2016/09/27

فیزیک نسبیت و کوانتوم سده 20 

 دکتر بیژن باران

 

در سده 20 فیزیک مدرن از ساختار ریز عناصر تا کلان منظومه شمسی آغاز شد. فیزیک مدرن با آینشتاین، لورنتز، پلانک؛ کوانتوم مکانیک با دیراک، شرویدینگر، هایزنبرگ، فرمی؛ سیستم اطلاعات با شانون، وینر، تورینگ؛ فضاشناسی با هابل، هاکینگ، زویکی به شناخت نوین کیهان رسید. تمام جهان مریی و اصول آن تنها 5% کیهان بوده؛ 95% ناشناخته برای انسان است.

در سده 21 اتحاد 4نیروی طبیعت گرانش، برق-کهربا، هسته ای ضعیف، هسته ای قوی در مدل استاندارد نیروهای متحد طبیعت با درج ذرات بنیادی مانند کوارک، نوترینو، بوزون در 4نیرو کاملتر شده؛ ولی هنوز سازگاری نسبیت با کوانتوم دنبال می شود. این رهیافت تجربی اشتراک ذرات بنیانی در 4نیرو بر خلاف راهکرد آینشتاین با ریاضیات و اصول فیزیک برای نظریه واحد 4نیرو می باشد.

این 2 فیزیک نسبیت و کوانتوم در جهان مریی مادی ذره و موج جایی برای ماوراء فیزیک نشان نمی دهند. نسبیت کهکشانها را با سیاهچاله ها، پرتوهای کیهانی، نسبی بودن فضا و زمان، همارزی جرم و انرژی تبیین کرد. کوانتوم عدم قطعیت در اندازه گیری، کنشهای شیمیایی، یونیزه شدن اتم، بسته های انرژی را تبیین کرد. راه آتی فیزیک سازگاری این 2 جهش علمی بسوی تبیین تئوری اتحاد میدانی 4نیروی جهان می باشد. این 2 جهش در هنر نقاشی با چندناظر در کوبیسم و ادبیات همزمانی در نمایش و فیلم هم اثر گذاشتند.

در آغاز سده نسبیت آینشتاین با تاکید بر ذره و مکانیک کوانتوم با تاکید بر موج شناخت جهان مادی کلان کهکشانها و ریز اتم، انقلاب فرهنگی پدید آوردند. آینشتاین 1879-1955 آلمانی، نظریّه نسبیت، معروف‌ترین فرمول/ دیسول E=mc**2  او در افواه افتادند. این فرمول هم‌ارزی در ربط ماده و انرژی بوده؛ c سرعت نور در خلأء، m جرم، E انرژی اند.

علاوه بر این، او در بسط تئوری کوانتوم و مکانیک آماری سهم عمده‌ای داشت؛ گرچه خود آنرا نپذیرفت. اینشتاین جایزه نوبل فیزیک ۱۹۲۱ را برای کشف قانون اثر فوتو الکتریک یعنی تبدیل نور به برق گرفت. او با انسانگرایی، عدالتگرایی، هوش، طنز، شخصیت برونگرا، کشفیات فراوان نامیترین فیزیکدان است.

نسبیت خاص دربارهٔ اندازه‌گیری در چارچوب مرجع لخت  Inertialاست. در ۱۹۰۵ اینشتاین آنرا در باب الکترودینامیک اجسام متحرک نشر کرد. می‌توان با کاربرد دو اصل جرم-انرژی و فضازمان، ترکیب آنها با سایر قوانین فیزیک به هم‌ارزی جرم و انرژی در بمب اتمی رسید. نسبیت خاص با مکانیک نیوتن در حوزه مشترک شان در سرعتهای کمتر از نور همخوانی دارد. در بررسی ذرات در حرکت با سرعت‌ نزدیک نور نسبیت خاص غالب می‌شود. سرعت نور 300 هزار کیلومتر/ ثانیه است.

مکانیک نیوتن با تبدیلات گالیله و مکانیک نسبیت با تبدیلات لورنتز تفاوت دارند. تبدیلات لورنتز بن نسبیت خاص اند که تنها سرعت یک پدیده مشخص نبوده؛ بلکه ویژگی بنیادی جهان است که فضا و زمان با یکدیگر به شکل فضا زمان یکپارچه گشته‌اند. یکی از پیامدهای این نظریه این است: ذره‌ای که جرم لخت دارد هرگز سرعتش به نور نمی‌رسد.

 اصل گالیله بقرار زیر است: تمام حرکات یکنواخت نسبی اند. هیچ حالت سکون مطلق و تعریف شده‌ای در چارچوب مرجع برتر وجود ندارد. اینشتاین اصل گالیله را در سرعت نور هم بکار برد. او نسبیت را تنها در مورد ویژه چارچوبهای مرجع لخت به کار برد. یعنی چارچوبهای مرجع نسبت به یکدیگر با سرعت یکنواخت حرکت می‌کنند. این حالت کلی تر برای هر چارچوبی که قادر به تغییر مختصات عمومی است، صادق می باشد. تبیین گرانش بمثابه یک ویژگی هندسهٔ ریمانی فضا زمان می‌باشد. او گرانش را بمثابه امری هندسی و نه یک نیرو بررسی می‌کند.

با تاکید بر موج، مایکلسون مورلی 1887 در آزمایش بی نیازی نور به واسطه اثیر برای گذر نشان دادند: سرعت نور عمودی بدون "اثیر" و افقی در "اثیر" مساوی بوده؛ پس فضا از اثیر پر نبوده؛ خلاء است. این آزمایش به نسبیت خاص کمک کرد که در باره رابطه نور با سرعت، عدم اثیر در فضا، رابطه فضا و زمان، رابطه جرم و انرژی، همزمانی، سرعت ثابت نور در خلاء برای ناظران ثابت است. ازمایش عدم اثیر نیز برای تابش ماده/ سیاهچاله، معادلات میدانهای مشترک، مکانیک کوانتوم، اختروشهای میکرو، هسته فعال کهکشانها راه را باز کرد.

نسبیت عام 1915 در باره هندسه گرانش با تعمیم نسبیت خاص و جاذبه نیوتن بود. وجود امواج گرانش، گسترش کیهان، هندسه فضازمان، جرم سماوی مانند عدسیگی lensing گرانش در خم کردن تیغه نور را تبیین کرد. در فضا جرم سماوی مانند عدسی گذر نور را می شکند. با عدسیگی، گرانش جرم بین منبع نور و ناظر، نور را خم کرده؛ تصاویر چندگانه برای ناظران بنا به میدانهای گوناگون گرانشی تولید می شوند.

 

قوانین فیزیک در همه محور مختصات بی شتاب یکسان اند. با تعمیم‌های نسبیت پایهٔ نظری گرانش در کیهان ‌شناسی، خمش فضازمان مستقیماً با انرژی و تکانهٔ کل ماده و تابش موجود متناسب است. این رابطه با معادلات دیفرانسیل با مشتقات پاره‌ای به نام معادلات میدان اینشتاین بیان می‌شود. آینشتاین تناقض مکانیک نیوتن و معادلات الکترومغناطیس را حل کرد. گفت: در سرعت طول اتساع/ طویل و زمان کوتاه می شود؛ زمان مطلق نبوده؛ زمان و جرم بنا به محور مختصات نسبی اند. ویکی پیدیا/ نسبیت

 

او گفت: فضا خلاء نیست؛ فضا زمان خمیده است؛ جرم فضا را خم می کند. خم شدن نور بر اثر گرانش می‌تواند به پدیدهٔ همگرایی گرانشی منجر شود. بر اثر میداهان چندین تصویر از یک جسم اخترفیزیکی دور دست از چندین راه با اجرام متفاوت در آسمان دیده می‌شود. تئوری نسبیت عام یک ثابت کیهانی برای کیهان ایستا دارد که با کشف هابل بهم ریخته شد.

 

ثابت آینشتاین برای گرانش، تعمیم جی در معادله نیوتن است. آینشتاین این ثابت را خبط نامید. ولی ثابت کیهانی آینشتاین برای انرژی تاریک کاربرد دارد. یعنی فضای خالی انرژی خود را دارد. این ثابت نشان می دهد: با پیدایش فضای بیشتر، انرژی بیشتر به کیهان افزوده می شود. گسترش انرژی تاریک فضا می سازد.

 

نظریه نسبیت در اخترفیزیک هم مهم است. وجود سیاهچاله‌ها را بمثابه وضع پایانی ستاره‌های بزرگ پیش‌بینی می‌کند. شواهد فراوان اند که تابش شدید از برخی اجسام اخترفیزیکی ناشی از وجود سیاهچاله‌های مرکزی آن است. مثلاً ریزاختروش‌ها و هستهٔ کهکشانی فعال، به‌ترتیب نتیجهٔ وجود 2نوع سیاهچاله ‌ستاره‌وار و کلان‌جرم اند.

 

همچنین او موج گرانش را پیش‌بینی کرد. در سپتامبر 2015 پس از 100 سال، "رصدخانه لیزری تقاطع موج گرانش" لایگو امواج گرانش در تصادم 2سیاهچاله را یافت.  لذا این رصدخانه در اثبات نسبیت عام داده هایی یافت. لیزر تابش نور تک بسآمد/ فرکانس فشرده مانند سرخ و قوی شده است که برای طب، مهندسی، پژوهش بکار می رود. یکی از دانشمندان این حوزه جوان 1395-1305 زاده تهران است. او در ام آی تی در دهه 1960 این فنآوری را برای گاز نئون/ قرمز تکامل داد.  https://www.ligo.caltech.edu/

 

گرچه قبلاً وجود امواج گرانشی غیرمستقیم گزارش شده‌بود. رصدخانه زمینی لایگو، فضایی لیسا، آژانس فضایی اروپا برای آشکارسازی این امواج راه‌اندازی شدند. پایهٔ مدل‌های کنونی کیهان‌شناسی، برمبنای جهانِ در حال انبساط است. پیش‌ بینی‌های این نظریه مانند گذر زمان، هندسهٔ فضا، حرکت اجسام در سقوط آزاد و انتشار نور با پیش‌بینی‌های فیزیک کلاسیک تفاوت دارند. http://lisa.nasa.gov/

 

نسبی بودن هم‌زمانی، انقباض طول، ترکیب سرعتها، سایر پیامدها، چرخش توماس، هم‌ارزی جرم و انرژی، علیت و ممنوعیت حرکت سریعتر از نور، هندسه فضازمان، مقایسه بین فضای تخت اقلیدسی و فضای منحنی مینکوفسکی، فضازمان 3 بعدی، فضازمان 4 بعدی را نیز می توان بیان کرد. همچنین تعریف جرم در نسبیت عام به سادگی فیزیک کلاسیک و حتی نسبیت خاص نیست. برخی از این کشفیات غیر شهودی اند. او مفهوم کلاسیک بازه زمانی ناوردا/ اینرورینت برای دو رویداد را با مفهوم ناوردایی بازه فضازمان تعویض کرد. https://fa.wikipedia.org/wiki/ /نسبیت_خاص  

 

سیستمها زمان وردا variant یا زمان ناوردا invariant می باشند. اولی خروجی سیستم تابع زمان است؛ دومی خروج سیستم مستقل از زمان است. نمونه دستگاه وردا انسان است که رفتار تابع سن/ زمان می باشد؛ ظاهر درخت تابع فصول/ زمان است؛ خراب شدن میوه در گرما تابع تعداد روزها/ زمان است. دستگاه خطی ناوردا در زلزله شناسی، مدارات رایانه ای، پردازش سیگنال، تئوری کنترل بکار می رود.

 

در نسبیت عام  امور زیر تبیین یافته اند: 1-محدودیت سرعت اجسام مادی به سرعت نور، پیامدهایی در مورد ساختار سببی فضازمان در بر دارد؛ زیرا تأثیر رویدادها و در نتیجه علّیت نیز محدود به سرعت نور می‌باشند. 2-این محدودیت به تعریف افق‌ها می‌انجامد که مرزبندی‌هایی در فضازمان اند. نمونه: افق ذره و افق رویداد، به ترتیب، برخی نواحی از گذشته و آینده را دسترس ناپذیر می‌نمایند.

 

3-تکینگی  Singularityگسستگی یا بینهایتی در نقاطی در هندسهٔ فضازمان است. 4-برخی پاسخ‌های معادلات میدان اینشتاین، تکینگی‌های آینده، سیاهچاله‌ها، گذشته مانند تشکیل کهکشانها، مهبانگ را مشخص می‌کنند. ماهیت تکینگی‌ها را برخی توصیف کرده اند. 5-نمی‌توان برای جرم یک سامانه کلی تعریف کرد؛ پس اِی‌دی‌اِم، کُمار، بوندی برای جرم پدید آمده‌اند.

 

6-پیش‌بینی‌های آن در همه مشاهدات و آزمایشات تا کنون تصدیق شده‌اند. 7- پدیده‌هایی چون اتساع/ کش آمدن طول و کندتر بودن گذر زمان در نزدیکی میدان‌ گرانشی قوی، همگرایی گرانشی که به خمیده شدن نور در یک میدان گرانش قوی اشاره دارد؛  گرانش، زمان گرانشی، شیفت قرمز/ انتقال به سرخ گرانشی نور، را می توان توضیح داد. 8-این تنها نظریهٔ نسبیتی موجود برای گرانش نیست، بلکه ساده‌ترین است که با داده‌های تجربی همخوانی دارد.

*

از آغاز سده 20 موجیت ماده در آثار شرویدینگر، هایزنبرگ، پاولی، بوهر، پلانک و آزمایشات بعدی تحکیم شد. در مکانیک کوانتوم، ذره با بستهٔ موج تبیین شده. کوانتوم بمعنی بسته انرژی ماده را بصورت موج بررسی می کند. این اصل در باره محدودیت اندازه‌گیری کمیت‌های خاصی نبوده؛ بلکه ناشی از طبیعت در مکانیک کوانتوم است.

 

ثابت پلانک در کوانتوم تابش جسم سیاه یا انرژی فوتون با بسآمد v یک موج E = hv، است. او در 1900 نور را در ذرات فوتون کشف کرد. بوهر هم مدارات الکترون در بندهای انرژی بدور هسته اتم را تبیین کرد. شرودینگر توصیف ذرات را با موج در زمان تبیین کرد. اگر اندازه‌گیری مکان ذره مد نظر باشد، طبق معادلات، ذره می‌تواند در هر مکانی که دامنهٔ موج صفر نیست، وجود داشته باشد. پس عدم قطعیت در مکان با تکانه ذره است. برای به دست آوردن مکان دقیق ذره، این بستهٔ موج باید تا حد ممکن فشرده شود. اصل عدم قطعیت مربوط به اثر بیننده است.

 

در مکانیک نیوتن کمیت و اندازه‌گیری مقادیر پیش بینی پذیر اند، خطا در آزمایش و آزمایشگر ممکن است. در مکانیک کوانتوم نمی‌توان کمیت‌های زوج مانند مکان و تکانه را بدقت اندازه‌گرفت. دقیق شدن یکی، روی متغییر دوم اثر گذارد. اصل عدم قطعیت Uncertainty  را هایزنبرگ ۱۹۲۶ فرموله کرد. پس همزمان سرعت و مکان الکترون را با قطعیت نمی توان تعیین کرد.

 

هرچند پرسش‌هایی هستند که هنوز بی‌پاسخ ‌اند. شاید پایه‌ای‌ترین آن‌ها این باشد: چگونه می‌توان نسبیت عام را با قوانین فیزیک کوانتوم آشتی داد؟ تا بتوان به نظریه‌ای کامل و خودسازگار برای گرانش کوانتومی دست یافت. نیما اردکانی در این مورد کار می کند. اثبات سازگاری مکانیک کوانتوم با نسبیت عام در باره فضا زمان در میدان گرانش تاکنون ناممکن بوده.

 

در سده 21 این سازگاری ممکن خواهد شد. هاوکینگ در این زمینه غور می‌کند تا مدلهای فراوان ذرات زیراتمی را بهم موافق کرده؛ تا رویای ناموفق آینشتاین در تئوری اتحاد میدانها را تبیین کند. این تئوری 4نیروی بنیانی طبیعت یعنی نیروی قوی، نیروی ضعیف، الکترو مغناطیس و گرانش را ناشی از یک پدیده واحد انگارد.

 

مکانیک کوانتوم در برخی فرایندهای زیستی نیز وجود دارد: 1- فتوسنتز گیاهان که قبلا بیوشیمی انگاشته می شد. 2-یاخته عصب مغز در فرایند تفکر و تخیل که فرایند الکتریک و بیوشیمی پنداشته می‌شد. 3- یاخته عصب حلزون دریایی برای پردازش اطلاعات نیز تابع مکانیک کوانتوم است. ویکیپیدیا/ مکانیک کوانتومی

*

در فیزیک مدرن مقوله اطلاعات چه در حافظه رایانه چه در دی ان ای ژنتیک- مطرح شد. شانون 1916-2001 آن را با ریاضیات تعریف، ایجاد، انبار، ترابری، استحاله اطلاعات/ انفورماسیون در کانال مخابرات و ارتباطات تبیین کرد. وینرز 1894-1964 ارتباطات سایبرنتیک یعنی ارتباط گیری در بیولوژی، نورولوژی، کامپیوتر، کنترل، مهندسی فیدبک را ارایه داد. تورینگ 1912-1954 مدل ریاضی ماشینی طرح کرد که یک دسته اصول با ورودی متغیرها را به نتیجه گیری می رساند. این ماشین بنیان رایانه و فنآوری دیجیتال شد.

 

منابع.  ‏2016‏/09‏/26

http://www.slideshare.net/smullen57/1-history-of-astronomy?next_slideshow=1

فرهنگستان زبان فارسی، وردیدن/ تغییر را بجای فعل to varry از ریشه باستانی ورت /ورتیدن برگزید. مشتقات وردایی variance، وردش  variation، وردا  variant، هم‌وردا  covariant، هم وردایی  covariance، ناوردا  invariant، ناوردایی  invariance، پادوردا contravariance  را از این فعل برساخت. این نوع واژه سازی زبان فارسی را غنیتر می کند. چون واژه کلیدی و مهم برای یک دوجین واژه هم ریشه درست می شود. دیسول = دیس/ شبیه در تنددیس + ول پسوند تصغیر در کوچول. آنگستروم 10 به قوه 10- متر است.

 

Accelator شتابدهنده

Astronomy نجوم

Blackhole سیاهچاله

Baryonباریون

Beta decay واپاشی بتا

Big Bang مهبانگ

Big Dipper دب اکبر

CERN مرکز تحقیقات هسته‌ای اروپا

Clump لخته

CMBR تابش موج میکرو زمینه کیهانی

Collider برخورددهنده 

Commetشهاب

Cosmicکیهانی

Cosmology کیهانشناسی

Densityچگالی

Detector آشکارگر

CDMS Cryogenic Dark Matter Search جستجوی ماده تاریک سردخانه

Elastic کشسان

Energyانرژی

Field میدان

Formula دیسول

Galaxyکهکشان

General relativity   نسبیت عام

Gravitationگرانش

IceCube Neutrino Observatory رصدخانه نوترینو قطب جنوب

Implosion رمبش

Inertial frame of reference چارچوب مرجع لخت

Interaction اندرکنش، برهمکنش  

LHC برخورددهنده بزرگ هادرون

LIGO Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory رصدخانه موج گرانش لیزر تداخلگر

LISA space-borne gravitational wave detector آشکارگر موج گرانش فضایی

LSS ساختار بزرگ مقیاس/ خوشه کهکشان

Lens/ lensing عدسیگی

Lepto لپتو

LSST Large Synoptic Survey Telescope تلسکوپ رصدگر فواصل زیاد

MACHO جسم هاله مترکم

Mass جرم

Matter ماده

MeV مگا الکترون ولت

Meson مزون

Microwave موج میکرو

MOND تحریفشده دینامیک نیوتن

Neutrino نوترینو

Pion پیون

Planetسیاره

Pulsar wind nebula باد تپ اختر

Observatory رصدخانه

Quarkکوارک

Quasarاختروش

Radiationتابش، پرتو

Reactor نیروگاه

Rippleشکن

Sensor حسگر

Singularity تکینگی

SM مدل استاندارد

Spectrumطیف

Starستاره

Super اَبَرنووا/ نواختر

TeV ترا الکترون ولت

Transform تبدیلات، دگردیسی

Uniform یکنواخت

Universe کیهان

Variant وردا

Wave موج

WIMP ذرات حجیم همکنشی ضعیف

 

 

به بقیه گزیده های مقالات دکتر بیژن باران کلیک نماید  

 

 
 

admin@vatandar.at

 
 مدیر مسوول : انجنیر هما یوسفی
صاحب امتیاز : انجنیرنجیب یوسفی
کليه ی حقوق بر اساس قوانين کپی رايت  محفوظ و متعلق به وطندار می باشد