قویترین برخورددهنده ذرات

چین به دنبال ساخت قویترین برخورددهنده ذرات جهان

دانشمندان چینی یک طرح اولیه مفهومی از ابربرخورددهنده ذرات را تکمیل کرده‌اند که بسیار بزرگتر و قویتر از همه شتاب‌دهنده‌های ذرات در زمین خواهد بود.

علم فیزیک - قویترین برخورددهنده ذراتقویترین برخورددهنده ذرات

به گزارش سرویس علمی ایسنا، وانگ ییفانگ، رئیس موسسه فیزیک انرژی بالا در آکادمی علوم چین اظهار کرد: ما طرح مفهومی اولیه را تکمیل کرده و اخیرا یک بازبینی دقیق بین‌المللی را سازمان‌دهی کرده‌ایم. طراحی مفهومی نهایی تا پایان سال ۲۰۱۶ تکمیل خواهد شد.

این موسسه تاکنون پروژه‌های اصلی فیزیک انرژی بالای چین از جمله برخورددهنده پوزیرترون‌الکترون پکن و تجربه راکتور نوترینوی خلیج دایا را اجرا کرده است.

اکنون دانشمندان یک شتاب‌دهنده جدید جاه‌طلبانه‌تر با هفت برابر انرژی بیشتر از برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در اروپا را ارائه کرده‌اند.

برخورددهنده پوزیترون‌الکترون دایره‌ای (CEPC) با محیط ۵۰ تا ۱۰۰ کیلومتر به تولید میلیون‌ها ذره بوزن هیگز خواهد پرداخت که به درک دقیقتر کمک خواهد کرد.

وانگ گفت: مسیر فنی مورد انتخاب ما با برخورددهنده بزرگ هادرونی که با برخورد دادن ذرات پروتون به یکدیگر، ذرات هیگز را به همراه بسیاری از ذرات دیگر تولید می‌کند، متفاوت است.

کارخانه بوزون هیگز تنها یکی از گامهای این طرح جاه‌طلبانه است. فاز دوم پروژه که برخورددهنده ابرپروتون-پروتون (SPPC) نام دارد، یک نسخه کاملا ارتقا یافته از برخورددهنده بزرگ هادرونی است.

برخورددهنده بزرگ هاردونی در اوایل سال ۲۰۱۳ برای ارتقای بیشتر خاموش شد و مجددا در ماه ژوئن سال جاری با سطوح انرژی دو برابر شده ۱۳ تراالکترون‌ولت آغاز بکار کرد.

ماهیت الکتریکی ماده تاریک

نظریه جدید در مورد ماهیت الکتریکی ماده تاریک

دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس‌لیورمور کالیفرنیا معتقدند که ماده تاریک ممکن است ترکیبی از ذرات با بار الکتریکی باشد که به کمک یک نیروی ناشناخته، پیوندی غیرقابل تشخیص داشته باشند.

علم فیزیک - ماهیت الکتریکی ماده تاریکماهیت الکتریکی ماده تاریک

به گزارش سرویس علمی ایسنا منطقه خراسان، دانشمندان معتقدند که ماهیت ذرات الکتریکی ماده تاریک تنها به کمک برخورددهنده بزرگ هادرونی یا تجهیزات آزمایشگاه زیرزمینی سرن قابل شناسایی است.

ماده تاریک بخش اعظم ساختار جهان ما را می‌سازد، به طوری‌که طبق برآوردهای انجام شده حدود ۸۰ درصد از جرم کیهان از ماده تاریک تشکیل شده است.

متاسفانه به خاطر ماهیت غیرقابل شناسایی بودن این ماده، اطلاعات دانشمندان در مورد این پدیده پیچیده و جالب‌توجه بسیار اندک است.

متخصصان فیزیک نجومی معتقدند که حضور ماده تاریک طبق اثر گرانشی آن‌ها در خوشه‌های کهکشانی کاملا مشهود است، اما شناسایی آن به علت وجود ذرات فراری که با مواد رایج در جهان واکنشی نشان نمی‌دهند، بسیار دشوار و ناممکن است.

پروفسور پل ورناس با همکاری گروهی از دانشمندان به کمک فناوری شبیه‌سازی رایانه‌ای موفق شدند تا مدل موسوم به ماده‌تاریک‌ نهان را برنامه‌ریزی و شبیه‌سازی کنند.

به کمک این مدل می‌توان رفتار پنهان‌کار ماده تاریک، ذرات سازنده و نیروی پنهان آن را تا حدی توضیح داد.

مدل ماده تاریک‌ نهان نشان‌دهنده ثبات ماده تاریک است، اما در این مدل به حجم عظیم مواد باردار الکتریکی که دارای هسته‌ ناپایدار هستند نیز اشاره شده است.

ذرات باردار ماده تاریک تحت تاثیر دمای بسیار بالای پلاسما در لحظه انفجار بزرگ وادار به واکنش با مواد معمولی شده‌اند.

پروفسور ورناس در مورد مفهوم تعامل ذرات ماده تاریک گفت: شناسایی فعل ‌و انفعالات مواد در لحظات اولیه تولد جهان کاملا حیاتی است، چرا که فراوانی مواد معمولی و ماده تاریک کاملا یکسان است.

وی در ادامه افزود: با کاهش تدریجی دمای کیهان پس از انفجار بزرگ، ماده تاریک با شروع فعالیت پنهان تشکیل پیوند جدید بین ذرات ساخته شد. طبق محاسبات دانشمندان این پیوند‌ها به خوشه‌های الکتریکی خنثی با وزن چند‌ صد برابری پروتون تبدیل شده‌اند.

دانشمندان معتقدند که تجهیزات سرن به قدر کافی برای برگشت زمان و تولید دوباره شرایط تشکیل ماده تاریک قدرت دارند.

آن‌ها در مورد علت پنهان‌کاری ماده تاریک اظهار کردند: امروزه برای همه محققان ثابت شده که ماده تاریک کاملا نسبت به امواج الکترومغناطیس بی‌اثر است، پس بهترین نظریه در مورد ماهیت ماده تاریک، نظریه ذرات باردار الکتریکی است که طی یک پیوند ناشناس قادر به شناسایی نیستند.

اسکن مغزی دقیق با نخستین گرافن ابررسانا

اسکن مغزی دقیق با نخستین گرافن ابررسانا

فیزیکدانان موسسه مواد کوانتوم ونکوور در دانشگاه بریتیش کلمبیا و دانشمندان آلمانی بر این باورند لایه‌های کربن به نازکی اتم می‌توانند به ابررسانا تبدیل شوند.

علم فیزیک - اسکن مغزی دقیق با نخستین گرافن ابررسانااسکن مغزی دقیق با نخستین گرافن ابررسانا

به گزارش سرویس علمی ایسنا، ابررساناها موادی هستند که جریان برق را بدون تلف‌ کردن انرژی انتقال می‌دهند و این یافته‌ها می‌توانند به ساخت حسگرهای پیشرفته‌ای برای اسکن مغزی منجر شوند.

گرافن فوق‌العاده محکم بوده و ۲۰۰ برابر محکم‌تر از فولاد است این ماده دارای رسانایی بالاست و دانشمندان سراسر جهان به دنبال بررسی این موضوع هستند که آیا گرافن را می‌توان در مدارهای پیشرفته و ابزار الکترونیکی دیگر به کار برد یا خیر.

گرچه گرافن دارای خصوصیات الکترونیکی ویژه است تا پیش از این در حوزه ابررسانایی بر روی آن تمرکز نشده بود. ابررساناها جریان برق را با مقاومت صفر هدایت می‌کنند و می‌توانند منجر به ارائه خطوط نیروی کارآمدتری شوند.

ابررسانایی پیش‌تر در گرافن مشاهده شده بود و مدل‌های نظری نیز تاکید داشتند که گرافن می‌تواند در صورت داشتن افزودنی‌هایی، ابررسانا شود.

به تازگی تیمی بین‌المللی از دانشمندان نخستین گرافن ابررسانای دنیا را ارائه دادند و آن‌ را با اتم‌های لیتیم پوشاندند.

دانشمندان «موسسه تحقیقاتی وضعیت جامد» ماکس پلانک در اشتوتگارت آلمان ورقه‌های گرافن را تولید کردند و محققان دانشگاه بریتیش کلمبیا این گرافن را با اتم‌های لیتیم پوشاندند.

رکورد جدید سرعت برای دوربرد داده‌های کوانتومی

رکورد جدید سرعت برای دوربرد داده‌های کوانتومی

تیمی از محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری توانسته‌اند رکورد فاصله دوربرد کوانتومی را بشکنند.

علم فیزیک - رکورد جدید سرعت برای دوربرد داده‌های کوانتومیرکورد جدید سرعت برای دوربرد داده‌های کوانتومی

به گزارش سرویس علمی ایسنا، محققان توانسته‌اند اطلاعات کوانتومی را بر روی ذرات نور در فاصله ۱۰۰ کیلومتر فیبر نوری منتقل کنند که چهار برابر از رکورد قبلی بیشتر است.

این آزمایش تائید کرد که ارتباط کوانتومی بر روی فیبر در فواصل طولانی امکان‌پذیر است. سایر گروههای تحقیقاتی در فضای باز توانسته‌اند اطلاعات کوانتومی را به فواصل طولانی‌تر هم بفرستند، اما توانایی انجام این کار بر روی خطوط عادی فیبر نوری به ارائه انعطاف‌پذیری بیشتر برای طراحی شبکه می‌پردازد.

دوربرد کوانتومی شامل انتقال یا بازسازی از راه دور اطلاعاتی است که در حالت کوانتومی ماده یا نور کدگذاری شده است.

دوربرد هم در ارتباطات کوانتومی و هم محاسبات کوانتومی کاربرد داشته و چشم‌اندازهایی را برای قابلیتهای بدیعی مانند رمزگذاری غیر قابل شکست و رمز‌شکنی پیشرفته ارائه می‌کند.

روش پایه برای دوربرد کوانتومی اولین بار بیش از ۲۰ سال پیش در سال ۲۰۰۴ با استفاده از چند اتم توسط چند گروه تحقیقاتی از جمله یکی از گروههای موسسه ملی استاندارد و فناوری انجام شد.

رکورد جدید شامل انتقال اطلاعات کوانتومی از یک فوتون به فوتونی دیگر طی ۱۰۲ کیلومتر فیبر نوری در آزمایشگاه موسسه ملی استاندارد و فناوری در کلورادو بوده است.

این جزئیات در مجله Optica منتشر شده است.

نسبیت عام

نسبیت عام

نسبیت عام به انگلیسی (General relativity) نظریه‌ای هندسی برای گرانش است که در سال ۱۹۱۶ توسط اینشتین منتشر شد و توصیف کنونی گرانش در فیزیک نوین است. این نظریه تعمیمی بر نظریه نسبیت خاص و قانون جهانی گرانش نیوتون است که توصیف یکپارچه‌ای از گرانش به عنوان یک ویژگی هندسی فضا و زمان یا فضا–زمان ارائه می‌دهد.

این نظریه، گرانش را به عنوان یک عامل هندسی و نه یک نیرو بررسی می‌کند. در این نظریه فضا–زمان توسط هندسه ریمانی بررسی می‌شود. خمش فضازمان مستقیماً با انرژی و تکانه کل ماده و تابش موجود متناسب است. این رابطه توسط سیستمی از معادلات دیفرانسیل با مشتقات پاره‌ای به نام معادلات میدان اینشتین نمایش داده می‌شوند. پایهٔ نظری گرانش در کیهان‌شناسی، این نظریه و تعمیم‌های آن است.

نظریهٔ اینشتین جنبه‌های اخترفیزیکی مهمی دارد. مثلاً این نظریه وجود سیاهچاله‌ها را به عنوان وضعیت پایانی ستاره‌های بزرگ پیش‌بینی می‌کند. شواهد گسترده‌ای موجود است که تابش بسیار شدید منتشر شده از برخی انواع اجسام اخترفیزیکی ناشی از وجود سیاهچاله‌ها است. مثلاً ریزاختروش‌ها و هستهٔ کهکشانی فعال، به ترتیب نتیجه وجود سیاهچاله‌های ستاره‌وار و سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم هستند. خم شدن نور بر اثر گرانش می‌تواند منجر به پدیدهٔ همگرایی گرانشی شود که در اثر آن چندین تصویر از یک جسم اخترفیزیکی دوردست در آسمان دیده می‌شود. نسبیت عام همچنین وجود امواج گرانشی را پیش‌بینی می‌کند که تاکنون تنها به‌طور غیرمستقیم مشاهده شده‌اند. (در ۱۷ مارس ۲۰۱۴ دانشمندان در مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین طی مشاهداتی به نتایجی که تایید کننده نتایج گرانش کوانتومی، مه‌بانگ و انبساط کیهان از طریق امواج گرانشی بود دست یافتند، اما نتیجه این آزمایش نیز مشاهدهٔ مستقیم ـ به معنای اندازه‌گیری یک نوسان در فضازمان ـ به حساب نمی‌آید.) پروژه‌هایی همچون لیگو و پروژهٔ لیسا ی ناسا با هدف مشاهدهٔ مستقیم این امواج گرانشی راه‌اندازی شده‌اند. افزون بر این، نسبیت عام پایهٔ مدل‌های رایج کنونی کیهان‌شناسی، که بر مبنای جهانِ در حال انبساط هستند، را تشکیل می‌دهد.

برخی از پیش‌بینی‌های نسبیت عام به میزان قابل‌توجهی با پیش‌بینی‌های فیزیک کلاسیک تفاوت دارند؛ به ویژه آن‌هایی که مرتبط با گذر زمان، هندسهٔ فضا، حرکت اجسام در سقوط آزاد و انتشار نور هستند. پدیده‌هایی چون اتساع زمان گرانشی، انتقال به سرخ گرانشی نور و تأخیر زمانی گرانشی که ناشی از کندتربودن گذر زمان در نزدیکی میدان‌های گرانشی قوی است، همگرایی گرانشی که به خمیده‌شدن نور در یک میدان گرانشی قوی اشاره دارد و حرکت تقدیمی مدار سیارات نمونه‌هایی از این تفاوت‌ها هستند. همچنین تعریف جرم در نسبیت عام به سادگی فیزیک کلاسیک و حتی نسبیت خاص نیست، در واقع در نسبیت عام نمی‌توان تعریفی کلی برای جرم یک سامانه ارائه داد و تعریف‌های گوناگونی همچون جرم اِی‌دی‌اِم، جرم کُمار و جرم بوندی پدید آمده‌اند.

محدودیت سرعت اجسام مادی به سرعت نور در نسبیت عام، پیامدهایی در مورد ساختار سببی فضازمان دربردارد، زیرا تأثیر رویدادها و در نتیجه علّیت نیز محدود به سرعت نور می‌باشند. این محدودیت در نسبیت عام به تعریف افق‌ها می‌انجامد که مرزبندی‌هایی در فضازمان هستند. از جملهٔ افق‌ها می‌توان به افق ذره و افق رویداد اشاره‌کرد که به ترتیب برخی نواحی از گذشته و آینده را غیرقابل دسترسی می‌نمایند.

یکی از ویژگی‌های ابهام‌آمیز نسبیت عام تکینگی‌ها هستند که در آن‌ها هندسهٔ فضازمان تعریف نشده‌است. برخی از پاسخ‌های معادلات میدان اینشتین، مانند پاسخ شوارتزشیلد و پاسخ کر تکینگی‌های آینده (تکینگی‌های سیاهچاله‌ها) و برخی دیگر مانند پاسخ فریدمان–لومتر–رابرتسون–واکر تکینگی‌های گذشته (تکینگی مهبانگ) را مشخص می‌کنند. ماهیت تکینگی‌ها همچنان در هالهٔ ابهام قرار دارد، هرچند که تلاش‌هایی در زمینه توصیف ساختار آنها صورت گرفته‌است.

پیش‌بینی‌های نسبیت عام در تمام مشاهدات و آزمایش‌هایی که تا به امروز انجام گرفته‌است، تأیید شده‌اند. نسبیت عام تنها نظریهٔ نسبیتی موجود برای گرانش نیست، بلکه ساده‌ترین نظریه‌ای است که با داده‌های تجربی همخوانی دارد. هرچند که پرسش‌هایی هستند که هنوز بی‌پاسخ مانده‌اند و شاید پایه‌ای‌ترین آن‌ها این باشد که چگونه می‌توان نسبیت عام را با قوانین فیزیک کوانتومی آشتی داد تا بتوان به نظریه‌ای کامل و خودسازگار برای گرانش کوانتومی دست یافت.

تاریخچه

اندکی پس از انتشار نظریه نسبیت خاص در سال ۱۹۰۵، اینشتین در این اندیشه بود که چگونه می‌تواند گرانش را در چارچوب نسبیتی جدیدش جای دهد. در سال ۱۹۰۷ با شروع از یک آزمایش فکری شامل یک مشاهده‌گر در سقوط آزاد، جستجویی هشت ساله برای دستیابی به نظریه‌ای نسبیتی برای گرانش را آغاز کرد. پس از اشتباهات و انحرافات متعدد سرانجام کار او در قالب آنچه امروزه معادلات میدان اینشتین می‌خوانیم، حاصل داد و در نوامبر ۱۹۱۵ به آکادمی علوم پروشن ارائه شد. این معادلات بیان می‌کنند که چگونه هندسهٔ فضا و زمان از کل ماده و تابش موجود تأثیر می‌پذیرد و هسته نسبیت عام اینشتین را تشکیل می‌دهند.

معادلات میدان اینشتین غیرخطی هستند و از این رو یافتن پاسخ برای آنها بسیار دشوار است. در حل مسائل مربوط به اولین پیش‌بینی‌های نظریه اش، اینشتین از روشهای تقریبی استفاده نمود. اما دیری نپایید که در سال ۱۹۱۶ اخترفیزیکدانی به نام کارل شوارتزشیلد نخستین پاسخ غیربدیهی برای معادلات اینشتین را پیدا کرد که با نام متریک شوارتزشیلد شناخته می‌شود. این پاسخ امکان توصیف مراحل نهایی رمبش گرانشی و تشکیل اجسامی که امروزه به نام سیاهچاله می‌شناسیم، را فراهم نمود. در همان سال نخستین گام‌ها برای تعمیم پاسخ شوارتزشیلد به اجسام باردار آغاز شد. نتیجه این تلاش‌ها متریک رایسنر–نوردشتروم بود که امروزه با سیاهچاله‌های دارای بار الکتریکی مرتبط است. در سال ۱۹۱۷ اینشتین نظریه‌اش را در مورد جهان به عنوان یک کل به کارگرفت و شاخه کیهان‌شناسی نسبیتی را پایه‌گذاری نمود. در آن زمان اینشتین در راستای اندیشه غالب عصر خود جهان را ایستا می‌پنداشت و به همین دلیل پارامتر جدیدی– ثابت کیهانی – را به معادلات اولیه خود افزود تا بتواند آن مشاهده را در نظریه‌اش تکرار نماید.اما تا سال ۱۹۲۹ در نتیجهٔ کار هابل و سایرین مشخص شده بود که جهان ما در حال انبساط است. انبساط جهان به خوبی توسط بسط جواب‌های کیهانی که توسط الکساندر فریدمان در سال ۱۹۲۲ ارائه شد و نیازی به ثابت کیهانی ندارند، قابل توضیح است. با استفاده از این جوابها لومتر اولین نسخه از نظریه مهبانگ را فرمول‌بندی کرد که در آن جهان از یک حالت بی‌نهایت داغ و چگال اولیه بوجود آمده است. بعدها اینشتین ثابت کیهانی را بزرگترین اشتباه زندگی خود خواند.

در خلال آن دوران، نسبیت عام کنجکاوی بسیاری از فیزیک‌دانان نظری را برانگیخته بود. این نظریه به وضوح از گرانش نیوتن برتر بود زیرا با نسبیت خاص سازگار بود و از عهده توضیح بسیاری از پدیده‌هایی بر می‌آمد که نظریه نیوتنی از توضیح آنها ناتوان بود. خود اینشتین در سال ۱۹۱۵ نشان داد که چگونه نظریه‌اش حرکت تقدیمی غیر عادی حضیض خورشیدی سیاره تیر را بدون استفاده از هیچ‌گونه پارامتر اختیاری توجیه می‌کند. به طور مشابهی در سال ۱۹۱۹، طی اکتشافی که توسط ادینگتون صورت گرفت، پیش بینی نسبیت عام در مورد انحراف نور ستاره‌ها در طی خورشیدگرفتگی ۲۹ مه ۱۹۱۹، تأیید گردید.و باعث شهرت فوری اینشتین شد. اما تنها با گسترش‌هایی که بین سالهای ۱۹۶۰ تا ۱۹۷۵ صورت گرفت این نظریه وارد جریان اصلی فیزیک نظری و اخترفیزیک شد و از این رو، این دوره را عصر طلایی نسبیت عام می‌خوانند.به تدریج فیزیکدانان مفهوم سیاهچاله را درک نمودند و اختروش‌ها را به عنوان نمونه‌ای از تجلی اخترفیزیکی این مفهوم شناسایی کردند. آزمایش‌هایی دقیق‌تر از همیشه بر روی منظومه شمسی قدرت پیش‌بینی نظریه را تأیید کردند و گرایش‌هایی برای استفاده از کیهان‌شناسی نسبیتی برای هدایت آزمایش‌های مشاهده‌ای به‌وجود آمد.

از مکانیک کلاسیک تا نسبیت عام

نسبیت عام را می‌توان با بررسی شباهت‌ها و تفاوت‌هایش با فیزیک کلاسیک درک نمود. نخستین گام این است که متوجه شویم که مکانیک کلاسیک و قانون گرانش نیوتن به طور ضمنی یک توصیف هندسی را می‌پذیرند. با ترکیب این توصیف با قوانین نسبیت خاص به نسبیت عام می‌رسیم.

هندسه گرانش نیوتنی

علم فیزیک – نسبیت عام
 
بنا بر نسبیت عام، اجسام در یک میدان گرانشی همانند اجسام در یک محفظه بسته شتاب‌دار رفتار می‌کنند. مثلاً اگر شتاب موشک به اندازه‌ای باشد که همان نیروی نسبی گرانش زمین را داشته باشد، افتادن یک توپ در درون یک موشک (چپ) همانند افتادن یک توپ در نقطه‌ای روی زمین (راست) خواهد بود.

بنیان فیزیک کلاسیک بر این مفهوم استوار است که حرکت یک جسم را می‌توان ترکیبی از حرکت آزاد جسم (یا حرکت لخت) و انحراف‌هایی از این حرکت لخت دانست. این انحراف‌ها ناشی از نیروهای خارجی است که بر جسم وارد می‌شوند و بر طبق قانون حرکت دوم نیوتن عمل می‌کنند. قانون دوم نیوتن بیان می‌کند که نیروی خالص وارد بر یک جسم برابر با جرم (لختی) آن ضرب در شتاب جسم است. نوع حرکت لخت جسم با هندسه فضا و زمان مرتبط است: در چارچوب‌های مرجع استاندارد فیزیک کلاسیک حرکت لَخت اجسام در خط مستقیم و با سرعت ثابت انجام می‌شود. در ادبیات فیزیک مدرن مسیرهای حرکت لَخت اجسام ژئودزیک نامیده می‌شوند که تعمیمی از مفهوم خط راست در هندسهٔ فیزیک کلاسیک هستند، جهان‌خط‌های مستقیم در فضازمان خمیده.

در روندی معکوس ممکن است این انتظار وجود داشته باشد که با مشخص کردن حرکت لخت اجسام از طریق مشاهدهٔ حرکت واقعی و حذف انحراف‌های مربوط به نیروهای خارجی (مانند الکترومغناطیس و اصطکاک)، می‌توان هندسهٔ فضا و همچنین مختصات زمان را تعریف کرد، اما وقتی پای گرانش به میان می‌آید این موضوع کمی ابهام‌آمیز می‌شود. بر طبق قانون گرانش نیوتن و تأیید آزمایش‌های مستقلی مانند آزمایش لورند اوتوو و سایرین، سقوط آزاد جهان‌شمول است (این قانون همچنین با نام اصل ضعیف هم‌ارزی و یا قانون جهانی برابری جرم لختی و جرم غیر فعال گرانشی شناخته می‌شود): مسیر حرکت ذره آزمون در سقوط آزاد تنها به مکان و سرعت اولیه اش بستگی دارد و به هیچ‌یک از ویژگی‌های مادی‌اش وابسته نیست. نسخه‌ای ساده شده از این مفهوم را می‌توان در آزمایش آسانسور انیشتین یافت که در تصویر سمت چپ دیده می‌شود: ناظری که در یک اتاق بسته کوچک قرار گرفته غیر ممکن است که تنها با بررسی مسیر سقوط آزاد جسمی مانند یک توپ بتواند بفهمد که آیا محفظه، در حال سکون و در یک میدان گرانشی قرار دارد یا اینکه در فضای آزاد سوار بر موشکی شتاب‌دار است که نیرویی به اندازه گرانش ایجاد می‌کند.

با توجه به جهان‌شمول بودن گرانش، تمایز قابل مشاهده‌ای بین حرکت لخت و حرکت ناشی از نیروی گرانشی وجود ندارد. این موضوع ما را بر آن می‌دارد که کلاس جدیدی از حرکت لخت برای اجسام در حال سقوط آزاد تحت تأثیر نیروی گرانش تعریف کنیم. این کلاس جدید نیز، به نوبه خود، هندسه‌ای از فضا و زمان به زبان ریاضی تعریف می‌کند که عبارت است از حرکت ژئودزیک متناظر با یک اتصال خاص که به گرادیان پتانسیل گرانشی بستگی دارد. در اینجا فضا هنوز هندسه اقلیدسی معمولی دارد. اما فضا–زمان، به عنوان یک کل، پیچیده تر است. همان‌طور که می‌توان با آزمایش‌های فکری ساده در مورد مسیرهای سقوط آزاد ذرات آزمون مختلف نشان داد، نتیجه جابجایی بردارهای فضازمان که بیانگر سرعت ذره هستند به مسیر ذره بستگی دارد؛ به زبان ریاضی، می‌توان گفت که اتصال نیوتنی انتگرال‌پذیر نیست. از این می‌توان نتیجه گرفت که فضا–زمان خمیده است. نتیجه، یک فرمول‌بندی هندسی از گرانش نیوتنی تنها با استفاده از مفاهیم هموردا است؛ یعنی توصیفی که در هر دستگاه مختصاتی معتبر است. در این توصیف هندسی اثرات کشندی – شتاب نسبی اجسام در سقوط آزاد – با مشتق اتصال مرتبط است که نشان می‌دهد چگونه تغییر شکل هندسی، برآمده از وجود جرم است.

تعمیم نسبیتی

نسبیت عام
علم فیزیک – نسبیت عام
 

بیان هندسی گرانش نیوتنی هرچند هم که جذاب باشد، اساس آن مکانیک کلاسیک، یعنی تنها حالتی حدی از مکانیک نسبیتی است. به زبان تقارن: در جایی‌که بتوان گرانش را نادیده گرفت فیزیک دارای ناوردایی لورنتز است، مانند نسبیت خاص در مقایسه با مکانیک کلاسیک که دارای ناوردایی گالیله‌ای است (تقارن تعریف‌شده در نسبیت خاص گروه پوانکاره است که انتقال و چرخش را نیز شامل می‌شود). تفاوت این دو هنگامی اهمیت می‌یابد که با سرعت‌های بالا و نزدیک به سرعت نور و پدیده‌های پرانرژی سروکار داریم.

ساختارهای دیگری نیز با تقارن لورنتز به میان می‌آیند. این ساختارها توسط تعدادی مخروط نور تعریف می‌گردند. مخروط‌های نور ساختاری علیتی را تعریف می‌کنند: به ازای هر رویداد A، مجموعه‌ای از رویدادها وجود دارند که می‌توانند از طریق سیگنال‌ها و برهم‌کنش‌هایی که نیاز به سرعت بیشتر از نور ندارند، روی A تأثیر گذاشته یا از آن تأثیر بگیرند (مانند B) و مجموعه رویدادهایی که این نوع برهم‌کنش با A (با سرعت پایین‌تر ازسرعت نور) برایشان امکان‌پذیر نیست (مانند C). این مجموعه‌ها مستقل از ناظر هستند. در ارتباط با جهان‌خط‌های ذرات در حال سقوط آزاد، مخروط‌های نوری را می‌توان برای بازسازی متریک شبه‌ریمانی فضازمان استفاده نمود. به زبان ریاضی این یک ساختار همدیس است.

نسبیت خاص در غیاب گرانش تعریف می‌شود و به همین دلیل در کاربردهایی عملی در مواردی که بتوان گرانش را نادیده گرفت، مدل مناسبی خواهد بود. با ورود گرانش به صحنه و با فرض اصل هم‌ارزی ضعیف، می‌توان استدلالی مانند بخش پیشین ارائه داد: چارچوب مرجع لَخت جهانی وجود ندارد. به جای آن چارچوب‌های تقریباً لختی وجود دارند که در راستای ذرات در حال سقوط آزاد حرکت می‌کنند. به زبان فضازمان: خطوط زمان‌واره مستقیمی که یک چارچوب لخت بدون گرانش را تعریف می‌کنند، تغییر شکل داده و نسبت به یکدیگر خمیدگی پیدا می‌کنند و ما را به سوی این پندار رهنمون می‌سازد که افزودن گرانش نیاز به تغییر در هندسه فضازمان دارد.

از پیش مشخص نیست که این چارچوب‌های جدید در حال سقوط آزاد همان چارچوب‌های مرجعی باشند که نسبیت خاص در آنها حکم‌فرماست. اما با استفاده از پنداشت‌های متفاوت در مورد چارچوب‌های نسبیت خاص می‌توان به پیش‌بینی‌های متفاوتی در مورد پدیده انتقال به سرخ گرانشی، یعنی چگونگی تغییر بسامد نور در میدان گرانشی رسید. اندازه‌گیری‌های واقعی نشان داده‌اند که نور در چارچوب‌های در حال سقوط آزاد نیز مانند چارچوب‌های نسبیت خاص منتشر می‌گردد. تعمیم این عبارت اصل هم‌ارزی خوانده می‌شود: قوانین نسبیت خاص با تقریب خوبی در چارچوب‌های مرجع در حال سقوط آزاد (غیرچرخان) برقرارند. این اصل یک اصل هدایت‌گر مهم برای گسترش نسبیت خاص با در نظرگرفتن گرانش است.

همین داده‌های تجربی گواهی می‌دهند که زمانی که توسط ساعت‌های قرار گرفته در یک میدان گرانشی اندازه‌گیری می‌شود – اصطلاح تخصصی آن زمان ویژه است –، از قوانین نسبیت خاص پیروی نمی‌کند و یا به بیان هندسه فضازمان، با متریک مینکوفسکی قابل اندازه‌گیری نمی‌باشند. همان‌گونه که در مورد مکانیک نیوتنی اتفاق افتاد در اینجا نیز نیازمنده هندسه کلی‌تری هستیم. در مقیاس‌های کوچک، تمام چارچوب‌های مرجع درحال سقوط آزاد هم‌ارز و تقریباً مینکوفسکی وار هستند. متعاقباً ما با تعمیمی خمیده از فضای مینکوفسکی روبه‌رو هستیم. تانسور متریک که هندسه را تعریف می‌کند – به بیان دقیق‌تر چگونگی اندازه‌گیری طول‌ها و زاویه ها–، متریک مینکوفسکی نسبیت خاص نیست؛ بلکه تعمیم یافته آن است که به نام متریک شبه–ریمانی شناخته می‌شود. همچنین هر متریک ریمانی به طور طبیعی با یک نوع خاص اتصال به نام اتصال لوی–چیویتا مرتبط است و این اتصال درواقع اتصالی است که اصل هم‌ارزی را ارضا کرده و فضا را به طور محلی، مینکوفسکی‌وار می‌سازد (یعنی در چارچوب‌های محلی لخت مناسب، متریک، میکنوفسکی وار است و مشتقات جزئی مرتبه اول آن و نیز ضرایب اتصال صفر هستند).

معادلات میدان اینشتین

با وجود فرمول‌بندی نسخه نسبیتی و هندسی آثار گرانش، پرسش درباره سرچشمه گرانش همچنان پابرجاست. در گرانش نیوتنی سرچشمه گرانش، جرم است. در نسبیت خاص، جرم پاره‌ای از کمیتی بزرگتر به نام تانسور انرژی–تکانه است که شامل چگالی‌های انرژی و تکانه و تنش (که عبارت است از فشار و برش) می‌شود. با استفاده از اصل هم‌ارزی می‌توان این تانسور را به فضازمان خمیده تعمیم داد. چنانچه با گرانش هندسی نیوتنی مقایسه کنیم، طبیعی خواهد بود که بپنداریم معادله میدان گرانش، این تانسور را به تانسور ریچی مرتبط سازد. تانسور ریچی رده ویژه‌ای ازاثرات کشندی را توصیف می‌کند: تغییر در حجم ابرهای کوچکی از ذرات آزمون که ابتدا ساکن هستند و سپس سقوط آزاد می‌کنند. در نسبیت خاص پایستگی انرژی–تکانه متناظر با این عبارت است که تانسور انرژی–تکانه بدون واگرایی است. این فرمول را نیز می‌توان با جایگزینی مشتقات پاره‌ای با خَمینه‌های همتایشان یعنی مشتقات هَموَردای هندسه دیفرانسیل، به سادگی به فضازمان خمیده تعمیم داد. با این شرط اضافی – واگرایی هموردای تانسور انرژی–تکانه صفر است و در نتیجه هرآنچه در سوی دیگر معادله است نیز صفر خواهد شد – ساده ترین مجموعه معادلات، معادلاتی هستند که به نام معادلات میدان انیشتین خوانده می‌شوند.

R_{ab} - {\textstyle 1 \over 2}R\,g_{ab} = {8 \pi G \over c^4} T_{ab}. \,

عبارت سمت چپ تانسور اینشتین است، ترکیب ویژه بدون واگرایی از تانسور ریچی R_{ab} و متریک. به طور خاص:

R=R_{cd}g^{cd}\,

خمش نرده‌ای است. خود تانسور ریچی نیز با تانسور کلی‌تر خمش ریمان به شکل زیر در ارتباط است

\quad R_{ab}={R^d}_{adb}. \,

در سمت راست Tab تانسور انرژی–تکانه است. تمام تانسورها در شکل نمادگذاری نمایه انتزاعی نوشته شده‌اند. برای اینکه پیش‌بینی‌های نظریه با نتایج تجربی مشاهدات مدارهای سیاره‌ها، سازگار باشند، ثابت تناسب را می‌توان به شکل κ = ۸πG/c۴ اصلاح نمود که درآن G ثابت گرانش و c سرعت نور است. هرگاه هیچ ماده‌ای موجود نباشد، به گونه‌ای که تانسور انرژی تکانه ناپدید گردد، معادلات خلاء انیشتین به دست می‌آیند:

R_{ab}=0. \,

نظریه‌های جایگزینی برای نسبیت عام بر پایه پندارهای یکسان شکل گرفته‌اند. این نظریه‌ها شامل قوانین و محدودیت‌های اضافی‌ای هستند که باعث به‌وجود آمدن شکل‌های دیگری از معادلات میدان می‌شوند. برای نمونه می‌توان به نظریه برانس دیکی، دورهمسانی و یا نظریه اینشتین–کارتان اشاره کرد.

تعریف و کاربردهای پایه‌ای

نتیجه‌گیری‌های بخش قبلی همه اطلاعات لازم برای تعریف و توصیف ویژگی‌های کلیدی نسبیت عام را شامل می‌شود و اکنون می‌توان به سراغ چگونگی استفاده از این نظریه برای مدل‌سازی پدیده‌های فیزیکی رفت.

تعریف و ویژگی‌های پایه‌ای

نظریهٔ نسبیت، یک نظریه متریک برای گرانش است. در هسته این نظریه معادلات اینشتین قرار می‌گیرند که رابطه بین هندسه یک خَمینه شبه ریمانی چهاربعدی به عنوان فضازمان و انرژی–تکانه موجود در آن فضازمان را توصیف می‌کنند.

پدیده‌هایی که در مکانیک کلاسیک به عملکرد نیروی گرانش تعبیر می‌شوند (مانند سقوط آزاد، حرکت مداری، مسیرحرکت فضاپیما)، در نسبیت عام به حرکت‌های لخت در هندسه خمیدهٔ فضازمان نسبت داده می‌شوند. در نسبیت عام، گرانش نیرویی نیست که اجسام را از مسیر مستقیم طبیعی‌شان منحرف می‌کند، بلکه تغییری در ویژگی‌های فضا و زمان است که باعث تغییر مستقیم‌ترین مسیرهایی که اجسام به طور طبیعی انتخاب می‌کنند می‌شود. خمش به نوبه خود توسط انرژی–تکانه ماده به‌وجود می‌آید. جان ویلر این موضوع را این گونه بیان می‌کند که فضازمان به ماده می‌گوید که چه‌طور حرکت کند و ماده نبز به فضازمان می‌گوید که چگونه خمیده شود.

با وجود اینکه نسبیت عام، پتانسیل گرانشی نرده‌ای فیزیک کلاسیک را با یک تانسور مرتبه دو جایگزین می‌کند، در برخی شرایط محدودتر، تانسور به میدان نرده‌ای کاهش می‌یابد. برای میدان‌های گرانشی ضعیف و سرعت‌های پایین (نسبت به سرعت نور)، پیش‌بینی‌های این نظریه به پیش‌بینی‌های قانون جهانی گرانش نیوتن همگرا می‌شوند.

از آنجایی‌که نسبیت عام برپایه تانسورها بنا شده است، هموردایی عام را به نمایش می‌گذارد: یعنی قوانین آن – و دیگر قوانینی که در چارچوب نسبیت عام فرمول‌بندی می‌شوند – در همه دستگاه‌های مختصات یک شکل خواهند داشت. علاوه براین، نظریه شامل هیچ ساختار پس زمینه‌ای هندسی ناوردایی نیست، یعنی مستقل از پس زمینه است. از این رو از اصل قوی تری به نام اصل نسبیت عام پیروی می‌نماید؛ این اصل بیان می‌کند که قوانین فیزیکی برای همه ناظرها یکسان هستند. در مورد ساختارهای محلی، همان‌گونه که در اصل هم‌ارزی اشاره شد، فضازمان مینکوفسکی‌وار است و قوانین فیزیکی دارای ناوردایی محلی لورنتس هستند.

مدل‌سازی

هدف اصلی در مدل‌سازی با استفاده از نسبیت عام، یافتن پاسخی برای معادلات میدان اینشتین می‌باشد. با داشتن معادلات اینشتین و همچنین معادلات مناسب دیگر برای توصیف ویژگی‌های ماده، پاسخ معادلات یک خمینه شبه ریمانی (که معمولاً با استفاده از یک متریک در یک مختصات خاص تعریف می‌شود) به همراه میدان‌های ماده‌ی خاصی روی آن خمینه خواهد بود. ماده و هندسه باید در معادلات انیشتین صدق کنند، پس به طور خاص تانسور انرژی–تکانه باید بدون واگرایی باشد. البته ماده باید در معادلات دیگری که از طریق ویژگی‌هایش تحمیل می‌شوند نیز صدق کند. در مجموع چنین پاسخی برای این معادلات در حقیقت مدلی از جهان را نمایش خواهد داد که نسبیت عام و قوانین محتمل دیگری که بر ماده موجود حاکم‌اند را ارضا می‌نماید.

معادلات اینشتین معادلات دیفرانسیل غیرخطی با مشتقات پاره‌ای هستند و به همین سبب یافتن پاسخ دقیق برای این معادلات دشوار است. با این حال چند پاسخ دقیق برای این معادلات پیدا شده است؛ اگر چه که تنها برخی از این پاسخ‌ها کاربرد مستقیم فیزیکی دارند. بهترین پاسخ‌های دقیق کشف شده که از دیدگاه فیزیکی نیز جالب‌ترند، عبارتند از: پاسخ شوارتزشیلد، پاسخ رایسنر–نوردشتروم و متریک کِر که هرکدام با یک نوع خاص سیاه‌چاله در جهانی که تنها شامل این سیاه‌چاله است، در تناظر هستند، و متریک فریدمان–لومتر–رابرتسون–واکر و جهان دو سیتر که هر دو جهان در حال انبساط را توصیف می‌کنند. پاسخ‌هایی که اهمیت نظری دارند عبارتند از متریک گودل (که احتمال سفر در زمان در فضازمان خمیده را مطرح می‌کند)، پاسخ تاب–نات (مدلی از جهان که همگن است اما همسانگرد نیست) و فضای پاد–دوسیتر (که به تازگی در زمینه حدس مالداسنا مورد توجه قرار گرفته است).

به دلیل دشواری یافتن پاسخ‌های دقیق، معادلات میدان اینشتین را اغلب با استفاده از انتگرال‌گیری عددی به کمک رایانه و یا با استفاده از روش‌های اختلالی با ایجاد انحرافات کوچک از جواب اصلی حل می‌کنند. در شاخه «نسبیت عددی»، رایانه‌های توانمندی به خدمت گرفته می‌شوند تا معادلات اینشتین را برای شرایط خاصی مثل برخورد سیاه‌چاله‌ها حل کنند. در اصل، چنین روش‌هایی را با در دست داشتن توان پردازشی کافی می‌توان برای هر سامانه‌ای به‌کار برد و به دنبال پاسخ برای پرسش‌هایی بنیادی همچون تکینگی‌های برهنه بود. جواب‌های تقریبی را همچنین می‌توان از طریق نظریه‌های اختلال یافت، مانند گرانش خطی‌شده و تعمیم آن، بسط پسانیوتنی که هردو توسط اینشتین به‌وجود آمده‌اند. بسط پسانیوتنی روش حلی سیستماتیک برای فضازمانی ارائه می‌کند که شامل توزیعی از ماده در حال حرکت با سرعتی کم نسبت به سرعت نور می‌باشد. این بسط شامل یک سری از جملات است که جمله اول نماینده گرانش نیوتنی است و جمله‌های بعدی نماینده اصلاحاتی هستند که به واسطه نسبیت عام بر گرانش نیوتنی وارد می‌شوند که مقدارشان در جملات متوالی کاهش می‌یابد. نسخه گسترش‌یافته این بسط، صورت‌گرایی پسا-نیوتنی پارامتری است که امکان مقایسه کمّی بین پیش‌بینی‌های نسبیت عام و نظریه‌های جایگزین را به‌وجود می‌آورد.

پیامدهای نظریه اینشتین

نسبیت عام پیامدهای فیزیکی چندی را به دنبال دارد. برخی از آنها مستقیماً از اصول نظریه ناشی می‌شوند در حالیکه سایر آنها تنها در طول نود سال پژوهشی که به دنبال انتشار نخستین نظریه توسط اینشتین آغاز شد، مشخص گشته‌اند.

اتساع زمان گرانشی و انتقال بسامد

نوشتار اصلی: اتساع زمان گرانشی

نسبیت عام
علم فیزیک – نسبیت عام
 
نمایش شماتیک انتقال به سرخ یک موج نور که از سطح یک جسم بسیار پرجرم می‌گریزد.

بافرض درستی اصل هم‌ارزی، گرانش بر گذر زمان اثر می‌گذارد. نوری که به درون یک چاه گرانش فرستاده می‌شود، منتقل به آبی می‌گردد. در حالی‌که نوری که در جهت مخالف فرستاده می‌شود؛ یعنی از چاه گرانش بالا می‌آید منتقل به سرخ می‌گردد. این پدیده‌ها را انتقال بسامد گرانشی می‌نامند. به طور کلی، فرایندهایی که در نزدیکی یک جسم پرجرم صورت می‌گیرند کندتر از فرایندهایی که در فواصل دورتر قرار دارند پیش می‌روند. این پدیده را اتساع زمان گرانشی می‌گویند.

انتقال به سرخ گرانشی در آزمایشگاه و با بهره‌گیری از مشاهدات اخترفیزیکی اندازه‌گیری شده است. اتساع زمان گرانشی در میدان گرانشی زمین دفعات زیادی با بهره‌گیری از ساعت‌های اتمی بررسی شده است. و به عنوان کاربردی جانبی برای پروژه سامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) این نتایج پیوسته در حال ارزیابی هستند. آزمونی در میدان گرانشی قوی‌تر را می‌توان با استفاده از مشاهدات تپ‌اخترهای دوتایی انجام داد.تمام نتایج با نسبیت عام همخوانی دارند اما در سطح دقت کنونی این آزمایش‌ها نمی‌توانند بین نسبیت عام و سایر نظریه‌هایی که در آنها اصل هم‌ارزی معتبر است تمایزی قائل شوند.

شکست نور و تأخیر زمانی گرانشی

نوشتار‌های اصلی: همگرایی گرانشی و تأخیر شاپیرو

نسبیت عام
علم فیزیک – نسبیت عام
 
شکست نور (فرستاده شده از مکان آبی رنگ) نزدیک یک جسم فشرده (به رنگ خاکستری)

نسبیت عام پیش بینی می‌کند که مسیر نور در میدان گرانشی خم می‌شود. نوری که از نزدیکی یک جسم پرجرم می‌گذرد به سوی آن جسم خمیده می‌شود. این اثر با مشاهده نور ستارگان دور و اختروش‌ها که با گذر از کنار خورشید خمیده می‌شود، تایید شده است.

این پیش بینی و پیش‌بینی‌های مرتبط از این واقعیت پیروی می‌کنند که نور مسیری را که به آن نورواره (نور–مانند) یا ژئودزیک پوچ (که تعمیمی بر خطوط مستقیمی در فیزیک کلاسیک هستند که نور در راستای آنها منتشر می‌شود) می‌گویند، دنبال می‌کند. چنان ژئودزیک‌هایی در واقع تعمیم ناوردایی سرعت نور در نسبیت خاص هستند. چنانچه مدلهای فضازمان را بررسی کنیم (چه مدل خارجی جواب شوارتزشیلد، چه مدلهایی که بیش از یک جرم دارند مثل بسط پسانیوتنی) آثار متعددی از گرانش بر نور جلوه خواهند نمود. اگرچه می‌توان خمش نور را از تعمیم جهانشمول بودن سقوط آزاد به نور نتیجه گرفت، زاویه شکستی که از نتیجه چنین محاسباتی به دست می‌آید تنها نیمی از مقداری است که از نسبیت عام به دست می‌آید.

تأخیر زمانی گرانشی (یا تأخیر شاپیرو) ارتباط تنگاتنگی با شکست گرانشی نور دارد. تأخیر زمانی گرانشی به پدیده‌ای اشاره دارد که طی آن گذر نور در یک میدان گرانشی مدت زمان بیشتری از گذر نور در غیاب آن میدان به طول می‌انجامد. آزمون‌های موفق بی‌شماری برای این پیش بینی انجام شده‌اند. در صورت‌گرایی پارامتری پسانیوتنی (PPN)، اندازه‌گیری هر دو پدیده شکست نور و تأخیر زمانی گرانشی پارامتری به نام γ را مشخص می‌سازد، که تأثیر گرانش بر هندسه فضازمان در آن به رمز در آمده است.

امواج گرانشی

نوشتار اصلی: موج گرانشی

نسبیت عام
علم فیزیک – نسبیت عام
 
حلقه ذرات آزمون تحت تأثیر گرانش

یکی از تشابه‌های متعدد میدان گرانشی ضعیف و میدان الکترومغناطیس این است که همانند امواج الکترومغناطیسی، امواج گرانشی نیز وجود دارند: امواجی در متریک فضازمان که با سرعت نور منتشر می‌شوند. ساده‌ترین نوع چنین موجی را می‌توان با عمل آن بر روی حلقه‌ای از ذرات که آزادانه شناورند نمایش داد. موج سینوسی که از درون چنین حلقه‌ای به سمت خواننده منتشر می‌شود به صورت ریتمیک حلقه را دچار اعوجاج می‌نماید (شکل سمت چپ را ببینید). از آنجا که معادلات اینشتین غیرخطی هستند، امواج گرانشی که به اندازه کافی قوی باشند، از اصل برهم‌نهی پیروی نمی کندد و این باعث دشواری توصیف آنها می‌شود؛ درحالیکه برای میدان‌های ضعیف می‌توان از یک تقریب خطی استفاده نمود. اینگونه امواج گرانشی خطی شده از دقت کافی برای توصیف امواج گرانشی بسیار ضعیفی را که انتظار می‌رود از رویدادهای کیهانی بسیار دور به ما برسد، برخوردار هستند. در روشهای تحلیل داده‌های مربوط به این امواج، استفاده‌های فراوانی از این واقعیت می‌شود که می‌توان امواج گرانشی خطی شده را با استفاده از سری فوریه بسط داد.

برخی از پاسخ‌های دقیق معادلات اینشتین امواج گرانشی را بدون هیچ تقریبی توصیف می‌کنند، مثلاً قطار موجی که در فضای خالی سفر می‌کند یا آنچه به نام جهانهای گودی شناخته می‌شود که نسخه‌های مختلفی از یک کیهان در حال انبساط پر شده با امواج گرانشی است.اما برای امواج گرانشی که در موارد مربوط به اخترفیزیک، مانند ادغام دو سیاه‌چاله تولید می‌شوند، تنها راه ساخت مدل‌های مناسب در حال حاضر روشهای عددی هستند.

تأثیرات مداری و نسبیت جهت

نسبیت عام و مکانیک کلاسیک در شماری از پیش بینی‌هایشان در مورد اجسام در حرکت مداری، با یکدیگر تفاوت دارند. نسبیت عام یک چرخش کلی (حرکت تقدیمی) مدار سیارات، کاهش یافتن مدار در نتیجهٔ منتشر کردن امواج گرانشی و نیز آثار مربوط به نسبیت جهت را در مورد این مدارها پیش‌بینی می‌کند.

حرکت تقدیمی نقاط حضیض

نسبیت عام
علم فیزیک – نسبیت عام
 
مدار نیوتنی (قرمز) در مقابل مدار اینشتینی (آبی) یک سیاره تنها که به دور ستاره‌ای می‌گردد

در نسبیت عام، نقطه حضیض هر مدار (یعنی نقطه‌ای که در آن، جسم در حرکت مداری نزدیکترین فاصله را با گرانیگاه شامانه دارد) حرکتی تقدیمی خواهد داشت – همانطور که در شکل مشخص است، شکل مدار بیضی نیست بلکه شبیه به بیضی است که روی کانونش می‌چرخد و یک منحنی رز پدید می‌آورد –. اینشتین برای نخستین بار این نتیجه را با استفاده از یک متریک تقریبی به عنوان نماینده حد نیوتنی و یک ذره آزمون به عنوان جسم در حرکت مداری استنتاج نمود. برای او دانستن این واقعیت که نظریه‌اش توضیح مستقیمی درباره حرکت تقدیمی حضیض خورشیدی سیاره تیر – که در سال ۱۸۵۹ توسط اوربن لاوریه کشف شده بود – ارائه می‌کند، گواه مهمی بود بر اینکه او شکل درستی از معادلات میدان گرانشی را یافته‌است.

این اثر را می‌توان با استفاده از متریک دقیق شوارتزشیلد (که فضازمان اطراف یک جسم کروی را توصیف می‌کند). و یا صورت‌گرایی پسا–نیوتنی نیز استنتاج نمود. این پدیده ناشی از تأثیر گرانش بر هندسه فضا و نقش خود–انرژی در گرانش یک جسم (که نمود آن را در غیرخطی بودن معادلات انیشتین می‌توان دید) می‌باشد. حرکت تقدیمی نسبیتی برای تمام سیاراتی که می‌توان در آنها به دقت حرکت تقدیمی را اندازه گرفت(تیر، ناهید و زمین)، مشاهده شده‌اند. حرکت تقدیمی در تپ‌اخترهای دوتایی نیز اندازه‌گیری شده است که مقدار آن به اندازه پنج مرتبه بزرگی بیشتر است.

افت مداری

نسبیت عام
علم فیزیک – نسبیت عام
 
افت مداری برای پی‌اس‌آر بی۱۹۱۳+۱۶: تغییر زمان برحسب ثانیه که در طول سه دهه ردگیری شده است.

بنابر نظریه نسبیت عام یک منظومه دوتایی امواج گرانشی منتشر می‌کند و از این رو انرژی از دست خواهد داد. در نتیجه این کاهش انرژی فاصله بین دو جسم در حال چرخش کاهش می‌یابد؛ و بنابراین دوره تناوب چرخش آنها نیز کاهش می‌یابد. در درون منظومه شمسی یا برای جفت ستاره‌های معمولی این اثر آنقدر کوچک است که قابل مشاهده نیست. اما برای یک تپ‌اختر دوتایی که در فاصله نزدیکی قرار دارد، وضعیت این‌گونه نیست. یک تپ‌اختر دوتایی از دو ستاره نوترونی در حرکت مداری هستند تشکیل شده است که یکی از آن‌ها تپ‌اختر است. ناظرین روی زمین، سری منظمی از پالس‌های رادیویی از یک تپ‌اختر دریافت می‌کنند که می‌توان از آنها به عنوان یک ساعت بسیار دقیق استفاده نمود و بدین وسیله دوره تناوب مداری را اندازه گرفت. از آنجا که ستاره‌های نوترونی بسیار فشرده هستند انرژی قابل توجهی از آنها به صورت تابش گرانشی منتشر می‌شود.

اولین مشاهده کاهش در دوره تناوب مداری بر اثر انتشار امواج گرانشی توسط هالس و تیلور، با استفاده از تپ‌اختر دوتایی پی‌اس‌آر بی۱۹۱۳+۱۶ که در سال ۱۹۷۴ کشف کرده بودند، انجام شد. این نخستین آشکارسازی امواج گرانشی بود که البته غیرمستقیم بود. آن‌ها به خاطر این مشاهده در سال ۱۹۹۳ موفق به کسب جایزه نوبل فیزیک شدند. ازآن زمان به بعد تپ‌اخترهای دوتایی متعددی مانند پی‌اس‌آر جی۰۷۳۷–۳۰۳۹ کشف شده‌اند که در ان هردوستاره تپ‌اختر هستند.

حرکت تقدیمی ژئودتیک و کشش چارچوب

نوشتار‌های اصلی: کشش چارچوب و اثر ژئودزیکی

شماری از آثار نسبیتی مستقیماً به نسبیت جهت مربوط می‌شوند. یکی از آنها حرکت تقدیمی ژئودتیک است: محور جهت یک ژیروسکوپ در حال سقوط آزاد در فضازمان خمیده، وقتی که مثلاً با جهت نور دریافت شده از ستاره‌های دوردست مقایسه می‌شود تغییر می‌کند–حتی با اینکه در اینجا ژیروسکوپ در واقع به عنوان نماینده روشی برای ثابت نگه داشتن جهت(انتقال موازی) درنظر گرفته شده است. برای سیستم ماهزمین، این اثر با کمک محدوده بندی لیزری قمری اندازه‌گیری شده است. به تازگی برای جرم‌های آزمون سوار بر ماهواره حسگر گرانش بی با دقتی بهتر از۰٫۳٪ اندازه‌گیری شده است.

در نزدیکی یک جسم چرخنده آثاری که به نام گرانش مغناطیسی یا کشش چارچوب نامیده می‌شوند، وجود دارند. یک ناظر دور خواهد دید که اجسام نزدیک به جرم چرخنده کشیده می‌شوند. این اثر در مورد سیاهچاله‌های چرخان پررنگ تر است زیرا در آنها برای هرجسمی که وارد ناحیه‌ای به نام ارگوسفر می‌شود، چرخش اجتناب ناپذیر است. چنین آثاری را می‌توان با تاثیرشان بر جهت گیری ژیروسکوپ در حال سقوط، آزمود. آزمونهای تاحدودی بحث انگیز نیز توسط ماهواره‌های ژئودینامیک لیزری نیز پیش‌بینی‌های نسبیت را تایید می‌کنند. همچنین کاوش‌های نقشه‌بردار سراسر مریخ در اطراف مریخ نیز مورد استفاده قرارگرفته‌اند.

نسبیت عام ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

 

پادماده

پادماده

پادماده(به انگلیسی: Antimatter) مانند ماده از ذراتی به نام ضدذره تشکیل شده‌است، که با ذرات معمولی فرق دارند. در ضد ماده بار هسته منفی و بار ذرات مداری مثبت است که معکوس ماده‌است.

پادمادهعلم فیزیک – پادماده

به عنوان مثال ذره‌ای به نام پوزیترون وجود دارد که تمام ویژگی‌هایش به جز بار الکتریکی مشابه الکترون است. پوزیترون حامل بار مثبت است در حالی که بار الکترون منفی است. (البته نباید پوزیترون را با ذره باردار مثبت دیگر، یعنی پروتون، اشتباه گرفت. پروتون تقریباً ۲۰۰۰ بار سنگین تر از الکترون است. به علاوه پروتون دارای زیر ساختارهایی است به نام کوارک. از طرف دیگر، پوزیترون هم جرم الکترون است و تا آنجا که می‌دانیم پوزیترون و الکترون هیچ کدام دارای زیر ساختار نیستند.) فیزیکدانان ذرات، پوزیترون را پادماده الکترون می‌دانند.

پادمادهعلم فیزیک – پادماده

در برخورد انرژی بالا، بخشی از انرژی جنبشی به ماده تبدیل می‌شود و می‌توان با انتخاب مناسب ذرات برخورد کننده، پادذرات را تولید کرد.

به دلایلی که خیلی روشن نیست، عدم تقارن عظیمی بین ماده و پادماده عالم اطراف ما وجود دارد. به بیان ساده تر، مقدار زیادی ماده می‌بینیم ولی هیچ پادماده قابل توجهی مشاهده نمی‌شود.

تاریخچه

دیراک فیزیکدان معروف در ۱۹۲۸ چنین استنباط کرد که همه مواد می‌توانند در دو حالت وجود داشته باشند. وی در آغاز نظریه خود را در مورد الکترون بیان کرد و اظهار داشت که باید ذراتی به نام ضد الکترون هم وجود داشته با شد. این گفته تحقق یافت و فیزیکدان آمریکایی کارل اندرسون در ۱۹۳۲ ضد الکترون و یا پوزیترون را کشف کرد. پس از اکتشاف دیراک و اندرسون، سرانجام در اکتبر ۱۹۵۵ ایی لوگسلر، فیزیکدان اهل ایتالیا توانست در شتاب دهنده بیوترون در آزمایشگاهی در کالیفرنیا، پاد پروتون و یک سال بعد ۱۹۵۶ پاد نوترون را آشکار کند. اما دانشمندان پارا فراتر گذاشته و در پی ساخت پاد اتم و پاد مولکول برآمدند.

محل یافت پادماده

پادماده به طور طبیعی در زمین یافت نمی‌شود، به غیر از خیلی به ندرت و با عمر بسیار کوتاهی که از نتیجه تباهی هسته‌ای و پرتوهای کیهانی به وجود می‌آیند. زیرا پادماده‌هایی که در زمین و خارج از آزمایشگاه‌های خاصی موجود می‌باشند با برخورد با مواد معمولی، نابود می‌شوند. پادذره‌ها و بعضی از پادماده‌های پایدار (مانند ضدهیدروژن)، می‌توانند به مقدار بسیار اندکی تولید شوند، ولی نه به اندازه‌ای که تمام خواص فیزیک-نظری آنها را مورد آزمایش بتوان قرار داد.

طول عمر پادماده

عمر کوتاه پادماده‌ها به این علت است که با برخورد آنها با ماده‌هایی که در اطراف ما وجود دارند، نابود می‌شوند که با این نابودی، انرژی به اندازه هم‌ارزی جرم و انرژی آزاد می‌شود. در اینجا m، مجموع جرم ماده و جرم ضد ماده نابود شده با همدیگر است. این آزادی انرژی بیشتر به صورت امواج الکترومغناطیسی و پرتو گاما صورت می‌پذیرد. نسبت به فرایندهای دیگر با مقدار ماده برابر، این فرایند بیشتر از همه آنها (فرایندهای شیمیایی یا هسته‌ای) انرژی تولید می‌کند و می‌تواند از لحاظ اقتصادی نیز با صرفه باشد، البته اگر انسان دسترسی راحتتری به یک منبع از ضدماده‌ها و ضدذرات را می‌داشت. که بر طبق تخمین‌های امروزی، چنین ذخیره‌ای تا شعاع چندین میلیارد سال نوری از زمین موجود نمی‌باشد.

هزینه

با بهای تخمینی ۲۵ میلیارد دلار برای هر گرم پوزیترون و ۶۲٫۵ تریلیون دلار برای هر گرم پادهیدروژن، گفته می‌شود که پادماده پرهزینه‌ترین مادهٔ موجود می‌باشد.

پادماده ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، علم فیزیک

اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، علم فیزیک ، فیزیک نور ، اپتیک ، فیزیک الکتریسیته ، الکترونیک ، فیزیک کوانتوم ، الکترومغناطیس ، هسته ای ، فیزیک مدرن ، صوت ، علوم

فیلم:

کوارک

کوارک

کوارک (به انگلیسی: Quark) ، یک ذره بنیادی و یکی از اجزای پایه‌ای تشکیل‌دهنده ماده است. کوارک‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا ذرات مرکبی به نام هادرون را پدید آورند که پایدارترین آن‌ها پروتون و نوترون، اجزای تشکیل‌دهنده هسته اتم هستند. به خاطر پدیده‌ای که به حبس رنگ معروف است، کوارک‌ها هیچ‌گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند و مستقیما قابل مشاهده نیستند؛ آن‌ها را فقط می‌توان درون هادرون‌ها مثل باریون‌ها(که نمونه‌های آنها پروتون و نوترون هستند) و مزون‌ها یافت.  به همین دلیل بیشتر دانش ما از کوارک‌ها از مشاهدات خود هادرون‌ها نتیجه‌گیری شده‌است.

کوارک
علم فیزیک – کوارک

کوارک‌ها ویژگیهای ذاتی گوناگونی دارند که بار الکتریکی، بار رنگ، اسپین و جرم از جمله این ویژگیها می‌باشند. کوارک تنها ذره بنیادی از مدل استاندارد فیزیک ذرات است که هر چهار برهمکنش بنیادی را تجربه می‌کند. به این برهمکنش‌ها نیروهای بنیادی(الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف، گرانش) نیز گفته می‌شود. همچنین کوارک‌ تنها ذره‌ای است که بار الکتریکی‌اش مضرب صحیحی از بار بنیادی نیست.

کوارک
کوارک

شش گونه مختلف از کوارک‌ها وجود دارد که به هریک از آنها یک مزه می‌گویند: بالا، پایین،افسون، شگفت، سر و ته. کوارک‌های بالا و پایین کوچکترین جرم را در بین کوارک‌ها دارند. کوارک‌های سنگین‌تر طی یک فرایند واپاشی ذره به سرعت به کوارک‌های بالا و پایین تبدیل می‌شوند: تبدیل شدن از حالت جرم بیش‌تر به حالت جرم کم‌تر. به همین علت کوارک‌های بالا و پایین عموماً پایدار می‌باشند و رایج‌ترین کوارک‌ها در جهان می‌باشند، در حالی که کوارک‌های دیگر فقط در برخوردهای پرانرژی (مانندپرتوهای کیهانی و شتاب‌دهنده‌های ذرات) تولید می‌شوند. به ازای هر مزه کوارک یک پادذره متناظر به نام پادکوارک وجود دارد که تنها تفاوت آن با کوارک متناظرش این است که برخی از ویژگیهای آن اندازه یکسان و علامت مخالف دارند.

مدل کوارک به شکل جداگانه توسط موری گل-مان و جرج زویگ در سال ۱۹۶۴ پیشنهاد شد.  کوارک‌ها به عنوان بخشهایی از طرح رده‌بندی هادرون‌ها معرفی شده بود و شواهد کمی بر وجود فیزیکی آنها در دسترس بود تا اینکه آزمایشهای پخش غیرکشسان ژرف در سال ۱۹۶۸ در مرکز شتاب‌دهنده خطی استانفورد انجام شد. از آزمایشهای انجام‌شده در شتاب‌دهنده‌ها برای وجود هر شش مزه کوارک، شواهدی به‌دست آمده‌است. آخرین مزه‌ای که کشف شد، کوارک سر بود که در آزمایشگاه فرمی در سال ۱۹۹۵ کشف شد.

کوارک
کوارک
 
شش تا از ذره‌های مدل استاندارد کوارک هستند (به رنگ بنفش). هر یک از این سه ستون یک نسل را تشکیل می‌دهند.

مدل استاندارد، چارچوب نظری توصیفگر همه ذرات بنیادی شناخته شده کنونی است. این مدل شامل ۶ مزه از کوارک‌ها با نامهای بالا (u), پایین (d), افسون (c), شگفت (s), سر (t)، و ته (b) می‌باشد.  پادذره‌های کوارک‌ها را پادکوارک می‌نامند که نماد آنها شبیه نماد کوارک متناظرشان است با این تفاوت که یک خط بالای آن قرار می گیرد. مثلا کوارک بالا با u و پادکوارک بالا با u نمایش داده می‌شوند. همانگونه که در مورد پادماده‌ها معمول است، پادکوارک‌ها از نظر میانگین طول عمر و اسپین و جرم با کوارک متناظرشان یکسان هستند، اما بار الکتریکی و بارهای دیگرشان علامت مخالف هم دارند.

کوارک‌ها ذرات اسپین-۱۲ هستند و در نتیجه بنا بر نظریه اسپین-آمار، فرمیون هستند. کوارک‌ها مشمول اصل طرد پاولی نیز می‌شوند که بیان می‌کند که هیچ دو فرمیون یکسانی نمی‌توانند همزمان با هم یک حالت کوانتومی را اشغال کنند.  این بر خلاف بوزونها (ذراتی با اسپین عدد صحیح) است که هر تعدادی از آنها می‌توانند در یک حالت باشند. بر خلاف لپتونها کوارک‌ها دارای بار رنگ هستند که باعث می‌شود با نیروی هسته‌ای قوی برهمکنش داشته باشند. نیروی جاذبه‌‌ای که از این طریق میان کوارک‌های مختلف ایجاد می‌شود، باعث به‌وجود آمدن ذرات مرکبی مانند هادرون‌ها می‌شود

کوارک‌هایی که اعداد کوانتومی هادرون‌ها را تعیین می‌کنند، کوارک‌های ظرفیت نامیده می‌شوند. علاوه بر این کوارک‌ها هر هادرونی می‌تواند تعداد نامحدودی کوارک، پادکوارک و گلوئون مجازی داشته‌باشد که روی عدد کوانتومی‌اش تاثیری ندارند.  دو خانواده از هادرون‌ها وجود دارد: باریون‌ها که سه کوارک ظرفیت دارند و مزون‌ها با یک کوارک ظرفیت و یک پادکوارک.  رایج‌ترین باریون‌ها پروتون و نوترون هستند که هسته اتم را می‌سازند.  شمار زیادی از هادرون‌ها شناخته شده‌اند (فهرست باریون‌ها و فهرست مزون‌ها را ببینید). تفاوت بیشتر آنها در محتوای کوارک آنها و ویژگی‌هایی است که کوارک‌های تشکیل‌دهنده به آنها می‌بخشند. وجود هادرون‌های غیرعادی با تعداد کوارک‌های ظرفیت بالاتر مانند تتراکوارک‌ها و پنتاکوارک‌ها مطرح شده  اما اثبات نشده‌است،  اما در ۲۲ تیر ۱۳۹۴، گروه آزمایش زیبایی برخورد دهنده هادرونی بزرگ در سرن نتایجی را گزارش نمود که با حالت‌های پنتاکوارک همخوانی داشت.

فرمیون‌های بنیادی به سه نسل تقسیم می‌شوند که هر نسل شامل دو لپتون و دو کوارک است. نخستین نسل شامل کوارک‌های بالا و پایین است، دومین نسل کوارک‌های شگفت و افسون و سومین نسل کوارک‌های سر و ته می‌شود. تمام جستجوها برای نسل چهارم فرمیون‌ها با شکست روبه‌رو شده‌است.  و شواهد غیرمستقیم محکمی وجود دارد که بیشتر از سه نسل فرمیون وجود ندارد.  ذرات نسلهای بالاتر معمولا جرم بیشتر و پایداری کمتری دارند که باعث می‌شود که توسط نیروی هسته‌ای ضعیف به ذرات نسل پایین‌تر واپاشی شوند. تنها کوارک‌های نسل اول یعنی بالاو پایین به طور عمومی در طبیعت وجود دارند. کوارک‌های سنگین‌تر ممکن است در برخوردهای پرانرژی (مانند آنهایی که شامل پرتو‌های کیهانی هستند) و به سرعت واپاشی می‌شوند. هرچند که گمان می‌رود که در نخستین کسرهای ثانیه پس از مه‌بانگ، وفتی جهان در وضعیت بسیار چگال و داغ (دوره کوارک) بود، وجود داشته‌اند. مطالعات مربوط به کوارکهای سنگین‌تر تحت شرایط ساختگی مانند شتاب‌دهنده‌های ذرات انجام می‌شود.

با داشتن بار الکتریکی، جرم، بار رنگ و مزه، کوارک‌ها تنها ذرات بنیادی هستند که با هر چهار نیروی بنیادی برهمکنش دارند: الکترومغناطیس، گرانش، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف. گرانش ضعیف‌تر از آن است که نقش مهمی در برهمکنشهای ذرات منفرد داشته‌باشد، مگر در حدود بالای انرژی (انرژی پلانک) و مقیاسهای فاصله (فاصله پلانک). هرچند که هیچ نظریه گرانش کوانتومی موفقی موجود نیست. مدل استاندارد گرانش را توصیف نمی‌کند.[نیازمند منبع]

تاریخچه

کوارک
 
موری گل-مان در تد در سال ۲۰۰۷. موری گل-مان و جرج زویگ در سال ۱۹۶۴ مدل کوارک را پیشنهاد دادند.

مدل کوارک به صورت جداگانه توسط دو فیزیکدان مختلف به نامهای موری گل-مان  و جرج زویگ  در سال ۱۹۶۴ پیشنهاد شد. این پیشنهاد اندکی پس از فرمولبندی یک سامانه دسته‌بندی ذرات به نام راه هشتگانه یا به بیان فنی‌تر تقارن مزه SU(3) بود که او در سال ۱۹۶۱ را ارائه کرده‌بود.  در همان سال فیزیکدان دیگری به نام یووال نیمان نیز طرحی شبیه به راه هشتکانه ارائه داده‌بود.

در زمان شکل‌گیری نظری کوارک، باغ‌وحش ذرات در کنار ذرات دیگر، شامل چندین هادرون نیز بود. گل-مان و زویگ ادعا نمودند که اینها ذره نیستند بلکه ترکیبی از کوارک‌ها و پادکوارک‌ها هستند. مدل آنها سه مزه از کوارک را شامل می‌شد، بالا، پایین و شگفت و آنها ویژگیهایی مانند اسپین و بار الکتریکی به کوارک‌ها نسبت دادند. واکنش اولیه جامعه فیزیک به پیشنهاد آمیخته با تردید بود. دودلی ویژه‌ای در این مورد وجود داشت که آیا کوارک‌ها واقعا به عنوان یک موجودیت فیزیکی وجود دارند و یا تنها انتزاعی برای توضیح مفاهیمی هستند که در آن زمان به خوبی فهمیده نشده‌بودند.

در عرض کمتر از یک سال، مدل گسترش‌یافته‌ای از مدل گل-مان-زویگ پیشنهاد شد. شلدون لی گلاشو و جیمز بجورکن وجود مزه چهارمی از کوارک‌ها را پیش‌بینی کردند و آن را افسون نامیدند. دلیل این پیشنهاد آن بود که وجود آن باعث می‌شد توصیف بهتری از نیروی هسته‌ای ضعیف (سازوکاری که به کوارک‌ها اجازه واپاشی می‌دهد) به دست آید و تعداد کوارک‌های شناخته‌شده با تعداد لپتون‌های شناخته‌شده برابر می‌شد و همچنین یک فرمول جرم از آن نتیجه می‌شد که به درستی جرم مزون‌های شناخته‌شده را محاسبه می نمود.

در سال ۱۹۶۸، آزمایش‌های پخش غیرکشسان ژرف در مرکز شتاب‌دهنده خطی استانفورد (SLAC) نشان داد که پروتون شامل اجسام نقطه‌مانند بسیار کوچکتری است و بنابراین ذره بنیادی محسوب نمی‌شود. فیزیکدانان در آن زمان، تمایل زیادی به اینکه این ذرات ریزتر را به عنوان کوارک بشناسند، نداشتند و در عوض آن را پاترون نامیدند، واژه‌ای که توسط ریچارد فاینمن ابداع شده بود.  اجسامی که در SLAC مشاهده شده‌بودند، بعدها که مزه‌های دیگر کشف شدند، مشخص شد که کوارک‌های بالا و پایین بوده‌اند.  با این وجود هنوز واژه پاترون به عنوان یک واژه کلی برای اجزای تشکیل‌دهنده هادرون‌ها (کوارک‌، پادکوارک و گلوئون) به‌کار می‌رود.

وجود کوارک شگفت به صورت غیرمستقیم توسط آزمایشهای پخش SLAC تایید شد: نه تنها یک بخش ضروری از مدل سه کوارکی گل‌-مان و زویکی بود، بلکه توضیحی نیز برای هادرون‌های کائون (K) و پیون (π) که در سال ۱۹۷۴ در پرتو‌های کیهانی کشف شده‌بودند، ارائه می‌داد.

در مقاله‌ای در سال ۱۹۷۰، گلاشو، جان ایلیوپولوس و لوسیانو مایانی استدلال دیگری برای وجود کوارک تا آن زمان کشف‌نشده افسون ارائه دادند.  در سال ۱۹۷۳، وقتی‌که ماکوتو کوبایاشی و شیهید ماسکاوا متوچه شدند که مشاهدات تجربی نقض سی‌پی  را می‌توان با افزودن یک جفت کوارک دیگر توضیح داد، شمار مزه‌های فرضی کوارک به میزان امروزی آن یعنی ۶ رسید.

پرونده:Charmed-dia-w.png

عکس رویدادی که منجر به کشف باریون Σ++
c
, در آزمایشگاه ملی بروکهیون در سال ۱۹۷۴ شد

کوارک های افسون تقریبا به طور هم‌زمان توسط دو تیم جداگانه در نوامبر ۱۹۷۴ تولید شدند؛ یکی در SLAC تحت نظر برتون ریکتر و دیگری در آزمایشگاه ملی بروکهیون تحت نظر ساموئل چائو چونگ تینگ. کوارک‌های افسون در پیوند با پادکوارک افسون در مزون‌ها مشاهده شدند. دو تیم مختلف دو نماد مختلف J و ψ را به مزون کشف شده تخصیص دادند و به این دلیل بود که این مزون به طور رسمی مزون جی‌سای (J/ψ) نامیده شد. این کشف بالاخره باعث شد که جامعه فیزیک در مورد اعتبار مدل کوارک، قانع شوند.

در سالهای بعدی شماری از پیشنهادها مطرح شد که مدل کوارک به ۶ کوارک توسعه داده‌شود. از میان این پیشنهادها مقاله ۱۹۷۵ هایم هراری  نخستین نوشته‌ای بود که نامها سر و ته را برای کوارک‌های اضافی ابداع نمود.

در سال ۱۹۷۷ کوارک ته توسط گروهی در آزمایشگاه فرمی با هدایت لئون لدرمن مشاهده شد.  این رخداد گواه مهمی بر وجود کوارک سر بود : بدون کوارک سر، کوارک ته بدون همراه می‌ماند. هرچند که تا سال ۱۹۹۵ طول کشید تا سرانجام کوارک سر هم توسط گروههای CDF و DØ  در آزمایشگاه فرمی مشاهده شود. این کوارک جرمی بسیار بیشتر از آنچه انتظار می‌رفت، داشت  و تقریبا هم‌جرم یک اتم طلا بود.

ویژگی‌ها

بار الکتریکی

نوشتار(های) وابسته: بارالکتریکی

کوارک‌ها مقادیر بار الکتریکی‌شان کسری از بار بنیادی است، بسته به مزه کوارک، یا ۱۳ یا ۲۳ بار بنیادی (e) است. کوارک‌های بالا، افسون و سر (که به آنها کوارک‌های نوع-بالا هم گفته می‌شود) بار الکتریکی ۲۳e+ دارند، درحالیکه کوارک‌های پایین، شگفت و ته (کوارک‌های نوع-‌پایین) بار الکتریکی ۱۳e− دارند. پادکوارک‌ها باری مخالف بار کوارک متناظرشان دارند. پادکوارک‌های نوع-بالا بار الکتریکی ۲۳e- و پادکوارک‌های نوع-پایین بار الکتریکی ۱۳e+ دارند. از آنجا که بار الکتریکی یک هادرون مجموع بارهای کوارک‌های تشکیل‌دهنده‌اش است، تمام هادرون‌ها بارهایشان مضرب صحیحی از بار بنیادی است : نتیجه ترکیب سه کوارک (باریون)، سه پادکوارک (پادباریون) و یا کوارک و پادکوارک (مزون) این خواهد بود که بار الکتریکی مضرب صحیحی ار بار پایه است.  به عنوان مثال، هادرون‌های تشکیل‌دهنده هسته اتم، نوترون و پروتون، به ترتیب بارهایی برابر با ۰e و ۱e+ دارند. نوترون شامل دو کوارک پایین و یک کوارک بالا است و پروتون تشکیل‌شده از دو کوارک بالا و بک کوارک پایین است.

اسپین

نوشتار(های) وابسته: اسپین

اسپین ویژگی ذاتی ذرات بنیادی است و جهت آن نیز یک درجه آزادی مهم است. گاهی به صورت چرخش یک جسم به دور محور خودش تصویر می‌شود (به همین دلیل به آن اسپین به معنی چرخش می‌گویند)، اما این مفهوم در مقیاسهای زیر اتمی کمی گمراه‌کننده است زیرا این باور وجود دارد که ذرات بنیادی نقطه مانند هستند.

اسپین را گاهی با یک بردار نمایش می‌دهند که طول آن بر حسب یکاهای ثابت پلانک کاهش‌یافته ħ (اِچ بار) اندازه‌گیری می‌شود. برای کوارک‌ها، اندازه‌گیری مولفه تصویر بردار تنها می‌تواند یکی از نتایج ħ/۲+ یا ħ/۲− را به دنبال داشته‌باشد؛ به همین دلیل کوارک‌ها به عنوان ذرات اسپین-۱۲ دسته‌بندی می‌شوند.  مولفه اسپین در راستای یک محور دلخواه – به رسم معمول، محور z – اغلب با یک پیکان رو به بالا ↑ برای مقدار ۱۲+ و روبه پایین برای ۱۲−، نمایش داده می شود، که بعد از نشانه مزه نوشته می‌شود. مثلا یک کوارک بالا با اسپین ۱۲+ در راستای محور z با ↑u نشان داده می‌شود

برهمکنش ضعیف

نوشتار اصلی: نیروی هسته‌ای ضعیف

 
نمودار فاینمن از واپاشی بتا

یک مزه کوارک تنها از طریق یکی از نیروهای بنیادی به نام برهمکنش هسته‌ای ضعیف است، که می‌تواند به مزه دیگری از کوارک تبدیل شود. با جذب یا انتشار یک بوزون دبلیو، هر کوارک نوع-بالایی (بالا، افسون، سر) می‌تواند به هر یک از کوارک‌های نوع-پایین (پایین، شگفت، ته) تبدیل شود و بالعکس. این سازوکار تغییر مزه سبب فرایند رادیواکتیو واپاشی بتا می‌شود که طی آن یک نوترون(n) به یک پروتون(p)، یک الکترون(e−
) و یک الکترون پادنوترینو(ν
e) تجزیه می‌شود. این فرایند وقتی رخ می‌دهد که یکی از کوارک‌های پایین در نوترون(udd) با انتشار یک بوزون W−
مجازی به یک کوارک بالا واپاشی می‌شود و نوترون را به یک پروتون(uud) تبدیل می‌کند. بوزون W−
نیز به یک الکترون و یک الکترون پادنوترینو تبدیل می‌شود.

  (واپاشی بتا، نمادگذاری هادرونی) p + e− + ν
e
  n
(واپاشی بتا، نمادگذاری کوارکی) uud + e− + ν
e
udd

هر دو فرایند واپاشی بتا و فرایند معکوس واپاشی بتا به شکل روزمره در کاربردهای پزشکی مانند برش‌نگاری با گسیل پوزیترون (PET) و در آرمایشهایی که شامل آشکارسازی نوترینو می‌شود، استفاده می‌شوند.

برگرفته از ویکی پدیای فارسی

گربه شرودینگر

گربه شرودینگر

گربه شرودینگر یک آزمایش فکری در فیزیک کوانتمی است که در سال ۱۹۳۵ توسط اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی، ابداع شد. گاهی این آزمایش به صورت تضاد تعریف می‌شود. سناریوی آزمایش ارائه یک گربه‌است که بسته به یک رویداد تصادفی زودتر، ممکن است مرده باشد یا زنده.

گربه شرودینگرعلم فیریک – گربه شرودینگر

فرض کنید گربه‌ای در جعبه‌ای دربسته زندانی است. در این جعبه یک شیشه گاز سیانور، یک چکش، یک حسگر پرتوزا و یک منبع پرتوزا نیز وجود دارد. ذرات پرتوزا بصورت نامنظم تابش می‌کنند و به همین دلیل برای آن‌ها نیمه عمر در نظر می‌گیرند. حال فرض کنید حسگر و چکش طوری تنظیم شده باشند که در صورت تابش موج پرتوزا بین ساعت ۱۲ و ۱۲:۰۱، چکش شیشه حاوی گاز را شکسته و گربه بمیرد. اگر در ساعت ۱۲:۰۱ در جعبه را باز کنید چه خواهید دید؟ اگر از طریق فرمول نیمه عمر منبع، احتمال تابش بین ساعت ۱۲ و ۱۲:۰۱ را ۵۰٪ پیش بینی کنید. گربه داخل جعبه در هنگام برداشتن درب جعبه ۵۰٪ مرده‌است و ۵۰٪ زنده است. اما وقتی درب جعبه را برمی‌دارید خواهید دید که گربه یا مرده و یا زنده‌است. نمی‌توان گفت ۵۰٪ سلولهای بدن گربه مرده‌اند و ۵۰٪ آنها زنده‌اند. در فاصله یک لحظه، احتمال به یقین تبدیل خواهد شد. این امر کاملاً متضاد با مکانیک کوانتومی می‌باشد. همان‌طور که گفتیم هیچگاه نمی‌توان موقعیت یک سیستم را به دقت اندازه‌گیری نمود. اما در این مثال کاملاً این امر ممکن شده‌است.

این گونه پارادوکس‌ها در مکانیک کوانتومی بسیار زیادند. اما با این همه مکانیک کوانتومی در پیش‌بینی نتایج بسیاری از آزمایش‌ها به طور درخشانی موفق بوده‌است و زمینه تقریباً تمامی علم و فن نوین است. بر رفتار ترانزیستورها و مدارهای مجتمع که جزء اساسی وسایلی نظیر تلویزیون و رایانه‌اند، فرمان می‌راند و نیز بنیاد شیمی و زیست‌شناسی نوین می‌باشد.

شرح کپنهاک از مکانیک کوانتوم اشاره بر این دارد که بعد از مدتی گربه به طور همزمان هم مرده‌است و هم زنده. هنوز وقتی به داخل جعبه نگاه می‌کنیم، گربه را می‌بینیم که یا زنده‌است یا مرده نه هر دوی این‌ها. این آزمایش آنچه را که او به عنوان مشکل از تفسیر کپنهاک از مکانیک کوانتومی اعمال شده به اشیاء روزمره را نشان می‌دهد، که تضاد با عقل سلیم است.

شرودینگرآزمایش ذهنی خود را به عنوان یک مقاله eprبعد از نویسنده‌های آن انشتین؛ پودولسکی؛ روزندر سال ۱۹۳۵ نامگذاری کرد. این مقاله طبیعت عجیب درگیری کوانتومی را برجسته کرد؛ که یکی از ویژگی‌های یک حالت کوانتومی است که ترکیبی از وضعیت دو سیستم است. (برای مثال دو ذره ریز) که یک بار با هم تعامل دارند و پس از آن از هم جدا می‌شوند و در حالت وضعیت قطعی نیستند.

تفسیر کپنهاک

تفسیر کپنهاک حاکی ازآن است که وضعیت دو سیستم دچار فروپاشی را به یک حالت مشخص زمانی که یکی از سیستم‌ها اندازه‌گیری شده‌است دراورد. شرودینگر و انشتین نامه‌هایی در بارهٔ مقاله رد و بدل کردند.

مبداءوانگیزه گربه شرودینگر

برای توضیح بیشتر شرودینگر توضیح می‌دهد که چگونه یک شخص در اصل می‌تواند انطباق یک اتم به اتم‌های در مقیاس بزرگ را معکوس کند. او پیشنهاد می کندیک سنارید با یک گربه در جعبهٔ مهرو موم شده، مرگ و زندگی گربه بستگی به وضعیت ذرات درون اتمی دارد.

شما در کنار لئو تنها فیزیکدان امروزی هستید که می‌داند اگر فردی صادق باشد هیچ‌کس نمی‌تواند ورای فریضه حقیقت راببیند. بسیاری از آنها نمی دانندکه چه بازی خطرناکی با حقیقت می‌کنند. حقیقت بعنوان چیز مستقلی ازآنچه بطور عملی انجام می‌شود. توجیه آنها به وسیله سیستم اتم رادیواکتیوی+تقویت کننده+شارژ باروت+گربه داخل جعبه زده می شودبه نحوی که عملکرد-پی اس ای سیستم حاوی گربه زنده و از پا درآمده برروی بیت‌ها (ی کامپیوتری) است البته کسی شک ندارد که وجود یا عدم وجود گربه چیز مستقلی ازعمل مشاهده‌است بخاطر بسپارید که درنصب شرودینگر به هیچ نوع شارژ باروت اشاره نشد؛ که از شمارنده گیگر به عنوان تقویت کننده وسم هیدروکیانیک استفاده می‌کند. باروت در پیشنهاد اصلی انیشتین به شرودینگر ۱۵سال پیش از آن اشاره شده‌است و علی الظاهر انیشتین آن را به بحث موجود کشانده‌است.

تفسیرازمایش گربه شرودینگر

از زمان شرودینگر تفاسیر دیگر مکانیزم کوانتومی پیشنهادشدهاند که جواب‌های متفاوتی به سوالات گربه شرودینگر در مورد مدت زمان موقعیت عالی و زمان برخورد آنها می‌دهد.

تفسیرکوپن هاگن

پرکاربردترین تفسیر مکانیک کوانتوم، تفسیر کوپن هاگن است. در این تفسیر توقف‌های سیستمی موقعیت عالی وضعیتها بوده و هنگام مشاهده شدن می‌تواند همان یادگیری باشد. این آزمایش حقیقتی را آشکار می‌سازد که ماهیت اندازه‌گیری یا مشاهده در این تفسیر به خوبی تعریف نشده‌است.

این تفسیرمی‌تواندای ن گونه بیان شودکه هنگامی که جعبه بسته‌است سیستم درموقعیت عالی وضعیت‌های مقابل است:”انرژی هسته‌ای تخریب شده/گربه مرده””انرژی هسته‌ای سالم/گربه زنده”وزمانی که جعبه بازاست ومشاهده روی می دهدتخریب عملکردموج رابرروی یک یادو وضعیت اعمال می‌کند. با این وجود یکی از دانشمندان برجسته در ارتباط با تفسیر کوپن هانگ، نیلس بورمی باشدکه تخریب برداشت شده از مشاهده کننده عملکرد موج راهرگزدرذهن نداشت به این نحوکه گربه شرودینگر هیچ معمایی در ذهن او ایجاد نکرد ممکن است گربه مدت هاقبل ازاینکه جعبه توسط مشاهده کننده آگاهی بازشود، مرده باشدویازنده باشد، تحلیل آزمایش حقیقی نشان دادکه خودمعیار (بعنوان مثال شمارشگرگیگربرای تخریب عملکردموجب کوانتوم قبل ازاینکه هرگونه مشاهده آگاهی ازاندازه گیری باشد، کفایت می‌کند. این دیدگاه که مشاهدات زمانی روی می دهدکه ذره‌ای از هسته به موج یاب برخورد کندمربوط به تئوری‌های تخریب ذهنی می‌شود. درمقابل راهکار چندین-دنیاروی دادن تخریب راانکارمی کند.

تفسیرچندین-دنیاوتاریخ ثابت

پارادوکس «گربه-شرودینگر» کوانتوم-مکانیکی مطابق باتفسیرچندین-دنیا. دراین این تفسیرهررویدادی یک شاخه می‌باشد. گربه بدون درنظرگرفتن این امرکه جعبه بازباشد یانه هم زنده است وهم مرده ولی گربه‌های زنده ومرده شاخه‌های متفاوتی ازدنیامی باشندکه بطوربرابرحقیقت داردولی باهم دیگرنمی‌توانندتعامل داشته باشند.

در سال۱۹۵۷هیوگ اورت تفسیر «چند-دنیایی مکانیسم کوانتوم» را ایجاد کرد که مشاهدات رابعنوان پروسه خاصی بطور جداگانه فرض نمی‌کند در این تفسیر هر دو وضعیت زنده و مرده گربه پس از بازشدن جعبه می‌باشد ولی از همدیگرمنفصل می‌باشند. بعبارت دیگر هنگامی که جعبه باز باشد، مشاهده کننده و گربه مرده در دید مشاهده کننده با یک گربه مرده تقسیم می‌شود و مشاهده کننده درون جعبه به گربه زنده می‌نگرد؛ ولی چون وضعیت مرده وزنده منفصل می‌باشد، هیچ ارتباط یا تعامل مؤثری بین آنها وجود ندارد.

هنگام بازکردن جعبه، مشاهده کننده به گربه خیره می‌شود بنابراین”وضعیت مشاهده کننده”منطبق برزنده بودن یامرده بودن گربه تشکیل می‌شود هر وضعیت مشاهده کننده به نحوی باگربه متصل می‌شود و یا گره می‌خورد که”مشاهده وضعیت گربه”و”وضعیت گربه”باهم دیگرمنطبق است. انفصال کوانتومی نشان می‌دهد که نتایج مختلف هیچ تعاملی باهمدیگر ندارد. مکانیزم مشابه انفصال کوانتومی نیز برای تفسیر باتوجه به تاریخچه ثابت مهم است تنهاًگربه مرده”یاًگربه زنده”می‌تواند جزئی از تاریخچه ثابت در این تفسیر باشد. راجرپنروس به این انتقادمی کند:”من امی دوارم که این مساله را روشن کنم که این مساله سوای رزو لوشن پارادوکس است چون چیزی درفرمالیسم مکانیزم کوانتوم وجود ندارد که نشان دهد وضعیت اگاهی ادراک همزمان گربه مرده وزنده را در کنار هم داشته باشد”

همچنین دیدگاه مهمی (بون لحاظ کردن چندین- جهان) این است که انفصال مکانیزمی است که چنین ادراک همزمانی راممنوع می کندیک نوع آزمایش گربه شرودینگرمعروف به خودکشی کوانتومی توسط کیهان شناس ماکس تاگمارک ارائه شداوازمایش گربه شرودینگرراازدیدگاه گربه بررسی می کندومی گوید که با استفاده ازاین راهکارفردمی‌تواندتفاوت بین تفسیرکوپن هاگن وچندین- دنیا رابفهمد. تفسیرکلی: درتفسیرکلی وضعیت‌های عالی چیزی نیستندولی زیر گروه ان کل بزرگترمی باشند بردار وضعیت در آزمایش‌های گربه تنها قابل اجرا نیست ولی تنها به ارقام جندین آزمایش گربه آماده شده مشابه مربوط است. اجزای این تعریف نشان می دهدکه این مسئله پارادوکس گربه شرودینگر را به یک غیرمساله جزئی تبدیل می‌کند. این تفسیر ایده سیستم فیزیکی منفرد در مکانیزم‌های کوانتومی را کنار می‌گذارد و توصیف مکانیکی داردکه به هر نحو منطبق بر آن است.

پارادوکس گربه شرودینگر

بر اساس نظریه مکانیک کوانتوم، یک ذره می‌تواند در دو حالت به طور هم‌زمان باشد. هدف شرودینگر نشان دادن این موضوع بود که این مسئله درست نیست. شرودینگر می‌گوید که یک گربه در یک جعبه حاوی مواد سمی قرار داده شده است که احتمال مرگ و زنده بودن گربه، برابر و ۵۰ درصد می‌باشد. بر اساس نظریه کوانتوم، از آنجا که ما داخل جعبه رو نمی‌بینیم، گربه هم زنده و هم مرده است. ما می‌دانیم که این مسئله ممکن نیست، چیزی نمی‌تواند هم زنده باشد و هم مرده، و این مسئله و پارادوکسی بود، که شرودینگر می‌خواست نشان دهد.

تفسیرارتباطی گربه شرودینگر

تفسیرارتباطی هیچ گونه تفکیک اساسی بین آزمایش انسانی، گربه و تجهیزات ویابین سیستم جانداروغیرجاندارنمی بیند همه این‌ها سیستم کوانتومی می‌باشند که با قوانین مشابهی از تکامل عملکردموج تبعیت می کنندوهمه آنه می‌تواندبه عنوان «مشاهده کننده» باشدولی تفسیر ارتباطی امکان مشاهدات مختلف را می‌دهد تا ازهمان رویدادها، باتوجه به اطلاعاتی که آنها دربارهٔ سیستم دارند، دید متفاوتی داشته باشند.

گربه می‌تواندبه عنوان مشاهده کننده تجهیزات باشدو همچنین آزمایش کننده بعنوان مشاهده گر دیگری برای سیستم جعبه باشد. (گربه وتجهیزات) قبل از اینکه جعبه بازشود، گربه از روی طبیعت خود می‌تواند زنده باشد یا مرده باشد، که اطلاعاتی دربارهٔ تجهیزات دارد (اتم‌ها خراب شده اندیاسالم هستند) ولی آزمایش کننده اطلاعاتی دربارهٔ وضعیت محتوای جعبه ندارد. به این ترتیب دو مشاهده گربه طور همزمان دیدگاه مختلفی نسبت به آن وضعیت دارند. برای گربه عملکرد موج تجهیزات «تخریب» شده است هر دو مشاهده گراطلاعات مشترکی دربارهٔ آنچه روی می‌دهد دارند در هر دو سیستم تخریب نتیجه معین و مشابه دارد.. و گربه می‌تواند مرده باشد یا زنده.

تئوری‌های تخریب ذهنی گربه شرودینگر

طبق تئوری‌های تخریب ذهنی موقعیت عالی همزمان (برخلاف مشاهده بیرونی) هنگامی که درگاه فیزیکی ذهنی (زمان، حجم، دما، غیرانعکاسی) باشد، تخریب می‌شود. بتابراین گربه، مدت‌ها قبل ازاینکه جعبه بازشود، انتظارمیرود دروضعیت معینی قرارگیرد. به این عمل «گربه خودش را مشاهده می‌کند» یا «محیط گربه را مشاهده می‌کند» گویند. تئوری‌های تخریب ذهنی نیازبه اصلاح مکازیزم‌های کوانتومی داردتاامکان ان را فراهم اوردتاموقعیت عالی باپروسه تکام لزمان تخریب شود.

برنامه هاوازمایش‌ها گربه شرودینگر

این آزمایش یک آزمایش کاملاً تئوری است ودستگاه پیشنهاد شده محتمل بر وجوداست. (شایدساخته نشود) با این وجود آزمایش‌های موفق اصول مشابهی دارند. مثلاوضعیت عالی اشیاء نسبتاً بزرگ (بااستانداردهای فیزیک کوانتوم) ایجاد شده است.

حل معمای گربه شرودینگر

فیزیکدانان موسسه ملی معیارها و تکنولوژی واقع در بولدر (ایالت کلورادو) تحت هدایت “کریس مونرو” و “دیوید واین لند” با اشعه لیزر روی یک واحد اتم بریلیوم (سنگ گرانبهای سبز رنگ) کار ظریفی انجام دادند. به نوشته نشریه “ساینس” بنظر می آید که اتم همزمان در دو نقطه فیزیکی (مادی) جداگانه قرار دارد.

هدف فیزیکدانان از این آزمایش، کشف این نکته بود که آیا یک اتم در کلیت خود میتواند همان رفتار عجیب ذرات زیر ـ اتمی (نظیر الکترونها، فوتونها، کوارکها، نئوترینوها و سایر تقسیمات زیر ـ اتمی) را داشته باشد. در سطح زیر ـ اتمی ماده که به دنیای کوانتوم مشهور است، عملکرد ذرات ریز بر مبنای قوانینی فیزیکی صورت میگیرد که با “قوانین کلاسیک فیزیکی” مربوط به عملکرد اجسام بزرگتر در سطح “ماکروسکوپی” ماده تفاوت بسیار دارد.برای مثال در مشاهده ذرات زیر اتمی که “بیان سیزو” آنها را “ویویکل” (موجذره ـ ترکیب موج و ذره) می نامند، بسته به روش مشاهده، بنظر میرسد گاه عملکرد مشخصه ذرات را دارند و گاه مشخصه امواج را. و در عین حال، تئوریهای با نفوذ در عرصه غالب فیزیک مدرن ادعا میکنند که ذرات زیر ـ اتمی برخلاف ماده ماکروسکوپی، یک “مکان” (استقرار) ندارند.در تاریخ فیزیک کوانتوم، بر سر اینکه چرا اجسام در سطح ماکرو به همین نحو عمل نمیکنند، مشاجره زیادی درگیر بوده است. و در مورد امکان تعمیم قوانین فیزیک کوانتوم که در مورد ذرات زیر ـ اتمی مطرح است به اجسام ماکروسکوپی (شامل ملکول ها یا حتی اشیاء قابل رویتی که ما در زندگی روزمره با آن سر و کار داریم)، نظراتی ابراز شده است.در آزمایش فوق الذکر، فیزیکدانان کوشیدند ببینند “زمانیکه اصل شرایط فوق العاده کوانتوم را به سیستمهای ماکروسکوپی که بطور سنتی توسط فیزیک کلاسیک تشریح شده اند بسط دهیم، چه اتفاقی می افتد.

“بنا بر گزارش فیزیکدانان در نشریه “ساینس”، آنها یک واحد اتم بریلیوم را در یک حصار مغناطیسی حبس کرده و سپس از طریق جدا کردن یکی از الکترون هایش، یک بار الکتریکی به اتم دادند. (اتمی که بار الکتریکی یافته را یون می نامند.) “یون حاصله فورا حصار مغناطیسی را حس میکند و درونش محبوس میشود. به گفته “مونرو” گام بعدی، سرد کردن یون توسط لیزر است تا اینکه یون در مرکز حصار واقعا بی حرکت بایستد. حال که یون نمیتواند بجنبد، فیزیکدانان از دو اشعه لیزر که رنگهایشان با هم تفاوت اندکی دارد استفاده میکنند تا یون را با شرایط فوق العاده وضعیتهای درونی کوانتوم همساز کنند. منظور وضعیتهای فوق العاده ریزی است که به آن چرخش صعودی و چرخش نزولی (چرخش همزمان روی دو محور ـ فرفره ای یا اسپینی) میگویند…” یون بریلیوم همزمان دو وضعیت متفاوت را بنمایش میگذارد؛ به همان نحوی که آن را “شرایط فوق العاده” می نامند.

تا اینجای آزمایش چندان عجیب نبود. اما سپس “مونرو” و گروهش از اشعه لیزر برای ایجاد یک موج استفاده کردند تا “یون را با فرکانسی مشابه فرکانس نوسان طبیعی خودش در حصار حرکت دهند.” نیروی حاصله، یون را به حرکت در می آورد؛ بسیار شبیه به نیروی متناوبی که شما ممکنست برای حرکت دادن یک کودک روی تاب بکار ببرید. “مونرو” میگوید که لیزرها طوری تنظیم شده که فقط بر یکی از دو وضعیت فوق العاده ریز تاثیر بگذارد. گروه مذکور از طریق تغییر در تنظیم لیزرها، نخست یکی از وضعیتهای فوق العاده ریز را به حرکت درآوردند. سپس، دومی را خارج از فاز اولی حرکت دادند…

در واقع فیزیکدانان مذکور جهت اندازه گیری فاصله بین دو وضعیت، نخست آنها را بسمت یکدیگر هل دادند تا آنجا که بر هم منطبق شده و در هم تداخل کردند.”بعبارت دیگر، “مونرو” و “واین لند” مدعیند که دو وضعیت این واحد اتم را با کشش از هم جدا کرده اند. بدین ترتیب، این اتم در آن واحد، در دو مکان ظاهر میشود. چون این دو “بخش موج یونی” ظاهرا در دو مکان متفاوت قرار داشتند، دیگر بنظر نمی آمد که خود اتم آنگونه که معمول ماده ماکروسکوپی است، یک مکان واحد داشته باشد.

فیزیکدانان ادعا کردند که دو وضعیت حدودا ۸۰ نانومتر از هم دور شدند ـ که این از معیارهای اتمی بسیار دور است. نشریه “ساینس” گزارش میدهد که این فاصله “از هر بخش موجی بزرگتر بوده و از یون موجود هم بسیار بزرگتر است.”گربه شرودینگر حول و حوش این آزمایش، مباحثه فراوانی در مورد پارادکس گربه شرودینگر براه افتاده است. اروین شرودینگر یک دانشمند اتریشی بود. او در دهه ۱۹۳۰ لطیفه ای در هجو برخی دانشمندان ساخت. این دانشمندان مدعی بودند که رفتار غیر قابل پیش بینی ذرات زیر ـ اتمی نشان میدهد، دنیای واقعی فقط زمانی موجودیت دارد که شخص به مشاهده اش بپردازد.

لطیفه شرودینگر میگفت: تصور کنید گربه ای در یک جعبه گیر افتاده و در آنجا شیشه زهری هم هست. یک قطعه جسم رادیواکتیوی نظیر اورانیوم هم در جعبه قرار دارد. اگر یک اتم اورانیوم زوال یابد، یک ردیاب الکترونیکی چکشی را به حرکت در خواهد آورد؛ آن چکش شیشه زهر را خواهد شکست و گربه کشته خواهد شد. اما بعلت غیر قابل پیش بینی بودن ذرات در سطح زیر ـ اتمی (نظیر زوال رادیواکتیو هسته اورانیوم) شما فقط میتوانید بر امکان زوال یک اتم واقف باشید، اما نمیتوانید لحظه دقیق را پیش بینی کنید. بعبارت دیگر، شما نمیتوانید از قوانین فیزیک زیر ـ اتمی برای پیش بینی اینکه گربه مرده است یا نه استفاده کنید. تنها راه پی بردن به این مسئله، نگاه کردن به داخل جعبه است. برخی دانشمندان میگفتند از آنجا که نمیشود عملکرد یک ذره زیر ـ اتمی را در لحظه دقیقا گمان زد، معنایش اینست که تا وقتی شما چیزی مشاهده نکرده اید این ذره واقعا کاری انجام نداده است ـ یعنی یا ذرات بنوعی در چارچوب کوانتوم مسکوت گذاشته میشوند و یا اینکه مشاهده شما به تردید خاتمه می بخشد.

شرودینگر این نظریه را مسخره میکرد و میگفت ما تا وقتی جعبه را باز نکرده ایم این را هم نمیتوانیم بگوئیم که گربه مرده است یا زنده. پس بر مبنای منطق برخی افراد، تا وقتی جعبه باز نشده گربه هم زنده است و هم مرده! یک اتم اورانیوم ممکنست زوال یافته باشد ـ اما این مشاهده ماست که واقعا گربه را خواهد کشت. شرودینگر به افسانه معتقد نبود.

یکی از نقطه نظرات وی این بود که قوانین ماده زیر ـ اتمی را نمیتوان در مورد ماده ماکروسکوپی (مثلا یک گربه) بکار بست. اما داستان گربه زنده ـ مرده بعنوان یک تبارز سمبلیک از شکاف بین رفتار ماده در دو دنیای زیر ـ اتمی و ماکرو بر سر زبانها باقی ماند.فیزیکدانان “موسسه ملی معیارها و تکنولوژی” واقعا ادعا نمیکنند که یک “گربه شروی دینگر” حقیقی پیدا کرده اند. یعنی نمیگویند یک پدیده ماکروسکوپی بر مبنای قوانین فیزیک کوانتوم عمل کرده است. اتم بریلیوم در مقایسه با سایر اتمها، بسیار کوچک است. این اتم فقط از ۴ اکترون، ۴ پروتون و ۵ نئوترون ساخته شده است. بعبارت دیگر، اتم بریلیوم در محدوده اتمها بسیار به دنیای زیر ـ اتمی نزدیک است. بنابراین آزمایش بر روی یک واحد اتم بریلیوم، آنقدرها هم در سطح ماکروسکوپی ماده نمیگنجد.

این عمل در سطح “مزوسکوپی” ماده انجام میگیرد. یعنی در سطح گذاری بین سطوح زیر ـ اتمی و ماکروسکوپی. به قول یکی از دانشمندان، برای اینکه بتوان ادعا کرد فیزیکدانان مذکور یک گربه شرودینگر پیدا کرده اند، یعنی پلی بین دو دنیای زیر ـ اتمی و ماکرو یافته اند، “دو وضعیت (یون بریلیوم) باید از لحاظ ماکروسکوپی صاحب مختصاتی بوضوح متمایز باشند… نه اینکه صرفا به لحاظ فیزیکی با هم ۸۰ نانومتر فاصله داشته باشند.”مجله “ساینس” گزارش داده که وقتی جدائی دو بخش موج یونی به حد ماکروسکوپی رسید، عمر آنها ظاهرا “بینهایت کوتاه شد.” ـ “زمانیکه جدائی را بیشتر (یا کلاسیک تر) کردند، عمر شرایط فوق العاده به پایان رسید.

” بعبارت دیگر، وقتی دانشمندان کوشیدند دو بخش موج یونی را بیش از حد با کشش از هم دور کنند، نتوانستند دو وضعیت جداگانه باثبات را حفظ نمایند.فیزیکدانان امیدوارند که آزمایشات بیشتر در این راستا، تصویر گسترده تری از تضادهای بین دنیای کوانتوم و “دنیای کلاسیک” بدست دهد. اینهاست زمینه بحثی که بر سر پیدا شدن “گربه شروی دینگر” در آزمایش موسسه ملی براه افتاده است.علم و مبارزه طبقاتیبه لحاظ تاریخی، اکتشافات جدید علمی به برخی تلاشها در ارائه درک متافیزیکی و ایده الیستی از رفتار ماده دامن زده است. برای مثال، کشف این مسئله که اتمهای رادیوم بر اثر تشعشع زوال می یابند، باعث شد برخی افراد قانون قبلی فیزیک کلاسیک که میگفت “ماده را نه میتوان آفرید و نه نابود کرد” را زیر سئوال برند. زمانیکه برخی افراد اعلام کردند “ماده ناپدید میشود”، این ایده پا گرفت که نوع بشر نمیتواند واقعا بداند که یک واقعیت مادی عینیتا موجود است.

سپس برخی افراد نظیر دانشمندی بنام “ارنست ماخ” اصرار کردند که ما نسبت به پدیده ها فقط “احساسات” داریم؛ اما واقعا نمیتوانیم شناخت مطمئنی از آنها داشته باشیم. در سالهای قبل از انقلاب روسیه، این ایده ها تاثیر مهمی بر مبارزه طبقاتی داشت. در همان دوره، لنین علیه تئوریهای ماخیستی که توانائی مردم در شناخت واقعی جهان و تغییر آن را نفی میکرد بحث و استدلال نمود.در قرن نوزدهم، مردم فکر میکردند که نور صرفا یک موج الکترومغناطیسی است. اما بعدا کشف شد که نور از ذراتی هم درست شده است. این ذرات، فوتون نام گرفتند. مردم دریافتند که نور فقط بعنوان موج وجود نداشته بلکه بعنوان ذره هم موجود است.

اکتشافات بیشتر در قرن بیستم روشن کرد که اتمها از ذرات بسیار کوچکتری ساخته شده اند. اینها را ذرات زیر ـ اتمی نامیدند. این کشف به مباحثه بر سر قوانین ماده در سطح زیر ـ اتمی پا داد. بعلاوه این بحث هم جریان یافته که آیا نوعی ذره زیر ـ اتمی “نهائی” که واحد پایه ای ساختمان کائنات باشد و نتوان آن را به بخشهای کوچکتری تقسیم کرد وجود دارد یا نه.مقاله “بیان سیزو” سابقه این مباحثات را ذکر نموده و مطرح میکند که “ماده تا بینهایت قابل تقسیم است.”امروز، ۹۰ سال بعد از لنین و ۲۰ سال بعد از نگارش مقاله “بیان سیزو”، حرفهای زیادی درباره “عصر اطلاعات”، “جامعه پسا ـ صنعتی” و حتی (مجددا) درباره “ناپدید شدن ماده” براه افتاده است.

“سیاستهای هویتی” رایج این نظر را جلو میگذارند که واقعیات برای افراد مختلف، بسته به تجربه اجتماعی آنها، متفاوت است. بنابراین ضروری است که یکبار دیگر موجودیت واقعیت عینی را مورد بحث قرار دهیم.آزمایش اخیر “موسسه ملی معیارها و تکنولوژی” همانند آزمایشات علمی قبلی، به اظهار نظراتی انجامیده که کشفیات جدید علمی را در تقابل با درک رایج از قوانین ماده مطرح میکنند. روزنامه “نیویورک تایمز” فورا در صفحه اول خود مقاله ای با این عنوان منتشر کرد: “یک فیزیکدان اتم را در آن واحد، در دو مکان قرار داد.” این مقاله همچنین بسیار نگران تاثیر احتمالی وضعیتهای جداگانه یون بر سیستم بانکی بین المللی سرمایه داری بود.

این حدس در مقاله مذکور مطرح شده که اگر “پدیده بتواند در آن واحد در دو نقطه باشد”، میتوان کامپیوترهای کوانتوم فوق العاده سریع جدیدی ابداع کرد که بسادگی بتوانند همه کدهای رمزی مورد استفاده در موسسات عظیم مالی بین المللی را باز کنند. (تصورش را بکنید! از امکان ابداع کامپیوترهای فوق العاده سریع جدید بحث میکنند و تنها مسئله مهم اجتماعی که بنظرشان می آید تاثیر این کامپیوترها بر اسرار بانکی است!) بعدا همین روزنامه، مقاله جدی تری نوشت که علیه معرفی نادرست آزمایش مورد بحث هشدار میداد. اما حتی در مقاله دوم هم حدسیاتی درباره امکان “کائنات دوگانه” مطرح شده است.

این موضوع، باب طبع سریال “پیشتازان فضا” بود. در چارچوب این تصور، کائنات های جداگانه و در کنار هم موجودند که از وجود یکدیگر بی خبرند؛ مگر اینکه کسی به کائنات “دیگر” برود و آن را مشاهده کند.علاوه بر آزمایش فوق الذکر، هم اکنون یک مباحثه داغ دیگر در مورد رابطه میان علم و جامعه جریان دارد. آیا مبارزه طبقاتی هیچ ربطی به تئوری علمی دارد؟

برخی دانشمندان نافی میشوند که فعالیتشان در یک چارچوب فرهنگی، اجتماعی و طبقاتی صورت میگیرد و این چارچوب بر مشاهدات، نتیجه گیریها و تئوریهایشان تاثیر میگذارد. و برخی دانشمندان فکر میکنند که غیر متخصصان نمیتوانند مباحثات علمی مدرن را حقیقتا درک کنند و بنابراین نمیتوانند آگاهانه در آن شرکت جویند. آنها معتقدند غیر متخصصان مسلما هیچ حقی ندارند که عینی بودن و معتبر بودن تئوریهای علمی یا (دقیقتر گفته باشیم) تئوریهای مطرح شده توسط دانشمندان را زیر سئوال ببرند.

پایان فیزیک

پایان فیزیک

نقدی بر اثراستفهان هاوکینگ

پایان فیزیک
علم فیزیک – پایان فیزیک

در ۲۹ اوریل ۱۹۸۰ در سالن کنفرانس کوکرافت در کمبریج انگلستان جایی که عرصه بالیدن تامسون و راترفورد بود، دانشمندان و مقامات دانشگاه روی صندلی‌های ردیف‌شده بر کف شیب‌دار سالن که مقابل دیواری پوشیده از وایت‌برد و پرده اسلاید بود، گرد‌هم آمده بودند. این جلسه برای وضع اولین خطابه یک پروفسور جدید کرسی لوکاشین(Lucasian) ریاضی برقرار شده بود. این پروفسور استفن ویلیام هاوکینگ ریاضی‌دان و فیزیک‌دان ۳۸ ساله بود.

پایان فیزیک
علم فیزیک – پایان فیزیک

عنوان خطابه یک سوال بود:

آیا دورنمای پایان فیزیک نظری دیده می‌شود؟

پایان فیزیک
علم فیزیک – پایان فیزیک

و هاوکینگ با اعلام این که پاسخ او به این سوال مثبت است، شنوندگان را شگفت‌زده کرد! او از حضار دعوت کرد تا به او بپیوندند و با گریزی شورانگیز از میان زمان و مکان جام‌مقدس علم را بیابند. یعنی نظریه‌ای که جهان و هر چه را که در آن روی می‌دهد، تبیین کند.

استفن هاوکینگ در حالی که یکی از شاگردانش خطابه او را برای جمعیت گرد آمده قرائت می‌کرد. روی صندلی‌چرخ‌دار نشسته بود. در یک قضاوت ظاهری به‌نظر نمی‌رسید که او انتخاب مناسبی برای رهبری یک کار خطیر باشد. فیزیک نظری برای او گریز بزرگی از یک زندان بود. زندانی بسیار بدتر از آن‌چه در مورد آزمایشگاه‌های قدیمی کاوندیش به طعنه بیان می‌شد. از اوایل بیست سالگی او با بیماری از کار افتادگی روزافزون که از مرگ زودرس او خبر می‌داد، می‌ساخت. هاوکینگ مبتلا به اسکلروز جانبی آمیوتروفیک(Amyotrophic Lateral Sclerosis) یا ALS بود و زمانی که کرسی لوکاشین رو عهده‌دار شد، دیگر توانایی راه رفتن، نوشتن، غذا خوردن، را نداشت و اگر سرش به پایین می‌افتاد نمی‌توانست آن را بلند کند. صحبت کردن او غیر مفهوم و فقط برای کسانی که وی را خوب می‌شناختند قابل درک بود. برای خطابه لوکاشین، او با زحمت فراوان متن مورد نظر خود را قبلاْ دیکته کرده بود تا شاگردش بتواند، آن را قرائت کند. اما هاوکینگ معلول نبوده و نیست. او یک ریاضی‌دان و فیزیک‌دان برجسته است و بسیاری او را برجسته‌ترین فیزیک‌دان پس از انیشتین می‌دانند. کرسی لوکاشین یک مقام آکادمیک ممتاز است که زمانی سر آیزاک نیوتن عهده‌دار آن بود.

هاوکینگ ضمن مبارزه دائمی با بیماری لاعلاجش همواره در تلاش برای دستیابی به پاسخ این سوال اصلی کیهان‌شناسی بوده است که این جهان از کجا آمده و به کجا می‌رود؟ زندگی او تلاشی مستمر و پیگیر در راه کشف حقایق این جهان است. او به دنبال نظریه «همه چیز» است. نظریه جامعی که بتواند قوانین حاکم بر جهان را در یک سری معادلات و قواعد خلاصه کند. موقعی که نظریه نسبیت عمومی انیشتین را برای توضیح برخی ویژگی‌های فیزیکی سیاهچاله‌ها ناتوان می‌بیند، به مکانیک کوانتومی متوسل می‌شود. سعی می‌کند این دو را در هم آمیزد. فرضیه‌ای مطرح می‌کند. فرضیه‌اش را مورد سوال قرار می‌دهد. در راه کشف حقیقت به سوال‌هایی برمی‌خورد. فضای خالی، خالی نیست! سیاه‌چاله‌ها سیاه نیستند! آغازها می‌توانند پایان‌ها باشند و …. حقیقت بسیار پیچیده و گریزان است. آیا هاوکینگ و دانشمندان دیگر روزی به نظریه همه چیز دست خواهند یافت؟

دانشمندان زیادی در این زمینه تلاش می‌کنند. برخی حداقل به اندازه هاوکینگ شهرت دارند. اما چیزی که زندگی هاوکینگ را متمایز می‌کند، امید است. ۳۹ سال از از زمانی که پزشکان برای هاوکینگ عمری دو یا سه ساله در حالی که تکه‌گوشتی بیشتر نخواهد بود پیش‌بینی کرده بودند، می‌گذرد. او هنوز با بیماریی که تمام عضلات او را از کار انداخته است، مبارزه می‌کند و کماکان به حیات پربار خود ادامه می‌دهد. پیام او به دیگران همواره این بوده است که به بیماری‌اش نیندیشند.

هر ماده‌ای که بیندیشیم در جهان وجود دارد(مردم، هوا، یخ، ستارگان، گازها، میکروب‌ها، صفحه مانیتور شما) از اجزاء ساختاری بسیار ریزی به‌نام اتم تشکیل شده اند. می‌دانیم که اتم‌ها بنوبه خودشان از موجودات کوچکتری به نام ذرات و یک فضای خالی بسیار بزرگ(در مقایسه با ابعاد این ذرات) ساخته شده‌اند. همچنین می‌دانیم که برخی از ذرات خود از ذرات ریزتری تشکیل شده‌اند.

ذرات مادی رو که همگی می‌شناسیم. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الکترون‌ها که به دور هسته می‌چرخند. ذرات مادی اتم رو به‌نام کلی فرمیون‌‌ها می‌شناسیم.

فرمیون‌ها یک سیستم پیام‌رسانی دارند که بین آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌های معینی موجب ایجاد تاثیر و در نتیجه تغییراتی در آن‌ها می‌شود. سیستم پیام‌رسانی انسان‌ها را در نظر بگیرید. کبوتر نامه‌بر، پست، تلفن و فکس سرویس‌های این سیستم می‌تانند نامیده شوند. اما همه انسان‌ها از هر ۴ سرویس فوق برای رد و بدل کردن پیام بین همدیگر استفاده نمی‌کنند.

در مورد ذرات مادی هم سیستم پیام‌رسانی وجود دارد که سرویس‌های چهارگانه‌ای دارد. این سرویس‌ها را نیرو می‌نامیم. ذراتی وجود دارد که این پیام‌ها را بین فرمیون‌ها و در برخی موارد حتی بین خود رد و بدل می‌کنند. این ذرات پیام‌رسان به‌طور مشخص بوزونBoson نامیده می‌شوند.

پس هر ذره‌ای که در جهان وجود دارد یا فرمیون هست یا بوزون.

گفتیم که سرویس‌های پیام‌رسان ۴گانه نیرو نامیده می‌شوند. یکی از این نیروها گرانش هست. نیروی گرانش را که ما را روی زمین نگه می‌دارد، می‌توانیم مثل پیامی در نظر بگیریم. حامل این پیام نوعی بوزون هست که گراویتون نامیده می‌شود. گراویتون‌ها حامل پیامی بین ذرات اتم‌های بدن ما و ذرات اتم‌های زمین هستند و به ذرات مذکور می‌گویند که به‌هم نزدیک شوند.

نیروی دوم یا نیروی الکترومغناطیس پیام‌هایی هست که به‌وسیله بوزون‌هایی به‌نام فوتون بین پروتون‌های درون هسته یک اتم و الکترون‌های نزدیک به آن، یا بین الکترون‌ها رد و بدل می‌شوند. این پیام‌ها موجب می‌شوند که الکترون‌ها دور هسته گردش کنند. در مقیاس‌های بزرگ‌تر از اتم فوتونها خودشان را بصورت نور نشان می‌دهند. سومین سرویس پیام‌رسان نیروی قوی است که موجب می‌شود هسته اتم یکپارچگی خود را حفظ کند و چهارمین سرویس نیروی ضعیف است که موجب رادیواکتیویته می‌شود.

فعالیت این ۴ نیرو باعث رد و بدل شدن پیام بین کلیه فرمیون‌های جهان و برهمکنش بین آنها می‌شود. بدون این ۴ نیرو هر فرمیون اگر هم وجود داشته باشد در جدایی به‌سر می‌برد، بدون این که بتواند با آنها مرتبط شود و بر آنها تاثیر بگذارد. بزبان ساده‌تر:

اگر چیزی بوسیله این چهار نیرو روی ندهد، اتفاقی نخواهد افتاد.

درک کامل این چهار نیرو به ما امکان می‌دهد تا اصولی را که مبنای همه رویدادهای جهان هست، درک کنیم.

بسیاری از کارهای فیزیک‌دانان قرن بیستم برای آگاهی بیشتر از طرز عمل این جهار نیروی طبیعی و ارتباط بین آنها انجام شد. در سیستم پیام‌رسانی انسان‌ها، ممکن هست به این موضوع واقف بشیم که تلفن و فکس دو سرویس جداگانه نیستند. بلکه هر دو اجزای یک سیستم واحدند که به دو طریق متفاوت جلوه‌گر می‌شوند. آگاهی از این واقعیت موجب یگانگی دو سیستم پیام‌رسانی خواهد شد. به طریق مشابهی فیزیک‌دان‌ها تا حدودی با موفقیت سعی کردند نوعی یگانگی بین نیروها رو استنباط کنند. آنها امیدوار بودند نظریه‌ای بیابند که در غایت امر هر چهار نیرو را بوسیله یک ابرنیرو توجیه کند. نیرویی که خودش را به‌گونه‌های مختلف نشان می‌دهد و نیز موجب یگانگی فرمیون‌ها و بوزون‌ها در یک خانواده می‌شود. فیزیک‌دان‌ها این نظریه را نظریه یگانگی نام دادند. این نظریه باید دنیا را توجیه کند. یعنی نظریه همه چیز باید یک قدم پیش‌تر برود و به این سوال پاسخ بده: دنیا در لحظه آغاز قبل از این که زمانی بگذرد، چگونه بوده است؟

فیزیک‌دان‌ها همین سوال را بزبان خودشان با این عبارت بیان می‌کنند که: شرایط اولیه یا شرایط مرزی در آغاز جهان چه بوده است؟

درک کامل ابرنیرو ممکن هست که درک شرایط مرزی را هم برای ما امکان‌پذیر کند. از طرف دیگر ممکن است که ضروری باشد که ما شرایط مرزی را بدانیم تا بتوانیم ابرنیرو را بفهمیم. این دو بطور تنگاتنگی با یکدیگر ارتباط دارند و نظریه پردازان هم از هر دو طرف مشغول کار هستند تا به «نظریه همه‌چیز» ( از منشا آلمانی= Weltformel ) دست پیدا کنند.

نظریه نسبیت عام اینشتین نظریه‌ای در باره جرم‌های آسمانی بزرگ مثل ستارگان، سیارات و کهکشان‌هاست که برای توضیح گرانش در این سطوح بسیار خوب است.

مکانیک کوانتومی نظریه‌ای است که نیروهای طبیعت را مانند پیام‌هایی می‌داند که بین فرمیون‌ها(ذرات ماده) رد و بدل می‌شوند. این نظریه اصل ناامیدکننده‌ای را نیز که اصل عدم قطعیت نام دارد در بر می‌گیرد. بنابر این اصل هیچ‌گاه ما نمی‌توانیم همزمان مکان و سرعت(تندی و جهت حرکت) یک ذره را با دقت بدانیم. با وجود این مسئله مکانیک کوانتومی در توضیح اشیاء، در سطوح بسیار ریز خیلی موفق بوده بوده است.

یک راه برای ترکیب این دو نظریه بزرگ قرن بیستم در یک نظریه واحد آن است که گرانش را همانطور که در مورد نیروهای دیگر با موفقیت به آن عمل می‌کنیم، مانند پیام ذرات در نظر بگیریم. یک راه دیگر بازنگری نظریه نسبیت عام اینشتین در پرتو نظریه عدم قطعیت است.

اما اگر نیروی گرانش را مانند پیام بین ذرات در نظر بگیریم، با مشکلاتی مواجه می‌شویم. قبلاْ دیدیم که شما می‌توانید نیرویی را که شما را روی زمین نگه می‌دارد، مثل تبادل گراویتون‌ها(همان پیام‌رسان‌های گرانش) بین ذرات بدن خود و ذراتی که کره زمین را تشکیل می‌دهند، در نظر بگیرید. در اینصورت نیروی گرانشی با روش مکانیک کوانتومی بیان می‌شود. اما چون همه گراویتونها بین خود نیز رد و بدل می‌شوند، حل این مساله از نظر ریاضی بسیار بغرنج می‌شود. بی‌نهایت‌هایی حاصل می‌شوند که خارج از مفهوم ریاضی معنایی ندارند. نظریه‌های علم فیزیک واقعاْ نمی‌توانند با این بی‌نهایت‌ها سر و کار داشته باشند. آن‌ها اگر در نظریه‌های دیگر یافت شوند، تئوریسین‌ها به روشی که آن را ری‌نرمالیزیشن یا بازبهنجارش می‌نامند، متوسل می‌شوند. ریچارد فاینمن در این باره می‌گوید: این کلمه هر چقدر زیرکانه باشد، باز من آن را یک روش دیوانه‌وار می‌نامم. خود او هنگامی که روی نظریه‌اش در مورد نیروی الکترومغناطیسی کار می‌کرد، از این روش سود جست. اما او به این کار زیاد راغب نبود. در این روش از بی‌نهایت‌های دیگری برای خنثی کردن بی‌نهایت‌های نخستین، استفاده می‌شود. نفس این عمل اگر چه مشکوک است ولی نتیجه در بسیاری از موارد کاربرد خوبی دارد. نظریه‌هایی که با به‌کارگیری این روش به‌دست می‌آیند، خیلی خوب با مشاهدات همخوانی دارند.

استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نیروی الکترومغناطیسی کارساز است ولی در مورد گرانش این روش موفق نبوده. بی‌نهایت‌ها در مورد نیروی گرانش از جهتی بدتر از بی‌نهایت‌های نیروی الکترومغناطیسی هستند و حذفشان ممکن نیست. ابرگرانش که هاوکینز در خطابه لوکاشین خود بدان اشاره کرد و نظریه ابرریسمان که در ا» اشیاء بنیادی جهان، بصورت ریسمان‌های نازکی هستند، پیشرفت‌های امیدوار کننده‌ای داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.

راه دیگر

از طرف دیگر اگر ما مکانیک کوانتومی را برای مطالعه اجسام بسیار بزرگ در قلمرویی که گرانش فرمانروای بی‌چون و چرا است، بکار گیریم، چه خواهد شد؟ به‌دیگر سخن اگر ما آنچه را که نظریه نسبیت عام در باره گرانش می‌گوید، در پرتو اصل عدم قطعیت بازنگری کنیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟

همانطور که گفتیم طبق اصل عدم قطعیت(Uncertainty principle) نمی‌توان با دقت مکان و سرعت یک ذره را همزمان اندازه گرفت. آیا این بازنگری موجب تفاوت زیادی خواهد شد؟ در ادامه خواهیم دید که استفن‌هاوکینگ در این زمینه به چه نتایج شگرفی دست یافته است.

سیاهچاله‌ها سیاه نیستند!

شرایط مرزی ممکن است به این نتیجه منتهی شود که مرزی وجود ندارد حالا که از ضد و نقیض‌ها گفتیم، یکی دیگر هم اضافه کنیم:

فضای خالی، خالی نیست

در ادامه خواهیم دید که چگونه می‌توان به این نتیجه رسید. فعلا همینقدر بدانیم که اصل عدم قطعیت بدان معنی است که فضا مملو از ذره و پادذره است!

نظریه نسبیت عام همچنین به مـــا می‌گوید کـــه وجود ماده یـــا انرژی سبب خمیدگی یــا تاب‌خوردن فضا-زمان می‌شود. یک نمونه خمیدگی آشنا می‌شناسیم. خمیدگی باریکه‌های نور ستارگان دور هنگامی که از نزدیکی اجسام با جرم بزرگ نظیر خورشید می‌گذرند.

این دو موضوع را به‌یاد داشته باشیم:

۱- فضای «خالی» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع کل انرژی آن‌ها مقداری عظیم یا مقداری بی‌نهایت از انرژی است.

۲- وجود این انرژی باعث خمیدگی فضا-زمان می‌شود.

ترکیب این دو ایده ما را به این نتیجه می‌رساند که کل جهان می‌بایستی در یک توپ کوچک پیچیده شده باشد. چنین چیزی روی نداده است! بدین‌سان موقعی که از نظریه‌های نسبیت عام و مکانیک کوانتومی توامان استفاده می‌شود، پیشگویی آن‌ها اشتباه محض است.

نسبیت عام و مکانیک کوانتومی هر دو نظریه‌های فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترین دستاوردهای فیزیک در قرن گذشته هستند. از این دو نظریه نه‌تنها برای هدف‌های نظری بلکه برای بسیاری کاربردهای عملی، به‌نحوی درخشان استفاده می‌شود. با وجود این اگر آن‌ها را با هم در نظر بگیریم، نتیجه همانطور که دیدیم بی‌نهایت‌ها و بی‌معنی بودن است. نظریه همه چیز باید به‌نحوی این بی‌معنا بودن را حل کند.

نظریه همه‌چیز باید بتواند این امکان را به‌شخصی که جهان ما را ندیده است، بدهد که همه چیز را پیش‌گویی کند. با چنین نظریه‌ای شاید بشود خورشیدها و سیارات و کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌ها و کوزارها را پیشگویی کرد. اما آیا می‌شود به‌وسیله آن برنده مسابقه اسب‌دوانی سال أینده ایالت کنتاکی را پیشگویی کنیم؟ آیا این پاسخ قابل اعتماد است؟ نه‌چندان!

محاسبات لازم برای بررسی همه داده‌های جهان بطور مضحکی بسیار فراتر از ظرفیت هر کامپیوتر قابل تصوری خواهد بود.

هاوکینگ می‌گوید که گر چه ما می‌توانیم معادلات حرکت دو جسم را با استفاده از نظریه نیوتن محاسبه کنیم، اما نمی‌توانیم همین محاسبات را دقیقاْ برای حرکت سه‌جسم انجام دهیم! علت آن نیست که قوانین نیوتن در مورد بیش از دو جسم صادق نیستند. بلکه پیچیدگی ریاضی معادلات کار را سخت می‌کند. لازم به یادآوری هم نیست که در جهان واقعی با بیش از سه جسم روبرو هستیم.

ما در خصوص سلامتی خود نیز با وجود این که به شالوده اصول دانش پزشکی، شیمی، بیولوژی بسیار مسلط هستیم، نمی‌توانیم پیش‌گویی کنیم. در اینجا نیز مساله آن هست که میلیاردها میلیارد رویدادهای جزئی در سیستم بدن انسان وجود دارد.

با دستیابی به نظریه همه چیز ما هنوز به طرز گیج‌کننده‌ای از پیش‌گویی همه‌ چیزها دور خواهیم بود. حتی اگر اصول زیربنایی ساده و به‌خوبی فهمیده شده باشند، نحوه عملکرد آن‌ها فوق‌العاده پیچیده است. پس این که چه اسبی در مسابقه اسب‌دوانی سال آینده کنتاکی برنده می‌شود، با نظریه همه‌چیز قابل پیشگویی است. اما هیچ کامپیوتری نمی‌تواند تمام داده‌های این پیشگویی را در خود جای داده و معادلات آن را حل کند. آیا این درست است؟

آری و خیر! زیرا یک مسئله دیگر باقی است! اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی!!! در سطح بسیار ریز یعنی سطح کوانتومی جهان، اصل عدم قطعیت توانایی ما را برای پیش‌گویی رویدادها بسیار محدود می‌کند.

ساکنان عجیب و گرفتار دنیای کوانتوم‌ یعنی فرمیون‌ها و بوزون‌ها را در نظر بگیرید. این‌ها باغ‌وحش عظیمی از ذرات را تشکیل می‌دهند. الکترون‌ها و پروتونها و نوترونها در میان فرمیون‌ها وجود دارند. هر پروتون و نوترون به نوبه خود از سه کوارک که آن‌ها هم فرمیون هستند، تشیل شده است. بعد بووزن‌ها را داریم. فوتون‌ها پیام‌رسان نیروی الکترومنیتیک، گراویتون‌ها پیام‌رسان نیروی جاذبه، گلوئون پیام‌رسان نیروی قوی و wها و Zها پیام‌رسان نیروی ضعیف هستند. دانستن این که این‌ها و خیلی از موجودات شبیه آن‌ها کجا هستند؟ به کجا می‌روند؟ و با چه سرعتی می‌روند، ممکن است ما را یاری کند. اما آیا می‌توانیم این چیزها را بدانیم؟ ارنست راترفورد در اوایل قرن بیستم در آزمایشگاه کاوندیش کمبریج، مدلی از اتم را ارائه داد که در آن الکترونها در مدارهایی شبیه مدار سیارات به دور خورشید، دور هسته اتم می‌گردند. ما اکنون می‌دانیم که مدارات الکترونها را نمی‌توان به این دقت و وضوح رسم کرد. بهتر اسن بجای آن مدار الکترون‌ها را بصورت پراکنده و نامشخص شبیه ابری در اطراف هسته تصور کنیم. این وضعیت در مورد همه ذرات دیگر هم به همین شکل است. اصل عدم قطعیت همانطور که گفته شد، می‌گوید که نمی‌توان با دقت به‌طور همزمان مکان و سرعت یک ذره را تعیین کرد. موضوع مثل الاکلنگی است که پایین رفتن یک سمت آن، منجر به بالا رفتن سمت دیگر می‌شود. هر چه سرعت را دقیق‌تر اندازه بگیریم دقتمان در تعیین مکان ذره کمتر می‌شود و برعکس هر چه مکان دقیق‌تر پیش‌بینی شود، سرعت ذره را با دقت کمتری می‌توان تعیین کرد. در دنیای کوانتوم موشکافی بیشتر به ویرانی می‌انجامد. برای توصیف مدار یک ذره بهترین راه آن است که همه راه‌هایی را که آن ذره می‌تواند حرکت کند، بررسی و محاسبه کنیم. این عمل ما را به مبحث احتمالات می‌کشاند. در نهایت فقط می‌توانیم بگوییم که این ذره احتمال دارد در فلان مسیر حرکت کند و احتمال دارد فلان‌جا باشد. با تمامات ابهامات چنین راهی، استفاده از آن اطلاعات مفیدی به ما می‌دهد.

در فیزیک کوانتومی فیزیک‌دانان راه‌های ماهرانه‌ای ابداء کرده‌اند تا زیرکانه ذرات را مشاهده کنند. اما کارشان بی‌ثمر مانده است. علت آن نیست که ما هوشیارانه عمل نکردیم یا بهترین ابزار مشاهده و اندازه‌گیری را به‌کار نگرفته‌ایم. دنیای ذرات حقیقتاْ مبهم و غیر قطعی است.

تعجب‌آور نیست که هاوکینگ در سخنرانی لوکاشین خود از مکانیک کوانتومی به عنوان «نظریه‌ای در باره آن‌چه نمی‌دانیم و نمی‌توانیم پیش‌گویی کنیم» یاد کرد.

با در نظر گرفتن محدودیت‌هایی که از آن‌ها یاد شد، فیزیک‌دانان تعریف جدیدی را از علم ارائه کرده‌اند: نظریه همه چیز مجموعه‌ای از قوانینی خواهد بود که پیشگویی رویدادها را تا حدی که اصل عدم قطعیت معین کرده است، امکان‌پذیر می‌سازد!

این بدان معنی است که در بسیاری موارد باید به احتمالات راضی شویم و از گرفتن نتایج مشخص و دقیق صرف‌نظر کنیم!

استیون هاوکینگ مسئله را چنین جمع‌بندی می‌کند! او در پاسخ این سوال که آیا همه چیز از پیش به طور جبری به وسیله خدا یا نظریه همه چیز تعیین شده است؟ می‌گوید:

ولی این امکان هم وجود دارد که چنین نباشد! زیرا هرگز ممکن نیست که ما بدانیم چه چیزی از پیش معین شده است! اگر نظریه از پیش تعیین کرده است که ما باید با چوبه دار اعدام شویم، بنابراین در آب غرق نخواهیم شد. اما قبل از این که سوار یک قایق کوچک در دریایی طوفانی شویم، باید اطمینان داشته باشیم که سرنوشت ما برای اعدام با چوبه دار مقدر شده است!

به نظر هاوکینگ ایده آزادی اراده، نظریه تقریبی بسیار خوبی در باره رفتار بشر است!

اگر منصف باشیم، باید بگوییم که همه فیزیک‌دانان گمان نمی‌کنند که «نظریه همه چیز» وجود دارد یا اگر هست، دستیابی به آن برای ما میسر است. بعضی از آن‌ها بر این باورند که علم با باریک‌بینی و اکتشافات پی‌ در پی به باز کردن اطاق‌های تو در توی اسرار ادامه خواهد داد ولی هیچ‌گاه به آخرین اطاق نمی‌رسد. برخی دیگر چنین استدلال می‌کنند که رویدادها مسلماْ به‌طور کامل قابل پیش‌بینی نیستند و به‌طور تصادفی اتفاق می‌افتند. برخی اعتقاد دارند که خدا و موجوداتی مثل بشر بسیار بیش از آن‌چه نظریه همه چیز ممکن است اجازه دهد، از آزادی کنش و واکنش در چارچوب جهان برخوردار هستند. آنها می‌گویند که موضوع مثل نواختن یک موسیقی از پیش نوشته شده توسط ارکستر است. باز هم نوازنده امکان آفرینش زیادی در نواختن نتها دارد. امکانی که از پیش معین نشده است!

به هر رو چه یک نظریه رسا و کامل برای توضیح جهان هستی در دسترس بشر باشد یا امید دسترسی به آن در آینده وجود داشته باشد، افرادی بین ما هستند که می‌خواهند در راه دسترسی به آن کوشش کنند. ما موجوداتی دلیر و دارای حس کنجکاوی سیری‌ناپذیر هستیم. منصرف کردن برخی از ما مثل استیون‌هاوکینگ از چنین راهی، کار دشواری است. موری گلمان فیزیک‌دان دیگری از Caltech که او نیز چنین کوششی دارد، می‌گوید: تکاپو برای فهمیدن این جهان، این که از کجا آمده است و چگونه کار می‌کند، سترگ‌ترین و ماندگارترین ماجرای زندگی بشر است. دشوار است که در نظر آریم که مشتی ساکنان سیاره کوچکی در گردش به‌دور یک ستاره ناچیز در کهکشانی کوچک، سودایشان فهم همه این جهان پهناور باشد! ذره بسیار خردی از هستی بر این باور باشد که توانایی فهم همه جهان هستی را دارد!

از گرانش و نور چه می‌دانیم؟

گرانش (جاذبه) یکی از نیروهای چهارگانه و برای ما از همه آشناتر است.

در کودکی به ما یاد داده‌اند که هنگامی که بستنی می‌خوریم، اگر روی قالی بریزد یا وقتی از روی تاب به زمین می‌افتیم، گناه از نیروی گرانش است. اگر از شما بخواهند حدس بزنید که آیا نیروی جاذبه خیلی ضعیف یا خیلی قوی است، چه میگویید؟ احتمالا خواهید گفت: « فوق‌العاده قوی است!». در این صورت در اشتباه خواهید بود. این نیرو به‌مراتب، از سه نیروی دیگر ضعیف‌تر است. گرانشی که در زندگی روزمره ما، این قدر محسوس است، گرانش سیاره بسیار بزرگی است که روی آن زندگی می‌کنیم یا در حقیقت، برآیند گرانش همه ذرات موجود در زمین است. سهم هر ذره، ناچیز است. برای اندازه‌گیری جاذبه گرانشی ضعیف بین اشیاء کوچکی که هر روز با آن‌ها سروکار داریم، به‌دستگاه‌های خیلی‌ دقیق، نیازمندیم. ضمن این که گرانش همیشه حالت جذب دارد و هرگز دفع نمی‌کند، پس خصوصیت جمع‌پذیری دارد.

جان ویلر فیزیکدان، مایل است گرانش را شبیه یک سیستم دموکراتیک فرض کند. هر ذره یک رأی دارد که می‌تواند بر هر ذره دیگر موجود در جهان اثر بگذارد. اگر ذرات جمع شوند و رأی جمعی بدهند(مثلاْ در یک ستاره یا زمین)، تأثیر بیشتری اعمال می‌کنند. جاذبه گرانش بسیار ضعیف تک‌تک ذرات، در اجسام بزرگی مثل زمین مانند همان رای دسته جمعی، با هم جمع می‌شوند و نیروی قابل توجهی پدید می‌آورند.

هر چقدر ذرات مادی که یک جسم را تشکیل می‌دهند، زیادتر باشد، جرم آن جسم بیشتر است. جرم با اندازه یک جسم تفاوت دارد. جرم تعیین می‌کند که چه قدر ماده در جسمی وجود دارد، یا تعداد آرا، در این رأی دسته جمعی چقدر است (بدون توجه به تراکم و تفرق این ذرات ماده)

سر ایزاک نیوتن، در سالهای ۱۶۰۰ پروفسور کرسی لوکاشین ریاضیات در کمبریج بود. وی همان مقامی را داشت که هاوکینگ امروزه دارد. نیوتن قوانینی را کشف کرد که چگونگی عمل گرانش را در شرایط کم و بیش عادی، توضیح می‌دهند. نخست این که اجسام درجهان درحال سکون نیستند. آن‌ها به‌حال سکون نمی‌مانند تا نیرویی آن‌ها را با کشیدن یا راندن به حرکت درآورد و سپس با « از کار افتادن » این نیرو، بار دیگر به حال سکون درآیند. بلکه بر عکس، اگر جسمی کاملاْ به حال خود گذارده شود، در امتداد یک خط راست بدون تغییر جهت و تغییر تندی به حرکت خود ادامه می‌دهد. بهترین دیدگاه آن است که فکر کنیم، در جهان، همه چیز در حال حرکت است. ما می‌توانیم سرعت یا جهت حرکت خود را نسبت به سایر اجسامی که در جهان وجود دارند، بسنجیم، اما نمی‌توانیم آن را نسبت به سکون مطلق یا چیزی مثل شمال و جنوب، بالا یا پایین مطلق اندازه‌گیری کنیم.

به عنوان مثال، اگر کره ماه در فضا تنها بود، در حال سکون نمی‌ماند بلکه در امتداد خط راست بدون تغییر سرعت، به حرکت خود ادامه می‌داد.

البته اگر ماه واقعاْ تنها بود، امکان نداشت که حرکت آن را به گونه‌ای که گفته شد، بیان کنیم زیرا چیزی نبود که حرکت ماه را به آن نسبت دهیم. اما ماه کاملاْ تنها نیست. نیرویی موسوم به گرانش، ماه را وادار می‌کند که تندی حرکت و جهت حرکت خود را تغییر دهد. این نیرو از کجا می‌آید؟ این نیرو از مجموعه آراء ذرات نزدیک به‌هم (جسمی با جرم زیاد) می‌آید که همان زمین باشد. ماه در برابر این تغییر، مقاومت می‌کند و سعی می‌کند که حرکت خود را روی یک خط راست نگه دارد. در همین حال، گرانش ماه نیز روی زمین تأثیر می‌گذارد. می‌دانیم که نمونه بارزش جذر و مد اقیانوس‌هاست.

نظریه گرانش نیوتن به ما می‌گوید که مقدار جرم یک جسم، چگونه بر شدت گرانش بین آن جسم و جسم دیگر، تأثیر می‌گذارد. اگر عوامل دیگر تغییر نکنند، هر قدر جرم زیادتر باشد، جاذبه شدیدتر خواهد بود. اگر زمین دو برابر جرم فعلی خود را داشت، جاذبه‌‌ای که بین زمین و ماه وجود دارد، نسبت به جاذبه کنونی آن، دو برابر می‌شد. اما اگر فاصله ماه تا زمین، دو برابر فاصله کنونی بود، شدت جاذبه بین آنها یک‌چهارم شدت فعلی می‌شد. (نظریه گرانش نیوتن را در کتب پایه فیزیک ببینید)

نظریه گرانش نیوتن، نظریه بسیار موفقی بود و تا ۲۰۰ سال بعد، مورد تجدید نظر واقع نشد. هنوز هم ما از آن استفاده می‌کنیم در حالی که می‌دانیم، در بعضی شرایط، مثلاْ اگر نیروهای گرانشی فوق‌العاده شدید باشند(به عنوان مثال در نزدیکی یک سیاهچاله)، یا زمانی که اجسام با سرعتی معادل نور حرکت کنند، این نظریه دیگر صادق نیست.

آلبرت اینشتین، در اوایل این قرن، به مشکلی در نظریه نیوتن پی برد. دانستیم که نیوتن، شدت گرانی بین دو جسم را به فاصله آنها، مربوط می‌دانست. در صورتی که این فرضیه درست باشد، اگر خورشید در یک لحظه به هر دلیلی به فاصله خیلی دورتر از زمین برود، می‌بایستی جاذبه بین خورشید و زمین در همان لحظه تغییر کند. آیا چنین چیزی ممکن است؟

نظریه نسبیت خاص اینشتین می‌گوید که سرعت نور ثابت است. در هر مکان از جهان و با هر سرعتی که اجسام حرکت کنند، سرعت نور تغییر ناپذیر است و هیچ سرعتی، بالاتر از سرعت نور نیست. نور خورشید در زمانی معادل ۸ دقیقه به ما می‌رسد. بنابراین، ما همیشه خورشید را آن طور می‌بینیم که هشت دقیقه پیش بوده است. اگر خورشید از زمین دور شود، ۸ دقیقه بعد، ما به هر اثری که این تغییر فاصله داشته باشد، پی خواهیم برد. برای ۸ دقیقه،‌ما خورشید را در همان مدار می‌بینیم که قبلاً دیده‌ایم. مثل اینکه خورشید حرکتی نکرده است. به عبارت دیگر، اثر گرانی یک جسم بر جسم دیگر، نمی‌تواند فوراْ تغییر کند! زیرا سرعت انتقال گرانش که زیادتر از سرعت نور نیست. اطلاع از اینکه خورشید چه اندازه دور شده است، نمی‌تواند فوراْ از طریق فضا به ما برسد. این اطلاع‌رسانی، به هر وسیله‌ای که باشد، سریعتر از سرعت نور، یعنی ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه که نخواهد بود. بنابر این، روشن است که اگر بخواهیم در باره حرکت اجسام در جهان گفتگو کنیم، واقع بینانه نخواهد بود که تنها سه بعد فضا را در نظر بگیریم. اگر هیچ چیز نمی‌تواند سریعتر از نور منتقل شود، چیزهایی در فاصله‌های نجومی، صرفاْ بدون یک عامل زمان نه برای ما وجود دارند و نه برای خود آن چیزها بین یکدیگر! توصیف جهان در سه بعد همان قدر ناکافی است که بخواهیم یک مکعب را در دو بعد توصیف کنیم. بسیار پرمعنی‌تر خواهد بود که بعدی به‌نام زمان را به ابعاد دیگر اضافه کنیم. یعنی بپذیریم که در واقع، چهار بعد وجود دارد و به بحث فضا ـ زمان بپردازیم.

اینشتین چندین سال بی‌وقفه در تلاش بود تا نظریه‌ای در باره گرانش بیابد که با آن‌چه خود او در باره نور و حرکت نزدیک به سرعت نور یافته بود، هم‌خوان باشد. او در سال ۱۹۱۵، نظریه نسبیت عام را اعلان کرد. بنابراین نظریه گرانش نه به عنوان نیرویی بین اجسام، بلکه بر حسب شکل و خمیدگی فضا ـ زمان چهار بعدی، در نظر گرفته می‌شود. در نسبیت عام، گرانش، هندسه جهان است.

برایس دویت، از دانشگاه تگزاس توصیه می‌کند که برای شروع فکر کردن در باره این خمیدگی، می‌توانیم فردی را تصور کنیم که عقیده دارد کره زمین کروی نیست، بلکه مسطح است و می‌خواهد یک شبکه شطرنجی صاف، روی زمین پهن کند:

نتیجه را می‌توان از درون یک هواپیما، در روزی با هوای صاف، روی کشتزارهای گریت‌پلینز آمریکا، نگریست. زمین، بین جاده‌های شمال جنوب و شرق ـ غرب به تکه‌هایی که هر یک، یک مایل مربع وسعت دارد، تقسیم شده است. جاده‌های شرقی ـ غربی اغلب با خطوطی که در طول چند کیلومتر بریدگی ندارد، ادامه می‌یابد ولی در مورد جاده‌های شمال ـ جنوب، وضع بدین منوال نیست. اگر یک راه شمالی ـ جنوبی را پی‌بگیریم، در هر چند مایل با پیش‌آمدگیها و پس‌رفتگیهایی، در شرق و غرب این جاده، برخورد می‌کنیم. این بی‌قاعدگی‌ها، در اثر خمیدگی زمین پدید می‌آیند. اگر این انحرافات را از بین ببریم، جاده‌ها به هم نزدیک شده و قطعاتی به وجود می‌آید که کمتر از یک مایل مربع وسعت خواهند داشت.

در حالت سه بعدی، می‌توان داربست غول پیکری را در فضا تصور کرد که از اتصال میله‌هایی راست با طول مساوی و زوایای ۹۰ درجه و ۱۸۰ درجه تشکیل شده باشد. اگر فضا مسطح باشد، ساختمان این داربست بدون اشکال پیش می‌رود. اما اگر فضا خمیده باشد، ساختمان داربست منوط به این خواهد بود که میله‌ها را کوتاهتر یا درازتر کنیم، تا روی خمیدگی فضا جا بیفتد.

بر اساس نظریه اینشتین، خمیدگی، به علت وجود جرم و انرژی ایجاد می‌شود. هر جسم پرجرم بسیار بزرگ، در خمیدگی فضا ـ زمان، نقش دارد. اجسامی که در «امتداد خطی مستقیم در جهان حرکت می‌کنند»، مجبور به دنبال کردن مسیرهای خمیده‌ای هستند. یک تشک ورزش آکروبات را در نظر بگیریم. فرض کنیم در مرکز آن، یک توپ بولینگ وجود دارد که تا اندازه‌ای در تشک، فرو می‌رود. یک توپ کوچک بازی گلف را روی تشک در امتداد یک خط مستقیم به‌نحوی رها کنیم که از کنار توپ بزرگتر، بگذرد. توپ گلف، هنگامی که به فرورفتگیهای نزدیک توپ، بولینگ که در اثر آن به وجود آمده است، می‌رسد، مسیر خودش را تغییر می‌دهد. احتمال دارد که این توپ، از این هم فراتر رود. ممکن است مسیر بیضی شکلی انتخاب کرده و به عقب بازگردد. چیزی شبیه این، زمانی که کره ماه روی مسیر مستقیمی در نزدیکی زمین قرار دارد، روی می‌دهد. زمین، فضا ـ زمان را همان گونه منحرف می‌کند که توپ بزرگ، مسیر توپ کوچک را تغییر می‌دهد. مدار ماه، نزدیکترین چیز به خط مستقیم، در فضا ـ زمان منحرف شده است. ملاحظه می‌کنیم که اینشتین، همان پدیده‌ای را که نیوتن به توجیه آن پرداخته بود، تشریح کرده است. از نظر اینشتین، یک جسم با جرم زیاد، موجب انحراف فضا ـ زمان می‌شود. در نظریه نیوتن یک جسم بزرگ روی جسم کوچکتر، نیرو اعمال می‌کند. نتیجه در هر دو حالت، تغییر مسیر جسم کوچکتر است. طبق نظریه نسبیت عمومی، «میدان جاذبه» و «خمیدگی» دو مفهوم یکسان‌اند.

اگر مدارهای سیارات منظومه شمسی را بر اساس نظریه‌های نیوتن و سپس با استفاده از نظریه اینشتین محاسبه کنیم، نتیجه، بجز در مورد عطارد، تقریباً یکسان خواهد بود زیرا عطارد نزدیکترین سیاره به خورشید است و بیشتر تحت تأثیر جاذبه خورشید، قرار می‌گیرد. پیش‌بینی نتیجه این نزدیکی طبق نظریه اینشتین، اندکی با آنچه طبق نظریه نیوتن به دست می‌آید، متفاوت است. مشاهدات نشان می‌دهد که مدار عطارد، با پیش‌بینی اینشتین، هم‌خوانی بهتری دارد، تا نظریه نیوتن.

نظریه اینشتین، پیش‌گویی می‌کند که چیزهای دیگری بجز ماه و سیارات نیز، تحت تأثیر خمیدگی فضا ـ زمان قرار می‌گیرند. مثلاً فوتونها (ذرات نور)، باید در فضای خمیده حرکت کنند. اگر باریکه نوری که از ستاره‌ای دور سیر می‌کند، مسیر آن از نزدیکی خورشید بگذرد، خمیدگی فضا ـ زمان در نزدیکی خورشید موجب می‌شود که این مسیر اندکی به طرف خوردشید خمیده شود همان گونه که مسیر توپ گلف به طرف توپ بولینگ، اندکی منحرف می‌شود. شاید هم مسیر نور ستاره به نحوی خمیده شود که نور در نهایت با زمین برخورد کند. خورشید خیلی نورانی‌تر از آن است که بتوانیم نور ستاره را در کنارش ببینیم مگر در حالت کسوف. اگر ما ستاره را در این حالت ببینیم و متوجه نباشیم که خورشید مسیر نور ستاره را منحرف می‌کند، برداشتی نادرست خواهیم داشت از اینکه نور از کجا به طرف ما می‌آید و ستاره دقیقاْ در کجای آسمان جا دارد. ستاره‌شناسان، با استفاده از این پدیده، جرم اجسام آسمانی را با اندازه‌گیری مقدار انحراف مسیر نور ستارگان دور، حساب می‌کنند. هر چه جرم این «خم‌کننده» زیادتر باشد، خمیدگی مسیر نور بیشتر خواهد بود.

تا اینجا ما از گرانش، با در نظر گرفتن آنچه که در مقیاس بزرگ مشاهده می‌کنیم، گفتگو کردیم. البته این مقیاسی است که در آن گرانش در ستارگان، کهکشانها و حتی تمام جهان آشکار می‌شود و این همان مقیاسی است که هاوکینگ در دهه ۱۹۶۰، با آن سروکار داشت اما، گرانش را می‌توان در مقیاسهای بسیار کوچک، حتی تا سطح کوانتومی نیز مورد توجه قرار داد. در حقیقت، اگر ما به گرانش در این سطح توجه نکنیم، هرگز نمی‌توانیم به یگانگی آن با سه نیروی دیگر که دوتای آنها تنها دراین سطح عمل می‌کنند، دست یابیم. روش مکانیک کوانتومی برای در نظر گرفتن نیروی گرانش بین ماه و زمین آن است که این نیرو را با تبادل گراویتونها (بوزونها یا ذرات پیام‌رسان نیروی گرانش)، بین ذرات تشکیل دهنده این دو کره در نظر بگیریم.

به خاطر بیاورید که از نیروی گرانش بر روی زمین چه احساسی دارید. فرض کنید که می‌خواهید برای گذراندن تعطیلات به فضا بروید. در زمان غیبت شما، واقعه عجیبی در زمین روی می‌دهد: زمین فشرده می‌شود و به نصف اندازه اصلیش می‌رسد. در این حال، زمین هنوز همان جرم قبلی را دارد، ولی اکنون فشرده شده است. پس از پایان این مسافرت به زمین باز می‌گردید، فضاپیمای شما مدتی سرگردان می‌ماند، تا محلی را که قبل از فشرده شدن، از آن پرواز کرده بود، پیدا کند. در این مسیر که شعاع آن، برابر شعاع سابق زمین است، خود را با همان سنگینی قبل از پرواز، احساس می‌کنید. کشش جاذبه زمین در آنجا تغییری نکرده است زیرا در جرم شما و جرم زمین، نسبت به سابق تفاوتی وجود ندارد. فاصله شما از مرکز گرانی (گرانیگاه) زمین نیز همان فاصله قبلی است(نیوتن را به یاد آورید!). ماه نیز مانند گذشته دور زمین می‌گردد. اما هنگامی که فضاپیمای شما در همان مکانی که از آن پرواز کرده بودید فرود می‌آید (با شعاع بسیار کمتر و نزدیکتر به مرکز گرانش زمین)، گرانش در سطح جدید زمین چهار برابر مقداری است که قبل از فشردگی زمین به یاد دارید. شما خود را بسیار سنگینتر احساس می‌کنید.

اگر واقعه بسیار شگفت‌انگیزتری روی دهد چه می‌شود؟ چه می‌شود، اگر زمین تا اندازه یک نخود فشرده شود، یعنی تمام جرم زمین که میلیاردها تن است، در فضایی آنقدر کوچک تمرکز یابد؟ گرانی در سطح این کره نخودی آنقدر شدید می‌شود که سرعت گریز از آن، بیشتر از سرعت نور خواهد بود. زمین به یک سیاهچاله تبدیل می‌شود. حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد. با وجود این، در شعاعی از فضای خارج آن، جایی که سطح زمین قبل از فشردگی بوده، کشش گرانی زمین هنوز همان است که امروز احساس می‌کنیم. کره ماه مثل قبل، روی مدار خود در حرکت خواهد بود.

تا آنجا که ما می‌دانیم، چنین داستانی روی نخواهد داد. سیاره‌ها به سیاهچاله تبدیل نمی‌شوند. اما احتمال آن زیاد است که این واقعه برای بعضی از ستارگان، روی دهد. اکنون همین داستان را، در باره یک ستاره بازگو می‌کنیم. از ستاره‌ای شروع کنیم که جرمی در حدود ده برابر جرم خورشید دارد. شعاع ستاره تقریباً ۳ میلیون کیلومتر یعنی قریب ۵ برابر شعاع خورشید است. سرعت گریز از این ستاره حدود ۱۰۰۰ کیلومتر در ثانیه و عمر آن نزدیک به ۱۰۰ میلیون سال است و در این مدت زمان، زندگی و مرگ و کشاکش نیروها با یکدیگر ادامه دارد. در یک سوی این کشاکش، گرانش است: جاذبه هر ذره موجود در ستاره، برای جذب ذرات دیگر. این گرانش بود که در آغاز پیدایش ستاره، ذرات گازی را به سوی هم کشید تا نخستین بار، ستاره تشکیل شود. این کشش حتی اکنون که ذرات به هم نزدیکتر شده‌اند، زیادتر شده است. تیم گرانش، در این مسابقه، سعی در رمبیدن(کولاپس) ستاره دارد.

طرف مقابل این کشاکش، نیروی فشار گاز در ستاره است. این فشار از گرامای حاصل از همجوشی هسته‌های هیدروژن، و تشکیل هسته هلیوم ناشی می‌شود. این انرژی گرمایی، موجب درخشندگی ستاره می‌شود و فشار کافی برای مقاومت در برابر گرانش و جلوگیری از رمبیدن ستاره ایجاد می‌کند. کشاکش نیروها، ۱۰۰ میلیون سال ادامه دارد. آنگاه سوخت ستاره تمام می‌شود. دیگر هیدروژن، برای تبدیل به هلیوم موجود نیست. پاره‌ای از ستارگان، هلیوم را نیز با همجوشی هسته‌ای به عناصر سنگینتر تبدیل می‌کنند ولی این عمل فقط مدت کوتاهی به عمر ستاره اضافه می‌کند. زمانی که دیگر فشاری برای مقابله با نیروی جاذبه موجود نباشد، ستاره منقبض می‌شود. در این حال، گرانش در سطح ستاره، مانند آنچه قبلاً در مورد داستان فشردگی زمین دیدیم، به تدریج افزایش می‌یابد. لازم نیست که ستاره، برای آنکه به یک سیاهچاله تبدیل شود، به اندازه یک نخود در آید. زمانی که شعاع این ستاره که جرم آن ده برابر خورشید بود به ۳۰ کیلومتر برسد، سرعت گریز از آن ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه یعنی برابر سرعت نور خواهد بود. موقعی که نور نتواند از آن بگریزد، ستاره به سیاهچاله تبدیل می‌شود. (به دلایلی که جای بحثش اینجا نیست، ستاره‌هایی که جرم آنها از ۸ برابر خورشید کمتر باشد، احتمالاً پس از طی این مراحل، به سیاهچاله تبدیل نمی‌شودند. تنها ستارگانی که جرم آنها بیشتر باشد، سیاهچاله به وجود می‌آورند.)

پس از آنکه سرعت گریز از ستاره از سرعت نور فزونی یافت، ما دیگر برای این سوال که آیا ستاره به منقبض شدن خود ادامه خواهد داد یا نه، پاسخی نداریم. حتی اگر منقبض نشود، باز هم ما یک سیاهچاله خواهیم داشت. به یاد داشته باشیم که در داستان فشردگی کره زمین، گرانی در شعاع اولیه زمین هیچ‌گاه تغییر نکرد. خواه ستاره تا سرحد یک نقطه با چگالی بی‌نهایت منقبض شود یا در شعاعی که سرعت گریز از آن معادل سرعت نور است، باقی بماند، در هر دو حالت، مادامی که جرم ستاره تغییر نکرده است، گرانی در این شعاع یکسان خواهد بود. سرعت گریز در آن شعاع، سرعت نور است و در سرعت نور باقی خواهد ماند. برای نور، گریز از ستاره غیر ممکن است. باریکه‌های نور مجاور که از ستارگان دور دست می‌رسند، نه تنها منحرف می‌شودن بلکه ممکن است چند دور اطراف سیاهچاله بچرخند و بعد، از آن گریخته یا در آن سقوط کنند. اگر نور داخل سیاهچاله شود، دیگر گریزی نخواهد داشت. هیچ چیز نمی‌تواند سرعتی بیش از سرعت نور داشته باشد. چه «خاموشی» عمیقی خواهیم داشت! نه نور، نه بازتابش، نه هیچ‌گونه تابش (رادیویی، میکروویو، پرتو ایکس و غیره)، نه صدا، نه چشم‌انداز، نه کاوشگر فضایی، مطلقاً هیچ داده‌ای نمی‌تواند از آن خارج شود.

شعاع کره‌ای را که سرعت گریز آن برابر سرعت نور باشد مرز سیاهچاله، شعاع بدون بازگشت یا افق رویداد می‌نامند. هاوکینگ و پن‌روز در اواخر دهه ۱۹۶۰، پیشنهاد جدیدی برای تعریف سیاهچاله ارائه کردند. بنابر این تعریف، سیاهچاله ناحیه‌ای از جهان یا «مجموعه‌ای از رویدادها»ست که از یک فاصله معین، گریز از آن برای هیچ چیز ممکن نیست. در زمان ما این تعریف پذیرفته شده است. یک سیاهچاله با افق رویدادش به‌عنوان یک مرز بیرونی، شکلی مانند کره دارد. یا اگر در حال چرخیدن باشد، به یک کره کشیده شده می‌نماید که از دیدگاه جانبی بیضی شکل است (یا می‌توانست به این شکل نمایان شود، اگر ما می‌توانستیم آن را ببینیم). افق رویداد، با مسیرهایی در فضا ـ زمان پرتوهای نوری که درست بر لبه آن منطقه کروی شکل در جا می‌زنند، مشخص می‌شود. این پرتوها نه می‌توانند به درون کره کشیده شوند و نه می‌توانند از آن بگریزند. گرانش در این شعاع، به آن شدت نیست که این پرتوها را به داخل بکشاند ولی به اندازه‌ای است که از گریز پرتوها جلوگیری می‌کند. آیا ما آن پرتوها را مانند کره‌ای با روشنایی ضعیف خواهیم دید؟ خیر. اگر فوتونها بتوانند از این شعاع بگریزند، رسیدن آنها به چشمهای ما نیز، میسر نخواهد بود. برای اینکه شما چیزی را ببینید، باید فوتونهای آن به چشم شما برسد. اندازه سیاهچاله را جرم آن معین می‌کند. اگر بخواهیم شعاع سیاهچاله (شعاع تشکیل افق رویداد) را محاسبه کنیم، باید جرم خورشیدی سیاهچاله را در ۳ کیلومتر ضرب کنیم. بدینسان، افق رویداد سیاهچاله با جرم خورشیدی ۱۰، برابر با ۳۰ کیلومتر خواهد بود. (جرم خورشید ستاره، برابر با جرم ستاره رمبیده شده نسبت به جرم خورشید است، به شرط آنکه جرم ستاره، در جریان رمبیدگی و تبدیل شده به سیاهچاله، کم نشده باشد. ) روشن است که اگر جرم سیاهچاله تغییر پیدا کند، شعاع افق رویداد و اندازه سیاهچاله نیز تغییر خواهد کرد. در باره امکان تغییر اندازه سیاهچاله، بعداْ بسیار بیشتر خواهیم گفت.

با کشیده شدن حفاظی بر افق رویداد، ستاره در تنهایی کامل قرار می‌گیرد. هر نوری که بتابد به داخل کشیده می‌شود. پن‌روز می‌خواست بداند که آیا ستاره به رمبیدن خود ادامه خواهد داد، یا اینکه رویداد دیگری در انتظار ستاره خواهد بود؟

او کشف کرد که در ستاره‌ای که به شرحی که رفت، رمبیده می‌شود، همه ماده آن با نیروی گرانی خودش، در داخل سطح آن به دام می‌افتد. حتی اگر رمبش کاملاً کروی و هموار نباشد، ستاره به رُمبیده شدن ادامه می‌دهد. سرانجام، این سطح، با همه ماده‌ای که هنوز در آن محبوس است، آنقدر منقبض می‌شود تا به صفر برسد. در این صورت، ستاره عضیم مورد بحث ما، با جرمی ده برابر جرم خورشیدی، پس از رمبش به ناحیه‌ای به شعاع ۳۰ کیلومتر که افق رویداد آن است محدود نمی‌شود، بلکه شعاع نهایی و نیز حجم آن به صفر می‌رسد. ریاضی‌دانان این مرحله را تکینگی می‌نامند. در چنین تکینگی، چگالی ماده، به بی‌نهایت می‌رسد. خمیدگی فضا ـ زمان، بی‌نهایت می‌شود، و پرتوهای نور تنها در اطراف پیچیده نمی‌شوند، بلکه به طوری بی‌نهایت فشرده، به هم می‌پیچند. نسبیت عام، وجود تکینگی‌ها را پیشگویی می‌کند ولی در اوایل دهه ۱۹۶۰ کمتر کسی این پیشگویی را جدی می‌گرفت. فیزیکدانان فکر می‌کردند که یک ستاره اگر جرمی به اندازه کافی بزرگ داشته باشد و تحت نیروی گرانش رمبیده شود، ممکن است یک تکینگی به وجود آورد. پن‌روز نشان داد که اگر جهان از نسبیت عام اینشتین پیروی کند، باید این تکینگی به وجود آید.

در گذشته ما یک تکینگی وجود دارد

ایده پن‌روز، آنش به ذهن هاوکینگ انداخت. هاوکینگ متوجه شده که اگر جهت زمان را معکوس کند، به طوری که رُمبش به انبساط تبدیل شود، همه چیز در نظریه پن‌روز به جای خود باقی می‌ماند. اگر نسبیت عام به ما می‌گوید هر ستاره‌ای که فراسوی نقطه معینی می‌رُمبد، باید به یک تکینگی ختم شود، در این صورت نیز می‌گوید که هر جهان در حال انبساط باید از یک تکینگی آغاز شده باشد. هاوکینگ دریافت که اگر این نتیجه‌گیری درست باشد، باید جهان از مدلی که دانشمندان آن را مدل فریدمان می‌نامند، پیروی کند. مدل جهان فریدمان چیست؟ تا زمانی که هابل ثابت کرد جهان در حال انبساط است، اعتقاد به جهان ایستا (جهانی که اندازه آن تغییر نکند)، خیلی شدید بود. زمانی که اینشتین، در سال ۱۹۱۵ نظریه نسبیت عام را ارائه کرد، این نظریه انبساط جهان را پیشگویی می‌کرد. اما، اینشتین آنقدر از غیر واقعی بودن این نتیجه مطمئن بود که نظریه خود را مورد تجدید نظر قرار داد. او یک ثابت کیهانی، برای متوازن کردن گرانش به آن اضافه کرد. اما، بدون این ثابت کیهانی، نظریه نسبیت عام آنچه را که ما امروزه درست می‌دانیم پیشگویی می‌کرد: اندازه جهان در حال تغییر است. یک فیزیکدان روسی به نام الکساندر فریدمان، تصمیم گرفت که نظریه اینشتین را بدون ثابت کیهانی به کار گیرد. با این کار، او آنچه را که هابل در ۱۹۲۹ به اثبات آن دست یافت، پیشگویی کرد: جهان در حال انبساط است. فریدمان کار خود را با دو فرض آغاز کرد؟ (۱) جهان، در هر جهت که به آن نگاه کنیم، یکسان است (به استثنای چیزهایی که نزدیک هستند مثل منظومه شمسی و کهکشان راه شیری از دیدگاه ما)؛ (۲) جهان از هرکجا که به آن نگاه کنیم یکسان است.

فرض اول فریدمان را می‌توان به آسانی پذیرفت، ولی پذیرفتن فرض دوم مشکل است. هیچ‌ دلیل قاطعی برای اثبات یا رد آن وجود ندارد. هاوکینگ می‌گوید: «ما آن را تنها از نظر تواضع می‌پذیریم: بسیار جالب خواهد بود اگر انیا در هر جهت از اطراف ما یکسان باشد اما نه در اطراف هر نقطه دیگر از جهان!» شاید بتوان گفت که جالب است ولی غیر ممکن نیست. برای باور داشتن چیزی، تواضع، دلیلی منطقیتر از غرور به نظر نمی‌رسد. با وجود این، فیزیکدانان تمایل دارند که فرضیه دوم فریدمان را هم بپذیرند.

در مدل جهان فریدمان، همه کهکشانها از یکدیگر دور می‌شودند. هر قدر فاصله آنها از یکدیگر زیادتر باشد، با سرعت بیشتری از هم دور می‌شوند. این موضوع با مشاهدات هابل همخوانی دارد. طبق نظریه فریدمان، در هر کجای فضا که حرکت کنیم، باز کهکشانها را در حال دور شدن از خود می‌بینیم. برای درک بهتر این موضوع یک مورچه را در نظر بگیریم که روی یک بادکنک، آهسته راه می‌رود. روی بادکنک نقاطی با فضای یکنواخت ترسیم شده است. فرض کنیم که مورچه بعدی را که به او امکان نگاه کردن به «بیرون»، از سطح بادکنک را بدهد، نمی‌بیند و از فضای درون بادکنک آگاهی ندارد. جهان مورچه، تنها سطح بادکنک است که در هر جهت یکسان می‌نماید. این مورچه هر جا که باشد و در هر جهت که روی سطح بادکنک حرکت کند، همان قدر نقطه در جلوی خود می‌بیند که در عقب خود. اگر بادکنک بزرگتر شود، این نقاط از نظر مورچه، در هر کجای بادکنک که باشد، دور می‌شوند. این «جهان» بادکنکی با هر دو فرض فریدمان همخوانی دارد: در همه جهات، یکسان به نظر می‌آید. در هر جای آن که باشیم باز هم در همه جهات یکسان است.

چه چیز دیگری می‌توانیم در باره دنیای بادکنکی بگوییم؟ اندازه آن بی‌نهایت نیست. سطح آن ابعادی دارد که می‌توانیم آن را مانند سطح زمین اندازه بگیریم. هیچ‌کس نمی‌تواند گمان ببرد که سطح زمین بی‌نهایت است. اما این سطح نیز نه مرز و نه پایان دارد. مورچه، صرف نظر از جایی که روی سطح بادکنک حرکت می‌کند، هیچ‌گاه به مانعی برخورد نمی‌کند، پایانی نمی‌یابد و از لبه‌اش نمی‌افتد. سرانجام به نقطه‌ای که از آنجا حرکت کرده بود، باز می‌گردد.

در مدل اولیه فریدمان، فضا به همین شکل است، اما به جای دو بعد، سه بعد دارد. گرانش، فضا را به سوی گرداگرد خودش خم می‌کند. جهان از حیث اندازه بی‌نهایت نیست ولی پایان و مرزی هم ندارد. یک سفینه فضایی هیچ‌ وقت به مکانی از فضا نمی‌رسد که در آن جهان تمام شود. ممکن است درک این مسأله مشکل باشد، زیرا ما معمولاً از بی‌نهایت این را می‌فهمیم که «پایان ندارد». این دو مقوله، معناهای متفاوتی دارند. هاوکینگ متذکر می‌شود که گرچه فکر فضانوردی دورادور جهان و بازگشت به نقطه مبدأ، به نظر داستان علمی تخیلی بزرگی می‌آید، اما دست کم با این مدل فریدمان، انجام آن غیر ممکن است. شما می‌بایستی از حداکثر سرعت (سرعت نور) که مجاز نیست تجاوز کنید تا قبل از اینکه جهان به پایان عمر خود برسد، آن را دور بزنید. جهان یک بادکنک فوق‌العاده عظیم است و ما مورچه‌های بسیار ریزی هستیم.

در مدل فریدمان، زمان مثل فضا نامحدود نیست. می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد. زمان بر خلاف فضا مرزهایی دارد:‌یک آغاز و یک پایان. انبساط آنقدر آهسته و جرم به قدر کافی در جهان موجود است که در نهایت، جاذبه گرانشی، انبساط را متوقف کرده و موجب منقبض شدن جهان شود. کهکشانها بار دیگر به یکدیگر نزدیک می‌شوند. در پایان زمان، فاصله آنها بار دیگر به صفر می‌رسد.

ممکن است جهان ما چیزی شبیه این باشد.

شبی از ماه نوامبر ۱۹۷۰ کمی پس از تولد دخترم لوسی، موقعی که می‌خواستم به رختخواب بروم، شروع به تفکر در باره سیاهچاله کردم. به علت معلولیتی که دارم، این کار طول می‌کشید و بنابر این به اندازه کافی وقت برای این اندیشه داشتم.»

نتیجه این تفکر، کشف چیزی آن‌قدر ساده بود که پس از شنیدن به نظر می‌رسد به فکر هر کسی می‌توانست راه یابد. اما برای هاوکینگ، این ایده آن‌قدر جالب بود که او را تا صبح بیدار نگه داشت. هاوکینگ یادآوری می کند که پن‌روز راجع به آن فکر کرده بود ولی متوجه نتایج آن نشده بود.

ایده این بود که یک سیاهچاله هیچ‌گاه نمی‌تواند کوچکتر شود زیرا سطح یک افق رویداد (شعاع-غیرقابل-بازگشت که در آنجا سرعت، از سرعت نور فراتر می‌رود) هرگز نمی‌تواند کاهش یابد.

به طور خلاصه یادآوری کنیم که یک ستاره در حال رُمبش، به شعاعی می‌رسد که در آنجا سرعت گریز با سرعت نور برابر است. فوتونهایی که این ستاره پس از رسیدن به این شعاع، گسیل می‌کنند، چه می‌شوند؟ گرانی در اینجا آنقدر شدید است که امکان گریز به این فوتونها را نمی‌دهد، ولی آنقدر شدید نیست که آنها را به داخل سیاهچاله بکشاند. فوتونها در اینجا سرگردان می‌مانند. این شعاع افق رویداد است. پس از آن، ستاره به منقبض شدن ادامه می‌دهد، هر فوتون گسیل شده، به داخل ستاره بازگردانیده می‌شود.

آنچه هاوکینگ به آن پی برد این بود که مسیرهای پرتوهای نور که در افق رویداد سرگردان هستند نمی‌تواند مسیرهای پرتوهای نور باشد که به یکدیگر نزدیک می‌شوند. مسیرهای پرتوهای نور که به یکدیگر نزدیک می‌شوند، به شدت به هم برخورد می‌کنند، به سیاهچاله سرازیر می‌شوند و دیگر سرگردان نیستند. برای اینکه ناحیه افق رویداد کوچکتر شود (و سیاهچاله کوچکتر شود)، می‌باید مسیرهای پرتوهای نور در افق رویداد به یکدیگر نزدیک شوند. ولی اگر این طور شود، این پرتوها به داخل سرازیر می‌شوند، افق رویداد باز هم درست در همان جا که بوده است خواهد ماند و کوچکتر نخواهد شد.

یک راه دیگر اندیشیدن در باره این موضوع، آن است که بپذیریم سیاهچاله می‌تواند بزرگتر شود. در فصل قبل دیدیدم که اندازه سیاهچاله به جرم آن بستگی دارد. بنابر این، هر زمان که چیز جدیدی در سیاهچاله فرود آید، جرم آن فزونی می‌یابد و بزرگتر می‌شود. اگر چیزی از سیاهچاله خارج شود کاهش جرم امکان ندارد، یعنی سیاهچاله نمی‌تواند کوچکتر شود.

این کشف هاوکینگ به نام قانون دوم دینامیک سیاهچاله شناخته شد: ناحیه افق رویداد (مرز سیاهچاله) می‌تواند ثابت بماند یا بزرگتر شود ولی هیچ‌گاه نمی‌تواند کوچکتر شود. اگر دو یا چند سیاهچاله به هم برخورد کنند و یک سیاهچاله تشکیل دهند، ناحیه افق رویداد جدید مساوی، یا بیشتر از جمع افق رویدادهای قبلی خواهد بود. یک سیاهچاله نمی‌تواند، هر قدر هم برخورد شدیدی داشته باشد، کوچکتر شود، از بین برود یا به دو سیاهچاله تقسیم شود. کشف هاوکینگ، یادآور یک «قانون دوم» دیگر در فیزیک است: قانون دوم ترمودینامیک در مورد آنتروپی. آنتروپی، مقدار بی‌نظمی است که در یک سیستم وجود دارد. می‌دانیم که بی‌نظمی، همیشه زیادتر می‌شود و هیچ‌گاه کاهش نمی‌یابد. یک بازی جیک را در نظر بگیریم. در این بازی قطعه‌های بریده شده یک تصویر را طوری کنار هم قرار می‌دهند که آن تصویر بازسازی شود. حال اگر تصویر بازسازی شده را با تکان شدیدی به هم بریزیم، تصویر خراب می‌شود و قطعات آن به طور نامنظم با هم مخلوط می‌شوند. هیچ‌کس از چنین رویدادی تعجب نمی‌کند، ولی بسیار شگفت‌انگیز خواهد بود اگر تصور کنیم که این قطعه‌های درهم ریخته با تکانهای مجدد، در جای خود مرتب شوند و شکل اصلی را به وجود آورند. درجهان ما آنتروپی (بی‌نظمی) همیشه اقزایش می‌یابد. قطعه‌های فنجان چای شکسته شده، هرگز خودشان به صورت فنجان اولیه بازسازی نمی‌شوند. اطاق درهم ریخته شما، هرگز خود به خود نظم اولیه‌اش را پیدا نمی‌کند.

اکنون فرض کنید که شما قطعات فنجانها را به هم چسباندید و اطاق خود را مرتب کردید، و این چیزها نظم بهتری پیدا کردند. آیا آنتروپی کل جهان کاهش یافته است؟ نه. انرژی فکری و بدنی که شما مصرف کرده‌اید، به انرژی غیر قابل استفاده‌تری تبدیل شده است. این امر نماینده آن است که مقدار بی‌نظمی در جهان افزایش یافته و این افزایش از افزایش نظمی که شما به آن دست یافته‌اید، بیشتر است.

آنتروپی، در مورد سیاهچاله و افق رویداد نیز کار برد دارد. هرگاه دو سیستم به یکدیگر بپیوندند، آنتروپی سیستم به هم پیوسته، مساوی یا بزرگتر از جمع آنتروپی دو سیستم است. یک مثال آشنا، آمیختن مولکولهای گاز در یک جعبه است. مولکولهای گاز را مانند توپهای کوچکی تصور کنید که پیوسته با هم یا به جدار جعبه، برخورد می‌کنند: فرض کنید که جعبه با یک جداره به دو قسمت تقسیم شده باشد: نصف جعبه (یک طرف جداره) از مولکولهای اکسیژن و نصف دیگر از مولکولهای نیتروژن، پر شده است. اگر جداره را برداریم، مولکولهای اکسیژن و نیتروژن با هم آمیخته می‌شوند. به زودی یک مخلوط تقریباً همگن در سراسر دو نیمه جعبه وجود خواهد داشت، اما نظم آن از نظمی که در آن جداره در جای خود بوده، کمتر است: آنتروپی یا بی‌نظمی افزایش یافته است (قانون دوم ترمودینامیک، همیشه معتبر نیست: احتمال بسیار بسیار کمی، مثلاً یک در میلیونها میلیون وجود دارد که مولکولهای اکسیژن به یک سمت و مولکولهای نیتروژن به سمت دیگر جعبه، باز گردند).

فرض کنید که یک جعبه حاوی مولکولهای مخلوط یا چیز دیگری را که آنتروپی دارد، به داخل یک سیاهچاله مناسب پرتاپ کنیم. می‌توان تصور کرد که از شر این مقدار آنتروپی راحت شده‌ایم و کل مقدار آنتروپی در خارج سیاهچاله، از مقدار قبلی کمتر شده است. آیا به این ترتیب قانون دوم را نقض کرده‌ایم؟ شاید استدلال کنیم که کل جهان (در داخل و خارج از سیاهچاله) هیچ آنتروپی از دست نداده است. ولی واقعیت این است که هرچه به سیاهچاله اضافه شود، از جهان ما رفته است. آیا رفته است؟

یک دانشجوی فوق لیسانس در دانشگاه پرینستون، به نام جاکوب بکن‌شتاین به این نتیجه دست یافت که با انداختن آنتروپی در یک سیاهچاله، نمی‌توان آن را از بین برد. سیاهچاله، قبل از آن نیز آنتروپی داشته و فقط آنتروپی به آن افزوده شده است. بکن‌شتاین این طور فکر می‌کرد که سطح افق رویداد یک سیاهچاله تنها مانند آنتروپی نیست بلکه خود آنتروپی است. هنگامی که شما سطح افق رویداد را محاسبه می‌کنید، در واقع آنتروپی سیاهچاله را اندازه می‌گیرید. هنگامی که چیزی مثل یک قوطی پر از مولکول را به داخل سیاهچاله می‌اندازید، به جرم سیاهچاله اضافه می‌کنید، سطح افق رویداد بزرگتر می‌شود و آنتروپی سیاهچاله نیز افزایش می‌یابد. تمام این موضوعات، ما را به طرف نکته‌ای معما گونه می‌کشاند. اگر چیزی آنتروپی داشته باشد، دما هم دارد و کلاً سرد نیست. اگر چیزی دما داشته باشد، می‌باید با تابش انرژی همراه باشد. اگر چیزی انرژی تابش می‌کند نمی‌توانیم بگوییم که هیچ‌چیز از آن به بیرون گسیل نمی‌شود. این برخلاف انتظاری بود که از سیاهچاله داشتیم: قرار نبود از سیاهچاله چیزی بیرون بیاید!

هاوکینگ فکر می‌کرد که بکن‌شتاین دچار اشتباه شده است. او از سوء استفاده نامبرده در کشف اینکه افق رویداد هیچ‌گاه کوچکتر نمی‌شود، ناراحت بود. در ۱۹۷۲، هاوکینگ مقاله‌ای با همکاری دو فیزیکدان دیگر به نام جیمز باردین و براندو کارتر انتشار داد و در آن با این موضوع اشاره کرد که با وجود همانندیهایی که بین ناحیه افق رویداد و آنتروپی وجود دارد. سیاهچاله قاعدتاً نمی‌تواند آنتروپی داشته باشد زیرا چیزی نمی‌تواند از آن گسیل شود. بعداً معلوم شد که او و همکارانش در اشتباه بوده‌اند.

در سال ۱۹۶۲ زمانی که هاوکینگ دوره فوق‌لیسانس را شروع کرد، انتخاب مطالعه علم کیهان شناسی با بررسی اجسام بسیار بزرگ را به مکانیک کوانتومی یا علم ذرات بسیار ریز ترجیح داد. اما در سال ۱۹۷۳ تصمیم گرفت که زمینه مطالعات خود را تغییر دهد و با دید مکانیک کوانتومی موضوع سیاهچاله را بررسی کند. این اولین کوشش جدی و موفقیت‌آمیز یکی از دانشمندان قرن بیستم، برای پیوند دو نظریه بزرگ این قرن بود: نسبیت و مکانیک کوانتومی. چنان که از قبل به خاطر داریم، این پیوند، بار سنگین و مشکلی در راه نظریه همه چیز است. در سال ۱۹۷۳، هاوکینگ در مسکو با دو نفر از فیزیکدانان روسی به نام یاکو زلدوویچ و آلکساندر ستاروبینسکی مذاکره کرد. آنها او را قانع کردند که اصل عدم قطعیت این معنی را دارد که سیاهچاله‌های چرخنده، ذراتی به وجود می‌آورند و آنها را به بیرون گسیل می‌کنند. هاوکینگ از نحوه محاسبه آنان در باره مقدار گسیل ذرات راضی نبود. او سعی کرد روش ریاضی بهتری برای این موضوع پیدا کند.

هاوکینگ انتظار داشت که محاسبات او، تابشی را که فیزیکدانان روسی پیشگویی کرده بودند، تأیید کند. چیزی که او کشف کرد، موضوع بسیار شگفت‌انگیزتری بود: «من با شگفتی به این نتیجه ناراحت کننده رسیدم که حتی سیاهچاله‌های غیر چرخنده می‌بایستی از خود ذراتی با آهنگ ثابت گسیل دارند». ابتدا فکر کرد که محاسبات او باید غلط بوده باشد و ساعات زیادی را به جستجوی اشتباه خود پرداخت. او به خصوص دنبال این بود که چرا جاکوب بکن‌شتاین به این موضوع پی نبرده بود تا از آن به عنوان استدلالی برای ایده افقهای رویداد و آنتروپی خودش استفاده کند. اما هرچه هاوکینگ راجع به این موضوعات فکر کرد. بیشتر مجبور به پذیرش آن شد که محاسبات او نباید خیلی از واقعیت دور باشد. چیزی که او را در این زمینه به یقین واداشت، شباهت دقیق طیف تابش ذرات با طیفی بود که از یک جسم داغ انتظار می‌رفت.

فکر بکن‌شتاین درست بود: شما نمی‌توانید با انداختن ماده حامل آنتروپی به سیاهچاله، آن را مثل سطل آشغال در نظر بگیرید: آنتروپی را کاهش دهید و نظم جهان را افزایش دهید. زمانی که مواد حامل آنتروپی به سیاهچاله ریخته می‌شوند، مساحت افق رویداد افزایش می‌یابد. آنتروپی سیاهچاله زیادتر می‌شود، پس جمع آنتروپی جهان در داخل و خارج سیاهچاله هیچ‌ کاهش نیافته است.

اما چگونه سیاهچاله امکان داشتن دما و گسیل ذرات را دارد در حالی که هیچ‌چیز نمی‌تواند از افق رویداد بگریزد؟ هاوکینگ پاسخ این سوال را در مکانیک کوانتومی یافت.

اگر ما فضا را خلا فرض کنیم، راه درستی نرفته‌ایم. در اینجا می‌خواهیم علت آن را بیابیم. اصل عدم قطعیت به این معنی است که ما هیچ‌گاه نمی‌توانیم با دقت کامل، به طور همزمان، مکان و سرعت یک ذره را بداینم. معنای آن از این هم بیشتر است: ما هرگز نمی‌توانیم کمیت یک میدان (به عنوان مثال: میدان گرانشی یا میدان الکترومغناطیسی) و آهنگ تغییرات آنرا همزمان، با دقت کامل تعیین کنیم. هر قدر کمیت میدان را با دقت بیشتر بدانیم، دقت ما در دانستن آهنگ تغییرات آن کاهش خواهد یافت و بالعکس، همچون الاکلنگ. در نتیجه، شدت یک میدان هیچ وقت به صفر نمی‌رسد. صفر هم از نظر کمیت و هم از نظر آهنگ تغییرات میدان، اندازه‌گیری بسیار دقیقی خواهد بود که اصل عدم قطعیت، آن را مجاز نمی‌داند. نمی‌توان فضای خالی داشت، مگر اینکه تمام میدانها دقیقاً صفر باشند: اگر صفر نباشند، فضای خالی وجود ندارد.

به جای فضای خالی یا خلأ کامل که اغلب ما تصور می‌کنیم در فضا هست، مقدار حداقلی از عدم قطعیت، اندکی ابهام یا نامعلومی به صورتی داریم که نمی‌دانیم مقدار میدان در «فضای خالی» چیست. این افت و خیز در مقدار میدان، این لرزش اندک به سوی جوانب مثبت و منفی صفر را که هرگز صفر نمی‌شود، می‌توان به طریق زیر تصور کرد:

زوجهایی از ذرات ـ زوجهای فوتونها یا گراویتونها ـ مدام ظاهر می‌شوند. دو ذره به صورت یک جفت در می‌آیند و سپس از هم جدا می‌شوند. پس از فاصله زمانی بسیار کوتاه غیرقابل تصوری، آن دو ذره بار دیگر به هم می‌رسند، و یکدیگر را منهدم می‌کنند حیاتی کوتاه ولی پر ماجرا دارند. مکانیک کوانتومی به ما می‌گوید که این واقعه همیشه و همه جا در فضای «خلأ» روی می‌دهد.

ممکن است که اینها ذرات «واقعی» که بتوانیم وجود آنها را با یک آشکارساز ذرات، تشخیص دهیم نباشند، ولی نباید تصور کرد که آنها ذرات خیالی هستند. حتی اگر آنها فقط ذراتی «مجازی» باشند، می‌دانیم آثار آنها را روی ذرات دیگر تشخیص دهیم.

بعضی از این زوجها، زوجهای ذرات ماده یا فرمیونها هستند. در این حالت، یکی از ذرات زوج، پاد‌ذره دیگری است. «پاد ماده» را که در بازیهای خیالی و داستانهای علمی تخیلی با آن آشنا هستیم، صرفاً تخیلی نیست. می‌دانیم که مقدار کل انرژی در جهان، همیشه ثابت و بدون تغییر است. انرژی نمی‌تواند از جایی به طور ناگهانی به جهان وارد شود. چگونه ما می‌توانیم مسأله این زوج تازه به وجود آمده را با این اصل سازگار کنیم؟ این زوجها، با «وام گرفتن» انرژی، به طور بسیار موقتی به وجود آمده‌اند. آنها به هیچ‌وجه دایمی نیستند. یکی از ذرات این زوج انرژی مثبت و دیگری انرژی منفی دارد. تراز انرژی آنها برابر است. به مقدار انرژی که در جهان وجود دارد، چیزی اضافه نشده است.

استیون هاوکینگ استدلال کرد که زوج ذره‌های بسیاری به طور غیر منتظره، در افق رویداد یک سیاهچاله به وجود می‌ایند و از بین می‌روند. بنابر تصور او، ابتدا یک زوج از ذرات مجازی ظاهر می‌شود. قبل از آنکه این زوج به یکدیگر برسند و یکدیگر را منهدم کنند، ذره‌ای که انرژی منفی دارد از افق رویداد عبور کرده، وارد سیاهچاله می‌شود. آیا این بدان معنی است که ذره با انرژی مثبت باید همتای بدبخت خود را، با هدف برخورد و منهدم کردن دنبال کند؟ نه. میدان جاذبه در افق رویداد یک سیاهچاله به قدر کافی قوی است که با ذرات مجازی، حتی با ذرات بدبخت با انرژی منفی کار شگفت‌انگیزی می‌کند: میدان جاذبه می‌تواند آنها را از « مجازی» به « واقعی» تبدیل کند. این تبدیل، تغییر قابل ملاحظه‌ای در زوج به وجود می‌آورد. آنها دیگر مجبور نیستند با یکدیگر برخورد کرده و یکدیگر را منهدم کنند. آنها می‌توانند هر دو مدت بسیار طولانیتری، جدا از هم وجود داشته باشند. البته ذره با انرژی مثبت نیز می‌تواند در سیاهچاله بیفتد، ولی مجبور به چنین کاری نیست. او از مشارکت آزاد است، می‌تواند بگریزد. برای یک مشاهده کننده از دور، به نظر می‌آید که از سیاهچاله بیرون آمده است. در حقیقت این ذره، نه از بیرون،‌بلکه از نزدیک سیاهچاله می‌آید. در این ضمن همتای او انرژی منفی به سیاهچاله وارد کرده است. تابشی که به این ترتیب از سیاهچاله گسیل می‌شود، تابش هاوکینگ نامیده می‌شود. با تابش هاوکینگ، که دومین کشف مشهور او در زمینه سیاهچاله‌ها بود، استیون هاوکینگ نشان داد که اولین کشف مشهور او، قانون دوم دینامیک سیاهچاله (که مساحت افق رویداد هیچ‌گاه نمی‌تواند کاهش یابد)، همیشه استوار نیست. تابش هاوکینگ این معنی را می‌دهد که یک سیاهچاله می‌تواند کوچک شده و در نهایت کاملاً از بین برود، چیزی که یک مفهوم واقعاً اساسی است.

چگونه تابش هاوکینگ یک سیاهچاله را کوچکتر می‌کند؟ سیاهچاله، به تدریج که ذره‌های مجازی را به واقعی تبدیل می‌کند انرژی از دست می‌دهد. اگر هیچ چیز نمی‌تواند از افق رویداد بگریزد، چه‌طور ممکن است چنین چیزی روی بدهد؟ چه‌طور سیاهچاله می‌تواند چیزی از دست بدهد؟ به این سؤال می‌توان پاسخ زیرکانه‌ای داد: زمانی که ذره‌ای با انرژی منفی این انرژی منفی را با خود به سیاهچاله می‌برد، انرژی سیاهچاله را کمتر می‌کند. یعنی منفی « منها» است که مترادف کمتر است.

بدینسان، تابش هاوکینگ از سیاهچاله انرژی می‌رباید. انرژی کمتر، کاهش جرم را به دنبال دارد. معادله اینشتین E = mc2 را به خاطر بیاوریم. در این رابطه، E انرژی، m جرم و c سرعت نور است. هنگامی که انرژی (در یک سوی این رابطه) کاهش می‌یابد (که در مورد سیاهچاله‌ها این‌طور است)، یکی از کمیتهای طرف دیگر باید کمتر شود. چون سرعت نور ثابت است، جرم باید کاهش پیدا کند. بنابر این موقعی که ما می‌گوییم انرژی از سیاهچاله ربوده شده است، مثل این است که جرم از آن ربوده شده است.

به‌خاطر داشته باشیم و به یاد آوریم که نیوتن درباره گرانی چه چیزی به ما آموخت: هر تغییر در جرم جسم، مقدار کشش گرانشی آن را که بر جسم دیگر اعمال می‌کند، تغییر می‌دهد. اگر جرم زمین کمتر شود (جرمش کمتر شود نه آنکه کوچکتر شود) کشش گرانش آن در مدار حرکت ماه کاهش می‌یابد. اگر سیاهچاله جرم از دست بدهد، کشش گرانشی آن در جایی که افق رویداد (شعاع بدون بازگشت) وجود دارد، کاهش می‌یابد. سرعت گریز در این شعاع کمتر از سرعت نور می‌شود. در این حال شعاع افق رویداد کوچکتر از شعاعی می‌شود که در آن سرعت گریز برابر با سرعت نور بوده است. در نتیجه افق رویداد منقبض شده است. این، تنها راه توجیه کوچکتر شدن سیاهچاله است.

اگر تابش هاوکینگ از یک سیاهچاله بزرگ را که در نتیجه رُمبش یک ستاره به وجود آمده است اندازه‌گیری کنیم، ناامید خواهیم شد. دمای سطح سیاهچاله‌ای به این بزرگی، کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق خواهد بود. هر قدر سیاهچاله بزرگتر باشد، دمای آن کمتر است. استیون هاوکینگ می‌گوید، «سیاهچاله‌ای با جرم ده برابر خورشید، ممکن است چند هزار فوتون در ثانیه گسیل دارد، ولی این فوتونها طول موجی به اندازه سیاهچاله خوهاند داشت و انرژی آنها آنقدر کم خواهد بود که آشکارسازی آنها ممکن نیست». مطلب را می‌توان این‌طور بیان کرد: هرقدر جرم زیادتر باشد، سطح افق رویداد بزرگتر، هرچه سطح افق رویداد بزرگتر باشد، آنتروپی بیشتر است. هرچه آنتروپی بیشتر باشد دمای سطح و آهنگ گسیل کمتر است.

با این حال، هاوکینگ، خیلی زود، در سال ۱۹۷۱ نظر داد که نوع دیگری از سیاهچاله وجود دارد: سیاهچاله‌های خیلی ریز که جالبترین آنها به انداز هسته اتم است. این سیاهچاله‌ها به‌طور قطع منفجر می‌شوند و تابش می‌کنند. به یاد داشته باشیم که هر قدر سیاهچاله کوچکتر باشد، دمای سطح آن بیشتر است. هاوکینگ در مورد این سیاهچاله‌های بسیار ریز می‌گوید: « این سیاهچاله‌ها را به زحمت می‌توان سیاه نامید: آنها در حقیقت داغ و سفیدند.»

سیاهچاله‌های آغازین که هاوکینگ آنها را Primordial Black Holes می‌نامد، از رُمبش ستارگان پدید نمی‌آیند. آنها بقایای جهان نخستین‌اند. ما اگر می‌توانستیم، ماده را به اندازه کافی بفشریم ممکن بود یکی از آنها را درست کنیم ولی توانایی آن را نداریم. اما در جهان بسیار نسختین، فشار آنقدر زیاد بوده که امکان آن وجود داشته است. بعضی از مواقع تنها مقدار کمی ماده فشرده شده است. در هر حال، اکنون یک سیاهچاله بدوی، نسبت به زمان آغاز پیدایش آن بسیار کوچکتر است، زیرا در طول زمان طولانی مقداری از جرم خود را از دست داده است.

تابش هاوکینگ، برای سیاهچاله‌های بدوی پیامدهای حاد و بنیادی دارد. به تدریج که جرم کمتر و سیاهچاله کوچکتر می‌شود، دما و آهنگ گسیل ذرات در افق رویداد زیادتر می‌شود. سیاهچاله خیلی سریعتر، جرم از دست می‌دهد. هر قدر جرم کاهش می‌یابد، دما زیادتر می‌شود- یک دور تسلسل! هیچ‌کس نمی‌داند که عاقبت آن چیست؟ هاوکینگ حدس می‌زند که سیاهچاله کوچک، در یک حرکت واپسین و انفجار گونه عظیم، ذرات گسیل داشته و ناپدید می‌شود. قدرت این شبه‌انفجار، معادل میلیونها بمب هیدروژنی است. آیا یک سیاهچاله بزرگ هیچ‌گاه منفجر خواهد شد؟ قبل از اینکه به این مرحله برسیم، جهان مدتها پیش به پایان رسیده است.

فکر اینکه یک سیاهچاله می‌تواند کوچکتر شده و در نهایت منفجر شود، چنان در جهت مخالف نظریات کسانی بود که در ۱۹۷۳ در زمینه سیاهچاله تحقیق می‌کردند، که هاوکینگ در باره کشف خود، سخت دچار تردید شد. هفته‌ها او این فکر را پنهان نگه داشت و محاسبات آن را در فکر خود مرور کرد. اگر برای او باور کردن این واقعیت سخت بود، پیشگویی عکس‌العملی که دنیای دانش می‌توانست در این زمینه داشته باشد، ترسناک به نظر می‌آید. هیچ دانشمندی، از چشم‌انداز مسخره شدن خوشش نمی‌آید. از طرف دیگر، هاوکینگ می‌دانست که اگر اندیشه او درست باشد، انقلابی در علم اختر فیزیک به راه خواهد انداخت.

هاوکینگ ابتدا این فکر را با همکاران نزدیکش مطرح کرد. پذیرش آن متفاوت بود. یک فیزیکدان کمبریج، نزد دنیس سیاما که هاوکینگ رساله دکترای خود را زیر نظر او انجام داده بود، رفت و با حالت شگفت‌زده به او گفت، « شنیدید؟ استیون همه چیز را تغییر داد». سیاما، با پشتیبانی از هاوکینگ نیروی تازه‌ای به او بخشید و توصیه کرد که هرچه زودتر، اکتشافات خود رامنتشر کند.

در اوایل ۱۹۷۴، هاوکینگ پذیرفت که کشف عجیب و غریب خود را به صورت مقاله‌ای، در آزمایشگاه رترفورد- آپلتون در جنوب آکسفورد ارائه دهد. هنگامی که به آنجا سفر می‌کرد، هنوز واهمه داشت و برای اینکه اداعای او زیاد گستاخانه نباشد، یک علامت سؤال در جلوی عنوان مقاله «آیاسیاهچاله منفجر می‌شود؟» قرار داد. این کنفرانس کوتاه که با نشان دادن اسلایدهایی از معادلات همراه بود با سکوت محترمانه ولی ناراحت کننده و چند پرسش روبه‌رو شد. استدلالهای هاوکینگ، برای خیلی از شنوندگان که در زمینه‌های دیگر تخصص داشتند، مشکل و نامفهوم بود. اما برای همه آشکار بود که او چیزی را پیشنهاد می‌کند که با نظریه پذیرفته شده، کاملاً در تضاد است. آنهایی که حرفهای او را فهمیدند، در برابر دیدگاههای غیر منتظره قرار گرفتند و آمادگی بحث و مجادله با او را نداشتند. چراغها به‌طور ناگهانی خاموش شد. گرداننده کنفرانس، یکی از استادان برجسته دانشگاه لندن، بلند شد و اعلام کرد: « استیون، معذرت می‌خواهم ولی این حرف‌ها مهمل محض است».

هاوکینگ، این « مهملات» را ماه بعد در مجله علمی معتبر انگلستان نیچر منشر کرد و ظرف چند روز همه فیزیکدانان جهان در باره آن به بحث پرداختند. تعدادی از آنها، این نظریه را مهمترین کشف فیزیک نظری در سالهای اخیر دانستند. سیاما، این مقاله را « یکی از زیباترین مقاله‌ها در تاریخ فیزیک» نامید. دیدگاهها روشنتر شد. هاوکینگ از واکنشهای ذرات مجازی برای تشریح چیزی که از نظریه نسبیت برمی‌خواست، یعنی سیاهچاله‌ها، استفاده کرده بود. او، گامی در راستای پیوند نظریه‌های نسبیت و مکانیک کوانتومی برمی‌داشت …

نابغه و خدا

چهار سال پس از آن‌که هاوکینگ‌ها خانه خود را در لیتل سنت ماری‌لین خریده و تعمیر کرده بودند، استیون هاوکینگ، دیگر قادر به بالا رفتن و پایین آمدن از پله‌ها نبود. خوشبختانه اکنون او یک فیزیکدان مهم شده بود و کالج کایوس بیش از سابق، در زمینه مسکن به آنها کمک می‌کرد. کالج، به هاوکینگها یک آپارتمان وسیع در طبقه همکف یک ساختمان آجری، متعلق به کالج در وست‌رود پیشنهاد کردند که از در عقب کینگز‌کالج چندان دور نبود. این آپارتمان، سقفهای بلند و پنجره‌های بزرگ داشت و برای اینکه برای رفت و آمد با صندلی چرخدار مناسب باشد به تغییرات محدودی نیاز داشت. خانه، به استثنای یک محوطه پارکینگ سنگفرش شده در قسمت جلو، در میان باغهایی واقع شده بود که توسط باغبانهای کالج نگهداری می‌شد. برای فرزندان هاوکینگ، این خانه‌، برای گذرانیدن دوران کودکی بسیار مناسب بود.

راه بین خانه و انستیتو در ده دقیقه طی می‌شد. این پیاده‌روی از عقب خانه، از چمنزارها، راههای پر از درخت، باغهایی درکنار رود کم رد می‌شد، از میان رودخانه می‌گذشت و به مرکز تاریخی شهر کمبریج منتهی می‌شد. در اوایل ۱۹۷۰، استیون هاوکینگ این راه را با صندلی چرخدار می‌پیمود. او در مبارزه برای ایستادن روی پاهای خود، شکست خورده بود. دوستان او را با تأثر می‌نگریستند ولی هاوکینگ از نظر طبع شوخ و اراده راسخ، چیزی کم نداشت.

استیون و جین سعی می‌کردند که بیماری او را در پنهانی زوایای زندگی خودشان جای دهند و نگذارند که زندگی آنها را تحت تأثیر قرار دهد. عادت کرده بودند که به آینده نگاه نکنند. در انظار مردم دنیا، آنها به قدری در این زمینه موفق بودند که شنیدن صحبتهای جین در باره مشکلات وحشتناکی که گاهی اوقات با آن روبه‌رو بودند، آنها را شگفت‌زده کرده بود. جین در باره راه پر از افتخارات شوهرش می‌گوید: « نمی‌توانم بگویم که این موفقیت عظیم ارزش آن را داشت که آن بدبختیها را تحمل کنیم. فکر نمی‌کنم که بتوانم نوسانات پاندولی را که یک طرف آن اعماق سیاهچاله و در طرف دیگر اوج جوایز پر از زرق وبرق قرار داشت، آشتی دهم». از مطالعه نوشته‌های استیون هاوکینگ در این مورد، نمی‌توان پی‌برد که او از این اعماق آگاه بوده است. می‌توان تصور کرد که برای او صحبت کردن بدون مقدمه در این زمینه، یعنی حداکثر کاری که می‌توانست بکند، اقرار به شکست و باخت بود که به عزم راسخ او برای نادیده گرفتن مشکلاتش لطمه می‌زد.

جین هاوکینگ، سخت می‌کوشید تانیازهای خانواده رو به گسترش و شوهر روی صندلی جرخدار خود را برآورده کند. او تمام وقت و انرژی خود را در راه تشویق او و اینکه با وجود بدتر شدن بیماریش بتواند به یک زندگی عادی ادامه دهد، وقف می‌کرد. سعی می‌کرد که شوهرش بتواند به کار خود ادامه دهد و در عین حال فرزندان زندگی دوران کودکی خود را به‌طور عادی بگذرانند. تا ۱۹۷۴، او امور خانواده را تنها اداره می‌کرد! پرستاری از شوهر، نگهداری از بچه‌ها‌و خانه‌داری بدون‌کمک از خارج.

در اواخر سالهای دهه ۸۰، جین هاوکینگ هنگامی که از آن دوران صحبت می‌کرد، توانایی خود را برای رویارویی با این مسائل، طی سالهای زیاد، مدیون ایمان به خدا می‌دانست. او می‌گفت: « بدون این ایمان، من قادر به تحمل این وضع نبودم. پیش از همه، قادر نبودم که با استیون ازدواج کنم زیرا خوش‌بینی آن را که در این راه موفق شوم و به زندگی ادامه دهم، نداشتم».

شوهرش، نسبت به ایمانی که به این طرز باشکوه روحیه جین را تقویت می‌کرد، با او هم فکر نبود. اگر در رویارویی هاوکینگ با معلولیت و خطر مرگ زودرس او، جنبه‌های مذهبی یا فلسفی دخالت داشته است، او هیچ‌گاه در انظار عمومی از آن صحبت نکرده است. با وجود این، از کتاب تاریخچه زمان این‌طور برمی‌آید که خدا هیچ‌وقت از افکار او دور نبوده است. او به بک مصاحبه کننده گفت: «مشکل است بتوانیم از آغاز جهان بدون اشاره به مفهوم خدا بحث کنیم. کار من در باره آغاز جهان در خط مرزی بین علم و مذهب قرار دارد، ولی من سعی می‌کنم که در طرف علمی این مرز باشم. کاملاً امکان دارد که خدا به راههایی عمل کند که با قوانین علمی توصیف‌پذیر نباشد. اما در این مورد هرکس می‌باید بنابر اعتقاد شخصی خود پیش برود». در پاسخ به سؤال در مورد اینکه آیا او فکر می‌کند علم او با مذهب در رقابت است می‌گوید: اگر این نگرش درست بود، نیوتن(که مردی بسیار مذهبی بود) نمی‌توانست قانون گرانش را کشف کند.

هاوکینگ، منکر وجود خدا نیست ولی ترجیح می‌دهد که « از کلمه خدا به عنوان تجسمی از قوانین فیزیک استفاده کند.

«ما مخلوقات آنقدر ناچیزی بر سیاره‌ای کوچک، از ستاره‌ای بسیار متوسط، در حوالی صدها هزار میلیون کهکشان هستیم. بنابراین مشکل است بتوان به خدایی عقیده داشت که ما برای او اهمیت داشته باشیم و یا حتی به وجود ما توجه داشته باشد».

اینشتین با هاوکینگ در این زمینه همگرایی داشت. اشخاص دیگر احتمالاً با جین هاوکینگ موافق بوند و این اندیشه را دید نسبتاً محدودی از مفهوم خدا می‌دانستند. آنها باور این نکته را نیز مشکل می‌دانستند که همه اشخاص عقل‌گرا و باهوش (از جمله دانشمندانی که در میان آنها هستند) که خدایی شخصی را تجربه کرده‌اند، به نوعی فریب خورده باشند. آنها با نقل گفته معروفی از هاوکینگ که « اگر او (خدا) نیست، پس واقعاً بیگانه‌ای در کار است!» تعبیر می‌کردند که چه‌طور می‌توانیم، به راستی، آن را توضیح دهیم؟ پاسخ هرچه باشد، این اختلاف فاحش در نگرش را نمی‌شد جالبتر از آنچه در دیدگاههای جین و استیون هاوکینگ وجود دارد، نشان داد. جین به یاد می‌آورد که: «برای من اظهار نظر استیون مبنی بر اینکه او به رابطه شخصی با خدا اعتقاد ندارد، بسیار آزار دهنده بود». او در مصاحبه‌ای در سال ۱۹۸۸ گفت « استیون در قلمروهایی کندوکاو می‌کند که برای افکار عمومی اهمیت دارد و به طریقی است که می‌تواند آثار ناراحت‌ کننده‌ای بر مردم داشته باشد». « یکی از جنبه‌های فکر او که همواره مرا بیشتر آزار می‌دهد و کنار آمدن با آن برای من دشورا است، این احساس بود که چون همه چیز با عقل و فرمول ریاضی بیان می‌شود، باید این چیزها حقیقت باشد». به نظر جین در افکار استیون جایی برای امکان این موضوع وجود ندارد که حقیقتی که از بطن ریاضیات او آشکار می‌شود، ممکن است تمام حقیقت نباشد. یک‌سال بعد، جین طرز تفکر خود را تا اندازه‌ای تغییر داد: « به تدریج که سن انسان بالا می‌رود، آسانتر می‌توان به دید وسیعتری دست یافت. من فکر می‌کنم که دیدگاه استیون به علت حال و شرایط او با دیدگاه هر شخص دیگر تفاوت دارد … او نابغه‌ای است که تقریباً به‌طور کامل فلج شده است … هیچ‌کس نمی‌تواند بداند که نظر او در باره خدا و رابطه‌اش با خدا چگونه است».

پایان فیزیک ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

سفر در زمان

سفر در زمان

یکی از جالبترین افکار بشر، ایده جابجایی در بعد زمان است.

البته اگر از یک بعد دیگر به قضیه نگاه کنیم همه ما مسافر زمان هستیم. همین الان که شما این را میخوانید، زمان در حول و حوش و به پیش میرود و آینده به حال و حال به گذشته تبدیل میشود. نشانه اش هم رشد موجودات است. ما بزرگ میشویم و میمیریم. پس زمان در جریان است.

آلبرت اینشتین با ارائه نظریه نسبیت خاص نشان داد که این کار از نظر تئوری شدنی است. بر طبق این نظریه اگه شیئی به سرعت نور نزدیک شود گذشت زمان برایش آهسته تر صورت میگیرد. بنابراین اگر بشود با سرعت بیش از سرعت نور حرکت کرد، زمان به عقب برگردد. مانع اصلی این است که اگر جسمی به سرعت نور نزدیک بشود جرم نسبی ان به بینهایت میل میکند لذا نمیشود شتابی بیش از سرعت نور پیدا کرد. اما شاید یه روز این مشکل هم حل شود. بر خلاف نویسنده ها و خیالپردازها که فکر میکنند سفر در زمان باید با یک ماشین انجام شور، دانشمندان بر این عقیده هستند که اینکار به کمک یک پدیده طبیعی صورت میگیرد. در این خصوص سه پدیده مد نظر است: سیاهچاله های دوار، کرم چاله ها و ریسمانهای کیهانی.

سیاهچاله ها: اگر یه ستاره چند برابر خورشید باشد و همه سوختش را بسوزاند، از انجا که یک نیروی جاذبه قوی دارد لذا جرم خودش در خودش فشرده میشود و یک حفره سیاه رنگ مثل یه قیف درست میکند که نیروی جاذبه فوق العاده زیادی دارد طوری که حتی نور هم نمیتواند از ان فرار کند.

سفر در زمان
علم فیزیک – سفر در زمان

اما این حفره ها بر دو نوع هستد. یه نوعشان نمی چرخند لذا انتهای قیف یک نقطه است. در انجا هر جسمی که به حفره مکش شده باشه نابود میشود. اما یه نوع دیگر سیاهچاله نوعی است که در حال دوران است و برا همین ته قیف یه قاعده داره که به شکل حلقه اس. مثل یک قیف واقعی است که تهش باز است. همین نوع سیاهچاله است که میتواند سکوی پرتاب به آینده یا گذشته باشد. انتهای قیف به یک قیف دیگر به اسم سفیدچاله میرسد که درست عکس ان عمل میکند. یعنی هر جسمی را به شدت به بیرون پرتاب میکند. از همین جاست که میتوانیم پا به زمانها و جهان های دیگر بگذاریم.

سفر در زمان
علم فیزیک – سفر در زمان

کرم چاله : یک سکوی دیگر گذر از زمان است که میتواند در عرض چند ساعت ما را چندین سال نوری جابجا کند. فرض کنید دو نفر دو طرف یک ملافه رو گرفته اند و میکشند. اگر یک توپ تنیس بر روی ملافه قرار دهیم یک انحنا در سطح ملافه به سمت توپ ایجاد میشود.

اگر یک تیله به روی این ملافه قرار دهیم به سمت چاله ای که ان توپ ایجاد کرده است میرود. این نظر اینشتین است که کرات آسمانی در فضا و زمان انحنا ایجاد میکنند؛ درست مثل همان توپ روی ملافه. حالا اگه فرض کنیم فضا به صورت یک لایه دوبعدی روی یه محور تا شده باشد و بین نیمه بالا و پایین ان خالی باشد و دو جرم هم اندازه در قسمت بالا و پایین مقابل هم قرار گیرد، آن وقت حفره ای که هر دو ایجاد میکنند میتواند به همدیگر رسیده و ایجاد یک تونل کند. مثل این که یک میانبر در زمان و مکان ایجاد شده باشد. به این تونل میگویند کرم چاله.

این امید است که یک کهکشانی که ظاهرا میلیونها سال نوری دور از ماست، از راه یک همچین تونلی بیش از چند هزار کیلومتر دور از ما نباشئ. در اصل میشود گفت کرم چاله تونل ارتباطی بین یک سیاهچاله و یه سفیدچاله است و میتواند بین جهان های موازی ارتباط برقرار کند و در نتیجه به همان ترتیب میتواند ما را در زمان جابجا کند. آخرین راه سفر در زمان ریسمانهای کیهانی است. طبق این نظریه یک سری رشته هایی به ضخامت یه اتم در فضا وجود دارند که کل جهان را پوشش میدهند و تحت فشار خیلی زیادی هستند. اینها هم یه نیروی جاذبه خیلی قوی دارند که هر جسمی را سرعت میدهند و چون مرزهای فضا زمان را مغشوش میکند لذا میشود از انها برای گذر از زمان استفاده کرد.

سفر در زمان
علم فیزیک – سفر در زمان

تونل زمان : واقعیت یا خیال ؟

حالا اینها رو گفتیم ولی چند اشکال در این کار است. اول اینکه اصلا نفس تئوری سفر در زمان یک پارادوکس است. پارادوکس یا محال نما یعنی چیزی که نقض کننده(نقیض) خودش در درونش است. یک مثال :اگه خدا میتواند هر کاری را انجام دهد پس آیا میتواند سنگی درست کند که خودش هم نتواند تکانش دهد؟ این یک پارادکس است چون اگر بگوییم آری پس انوقت با اینکه خدا هرکاری را میتواند انجام دهد متناقض است و اگر بگوییم نه باز هم همان میشود یعنی خدا هر کاری را نمیتواند انجام دهد. یک مثال دیگر این است که اگر من در زمان به عقب برگردم , به تاریخی که هنوز بدنیا نیامده بودم پس چطور میتوانم انجا باشم. یا مثلا اگر برگردم و پدربزرگ خودم را بکشم پس من چطور بوجود اومده ام؟ یک راه حلی که برای این مشکل پیدا شده است، نظریه جهانهای موازی است. طبق این نظریه امکان دارد چندین جهان وجود داشته باشد که مشابه جهان ماست اما ترتیب وقایع در انها فرق میکند. پس وقتی به عقب برمیگردیم در یک جهان دیگر وجود داریم نه در جهانی که در ان هستیم. طبق این نظریه بینهایت جهان موازی وجود دارد و ما هر دستکاری که در گذشته انجام بدهیم یک جهان جدید پدید می اید.

سفر در زمان ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک