دهند که بسته به چگالی جرم- انرژی کیهان دارای سه هندسه‌ی احتمالی: ۱- کیهان تخت، ۲- کیهان بسته ۳- کیهان باز است. هر یک از این هندسه‌ها که می توان آنها را با یک شکل دو بعدی نشان داد دارای خمیدگی فضا- زمان متفاوتی هستند که در زیر به اختصار شرح داده می شوند.

ObsUni WikipediaPablo
تصویری هنری از جهان قابل مشاهده

تا همین اواخر کیهان‌شناسان تصور می کردند که روند انبساط کیهان به خاطر اثرات ترمزی گرانش باید در حال کند شدن باشد. همچنین محققان باور داشتند که تنها یک عامل چگالی جرم – انرژی کیهان تصمیم می گیرد که کدام یک از این دو سرنوشت اساسی کیهان را تعیین می کند. کیهان‌شناسان چگالی جرم و انرژی را با هم اندازه می گیرند، زیرا اینشتین نشان داد که جرم و انرژی هم ارز و قابل تبدیل به یکدیگرند. در واقع ساختار هندسۀ کیهان مربوط به تنظیم دقیق مدل بیگ بنگ میباشد. این مسائل برآمده از این واقعیت هستند که برخی از شرایط اولیه جهان بر روی مقادیر ویژه‌ای تنظیم دقیق شده‌اند و هرگونه انحرافی از این مقادیر در جهان اولیه می توانست تاثیرات شگرفی بر ماهیت جهان در دوره کنونی داشته باشند.

در مورد مسئله تخت بودن کیهان پارامتری که تنظیم دقیق شده، چگالی ماده و انرژی در جهان یا امگا (Ω) است. مقدار این پارامتر، خمش فضا-زمان را تعیین می کند و برای یک جهان تخت، مقدار آن باید برابر با یک مقدار بحرانی مشخصی باشد. در دهه‌ی ۱۹۷۰ این عقیده وجود داشت که چگالی ماده در جهان، به نام امگا، در حدود ۱ است. این حقیقت که این چگالی میلیاردها سال پس از بیگ بنگ به چگالی بحرانی برابر با ۱ نزدیک بود عمیقا آزار دهنده بود. با انبساط جهان ،امگا باید با زمان تغییر می کرد، اما این عدد به ۱ نزدیک بود، که نشانگر یک فضای کاملا تخت و هموار بود.

معادلات اینشتین نیز نشان می دهد که امگا در ابتدای زمان هر مقدار معقولی که داشته باشد، امروز باید تقریبا برابر صفر باشد، برای اینکه میلیاردها سال پس از بیگ بنگ امگا عددی نزدیک به ۱ باشد تنها به یک معجزه نیاز است. این مساله در علم کیهان‌شناسی مساله‌ی تنظیم دقیق نامیده می شود، اگر امگا خیلی کوچک می‌بود آنگاه جهان بسیار سریع منبسط شده و خنک می‌شد اما اگر امگا خیلی بزرگ می‌بود، جهان قبل از اینکه حیات فرصت شروع پیدا کند از هم فرو می‌پاشید. به گفته مارتین ریس برای اینکه جهان، هم‌ اکنون پس از ۱۳٫۸ میلیارد سال، هنوز در حال انبساط بوده و مقدار امگا نیز زیاد با ۱ تفاوت نداشته باشد، این مقدار نمی‌توانسته در یک ثانیه پس از بیگ بنگ بیشتر از مقدار یک میلیون میلیاردم (یک در ۱۰ به توان ۱۵) با ۱ تفاوت داشته باشد. به بیان دیگر در آغاز زمان مقدار امگا می بایست با دقت یک تریلیونوم مساوی عدد ۱ تنظیم شده باشد، که پذیرش آن بسیار سخت است.

End of universeشکل کیهان به چگالی‌اش بستگی دارد. اگر چگالی آن بیش از چگالی بحرانی باشد، جهان بسته است و ساختاری کروی خواهد داشت؛ و اگر کمتر باشد، خمیدگی‌اش مانند یک زین خواهد بود. ولی اگر چگالی واقعی کیهان برابر با چگالی بحرانی باشد- چیزی که دانشمندان فکر می کنند- پس گسترش‌ این جهان تا ابد ادامه خواهد داشت، با ساختاری همچون یک برگ تخت کاغذ.

میچیو کاکو در مثالی این تنظیم کیهانی را چنین شرح می دهد: «فرض کنید که بخواهید مدادی را بر روی نوک آن ایستاده نگه دارید. شیوه ی تلاش شما به هر شکلی که باشد اغلب مداد خواهد افتاد، تنظیم و میزان سازی با دقت فوق العاده بالایی مورد نیاز است تا مداد چنان متعادل شود که نیفتد. حال تصور کنید که می خواهید مداد را طوری روی نوک آن عمودی نگه دارید که نه فقط برای یک ثانیه بلکه برای میلیاردها سال همانطور بماند! تنظیم دقیق مورد نیاز برای اینکه امگا امروز برابر ۱ داشته باشد مشابه همین حالت است. کوچکترین خطا در تنظیم دقیق امگا باعث می شود که امگا به مقداری از ۱ فاصله داشته باشد.»

پس چرا امروز امگا اینقدر به یک نزدیک است در حالی که در اصل از نظر ستاره‌شناسی باید غیر از این باشد؟ از نظر آلن گوث پاسخ کاملا مشخص بود: تورم جهان چنان شدید بوده که منجر به تخت شدن آن شده است. همانند شخصی که چون افق را نمی بیند نتیجه می گیرد که زمین هموار است. اخترشناسان نتیجه گرفتند که امگا در حدود یک است، در واقع ایده این است که جهان در نخستین کسرهای ثانیه پس از بیگ بنگ وارد یک دوره کوتاه انبساط بسیار بسیار سریع به نام تورم کیهانی شد که همین منجر به تخت شدن جهان گشته است. این مسئله به همراه مسئله تک قطبی مغناطیسی و مسئله افق، سه انگیزه اصلی برای نظریه تورم کیهانی هستند.

cmbsky boomerang
در این تصویر مناطقی که آزمایش بومرنگ آن را بررسی کرده، نقاط گرم و سردی که به ترتیب با سایه‌های تیره و روشن مشخص شده را مشاهده می کنید.

لاورنس کراوس فیزیکدان معمای تخت بودن جهان را چنین شرح می دهد:«شناخت برای شکل کیهان با آزمایش بالن تحقیقاتی بومرنگ(BOOMERanG) در قطب جنوب و در سال ۱۹۹۷ آغاز شد، بومرنگ تصویر قسمت کوچکی از تابش پس زمینه کیهانی که نقاط گرم و سرد را در الگویی از آخرین سطح پراکندگی نشان داد، سپس ماهواره تحقیقاتی دیگری به نام ماهواره تحقیقانی WMAP که بسیار حساس‌تر بود توسط ناسا در سال ۲۰۰۱ به فضا پرتاب شد، این ماهواره نقشه ای از کل تابش پس زمینه کیهانی را با دقت بی سابقه‌ای تهیه کرد.

دانشمندان با بررسی داده‌ها تخمین بسیار دقیقی از هندسه و شکل فضا زدند. نقشه WMAP که مشابه تصویری است که بومرنگ تهیه کرده بود، با دقت ۱ درصد تایید می کند که ما در یک جهان تخت زندگی می کنیم! انتظار دانشمندان درست از آب در آمد. در طی اینکه دانشمندان به خاطر این تناقض و حدس جهان تخت، بهت زده بودند، تقریبا هیچ کس آمادگی این غافلگیری را نداشت طبیعت اندوخته ای را که در درون خود بود ارائه داد و مشکل بین هندسه جهان که ناشی از محاسبه جرم و محاسبه انحنا بود را به طور مستقیم حل کرد. اما باز هم پرسش‌هایی باقی می ماند، آیا پاسخ نهایی برای ساختار و در نهایت سرنوشت کیهان را یافته ایم؟ یا شاید کیهان بدلیل بزرگی بیش از حد مانع از شناخت دقیقتش می شود؟ شاید هم کیهان در حال گول زدن ماست!

سرنوشت نهایی کیهان

بسته به متوسط چگالی کیهان و رفتار آینده‌ی انرژی تاریک کیهان چند سرنوشت محتمل متفاوت خواهد داشت، چهار مورد از این سرنوشت‌های محتمل در زیر شرح داه شده است:

fbeecac

سرمای بزرگ: تحقیقاتی که به منظور حل این موضوع انجام شده اند معلوم ساختند کیهان ویژگی‌هایی دارد که باعث می شود بسیار بسیار نزدیک به حالت تخت باشد و چگالی آن دقیقا برابر حد بحرانی است. گرچه تعیین موقعیت برخی از جرم انرژی هایی که برای شکل دادن کیهان بصورت تخت مورد نیاز است سخت به نظر می رسد اما چگالی کیهان باید نزدیک حد بحرانی باشد و بنابراین محتمل‌ترین سرنوشت برای کیهان انبساط همیشگی میباشد. بدین ترتیب اگر کیهان چگال جرم –انرژی نزدیک یا فقط کمتر از مقدار بحرانی داشته باشد و اثرات انرژی تاریک هم پایان یابد، ممکن است کیهان با آهنگی که به تدریج کاهش می یابد اما هرگز دچار ایست کامل نمی شود به انبساط ادامه می دهد. در پایان دوره‌ای بسیار بسیار طولانی از زمان، کیهان دچار مرگ سرد مزمن یا سرمای بزرگ خواهد شد.

اگر این نیروی ضد گرانش ادامه داشته باشد، جهان عاقبت در یک انجماد بزرگ به پایان خواهد رسید. با نزدیک شدن دمای فضا به صفر مطلق، دمایی که مولکول‌ها در آن خود به سختی حرکت می کنند، تمام حیات هوشمند موجود در جهان در نهایت، در یک مرگ دردناک منجمد خواهند شد. میلیاردها میلیارد سال دیگر، ستارگان از درخشش خواهند ایستاد، شعله‌های اتمی آنها با به اتمام رسیدن سوختشان فروکش خواهد کرد و آسمان برای همیشه تاریک خواهد شد. در اثر انبساط کیهانی، جهان مرده سردی از ستاره‌های کوتوله سیاه، ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها باقی خواهد ماند و حتی با گذشت زمان، سیاهچاله ها نیز انرژی خود را از دست خواهد داد و غبار سرد بی جانی از ذرات بنیادین سرگردان باقی خواهند ماند.

در چنین جهان سیاه و سردی، حیات هوشمند غیر ممکن خواهد بود. قوانین پولادین ترمودینامیک انتقال هرگونه اطلاعات در چنین محیط منجمدی را غیر ممکن می دانند و حیات لزوما متوقف خواهد شد. این ایده که جهان سرانجام در انجماد، به عمر خود پایان خواهد داد، اولین‌بار در قرن هجدهم مطرح شد. چارلز داروین، در تفسیر این مفهوم که قوانین فیزیکی ظاهرا تمام زندگی هوشمند را نابود خواهند کرد، نوشته است: « با پذیرش آنچه من به آن معتقدم، که انسان در آینده دور موجود بسیار کامل‌تری از آنچه امروز هست خواهد بود، این فکر غیر قابل تحملی است که بپذیریم انسان و دیگر موجودات با ادراک، پس از دوره‌ای بلند مدت از پیشرفت تدریجی، محکوم به نابودی کامل باشند.» متاسفانه آخرین داده‌های بدست آمده از ماهواره WMAP و پلانک ظاهرا تحقق کابوس داروین را تایید می کنند. این در حالی است که هنوز راهی برای فرار به جهان‌های موازی باقی مانده است.

pvuzzfjpg

سرمای بزرگ اصلاح شده: اگر اثرات انرژی تاریک همانند زمان حاضر ادامه یابد، چگالی کیهان هر چه که باشد خود کیهان با آهنگی قراینده انبساط خواهد یافت. ساختارهایی که توسط گرانش مقید نشده اند، نهایتا در سرعت‌هایی سریع‌تر از نور به دوردست‌ها خواهند رفت.(خود فضا می تواند با چنین سرعتی انبساط یابد، گرچه ماده و تابش نمی توانند) این سناریو هم با مرگ سرد طولانی یا سرمای بزرگ پایان خواهد یافت.

فروپاشی بزرگ: بر اساس رویکردی معکوس بیگ بنگ، روند اوج‌گیری می تواند به تدریج آهسته می شود و در مسیر فروپاشی قرار گیرد. در این سناریو، آغاز فروپاشی با کاهش سرعت شتاب‌گیری انبساط کیهان همراه می گردد. نهایتاً انبساط کیهان متوقف شده و با رسیدن به یک نقطه بازگشت، شروع به جمع شدن تا میزان حداکثری بنام بیگ کرانچ(Big Crunch) می کند. این فرضیه در حال حاظر از همه ضعیف‌تر و غیر محتمل تر به نظر می رسد مگر آنکه اثر انرژی تاریک در اینده برعکس شود. حتی اگر این اتفاق هم بیفتد نزدیکترین زمانی که این واقعه رخ خواهد داد ده‌ها میلیارد سال بعد از زمان حاضر خواهد بود.

شکافتگی بزرگ: اگر قدرت انرژی تاریک افزایش می یافت، می توانست بر همه‌ی نیروهای بنیادی غلبه کرده و در نهایت کیهان را در یک شکافتگی بزرگ از هم بپاشد. این اتفاق می تواند در ۲۰ تا ۳۰ میلیارد سال بعد از زمان کنونی بیفتد. در ابتدا کهکشان ها تکه پاره می شوند و آنگاه سیستم‌های خورشیدی. پس از آن ستارگان و سیارات منفجر شده و بعد از مدتی کوتاه به اتم‌های سازندشان تقسیم می شدند، در این هنگام زمان متوقف می شود.

منابع بیشتر: superstringtheory.com , space.com , phys.org

NASA  , Ultimate fate of the universe , universetoday.com

Shape of the universe , fromquarkstoquasars.com