امتیاز موضوع:
  • 2 رأی - میانگین امتیازات: 5
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
نگاهی به هشت راز بزرگ فیزیک
#1
اکتشافات غیرمنتظره قرن گذشته، اسرار بسیاری را در مورد مبداء کیهان آشکار کرده است اما هنوز هم رازهای بزرگی ناگشوده باقی مانده که گشودن آنها برای اخترشناسان سال ها طول خواهد کشید.
اینک می خواهیم ببینیم مهمترین اسرار ناگشوده کیهان که پیش روی انسان امروز قرار دارند، کدامند. رازهایی که حاصل یک قرن چالش فکری بشر بوده و هنوز راهی طولانی برای گشودن آنها در پیش است...
۱) راز اول؛ جهان چند بعدی است

شاید تصور کنید که بیرون آوردن یک خرگوش از داخل یک کلاه خالی فقط کار شعبده بازان است، اما شاید چنین نباشد. به عنوان مثال، تصور ما بر این است که در جهانی سه بعدی زندگی می کنیم ولی شاید این پنداری نادرست باشد. فیزیکدان ها تاکنون رفتار جهان را با کمک چهار بعد تبیین می کردند؛ سه بعد مکانی و یک بعد زمانی. این مدل آنها را در تبیین بسیاری از پدیده های جهان از انحنای نور در نزدیکی خورشید گرفته تا چگونگی پیدایش سیاهچاله ها یاری می بخشید. اما اینک فیزیکدان ها بر این باورند که ابعاد مکانی جهان بیش از سه بعد است.
این ایده برای اولین بار از شدت نسبی نیروهای بنیادین جهان سرچشمه گرفت. مساله این بود که هیچ کس نمی دانست چرا نیروی گرانش تا این حد از سه نیروی دیگر طبیعت یعنی نیروهای الکترومغناطیسی، قوی و ضعیف هسته یی ضعیف تر است. اما اخیراً دو فیزیکدان به نام های «لیزا راندال» از موسسه فناوری ماساچوست و «رامان ساندروم» از دانشگاه جان هاپکینز در مریلند امریکا توضیحی برای این مساله ارائه کرده اند. بر اساس این توضیح، ما در یک جهان چهار بعدی زندگی می کنیم اما ذرات گراویتون که حامل نیروی گرانشی هستند در جهان چهار بعدی دیگری متفاوت از جهان ما به سر می برند. این دو جهان (جهان ما و جهان آنها) در فاصله اندکی نسبت به همدیگر در بعد پنجم هستی واقعند و وجود همین فاصله است که سبب افت شدت نیروی گرانشی می شود.
متخصصان نظریه ریسمان ها از این هم فراتر می روند. آنها تمامی نیروهای بنیادین فیزیک را در قالب یک مدل ۱۱ بعدی از جهان وحدت می بخشند. در این مدل، ذرات بنیادی در واقع، ریسمان هایی بسیار کوچک هستند که نوسان می کنند. اما حتی خوش بین ترین متخصصان نظریه ریسمان هم کشف این ریسمان ها را در آینده یی نزدیک تقریباً غیرممکن می دانند. بنابر نظریه مزبور، این ریسمان ها یکصد میلیون میلیارد مرتبه کوچک تر از کوچک ترین ذرات زیراتمی ایجاد شده توسط قدرتمند ترین شتاب دهنده های موجود هستند.
اما احتمالاً آزمایشاتی که در آینده یی نزدیک صورت خواهد گرفت، از نشانه های بعد پنجم پرده برداری خواهد کرد. بنابر پیش بینی راندال و ساندروم با راه اندازی شتاب دهنده عظیمی که اینک در سوئیس در حال ساخت بوده و در سال ۲۰۰۸ (سال آینده) راه اندازی خواهد شد، انرژی لازم برای نفوذ گراویتون به جهان ما فراهم خواهد شد.

۲) راز دوم؛ جهان چگونه پدید آمد

کیهان شناسان همگی براین مساله توافق دارند که جهان در رویدادی منحصر به فرد بین ۱۳ تا ۱۴ میلیارد سال پیش به وجود آمد. در طول یک میکروثانیه اول پس از پیدایش، جهان مخلوطی از کوارک ها و سایر ذرات عجیب با دمایی فراتر از حد تصور بود. با پایین تر آمدن دما، کوارک ها گردهم آمده و ذراتی نظیر پروتون ها، نوترون ها و سایر هادرون ها را تشکیل دادند. وقتی فقط یک ثانیه از پیدایش جهان گذشته بود، تنها ذرات به جا مانده در جهان نوترون ها، پروتون ها، فوتون ها و نوترینوها بودند. در مدت ۲۰۰ ثانیه بعدی، وقوع مجموعه یی از واکنش های هسته یی به ایجاد سه عنصر سبک موجود در جهان منجر شد.

امواج صوتی حاصل از پژواک مهبانگ همانند امواج سطح یک دریاچه در میان ماده فوق العاده گرم و چگال جهان اولیه منتشر شد. انبوهی از الکترون ها که توسط پروتون های با بار مثبت جذب می شدند، در این ارتعاش های کیهانی سهیم شده و نقش ایفا کردند. بدین ترتیب ۳۸۰ هزار سال از عمر جهان گذشت. در این زمان دما آنقدر پایین آمده بود که اتم ها بتوانند شکل بگیرند. بنابراین جهان ناگهان شفاف شد و فوتون ها آزاد شدند. فوتون های آزاد شده، آثار افت و خیزهای دما و چگالی جهان اولیه را به شکل الگوهایی از تغییر شدت، با خود حمل کردند. اخترشناسان این تابش را که برای نخستین بار توسط پنزیاس و ویلسون مشاهده شد، «تابش زمینه میکروموج کیهانی» می نامند.
هنگامی که اخترشناسان، تلسکوپ های میکروموجی خود را به هر سو از آسمان نشانه می روند با تابشی با شدت تقریباً یکسان مواجه می شوند (بیشترین افت و خیزهای مشاهده شده در تابش زمینه میکروموج کیهانی فقط به اندازه یک در ۱۰۰ هزار است). اما چگونه ممکن است انفجار اولیه پیدایش جهان، چنین آثار یکنواختی به وجود آورده باشد؟ گویی تمامی بخش های جهان اولیه با همدیگر در ارتباط بوده اند. اما این چگونه ممکن است؟ «آلن گات» که سرگرم اندیشیدن به این مساله بود، به پاسخی شگفت انگیز دست یافت؛ آیا ممکن است تمامی جهان از حبابی بسیار گرم و فوق العاده همگن ایجاد شده و با چنان سرعتی منبسط شده باشد که فرصتی برای تغییر نداشته است؟ این نظریه که به «نظریه تورمی» شهرت یافت، نه تنها یکنواختی بسیار بالای تابش زمینه کیهانی را توضیح می دهد، بلکه علت همان عدم یکنواختی های بسیار اندک را نیز تبیین می کند. بنابر نظریه تورمی گات، این عدم یکنواختی ها ناشی از افت و خیزهای کوانتومی در حین تورم جهان بوده است.

اینک کیهان شناسان در کلیت این مساله توافق دارند که افت و خیزهای کوچک در جهان اولیه، توسط نیروی گرانش تقویت شده و نهایتاً به پیدایش ساختارهای بزرگ مقیاس جهان که امروزه می بینیم (نظیر کهکشان ها و خوشه های کهکشانی) منجر شده است. اما جزئیات مساله، هنوز روشن نیست. نظریه تورمی گات حتی یک پیش بینی قابل آزمودن نیز دارد. مطابق این نظریه، یک جهان حبابی که دچار تورم شده، باید در مقیاس های کیهان شناختی، تخت به نظر برسد. تخت بودن جهان به این معنی است که دو خط موازی حتی اگر در تمامی جهان امتداد داشته باشند، هیچ گاه همدیگر را قطع نخواهند کرد.

در سال های اخیر، اخترشناسان، بارها با اندازه گیری ابعاد زاویه یی افت و خیزهای تابش میکروموج کیهانی، نظریه آلن گات را در معرض آزمون گذاشته اند و هر بار به این نتیجه رسیده اند که جهان، تخت است.

اما با این حال هنوز هیچ کس نمی داند چه عاملی منجر به تورم جهان شد. فیزیکدان ها مدل های تورمی متعددی را برای توصیف جهان تورمی پیشنهاد کرده اند اما اغلب راه حل های پیشنهادی، تنها راه حل هایی ریاضی بوده که هیچ مبنای فیزیکی ندارند. «ادوارد کلب»، اخترفیزیکدانی از آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی در این باره می گوید؛ «در واقع تمامی نظریات تورمی موجود، به نوعی اثبات می کنند که ما هنوز نظریه مناسبی در این زمینه نداریم.»

۳) راز سوم؛ چرا جهان از ماده ساخته شده است

اگر جهان کاملاً متقارن بود، نه سیاره یی در آن به وجود می آمد و نه انسانی چرا که در آن صورت در لحظات آغازین آفرینش، تعدادی مساوی از ذرات و پاد ذرات به وجود می آمد و این ذرات و پادذرات، به سرعت با همدیگر برخورد کرده و به فوتون های نور تبدیل می شدند. چنین جهانی مملو از تابش بود اما هیچ اتمی در آن وجود نداشت. اما نکته عجیب در آن است که در جهان ما عملاً هیچ پاد ذره یی وجود ندارد. توضیح چرایی این امر برای نظریه پردازان، کاری دشوار است. بنابر نظریه آلن گات، فرآیند تورم جهان باید منجر به ایجاد مقادیری مساوی از ماده و پادماده در جهان شده باشد. بنابراین سوال این است که ذرات پادماده کجا غیب شده اند

یک احتمال آن است که پادماده از بین نرفته باشد و هنوز هم در بخش بسیار دوری از جهان که قابل مشاهده نیست، وجود داشته باشد. در این صورت ممکن است در بخش های دوردست جهان، پادکهکشان هایی وجود داشته باشند و پادانسان هایی در این پادکهکشان ها زندگی کنند. اما این مساله، خود منجر به نتایج عجیب و غریب دیگری می شود که هیچ کدام تاکنون مشاهده نشده است.

احتمال دیگر آن است که قوانین فیزیک به گونه یی به نفع ماده باشد که در آغاز، ذرات بیشتری نسبت به پادذرات در جهان ایجاد شده باشد. در این صورت، آنچه امروزه در جهان می بینیم، چیزی نیست جز همان ذرات اضافی (مابقی ذرات و پادذرات، همدیگر را نابود کرده اند).

در اواسط دهه ۱۹۶۰، دو فیزیکدان به نام های «جیمز کرونین» و «وال فیچ» توسط آزمایشی نشان دادند که در حدود ۲/۰ درصد از واپاشی نوعی از ذرات بنیادی، تقارن را نقض می کند. همه از نتایج این آزمایش شگفت زده شدند. کیهان شناسان در همان زمان اعلام کردند نتایج مزبور ممکن است علت باقی ماندن ماده در جهان را توضیح دهد. اما هنوز هم سوالات بسیاری در مورد این مساله، بی پاسخ مانده است.

۴) راز چهارم؛ کهکشان ها چگونه شکل گرفتند

پروتون ها و نوترون ها (که مجموعاً باریون نام دارند) در جهان اولیه تحت تاثیر گرانش خود به شکل گروه گروه گرد هم آمدند و همین امر منجر به افزایش دمای آنها شد. در این حال باریون های پرانرژی دیگری که در زمینه آنها در حال حرکت بودند، با برخورد به این توده ها، انرژی از دست داده و گرفتار نیروی جاذبه آنها شدند. بدین ترتیب خوشه های کهکشانی به آرامی و به شکل تارهای عنکبوتی در سرتاسر کیهان شکل گرفته و بافته شد.
هرچند نقشه های سه بعدی تهیه شده از کهکشان ها مدل مزبور را تایید می کنند اما درک جزئیات این مدل، فوق العاده دشوار است. آیا فرآیند برخورد کهکشان های مارپیچی با همدیگر منجر به شکل گیری کهکشان های بیضوی می شود؟ اگر چنین است پس چرا زنجیره کهکشان های مارپیچی و بیضوی هریک از الگوی متفاوتی در ساختار حبابی جهان تبعیت می کند؟ پاسخ به این پرسش ها نیازمند زمانی طولانی است، چرا که اندازه گیری فاصله کهکشان ها کاری بسیار زمان بر است. اکنون گروهی از اخترشناسان مشغول ترسیم نقشه یی سه بعدی از چگونگی توزیع یک میلیون کهکشان در جهان هستند. نتایج این تحقیق، ما را در گشودن راز چگونگی شکل گیری کهکشان ها یاری خواهد بخشید.

۵) راز پنجم؛ ماده تاریک چیست

تمامی ستاره ها و کهکشان های جهان، مجموعاً تنها ۵/۰ درصد جرم کل جهان را تشکیل می دهند. حتی اگر جرم توده ابرهای نامرئی را که به شکل اتمی در بخش های دوردست جهان شناورند به این عدد اضافه کنیم، به چیزی در حدود ۴ درصد کل جرم جهان می رسیم. مابقی جرم جهان از ماده یی ناپیدا که اصطلاحاً «ماده تاریک» نامیده می شود و همین طور نوعی انرژی اسرارآمیز به نام «انرژی تاریک» تشکیل شده است. اگرچه ماده تاریک از دید مستقیم اخترشناسان پوشیده است، اما تاثیرات و نشانه های آن قابل آشکارسازی است. اینک اخترشناسان به کمک تاثیرات گرانشی این ماده ناپیدا بر روی نور ستارگان دوردست (خم کردن پرتوهای نوری) تخمین می زنند که ماده تاریک، چیزی در حدود ۲۳ درصد جرم کل جهان را تشکیل می دهد. این ماده به شکل رشته هایی کیهانی بر سطوح حباب هایی با ابعادی در حدود صدها میلیون سال نوری منجمد شده است. شکل توزیع ماده تاریک در جهان نشان دهنده سرد بودن آن است و به همین علت نیز اغلب «ماده تاریک سرد» نامیده می شود. ماده تاریک به شکل هاله یی کهکشان ما و سایر کهکشان ها را دربرگرفته است و همین امر نشان می دهد که ذرات تشکیل دهنده آن یا اصلاً برهم کنشی با ذرات ماده معمولی ندارند یا برهم کنش بسیار ضعیفی دارند (در غیر این صورت باید در صفحه کهکشان جمع می شدند و نه در اطراف آن). برای اغلب ذرات این ماده عجیب و غریب، زمانی بیش از عمر کل جهان طول می کشد تا با یکی از ذرات ماده معمولی برخورد کنند.

فیزیکدان ها برای آشکارسازی این ذرات پنهان از نظر دو راهکار عمده را در پیش گرفته اند. در سناریوی اول، فرض بر آن است که ذرات و پادذرات ماده تاریک در مرکز خورشید یا مرکز کهکشان با همدیگر (و نه با ذرات ماده معمولی) برخورد می کنند. چنین برخوردی منجر به ایجاد ذرات جالب دیگری به نام نوترینو خواهد شد. بنابراین آشکارسازی نوترینوهای پیش بینی شده، دلیلی مبنی بر وجود ذرات ماده تاریک خواهد بود (نوترینوها توسط منابع دیگری نیز در جهان تولید می شوند که باید توسط روش های تجربی، آنها را از همدیگر تفکیک کرد). بدین منظور فیزیکدان ها دستگاه های بسیار بزرگ آشکارسازی نوترینوها را در اعماق آب های دریای مدیترانه و آدریاتیک و همین طور در زیر یخ های ضخیم قطب جنوب نصب کرده اند. این آشکارسازها قادر خواهند بود نور ضعیف حاصل از بر هم کنش نوترینوها با مولکول های آب را ثبت کنند.

سناریوی دوم، مبتنی بر آشکار سازی مستقیم ذرات ماده تاریک توسط بلور ژرمانیم است. نمونه پیشرفته یی از این آزمایش در ۷۴۰ متری زیر زمین در یک معدن آهن در مینه سوتای امریکا در حال انجام است. هیچ کدام از این آزمایش ها تاکنون موفق به آشکارسازی مستقیم ماده تاریک نشده اند.

۶) راز ششم؛ آیا تمامی ماده شناخته شده جهان، در کهکشان ها جمع شده اند


تنها ۱۰ درصد از ماده معمولی جهان (که اصطلاحاً ماده باریونی نامیده می شود) در ستاره ها جمع شده اند. اینک اخترشناسان با استفاده از نور اختروش ها (که در فاصله هایی بسیار دور از زمین واقعند و از سیاهچاله ها نیرو می گیرند) درصدد یافتن ماده باریونی بیشتری در جهان هستند. چنانچه نور اختروش ها در مسیر طولانی خود تا رسیدن به زمین از میان ماده باریونی گازی شکل عبور کند، اتم های گاز تاثیر خود را به شکل خطوط جذبی روی طیف نوری اختروش، نقش می زنند. اما اخترفیزیکدان ها تاکنون از این طریق، ماده باریونی اندکی را نسبت به آنچه تصور می کردند، یافته اند. پس تمام باریون ها کجا رفته اند؟

اغلب اخترفیزیکدان ها بر این باورند که آنها جایی نرفته اند، بلکه هنوز هم در اعماق فضا شناورند. اما طی میلیاردها سالی که از تشکیل این ابرهای باریونی می گذرد، برخورد اتم های تشکیل دهنده آنها با همدیگر دمای گاز را تا حدود یک میلیون درجه سانتیگراد افزایش داده است. از آنجایی که گاز در چنین دمایی نور چندانی را نه جذب می کند و نه تابش، آشکاری آن به این روش برای اخترشناسان، بسیار دشوار خواهد بود.


«دیوید واینبرگ» و همکارانش با به کارگیری تلسکوپ فضایی تابش X چاندرا سعی در یافتن شواهدی مبنی بر وجود گاز باریونی در هاله ماده تاریک (که کهکشان ها را دربر گرفته است) کرده اند. او اینک تا ۹۰ درصد از یافتن نشانه های گاز باریونی در طیف جذبی تابش X مطمئن است اما حصول اطمینان بیشتر، نیازمند زمان رصد طولانی تری خواهد بود.

۷) راز هفتم؛ انرژی تاریک چیست

انرژی تاریک، پدیده اسرار آمیز و ناشناخته یی است که انبساط جهان را شتاب می بخشد. برای آنکه این انرژی، شتاب فعلی انبساط جهان را تامین کند، باید در حدود ۷۳ درصد کل چگالی جهان را تشکیل دهد. اساسی ترین مساله در این مورد آن است که هیچ کس از ماهیت این انرژی که چنین نقش شگفت انگیزی ایفا می کند، اطلاعی ندارد. «مایکل ترنر» از دانشگاه شیکاگو می گوید؛ «تنها کاری که تاکنون توانسته ایم در ارتباط با این پدیده انجام دهیم، صرفاً نام گذاری آن بوده است. این انرژی ممکن است از هیچ (خلأ) حاصل شده یا تاثیری از سایر ابعاد مکانی پنهان در هستی باشد.» هرچند انرژی تاریک، نقش یک نیروی دافعه کیهانی نظیر ضدگرانش را ایفا می کند اما نمی توان آن را صرفاً یک نیرو به حساب آورد، چرا که این نیروی دافعه تابع ویژگی های ذرات مادی نبوده و مستقیماً روی فضا عمل می کند.


۸) راز هشتم؛ چگالی جهان چقدر است


ماده موجود در جهان در برابر انبساط آن مقاومت می کند. بنابراین اگر انرژی تاریک وجود نداشت، انبساط جهان به تدریج متوقف شده و به انقباض تبدیل می شد و نهایتاً جهان درهم فرومی پاشید. اما انرژی تاریک با نیروی دافعه خود از این کار جلوگیری می کند. انرژی تاریک، مسبب شتاب گرفتن انبساط جهان است. بنابراین اگر چگالی انرژی تاریک، ثابت بوده یا حداقل مقدار مثبتی باقی بماند، در این صورت، انبساط جهان با سرعتی فزاینده ادامه خواهد یافت. اما این احتمال نیز وجود دارد که چگالی انرژی تاریک، ثابت نبوده و متغیر باشد و حتی ممکن است مقداری منفی پیدا کند که در آن صورت، جهان را به سوی فروپاشی خواهد برد. «مارتین ریس»، اخترفیزیکدان دانشگاه کمبریج می گوید؛ «اگر چگالی انرژی تاریک حتی به میزان اندکی منفی شود، می تواند منجر به فروپاشی تمامی جهان شود.» اکنون ماهیت انرژی تاریک بر ما پوشیده است و بنابراین از سرنوشت جهان هم بی خبریم چرا که سرنوشت جهان، وابسته به انرژی تاریک است...
پاسخ
 سپاس شده توسط مهسا.م ، نوید خزدوز


موضوعات مرتبط با این موضوع...
موضوع نویسنده پاسخ بازدید آخرین ارسال
  فیزیک جدید و پیشرفت فیزیک محمد صالحی 0 103 26-02-2014، 01:43 PM
آخرین ارسال: محمد صالحی

پرش به انجمن:


کاربرانِ درحال بازدید از این موضوع: 1 مهمان