سفر در زمان

سفر در زمان(بررسی نظریه نسبیت انیشتین)

!

 

How did Steven Chu (US Secretary of Energy, though this work was done while he was at the University of California Berkeley), Holger Müler (Berkeley), and Achim Peters (Humboldt University in Berlin) beat the previous best gravitational redshift test (in 1976, using two atomic clocks – one on the surface of the Earth and the other sent up to an altitude of 10,000 km in a rocket) by a staggering 10,000 times?

 

By exploited wave-particle duality and superposition within an atom interferometer!

 

 

 

Cesium atom interferometer test of gravitational redshift (Courtesy Nature)

 

 

 

About this figure: Schematic of how the atom interferometer operates. The trajectories of the two atoms are plotted as functions of time. The atoms are accelerating due to gravity and the oscillatory lines depict the phase accumulation of the matter waves. Arrows indicate the times of the three laser pulses. (Courtesy: Nature).

 

Gravitational redshift is an inevitable consequence of the equivalence principle that underlies general relativity. The equivalence principle states that the local effects of gravity are the same as those of being in an accelerated frame of reference. So the downward force felt by someone in a lift could be equally due to an upward acceleration of the lift or to gravity. Pulses of light sent upwards from a clock on the lift floor will be redshifted when the lift is accelerating upwards, meaning that this clock will appear to tick more slowly when its flashes are compared at the ceiling of the lift to another clock. Because there is no way to tell gravity and acceleration apart, the same will hold true in a gravitational field; in other words the greater the gravitational pull experienced by a clock, or the closer it is to a massive body, the more slowly it will tick.

 

Confirmation of this effect supports the idea that gravity is geometry – a manifestation of spacetime curvature – because the flow of time is no longer constant throughout the universe but varies according to the distribution of massive bodies. Exploring the idea of spacetime curvature is important when distinguishing between different theories of quantum gravity because there are some versions of string theory in which matter can respond to something other than the geometry of spacetime.

 

Gravitational redshift, however, as a manifestation of local position invariance (the idea that the outcome of any non-gravitational experiment is independent of where and when in the universe it is carried out) is the least well confirmed of the three types of experiment that support the equivalence principle. The other two – the universality of freefall and local Lorentz invariance – have been verified with precisions of 10-13 or better, whereas gravitational redshift had previously been confirmed only to a precision of 7×10-5.

 

In 1997 Peters used laser trapping techniques developed by Chu to capture cesium atoms and cool them to a few millionths of a degree K (in order to reduce their velocity as much as possible), and then used a vertical laser beam to impart an upward kick to the atoms in order to measure gravitational freefall.

 

Now, Chu and Müller have re-interpreted the results of that experiment to give a measurement of the gravitational redshift.

 

In the experiment each of the atoms was exposed to three laser pulses. The first pulse placed the atom into a superposition of two equally probable states – either leaving it alone to decelerate and then fall back down to Earth under gravity's pull, or giving it an extra kick so that it reached a greater height before descending. A second pulse was then applied at just the right moment so as to push the atom in the second state back faster toward Earth, causing the two superposition states to meet on the way down. At this point the third pulse measured the interference between these two states brought about by the atom's existence as a wave, the idea being that any difference in gravitational redshift as experienced by the two states existing at difference heights above the Earth's surface would be manifest as a change in the relative phase of the two states.

 

The virtue of this approach is the extremely high frequency of a cesium atom's de Broglie wave – some 3×1025Hz. Although during the 0.3 s of freefall the matter waves on the higher trajectory experienced an elapsed time of just 2×10-20s more than the waves on the lower trajectory did, the enormous frequency of their oscillation, combined with the ability to measure amplitude differences of just one part in 1000, meant that the researchers were able to confirm gravitational redshift to a precision of 7×10-9.

 

As Müller puts it, "If the time of freefall was extended to the age of the universe – 14 billion years – the time difference between the upper and lower routes would be a mere one thousandth of a second, and the accuracy of the measurement would be 60 ps, the time it takes for light to travel about a centimetre."

 

Müller hopes to further improve the precision of the redshift measurements by increasing the distance between the two superposition states of the cesium atoms. The distance achieved in the current research was a mere 0.1 mm, but, he says, by increasing this to 1 m it should be possible to detect gravitational waves, predicted by general relativity but not yet directly observed

+ نوشته شده در  چهارشنبه بیست و سوم آذر 1390ساعت 16:49  توسط زهرا عزیزی  | 

جهان هستی چگونه برپاست

آمار سایتنظریه های دانشمندان در مورد جهان هستی هفت شگفتی عظیم در جهان فیزیک

هفت شگفتی عظیم در جهان فیزیکهفت شگفتی عظیم در جهان فیزیک ما به جایی رسیده‌ایم که که بدون حل کردن برخی از مشکلات و مسایل فیزیک، نمی‌توانیم در مورد حقایق و پدیده‌های جالب و شگفت‌انگیز دیگر فیزیکی، اطلاعات بیشتری کسب کنیم. برای درک مفاهیمی مثل خاستگاه و بنیاد جهان هستی، سرنوشت نهایی سیاهچاله‌های فضایی یا امکان سفر در زمان، نیاز داریم که بدانیم جهان هستی چگونه ادامه‌ی حیات می‌دهد.

۱) جهان هستی چگونه برپاست؟

ما به جایی رسیده‌ایم که بدون حل کردن برخی از مشکلات و مسایل فیزیک، نمی‌توانیم در مورد حقایق و پدیده‌های جالب و شگفت‌انگیز دیگر فیزیکی، اطلاعات بیشتری کسب کنیم. برای درک مفاهیمی مثل خاستگاه و بنیاد جهان هستی، سرنوشت نهایی سیاهچاله‌های فضایی یا امکان سفر در زمان، نیاز داریم که بدانیم جهان هستی چگونه ادامه‌ی حیات می‌دهد.

هم‌اکنون یک ایده‌ی خوب در ذهن ما هست که می‌تواند منتج به کشف حقیقت و بنیاد هستی شود. علم فیزیک در قرن بیستم بر پایه‌ی انقلابهای دوگانه‌ی مکانیک کوانتومی (تئوری ماهیت جسم) و نظریه‌ی معروف اینشتین در مورد فضا، زمان و جاذبه معروف به نسبیت، بنا شده است. اما وقتی شما به دو تعریف نهایی از واقعیت دست پیدا می‌کنید زمانی که تنها یک واقعیت را موجود می‌بینید، این راضی‌کننده نیست.

تلاش برای یگانه‌سازی این دو تئوری، موانع تکنیکی فنی و مفهومی وحشتناکی را بر سر راه بهترین نظریه‌پردازان فیزیک در طول دهه‌های گذشته قرار داده و آنان را به چالش کشیده است. برای مثال از آنجایی که جاذبه، خودش را به عنوان یک عامل ایجاد انحراف در فضای چهاربعدی زمان-مکان معرفی می‌کند، پذیرش نظریه‌ی کوانتومی در مورد جاذبه ایجاد مشکل می‌کند. از یک جهت، این به معنای پذیرش شک و تردید هایزن‌برگ در مورد فرضیات موجود راجع به زمان – مکان به شکل فی‌نفسه است که قطعاً مشکل‌ساز خواهد بود.

اما ممکن است این تردیدها، یک معنای دیگر هم داشته باشند و آن به معنای وجود یک مشکل در رابطه با گرایش و رویکرد ما نسبت به قضیه است. شاید ما نباید مفهوم جاذبه را به تنهایی بررسی کنیم. اکثر تلاشهایی که برای یکسان‌سازی نظریات موجود در مورد جاذبه انجام شدند، خود منجر به این گشتند که تعریف کیفیت و کمیت جاذبه، وارد یک بحث و میدان جدید شود که به ناچار همه‌ی نیروهای طبیعت مانند همه‌ی اجزای زیراتمی را به یک چارچوب تئوریک محدود می‌کند. این ایده‌یی است که برخی از فیزیک‌دانها آن را "تئوری همه‌چیز" می‌خوانند.

نظریه‌ی جدیدی که در حال حاضر مطرح می‌شود، نظریه‌ی "فرا-رشته‌یی" است که به وجود حلقه‌های کوچک و ریز رشته‌یی اتمی به عنوان سازنده‌ی همه‌ی مواد حکم می‌دهد. فرضیه‌ی دیگری که وجود دارد و به تئوری ام مشهور است هنوز کمی پیچیده و مبهم به نظر می‌رسد و می‌تواند به عنوان لایه‌یی که در ابعاد وسیعتر فضایی حرکت دارد، تصویر شد. اما مرحله و روند پیشرفت در این نظریه‌ها در بهترین حالت، اینگونه جمع‌بندی می‌شود که هیچ کس دقیقاً به یاد نمی‌آورد وجود حرف "M” در نظریه‌ی ام، دقیقاً به چه دلیلی است و چه واژه‌یی را تداعی می‌کند. راه درازی در پیش است...

۲) آیا "ضدجاذبه‌"ی اینشتین واقعاً یک اشتباه بود؟

اینشتین، ضدجاذبه را بزرگترین اشتباه خود می‌شمارد. اما به نظر می‌رسد که او با اضافه کردن یک نظریه‌ی ضدجاذبه به فرضیه‌ی نسبیت خود که آن را شرط فلسفه‌ی انتظام گیتی می‌خوانند، کار درستی انجام داده است.

این شرط اضافه در فرضیه‌ی نسبیت، به فضا یک خاصیت تدافعی نسبت می‌دهد به این معنا که فضا خودش را دفع می‌کند، گسترده‌تر می‌شود و هرچه سریعتر این روند افزایش گستردگی ادامه می‌یابد. اینشتین این عامل به ظاهر بی‌ارزش را اضافه کرد چرا که تصور می‌شد جهان هستی ثابت است و بی‌حرکت. در نتیجه نیاز بود تا نیرویی وجود داشته باشد و قدرت کشش جاذبه‌یی زمین را بالانس و دچار تعادل کند که مواد موجود بر روی زمین، کوچک و کوچکتر نشوند.

اما در دهه‌ی ۱۹۲۰، ادوین هابل کشف کرد که جهان هستی خود به خود در حال گسترش و افزایش است. در نتیجه اینشتین نیز نظریه‌ی "تعادل انتظامی گیتی" را به دلیل ترس، پس گرفت!

اما به نظر می‌رسد این ایده نباید محو شود. نظریه‌ی کوانتومی میدانها، ثابت می‌کند که حتی فضاهای خالی نیز با انرژی زیاد در حال طغیان و جنب و جوش هستند. در واقع همان تاثیر جاذبه‌یی g=۱۰ که نظریه‌ی ضدجاذبه‌ی اینشتین را توصیف می‌کند. این نظریه در مورد قدرت دافعه‌ (که در مقابل جاذبه مطرح می‌شود) مقداری گنگ و مبهم است اما به آن یک ارزش تخمینی می‌دهد.

تقریباً 10 سال پیش، فضانوردان متوجه شدند که سرعت گسترش ابعاد جهان هستی در حال افزایش است و در نتیجه نظریات آزمایش خود در مورد نیروی ضدجاذبه را مطرح کردند. در عین ناباوری و سرگردانی فیزیکدانها هم این فضانوردان، قدرت ضدجاذبه را شامل ۱۲۰ نیرو دانستند که ۱۰ بار از مقدار پیش‌بینی‌شده‌ی قبلی کوچکتر است.

این نتیجه، بسیار گمراه‌کننده و عجیب است. اگر تعادل برقرار شده میان جاذبه و دافعه، مقداری برابر با صفر بود، در نتیجه یکی از قوانین عمیق و مهم طبیعی در موردش صدق می‌کرد اما یک عدد غیرصفر که تازه با تئوری ابتدایی نیز غیرقابل مقایسه شناخته شده را نمی‌شود تعبیر کرد.

برای وخیم‌تر کردن شرایط، کیهان‌شناسان به ایده‌یی علاقه‌مند شدند که نیروی دافعه‌ی بسیار قوی و بزرگی در اولین مرحله‌ی تفکیک پس از انفجار بزرگ یا Big Bang را مطرح می‌کند چرا که این نظریه، سناریوی جذاب و محبوب مربوط به زمین غیرمسطح و در حال افزایش حجم را تایید می‌کند. با توجه به این تئوری، جهان هستی پس از تولد و شکل‌گیری، با سرعتی غیرقابل باور توسط یک عامل قدرتمند و عظیم، تغییر حجم داد و این نیرو را قدرت ضدجاذبه یا دافعه ایجاد نمود.

در نتیجه اگر بخواهیم دلیل و برهانی بر این افزایش حجم سریع و روزافزون بیابیم، به نظریه‌یی نیاز داریم که توضیح دهد چرا ضدجاذبه در ابتدا بسیار قوی و شدید بود، سپس با شتاب و سرعت کاهش مقدار پیدا کرد و سپس به مقداری در حوالی صفر رسید. به عبارت دیگر، ما می‌خواهیم بدانیم که چرا نیروی ضدجاذبه، تقریباً در اولین فازهای شکل‌گیری جهان هستی حذف و محو شد اما به طور کلی از بین نرفت؟

یک احتمال این است که نیرو بر اثر گذشت زمان، محو می‌شود. احتمال دیگر می‌تواند این باشد که نیرو در فضا تغییر می‌کند و در نتیجه ممکن است از ورای دوربین تلسکوپهای ما، همه چیز بسیار بزرگتر از آنچه هستند نشان داده شوند. اگر اینگونه است، در نتیجه هر جسمی در آن منطقه، با سرعت در کهکشانها و ستاره‌های دیگر پخش و متلاشی می‌شد و در نتیجه اصلاً هیچ ناظری نمی‌توانست حضور داشته باشد تا نیرو را اندازه بگیرد.

آنچه که ما نیاز داریم، یک تئوری است که قدرت نیروی دافعه یا ضدجاذبه را به اندازه‌ی بخشی از قدرت همه‌ی نیروهای موجود در طبیعت برای ما تعریف کند. متاسفانه به نظر نمی‌رسد که تئوریهای موجود مثل تئوری فرارشته‌یی یا تئوری "ام"، این میزان خاص را مشخص کنند و مقدار کمی که باقی می‌ماند هم همچنان ناشناخته و اسرارآمیز خواهد بود. در نتیجه باید دوباره به سوال یک رجوع کنیم!

۳) چرا ما در سه بعد زندگی می‌کنیم؟

آیا اینکه زمین ما سه بعد دارد، اتفاقی است یا باید برایش دنبال یک تعبیر عمیقتر گشت؟ بعضی از تئوریسین‌ها معتقدند که فضای به وجودآمده بر اثر انفجار بزرگ، تنها به صورت اتفاقی از سه بعد تشکیل گشت و ممکن است قسمتهای دیگری از جهان هستی وجود داشته باشند که ابعادشان متفاوت باشد.

مثلاً هیچ دلیل منطقی نمی‌توان یافت برای پاسخ به این سوال که چرا مثلاً جهان هستی فقط دو بعد ندارد. چندصد سال پیش، ادوین آبوت اثری به نام "زمین مسطح" نوشت که در آن جهانی دوبعدی را تصویر کرد. جهانی که در آن اجسام و موجودات حیات خود را تنها بر روی "سطح" ادامه می‌دادند. اما فیزیک جهان دوبعدی با فیزیک جهان ما بسیار متفاوت خواهد بود. برای مثال در فضای دو بعدی، امواج به شفافیت انتشار در فضای سه بعدی، پخش نمی‌شوند و باعث ایجاد انواع مشکلات در سیگنال‌رسانی و انتقال اطلاعات می‌گردند. و نیز از آنجایی که زندگی آگاهانه، به فرآیند انتقال درست و صحیح اطلاعات بستگی دارد، در نتیجه این تفاوتها کافی خواهند بود برای اینکه مشاهدات ما را تنها در حد مناطقی ناشناخته محدود نگاه دارند.

تصور کردن فراتر از سه بعد نیز مشکلات مختلفی به همراه خواهد داشت. در چنین حالتی، سیستمهای نجومی و سیاره‌یی غیرممکن می‌شوند چرا که عکس قانون جاذبه یعنی قانون قدرتهای افزایشی به وجود خواهد آمد. در نتیجه به نظر می‌رسد که جهان سه بعدی تنها جهانی است که وجود دارد و فیزیکدانها می‌توانند درباره‌اش بنویسند. اما نکات ریزی وجود دارد که باعث می‌شود این فرضیه با شک و تردید همراه باشد.

شاید فضا سه بعدی نیست و تنها اینگونه برای ما نشان داده می‌شود. شاید فضا ۹ یا ۱۰ بعد دارد و حتی ابعاد بیشتر! برخی از تئوریهایی که قصد یکپارچه‌سازی نیروهای طبیعت را دارند مانند فرضیه‌ی فرا-رشته‌یی، امکان وجود تعداد ابعاد بیشتری نسبت به آنچه که ما می‌بینیم را رد نمی‌کنند.

دلیلشان نیز این است که بسیاری از معادلاتی که برای توصیف وضعیت موجود به کار می‌روند، با در نظر گرفتن تعداد بیشتر ابعاد، نتایج بهتری می‌دهند! در نتیجه نمی‌توان آن را کاملاً بی‌معنی دانست. ابعاد اضافی فضا، سابقه‌ی حل بسیاری از مشکلات و مسایل حل‌ناشدنی فیزیک را دارند. برای مثال اینشتین برای توصیف کردن جاذبه، به یک بعد اضافی نیاز داشت و آن، زمان بود. و تئودور کالوتزا نیز یک بعد به سه بعد اثبات شده اضافه کرد چرا که می‌خواست نظریات جاذبه را با فرضیات ماکس‌ول در مورد الکترومغناطیس، همگون سازد.

مطمئناً ما نمی‌توانیم بعد چهارم را ببینیم اما این هم احتمالاً یک دلیل دارد. این بعدهای اضافه، می‌توانند بسیار کوچک و فشرده شوند. یک لوله‌ی پلیمری آب را از دور در نظر بگیرید. مانند یک خط دراز و معوج به نظر می‌رسد. از یک بعد نزدیکتر آن را نگاه کنید. به شکل تیوب یا لوله دیده می‌شود. اما آنچه که در حقیقت این لوله را می‌سازد، یک سطح دایره‌یی شکل کوچک است که دور محیط لوله چرخیده است. به طور مشابه، بعد چهارم نیز می‌تواند چنین لوله‌یی باشد که دور فضای سه‌بعدی می‌چرخد اما آنقدر کوچک است که دیده نمی‌شود.

در نتیجه تصور کردن ابعاد بسیار زیادتری که اینگونه در فضا پنهان‌ شده‌اند، به راحتی ممکن است. اما متاسفانه نظریه‌ی فرا-رشته‌یی هنوز دقیقاً سه بعد گشوده‌شده را تایید نمی‌کند در نتیجه برای تصور ما نسبت به جهان هستی هم تعریف درستی نمی‌توان ارایه داد.

اما برای تصور کردن یک بعد جدید، راههای دیگری هم هست. فرض کنید نیروهای فیزیکی بتوانند نور و جسم را به یک صفحه‌ی سه‌بعدی مسطح یا ورقی‌شکل تقلیل دهند و محدود کنند در حالی که به برخی پدیده‌های دیگر فیزیکی اجازه می‌دهند تا وارد بعد چهارم شوند. ساکن شدن سطوح دو بعدی به جای اجسام سه‌بعدی در فضاهای مشخص باعث می‌شود تا هر جسم و پدیده‌یی به شکل طرح و نقشه‌اش نشان داده شود. مثلاً ما یک توپ کره‌یی شکل را به صورت دایره ببینیم! به طریق مشابه، ممکن است ادعا شود که ما در حال حاضر تنها تصویری سه بعدی از اجسام و مفاهیمی را می‌بینیم که در واقع چهاربعدی هستند.

اما فضای "سه لایه‌یی" ما می‌تواند تنها در چهار بعد نیز محدود نشود. لایه‌های قابل کشف دیگری نیز می‌توانند وجود داشته باشند که در فضای چهاربعدی حضور دارند. اثبات این فرضیه، انجام آزمایشهایی تازه را می‌طلبد که وجود بعد چهارم را نیز به ما نشان دهد. اما این نظریه وجود دارد که برخورد لایه‌های چندبعدی در مقیاسهای این‌چنینی می‌تواند به تکرار شدن "انفجار بزرگ" منجر گردد در نتیجه حضور ما بر روی کره‌ی زمین شاید اصلاً موید همین مطلب باشد که فضا واقعاً سه‌بعدی نیست!

۴) آیا سفر در زمان امکانپذیر است؟

شاید سوال یک نیز بازگویی همین سوال باشد. ماهیت جسم و جاذبه‌ی کوانتومی را فراموش کنید. شاید این سوال را هر کسی دوست دارد که پاسخ دهد. سفر در زمان به یک موضوع علمی – تخیلی مورد علاقه و جذاب برای مردم تبدیل شد پس از اینکه اچ.جی. ولز، رمان نوگرایانه و جالب خود با نام "ماشین زمان" را نوشت. اما هرآنچه که اینجا مطرح شده، لزوماً علمی – تخیلی نیست. برای مثال سفر در زمان به سوی آینده، یک واقعیت علمی پذیرفته شده است. تئوری نسبیت اینشتین تایید می‌کند که یک جسم ناظر و مشاهده‌گر در برابر زمین، می‌تواند به سمت آینده‌ی زمین جهش کند. این تاثیر را ساعتهای اتمی ثابت کرده‌اند.

اما اینگونه درگیر شدن با تار و پودهای زمان، به سرعتی مشابه سرعت نور نیاز دارد که شاید در تئوری قابل اثبات و ممکن باشد اما به یک شاهکار بزرگ مهندسی نیاز دارد، حتی اگر به بودجه و هزینه‌هایش فکر نکنیم. اما سفر در زمان به سمت عقب، مشکلات بزرگتری خواهد داشت. نسبیت، این فرضیه را تایید نمی‌کند که یک جسم ناظر بتواند در دو بعد زمان-مکان سفر کند و به عقب هم برگردد. اما در همه‌ی داستانها و سناریوها، چنین شرایط خارق‌العاده‌یی نیز در نظر گرفته شده است.

یکی از راههای سفر به عقب در زمان، استفاده از یک "لانه‌ی مار" فضایی خواهد بود. تئوریسین‌ها معتقدند چنین تونل یا دروازه‌ی ستاره‌یی که دو نقطه را در ابعاد زمان – مکان به یکدیگر متصل کند، وجود دارد. اگر یکی‌شان را پیدا کنید و داخلش بپرید، چند لحظه‌ی بعد از نقطه‌یی دیگر در جهان هستی سردر خواهید آورد. آنها معتقدند اگر چنین چاله‌یی وجود داشته باشد، می‌توان آن را با ماشین زمان نیز مطابق و هماهنگ کرد. می‌توانید از طریق آن سفر کنید و نه تنها از یک مکان دیگر سر دربیاورید، که وارد یک زمان دیگر نیز بشوید. این "زمان" می‌تواند در گذشته یا آینده باشد.

اگر امکان سفر به گذشته وجود داشته باشد، انواع پارادوکس‌ها و تضادها نیز اتفاق خواهند افتاد. مانند معمای یک مسافر زمان که به سالهای گذشته می‌رود و مادرش را وقتی یک کودک است، به قتل می‌رساند. از این تضادها می‌توان گریخت اگر اصرار بورزیم و بدانیم که هیچ چیز نمی‌تواند قانون علت و معلول و کنش و واکنش را از بین ببرد. اما سفری دوطرفه در مسیر زمان، هنوز پیچیده و غیرقابل هضم است.

برای بسیاری از فیزیکدانها، این مساله بسیار غیرعقلانی است. استفان هاوکینگز نظریه‌ی "تخمین محافظت از تسلسل وقایع" را مطرح می‌کند و معتقد است که یک نیرو یا عامل خاص باعث می‌شود تا اجسام فیزیکی یا نیروها نتوانند به گذشته برگردند. این مساله شاید به دلیل موانع و سدهای فیزیکی اساسی بر سر راه ساخت ماشین زمان اتفاق می‌افتد. برای مثال انرژی خلاء کوانتومی در صورتی که هیچ محدودیتی برای ورود به حفره‌های ماری فضا نداشته باشد، طغیان خواهند کرد و دفع خواهند شد.

این مساله همچنان لاینحل باقی مانده اما موضوعی است که بسیاری از مردم، وقت و تلاش خود را صرف آن می‌کنند. همانطور که هاوکینگز اشاره کرده، صرف هزینه برای تحقیق در مورد سفر به زمان بسیار سخت است. در نتیجه به نظر می‌رسد برهان یا تکذیبیه‌یی برای حل این مساله، خود به مشکلات عمومی دیگر منجر شود. مانند طرح یک نظریه‌ی رام‌شدنی و قابل دسترسی در مورد جاذبه‌ی کوانتومی.

۵) آیا ما در یک صافی کهکشانی زندگی می‌کنیم؟

سیاهچاله‌های آشنای کهکشانی همچنان می‌توانند باعث ایجاد بهت و حیرت برای فیزیکدانهای تئوریست شوند. یک سیاهچاله‌ی فضایی می‌تواند زمانی که یک ستاره‌ی بزرگ آتش می‌گیرد و محو می‌شود، تشکیل گردد. هسته‌ی آن بر اثر جاذبه‌ی درونی فراوان، به دو نیم تقسیم می‌شود. اگر جسم به لحاظ شکلی، کروی باشد، آنگاه همه‌ی مواد تجزیه‌شده از ریشه با نسبتهای مساوی به سمت مرکز هندسی هسته، ریزش می‌کنند در نتیجه مقدار میدان چگالنده و میدان جاذبه به بی‌نهایت میل خواهد کرد. تا زمانی که جاذبه، خود را به عنوان تاروپودی از هندسه‌ی مکان – زمان معرفی می‌کند، میزان خمیدگی و پیچش این دو بعد یعنی زمان و مکان، به بی‌نهایت میل خواهد کرد و برای زمان – مکان یا هر دوی آنها، یک خط مرز و محدوده خواهد ساخت. ریاضیدانها، این پدیده را تکین یا فردیت می‌نامند.

هیچ کس نمی‌داند که از این فردیت‌ها، چه چیزی حاصل می‌شود. آیا فضا-زمان، همانجا به پایان خواهد رسید یا این فردیتها به از کارافتادگی نظریات ما منجر می‌شوند؟ اگر زمان – مکان مرز و حدودی داشته باشد، آنگاه پیش‌بینی کردن حاصل آن نیز غیرممکن خواهد بود. از آنجایی که پیش بینی و فلسفه‌ی جبر و تقدیر، پایه‌ی همه‌ی تصاویر علمی و منطقی از جهان حاضر را تشکیل می‌دهد، فردیتها می‌توانند پا را از مرزهایی فراتر بگذارند که علم نمی‌تواند.

وقتی یک سیاهچاله‌ی فضایی، حاصل یک تفرد را در بربگیرد، آن دیگر پوشیده و مستور می‌شود و دیگر تهدیدآمیز نیست. در ۱۹۶۷، راجر پنروز، فرضیه‌ی "سانسور فضایی" را مطرح کرد. در این فرضیه، اعتقاد بر این بود که همه‌ی تفردهای ایجادشده بر اساس کاهش جاذبه، قاعدتاً توسط سیاهچاله‌های فضایی پوشیده می‌شوند و در نتیجه برای ما غیرقابل مشاهده هستند. راه چاره نیز غیرقابل دسترسی بود یعنی وجود تفردهای ناپوشیده که می‌توانند باعث اتفاقاتی بدون توجیه و دلیل منطقی و عقلانی شوند.

سپس چند سال بعد، استفان هاوکینگز، یک پیچیدگی دیگر در مورد این مساله را نیز مطرح کرد. او متوجه شد که سیاهچاله‌ها، امواج گرمایی از خود منتشر می‌کنند و به آرامی تجزیه می‌شوند. تئوریسین‌های فیزیکی، آنچه که ممکن بود در پایان اتفاق بیفتد را اینگونه تصور کردند: آیا این تبخیر و تبدیل در نهایت، تفردهای موجود در دل سیاهچاله‌ها را نمایان و بی‌پرده خواهد کرد؟

این مساله در مباحث مربوط به تئوری اطلاعات نیز به شکلی دیگر مطرح شد. وقتی ستاره‌یی از یک سیاهچاله برمی‌خیزد، محتوای اطلاعات جزیی ستاره (مانند تعداد اجزا و ذره‌هایی که از آن تشکیل شده است و از هر نوع ذره و قسمت، چند تکه عضو در ستاره به کار رفته) برای یک ناظر بیرونی، غیرقابل مشاهده خواهد بود.

در نتیجه زمانی که یک سیاهچاله‌ی فضایی از بین می‌رود، آیا اطلاعات بر اثر نوعی از تابش که هاوکینگز مطرح کرد، دوباره برمی‌گردند؟ این سیاهچاله‌ها به نظر می‌رسد به وضوح در همه‌جای جهان هستی وجود دارند و حاضر هستند. اگر پیچ‌ و تابهای موجود در حفره‌های ماری (حفره‌های تکینی) باعث آشکار شدن یک چاله‌ی جدید در بعد فضا – زمان می‌شوند، پس می‌توان نتیجه گرفت که جهان هستی مثل یک کف‌گیر یا صافی فضایی در حال نشست کردن است؟ اگر اینگونه است، پس محتویاتش به کجا می‌روند؟

۶) جهان هستی از چه چیز ساخته شده است؟

دریغ و افسوس که این سردرگمی همچنان ادامه دارد. فیزیکدانها دقیقاً نمی‌دانند و مطمئن نیستند که آنجا چه چیزهایی هست. در نجوم اینگونه مطرح می‌شود که آنچه شما می‌بینید، دقیقاً آنچه نیست که وجود دارد. ستاره‌ها، سیاره‌ها و توده‌های غبار موجود در فضا از اتم‌های معمولی تشکیل شده‌اند. اما برای هر گرم از اجرام معمولی در جهان هستی، چندین گرم اجرام نادیده و ناشناخته وجود دارد.

ما این را از نوع حرکت ستاره‌ها می‌دانیم. کهکشان راه شیری بیش از حد تند می‌چرخد و این برای نیروی جاذبه ایجاد مشکل می‌کند که همه‌ی اجسام و اجرام قابل مشاهده‌ی بر روی آن را نگاه دارد. ستاره‌های اطراف نیز اگر مقدار زیادی از اجرام و اجسام فضایی در اطرافشان در حال کشیده شدن نبودند، حتماً سقوط می‌کردند. کهکشانهای دیگر نیز همین‌گونه اند. حجم زیادی از مواد و اجرام نادیده و ناشناس در بین کهکشانها وجود دارند که آنها را به دسته‌های در حال جنب و جوش و آسیاب کردن تبدیل می‌کنند.

اگر جهان هستی را یک کل در نظر بگیریم، آنگونه که گسترش پیدا می‌کند و پس‌زمینه‌ی کهکشانی در حال ساطع کردن امواج گرمازا (پس‌فروزشهای در حال محو شدن پس از انفجار بزرگ) یعنی همه‌ی اجزای ظاهری و قابل رویت جهان هستی، به وجود یک اصل فراگیر و نافذ اشاره می‌کنند، یعنی جهان پنهان هستی.

تئوریهای این‌چنینی در مورد ماهیت ماده یا "جرم تاریک" باز هم وجود دارند. از دسته‌های بزرگ سیاهچاله‌های فضایی گرفته تا ذرات ریز تجزیه شده‌ بر اثر انفجار بزرگ. اساساً در این مورد، سه ایده‌ی اصلی وجود دارد. نخستین ایده، نظریه‌ی "انرژی تاریک" است که مانند اجرام محو و پنهان درون فضا به شکل یکسان و یکنواخت پراکنده شده‌اند، رفتار می‌کند. مشاهدات به ما نشان می‌دهد که این اجرام می‌توانند بیش ا

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:32  توسط زهرا عزیزی  | 

هفت راز فیزیک جدید

هفت راز فیزیک جدید

علیرغم پیشرفت‌های بسیار چشمگیری که در فهم جهان فیزیکی نصیب علم جدید شده است ، شمار رازهای ناشناخته‌ای که دانشمندان برای کشف آنها در تلاشند از حد و اندازه افزون است . در این مقاله به بررسی هفت راز بزرگ از میان مجموعه پرشمار اسرار کشف ناشده می‌پردازیم .

 

علیرغم پیشرفت‌های بسیار چشمگیری که در فهم جهان فیزیکی نصیب علم جدید شده است ، شمار رازهای ناشناخته‌ای که دانشمندان برای کشف آنها در تلاشند از حد و اندازه افزون است . در این مقاله به بررسی هفت راز بزرگ از میان مجموعه پرشمار اسرار کشف ناشده می‌پردازیم .

● راز اول :

چه عاملی کیهان را به تکاپو وا می‌دارد؟

علم جدید تا برای این پرسش ، پاسخ خرسند کننده‌ای بدست نیاورد نمی‌تواند به کشف راز بسیاری دیگر از پدیده‌های جالب توجه اهتمام ورزد. برای درک اموری نظیر منشأ کیهان ، سرنوشت نهایی سیاهچاله‌ها ، امکان سفر در زمان ، می‌باید نخست برای این پرسش که کیهان چگونه عمل می‌کند ، پاسخ درخوری یافت شود. فیزیک قرن بیستم بر مبنای دو نظریه بنیادین یعنی نظریه نسبیت انیشتین و نظریه مکانیک کوانتومی بنیاد شد. در قرن بیست و یکم دانشمندان با بهره‌گیری از این دو نظریه توفیق یافته‌اندکه شناخت خوبی از بسیاری از ذرات بنیادی به دست آورند اما این دو نظریه ظاهراً در بن و اساس با یکدیگر ناسازگارند و تصویرهای متعارضی از واقعیت نهایی ارائه می‌دهند. حال آنکه علی الفرض واقعیت می‌باید واحد باشد . تلاش برای وحدت بخشیدن به این دو نظریه ظاهراً متعارض، بسیاری از برجسته‌ترین دانشمندان را به خود مشغول داشته است. مشکل اساسی در این است که نیروی جاذبه که نظریه نسبیت درباره آن سخن می‌گوید ، کل ساختار زمان ‌ـ‌‌‌‌‌‌‌ مکان و بنابراین تمامی کیهان را در بر گرفته ، در حالی که نظریه مکانیک کوانتومی درباره سه نیروی بنیادی دیگری سخن می‌گوید که درون این ساختار جای دارد. به این ترتیب کاربرد نظریه کوانتومی درمورد نیروی جاذبه نظیر استفاده از جزء برای فهم کل‌، با مشکلاتی جدی همراه است.

● راز دوم :

کیهان از چه چیز ساخته شده است؟

رصدهایی که به وسیله اخترشناسان صورت می‌گیرد این نکته را مشخص ساخته که به ازای هر یک گرم از ماده‌ای که سیارات و ستارگان و کهکشان‌ها را بوجود آورده، چند گرم از ماده‌ای وجود دارد که ماهیت آن ناشناخته است وجود این ماده بر اساس نوع رفتاری که اجرام کیهانی از خود آشکار می‌سازند حدس زده می‌شود .

براساس قوانین فیزیک اگر آتشگردانی را با سرعت به چرخش درآوریم با سرعت در هوا به پرواز درخواهد‌آمد. در مورد ستارگانی که در حاشیه کهکشانها به دور مرکز در گردشند نیز دقیقاً همین وضع برقرار است . نخ یا رشته‌‌‌‌ای که این ستارگان را پایبند نگه می‌دارد همان نیروی جاذبه است.

اما محاسبات نشان می‌دهد که نیروی جاذبه حاصل از ماده فیزیکی قابل رؤیت موجود در کهکشانها برای نگهداری ستارگانی که با جرم عظیم و سرعت زیاد در حاشیه آنها در حال گردشند کافی نیست.

برای نگهداری این ستارگان به صورت دیوان پای‌ در زنجیر، به طناب یا رشته مستحکم‌تری نیاز است و از همین‌جا دانشمندان نتیجه گرفته‌اند که در درون هر کهکشان می‌باید ذخایر عظیمی از نوعی ماده نادیدنی وجود داشته باشد که نیروی جاذبه لازم برای جلوگیری از گریز ستارگان را فراهم می‌آورد. استدلال مشابهی دلالت می‌کند بر اینکه از این نوع ماده نادیدنی می‌باید در فضای ما بین کهکشانها نیز موجود باشد و حرکات کهکشانها را نسبت به یکدیگر تنظیم کند.

● راز سوم :

آیا فرضیه نیروی ضد جاذبه که انیشتین پیشنهاد کرد نادرست بود‌ ؟

انیشتین زمانی برای برقراری نوعی تعدیل در فرضیه‌ای که درباره وضع و حال کیهان پیشنهاد کرده بود، به وجود نوعی نیروی ضد جاذبه قائل شد اما اندکی بعد این فرضیه را پس گرفت و از آن با عنوان «بزرگترین خبط علمی خود» یاد کرد.

اما تحقیقات جدید نشان می‌دهد که احیاناً وجود چنین نیرویی چندان دور از واقعیت نیست.

عبارتی که انیشتین در معادلات مربوط به فرضیه نسبیت عام خود وارد ساخت، از خاصیت نیروی دافعه برخوردار است و موجب می‌شود کیهان دچار انبساط شود . انیشتین که معتقد بود کیهان درحال ثبات قرار دارد ناگزیر شد این عبارت را اضافه کند تا اثر نیروهای انقباضی در معادلات خود ( ناشی از وجود جرم‌های عظیم در کیهان ) را خنثی سازد.

● راز چهارم :

چرا ما در عالمی سه بعدی زیست می‌کنیم؟

فیزیکدانان براین باورند که ظهور عالمی که ما در آن جای داریم به دنبال وقوع مه بانگ (انفجار) اولیه امری کاملا تصادفی بوده واحیاناً کیهان هایی دیگری نیز وجود دارند که شماره ابعاد آنها متفاوت است.

صد سال قبل نویسنده ای به نام ادوین ابوت کتابی منتشر کردبا عنوان « سرزمین مسطح » که در آن عالمی دو بعدی مورد بحث قرار گرفته بود.

قوانین علمی یک جهان دو بعدی احیاناً با قوانین جهان سه بعدی ما تفاوت بسیار دارند به عنوان مثال امواج در یک جهان دوبعدی به سهولت جهان سه بعدی سیر نمی کنند و بنابراین انواع واقسام دشواریها در خصوص برقراری ارتباط وانتقال پیامها پدید می آید واز آنجا که ظهور حیات خودآگاه متکی به انتقال نخواهد شد . از سوی دیگر زندگی در عوالمی که بیش از سه بعد دارند نیز با دشواریهای خاص خود روبروست .

● راز پنجم :

آیا سفر در زمان امکان‌پذیر است؟

براساس نظریه نسبیت انیشتین امکان سفر در زمان خواه به آینده وخواه به گذشته وجود در عین حال به بروز بسیاری از پاردوکس ها منجر می شود از این رو برخی از فیزیکدانان مدعی اند که برخی از موانع عملی مانع از انجام چنین سفری می شود (برای تفصیل مطلب به مجموعه مقالات ساینتیفیک امریکن در مورد مفهوم زمان رجوع شود.)

● راز ششم :

آیا ما در یک صافی کیهانی زندگی می‌کنیم ؟

هر چند مفهوم سیاهچاله ها امروزه برای همگان آشناست اما این اجرام عظیم کیهانی هنوز حیله وشگفتیهای زیادی در آستین دارند ، سیاهچاله ها ستاره های بزرگی هستند که انرژی هسته ای خود را به پایان رسانده اند وهمه را در اثر تشعشع از دست داده‌اند در این حال هسته عظیم وچگال ستاره تحت تأثیر نیروی جاذبه غول آسای آن در کسری از ثانیه به درون خود ریزش می کند اگر شکل هندسی هسته دقیقاً کروی باشد ، به واسطه اثر تقارن همه ماده موجود در مرکز کره مجتمع می شود و به این ترتیب شدت میدان جاذبه تا حد بسیار بسیار زیادی افزایش می یابد.

از آنجا که جاذبه تأثیر خود را به صورت تغییر شکل زمان – مکان آشکار می سازد (نظیر یک گوی سنگین که بر روی بالش قرار داده شود شکل آن را تغییر می‌دهد) وجود یک میدان جاذبه عظیم ومتمرکز در یک نقطه هندسه زمان – مکان اطراف این نقطه را دستخوش تغییرات اساسی می سازد وحفره ای به وجود می آورد که همه چیز را به سمت خود می‌کشد.

● راز هفتم :

پدیدار آگاهی از کجا وچگونه پدید آمده است ؟

پرسش بی پاسخ دیگری که ذهن فیزیکدانان را به خود مشغول داشته این است که چرا برخی از جریانهای الکتریکی نظیر آنها که در مغز وسلسله اعصاب جریان دارد با خود احساس وآگاهی به همراه می آورد در حالی که برخی دیگر از جریانهای الکتریکی نظیر آنها که در شبکه های سراسری برق سیر می کنند ظاهراً چنین آثاری با خود به همراه نمی آورند.

مساله را به صورت معکوس نیز می توان مطرح کرد چگونه است که آگاهی واحساسات که احیاناً مادی نیستند می توانند الکترونها ویونها را در مدارهای مغز به حرکت در آورند و موجب بروز پدیدارهای فیزیکی شوند سوال دیگری که می توان مطرح کرد این است که آیا اساساً این قبیل پرسشها معنا دار هستند؟ واگر چنین است آیا پاسخگویی به آنها وظیفه فیزیکدانان است؟

برخی از فیزیکدانان معتقدند که اگر فیزیک یک رشته فراگیر است واگر علم نهایتاً قابل تحویل به امور فیزیکی است در آن صورت فیزیکدانان باید به اینگونه پرسشها نیز بپردازند گاهی اوقات گفته می شود که حیات در لابلای قوانین فیزیکی مندرج است.

البته هر چند این نکته درست است که اگر قوانین فیزیکی اندکی متفاوت می بودند حیات شکل نمی‌گرفت و اما اگر اصلی تحت عنوان « اصل حیات» وجود داشته باشد نمی توان رد آن را در قوانین فیزیکی به دست آورد . برای دستیابی به این اصل باید به سراغ نظریه های ریاضی نظیر نظریه مربوط به سیستمهای بسیار پیچیده یا نظریه های اطلاعات رفت هر چه باشد هر سلول زنده به یک معنا عبارت است از سیستمهای بسیار پیچیده ای که فعالیت اصلیش پردازش اطلاعات و باز تولید است.

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:31  توسط زهرا عزیزی  | 

ایا میتوان در زمان سفر کرد

 آیا می توان به آینده سفر کرد ؟ 

 

 

 

طبق نظریه نسبیت كه در واقع كلیه معادلات و نتایج ان از ثابت بودن سرعت نور برای تمام چارچوبهای مرجع لخت نتیجه میشود فاصله زمانی بین دو رویداد كه در یك مكان اتفاق می افتند یا مدت زمان یك رویداد كه مدت زمانی به طول میانجامد برای دو ناظر كه سرعت های متفاوت دارند فرق میكند.اگر t زمان شخصی كه در سفینه هست و t’ زمان شخص روی زمین باشد رابطه بین فاصله زمانی دو رویداد برای دو ناظر از این رابطه بدست میاید.از این رابطه كه در ان v سرعت سفینه است نتیجه میشود اگر سفینه سرعتی قابل مقایسه با سرعت نور داشته باشد زمان رخ دادن رویدادی كه در زمین رخ میدهد برای او كوتاهتر از افراد زمینی خواهد بود.البته در سرعتهای عادی این اثر قابل مشاهده نیست چون اختلاف بین این فاصله های زمانی كه دو شخص مشاهده میكنند بقدری ناچیز است كه قابل اندازه گیری نیست.هرچه سرعت سفینه بالاتر باشد این اختلاف مشخصتر میشود و در واقع زمان بر روی زمین از نظر شخص داخل سفینه سریعتر میگذرد.محدودیتی كه برای رسیدن به این سرعتهای بالا وجود دارد نیاز به انرژی بسیار زیاد برای رسیدن به این سرعتها هست بخصوص كه با توجه به رابطه هر چه سرعت سفینه بیشتر شود جرم ان هم افزایش میابد و در واقع در سرعت نور این مقدار به بینهایت میرسد یعنی انرژی بینهایت برای رسیدن اجسام مادی به سرعت نور لازم است بنابراین اجسام مادی نمیتوانند به سرعت نور برسند و فقط امواج یا ذرات بدون جرم میتوانند به این سرعت برسند.در مورد كند شدن زمان در نزدیكی اجرام بزرگ این اثری است كه در اثر نیروی گرانش بوجود میاید و با مساله قبلی متفاوت است.همینطور در مورد مساله خمیده شدن فضا با یك مثال ساده میتوان موضوع را توضیح داد.برای سادگی یك دنیای دوبعدی را در نظر میگیریم این دنیا بدون وجود اجرام و نیروی گرانشی مانند یك صفحه تخت است با وجود جرم و در نتیجه نیروی گرانش ناشی از انها خمیدگیهایی در این صفحه به وجود می اید كه در این صورت ممكن است این خمیدگیها قابل ملاحظه نباشند مثل كروی بودن زمین كه قابل ملاحظه نیست و در واقع مانند یك صفحه تخت بنظر میرسد اما اثار ان قابل مشاهده خواهند بود و طبیعتا در این فضا دیگر قوانین هندسه اقلیدسی برقرار نخواهند بود.مثلا اینكه كوتاهترین فاصله بین دو نقطه خط راست هست یا اینكه دو خط موازی همدیگر را قطع نمیكنند.در چنین وضعیتی باید از هندسه مربوط به فضاهای خمیده و حساب تانسوری استفاده كرد.در فضای سه بعدی این مساله قابل درك شهودی نیست چون با خمیده شدن فضای سه بعدی در واقع یك بعد به فضا اضافه میشود یعنی فضای ۴ بعدی كه برای موجود سه بعدی قابل درك نیست و صرفا با ریاضیات و معادلات پیچیده میتوان مسایل را توضیح داد.البته برای سفر به اینده اثرات سرعت بالا بر بدن انسان را هم باید در نظر گرفت.در كل سفر به اینده از نظر تئوری ممكن است ولی سفر به گذشته اگر از نظر بعضی تئوریهای جدید ممكن باشد از نظر منطقی غیر ممكن است.مثلا شخص میتواند به گذشته برود و جلوی ازدواج پدر و مادرش را بگیرد در این صورت ممكن است بگوییم دو دنیای كاملا مجزاو مشابه بدون اینكه با هم برهمكنش داشته باشند به وجود میاید كه در یكی ان شخص حذف میشود و دنیا بدون تغییر پیش میرود و در دیگری دنیا با تغییراتی كه ان شخص در ان بوجود میاورد (حداقل تغییر وجود خود شخص در گذشته هست.)به مسیر خود ادامه میدهد در این صورت اگر شخص به اینده برود دنیای تغییر یافته را خواهد دید و حتی اگر جلوی ازدواج پدر و مادرش را نگرفته باشد شخصی مانند خودش را هم میتواند ملاقات كند.براین نظریه ها اشكالات فلسفی میتوان گرفت مثلا مساله ماهیت وجودی شخص و یگانه بودن شخصیت فرد زیر سوال میرود و همینطور زندگی یك نفر در دو دنیای متفاوت و اینكه ایا میتوان این دو را یك نفر دانست یا خیر و اگر از دیدگاه مذهبی به موضوع نگاه كنیم این مساله پیش می اید كه چگونه روح یك شخص میتواند همزمان در دو بدن باشد با توجه به اینكه این روح است كه شخصیت و هویت شخص را مشخص میكند و اعمال او را كنترل میكند و چگونه شخص مسئول اعمال و رفتار خودش است دردنیای دیگر است در حالیكه نمیتواند كنترلی بر انها داشته باشد یا همان مساله ملاقات شخص با خودش و اینكه ایا میتوان ان دو شخص را یك نفر دانست یا خیر و تناقضهای دیگری كه ممكن است بتوان مطرح كرد.در نهایت به نظر میرسد این امكان وجود دارد كه دراینده دور با پیشرفت تكنولوژی و علم بتوان به اینده سفر كرد

 

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:30  توسط زهرا عزیزی  | 

پیشنهادات ونگاه به اینده برای نظریه نسبیت انیشتین

پیشنهادات ونگاه به آینده:                                                                      همه ی ما این را میدانیم که زمان درحال گذر است و درهمین لحظه که شما این تحقیق رامیخوانید اینده به حال وحال به گذشته تبدیل میشود. چندی بعد از اینکه انیشتین نظریه نسبیت های عام وخاص رامطرح کرد این سوال خود به خود بوجودآمد که آیا واقعا ما میتوانیم درزمان سفرکنیم یا خیر؟.              

انیشتین این موضوع رابایک مثال ساده که مثلا اگریک سرعت کم را به سرعت نورمیل دهیم زمان هرلحظه برای ماکندتر وکندتر خواهد شد و وقتی به سرعت نور برسیم گذر زمان را احساس نخواهیم کرد، مطرح نمود.                                                                                                   واگرما با سرعتی بیش از سرعت نورحرکت کنیم زمان حرکت منفی نیزخواهد داشت.                       

همه این ها نتیجه هایی ازنظریه های انیشتین بود.                                                                        

  واما فرضیه های من:                                                        

فرضیه اول: اگرفرض کنیم با سرعتی بیشترازسرعت نورمثلا  5/1یا2 برابر سرعت نور سوار بر سفینه ای از زمین دورشویم و در پشت سفینه یک تلسکوپ با بزرگنمایی بسیارزیاد برحسب فاصله های کانونی وقطرآینه قراردهیم هنگام حرکت می توانیم خودمان را ازبالا ببینیم وحتی میتوانیم سفینه خودمان راببینیم.       

فرضیه دوم: خب اگرما دوباره سفینه ای باسرعت حدودا 5/1یا2برابرسرعت نورحرکت دهیم پس ازگذشت یک مسافت یا یک زمان معین با4یا 5برابر سرعت نور به طرف زمین برگردیم میتوانیم به گذشته برویم.                                                                                                                        به نظرمن باید در این باره لحاظ تجربی وفلسفی آن ومحاسباتی که واقعا قابل درک باشد را در نظر بگیریم زیرا موضوع زمان یک مفهوم                                           فلسفی وماورا طبیعه است.  به همین جهت هم توضیح فرایندی که رخ میدهد حتی برای   دانشمندان هم، هنوزمشکل است.                                                                                                          البته دراین میان باید به تبدیلات لورنتس که به طورکلی ارتباط دهنده کمیت های زمان ومکان  به سرعت است اشاره کرد که این تبدیلات اختلاف درمقدار اندازه گیری شده ی کمیت های مکان و زمان که ناشی از داشتن سرعت است رابیان  میکند.باکمی دقت میتوان  به این نتیجه پی برد که درسرعت های بسیارپایین ونزدیک به صفر رابطه لورنتس به روابط کلاسیکی متناظرتبدیل میشود.                                                                                                                       اما ازنظرمن سفردر زمان مردود است .درست است که بانزدیک شدن به سرعت نور زمان کند میشود اما شکستن بعد زمان امکان پذیرنیست.امابه تازگی فرضیه ای جدید      در دومرکزسوئیس وامریکا به طور هم زمان درحال انجام است که میخواهند ببینند ایا میتوان توسط مارپیچ چاله ها دربعد زمان تغییر ایجادکنند.که به نظرمن این طرح محکوم به شکست است.                                                                                                       واماواقعیت ماشین های زمان از دیدگاه  فیزیک : 

دراین میان نظریه نسبیت عمومی انیشتین بیش ازهمه حائز اهمیت است .درحقیقت خاصیت نور در نسبیت عام ونسبیت خاص وجاذبه عمومی ومکانیک کوانتوم این فکر را ایجاد میکند که شاید سفر در زمان امکان پذیر باشد.هرچند نتایج این نظریه ها تاکنون برای کسی یاچیزی امکان عقب یا جلو رفتن درزمان رافراهم نکرده است. واما درکل به نظرمن فرضیه سفردرزمان رد میشود چون شکستن بعد زمان امکان پذیرنیست.ولی نتایجی که به تازگی دانشمندان از سریال lost بدست اورده اند امکان سفردرزمان را ایجاد میکند.                                                                                                          البته زمان یک موضوع اختصاصی است که مابرای تعریف پدیده های اطراف به آن نیازمندیم وشناخت ما از زمان به نسبت کمترازمکان است یعنی ما مکان را بهتر از زمان میشناسیم ودرک خواص زمان ماسخت تر است و درحدی که ما نیاز به مفهوم زمان داریم کافی است که به عنوان یک متغییربرای توصیف رویدادهای جهان به آن نیاز داریم واین متغییرمستقل ابعاد مکان رابهم زده است.                                                                                           ودرآخرآیا سفردرزمان به خصوص بازگشت به گذشته امکان پذیر است؟      

آیا ما دریک جهان حقیقی زندگی میکنیم.؟

سوالاتی که شاید حالا حالا ها باید برای رسیدن به پاسخ آنها صبر کرد...

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:29  توسط زهرا عزیزی  | 

اثبات فرمول نظریه نسبیت

آلبرت اينشتين نظريه نسبيت را اين گونه تعريف مي کند : (کلیه تصاویر محاسبات اختصاصی IASA می باشد)

نظريه نسبيت از جمله نظريه هاي مبتني براصول است . در اين نوع نظريه ها به جاي روش ترکيبي از روش تحليلي استفاده مي شود . اجزايي که اساس و نقطه شروع اين نظريه را تشکيل مي دهند ، به صورت تجربي کشف شده اند و از خصيصه هاي عام فرآيند طبيعي به شمار مي آيند ، اصولي هستند که به ضوابط رياضي مدوني ختم مي شوند و نمايش هاي نظري آن ها بايد در اين ضوابط صدق کند .

براي درک نظريه نسبيت بايد ابتدا با اصولي که نظريه بر آن بنا شده است آشنا شد . نظريه نسبيت همانند ساختماني است که داراي دو طبقه مجزا است : نظريه نسبيت خاص و نظريه نسبيت عام . نسبيت خاص که نظريه نسبيت عام بر پايه آن بيان شده است بر تمام پديده هاي فيزيکي به جز گرانش قابل اطلاق است ، نظريه عام هم قانون گرانش وروابط آن با نيروهاي ديگر طبيعت را معين مي کند . در نظريه نسبيت عمومي ، انديشه هاي مربوط به فضا و زمان يا سينماتيک ديگر به صورت شالوده اي مستقل از بقيه فيزيک پديدار نمي شود . بلکه رفتار هندسي اجسام و حرکت ساعت ها تابع ميدان هاي گرانشي است که خود از ماده به وجود آمده اند .

نظريه گرانش جديد از لحاظ اصول با نظريه نيوتن اختلاف دارد . اما نتايج عملي آن بسيار نزديک به نتايج نظريه نيوتن است . موارد اختلاف زير تاکنون کشف شده است :

I -   دوران بيضي هاي مداري سيارات به دور خورشيد

II - خميده شدن اشعه نور بر اثر ميدان هاي گرانشي

III - تغيير مکان خطوط طيفي به سمت انتهاي سرخ طيف ، در نوري که از ستارگان بزرگ به سمت ما گسيل مي شود .

اگر ثابت شود که يکي از پيامدهاي اين نظريه غلط است ، بايد از کل نظريه دست کشيد ، تعديل آن بدون از ميان بردن کل بنا محال است .

روش زير براي به دست آوردن قانون هم ارزي تنها از سه قانون شناخته شده استفاده مي کند :

1- قانون بقاي اندازه حرکت   2 -  رابطه فشار تشعشع   3 -  رابطه کج نمائي نور

 

دستگاه بالا را در نظر بگيريد فرض کنيد جسم B  آزادانه در فضا نسبت به دستگاه K0  درحال سکون است ، دو توده اشعه S و َS هرکدام با انرژي E/2  در امتداد هاي مثبت و منفي X0   حرکت مي کنند و سرانجام  به وسيله B  جذب مي شوند . انرژي B  با اين عمل جذب به اندازه E  افزايش مي يابد . جسم B  به دليل تقارن نسبت به K0  ساکن مي ماند .

همين جريان را نسبت به دستگاه K  در نظر مي گيريم که با سرعت V در امتداد منفي Z0  نسبت به دستگاه K0  حرکت مي کند. جسم B با سرعت V در متداد مثبت Z حرکت مي کند . حال دو توده اشعه امتدادهائي دارند که در دستگاه K زاويه α با محورX مي سازند . بنابر قانون کج نمائي در تقريب اول α = C/V که در آن C سرعت نور است . از ملاحظات دستگاه K0  مي دانيم که V سرعت جسم B با جذب S و َS  تغييري نمي کند . حال قانون بقاي اندازه حرکت را نسبت به امتداد Z براي دستگاه در چارچوب مختصات K به کار مي بريم .

1- پيش از جذب فرض کنيد که جرم B برابر M باشد آنگاه MV  اندازه حرکت B است . بنابراين اندازه کل دستگاه پيش از جذب برابر است با :

2- پس از جذب فرض کنيد  َM جرم B باشد . در اينجا امکان افزايش جرم را با جذب انرژي E پيش بيني مي کنيم . پس اندازه حرکت دستگاه پس از جذب برابر است با .V َM  

حال قانون بقاي اندازه حرکت را مفروض مي شماريم وآن را نسبت به متداد Z بکار مي بنديم . اين قانون به معادله زير مي انجامد :

 

اين رابطه قانون هم ارزي انرژي و جرم را بيان مي کند . افزايش انرژي E به افزايش جرم E/Cمربوط است . چون تعريف متداول انرژي ، يک ثابت جمع پذير را براي آن آزاد مي گذارد ، اين ثابت را مي توان چنين اختيار کرد :

 

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:28  توسط زهرا عزیزی  | 

تلاش برای اثبات نظریه نسبیت

امروزه همه دانشمندان نظريه نسبيت عام اينشتين را به طور كامل پذيرفته اند، نه صرفاً به خاطر اينكه زيبا است، بلكه به خاطر آنكه نظريه گرانش نيوتن را به فضا زمان خميده تعميم داد و مهمتر آنكه توانست پيشروي حضيض تير را كه از معضلات ماندگار فيزيك و نجوم بود تفسير و مقدار صحيح انحراف مسير نور را در هنگام عبور از كنار جسم پرجرمي چون خورشيد پيشگويي كند. اين دو پديده به همراه قرمز گرايي گرانشي از آزمون هاي كلاسيك نسبيت عام است كه اينشتين در مقاله اي كه در سال ۱۹۱۶ منتشر كرد، به تشريح آنها پرداخت. در اين مقاله با نگاهي گذرا اين دو پديده را بررسي مى كنيم و سپس كاوشگر گرانش را توضيح مى دهيم.
در هفتم نوامبر ۱۹۱۹ يعني چهار سال پس از ارائه نظريه نسبيت عام اتفاقي رخ داد كه صفحه اول بسياري از روزنامه هاي معتبر جهان به آن پرداختند و باعث شدند اينشتين كم كم به شخص نامداري حتي بين مردم كوچه و بازار بدل شود. ماجرا چه بود؟ عاملي كه باعث شده بود برخلاف جريان متداول، خبري علمي به صفحه اول روزنامه ها راه يابد اندازه گيري ميزان انحراف نور ستارگان در هنگام عبور از كنار خورشيد و در نتيجه تائيد نظريه نسبيت عام اينشتين و رد نظريه گرانش نيوتن بود. از اولين كساني كه تاثير گرانش بر نور را بررسي كردند بايد از جان مايكل نام برد. وي تصور مى كرد نور از ذره تشكيل شده است و بدين ترتيب گرانش بر آن موثر است. وي با اين استدلال محاسبه كرد اگر ستاره اي كه چگالى اش همانند خورشيد و اندازه اش ۵۰۰ برابر خورشيد باشد به جسمي بدل مى شود كه نور هرگز نمى تواند از آن بگريزد (يعني همان چيزي كه امروزه اصطلاحاً سياهچاله ناميده مى شود. در نظر داشته باشيد كه جان مايكل چنين نظري را در سال ۱۷۸۳ ابراز كرد.) لاپلاس رياضيدان نامدار نيز بعدها محاسبه هايي شبيه به همين را انجام داد.
زولدنر يكي از منجمان قرن نوزدهم كه مجذوب محاسبات لاپلاس شد تصميم گرفت ميزان انحراف نور در هنگام عبور از كنار خورشيد را محاسبه كند. وي با اين فرض كه نور همانند ذره معمولي جذب خورشيد مى شود، ميزان اين انحراف را ۸۷۵/۰ ثانيه محاسبه كرد. وي محاسبات خود را در يك مجله چاپ كرد، اما از آنجايي كه در آن زمان نظريه موجي نور طرفداران بسياري داشت و از طرف ديگر تشخيص انحراف ۸۷۵/۰ ثانيه اي با تجهيزات آن زمان امكان پذير نبود، كل داستان به زودي فراموش شد.
اما در سال ۱۹۱۵ اينشتين (يعني مرد اول داستان ما) پيش بيني كرد كه مقدار انحراف نور ستارگان بايد ۷۵/۱ ثانيه باشد. اما چرا ۷۵/۱ ؟مقدار ۸۷۵/۰ با فرض تخت بودن فضازمان محاسبه شده بود، اما اينشتين در نظريه نسبيت خود مدعي شده بود كه يك جرم با گرانش زياد مى تواند فضازمان را خميده سازد كه مقدار اين خميدگي نيز از قضا ۸۷۵/۰ است و در نتيجه مقدار كلي انحراف ستاره بايد ۷۵/۱ ثانيه باشد.

اين دو برابر شدن ميزان انحراف نور ستاره دو نتيجه بسيار مهم داشت: اول آنكه با بزرگ شدن ميزان انحراف اندازه گيري مقدار آن به شيوه رصدي امكان پذير مى شد و نكته مهم اين امكان را در اختيار منجمان و فيزيكدانان قرار مى داد تا با اندازه گيري پي ببرند كدام نظريه با تجربه هماهنگي دارد. (اگر ميزان انحراف ۸۷۵/۰ باشد نظريه گرانش نيوتن تائيد مى شد و اگر انحراف ۷۵/۱ باشد، نسبيت عام اينشتين) در آن سال ها ارتباطات مثل امروز چندان راحت و آسان نبود و به ويژه آنكه هر اتفاقي مى توانست اين ارتباط ضعيف را از بين ببرد، چه رسد به جنگ جهاني،كه در آن هنگام در جريان بود. به اين ترتيب دانشمندان كشورهاي مختلف شناخت دقيقي از دستاوردهاي يكديگر نداشتند.
دوسيته يكي از فيزيكدانان هلندي مقاله هايي از اينشتين و خودش را براي ادينگتون يكي از منجمان شناخته شده انگليسي مى فرستد و او را تشويق به پيگيري ماجرا مى كند. ادينگتون مجذوب نظريه جديد نسبيت عام شد و سعي كرد مباني رياضي اين نظريه (كه در آن زمان از دشوارترين نظريه ها بود) تمام و كمال بياموزد. (لطيفه اي هم در اين مورد بر سر زبان ها است. مى گويند روزي شخصي از ادينگتون مى پرسد آيا درست است كه شما يكي از سه نفري هستيد كه نسبيت را درك كرده است؟ ادينگتون مى گويد اينطورها هم نيست. شخص سئوالش را تكرار مى كند و ادينگتون جواب مى دهد كه در اين مورد اغراق كرده اند. آن طرف مى گويد خواهش مى كنم شكسته نفسي را كنار بگذاريد كه ادينگتون در پاسخ مى گويد: اتفاقاً برعكس به اين موضوع فكر مى كنم كه نفر سوم كيست؟)
اكنون ديگر نوبت آن رسيده بود با انجام يك آزمايش تجربي مقدار دقيق انحراف اندازه گيري شود. اگر مى شد به طريقي ميزان انحراف نور ستاره اي را پس از عبور از كنار خورشيد اندازه گرفت همه چيز حل مى شد، اما نكته اين است كه نور خورشيد چنان شديد است كه نور هيچ ستاره اي در هنگام عبور از كنار آن به چشم نمى آيد. تنها راه حل باقي مانده اندازه گيري نور ستاره هنگام يك خورشيدگرفتگي است.
لحظه خورشيدگرفتگي براي همه ما تجربه زيبا و هيجان انگيزي است. طي چند دقيقه ماه قرص تابان خورشيد را مى پوشاند و ما محو اسرار آفرينش مى شويم، اما در فرصت پيش آمده يك منجم باتجربه در آسماني كه آنقدر تاريك شده است كه ديگر ستارگان هم در اين روز تاريك به نمايش درآمده اند، مكان ستارگان را اندازه مى گيرد و بعد با مقايسه آن با مكان واقعي ستارگان در روزهاي ديگر به ميزان اين تغيير مكان دست مى يابد.
ادينگتون و دايسون (منجم ديگر) به اين موضوع فكر مى كردند كه خورشيدگرفتگي ۲۹ مه ۱۹۱۹ چه فرصت مناسبي براي اندازه گيري انحراف ستارگان است. هم زمان خورشيدگرفتگي طولاني است و هم در آن هنگام مى توان تعداد زيادي ستاره را رصد كرد.
اما همه چيز هم به اين سادگى ها نبود. ادينگتون را به سربازي احضار كردند. اما ادينگتون عضو فرقه كواكر و در نتيجه مخالف جنگ بود. اما جنگ شديد بود و نياز به نيروي انساني، حياتى. بنابراين دايسون شخصاً شهادت داد كه حضور ادينگتون در هيات اعزامي براي رصد خورشيدگرفتگي و آزمايش نسبيت ضروري است و در نهايت ادينگتون توانست از خدمت وظيفه معاف شود. (براي آنكه بهتر متوجه وضعيت شويم كافي است اين نكته را به خاطر آوريم كه فردي از كشور دشمن يعني اينشتين آلماني نظريه اي ارائه مى كند و آن وقت آنها ادينگتون را از خدمت وظيفه معاف مى كنند تا به طريق تجربي صحت اين نظريه را تائيد كند!)
ادينگتون كه عضو رصدخانه سلطنتي بود، بارها خورشيدگرفتگي را رصد كرده بود و با مشكلات فني و عملي رصد آشنايي كامل داشت.
براي آنكه نتايج رصد از دقت و اعتبار كافي برخوردار باشد قرار شد خورشيدگرفتگي در دو مكان مختلف رصد شود: ادينگتون و گروهش به جزيره پرينسيپ در غرب آفريقا رفتند و كرملين و گروهش به سوبرال در شمال برزيل كه براي رصد اين خورشيدگرفتگي مكان هايي ايده آل بودند. اما همه چيز مطابق ميل پيش نمى رود. روز پيش از خورشيدگرفتگي باران شديدي شروع به باريدن كرد. باران همچنان ادامه داشت و ادينگتون كم كم تمام اميدش را از دست مى داد. اما در آخرين لحظات باران بند آمد و آنان توانستند به رصد كسوف بپردازند. آنان تصويرهاي زيادي تهيه كردند كه فقط دو تايش قابل استفاده بود. اين دو تصوير را با تصويرهاي قبلي مقايسه كردند. ميزان انحراف ۳۱/۰+ ۶۰/۱ بود كه اگر با مقدار ۷۵/۱ مورد انتظار مقايسه كنيم نتيجه مى گيريم ميزان انحراف ۳۱/۰+ ۹۱/۰ برابر پيش بيني اينشتين است. گروه اعزامي به سوبرال نيز توانست چندين عكس بگيرد كه از آن ميان هشت عكس قابل استفاده بود. ميزان انحراف ۱۲/۰ + ۹۸/۱ يا ۰۷/۰ + ۱۲/۱ برابر پيش بيني اينشتين. از بخت بد تلسكوپ ديگر اين گروه درست تنظيم نشده بود و چيزي از آن در نيامد. اما به نظر مى رسيد در مجموع ماموريت با موفقيت انجام شده است.هنگامي كه نتايج اين رصدها آماده شد، معتبرترين موسسه علمي بريتانيا يعني انجمن سلطنتي پيشنهاد كرد جلسه اي فوق العاده در ۶ نوامبر در لندن برگزار شود. دايسون به عنوان اخترشناس سلطنتي به جايگاه رفت و اذعان كرد كه اندازه گيرى ها، نظريه گرانشي ديرپاي نيوتن را تاييد نمى كند، اما در مقابل با پيش بينى هاي نظريه جديد اينشتين هماهنگي كامل دارد.
همان طور كه گفتيم واكنش رسانه ها بسيار غيرمنتظره بود. نام و تصوير اينشتين فوراً در صفحه اول روزنامه ها پديدار شد: «انقلاب در علم _ نظريه جديد كيهان _ انديشه نيوتني از تخت به زير آمد» از جمله اين تيترها بود. بدين ترتيب اينشتين يك شبه مشهور و نامدار شد. اما علت اين اقبال شايان توجه مردم و رسانه ها به اينشتين را بايد در چيزي فراتر از محتواي علمي اين نظريه جست وجو كرد. پس از سال ها جنگ و ويراني مردم اين فرصت را كه بشريت توانسته از ترس و وحشت جنگ فارغ شود و به چنان مرتبه والايي برسد كه پرده از بزرگترين اسرار گيتي بردارد، غنيمت شمردند. به ويژه دو صلح طلب برجسته يعني ادينگتون بريتانيايي و اينشتين آلماني نيز از صلح و آشتي بين ملت هايشان كه از دستاوردهاي اين همكاري علمي بود، بسيار خشنود شدند.
گفته مى شود ادينگتون پس از رصد خورشيدگرفتگي نتيجه را با تلگرام به اطلاع اينشتين مى رساند، اما اينشتين به اين موضوع و اثبات نظريه اش واكنش چنداني نشان نمى دهد. يكي از دانشجويان اينشتين از اين همه خونسردي اينشتين متعجب مى شود و از او مى پرسد اگر رصد پيش بينى هاي وي را تائيد نمى كرد چه احساسي داشت؟ اينشتين در جواب مى گويد: «آن وقت براي پروردگار عزيز متاسف مى شدم.» اين پاسخ اينشتين هم اعتماد به نفس وي را نسبت صحت نظريه اش مى رساند و هم شوخ طبعي هميشگي او را.
تا اينجاي كار به نظر مى رسد آزمايش هم توانسته است موفقيت نسبيت عام را در توجيه پديده ها نشان دهد. اما فكر نكنيد منتقدان به همين راحتي دست از سر نسبيت و اينشتين برداشتند. اينشتين يهودي بود و در آن زمان يهودى ستيزي در آلمان در اوج بود، به همين دليل شروع به بهانه جويي كردند. ادينگتون درصدد بود به دليل مشكلات فني كار در بعضي از اندازه گيرى ها، تصحيح هاي اساسي انجام دهد. در نهايت نيز به اين نتيجه رسيد كه بايد بعضي از اطلاعات به دست آمده از رصد سوبرال را از محاسبه نهايي خود حذف كند. همين نكته نيز بهانه به دست بسياري داد تا وي را متهم كنند كه از خود حساب سازي مى كند. فكر نكنيد كه منتقدان اينشتين و كساني كه در مورد صحت نتايج تشكيك مى كردند، از مردم عادي يا ناآشنا با علم بودند، برعكس بسياري از آنان در حوزه فيزيك بسيار شناخته شده نيز بودند. از جمله معروف ترين منتقدان اينشتين بايد از فيليپ لنارد نام برد كه به خاطر كارش در زمينه پرتو كاتدي جايزه نوبل سال ۱۹۰۵ را برد و ديگري يوهانس اشتارك كه برنده نوبل ۱۹۱۹ بود. با اين همه هر چند يهودى ستيزي بين نازى ها به شدت رواج داشت و باعث مهاجرت بسياري از يهوديان شد، اما موج نسبيت ستيزي شدت كمتري داشت و بسياري از كساني كه در اين زمينه شك و ترديد داشتند، خواهان تعيين اعتبار دقيق تري براي اين نظريه بودند. يكي از نكته هاي جالب توجه اينكه ضديت با نسبيت در رفتار لنارد خود را بروز داد. لنارد كه از مخالفان سرسخت نسبيت و اينشتين بود، به يك باره از دستاوردهاي زولدنر آگاه شد. وي كه تا ديروز مخالف نسبيت بود، يك باره طرفدارش شد زيرا به نظر وي زولدنر مقدم بر اينشتين به چنين دستاوردهايي رسيده بود. اين بار لنارد مقاله مفصلي در تائيد دستاوردهاي زولدنر نوشت.
با اين همه هنوز هم شك و ترديدهاي بسياري باقي مانده بود كه لازم شد با انجام رصدهاي دقيق تر زدوده شود. رصدهاي بسياري انجام شد كه آخرين آنها در ۱۹۷۳ صورت گرفت اما نتيجه انحرافي به اندازه ۱۱/۰ + ۹۵/۰ برابر پيش بيني اينشتين را نشان مى داد. يعني طي اين سال ها در ميزان دقت نتايج پيشرفت چنداني حاصل نشده بود.
اميدها براي ارزيابي دقيق تر نسبيت به يأس تبديل مى شد كه اختروش (Quasar)ها ظاهر شدند. اختروش ها از دوجنبه به پذيرش نسبيت كمك كردند. اول آنكه موضوعي پيش آمد كه اخترفيزيكدانان نسبيت را در مورد آن به كار گيرند؛ دوم آنكه اختروش ها چشمه هاي بسيار مناسبي براي امواج راديويي هستند كه از آن هم مى توان همانند امواج نور مرئي براي آزمودن نسبيت عام استفاده كرد. اكنون اگر دو اختروش داشته باشيم كه از نزديكي خورشيد عبور كنند مى توان با تداخل سنجي راديويي زاويه بين آن دو را اندازه گيري و مشاهده كرد آيا با حركت اختروش و دور و نزديك شدن آن تغييري در موضع ظاهري آنها ايجاد مى شود يا خير؟
هنگامي كه براي اولين بار از اختروش ها براي اين آزمون استفاده شد نتيجه با عدم دقتي حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد همراه بود، كه چندان دلچسب نبود، اما با تكرار اين آزمون در سال هاي بعد دقت هاي بهتر و در حد يك درصد، صحت نسبيت را اثبات كرد.
داستان اختروش ها نيز كم كم از تب و تاب مى افتاد كه اتفاقي ديگر جلب توجه كرد: در سال ۱۹۷۹ يك اختروش دوتايي كشف شد. اين جفت اختروش شباهت بسياري به يكديگر داشتند: سرعت دور شدن و همچنين طيف آنها شبيه به هم بود. ماجرا چيست؟ دانشمندان خيلي زود دريافتند كه اين دو اختروش در حقيقت يكي هستند، ولي بين اين اختروش و زمين يك جسم پرجرم قرار دارد و به طوري نور اين اختروش را منحرف مى كند كه تصويري دوگانه از آن حاصل مى شود. به اين پديده در فيزيك «عدسي گرانشى» مى گويند كه البته از دهه ۱۹۳۰ مطرح بود و خود اينشتين هم آن را بررسي كرده بود. بدين ترتيب شاهدي ديگر بر صحت نظريه نسبيت در آسمان ها يافت شد.

تلاش براي اثبات نظريه ي نسبيت

پيشروي حضيض تير
مكانيك نيوتن موفقيت هاي بسيار داشت، آنقدر موفق كه اگر ناهماهنگى اي مشاهده مى شد، مى توانستند اين ناهماهنگي را هم در قالب گرانش نيوتني تفسير كنند. براي مثال بعضي رصدگران، اختلالي را در مدار اورانوس مشاهده كردند. علت چه مى توانست باشد؟ احتمالاً در آن اطراف سياره اي است كه با اثر گرانشي خود باعث اختلال در مدار اورانوس مى شود. جواب صحيح نيز همين بود. كافي بود با كمي دقت آسمان را رصد كنيم تا مكان سياره اي را به نام نپتون بيابيم كه عامل اين اختلال است و مكانيك نيوتوني نشاني دقيق آن را ارائه كرده است.
مسئله مشابهي هم براي تير پيش آمد. مسئله پيشروي حضيض تير: حضيض نقطه اي از مدار يك سياره است كه فاصله آن تا خورشيد كمترين مقدار است. پيشروي حضيض تير هم يعني مدار تير در فضا يك بيضي ثابت نيست بلكه خود بيضي در صفحه مدارى اش مى گردد. ميزان اين پيشروي نيز ۵۷۴ ثانيه در هر قرن است. چه عواملي در اين پيشروي تاثير دارد؟
ناهيد با ۲۷۷ ثانيه، مشتري با ۱۵۳ ثانيه، زمين با ۹۰ ثانيه، ماه و بقيه سياره ها هم ۱۰ ثانيه در اين پيشروي تاثير دارند كه در مجموع مى شود۵۳۱ ثانيه و از مقدار ۵۷۴ ثانيه كل حدود ۴۳ ثانيه كمتر است. عامل اين ناهماهنگي چيست؟ آيا باز هم سياره ناشناخته اي آن اطراف پرسه مى زند كه از چشمان تيزبين منجمان دور مانده است؟ متاسفانه خير! هرچه آسمان را بگرديد بين تير و خورشيد چيزي پيدا نمى كنيد. اين مسئله آنقدر حاد شده بود كه حتي بعضي پيشنهاد دادند كه قانون عكس مجذوري نيوتن در مورد گرانش صحيح نيست و بايد تصحيحاتي در آن اعمال كرد. اما اگر تغييري در قانون عكس مجذوري اعمال كنيم نه فقط مدار تير كه كل منظومه شمسي دچار اختلال مى شد. در سال ۱۹۱۵ اينشتين كه از اين مشكل آگاه بود تصميم گرفت توانايى هاي نظريه تازه متولد شده اش را در اين آزمون بسنجد. وي محاسباتش را با استفاده از نسبيت انجام داد. به نظر شما سهم انحناي فضازمان در پيشروي تير چقدر است؟ حدس زدنش چندان هم سخت نيست: ۴۳ ثانيه. پس اينشتين حق داشت چنان از خود بى خود شود، سر از پا نشناسد و دچار تپش قلب شود. البته داستان به همين سادگى ها هم تمام نشد و تير دردسرهاي فراواني براي فيزيكدانان به وجود آورد. براي آگاهي از پايان ماجراي تير و همچنين روش هاي ديگر آزمون نسبيت مى توانيد به كتاب «آيا اينشتين درست مى گفت؟» اثر كليفورد ويل به ترجمه روان و رساي دكتر احمد شريعتي از انتشارات وزارت فرهنگ مراجعه كنيد.

گرانش
كاوشگر گرانش (GP-A)A نام يكي از آزمايش هاي ناسا در مورد گرانش و نسبيت بود كه در سال ۱۹۷۶ انجام گرفت. طبق نظريه نسبيت اينشتين، تغيير در گرانش و سرعت حركت باعث مى شود، سرعت گذر زمان تغيير كند. در آن سال ناسا براي آزمودن اين نظريه از ساعتي استفاده كرد كه دقت آن در حد يك ثانيه در سه ميليون سال بود. يك نمونه از اين ساعت را در زمين قرار دادند و ديگري به ارتفاع صدهزار كيلومتري مدار زمين رفت كه شدت گرانش در آنجا بسيار كمتر از سطح زمين است.
با مقايسه زمان اندازه گيري شده توسط اين ساعت مشخص شد كه نظريه نسبيت اينشتين با دقت ۷ در يك ميليون صحيح است.
اما كاوشگر گرانشB نام ماموريتي است كه اخيراً به انجام رسيده است اما تجزيه و تحليل اطلاعات دريافتي از آن همچنان ادامه دارد و احتمالاً در سال آينده منتشر خواهد شد. اين كاوشگر ميزان انحناي فضازمان در اطراف زمين را اندازه مى گيرد كه از دو عامل ناشي مى شود: اول انحناي فضازمان در اطراف زمين در حال سكون و ديگري ميزان كشش فضازمان اطراف زمين كه ناشي از چرخش آن است و كشيدگي چارچوب نام دارد. در تشريح ايده اين آزمايش بايد گفت زمين به دليل حركت دوراني خود فضازمان را به صورت مارپيچ تغيير شكل مى دهد. اين تغيير شكل فضازمان مى تواند ژيروسكوپي را كه در يك چارچوب ثابت حول محوري در حال دوران است، تحت تاثير قرار داده و به آرامي باعث تغيير جهت دوران شود. هر چند ايده اين آزمايش، ساده به نظر مى رسد اما با توجه به اينكه خميدگي فضازمان به دليل چرخش زمين ناچيز و به همين دليل تاثير آن بر تغيير محور دوران كم است، اندازه گيري مقدار آن دشوار مى شود. از نكاتي كه در طراحي اين ماموريت رعايت شده است بايد به حفاظت ژيروسكوپ از ميدان مغناطيسي زمين اشاره كرد. نكته ديگر آن است كه اين ژيروسكوپ بايد واقعاً كروي باشد تا به طور خودبه خودي دچار تغيير محور دوران نشود و اختلالي در اندازه گيرى ها ايجاد نكند. گفته مى شود اين ژيروسكوپ كامل ترين كره اي است كه تاكنون بشر توانسته است بسازد.
نكته بسيار مهم ديگر اندازه گيري تغيير در محور دوران ژيروسكوپ است.
اين ژيروسكوپ ها در اثر چرخش، ميدان مغناطيسي بسيار ضعيفي توليد مى كنند كه به وسيله تجهيزات مستقر در ماهواره قابل اندازه گيري است. با تغيير محور دوران ژيروسكوپ در ميدان مغناطيسي توليدشده نيز تغييراتي ايجاد مى شود. با اندازه گيري ميزان اين تغييرات، تغيير در محور دوران ژيروسكوپ و در نهايت تاثير انحناي فضازمان ناشي از چرخش زمين بر چرخش ژيروسكوپ مشخص مى شود. هر چند نسبيت با روش هاي متعدد سنجيده شده و از همه آنها سربلند بيرون آمده است اما در اين آزمايش انحناي فضازمان پيرامون يك جرم در حال چرخش اندازه گيري مى شود كه تاكنون آزمايشي براي محاسبه مقدار آن انجام نشده است.
نكته مهم در اين ماموريت ميزان ناچيز تغيير در محور چرخش ژيروسكوپ به دليل اثر كشش چارچوب است. اين مقدار حدود ۹/۴۰ هزارم ثانيه قوسي است. (هر درجه ۳۶۰۰ ثانيه قوسي است.) براي آنكه بتوانيد دركي از ميزان اين زاويه به دست آوريد، فرض كنيد كه صدكيلومتر را با شيب ۹/۴۰ هزارم ثانيه طي كنيم. در اين حالت ارتفاع ما نسبت به ارتفاع اوليه در شروع مسير حدود ۰۱۵/۰ سانتى متر است.
از نكات جالب ژيروسكوپ هاي كاوشگر گرانش مى توان به اين موارد اشاره كرد.
•در ويرايش جديد ركوردهاي جهاني گينس، از اين ژيروسكوپ با عنوان گردترين جسمي كه تاكنون بشر ساخته است ياد شد.
•ميزان كاهش سرعت چرخش ژيروسكوپ از آنچه كه پيش از اين تصور مى شد كمتر است. براي آنكه آزمايش به نتيجه مطلوب برسد لازم است كاهش ۳۷درصد در سرعت چرخش حداقل ۲۳۰۰ سال طول بكشد، اما اندازه گيري سرعت نشان مى دهد اين ميزان كاهش سرعت چرخش ده هزار سال بيش از مدت زمان مورد انتظار طول مى كشد.
• ميدان مغناطيسي حول ژيروسكوپ يك ميليونم ميدان مغناطيسي در سطح زمين و كمترين حدي است كه بشر توانسته است در فضا به آن دست يابد.
اين ماموريت در سال ۲۰۰۵ كامل شده است و براي تجزيه و تحليل علمي اين اطلاعات نيز يك سال زمان لازم است. بدين ترتيب انتظار مى رود تا پيش از پايان سال ۲۰۰۶ نتايج اين پژوهش اعلام شود.

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:27  توسط زهرا عزیزی  | 

یافته ای که انیشتین را زیر سوال برد

ذره‌هایی سریعتر از نور؟ سرن علیه انیشتین

 

آلبرت انیشتین نظریه‌ای داشت؛ و یک قرن تحقیق همیشه با آن موافق بود. نظریه انیشتین یکی از پایه‌های فیزیک مدرن است: هیچ چیز نمی‌تواند از نور سریعتر حرکت کند.

 

اما حالا دانشمندان فیزیک تجربی [برای دیدن لینک باید عضو باشید.برای ثبت نام کلیک کنید] می‌گویند که بعضی از ذرات می‌خواهند این قانون را به چالش بطلبند.

 

ماجرا این است که این دانشمندان رشته‌ای ذرات ریز - ذرات زیراتمی که نوترینو نامیده می‌شوند - را از سرن ژنو به سمت گیرنده‌هایی در آزمایشگاه ملی گرن ساسوی ایتالیا بعنی ۷۲۰ کیلومتر آنطرف‌تر سرازیر کرده‌اند.

 

نوترینوها کمی زود به مقصد رسیده‌اند. تقریبا ۶۰ نانوثانیه زودتر از زمانی که باید در صورت طی این مسافت با سرعت نور طول می‌کشیده. این اختلاف کوچک تاثیر عظیمی در علم خواهد داشت.

 

دیو گولدبرگ - پروفسور فیزیک از دانشگاه درسکل - می‌گوید که «اگر این موضوع صحیح باشد، کل نظریه نسبیت خاص زیر سوال خواهد رفت.». او در مورد نظریه انیشتین حرف می‌زند که از ۱۹۰۵ تا به امروز همیشه تایید شده و می‌گوید که سرعت نور، حدکثر سرعت ممکن در جهان است.

 

استفان پارکه - فیزیکدان تئوری دانشگاه فرمی‌لب می‌گوید «اگر ذراتی داشته باشیم که از نور سریعتر حرکت می‌کنند، در تئوری می‌توانیم زمان را به عقب برگردانیم و شما می‌توانید مادربزرگ خودتان باشید. متوجه هستید که این موضوع چه مشکلاتی ایجاد می‌کند.»

 

و در گفته او توجه به این «اگر» بسیار مهم است. گولدبرگ اضافه کرده که به نتایج این تحقیق مشوک است و باید منتظر بماند تا دیگران هم همین موضوع را تحقیق کنند.

 

یکی از فیزیک دانان مرکز سرن هم موافق است. او می‌گوید که نتایج بسیار مشکوکند چرا که تغییر عظیمی در علم ایجاد خواهند کرد ولی اضافه می‌کند که «ما سعی کرده‌ایم اشکال را پیدا کنیم ولی موفق نشده‌ایم. همه چیز به نظر درست است. چون این یک کشف اعجاب انگیز است، ما همه چیز را منتشر کرده‌ایم. ما سه سال کار کردیم و اندازه گرفتیم.»

 

سرن قبل از چاپ مقاله مورد نظر، کنفرانسی تحقیقاتی در دفتر مرکزی اش ترتیب داده و نتایج را به اطلاع عموم رسانده است.

 

در سال ۲۰۰۷ هم آزمایش های MINOS در فرمی‌لب نتایج مشابهی گرفته بود ولی به علت بالا بودن محدوده خطا در آن تحقیق، نتایج چندان جدی گرفته نشدند اما اینبار نتایج سرن در محدوده خطای قابل قبول از نظر علمی قرار گرفته‌اند. فرمی‌لب هم اعلام کرده که در طول شش ماه آینده آمادگی تکرار دقیق‌تر آزمایش اش را خواهد داشت.

 

ژاپن هم برنامه‌ای برای بررسی نتایج سرن در آزمایشگاه بین المللی خودش دارد. آزمایشگاه ژاپن T2K (Toki-to-Kamioka) نامیده می‌شود و سخنگویش چانگ کی جونگ اعلام کرده که به زودی آزمایش بزرگی در مورد سرعت نوترینوها ترتیب خواهد داد.

 

در حال حاضر پدیده‌های بسیاری در طبیعت با تئوری نسبیت خاص انیشتین توضیح داده می‌شوند و به گفته گلدبرگ حتی در صورت اثبات سرعت بیشتر از نور برای برخی ذرات، تمام آن فرو نخواهد ریخت. هنوز آن نظریه بخش بزرگی از طبیعت را توضیح خواهد داد و ما باید به دنبال تئوری‌هایی جامع‌تر باشیم.

 

احتمال دیگر، استفاده نوترینوها از یک میانبر است. شاید استفاده از یک بعد دیگر برای طی مسیر ژنو و گرن ساسوی ایتالیا. پارکه هم گفته که «ممکن است بتوانیم این پدیده را بدون دور انداختن نظریه نسبیت توضیح دهیم. برای مثال ممکن است بگوییم که مسیر نوترینوها را به درستی محاسبه نکرده‌ایم.»

 

 

 

•چه چیزی گزارش شده است؟

 

دانشمندان اروپایی در طول دو سال گذشته بیش از 15000 ذره زیراتمی به نام نوترینو را از ژنو از طریق قشر زمین به یک آزمایشگاه زیرزمینی در فاصله 730 کیلومتری در ایتالیا شلیک کردند. آنها دریافتند که به نظر می‌رسد این ذرات با سرعتی اندکی بیشتر از سرعت نور- تنها 20 بخش در میلیون سریع‌تر- حرکت می‌کنند. این یافته برای آنها شگفتی‌آور بود، زیرا تصور بر این است که سرعت نور، حدود 300 هزار کیلومتر در ثانیه، بالاترین سرعتی است که هر چیزی می‌تواند به آن برسد.

 

•چرا این یافته باعث چنین سروصدایی شده است؟

 

این یافته نظریه نسبیت خاص اینشتین- یکی از ارکان فیزیک مدرن- که در 1905 عرضه شد را در معرض تهدید قرار می‌دهد. این نظریه سرعت نور را به عنوان حد سرعت کیهانی برای اشیای مادی تعیین می‌کند؛ این نظریه بیشتر با معادله معروف E=mc2 شناخته می‌شود که اساسا بیان‌کننده قابلیت تبدیل جرم و انرژی به یکدیگر است. اگر نظریه اشتباه از آب درآید، ممکن است درک ما ازقوانین بنیادی جهان را به کلی دگرگون خواهد شد.

 

•آیا این کشف بر زندگی روزمره ما اثری خواهد گذاشت؟

 

نه برای زمان حاضر. در حال حاضر نمی‌توان از اینکه این یافته‌ها به چه استفاده‌هایی ممکن است منجر شود، سخن گفت. این یافته‌ها - البته اگر تایید شود - ممکن است تنها به زیرنویسی در کتاب‌های درسی فیزیک ختم شود، یا پیشرفت‌های تکنولوژیک راهگشایی را باعث شود. به گفته مزاح‌آمیز یکی از افراد شکاک اگر این یافته‌ها واقعی باشد، مردم می‌توانند به جای ای‌میل از "نوترینومیل" استفاده کنند؛ سرعتش بیشتر است.

 

•چقدر احتمال دارد این یافته‌ها درست باشد؟

 

کارشناسان در این باره تردید دارند. نظریه نسبیت اینشتین در طول سال‌ها در برابر آزمون‌های تجربی بسیاری سربلند بیرون آمده است. دانشمندانی که این یافته‌ها را گزارش کرده‌اند می‌گویند هنوز در حال بررسی وجود خطاها احتمالی در شیوه‌های تجربی‌شان هستند، و از آزمایشگاه‌های دیگر خواسته‌اند تا نتایج کار آنها را تکرار کنند.

 

چه نوع خطاهایی ممکن است رخ داده باشد؟

 

این اندازه‌گیری بسیار پیچیده است، و عوامل بسیاری ممکن است در آن تداخل کنند. برای مثال هنگامی که این نتایج به طور رسمی در سمیناری در این هفته عرضه شد، دانشمندی در حضار پیشنهاد کرد که موقعیت کره ماه ممکن است تفاوتی در نتایج ایجاد کرده باشد، زیرا جاذبه ماه ممکن است قشر کره زمین را نوترینوها از آن گذشته بودند، تغییر شکل داده باشد. سخنگوی پژوهشگران در پاسخ گفت به نظر نمی‌رسد که این مورد در اندازه‌گیری‌ها مداخله‌ای کرده باشد.

 

•قدم بعدی چه خواهد بود؟

 

پاسخ: دانشمندان در لابراتور فرمی در ایلینویز آمریکا از هم اکنون طراحی برای انجام تجربه مشابهی را آغاز کرده‌اند. آنها تجربیاتی در این مورد دارند. آنها در سال 2007 به نتیجه مشابهی رسیدند، اما حاشیه خطا دراندازه‌گیری‌های بالاتر از حدی بود که بر اساس آن بتوان ادعای قاطعی کرد.

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:24  توسط زهرا عزیزی  | 

جست وجوی نقص اصول فیزیکی انیشتین

جست وجوى نقض اصول فيزيكى اينشتين

دانشمندان براى آشكار شدن خصوصيات و ساختارهاى احتمالى يك نظريه نهايى در جست وجوى نقض اصول فيزيكى اينشتين هستند ?كه زمانى مقدس بود ?.

نسبيت در قلب مهم ترين نظريات بنيادين فيزيك قرار گرفته است. نسبيت آنگونه كه اينشتين آن را در ۱۹0۵ فرمول بندى كرد بر اين ايده كليدى بنا شده كه قوانين فيزيك از نگاه تمام مشاهده گرهاى لخت (اينرسى) (مشاهده گرهايى كه از ديد يك مشاهده گر داراى جهت دلخواه و سرعت ثابت هستند) يكسان است. اين نظريه يك دسته از آثار شناخته شده را پيش بينى مى كند كه از ميان آنها مى توان به ثابت بودن سرعت نور براى تمام مشاهده گرها، كند شدن ساعت هاى در حال حركت، كوتاه شدن طول اجسام متحرك و هم ارزى جرم و انرژى E=mc2 اشاره كرد. آزمايش هاى بسيار دقيق اين نتايج را تائيد مى كنند. نسبيت اكنون يك پايه و ابزار مهم و روزمره براى فيزيكدانان تجربى است: برخورد دهنده هاى ذرات از مزاياى افزايش جرم و طول عمر ذرات پرسرعت به خوبى بهره مى برند و آزمايش با ايزوتوپ هاى راديواكتيو نشان دهنده تبديل جرم به انرژى است.



حتى كاربران و بهره برداران دستگاه هاى الكترونيك نيز تحت تاثير اين پديده ها هستند. در سيستم مكان يابى جهانى بايد تصحيح مربوط به تاخير زمانى را در نظر گرفت. اين تاخير زمانى سرعت كار ساعت هاى موجود در مدارهاى ماهواره اى را تغيير مى دهد. با اين حال در سال هاى اخير تلاش براى يكى كردن نيروها و ذرات شناخته شده در يك نظريه نهايى براى عده اى از فيزيكدانان اين انگيزه را به وجود آورده كه درباره امكان تقريبى بودن اصول نسبيت تحقيق كنند. اين انتظار وجود دارد كه مشاهده انحرافى كوچك از نظريه نسبيت طليعه نخستين آزمايش ها براى جست وجو و تحقيق درباره يك نظريه نهايى است.

ثابت بودن يا ناوردايى؛ قوانين فيزيك براى مشاهده گرهاى مختلف نشان دهنده تقارن در فضا و زمان (فضا _ زمان) است كه تقارن لورنتس ناميده مى شود. هنريش آنتوان لورنتس فيزيكدان هلندى است كه براى نخستين بار در دهه ۱۸۹۰ در اين باره تحقيق كرده است. كره كامل نمايش دهنده تقارنى است كه به عنوان تقارن تحت دوران (چرخش) شناخته مى شود: كره را در هر جهت و به هر ميزان بچرخانيد كاملاً مشابه به نظر مى رسد. تقارن لورنتس اينگونه بر روى تشابه اشيا بنا نشده است بلكه مبناى آن يكى بودن قوانين فيزيك تحت تبديلات دورانى و بوست (boost كه سرعت را تغيير مى دهد) است. مشاهده گرهاى لخت مستقل از اينكه داراى چه جهت و چه سرعت ثابتى هستند قوانين فيزيك را يكى مى بينند. هنگامى كه تقارن لورنتس درنظر گرفته شود فضا- زمان همسانگرد به نظر مى رسد، بدين معنى كه همه جهت ها و حركت هاى ثابت هم ارز هستند و هيچ كدام بر ديگرى برترى ندارند.

تقارن فضا _ زمان لورنتس هسته اصلى نظريه نسبيت را تشكيل مى دهد. با دانستن قواعد تبديلات لورنتس مى توان تمام پيش بينى هاى شناخته شده نسبيت را به دست آورد. تا قبل از مقاله ۱۹۰۵ اينشتين، معادلات مربوط به اين پديده ها توسط محققان ديگرى از جمله خود لورنتس به دست آمده بود. اما آنها اين معادلات را به عنوان تغييرات فيزيكى در اشيا تعبير مى كردند؛ به عنوان مثال طول پيوند بين اتم ها كوتاه مى شود تا موجب ايجاد پديده انقباض طول شود.

سهم بزرگ اينشتين اين بود كه او تمام قطعات را به هم پيوند داد و آشكار ساخت كه طول ها و آهنگ كار ساعت ها ارتباط تنگاتنگى با يكديگر دارند و بدين ترتيب تصور فضا و زمان در مفهوم جديدى به نام فضا- زمان يكى گشتند.

تقارن لورنتس يك عنصر كليدى و پايه بهترين توصيفات ما از ذرات بنيادى و نيروها است. تقارن لورنتس هنگامى كه با اصول مكانيك كوانتومى تركيب مى شود چارچوبى را بنا مى كند كه نظريه ميدان هاى كوانتومى نسبيتى ناميده مى شود. در اين چارچوب هر ذره و نيرو توسط ميدانى توصيف مى شود كه تمام فضا- زمان را پر كرده و داراى تقارن لورنتس است. ذراتى مانند الكترون ها و فوتون ها به عنوان برانگيختگى هاى موضعى كوانتوم هاى ميدان مربوطه شناخته مى شوند. مدل استاندارد ذرات كه تمام ذرات و نيروهاى غيرگرانشى شناخته شده (شامل الكترومغناطيس؛ برهمكنش ضعيف و برهمكنش قوى) را توضيح مى دهد يك نظريه ميدان كوانتومى نسبيتى است. لزوم برقرار بودن تقارن لورنتس به شدت نوع برهمكنش و طرز رفتار اين ميدان ها را مقيد و مشخص مى سازد.

بسيارى از برهمكنش ها كه مى توانند به صورت جملات محتمل در معادلات اين نظريه ظاهر شوند به دليل نقض تقارن لورنتس ممنوع است.

مدل استاندارد شامل برهمكنش گرانشى نيست. بهترين توصيف ما از گرانش يعنى نظريه نسبيت عام اينشتين نيز از تقارن لورنتس تبعيت مى كند. (كلمه ?عام? يعنى شامل گرانش است. گرانش در نسبيت ?خاص? در نظر گرفته نمى شود.) در نسبيت عام، مانند قبل، قوانين فيزيك در يك مكان از ديد مشاهده گرهايى كه داراى جهت هاى مختلف و سرعت هاى متفاوت هستند يكسان است. اما وجود گرانش مى تواند مقايسه پيچيده اى بين آزمايش ها در دو مكان متفاوت ايجاد كند. نسبيت عام يك نظريه كلاسيك غيركوانتومى) است و كسى نمى داند كه چگونه مى توان آن را به صورت رضايت بخشى با مدل استاندارد تركيب كرد.

با اين همه اين دو را مى توان در نظريه اى با عنوان ?مدل استاندارد با گرانش? كه دربرگيرنده تمام ذرات و چهار نيرو است، تا حدودى با يكديگر تلفيق كرد.

? وحدت نيروها و مقياس پلانك

اين تركيب مدل استاندارد و نسبيت عام به طور حيرت انگيزى در توصيف طبيعت موفق است. در آن تمامى پديده هاى بنيادى شناخته شده و نتايج آزمايشگاهى به خوبى توضيح داده مى شود و هيچ گونه شواهد آزمايشگاهى كشف شده فراتر از آن موجود نيست. با اين حال بسيارى از فيزيكدانان مى پندارند كه اين تركيب رضايت بخش نيست. يك پايه اين دشوارى ها اين است كه هر چند دو نظريه داراى فرمول بندى درخشانى هستند اما در اين شكل خود، از ديدگاه رياضى ناسازگارند.

در شرايطى مانند آزمايش كلاسيك حركت نوترون هاى سرد برخلاف ميدان گرانشى زمين كه بايد هم گرانش را در نظر گرفت و هم فيزيك كوانتومى را، نيروى گرانشى به عنوان يك نيروى خارجى به توصيف كوانتومى اضافه مى شود. اين مدل هاى ساخته شده ممكن است كه از ديد آزمايشگاهى كارآمد باشند. اما نمى توان آنها را به عنوان يك توصيف بنيادين، سازگار و رضايت بخش درنظر گرفت. اين مورد مانند آن است كه حمل يك شىء توسط فرد را مى توان با درنظر گرفتن نيروهاى وارد بر استخوان ها و اندام هاى بدن و در سطح مولكولى با دقت زيادى توضيح داد و يا مى توان ماهيچه ها را به عنوان جعبه هاى بسته اى درنظر گرفت كه قادر به فراهم كردن نيروهاى خاص در محدوده هاى مشخص هستند.

به اين دليل و همچنين دلايل ديگر، بسيارى از فيزيكدانان معتقدند كه فرمول بندى يك نظريه نهايى امكان پذير است (توصيفى كامل و واحد از طبيعت كه در آن گرانش و فيزيك كوانتوم با هم تركيب شده اند.)

يكى از نخستين فيزيكدانانى كه بر روى ايده نظريه واحد كار كرد خود اينشتين بود كه سال هاى آخر عمر خود را صرف اين مسئله كرد.

هدف او دست يافتن به نظريه اى بود كه نه تنها گرانش بلكه الكترومغناطيس را نيز دربرگيرد. از بخت بد، او بسيار زود با اين مسئله درگير شده بود. هم اكنون ما معتقديم كه الكترومغناطيس رابطه نزديكى با نيروهاى ضعيف و قوى دارد. (نيروى قوى بين كوارك ها عمل مى كند كه سازنده ذراتى مانند پروتون و نوترون هستند، در حالى كه نيروى ضعيف عامل فعاليت هاى راديواكتيو و همچنين واپاشى نوترونى است.) تنها پس از يافته هاى آزمايشگاهى بعد از مرگ اينشتين بود كه نيروهاى قوى و ضعيف به طور جداگانه و بدون تركيب با الكترومغناطيس و گرانش به خوبى فرمول بندى و درك شدند.

يك رهيافت فراگير و اميدبخش به چنين نظريه نهايى، نظريه ريسمان است. اين نظريه بر اين ايده بنا شده كه تمام ذرات و نيروها را مى توان براساس اشيايى يك بعدى (?ريسمان ها?) به همراه رويه هاى دوبعدى و بالاتر كه به آنها ابررويه مى گويند، توصيف كرد. رهيافت شناخته شده ديگر گرانش كوانتومى حلقه اى loop quantum gravity است كه به دنبال يك تفسير سازگار كوانتومى از نسبيت عام است و پيش بينى مى كند كه فضا از قطعات جداى (كوانتوم ها) حجم و سطح ساخته شده است. شكل نظريه نهايى هرگونه كه باشد اين انتظار وجود دارد كه فيزيك كوانتومى و گرانش در مقياس يك طول بنيادى 10 - 35 m كه به خاطر ماكس پلانك فيزيكدان قرن ۱۹ آلمان طول پلانك ناميده مى شود؛ به طور جداناپذيرى درهم تافته شوند. طول پلانك بسيار كوچك تر از طول هايى است كه مى توان به كمك ميكروسكوپ هاى معمولى ديد و يا در شتاب دهنده هاى انرژى بالا كاويد. بنابراين نه تنها ارائه نظريه نهايى يك چالش جدى است، بلكه انجام مشاهدات مستقيم تجربى براى آزمودن پيش بينى هاى چنين نظريه اى نيز عملاً غيرممكن به نظر مى رسد.

با وجود چنين سدهايى باز هم ممكن است راه هايى براى كسب اطلاعات آزمايشگاهى از نظريه نهايى در مقياس پلانك وجود داشته باشد. شايد در آزمايش هايى كه به اندازه كافى حساس هستند، پديده هايى كوچك كه به طور غيرمستقيم بازتابنده فيزيكى جديد در نظريه نهايى است، مشاهده شود. همانند تصاوير روى نمايشگر تلويزيون يا كامپيوتر كه از تعداد زيادى نقاط روشن (Pixle) تشكيل شده اند. اين نقاط در مقايسه با فاصله تماشايى نمايشگر به حدى كوچك است كه تصوير از ديد چشم كاملاً يكنواخت به نظر مى رسد. اما در بعضى شرايط خاص اين نقاط مشاهده مى شوند، به عنوان مثال هنگامى كه گوينده خبر كراواتى راه راه با نوارهاى باريك بپوشد باعث ايجاد طرحى مى شود كه به طرح ?موير? معروف است.

يكى از چنين طرح هايى كه از طول پلانك نشات مى گيرد نقض نظريه نسبيت است. در فواصل ماكروسكوپيك (معمولى)، فضا- زمان ناورداى لورنتس به نظر مى رسد، ولى ممكن است كه اين تقارن در فواصل به اندازه كافى كوچك به عنوان جلوه اى از وحدت فيزيك كوانتومى و گرانش شكسته شده باشد. انتظار مى رود كه آثار قابل مشاهده نقض نظريه نسبيت در مقياس پلانك در فاصله 10 - 17 to 10 - 34 قرار گرفته باشند. براى درك بهتر اين ابعاد بايد در نظر آوريد كه قطر تار موى انسان 10 30 برابر ابعاد كيهان است در حالى كه 10 - 17 نسبت به قطر مو مانند قطر موى انسان به قطر مدار نپتون است. بنابراين مشاهده نقض نسبيت به آزمايش هايى بسيار حساس تر از آنچه تاكنون انجام شده احتياج دارد.

تقارن بنيادين ديگرى از فضا- زمان كه مى تواند نقض شودCPT نام دارد. اين تقارن هنگامى وجود دارد كه قوانين فيزيك تحت سه تبديل زير (به طور همزمان) تغيير نكنند: تعويض ذره و پادذره مزدوج بار، C بازتاب در آينه (تبديل پاريته، P و برگشت زمانى (T) . مدل استاندارد از تقارن CPT تبعيت مى كند، در حالى كه اين تقارن ممكن است در نظريه هايى كه نسبيت را نقض مى كنند، شكسته شده باشد.

چرخش زمين يك آ زمايشگاه را نسبت به ميدان بردارى نقض كننده نسبيت (پيكان ها) مى چرخاند. از ديد چارچوب آزمايشگاه جهت ميدان بردارى در طول روز تغيير مى كند، كه با استفاده از آن مى توان نقض نسبيت را مشاهده كرد. به عنوان مثال ممكن است نسبت جرم دو جسم غيرهمجنس در طول روز متغير باشد.

?نقض خودبه خود

نقض نسبيت در يك نظريه نهايى چگونه خود را نشان مى دهد؟ يك روش طبيعى و زيبا شكست خودبه خود تقارن لورنتس است. اين مورد بايد كاملاً مشابه شكست خودبه خود تقارن در موارد ديگر باشد هنگامى اتفاق مى افتد كه قوانين پايه متقارن هستند در حالى كه سيستم هاى واقعى اين گونه نيستند. براى درك ايده عمومى شكست خودبه خود تقارن يك ميله باريك استوانه اى را كه به صورت عمودى بر روى يك سطح صاف قرار گرفته در نظر بگيريد. تصور كنيد يك نيروى عمودى به سمت پايين بر روى ميله وارد مى گردد. اين سيستم به طور كامل تحت دوران حول محور ميله متقارن است: ميله استوانه اى است و نيرو به صورت عمودى وارد مى شود، بنابراين قوانين و معادلات فيزيكى در اين شرايط تحت دوران ناوردا هستند. اما اگر نيرو به اندازه كافى زياد شود ميله در يك جهت خم مى گردد كه تقارن تحت دوران را به صورت خودبه خود مى شكند.

در مورد نقض نسبيت، معادلات توصيف كننده ميله و نيرو با معادلات نظريه نهايى جايگزين مى شوند. به جاى ميله ميدان هاى كوانتومى مواد و نيروها قرار مى گيرند. در اغلب موارد اندازه ميدان پس زمينه اى طبيعى چنين ميدان هايى صفر است. با اين حال در بعضى شرايط ميدان هاى پس زمينه مقادير غيرصفرى كسب مى كنند. تصور كنيد چنين حالتى براى ميدان الكتريكى رخ دهد. از آنجا كه ميدان الكتريكى داراى جهت است (بردار)، هر مكانى در فضا داراى جهت ويژه اى مى شود كه توسط جهت ميدان الكتريكى در آن مكان تعيين مى شود. يك بار الكتريكى نقطه اى در آن جهت شتاب مى گيرد. در نتيجه تقارن دورانى (و همچنين تقارن ?بوست?) مى شكند. چنين نتايجى براى يك ميدان تانسورى غيرصفر نيز برقرار است (بردارها حالت خاص تانسورها هستند

چنين ميدان هاى تانسورى غيرصفرى در مدل استاندارد به وجود نمى آيند، اما بعضى از نظريه هاى بنيادى مانند نظريه ريسمان شامل جنبه هايى هستند كه مناسب شكست خودبه خود تقارن لورنتس هستند. اين ايده كه شكست خودبه خود تقارن لورنتس و مشاهده نقض نظريه نسبيت مى تواند در نظريه ريسمان و تئورى هاى ميدان شامل گرانش اتفاق افتد نخستين بار توسط من و استوارت ساموئل از كالج نيويورك در سال ۱۹۸۹ پيشنهاد شد.

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:22  توسط زهرا عزیزی  | 

سه نمونه از کارهای انیشتین وکاربردهای ان

سه نمونه از كارهاي انيشتين و كاربرد عمومي آن‌ها

انديشه و طرز فكر انيشتين در بسياري از پژوهش‌هاي علمي مورد استفاده قرار گرفته‌ است. از شتاب دادن به ذره و نزديك رسانيدن سرعت آن به سرعت نور تا توانا ساختن ستاره‌شناسان براي طرح ريزي نقشه‌ي آسمان بالاي سر همه از فرضيات و معادلات انيشتين سرچشمه مي‌گيرند. با اين حال بر همه آنقدر روشن نيست كه اين فرضيات چه استفاده‌هايي در زندگي روزمره‌ و عادي عموم دارند. در اين مقاله به سه نمونه از كارهاي انيشتين و كاربرد عمومي آن‌ها مي‌پردازيم.

يكي از وسيله‌هايي كه عموم در كارهاي روزمره از آن استفاده مي‌كنند چشم برقي يا فتوسل است. چشم برقي گيرنده‌ي حساسي‌ است كه به محض دريافت نوري مخصوص، وسايل ماشيني يا برقي متصل به خود را به راه مي‌اندازد. ممكن است فكر كنيد كه تا به حال به يك چشم برقي برخورد نكرده‌ايد ولي اين‌طور نيست. به عنوان نمونه مي‌توان به يك دَر خودكار (اتوماتيك) مغازه اشاره كرد كه هنگام مواجه شدن و راه رفتن در جلوي آن، دَر خود به خود باز مي‌شود. انيشتين اولين دانشمندي بود كه توانست در مقاله‌ي علمي خود بر روي تاثير فتوالكتريك، اين پديده را به طور صحيح توضيح داده و پيش‌بيني كند. به طور خلاصه هنگامي كه اشعه‌اي از نور به فلز برخورد مي‌كند، آن فلز از خود برق توليد مي‌كند (كه اين برق باعث به كار افتادن وسيله‌ي متصل به آن مي‌شود). مهم‌تر از آن اين است كه مقدار برق فرستاده شده توسط فلز به فركانس نوري كه به فلز مي‌تابد بستگي دارد؛ (نه به مقدار نوري كه به آن مي‌تابد! سال 1905 ميلادي) اين مقاله بعدها باعث شد كه انيشتن جايزه‌ي نوبل فيزيك سال 1921 را از آن خود كند. در زندگي روزمره بسيار با چشم برقي برخورد مي‌كنيم بدون آن‌كه متوجه آن باشيم. به عنوان نمونه در تورنتو بسيار مشاهده كرده‌ايم كه چراغ‌هاي خيابان به طور خودكار هنگام غروب، درست هنگامي كه رنگ آسمان ارغواني مي‌شود، روشن مي‌شوند (رنگ بنفش و ارغواني در طيف بين از شدت شديدتري برخوردارند). از ديگر نمونه‌هاي كاربرد اين برهان مي‌توان به استفاده‌ي آن در باتري‌هاي خورشيدي در ساعت، ماشين‌حساب و حتي ماهواره‌ها اشاره كرد.

در سال 1917 ميلادي انيشتن تحقيقي را بر روي نظريه‌ي نور و تشعشع آغاز كرد. در پي آمد اين تحقيقات، انيشتين در مقاله‌ي علمي خود «در نظريه‌ي كوانتومي تشعشع» چگونگي تحريك شدن اتم‌ها و آزاد كردن آني نور از آن‌ها را شرح داد. به طور خلاصه، يك فوتون (ذره‌اي از نور) مي‌تواند الكترون‌هاي يك اتم را تحريك كند و اين باعث تشعشع ِ فوتون ديگري از اتم مي‌شود. سپس اين دو فوتون الكترون‌هاي دو اتم ديگر را تحريك كرده و چهار فوتون را تشكيل مي‌دهند. به اين ترتيب از تابش يك فوتون به اتم‌هاي يك فلز، تعداد زيادي فوتون تشكيل مي‌شوند. با متمركز ساختن اين فوتون‌ها پرتويي به وجود مي‌آيد كه اين پرتو همان ليزر است. اگر چه تا سال 1954 ليزر ساخته نشد، ولي اختراع آن و ديگر وسايل ليزري دست آورد نظريه‌ي انيشتن بر روي نور و ماده بود. دليل اين كه چرا ليزر قبل از اين -بين سال‌هاي 1917 تا 1954- اختراع نشد هنوز مخفي است زيرا معادلات انيشتين ساختن ليزر را بسيار آسان كرده‌اند. ليزر بخش بسيار مهمي از DVD ' CD ' وسايل پزشكي، ابزار برش تجاري و فيبر نوري (Fiber Optic Communication) را تشكيل مي‌دهد.

شايد مهم‌ترين كاربرد روزمره‌‌ي نظريه‌ي انيشتين سيستم مكان‌يابي ِ سراسري (Global Positioning System - GPS) باشد. GPS دستگاهي است كه از طريق ارتباط با يك ماهواره مي‌تواند مكان خودش را به طور دقيق تعيين كند. امروزه رايج است كه سيستم‌هاي GPS در ماشين به كار گذاشته شوند كه مي‌توانند مكان ماشين را به طور دقيق (در شعاع 15 متري ماشين) تعيين كنند. براي سنجش دقيق فاصله و مكان، لازم است كه هم‌زماني بسيار دقيقي ميان دستگاه GPS و ماهواره‌ي آن برقرار شود. برقراري چنين هم‌زماني بدون وجود فرضيه‌ي نسبيت انيشتن غير ممكن خواهد بود. چرا؟

فرضيه‌ي نسبيت انيشتين به طور خلاصه توضيح مي‌دهد كه ساعت (زمان‌سنج) در سرعت زياد كندتر از ساعت بر روي زمين حركت مي‌كند. به همين ترتيب ساعتي شناور در فضا بسيار دور از مركز زمين، كمتر در معرض نيروي جاذبه‌ي زمين قرار مي‌گيرد و در نتيجه سريع‌تر از ساعت در روي زمين حركت مي‌كند.

بفرض كه يك ماهواره‌ي GPS با سرعتي در حدود 14000 كيلومتر در ساعت حركت مي‌كند كه بر طبق فرضيه‌ي نسبيت، اين ساعت دقيقا 7 ميكرو‌ثانيه در روز كندتر از ساعتي ساكن بر روي زمين حركت مي‌كند. ولي به اين دليل كه ماهواره‌ي GPS بيست‌هزار كيلومتر بالاتر از سطح كره‌ي زمين در حركت است طبق فرضيه‌ي نسبيت، اين ساعت 45 ميكرو‌ثانيه در روز تندتر از ساعتي بر روي سطح كره‌‌ي زمين حركت مي‌كند. بنابراين ساعت ماهواره در مجموع 38 ميكرو‌ثانيه در روز سريع‌تر حركت مي‌كند. اين تفاوت شايد در ابتدا به هيچ عنوان مهم به نظر نرسد ولي همين تفاوت بسيار كوچك مي‌تواند باعث از بين رفتن دقت سيستم GPS بميزان 11 كيلومتر در روز برسد. به واسطه‌ي فرضيه‌ي نسبيت انيشتين اين هم زمان‌سازي مي‌تواند تصحيح شده و دقت لازم را به سيستم GPS بدهد.

با وجود اين‌كه بيشتر مردم تنها از بمب اتمي به عنوان نمونه‌ي كاربردي نظريه‌ي انيشتين ياد مي‌كنند، ولي نظريات و تئوري‌هاي بي‌شمار انيشتين زمينه‌ساز تعداد بي‌شماري از اختراعات شده‌اند كه زندگي روزمره را راحت و راحت‌تر سازند
+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:21  توسط زهرا عزیزی  | 

سه نمونه از کارهای انیشتین وکاربردهای ان

سه نمونه از كارهاي انيشتين و كاربرد عمومي آن‌ها

انديشه و طرز فكر انيشتين در بسياري از پژوهش‌هاي علمي مورد استفاده قرار گرفته‌ است. از شتاب دادن به ذره و نزديك رسانيدن سرعت آن به سرعت نور تا توانا ساختن ستاره‌شناسان براي طرح ريزي نقشه‌ي آسمان بالاي سر همه از فرضيات و معادلات انيشتين سرچشمه مي‌گيرند. با اين حال بر همه آنقدر روشن نيست كه اين فرضيات چه استفاده‌هايي در زندگي روزمره‌ و عادي عموم دارند. در اين مقاله به سه نمونه از كارهاي انيشتين و كاربرد عمومي آن‌ها مي‌پردازيم.

يكي از وسيله‌هايي كه عموم در كارهاي روزمره از آن استفاده مي‌كنند چشم برقي يا فتوسل است. چشم برقي گيرنده‌ي حساسي‌ است كه به محض دريافت نوري مخصوص، وسايل ماشيني يا برقي متصل به خود را به راه مي‌اندازد. ممكن است فكر كنيد كه تا به حال به يك چشم برقي برخورد نكرده‌ايد ولي اين‌طور نيست. به عنوان نمونه مي‌توان به يك دَر خودكار (اتوماتيك) مغازه اشاره كرد كه هنگام مواجه شدن و راه رفتن در جلوي آن، دَر خود به خود باز مي‌شود. انيشتين اولين دانشمندي بود كه توانست در مقاله‌ي علمي خود بر روي تاثير فتوالكتريك، اين پديده را به طور صحيح توضيح داده و پيش‌بيني كند. به طور خلاصه هنگامي كه اشعه‌اي از نور به فلز برخورد مي‌كند، آن فلز از خود برق توليد مي‌كند (كه اين برق باعث به كار افتادن وسيله‌ي متصل به آن مي‌شود). مهم‌تر از آن اين است كه مقدار برق فرستاده شده توسط فلز به فركانس نوري كه به فلز مي‌تابد بستگي دارد؛ (نه به مقدار نوري كه به آن مي‌تابد! سال 1905 ميلادي) اين مقاله بعدها باعث شد كه انيشتن جايزه‌ي نوبل فيزيك سال 1921 را از آن خود كند. در زندگي روزمره بسيار با چشم برقي برخورد مي‌كنيم بدون آن‌كه متوجه آن باشيم. به عنوان نمونه در تورنتو بسيار مشاهده كرده‌ايم كه چراغ‌هاي خيابان به طور خودكار هنگام غروب، درست هنگامي كه رنگ آسمان ارغواني مي‌شود، روشن مي‌شوند (رنگ بنفش و ارغواني در طيف بين از شدت شديدتري برخوردارند). از ديگر نمونه‌هاي كاربرد اين برهان مي‌توان به استفاده‌ي آن در باتري‌هاي خورشيدي در ساعت، ماشين‌حساب و حتي ماهواره‌ها اشاره كرد.

در سال 1917 ميلادي انيشتن تحقيقي را بر روي نظريه‌ي نور و تشعشع آغاز كرد. در پي آمد اين تحقيقات، انيشتين در مقاله‌ي علمي خود «در نظريه‌ي كوانتومي تشعشع» چگونگي تحريك شدن اتم‌ها و آزاد كردن آني نور از آن‌ها را شرح داد. به طور خلاصه، يك فوتون (ذره‌اي از نور) مي‌تواند الكترون‌هاي يك اتم را تحريك كند و اين باعث تشعشع ِ فوتون ديگري از اتم مي‌شود. سپس اين دو فوتون الكترون‌هاي دو اتم ديگر را تحريك كرده و چهار فوتون را تشكيل مي‌دهند. به اين ترتيب از تابش يك فوتون به اتم‌هاي يك فلز، تعداد زيادي فوتون تشكيل مي‌شوند. با متمركز ساختن اين فوتون‌ها پرتويي به وجود مي‌آيد كه اين پرتو همان ليزر است. اگر چه تا سال 1954 ليزر ساخته نشد، ولي اختراع آن و ديگر وسايل ليزري دست آورد نظريه‌ي انيشتن بر روي نور و ماده بود. دليل اين كه چرا ليزر قبل از اين -بين سال‌هاي 1917 تا 1954- اختراع نشد هنوز مخفي است زيرا معادلات انيشتين ساختن ليزر را بسيار آسان كرده‌اند. ليزر بخش بسيار مهمي از DVD ' CD ' وسايل پزشكي، ابزار برش تجاري و فيبر نوري (Fiber Optic Communication) را تشكيل مي‌دهد.

شايد مهم‌ترين كاربرد روزمره‌‌ي نظريه‌ي انيشتين سيستم مكان‌يابي ِ سراسري (Global Positioning System - GPS) باشد. GPS دستگاهي است كه از طريق ارتباط با يك ماهواره مي‌تواند مكان خودش را به طور دقيق تعيين كند. امروزه رايج است كه سيستم‌هاي GPS در ماشين به كار گذاشته شوند كه مي‌توانند مكان ماشين را به طور دقيق (در شعاع 15 متري ماشين) تعيين كنند. براي سنجش دقيق فاصله و مكان، لازم است كه هم‌زماني بسيار دقيقي ميان دستگاه GPS و ماهواره‌ي آن برقرار شود. برقراري چنين هم‌زماني بدون وجود فرضيه‌ي نسبيت انيشتن غير ممكن خواهد بود. چرا؟

فرضيه‌ي نسبيت انيشتين به طور خلاصه توضيح مي‌دهد كه ساعت (زمان‌سنج) در سرعت زياد كندتر از ساعت بر روي زمين حركت مي‌كند. به همين ترتيب ساعتي شناور در فضا بسيار دور از مركز زمين، كمتر در معرض نيروي جاذبه‌ي زمين قرار مي‌گيرد و در نتيجه سريع‌تر از ساعت در روي زمين حركت مي‌كند.

بفرض كه يك ماهواره‌ي GPS با سرعتي در حدود 14000 كيلومتر در ساعت حركت مي‌كند كه بر طبق فرضيه‌ي نسبيت، اين ساعت دقيقا 7 ميكرو‌ثانيه در روز كندتر از ساعتي ساكن بر روي زمين حركت مي‌كند. ولي به اين دليل كه ماهواره‌ي GPS بيست‌هزار كيلومتر بالاتر از سطح كره‌ي زمين در حركت است طبق فرضيه‌ي نسبيت، اين ساعت 45 ميكرو‌ثانيه در روز تندتر از ساعتي بر روي سطح كره‌‌ي زمين حركت مي‌كند. بنابراين ساعت ماهواره در مجموع 38 ميكرو‌ثانيه در روز سريع‌تر حركت مي‌كند. اين تفاوت شايد در ابتدا به هيچ عنوان مهم به نظر نرسد ولي همين تفاوت بسيار كوچك مي‌تواند باعث از بين رفتن دقت سيستم GPS بميزان 11 كيلومتر در روز برسد. به واسطه‌ي فرضيه‌ي نسبيت انيشتين اين هم زمان‌سازي مي‌تواند تصحيح شده و دقت لازم را به سيستم GPS بدهد.

با وجود اين‌كه بيشتر مردم تنها از بمب اتمي به عنوان نمونه‌ي كاربردي نظريه‌ي انيشتين ياد مي‌كنند، ولي نظريات و تئوري‌هاي بي‌شمار انيشتين زمينه‌ساز تعداد بي‌شماري از اختراعات شده‌اند كه زندگي روزمره را راحت و راحت‌تر سازند
+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:20  توسط زهرا عزیزی  | 

معجزات علمی قران

معجزات علمي قرآن

 

عمر دنيا  و زمين و انبساط آن (بيگ بنگ) -  سياه چاله ها و ستاره هاي نوتروني همگي گوشه اي از معجزات قرآن است!

نسبت عمر دنيا به عمر زمين:

سوره ي 50 (ق): آيه 38:

"ما آسمان ها و زمين و آنچه در ميان آنهاست در شش دوره آفريديم و هيچ گونه رنج و سختي اي به ما نرسيد"

سوره ي 41 (فصلت): آيه 9:

"بگو: آيا شما به آن كس كه زمين را در دو دوره آفريد كافر هستيد و براي او همانندهايي قرار مي دهيد؟ او پروردگار جهانيان است!"

 

امروزه دانشمندان با توجه به شواهد موجود عمر زمين را 4.5 ميليارد سال پيش بيني مي كنند.

اين در حالي است كه عمر دنيا 13.5 ميليارد سال برآورد شده است.

در قرآن آمده كه زمين در دو روز و دنيا در شش دوره خلق شد. (عمر دنيا 3 برابر عمر زمين است).

اگر اين موضوع را با شواهد عيني امروز مقايسه كنيم هيچ كمبودي ديده نمي شود!

عمر دنيا (13.5 ميليارد سال) را بر عمر زمين (4.5 ميليارد سال) تقسيم كنيد.

جواب 3 بدست مي آيد.

اين بدان معناست كه علم امروز نيز به اين مسئله رسيده كه عمر دنيا 3 برابر عمر زمين است!

 

 

 

 سياه چاله ها و ستاره هاي نوتروني:

سوره ي 86 (طارق): آيات 1 تا 3:"سوگند به آسمان و كوبنده ي شب! و تو نمي داني كوبنده ي شب چيست. همان ستاره ي ثاقب است!"

 در عربي "ثقب" به معناي چاله و "ثاقب" به معناي چيزي است كه چاله را ايجاد مي كند.

نسبيت عام پيش بيني مي كند كه سياه چاله ها از ستاره هاي نوتروني بوجود مي آيند. ستاره هاي نوتروني اكثرا قابل رويت نيستند و تنها با امواج راديويي (پالس ها) رصد مي شوند.

امواج دريافتي از اين ستاره ها طوري به نظر مي رسد كه كسي به جايي مي كوبد! (ستاره ي كوبنده).

باور نداريد؟ گوش كنيد!

قرآن در آسمان ستاره اي كوبنده را معرفي مي كند كه ثاقب است. (چاله ايجاد مي كند).

كلام واضح قرآن در اين مورد جايي براي شك نمي گذارد!

 

بيگ بنگ بيگ كرانچ و انبساط دنيا:

سوره ي 55 (الرحمن): آيه ي 37:

"آسمان ها روزي دوباره شكاف برمي دارند و مانند گل سرخي باز مي شوند!"

سوره ي 51 (الذاريات): آيه ي 47:

"و ما آسمان ها را با قدرت خود بنا كرديم و همواره آن را وسعت مي بخشيم!"

سوره ي 21 (الانبيا): آيه ي 104:

"در آن روز كه آسمان را چون طوماري در هم مي پيچيم هماگونه كه آفرينش را آغاز كرديم آنرا باز مي گردانيم. اين وعده اي است كه بر ماست و قطعا آنرا انجام مي دهيم!"

 

با بيان تئوري بيگ بنگ دانشمندان همواره در صدد گسترش آن بوده اند.

مدتي بعد به كمك تحقيقات عده اي از دانشمندان مشخص شد كه علاوه بر بيگ بنگ پديده اي به نام بيگ كرانچ هم بايد وجود داشته باشد. و همانطور كه دنيا باز شده روزي به همان نقطه ي آغاز جمع مي شود. (انا لله و انا اليه راجعون).

قرآن اين موضوع را در ابتدا به باز شدن يك غنچه ي گل رز تشبيه مي كند و بيان مي دارد كه با قدرت بي انتهاي خويش در حال گسترش (انبساط) دنيا است!

و روزي همانطور كه اين دنيا را باز كرد دوباره مانند طوماري آنرا در هم خواهد پيچيد. (بيگ كرانچ)

 

 

کلمه فرشته (88) بار و کلمه شیطان نیز (88) بار تکرار شده است

           کلمه بهشت (77) بار و کلمه جهنم نیز (77) بار تکرار شده است

          کلمه دنیا (115) بار و کلمه آخرت نیز (115) بار تکرار شده است

          کلمه گیاه (26) بار و کلمه درخت نیز(26) بار تکرار شده است

          کلمه تابستان گرم (5) بار و کلمه زمستان سرد نیز (5) بار تکرار شده است

          کلمه مجازات (117) بار و کلمه آمرزش نیز(117 * 2 ) بار تکرار شده است

          کلمه آسمان (7) بار و کلمه ساخت آسمان  نیز (7) بار تکرار شده است

          کلمه زکات (32) بار و کلمه برکت  نیز (32) بار تکرار شده است

          کلمه شراب (6) بار و کلمه مستی  نیز (6) بار تکرار شده است

          کلمه رحمت (72) بار و کلمه هدایت  نیز (72) بار تکرار شده است

          کلمه فقر (13) بار و کلمه ثروت  نیز (13) بار تکرار شده است

          کلمه بگو (332) بار و کلمه گفتند  نیز (332) بار تکرار شده است

          کلمه الرحمن ( 57 ) بار و کلمه الرحیم ( 114 ) بار تکرار شده است

          کلمه الفجار (3) بار و کلمه الابرار (6) بار تکرار شده است

          کلمه سختی (12 ) بار و کلمه اسانی (36) بار تکرار شده است

          کلمه ابلیس (11) بار و کلمه استعاذه با لله (11) بار تکرار شده است

          کلمه المصیبت (75) بار و کلمه الشکر (75) بار تکرار شده است

          کلمه الجهر (16) بار و کلمه العلانیه (16) بار تکرار شده است

          کلمه الشده (102) بار و کلمه الصبر (102) بار تکرار شده است

          کلمه المحبه (83) بار و کلمه الطاعه (83) بار تکرار شده است

          کلمه سجده (34) بار تکرار شده است وما در نماز های یومیه (34) بار سجده می کنیم

 

 

نسبت مساحت دریاها با خشکیها 

 

امروز منطبق است . در زمان نزول قرآن کریم هنوز قاره ها کشف نشده بودند و تعیین نسبت دریاها به خشکی ها به هیچ وجه امکان پذیر نبوده است و همانطور که اطلاع دارید قاره آمریکا در قرن (5) کشف شده است . در آیات قرآن جمعا (13) بار از کلمه خشکی (بریابس) و (32) بار از کلمه دریا یاد شده است . یعنی نسبت دریا 45 / 32  و نسبت خشکی 45/13 است که اگر به درصد محاسبه شود دریا 71% وخشکی 29% محاسبه میشود که با محاسبات علمی امروز مطاقبت دارد . این درصدی که بشر امروزه با استفاده از تجهیزات پیشرفته کاپیوترهای مدرن و با استفاده از عکسهای فضاییبدست آورده همانطوری که مشاهده می کنید در لا به لای آیات قرآن مجید که (14) قرن پیش نازل شده است مندرج است.

 

 

انفجار عظيمی در فاصله درو از منظومه ی شمسی ما رخ داد که شرکت فضاپيمايی ناسا از اين واقعه با تلسکوپهای قدرتمند عکی برداری کرد!
اين اتفاق در سال ۱۹۹۹ /۲۰۰۰به حقيقت پيوست....در حالی که خدا ۱۴۰۰ سال پيش در مورد آن در سوره ی مبارکه ی الرحمن ذکر کرده بود!اين عکس برداری ( ناسا NASA ) توسط تلسکوپ فضاپيماهايی (سحابه چشمان گربه) به انجام رسيد که در مورد انفجار ستارگانی بود که بيش از ۳۰۰۰ سال نوری از زمين فاصله داشت.NASA نام اين انفجار عظيم را ( انفجار گل رز سرخ)گذاشتند. جالب اينجا بود که اين نام با نامی که خدا برای اين انفجار سحابه ای انتخاب کرده بود يکی بود!اين نام مطابق بود با نامی که خداوند در سوره ی الرحمن اشاره کرده بود!

معنی ۲ آيه از سوره ی الرحمن:سوره ی ۵۵

۳۶ كداميك از شگفتی های پروردگارتان را می توانيد انكار كنيد؟
۳۷ هنگامی كه آسمان از هم پاشيده شود و مانند گل رز گلگون شود.
۳۸ كداميك از شگفتی های پروردگارتان را می توانيد انكار كنيد؟

جداشدن آسمانها و زمين- تائيد تئوري انفجار بزرگ (The Big Bang )

خدای متعال درقرآن کریم میفرماید:

 (21:30) أولم ير الذين كفروا أن السموت والأرض كانتا رتقا ففتقنهما وجعلنا من الماء كل شيء حي أفلا يؤمنون

[21:30] آيا کافران درک نمي کنند که آسمان و زمين در آغاز به صورت يک توده جامد بود و ما آن را منفجر ساختيم تا موجوديت پيدا کند؟ و هر چيز زنده اي را از آب به وجود آورديم. آيا ايمان مي آورند؟

[21:30]  Do the unbelievers not realize that the heaven and the earth used to be one solid mass that we exploded into existence? And from water we made all living things. Would they believe?

 

 

 


 

در آیه فوق خدای متعال به انفجار اولیه ای که بااراده او باعث ایجاد اسمانها و زمین شد اشاره می فرماید. چگونه در زمانی که هیچگونه دانشی بجز خرافات درمورد نحوه بوجود آمدن کائنات وجود نداشت میتوان تصورنمود که بشری یکی از بزرگترین اکتشافات قرن بیستم رابرجهان آشکارسازد؟ نه هر گز. این آیه سخن یک انسان نبود که صفحه ای از قرآن عظیم را زینت داد.  قرآن بجز کلام آن دانای بی ابتدا و بی انتها نیست.

 

(3) از يک توده گازي شکل تا آسمانها و زمين  

در سوره ای که بنام دخان یعنی گاز نامیده شده است خدای متعال اشاره به مرحله ابتدائی پیدایش آسمانها و زمین کرده میفرماید:

(41:11) ثم استوى إلى السماء وهي دخان فقال لها وللأرض ائتيا طوعا أو كرها قالتا أتينا طائعين

[41:11]  سپس او به آسمان پرداخت، هنگامي كه هنوز به صورت گاز بود و به آن و زمين گفت: "به وجود بياييد، خواسته يا ناخواسته." آنها گفتند: "ما با ميل و رغبت مي آييم".

[41:11] Then He turned to the sky, when it was still gas, and said to it, and to the earth, "Come into existence, willingly or unwillingly." They said, "We come willingly."

تصویر زیر ستاره اي جديد را در حال شکل گيري از گاز و غبار (نبولاNebula   از بقاياي گازي که منشاء پيدايش کل جهان بوده است نشان می دهد.

 

 

Source: The Space Atlas, Heather and Henbest, p. 50.

 

 در عکس زیر سحاب لاگون (Lagoon Nebula) را می بینیم که ابري از گاز و غبار با قطري معادل 60 سال نوري است.

 

Source: Horizons, Exploring the Universe, Seeds, plate 9, from Association of Universities for Research in Astronomy, Inc.

 

همانطوری که در اشکال فوق نشانداده شده است علم امروزثابت کرده است که ستارگان آسمانی از انقباض تودههای عظیم گاز بوجود می آیند، پدیده ای که در قرآن بوضوح برآن در آیه فوق اشاره شده است.

همانطوری که علم نجوم ثابت کرده است و امروز بصورت یکی از بد یهیات حتی در مدارس ابتدایی هم تدریس میشود ماه و خورشید در مدارهای خاصی شناورند. چنیین دانشی هرگز در هزارو چهارصد سال پیش در بین جوامع بشری مطرح نبود.  اما در کتاب خدای تعالی در سوره یسین بصراحت بگردش ماه وخورشید در مدارهای تعیین شده اشاره شده است:

(36:40) لا الشمس ينبغي لها أن تدرك القمر ولا اليل سابق النهار وكل في فلك يسبحون

[36:40] خورشيد هرگز به ماه نمي رسد- شب و روز هرگز منحرف نمي شوند- هر يك از آنها در مدار خود شناور است.

 

 

 

  

 (6) ترتيب شب و روز 

پروردگار هستی در سوره مبارک الرحمن آیه 17 در قرآن مجید و در سوره زخرف آیه 38 اشاره به وجود دو مشرق و دو مغرب می کند:

 (55:17) رب المشرقين ورب المغربين

[55:17] پروردگار دو مشرق و دو مغرب.

 

(43:38) حتى إذا جاءنا قال يليت بيني وبينك بعد المشرقين فبئس القرين

[43:38] هنگامي که او نزد ما بيايد، خواهد گفت: "آه، کاش ميان من و تو به اندازه دو مشرق فاصله بود. چه همزاد بيچاره کننده اي"!

اشاره به و جود دو مشرق و دو مغرب در آیه های فوق نشانه آن است که، بر خلاف مفروضات آمیخه با خرافات زمان پیامبر اسلام، زمین مسطح نیست بلکه کروی شکل است. اگر این آیه را بهمراه آیه 30 سوره مبارک النازرات مطالعه کنیم کروی (تخم مرغی شکل) بودن زمین و ترتیب شب و روز(دو مشرق و دو مغرب) در نیمکرههای آن کاملا مشخص می گردد:

(79:30) والأرض بعد ذلك دحيها

[79:30] او زمين را تخم مرغي شكل ساخت.

 

 

 

(7)  گسترش جهان هستي  

فرضیه اثبات شده گسترش آسمانها یکی از یافته های مهم علمی در قرن بیستم بود که خدای متعال با صراحت آنرا در قرآن بیان فرموده است.

(51:47) والسماء بنينها بأييد وإنا لموسعون

[51:47]  ما آسمان را با دست هاي خود بنا كرديم و ما به توسعه آن ادامه خواهيم داد.

 

کوه ها در قرآن 

 

فقط بخش کوچکی ازحجم کوهها در سطح زمین قرار دارند وقابل رویت می باشندپایه ها و ریشه های کوهها گاه کیلومترها در اعماق زمین همانند میخهایی عظیم در داخل زمین فرورفته استاین یافته علمی زمین شناسان که تا چند دهه پیش برای انسانها پوشیده بود در قرآن کریم بنحو مطلوبی بوضوح توسط خالق آسمانها و زمین بیان گردیده است:

(78:7) والجبال أوتادا

 [78:7] و كوه ها را همچون ميخهايي (بناکرد)؟

 

همانطوری که درتصویرزیر ديده مي شود، کوه ها ريشه هاي عميقي دارند که همچون ميخهايي در زمين فرو رفته اند.

 

 

 

جنين انسان در قرآن - جنين شناسي درست و دقيق  

خدای متعال در قران مجید مراحل بوجود آمدن انسان را چنین بیان می فرماید:

 (23:12) ولقد خلقنا الإنسن من سللة من طين

[23:12]  ما انسان را از نوعي گل مخصوص آفريديم.

 

 (23:13) ثم جعلنه نطفة في قرار مكين

[23:13] پس از آن، او را از قطره اي كوچك به وجود آورديم كه در داخل محيطي كاملا محفوظ قرار گرفته است.

 

[23:14] ثم خلقنا النطفة علقة فخلقنا العلقة مضغة فخلقنا المضغة عظما فكسونا العظم لحما ثم انشانه خلقا ءاخر فتبارك الله احسن الخلقين

[23:14] سپس ما آن قطره را به (رويان) معلق تبديل كرديم و بعد (رويان) معلق را به تكه (جنين) رشد داديم، سپس از تكه (جنين) استخوانها را آفريديم، آنگاه استخوانها را با گوشت پوشانديم. اين چنين، ما مخلوقي جديد به وجود مي آوريم. خجسته ترين خداست، بهترين خالق.

درآیه 23:14 کلمات عربی علقه و مضغه برای بیان حالت های جنین در رحم مادر بکار رفته است.  در ادبيات عرب، براي کلمه علقه سه معناي متفاوت مي يابيم:

1. زالو

2. یک چیز آویزان

3. توده یالخته خون

تصویرA  درزیریک جنین را درمراحل ابتدایی شکل گرفتنش دررحم مادر نشان می دهد. تصویرB نمودار یک زالورا نشان می دهد.  مقایسه این دو تصویر مارابه حکمت کاربرد لغت علقه توسط خالق مدبرجهان هستی در آیه 23:14 قرآن مجید راهنمایی می کند. 

 

کلمه علقه در زبان عربی همچنین بمعنای یک شیء آویزان است.  تصاویر زیر عکس یک جنین را در مراحل اولیه شکل گرفتنش در رحم مادر نشان میدهد.  این تصاویر که با استفا ده از تکنولوژی  فتو ميکرو گراف برداشته شده است، آويزان بودن جنين به خوبي (با علامت B) در مرحله علقه (تقريبا 15 روزه گي جنين) در رحم مادر نشان میدهد. اندازه جنين در اين مرحله حدود 6/. ميليمتر است. 

 

ْSource: The Developing Human, Moore, 3rd ed., p. 66.

سومین معنای کلمه علقه در زبان عریی مرادف است با یک توده یا لخته خون.  نمودار زیریک جنین را درحالی که از رحم مادر آویزان است نشان میدهد.  وجودمویرگهای انبوهی که در آنها خون جاری است جنین رادر این مرحله از شکل گرفتنش به یک توده یا لخته خون تبدیل نموده است.

 

Source: The Developing Human, Moore, 5th ed., p. 65.

 حال بیایید عقل و وجدان خودرا به داوری بخوانیم.  چگونه بشری بدون اتکاء به علم خالق انسانها وبی هیچ دسترسی به علوم و تکنولوژی پزشکی امروزه می توانست چنین تعبییر دقیق و علمی از شکل گرفتن جنین در رحم مادررا آورده باشد؟!!!  خجسته باد نام خدا خالق آسمانها و زمین و هستی دهنده تمام موجودات.

اما مرحله بعدی شکل گرفتن جنین در قرآن مجید مضغة نامیده شده است که به معناي چيز جويده شده است.  تصویر زیرشکل جنین را درمرحله مضغه (A) با شکل یک قطعه آدامس جویده شده نشان میدهد(B).  تشابه این دو شکل بازفرد عاقل را از دقت علمی کاربرد مفاهیم طبیعی درقرآن کریم متحیرمی کند.

 

 

 

 

 

 

 

درياها و رودخانه ها در قرآن    

 

خدای آگاه و دانا به همه علوم،  در قرآن کریم در سوره الرحمن آیه های 19 و20 اشاره به جدا بودن دو دریا در محلی که بهم می پیوندند نمو ده ومی فرماید که حائلی میان دو دریا قرار داده شده است تا از مخلوط شدن آنها جلوگیری کند:

 (55:19) مرج البحرين يلتقيان

[55:19] او دو دريا را در جايي كه به هم مي پيوندند، از هم جدا مي كند.

 (55:20) بينهما برزخ لا يبغيان

[55:20] حايلي ميان آنها قرار داده شده است، تا از تجاوز به حدود يكديگر جلوگيري كند.

 

علوم دریا شناسی امروز بوضوح این پدیده را باثبات رسانیده است.  هنگامي که درياي مديترانه در جبل اطارق به اقيانوس اطلس مي ريزد، مانعي بين آنها قرار مي گيرد همانطوری که در تصویر زیر نشان داده شده است گرچه که علت این امر هنوز بین دانشمندان در حال بررسی است ولی  در حال حاضرطبق آخرین نظریه علت این واقعه به اختلاف درجه حرارت - شوری و غلظت مرتبط هست . که با این حساب از لحاظ قوانین ترمودینامیک اختلاف دما پس از گذشت این همه سال باید به حداقل اختلاف می رسید پس جرا نرسیده ؟!  مگر اینکه انرژی خاصی در سیستم وجود داشته باشد که این اختلاف را نگه داشته . بحث اینکه این انرژی جیست یا کیست . مقوله دیگر است . تا اینجا ما دانستیم که تمام این اطلاعات 1400 سال پیش واضح در قرآن توسط حضرت محمد(ص)  آورده شده .

 

 

 Source: Marine Geology, Kuenen, p. 43, with a slight enhancement

 

 

 

همچنین مدبر آسمانها و زمین در سوره مبارکه فرقان آیه 53 به حایلی محکم و نفوذ ناپذ یر که بین دو دریای شور وشیرین قرارگرفته و باعث جدایی آنها می گردد اشاره می فرماید: 

 (25:53) وهو الذي مرج البحرين هذا عذب فرات وهذا ملح أجاج وجعل بينهما برزخا وحجرا محجورا

[25:53] اوست كه دو دريا را به هم مي پيوندد؛ يكي تازه و گواراست، در حالي كه ديگري شور و غير قابل نوشيدن. و او آنها را با حايلي محكم و نفوذناپذير (تبخير) از هم جدا كرد.

 در شکل زیر سطح مقطع يک خليج و درصد شوري آب آن نشان داده شده است. در اين شکل مي توانيم جدايي آب شيرين و شور را ( partition zone)همانطوری که خدای علیم در قرآن کریم بیان فرموده است به وضوح ببنيم.

 

 

 

عمق درياها و موجهاي داخلي درياها در قرآن  

 

خدای متعال در کتاب آسمانی قرآن در سوره مبارکه نور آیه 39 اعمال کافران را به سرابی تشبیه می فرماید که شخص تشنه فکر می کند آن آب است، اما هنگامي كه به آن مي رسد، مي فهمد كه چيزي نيست و درعوض، خدا را آنجا مي يابد، تا جزاي كامل اعمالش را بدهد.  سپس در آیه بعدی در مورد کافران تشبیه دیگری می آورد که شاید برای مردمی که در زمان پیامبر اسلام می زیستند عجیب و شگفت انگیز بود. در آیه 40 سوره نور خدای رحمان شخص کافر را به کسی که درداخل اقیانوسی خروشان قرار دارد تشبیه می فرماید که موجهایی که روی آنها موجهای دیگر و در بالای آنها مه غلیظ قرارگرفته شده است:

(24:40) أو كظلمت في بحر لجي يغشيه موج من فوقه موج من فوقه سحاب ظلمت بعضها فوق بعض إذا أخرج يده لم يكد يريها ومن لم يجعل الله له نورا فما له من نور

[24:40]  مثال ديگر، بودن در تاريكي مطلق است در داخل اقيانوسي خروشان، با امواج روي امواج، توام با مه غليظ. تاريكي روي تاريكي- اگر شخص به دست خود نگاه مي كرد، به سختي مي توانست آن را ببيند. خدا هر كه را از نور محروم كند، او هيچ نوري نخواهد داشت.

در آیه 40 سوره نور خدای متعال اشاره به تاریکی در درون اقیانوسها دارد.  بر طبق علوم اقیانوس شناسی بين 3 تا 30 درصد نور خورشيد در سطح دريا بازتاب مي يابد. سپس، همانطوری که تصویر زیر نشان می دهد، در 200 متر اول عمق دريا، تقريبا تمامي رنگهاي طيف نور بجز رنگ آبي جذب مي شوند.

 

 

   Source: Oceans, Elder and Pernetta, p. 27.

نکته ای که توجه متفکران  را به خو جلب می کند اشاره خدای حکیم به وجود دو موج در اقیانوس ها است.  با تکامل تکنولوژی و فرستادن زیر دریایی های مخصوص به اعماق اقیا نو سها، دانشمندان متوجه گشتند که بعلت غلظت بیشتر آبهای واقع در اعماق اقیانوسها (در مقایسه با آبهای سطحی) دو نوع موج در درون آنها پدید می آید، موجهای داخلی و موجهای سطحی.  همانطوری که شکل زیر نشان می دهد موجهاي داخلي در محل برخورد دو لايه آب با چگاليهاي مختلف که يکي از آنها دارای  چگالی بیشتر (لايه زيري) و ديگري دارای چکالی کمتر(لايه بالايي) است بو جود می آیند. چگونه بشری که هزار و چهار صد سال پیش در بیابانهای سوزان عربستان می زیسته است می توانست بدون اتکاء بعلم الهی ازمو جهای درونی اعماق اقیانوسها مطلع گردد؟  

 

  Source: Oceanography, Gross, p. 204.

 

اتساع زماني: معجزه ي قرآن

 

 

بسيار عجيب است كه مسلمانان از معادله ديگري استفاده مي كنند تا اين مطلب را آشكار نمايند كه فرشتگان به سرعت نور شتاب مي گيرند.

قرآن آنها در يك آيه بيان مي كند كه ظاهرا زمان براي فرشتگان با سرعت ثابت از براي انسانها كمتر مي گذرد.

كه اين مطلب با نسبيت خاص اينشتين صدق مي كند كه در آن نيز در سرعتهاي بالا زمان براي اشيايي با آن سرعت آرام تر مي گذرد.

مسلمانان از نسبيت خاص اينشتين و اين آيه استفاده كرده اند تا از اين مطلب كه فرشتگان در حقيقت به سرعت نور شتاب مي گيرند حمايت كنند.

 

آيه: "فرشتگان و ارواح در يك روز به او صعود كردند كه اين معادل پنجاه هزار سال براي انسان است"!

 

در اينجا فرشتگان يك روز را معادل پنجاه هزار سال براي انسان گذر مي كنند. (زمان در مقابل زمان و نه زمان در مقابل فاصله مانند آيه ي قمري قبل).

 

اگرچه طبق نظريه ي نسبيت خاص اينشتين و بوسيله ي اين تغييرات زمان (تاخيرات زماني) بدست آمده به عنوان يك ادعا از مسلمين (كه واقعا آن فرشتگان به سرعت نور شتاب مي گيرند) را مي توانيم تصديق يا انكار كنيم.

اين ادعا مي تواند در دو دقيقه تصديق شود كه آنگاه هيچ نيازي به عقايد كوركورانه نخواهد بود.

آلبرت اينشتين يك مسلمان نبود اما يهودي اي بود كه نظريه ي معروف نسبيت خاص را ارائه داد.

هرچه سرعت بيشتر بشود زمان آرام تر مي گذرد.

در بيرون يك ميدان گرانشي زمان اينگونه است:

 

∆t= ∆t0/ (1-v^2/c^2) ^0.5

 

∆t زماني است كه براي متحرك معادل گذر ايستگاهي است.

V سرعتي است كه به شاهد ايستگاهي نسبت داده مي شود.

∆t0 زماني است كه براي فرشتگان مي گذرد. (يك روز).

∆t زماني است كه معادل زمان براي انسانها است. (پنجاه هزار سال قمري در دوازده ماه قمري بر سال قمري در 27.321661 روز بر ماه قمري).

و V سرعت فرشتگان در اين مورد است. (كه ما قصد داريم آنرا حساب و با سرعت شناخته شده نور مقايسه كنيم). سرعت نور در خلا 299792.458 كيلومتر بر ثانيه است.

 

 

از معادله ي بالا مي توانيم آن سرعت ناشناخته را حساب كنيم:

 

v=c (1-∆t0 ^2/∆t^2) ^0.5

 

حال بهتر است اظهارات مسلمين به استناد قرآن را در معادله جايگزين كنيم و ببينيم كه فرشتگان واقعا به سرعت نور شتاب مي گيرند يا نه؟

ارقام را از آيه در اين معادله جايگزين مي كنيم:

 

v =c (1-(1^2/(50000*12*27.321661)^2))^0.5

v = c * 0.99999999999999981

v = 299792.4579999994 km / s

 

اين اتساع زماني (تغييرات زماني) نشان مي دهد كه فرشتگان در بيرون از ميادين گرانشي به سرعت نور شتاب مي گيرند. (كمي كمتر از سرعت نور زيرا جرم دارند).

اين نمي تواند يك تصادف باشد زيرا سرعت حساب شده دقيقا يكسان با آيه ي قمري قبلي همچنين در بيرون از يك ميدان گرانشي است.

درحال حاضر سوال دنیاست که همواره مي پرسند كه چگونه يك مرد که در ابتدا بي سواد بوده 1400 سال پيش توانسته اتساع زماني و هسته نسبيت را بدست آورد!

 

پس قرآن کلام خداست و حضرت محمد پیامبر برگزیده اوست

 

 

آیات علمی موجود در قرآن :

 

پيدايش جهان(فصلت/11)، انبساط و گسترش عالم (ذاريات /47)، اتحاد ويگانگي جهان و وجود آب  در هر موجود زنده(انبياء/30)،حركت هموار ومناسب زمين(ملك/15) و (نمل/88)،

 

 حركت زمين به دور خود (فرقان/46-45)، مسطح نبودن زمين(رحمن/17)،بيضي شكل بودن تقريبي زمين(نازعات/30)،(اعراف/137) و(شمس/6)، ناقص شدن كره ي زمين در هر دو قطب

 

(رعد/41)، كوهها عامل استحكام پوست زمين (نبأ/7) ، قوه ي جاذبه (رعد/ 2) و (لقمان/10)، پيدايش دريا (مؤمنون/18)، درياي شور وشيرين(فاطر/12)، دريا گهواره ي زندگي (نور/45)،

 

 زوجيت يا وجود بارهاي مثبت ومنفي در هر چيز(يس/36)،(ذاريات/49)و (رعد/3)،نظريه ي نسبيت (حج/47) (سجده/5) و(معارج/4)، اشاره به كوچكتر از ذره و در حقيقت مواد سازنده

 

 ي اتم(يونس/61)و (سبأ/3)، و.. .



نظرات علمي قرآن در مورد باد و باران:
گردش باد (جاثيه/5) و(فرقان/48)،وزن داشتن ابر يا هوا(اعراف/57) و(رعد/12)،مراحل متوالي بادهاي مهاجر(ذاريات/4-1)،بادها به عنوان مقدمه ي ابر و باران(نمل/63)،پيدايش ابر

 

(روم/48)،بادها عامل تلقيح ابرها(حجر/22)، پديده ي تقطير در ابرها(نبأ/14)،جزئيات تشكيل ابر و بارش باران(روم/48) و (نور/43) و.. .



نظرات علمي قرآن درمورد جهان جنين:
آفرينش جنين از عناصر خاك(مؤمنون/12)،(روم/20)و(حج/5)،تبديل موادخاكي به نطفه ورشد تدريجي جنين(مؤمنون/14-12)،اشاره به بافتهاي كامل و ناقص در جنين (حج/5)،تخمك

 

 وسلول تخم(انسان/2)، تشكيل توده ي سلولي(قيامت/38)،وجود پرده هاي سه گانه ي آمينوس،كوريون و آلانتوئيد و يا پرده ي شكمي،پرده ي رحمي و پرده ي آلانتوكوريون در اطراف

 

جنين(زمر/6)،آب  در ساختمان جنين(فرقان/54)،دوران شيرخوارگي (بقره/233)،نقش مرد در تعيين جنس جنين(نجم/46-45)، (قيامت /39-37) و(بقره/233) ،به كار افتادن حس

 

 شنوايي قبل از بينايي(نحل/78)، و.. .



نظرات علمي قرآن در مورد بهداشت ودانش پزشكي و حشره شناسي:
توجه به خوردن ميوه و مواد غذايي پروتئين دار(واقعه/21-20)و(طور/22)، اعجاز اثر انگشت(قيامت/4)،تسهيل درد زايمان(مريم/25)،شدت احساس درد توسط پوست(نساء/56)،درمان

 

 موضعي بسياري از بيماريهاي پوستي در سرما(ص/42)،اندوه ورابطه ي آن با كوري(يوسف/84)،اشاره به زخمهاي ناشي از عدم تحرك(كهف/18)، تأثير رواني رنگ سبز(رحمن/76) ،

 

 (انسان/21)و (كهف/31)،اشاره به بيماري پيري زودرس در كودكان(مزمل/17)، عدم شناخت روح ازنظر علمي(اسراء/85)، وضو وپاكيزگي قسمتهايي از بدن كه باميكروبها در تماس است

 

(مائده/6)،پرهيز از پرخوري(اعراف/31)،پرهيز از خوردن خون،مردار و گوشت خوك(بقره/173)،پاكيزگي لباس و پوشاك(مدثر/4)، غير بهداشتي بودن تماس جنسي در حالت قاعدگي

 

(بقره/222)، اشاره به بيماري فراموشي در پيري(نحل/70)،) خاصيت شفا بخشي عسل و گرد آوري شهد و ساختن عسل توسط زنبور ماده (نحل/69)،تناسب رنگ عسل با رنگ گلها

 

(نحل/69)، تنيدن تار توسط عنكبوت ماده(عنكبوت/41)،ارتباطات در ميان حشرات(نمل/18) ، تركيب آنزيم با غذا خارج از بدن مگس(حج/73) و ...



نظرات علمي قرآن در مورد فضا ومسافرت به فضا:
تفاوت ستاره و سياره (يونس/5)و (فرقان/61)، گردش خورشيد،ماه،زمين وسيارگان در مدارهاي مشخص(يس/40-38)،(انبياء/33) و(تكوير/16-15)، پيش بيني مسافرت به فضا و عبور از

 

 جو(رحمن/33)و(انعام/125)،سقوط سنگهاي آسماني (رحمن/35)،شهابها(جن/8)،فقدان اكسيژن و هوا در ارتفاعات بالاي جو(انعام/125)تسخير كره ي ماه و احتمالاً خورشيد

 

(ابراهيم/33)،مطالبي در مورد سياره ي زهره (طارق/3-1) وجود ساكنين ديگر در كرات آسماني(شوري/29) و ...

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:19  توسط زهرا عزیزی  | 

چگونه نسبیت وکوانتم بایکدیکرسازگار میشوند.دوست یا دشمن

چگونه نسبیت و کوانتوم سازگار می شوند؟

 

 

مقدمه

 

 نخست نسبیت خاص  در سال 1905 تنها در محدوده ی دستگاه های لخت بکار گرفته شد و در سال 1915 تحت عنوان نسبیت عام به دستگاه های شتابدار تسری یافت. مکانیک کوانتوم قدیم در سال 1900 با طرح کوانتومی بودن انرژی اظهار شد و در دهه ی 1920 سیر تکاملی خود را پیمود

 همواره این سئوال مطرح بود  که آیا این دو نظریه بزرگ را می توان با یکدیگر ترکیب کرد؟

دیراک توانست نسبیت خاص و مکانیک کوانتوم را بصورت مکانیک کوانتوم نسبیتی با هم ادغام کند. به دنبال آن سئوال این بود که چگونه می توان مکانیک کوانتوم و نسبیت عام را با هم ترکیب کرد؟

نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است
مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها (ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است
 

هاوکینگ می گوید " يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است

 

با آنکه نسبیت و مکانیک کوانوتم هر دو با در توجیه پدیده های حوزه ی خود، از توانایی خوبی برخوردارند، اما تسری برخی مفاهیم از مکانیک کلاسیک به فیزیک مدرن مانع از ترکیب این دو نظریه بزرگ هستند. بهمین دلیل نظریه سی. پی. اچ. تصریح می کند که  مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم و نسبیت را بایستی تواما و همزمان مورد بررسی مجدد قرار داد. علاوه بر آن چنین بررسی مجددی تا زمانیکه نظریه هیگز نیز مورد توجه قرار نگیرد راه به جایی نخواهد برد. بهمین دلیل باید از مشکلات مکانیک کلاسیک شروع کنیم و ببینیم که آیا این مشکلات در نسبیت و مکانیک کوانتوم بر طرف شده یا نه؟

 

مشكلات قوانين نيوتن

 

 هنگاميكه نيوتن قوانين حركت و قانون جهانی جاذبه را ارائه کرد، اين قوانين از نظر منطقي با اشكالات جدی همراه بود. قانون دوم نيوتن تا سرعتهای نامتناهي را پيشگویی مي کرد که با تجربه سازگار نیست. قانون دوم به صورت

 

F=ma       

 

ارائه شده است كه طبق آن نيروي وارد شده به جسم مي تواند تا بي نهايت سرعت آن افزايش دهد. اين امر با مشاهدات تجربي قابل تطبيق نيست. مشكل بعدی كنش از راه دور بود. يعني اثر نيروی جاذبه با سرعت نامتناهي منتقل مي شد. تاثير از راه دور همواره مورد انتقاد قرار قرار داشت.

اما مهمترين مشكل قوانين نيوتن در قانون جهاني جاذبه وی بود و خود نيوتن نيز متوجه آن شده بود.    

نيوتن دريافت كه بر اثر قانون جاذبه او، ستاركان بايد يكديگر را جذب كنند و بنابراين اصلاً به نظر نمي رسد كه ساكن باشند. نيوتن در سال 1692 طي نامه ای به ريچارد بنتلي نوشت "كه اكر تعداد ستارگان جهان بينهايت نباشد، و اين ستارگان در ناحيه ای از فضا پراكنده باشند، همگی به يكديگر برخورد خواهند کرد. اما اكر تعداد نامحدودی ستاره در فضای بيكران به طور كمابش يكسان پراكنده باشند، نقطه مركزی در كار نخواهد بود تا همه بسوی آن كشيده شوند و بنابراين جهان در هم نخواهد ريخت."

 اين برداشت نيز با یک اشكال اساسي مواجه شد. بنظر سيليجر طبق نظريه نيوتن تعداد خطوط نيرو كه از بينهايت آمده و به یک جسم مي رسد با جرم آن جسم متناسب است. حال اكر جهان نامتناهي باشد و همه ی اجسام با جسم مزبور در كنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بينهايت خواهد شد.

 مشكل بعدی قانون جاذبه نيوتن اين است كه طبق اين قانون یک جسم به طور نامحدود می تواند ساير اجسام را جذب کرده و رشد کند، يعني جرم یک جسم مي تواند تا بينهايت افزايش يابد. اين نيز با تجربه تطبيق نمي كند، زيرا وجود جسمي با جرم بينهايت مشاهده نشده است.

مشكل بعدی قوانين نيوتن در مورد دستكاه مرجع مطلق بود. همچنان كه مي دانيم حركت یک جسم نسبي است، وقتي سخن از جسم در حال حركت است، نخست بايد ديد نسبت به چه جسمي يا در واقع در کدام چارچوب در حركت است. دستگاه های مقايسه ای در فيزیک دارای اهميت بسياری هستند. قوانين نيوتن نسبت به دستگاه مطلق مطرح شده بود. يعني در جهان یک چارچوب مرجع مطلق وجود داشت که حركت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ی اجسام در اين چارچوب مطلق كه آن را "اتر" مي ناميدند در حركت بودند. يعني ناظر مي توانست از حركت نسبي دو جسم سخن صحبت كند يا  مي توانست حركت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد.

 براين اساس مايكلسون تصميم داشت سرعت زمين را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. مايكلسون یک دستگاه تداخل سنج اختراع کرد و در سال 1880 تلاش  کرد طي یک آزمايش سرعت مطلق زمين را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. نتيجه آزمايش منفي بود. (برای بحث كامل در اين مورد به كتابهای فيزيك بنيادی مراجعه كنيد.) با آنكه آزمايش بارها و بارها تكرار شد، اما نتيجه منفي بود. هرچند مايكلسون از اين آزمايش نتيجه ی مورد نظرش به دست نياورد، اما به خاطر اختراع دستگاه تداخل سنج خود، بعدها برنده جايزه نوبل شد.

نسبيت خاص

برای توجيه علت شكست آزمايش مايكلسون نظريه های بسياری ارائه شد تا سرانجام اينشتين در سال 1905 نسبيت خاص را مطرح كرد. نسبيت خاص شامل دو اصل زير است:

1- قوانين فيزیک در تمام دستگاه های لخت يكسان است و هيچ دستگاه مرجع مطلقي در جهان وجود ندارد.

2- سرعت نور در فضای تهي و در تمام دستگاه های لخت ثابت است.

در نسبيت سرعت نور، حد سرعت ها است، يعني هیچ جسمي نمي تواند با سرعت نور حرکت کند يا به آن برسد.

نتيجه اين بود كه قانون دوم نيوتن بايد تصحيح مي شد. طبق نسبيت جرم جسم تابع سرعت آن است، يعني با افزايش سرعت، جرم نيز افزايش مي يابد وهر جسمي كه بخواهد با سرعت نور حركت كند بايد دارای جرم بينهايت باشد. لذا قانون دوم نيوتن بصورت زير تصيح شد

F=dp/dt=d(mv)/dt=vdm/dt+mdv/dt

 

m=m0/(1-v^2/c^2)^1/2

 

بنابر اين جرم  تابع سرعت است و با افزايش سرعت، جرم نيز افزايش مي يابد. هنگاميكه سرعت جسم به سمت سرعت نور ميل كند، جرم به سمت بينهايت ميل خواهد كرد و عملاً هیچ نيرویی نمي تواند به آن شتاب دهد.

از طرف دیگر طبق نسبيت جرم و انرژی هم ارز هستند، يعني جرم جسم را مي توان بصورت محتوای انرژی آن مورد ارزيابي قرار داد. بنابراين انرژی دارای جرم است. اما در نسبيت نور از کوانتومهای انرژی تشكيل مي شود كه آن را فوتون مي نامند و با سرعت نور حركت مي کند. اين سئوال مطرح شد كه اكر انرژی دارای جرم است و فوتون نيز حامل انرژی است كه با سرعت نور حركت مي كند، پس چرا جرم آن بينهايت نيست؟

پاسخ نسبيت به اين سئوال اين بود كه جرم حالت سكون فوتون صفر است. در حاليكه رابطه ی جرم نسبيتي در مورد جرم حالت سكون غير صفر بر قرار است. لذا در نسبيت با دو نوع  ذرات سروكار داريم، ذراتي كه دارای جرم حالت سكون غير صفر هستند نظير الكترون وذراتي كه دارای جرم حالت سكون صفر هستند مانند فوتون. در نسبيت تنها ذراتي مي توانند با سرعت نور حركت کنند كه جرم حالت سكون آنها صفر باشد.

مشكل نسبيت خاص در اين است كه جرم نسبيتي آن (جرم بينهايت) مانند سرعت بينهايت در مكانيك كلاسيك با تجربه تطبيق نمي كند. يعني هیچ نمونه ی تجربي كه با جرم بينهايت نسبيت تطبيق كند وجود ندارد

علاوه بر آن در نسبيت و حتي در مكانيك كوانتوم توضيحي وجود ندارد كه نحوه ي توليد فوتون را با سرعت نور توضيح بدهد.  و چرا فوتون در حالت سكون يافت نمي شود. آيا فوتون از ذرات ديگری تشكيل شده است؟ اگر جواب منفي است اين سئوال مطرح مي شود كه فوتون های مختلف با یکديگر چه اختلافي دارند؟ در حاليكه همه ی فوتون ها با انرژی متفاوت با سرعت نور حرکت مي كنند. آزمايش نشان داده است كه فوتون در برخورد با ساير ذرات قسمتي از انرژی خود را از دست مي دهد. حال اين سئوال مطرح مي شود كه فرض كنيم فوتون شامل ذرات ديگری نيست، اين را بايد توضيح داد وقتي قسمتي از آن جدا مي شود و باز هم دارای همان خواص اوليه است ولي با انرژی کمتر؟ يعني فوتون قابل تقسيم است، هر ذره ي قابل تقسيمي بايد شامل زير ذره باشد.

واقعيت اين است كه فوتون در شرايط نور توليد مي شود و اجزای تشكيل دهنده آن نيز بايستي با همان سرعت نور حرکت کنند و حالت سكون فوتون يعني تجزيه ی آن به اجزای تشكيل دهنده اش

از طرفي مي دانيم جرم و انرژی هم ارز هستند، آيا اين منطقي است كه مي توان سرعت جرم را تغيير داد اما سرعت انرژی ثابت است؟

 

نسبيت عام:

 

نسبيت خاص دارای يك محدوديت اساسي بود. اين محدوديت ناشي از آن بود كه رويدادهاي فيزیکی را در دستگاه های لخت مورد بررسي قرار مي داد، در حاليكه در جهان واقعي دستگاه ها شتاب دار هستند. هرچند مي توان در بر رسي برخي رويداد ها به دستگاه های لخت بسنده كرد، اما اين دستگاه ها برای بررسي تمام رويدادها ناتوان هستند. 

اينشتين در سال 1915 نسبيت عام را ارائه کرد و نسبيت خاص به عنوان حالت خاصي از نسبيت عام در آمد.

نسبيت عام بر اساس اصل هم ارزی تدوين شد.

 

اصل هم ارزی:

  قوانين فيزیک در یک ميدان جاذبه يكنواخت و در یک دستگاه كه با شتاب ثابت حركت مي کند، يكسان هستند.

به عنوان: فرض کنيم یک دستگاه مقايسه ای با شتاب ثابت در حركت است. مشاهدات در اين دستگاه نظير مشاهدات در یک ميدان گرانشی يكنواخت است در صورتي كه شدت ميدان گرانشی برابر شتاب دستگاه باشد، يعني:

 

a=g

 

باشد، در اين صورت مشاهدات يكسان خواهد بود.

 

مهمترين دستاورد نسبيت عام توجيه مدار عطارد بود. بررسي هاي نجومي نشان داده بود كه نقطه حضيض عطارد جابه جا مي شود. بيش ار يكصد سال بود كه فيزيكدانان متوجه ان شده بودند، اما نمي توانستند با قوانين نيوتن توجيه كنند. اما نسبيت عام توانست أن را توجيه كند.

بنا بر نسبيت،  گرانش اثر هندسي جرم بر فضاي اطراف خود است. كه فضا-زمان ناميده مي شود. يعني جرم فضاي اطراف خود را خميده مي كند و مسير نور در اطراف آن خط مستقيم نيست، بلكه منحني است.

در سال 1919 انحنای فضا را اهنگام کسوب کامل خورشید با نوری که از طرف ستاره ی مورد نظری به سوی زمین در حرکت بود و از کنار خورشید می گذشت مورد تحقیق قرار دادند که با پیشگویی نسبیت تطبیق می کرد. این موفقیت بسیار بزرگی برای نسبیت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسی و خواص توپولوژیک فضا بررسی واقعیت های فیزیکی  را به حاشیه راند. مضافاً اینکه گرانش را از فهرست نیروهای اساسی طبیعت در فیزیک نظری حذف کرد.

مشکلات اساسی نسبیت را می توان به صورت زیر فهرست کرد:

 1- مشکل نسبیت با مکانیک کوانتوم- مکانیک کوانتوم ساختار ریز و کوانتومی کمیت ها و واکنش متقابل آنها را مورد بررسی قرار می دهد. به عبارت دیگر نگرش مکانیک کوانتوم بر مبنای کوانتومی شکل گرفته است. در این زمینه تا جایی پیش رفته که حتی اندازه حرکت و برخی دیگر از کمیتها را کوانتومی معرفی می کند. این نتایج بر مبنای یکسری شواهد تجربی مطرح شده و قابل پذیرش است. علاوه بر آن تلاشهای زیادی انجام می شود پدیده های بزرگ جهان را با قوانین شناخته شده در مکانیک کوانتوم توجیه کنند. حال به نسبیت توجه کنید که فضا-زمان را پیوسته در نظر می گیرد. بنابراین نسبیت با مکانیک کوانتوم ناسازگار است. تلاشهای زیادی انجام شده تا به طریقی یک همانگی منطقی و قابل قبول بین نسبیت و مکانیک کوانتوم ایحاد شود. در این مورد کارهای دیراک شایان توجه است که مکانیک کوانتوم نسبیتی را پایه گذاری کرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبیت عام موفقیت چندانی نصیب فیزیکدانان نشده است.

 

2- پیچیدگی و عدم وجود تفاهم در نسبیت- پیچیدگی نسبیت موجب شده که تفاهم منطقی بین فیزیکدانان در مورد نتایج و پیشگویی های نسبیت وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر نسبیت شدیداً قابل تفسیر است. این تفاسیرگاهی چنان متناقض هستند که حتی فیزیکدان بزرگی نظیر استفان هاوکینگ نظر خود را تغییر داد. البته این براداشتهای متفاوت از نسبیت ناشی از گذشت زمان نیست، بلکه از آغاز حتی برای خود اینشتین که نسبیت را مطرح کرد وجود داشت. به عنوان مثال: اینشتین از سال 1917 شروع به تدوین یک نظریه قابل تعمیم به عالم کرد. وی با مشکلات حل نشدنی ریاضی برخورد کرد. به همین دلیل در معادلات گرانش عبارت مشهور " پارامتر عالم " را وارد کرد. ملاحظات وی در این موضوع بر دو فرضیه مبتنی بود.

1- ماده دارای چگالی متوسطی در فضاست که در همه جا ثابت و مخالف صفر است.

2- بزرگی " شعاع " فضا به زمان بستگی ندارد.

 

در سال 1922 فریدمان نشان داد که اگر از فرضیه دوم چشم پوشی شود، می توان فرضیه اول را حفظ کرد بی آنکه در معادلات به پارامتر عالم نیازی باشد. فریدمان بر این اساس یک معادله ی دیفرانسیل به صورت زیر ارائه کرد:

 (dR/dt)^2 - C/R+K=0

 در واقع سالها قبل از کشف هابل در مورد انبساط فضا، فریدمان دقیقاً کشفیات او را پیش بینی کرده بود. معادله ی فریدمان معادله ی اصلی کیهان شناخت نیوتنی است و بدون تغییر در نظریه نسبیت عام نیز صادق است. اینشتین بر همه نتایج به دست آمده توسط فریدمان اعتراض کرد و مقاله ای نیز در این باب انتشار داد. سپس حقایق را در فرضیه فریدمان دید و با شجاعت کم نظیری طی نامه ای که برای سردبیر مجله آلمانی فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف کرد.

بیشتر مشکلات نسبیت ناشی از خواصی است که که به علت وجود ماده برای فضا قایل می شوند. که در آن هندسه جای فیزیک را می گیرد. زمانی پوانکاره گفته بود که اگر مشاهدات ما نشان دهد که فضا نااقلیدسی است، فیزیکدانان می توانند فضای اقلیدسی را قبول کرده و نیروهای جدیدی وارد نظریه های خود کنند. اما نسبیت چنین نکرد و ماهیت پدیده های فیزیکی را به دست فراموشی سپرد. هرچند پدیده های فیزیکی را بدون ابزار محاسباتی، اعم از جبری و هندسی نمی توان توجیه کرد، اما فیزیک نه هندسه است و نه جبر، فیزیک، فیزیک است وبس!!!

  3- مشکل گرانش نیوتنی در نسبیت همچنان باقی است- در نسبیت فضا-زمان دارای انحناست. هرچه ماده بیشتر و چگالتر باشد، انحنای فضا بیشتر است. سئوال این است که این انحنای فضا تا کجا می انجامد؟ در نسبیت انحنای فضا می تواند چنان تابیده شود که حجم به صفر برسد. برای آنکه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد که حجم به صفر برسد، باید جرم به سمت بی نهایت میل کند. یعنی نسبیت نتوانست مشکل قانون گرانش را در مورد تراکم ماده در فضا حل کند، علاوه بر آن بر مشکل افزود. زیرا قانون نیوتن می پذیرد که ماده تا بی نهایت می تواند متمرکز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نیست. اما نسبیت علاوه بر آن که می پذیرد ماده می تواند تا بی نهایت متراکم شود، پیشگویی می کند که حجم آن نیز به صفر می رسد.

 

چه باید کرد؟

لازم است قبل از ادامه ی بحث اشاره ی کوتاهی به هیگز داشته باشیم

  

بوزون هیگز 

 

در دهه های اخیر فیزیکدانان یک مدل تحت عنوان مدل استاندارد را ارائه کردند تا یک چوب بست نظری برای فهم ذرات بنیادی و نیروهای طبیعت فراهم  آورند. مهمترین ذره در این مدل، یک ذره ی فرضی موجود در همه ی میدانهای کوانتومی است که نشان می دهد سایر ذرات چگونه جرم به دست می آورند. در واقع این میدان پاسخ می دهد که همه ی ذرات در حالت کلی چگونه جرم به دست می آورند. این میدان، میدان هگز

Higgs field

خوانده می شود. نتیجه ی منطقی دوگانگی موج - ذره این است که همه ی میدانهای کوانتومی دارای یک ذره ی بنیادی باشند که با میدان در آمیخته است. این ذره که با همه ی میدانها در آمیخته و موجب کسب جرم توسط سایر ذرات می شود، هیگز بوزون

 

Higgs boson

نامیده می شود

 

راه حل

برای رسیدن به یک راه حل اساسی که بتواند مشکلات عمده ی فیزیک معاصر را بر طرف سازد، راه های مختلفی وجود که به نتایج متفاوت و گاهی ناسازگار می انجامد. نظریه های مختلفی که در این زمینه مطرح شده اند، بخوبی نشان می دهند که نگرش بانیان آنها بر اساس دو گانگی بین بوزونها و فرمیونها شکل گرفته است. سئوال اساسی این است که آیا حقیقتاً بوزون و فرمیون دو موجود کاملاً متفاوت از یکدیگرند؟ در نظریه ریسمانها، ریسمان به عنوان یک بسته فوق العاده کوچک انرژی تلقی می شود که با پیوستن آنها به یکدیگر و با ارتعاشات مختلف آنها سایر ذرات نمود پیدا می کنند. در نظریه هیگر بوزون به دنبال ذره ای هستند که موجب ایجاد یا افزایش جرم می شود. اگر این مسئله ی هیگز بوزون را با دقت بیشتری بررسی کنیم شاید بتوانیم به نتایج جالب توجه تری برسیم

اجازه بدهید تصورات خود را از بوزون و فرمیون یا به عبارت دیگر از جرم - انرژی و نیرو تغییر دهیم. در فیزیک مدرن جرم و انرژی دو تلقی مختلف از یک کمیت واحد هستند. جرم هر ذره را می توان با محتویات انرژی آن اندازه گرفت و همچنین انرژی یک ذره را می توان با جرم آن هم ارز دانست. لذا در فیزیک معاصر ما با دو کمیت بیشتر سروکار نداریم، انرژی و نیرو

اگر رابطه ی نیرو و انرژی را با دید متفاوتی مورد بحث قرار دهیم، می توانیم به نتایج جالب توجهی برسیم. نیرو به عنوان انرژی در واحد طول مطرح می شود که برای آن رابطهی زیر داده شده است

F=-dU/dx => du= - Fdx

حال ذره ای را در نظر بگیرید که انرژی آن در حال تغییر است. این تغییرات را از دو جهت می توان مورد توجه قرار داد. یکی از جهت افزایش و دیگری از جهت کاهش. از نظر افزایش نسبیت برای آن محدودیتی قائل نشده است و طبق رابطه ی جرم نسبیتی، جرم آن تا بینهایت قابل افزایش است. اما از جهت کاهش طبیعت خود برای آن محدودیت قائل شده و آن این است که ذره تمام انرژی خود یا به عبارت دیگر، جرم - انرژی خود را از دست بدهد

ذره ای را در نظر بگیرید که در یک میدان دارای شتاب منفی است. اگر فاصله به اندازه ی کافی بزرگ و میدان بسیار قوی باشد، آیا انرژی آن به صفر خواهد رسید؟ چنین آزمایشی برای اجسام مثلاً یک فطعه فلز چندان قابل تصور نیست، اما برای یک کوانتوم انرژی( فوتون) به خوبی قابل درک است. زیرا در نسبیت فوتون نمی تواند از یک سیاه چاله بگریزد. این پدیده را چگونه می توان توجیه کرد؟ یکبار دیگر به رابطه نیرو - انرژی بر گردیم

 

F=-dU/dx => du= - Fdx

در رابطه ی بالا انرزِ و فاصله تغییر می کنند، اما نیرو ثابت است. اگر نیرو یعنی

F

یک کمیت ثابت و تغییر ناپذیر است، چگونه می توان هگز بوزون را توجیه کرد؟ یعنی واقعاً این کاهش یا افزایش جرم چگونه امکان پذیر است. متاسفانه این دیدگاه از مکانیک کلاسیک به نسبیت تسری یافت و هیچگونه بخثی در این زمینه مطرح نشد. اگر بخواهیم با همان نگرش کلاسیکی مشکلات فیزیک و ناسازگاری نسبیت و مکانیک کوانتوم را بر طرف سازیم، راه به جایی نخواهیم برد، همچنانکه تا به حال این چنین بوده است

اشکال بعدی که مانع رسیدن به یک نتیجه ی قابل توجه می شود این است فیزیکدانان به مشکلات به گونه ای پراکنده برخورد می کنند. هیگز بوزون مسیر خود را می پیماید، مکانیک کوانتوم می خواهد مشکلات فیزیک را در چاچوب قوانین کوانتومی حل کند، و مهمتر از همه اینکه مکانیک کلاسیک تقریباً به فراموشی سپرده شده است. همه اینها هر کدام نگرشی خاص به جهان دارند و عمومیت ندارند. ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت زمانی امکان پذیر است که نگرش هیگز بوزون همراه با مکانیک کلاسیک نیز در این ترکیب منظور گردد

هر کدام از این تئوری ها قسمتی از قوانین حاکم بر طبیعت را نشان می دهند. اگر در یک نگرش همه جانبه این قسمتهای مختلف را که با تجربه تایید شده اند توام در نظر بگیریم می توانیم به یک فیزیک یا یک نظریه برای همه چیز برسیم

از کجا شروع کنیم؟

1

با روند تکامل نظریه ها پیش می رویم. نخست مکانیک کلاسیک را در نظر می گیریم و به مورد خاص آن قانون دوم نیوتن توجه می کنیم، این قانون را با جرم نسبیتی یعنی

m=m0/(1-v2/ c2)1/2   , E=mc2  

و نظریه هیگز بوزون می توان ترکیب کرد. اگر ذره/جسمی تحت تاثیر نیرو جرمش تغییر می کند، این تغییر جرم ناشی از این است که بوزون (نیرو) تبدیل به انرژی می شود. البته این روند جهت معکوس نیز دارد، یعنی در روند عکس با کاهش سرعت، انرژی به نیرو یا بوزون تبدیل می شود

2

در مورد قضیه کار انرژی

W=DE

برخوردی دوگانه وجود دارد. قسمت کار آن را با مکانیک کلاسیک مد نظر قرار می دهند و کار را کمیتی پیوسته در نظر می گیرند، در حالیکه با انرژی آن برخوردی کوانتومی دارند. در واقع بایستی هر دو طرف رابطه را با دید کوانتومی در نظر گرفت. در این مورد مثالهای زیادی می توان ارائه داد که با این برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. اگر این مورد را بکار بندیم مشکل ارتباط فرمیونها و بوزونها بر طرف خواهد شد

 3

اگر بپذیریم که کار کوانتومی است، الزاماً به این نتیجه خواهیم رسید که نیرو بطور کلی و از جمله گرانش نیز کوانتومی است. مفهوم صریح و در عین حال ساده آن این است که فضا - زمان کوانتومی است. با نگرش کوانتومی به گرانش یا به تعبیر نسبیت فضا - زمان، مکانیک کوانتوم و نسبیت با یکدیگر ترکیب خواهند شد. تنها موردی که در این جا باید متذکر شد این است که کوانتومی بودن فضا - زمان می تواند انحنای آن را نیز نتیجه دهد

 

 

 

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:17  توسط زهرا عزیزی  | 

نظریه ریسمان ورویای انیشتین

نظریه ریسمان و رویای اینیشتن

اتحاد در نظریه های گرانش و الکترومغناطیس، که یکی توسط نظریه نسبیت عام و دیگری نظریه ماکسول فرمولبندی شده است، رویای اینیشتن در اواخر زندگی اش بوده است . نظریه ریسمان کوششی دوباره برای تحقق بخشیدن به آرزوهای وی است. هر چند در بسیاری از جهات، نظریه ریسمان فراتر از رویای اینیشتن هم می رود .

تلاش نظریه ریسمان برای یکپارچه کردن تمام نیروهای شناخته شده طبیعت (نه فقط گرانش و الکترومغناطیس) است.این نظریه این کار را به نحوی انجام می دهد که با اصول کوانتم مکانیک در ابعاد کوچک، و با نیروی گرانش برای ابعاد بزرگ، سازگار باشد. قبل از پرداختن به نظریه ریسمان، نگاهی گذرا به ساختار اصلی مواد می اندازیم.

دنیای ذرات بنیادی

براساس دانسته های ما، هر چیزی که در اطرافمان وجود دارد، از تعدادی ذرات کوچکتر تشکیل شده است.  شکل 1، نمایی ساده از اطلاعات فعلی ما را راجع به ساختار مواد نشان می دهد:

  شکل‑1:نمایی ساده از دانسته های فعلی ما از اجزای تشکیل دهنده مواد

در ابتدایی ترین دیدگاه، هر ماده از تعدادی مولکول تشکیل شده است که ترکیب های مختلفی با هم دارند. می دانیم که هر مولکول هم از ذرات ریزتری به نام اتم ساخته شده است. همچنین در اوایل قرن بیستم هم کشف شد که اتم هم کوچکترین بخش ماده نیست بلکه از الکترون و هسته تشکیل شده است. هسته نیز به بخش های کوچکتری به نام های پروتون و نوترون تقسیم می شود. پروتونها و نوترونها هم به ذرات کوچکتری به نام کوارک تقسیم بندی می شوند. بر اساس دانش فعلی ما، الکترون و کوارک تقسیم ناپذیرند.

اطلاعات بالا یک شکل ظاهری در ذهن ما می سازد که هر ماده شامل سه  ذره  بنیادی است: الکترون، کوارک u، کوارک d.

البته می دانیم که این تصویر ظاهری ، از شکل کامل ذرات بنیادی فاصله دارد کوارک های u و d ، خود بر سه نوع هستند:  که معمولا به صورت نوع های قرمز ، آبی و سبز خوانده می شوند. هر چند باید بدانیم که رنگ هایی که در اینجا به عنوان عدد کوانتمی مطرح می شوند ، هیچ ربطی به رنگ های واقعی که در زندگی روزمره می بینیم ، ندارند . کوارک هایی که در داخل پروتون و نوترون هستند ، پیوسته رنگ خود را بر اثر فرآیند های بر هم کنش قوی ، عوض می کنند .

برای بهتر شناختن ساختار مواد، تنها این کافی نیست که ذرات بنیادی را بشناسیم، بلکه باید نیروهای موجود در طبیعت را هم بشناسیم. بدون این دانش ما نمی توانیم بفهمیم که چه نیرویی کوارکها را داخل پروتون ها یا نوترون ها و یا در معیار بزرگتر، اتمها را در داخل مولکولها نگه می دارد؟

بر اساس دانش های فعلی ما،  چهار نیرو بین ذرات بنیادی وجود دارد:1) گرانش، 2) الکترومغناطیس، 3) قوی هسته ای

4) ضعیف هسته ای. از بین این نیروها ، دو مورد اول تقریبا شناخته شده اند.  برای مثال گرانش زمین و حرکت سیارات به دور خورشید از اثرات نیروی جاذبه است. نیروی الکترومغناطیس سبب درخشش آسمان، وسایل مختلف الکتریکی و نیروی مغناطیس است. همچنین به سبب همین نیرو است که الکترون و هسته در داخل اتم محصورند و اتمها داخل مولکول ها. نیرویی که سبب محصور بودن کوارکها در داخل پروتون و نوترون است، نیروی قوی است. نیروی ضعیف مسئول مقید کردن هیچ کدام از ذرات نیست اما مسبب واپاشی پرتوزا که به فروپاشی  معروف است، شناخته می شود.

در مطالعه فیزیک ذرات بنیادی می توانیم از تاثیر نیرو های گرانش صرف نظر کنیم. چرا که در مقایسه با نیروی الکترومغناطیس بسیار ناچیز است. نسبت آنها به این صورت محاسبه می شود:

نيروي گرانش

 


نيروي الكترومغناطيس

 

 

راجع به ذرات بنیادی و نیروهایی که بین آنها اثر می کند، صحبت کردیم. اکنون با کمک نظریه کوانتوم می توانیم توصیف جامعی از این ذرات و نیروها بدست آوریم. برای مثال می دانیم که نیروی الکترومغناطیس بین دو الکترون باعث منحرف شدن آنها از مسیرشان می شود. این در شکل 2 نشان داده شده است. اما در نظریه كوانتم این پدیده را می توان به گونه ای دیگر بیان کرد، طبق این نظریه ، علت منحرف شدن الکترون ها هنگامی که از کنار هم عبور می کنند. تبادل کردن ذره جدیدی بنام فوتون است.(شکل 3) فوتون این قابلیت را دارد که مقداری انرژی و تکانه از اولین الکترون به دومی منتقل کند. که به این علت ، الکترونها منحرف می شوند . ما در اینجا به فوتون، " ذره واسطه "[1] در نیرو های الکترومغناطیس می گوییم. بنابراین در زبان نظریه مکانیک ما می توانیم یک نیرو را بوسیله ذراتی که واسطه هستند، مشخص کنیم.

       

 از اینجا می توان نتیجه گرفت که نیروی قوی، به وسیله هشت ذره واسطه که به آنها،" گلئون " [2] گفته می شود، شناسایی می شود.  این ذرات خنثی هستند.کوارک هایی که داخل پروتون و نوترون هستند، همواره در حال تبادل گلئون هستند و از این طریق رنگ کوانتومی آنها مدام تغییر می کند.از طرف دیگر، نیروی ضعیف توسط سه ذره واسطه بنام های  ، Z  شناسایی می شوند.  بار 1+ و 1- دارندو Z خنثی است. پس در اینجا باید گلوئون ها، ، Z و همچنین فوتون را به لیست ذرات بنیادی اضافه کنیم.

نظریه های تحلیلی نشان می دهند که برای هر ذره بنیادی ، باید یک  " پاد ذره " [3] وجود داشته باشد که دقیقا همان مقدار بار را با علامت " – " حمل کند. برای هر کوارک و الکترون هم ذرات قرینه ای به نام های پاد کوارک و پاد الکترون (پوزیترون) داریم. خوشبختانه،  چون گلئون ها و فوتون ها و zها، ذراتی خنثی هستند. خودشان پاد ذره خودشان هستند +w هم پاد ذره  -w است و بر عکس. بنابراین نیازی نیست که پاد ذره این مواد به لیست ذرات بنیادی اضافه شوند.  هر چند باید بدانیم که علاوه بر تمام ذرات و پادذرات فوق، ذرات بنیادی دیگری نیز وجود دارند و توسط پرتوهای کیهانی، واپاشی پرتوزا و ... بوجود می آیند و باید به این لیست اضافه گردند. لیست فعلی ما شامل 100 نوع ذره بنیادی است. یک نظریه ساده ریاضی برای توضیح تمام خواص ذرات بنیادی وجود دارد. در حقیقت این نظریه چندان موفق بوده که به "مدل استاندارد" معروف شده است. در زیر راجع به این مدل بحث می کنیم:

مدل استاندارد

در این بخش برخی از خواص پایه ای مدل استاندارد را توضیح خواهیم داد سه ورودی مهم این نظریه عبارتند از:

مکانیک کوانتمی –تئوری نسبیت خاص – قوانین الکترومغناطیس و تعمیم آن به نیرو های قوی و ضعیف.

یک چارچوب ریاضی که به نظریه پيمانه اي[4] معروف است ،وجود دارد که سه مطلب فوق را در بر می گیرد (در فیزیک نظریه پیمانه ای، یک دسته از تئوری ها وجود دارد که مبتنی بر این ایده است که تبدیلات متقارن می توانند به صورت تقارن موضعی یا تقارن سراسری انجام گیرند ) یکی از شکل های تعریف این تئوری ، تئوری ذرات بنیادی را توضیح می دهد که در اینجا راجع به آن بحث نخواهیم کرد . این تئوری خاص به نام مدل استاندارد شناخته می شود .

این نظریه قادر است خروجی هر حالت ممکن در آزمایشات مربوط به ذرات بنیادی را پیشگویی کند. برای مثال مدل استاندارد به ما می گوید که دقیقا چه نوع ذرات بنیادی در دنیای ما وجود دارند . مطابق این مدل، ذرات بنیادی دنیای ما به چهار گروه تقسیم می شوند.

1-کوارک های ₁u ،₂u ، ₃u ،₁d ،₂d ، ₃d،₁c،₂c، ₃c،₁s،₂s، ₃s،₁t، ₂t، ₃t، ₁b، ₂b، ₃b:

در این لیست کوارک های u وd هر کدام در سه رنگ متفاوت هستند. در واقع طبیعت  نوع دیگری کوارک علاوه بر کوارک های u و d را دارد که این کوارک ها عبارتند از : (charm)c ، (strange)s ، (top)t ، (bottom)b که هر کدام از این کوارک ها نیز سه رنگ متفاوت دارند . این چها نوع کوارک معمولا در مواد یافت نمی شوند ولی می توانند در واکنش های شدیدی تولید شوند از این شش نوع کوارک ، u ،c ،t   ،  واحد بار الکتریکی دارند و d ، s ،b ،– ،  بار الکتریکی دارند . به ازای هر کوارک، یک پاد کوارک نیز وجود دارد .

 

2-  لپتون ها :

                                                                     

در این لیست الکترون ها را با بار منفی مشاهده می کنیم  که این علامت منفی  به خاطر این است که الکترون منهای یک واحد بار الکتریکی حمل می کند . یعنی باری معادل ولی عکس علامت بار پروتون . ، که با نام الکترو نوترینو شناخته می شود یک ذره بدون بار است که در واکنش ها به صورت  خیلی ضعیف شرکت می کند . این واکنش ها آنقدر ضعیف هستند که اگر یک نوترینو از سطح زمین رد شود ، تقریبا هیچ نیرویی به آن وارد نمی شود

اگر چه میون بسیار سنگین تر از الکترون است  با این حال جفت ذره -μ و خواص مشابه جفت ذره و  دارند.. به همین ترتیب و خواصی مشابه و دارند با این تفاوت که ذره حتی سنگینتر از ذره میون است . به ازای هر لپتون یک پاد-لپتون نیز وجود دارد . به عنوان مثال الکترون پاد ذره ای  به نام پوزیترون دارد که به صورت نمایش داده می شود .

3-بوزون ها : فوتون های  ،  ،  ، . این ها ذرات واسطی هستند که قبلا راجع به آنان بحث شد همانطور هم که قبلا اشاره شد این لیست پاد ذراتی ندارند.

 

4- ذره هیگزφ: این ذره مرموزترین ذره مدل استاندارد است . برخلاف تمام ذرات دیگر در لیست بالا که به صورت آزمایش مشاهده گردیده اند،ذره هیگز تا به حال در هیچ آزمایشی به رغم ترتیب دادن آزمایش های فراوان دیده نشده است.با این حال ، وجود این ذره توسط مدل استاندارد پیش بینی شده است و آزمایشات جدیدی برای مشاهده این ذره در حال طراحی است .

مدل استاندارد علاوه بر اینکه لیستی از ذرات بنیادی به ما می دهد ، فرآیند های مربوط به ذرات فوق را هم به طور کامل توضیح می دهد. برای مثال به جای توصیف نیروی الکترومغناطیس بین دو الکترون، فرآیندی را که در شکل 3 نشان داده شده، بیان می کند. این مسئله در  چارچوب ریاضی که در پس مدل استاندارد نهفته است ، نتیجه می شود . همین چارچوب ریاضی به ما می گوید که اگر یک الکترون با یک الکترو نوترینو جایگزین شود، آنگاه این فرآیند طبق مدل استاندارد قادر به رخ دادن نیست . بنابر این یک نوترینو نمی تواند با هیچ ذره ای فوتون تبادل کند شکل روبرو مثالی دیگر از فرآیندی را نشان می دهد که در مدل استاندارد قابل تحقق است این شکل نشان می دهد که یک کوارک می تواند طبق فرآیند واپاشی به یک الکترو نوترینو و یک پوزیترون و یک کوارک  تبدیل گردد.

 

شکل4: فرآیند پیش بینی شده توسط مدل استاندارد

در واقع مدل استاندارد نه تنها مشخص می کند که چه فرآیند هایی قابل تحقق هستند ، بلکه فرمول های  ریاضی  دقیقی را برای محاسبه احتمال وقوع هر فرآیند ارائه می دهد. این پیش بینی سپس با اطلاعات آزمایشگاهی مقایسه می گردد و به این ترتیب می توان دادهای حاصل از مدل استاندارد را تست کرد.

با توجه به موفقیت های زیاد مدل استاندارد، ممکن است به نظر برسد که ما مدل کاملی برای فهم ذرات بنیادی مواد در اختیار داریم که این مطلب متاسفانه درست نمی باشد . دلایل زیادی وجود دارند که مدل استاندارد نمی تواند نظریه کاملی برای ذرات بنیادی باشد که بعضی از دلایل  را در زیر ذکر می کنیم:

اولین و مهمترین دلیل این است که مدل استاندارد توضیحی برای علت یکی از نیرو های مهم طبیعت به نام نیروی گرانش ندارد . مخصوصا در لیست ذرات بنیادی که توسط مدل استاندارد  ارائه شده است هیچ ذره ای وجود ندارد که در خود نیروی گرانش داشته باشد . تاثیر این ذره  در هیچ یک از آزمایشاتی که برای ذرات بنیادی ترتیب داده شده ، دیده نشده است . که علت آن،این است که نیروی جاذبه بین دو ذره بنیادی به مراتب  کوچکتر است از هر نیروی کوچکی که بین این دو ذره وجود دارد . با این حال ، یک نظریه کامل باید هر اثر کوچک و جزیی را نیز که در طبعیت وجود دارد ، در بر بگیرد . نظریه ای که نتواند توضیحی برای وجود نیروی جاذبه بدهد ، نظریه کاملی نیست .

بیایید ابتدا بررسی کنیم که راجع به گرانش چه می دانیم؟ نظریه فعلی که ما راجع به نیروی گرانش داریم، بر پایه نسبیت عام(که 100 سال پیش توسط انیشتین نوشته شد) استوار است. این نظریه برای توصیف نیروهای مربوط به جاذبه بسیار موفق بوده است. اما متاسفانه این نظریه بر پایه قوانین مکانیک کلاسیک نوشته شده و نه مکانیک کوانتومی. از آنجا که سایر نیروهای طبیعت همه از قوانین کوانتوم پیروی می کنند، نظریه گرانش هم ناید از این موضوع مستثنی باشد.بنابراین نظریه نسبیت عام با وجود موفقیت فراوان، نمی تواند پایان داستان جاذبه باشد. علت موفقیت این نظریه این است که در مورد نظریه جاذبه، اختاف مکانیک کلاسیک و کوانتوم، بسیار جزئی است و در آزمایشات فعلی مشاهده نشده است.

با این وجود بهتر است که ابتدا یک نظریه کوانتومی برای جاذبه پیدا کنیم و سپس آنرا با مدل استاندارد تلفیق کنیم تا بتوانیم نظریه کاملی از تمام ذرات بنیادی و نیروهای بینشان پیدا کنیم. در ابتدا به نظر می رسد که این کار ناممکنی نیست. چرا که نظریه کوانتوم هم با نوشتن نظریه کلاسیک شروع شد و بعد قوانینی به آن اضافه شد تا تبدیل به نظریه کوانتو مکانیک فعلی شد. بنابراین باید بتوانیم این کار را با نسبیت عام هم انجام دهیم. اگر این کار را انجام دهیم در ابتدا به نتایج موفقی می ریم. مانند نیروهای دیگر ، جاذبه هم یک ذره بنیادی واسطه دارد که به آن "ذره جاذب"[5]  گویند. مانند شکل 3، می توانیم شکلی داشته باشیم که در آن 2 الکترون تبادل ذره جاذب می کنند. اما به زودی به مشکل بزرگی برخورد خواهیم کرد. برای پی بردن به ریشه این مشکل به شکل 5 توجه کنید.

در مدل استاندارد قوانین ریاضیی وجود دارد که در آن بتوان دامنه احتمال این فرایند را در نظریه کوانتومی نسبیت عام محاسبه کرد. اگر این محاسبه را انجام دهیم به این جواب می رسیم که دامنه احتمال بینهایت می شود! این جواب کاملا خلاف انتظارات ماست. زیرا ما انتظار داریم که این احتمال بسیا کوچک شود. چرا که تا به حال درهیچ یک از آزمایشاتی که انجام شده، اثر نیروی جاذبه مشاهده نشده است. بنابر این باید اشکالی در این نظریه وجود داشته باشد.

دوباره به شکل 5 برمی گردیم. در جایی که سه خط به هم میرسند،"بردار برهم کنش" گویند. متلا در این شکل 4 بردار بر هم کنش وجود دارند. این ها نقاطی هستند که اتفاقاتی در آنها رخ می دهد. ما می توانیم این نقاط را دلیل اصلی بر هم زدن این فرآیند معرفی کنیم. هر کدام از این اتفاق ها، در یک مکان مشخص و یک زمان مشخص رخ می دهند و به جای محاسبه دامنه احتمال کل فرآیند، ما باید روی این نقاط انتگرال مکان و زمان بگیریم. پس از انجام محاسبات با استفاده از قوانین مکانیک کوانتومی، تابع زیر انتگرال واگرا می شود وقتی که بیش از دو اتفاق بنیادی در یک مکان و در یک زمان رخ دهد. در پایان این تجزیه و تحلیل پیچیده به این نتیجه می رسیم که هرچند مدل استاندارد قادر به فرمولبندی موفقی در مورد نظریه های کوانتومی الکترومغناطیس، قوی و ضعیف است اما برای جاذبه کار نمی کند. بنابراین نمی توان جاذبه را در مدل استاندارد جا داد.

علاوه برمشکل عدم وجود جاذبه ، مدل استاندارد مشکلات تکنیکی و مفهومی نیز دارد . اگر چه مدل استاندارد در صورت فرموله شدن می تواند نتیجه اغلب آزمایشاتی که شامل ذرات بنیادی هستند را پیش بینی کند . اما فرموله کردن این مدل خود نیاز به داده های ورودی زیادی از آزمایشات دارد. به عنوان مثال ، نظریه پیمانه های مقدری وجود دارند که با پارامتر های متعدد می توانند مدلی ارائه دهند و مدل استاندارد یکی از این مدل ها است که انتخاب های خاصی برای این پارامتر ها در نظر گرفته است اما هیچ توضیحی در این مدل وجود ندارد که چرا این نظریه پیمانه ای خاص می تواند جهان ما را توضیح دهد . به علاوه انتخاب پارامترها در این تئوری مستلزم بررسی و تنظیم دقیق می باشد . این مطلب تاییدی بر این حقیقت است که تمام پیش بینی های مدل استاندارد درست نیستند . مثلا بر طبق مدل استاندارد نوترینوها جرم صفر دارند اما آزمایشات اخیر نشان داده است که نوترینوها جرم بسیار کوچک و متناهی دارند.

مطالب فوق دلایلی است که چرا ما اعتقاد داریم که مدل استاندارد انتهای داستان برای ذرات بنیادی نمی باشد و در ادامه تلاش می شود تا ببینیم که چگونه نظریه ریسمان در صدد رفع کردن مشکلات مدل استاندارد برآمده است .     

 

 

 

نظریه ریسمان

ایده اصلی نظریه ریسمان ساده است، طبق این نظریه اجزای تشکیل دهنده مواد ، ذرات نقطه ای نیستند، بلکه این ذرات دارای یک بعد هستند این ذرات یک بعدی که به ریسمان های بنیادی معروفند ، براساس مد های مختلفی که می توانند ارتعاش کنند به گروه های مختلف تقسیم بندی می شوند. در اصل ارتعاشات مختلف آنها است که "ذرات" بنیادی متفاوتی را ایجاد می کند. در نظریه های  ریسمان به جای داشتن انواع مختلف ذرات بنیادی ، فقط یک نوع ریسمان بنیادی داریم که ساختمان مواد را تشکیل می دهد. . اشکال زیر بعضی از حالتهای ارتعاش ریسمان ها را نشان می دهند . طبق این شکل ها، ریسمان ها دو نوع ارتعاش دارند ، ریسمان های بسته که مرزی ندارند و ریسمان های باز که  نقطه شروع و انتها دارند که نماینده مرز مشخص آنهاست

شکل5:ارتعاش ریسمان های باز و بسته

از آنجا که نظریه ریسمان قرار است توصیف کننده جهان ما باشد، طبیعی است که هم باید  قوانین کوانتم مکانیک و هم قوانین نسبیت خاص راشامل شود. تنها راهی که می توانیم برای کنار هم گذاشتن این دو نظریه مجسم کنیم ، این است که فرمولبندی نظریه ریسمان به طور عادی ،و در سه بعد نباشد . بلکه در یک فضای نه بعدی فرمولبندی شود.در این فضای نه بعدی ، پنج نوع  نظریه ریسمان قابل فرمولبندی است که این پنج دسته (  ( وجه تمایزشان در نوع ارتعاشات مختلفشان است ، در نتیجه ، در هر دسته از این نظریات، یک ریسمان،حالتهای ارتعاشی متفاوتی  دارد که حالتهای متفاوت ارتعاش در طیف ذرات بنیادی هر کدام از این نظریات قابل شهود است.

نه بعد بودن فضا به ظاهر مشکلات جدی برای ما بوجود می آورد ، اما به زودی نشان خواهیم داد که این مشکل بسیار ساده حل می شود. فعلا این مشکل را رها میکنیم و نکات مثبت این نظریه را بیان می کنیم: اول از همه اینکه می توان ثابت کرد که یکی از حالتهای ارتعاشی ریسمان خصلتهایی برابر ذره جاذب (واسطه نیروی گرانش) دارد.

یکی از نکات مثبت نظریه ریسمان این است که ما در محاسباتمان با مشکلی تحت عنوان  "بی کرانی یا بی پایانی " مواجه نمی شویم . در نظریه ریسمان می توانیم مقدار متناهی برای نظریه کوانتومی گرانشی بدست آوریم. برای اینکه بدانیم چرا دامنه احتمالی که در نظریه ریسمان محاسبه می شود، کراندار است ، به شکل 1 توجه می کنیم . این شکل روند پراکنده شدن دو ریسمان را نشان می دهد. درست مثل زمانی که در ذرات نقطه ای کار می کردیم ،محاسبات مشخصی برای محاصبه دامنه احتمالی این روند وجود دارد . اما

شکل6:روند پرآکنده شدن دو ریسمان از هم

این نکته قابل توجه این است که در این شکل هیچ نقطه ای وجود ندارد که اتفاق خاصی (مثل شکستن یک ریسمان به دو ریسمان )افتاده باشد. این نمودار در همه جا هموار است، پس ما بحث واگرایی (را که در نظریه ذرات نقطه ای داشتیم) در اینجا نداریم . این دلیل کاملا شهودی برای محدود بودن دامنه ریسمان هاست . در اینجا باید یاد آوری کنیم که ذره جاذب تنها یکی از حالتهای ارتعاشی فراوانی است که ریسمانهای بنیادی دارند.

قوانین مکانیک کوانتم به ما می گوید که یک ریسمان بنیادی ، تعدادی محدودی حالت ارتعاشی دارد . از آنجایی که هر یک از حالتهای ارتعاشی مثل یک نوع از ذرات بنیادی رفتار می کنند ، پس به نظر می رسد که تعدادحالات ارتعاشی هم باید محدود باشد.

حال به این مشکل بر می گردیم که چگونه نظریه ریسمان نه بعدی قرار است دنیای سه بعدی اطراف ما را توصیف کند؟!جواب این سوال روشی است که به فرآیند " متراکم سازی "[6] معروف است . پیشگامان این نظر دو نفر به نام های  "کالوزاگ "[7] و "کلین" [8] در نیمه اول قرن بیستم هستند . ما ایده اصلی این نظر را با یک مثال ساده بیان می کنیم .

 ما در ابتدا برای توصیف دنیای سه بعدی اطرافمان از یک مختصات دو بعدی شروع کردیم مثلا برای توصیف سطح یک استوانه با شعاع R شکل روبرو را در دو بعد رسم کردیم :

اگر ما به صورت عمود بر صفحه حرکت کنیم ، بعد از طی مسافت مشخصی که همان  است ، باید یک دور کل محیط را طی کنیم و به نقطه اولیه برگردیم . ما به اینگونه مسیرها که بعد از طی مقدار مشخصی به مکان اولیه شان باز می گردند "متراکم" [9] می گوییم و به مسیری که اینگونه نباشد و به مکان اولیه اش باز نگردد،  "غیر متراکم "  می گوییم.

شکل7:فضای دو بعدی با یک پایه متراکم

به وضوح می بینیم که اگر R، به قدری بزرگ باشد که توسط قویترین تلسکوپ ها هم قابل اندازه گیری نباشد آنگاه مختصات دو بعدی ما به نظر نامحدود خواهند آمد و ما هرگز نخواهیم دانست که این مختصات متراکم بوده است .

حال اگر R یک مقدار مشاهده پذیر باشد و ما ناظری را بر روی خود دستگاه مختصات دو بعدی فرض کنیم ناظر تصاویر نامتناهی از اجسامی را می بیند که به فاصله  از یکدیگر قرار گرفته اند و این طرز مشاهده به این دلیل است که نور از طرق مختلفی می تواند به چشم این ناظر برسد یک روش مستقیم است و دیگری اینکه یکبار به دور استوانه بچرخد و به چشم ناظر برسد، دو بار دور استوانه بچرخد و.... . این طرز مشاهده برای ما که ناظر خارجی هستیم عجیب است اما این دقیقا آن چیزی است کهناظر مشاهده می کند.

اکنون حالتی را در نظر می گیریم که  R بسیار کوچک باشد ، مثلا اگر  ما یک فضای یک بعدی خواهیم داشت. پس در حقیقت اگر R را تا اندازه ای که کوچک کنیم که توسط قوی ترین میکروسکوپ ها هم قابل اندازه گیری نباشد ، آنگاه ناظری که درون آن دستگاه است فکر میکند که در دنیای تک بعدی زندگی می کند و هرگز نخواهد دانست که دنیایش دو بعدی است .

این مثال می تواند بیان کند که  "وجود دارد جهانی که تعداد مشخصی بعد فضایی دارد اما به صورت یک دنیا با تعداد کمتری بعد ، ظاهر می شود . "

این موضوع را می توان تعمیم داد تا در دنیای نه بعدی که توسط نظریه ریسمان ایجاد می شود هم صدق کند. به این معنی که شش بعد از این نه بعد را مقدار کوچک  در نظر می گیریم . اگر  به قدر کافی کوچک باشد این دنیای نه بعدی به صورت سه بعد ظاهر خواهد شد.

بنابراین نظریه ای که در سه بعد توصیف شود بسیار نزدیک به دنیایی که در اطرافمان است خواهد بود مخصوصا وقتی ما حالتهای ارتعاشی ریسمانها را مورد آزمایش قرار می دهیم نه تنها جاذبه  bosons gauge ( نوعی ذرات که واسط نیرو های قوی ، ضعیف و الکترومغناطیس هستند )

بعضی دیگر از حالتهای ارتعاشی هم رفتار هایی شبیه کوارک ها و... دارند . بنابر آنچه گفته شد نظریه ریسمان دارای این قابلیت است که یک نظریه یکپارچه از ذرات بنیادی و نیروهایی که بین آنها است را ارائه دهد .

در اینجا خاطر نشان می کنیم که در نظریه ریسمان ، کوانتم مکانیک و نسبیت خاص ، ورودی های اصلی هستند اما سایر نظریه ها مانند نسبیت عام از نظریه ریسمان نتیجه می شود . مسلما در این مرحله با مشکلات زیادی مواجه هستیم. اول از همه اینکه هر چند به صورت تئوری می دانیم که بسیاری از ریسمانها متراکم سازی شده برای توصیف دنیای ما متناسبند اما تا به حال هیچ متراکم سازی شناخته شده ای برای توصیف دقیق دنیایی که در آن هستیم ، نیافته ایم . نظریه پردازان ریسمان در تلاشند که این ریسمانهای متراکم شده را طوری پیدا کنند که نظریه ریسمان ، آن نظریه ای شود که دنیای اطراف ما را تحت نفوذ دارد.

دومین مشکل این است که ما از کجا باید بدانیم که برای توصیف اطرافمان از کدام یک از پنج نظریه ریسمان استفاده کنیم .اگر ما به دنبال نظریه ای برای توصیف دنیا هستیم آیا بهتر نیست که فقط یک نظریه مشخص وجود داشته باشد ، تا پنج نظریه نا مشخص ؟در آخر حتی اگر راهی پیدا شود که بتوانیم از طریق آن تشخیص دهیم که کدام یک از این پنج تئوری را استفاده کنیم ، باز مشکلات دیگری نیز باقی می ماند از آن جمله این که انتخاب های بسیار متنوعی برای شش بعد دیگر فضا وجود دارد و ما باز با این مشکل مواجه می شویم که چه راهی را باید برای فضای متراکممان برگزینیم....

همزادی،نظریه –ام،کیهان کنونی

در بخش قبل درباره نقش ریسمان های بنیادی ، بحث کردیم .هر چند آنها تنها موجودات ممکن در نظریه ریسمان نیستند.نظریه ریسمان شامل انواع  دیگری از اجسام هم می شود که از دو یا بیش از دو ریسمان بنیادی تشکیل شده باشند که ما این اجسام را مواد مرکب می خوانیم .

  در ابتدای مطالعه ساختمان بنیادی مواد ، همواره باید بین یک ذره بنیادی و یک ماده مرکب تمایز قایل شویم . برای مثال در مدل استاندارد، کوارک ها ذرات بنیادی هستند. در حالیکه  پروتون ها و نوترون ها موادی مرکب هستند که از کوارک ها ساخته شده اند .مدل استاندارد، خواص گوناگون کوارک ها و سایر ذرات بنیادی را برای  ما پیش بینی می کند . خواص پروتون ها ، نوترون ها و سایر مواد مرکب می تواند از خواص مواد سازنده اش نتیجه شود. اصولا در این مدل ، ذرات بنیادی از یک امتیاز ویژه برخوردارند .

فرمولبندی اولیه نظریه ریسمان نیز بر پایه این قانون استوار بود . با این تفاوت که نقش ذرات بنیادی را در اینجا ریسمانهای بنیادی ایفا می کنند و حالتهای مختلف نوسانی ریسمان های  بنیادین به صورت ذرات بنیادی گوناگون جلوه می کنند . تمام موادی که از بیش از یک ریسمان بنیادی ساخته شده باشند، مواد مرکبی هستند که خواص آنها از خواص ریسمانهای بنیادی نتیجه می شود . این تصور که ذرات بنیادی امتیازات مخصوصی دارند پس از کشف همزادی در نظریه ریسمان تعدیل شد . در زیر به این کشف اشاره می کنیم.

در اواسط دهه نود، عده ای به این نتیجه رسیدند که گاهی اوقات نظریاتی که کاملا متفاوت به نظر می رسند، در اصل یک پدیده را توصیف می کنند . به عبارت دیگر ، یک نظریه فیزیکی ممکن است توصیفات مختلفی داشته باشد. مانند تفاوت فشرده سازی ( متراکم سازی)در نظریه ریسمان های مختلف.  تقارنی که دو تئوری کاملا  متفاوت را به هم مربوط می سازد، تقارن همزاد نام دارد . هر چند این نام گذاری ، بی ....مسما! ...است ! زیرا گاهی اوقات ممکن است بیش از دو توصیف برای یک نظریه و جود داشته باشد.

یکی از نکات بسیار جالب این تقارن این است که یک ذره ممکن است در یک تئوری خاص، یک ذره بنیادی باشد و در  توصیف همزادی  یک ماده مرکب باشد. هر چند که بنیادی بودن یا مرکب بودن یک ذره جزء خواص طبیعی آن ذره محسوب نمی شود اما بسته به اینکه چه توصیف متفاوتی در نظریه ریسمان را مطالعه کنیم، ممکن است متفاوت باشد.

یک جنبه دیگر این تقارن این است که  ثابت جفت شدگی در یک نظریه (پارامتری که قدرت نیروهای مختلف بین ذرات بنیادی را تعیین می کند) با ثابت جفت شدگی در یک نظریه همزاد دیگر، رابطه ای نسبتا پیچیده دارد.بنابراین گاهی مشاهده می شود که یک نظریه جفت شده ضعیف ( نظریه ای با ثابت جفت شدگی کم )با همزادی، به نظریه با مقدار بالاتری از ثابت جفت شدگی ارتقاء  می یابد .با توجه به این که محاسبات اغلب در نظریه ای که ثابت جفت شدگی آن کوچک باشد، آسانتر است، معمولا می توان بوسیله همزادی محاسبات پیچیده یک نظریه را به محاسبات ساده تر نظریه همزاد تقلیل داد.

این موضوع را با چند مثال روشنتر می کنیم . ابتدا با مثالی از همزادی که تمام نظریه های  9بعدی غیر متراکم را شامل می شود ، آغاز می کنیم . در بخش قبل ، پنج نظریه متفاوت سازگار با نظریه های  ریسمان را معرفی کردیم . می توان ثابت کرد که نوع  نظریه ریسمان و هیتروتیک so(32) ، همزاد یکدیگر هستند . ایندو در ابتدا به نظر متفاوت می رسند زیرا مجموعه ای از ذرات بنیادین که از ریسمان بنیادین بدست می آیند در دو نظریه تقریبا متفاوت است هر چند اگر تمام ذرات (بنیادی و مرکب ) را در این دو نظریه در نظر بگیریم ، به این نتیجه می رسیم که هر دو مجموعه مشابه اند . ثابت جفت شدگی در نظریه ریسمان هیتروتیک برابر با عکس ثابت جفت شدگی در نظریه ریسمان نوع 1 است . بنابراین وقتی در نظریه ریسمان هیتروتیک ثابت جفت شدگی کم است ، در نوع 1 این نظریه جفت شدگی بسیار قوی است .

مثال دیگری از همزادی ، شامل نظریه هایی ریسمان با 5 بعد غیر متراکم است . ما یکی از دو نظریه ریسمان هیتروتیک را در نظر می گیریم و 4 جهت فضایی را متراکم فرض می کنیم. این فضای چهار بعدی را با نماد  نمایش می دهیم از طرف دیگر ، نوع  a!! نظریه ریسمان را با 4 جهت فضایی متراکم در نظر می گیریم . این بار فضای 4 بعدی پیچیده تری توصیف می شود که آنرا با k3نمایش می دهیم . می توان ثابت کرد که این دو نظریه ریسمان هم ،همزاد هستند در شرایط خاص ، یک فشرده سازی خاص از نظریه ریسمان می تواند با یک تقارن همزادی به خودش مربوط شود . در این شرایط ، تقارن همزادی ،ذرات بنیادی و مواد مرکب را به همان نظریه مرتبط می کند . به این نظریه ها (self-doul)  می گوییم . برای مثال نوع b2 ! نظریه ریسمان ، یک نظریه self-doul است.

با توجه به همزادی های شناخته شده بین فشرده سازی های متفاوت می توان استنتاج کرد که پنج نظریه ریسمان موجود بی ارتباط با هم نیستند و با نوعی روابط همزادی به هم مربوط می شوند و در واقع ، پنج نمود گوناگون از یک نظریه هستند این نظریه را نظریه –ام می نامیم به این واقعه ، انقلاب دوم ابر ریسمان ها می گوییم . فشرده سازی های مختلف در نظریه های ریسمان مختلف که با همزادی به هم مربوط  نیستند ، از طریق فاز های مختلف نظریه –ام به هم وابسته اند ، درست همان طور که آب یخ و بخار سه  فاز مختلف از مولکول های آب هستند .شکل  10 ، شکلی قیاسی از فاز های مختلف نظریه ریسمان را نشان می دهد .

 

 

مشکلات ارتباط نظریه –ام را با دنیای اطراف می توان به طور خلاصه این طور گفت :

1-اثبات اینکه فازی در نظریه –ام وجود دارد که دقیقا طبیعتی را که ما مشاهده می کنیم ، توصیف می کند .

2-توضیح اینکه چرا طبیعت دقیقا در این فاز بخصوص قرار دارد و نه در فاز های دیگر.

هر دو این موضوعات در حال تحقیق و بررسی توسط محققان هستند . این بحث را با توضیح چند ایده فکری راجع به مورد دوم ، به پایان می رسانیم .

جدیدا کشف شده که نظریه –ام به طور قطع دارای فاز های کم ثبات (metastable) می باشد . این حالت های کم ثبات درست مانند فاز های ابر سرد سازی  (supercooled) یا ابرگرم سازی (super heated)هستند . برای مثال فاز ابر سرد سازی آب را در نظر بگیرید .(آبی بانقطه انجماد پایین تر از معمول). تا زمانی که هیچ اختلالی وارد نشود ،آب به صورت همان آب باقی می ماند . اما یک اختلال کوچک در هر کجای سیستم ،یک ناحیه کوچک اطراف نقطه اختلال را منقبض کرده و به فاز یخ می رساند  این ناحیه کوچک یخ ، به سرعت در داخل آب رشد می کند و به زودی تمام آب را فرا می گیرد . به طور مشابه فاز های کم ثبات در نظریه –ام این خاصیت را دارند که گاهی اوقات ، بعضی ناحیه ها در کیهان در این فاز دچار اختلال می شوند تا به یک فاز پایدارتر برسند .

 تفاوت بسیار بزرگی بین حالت کم ثبات در نظریه –ام و حالت کم ثبات در سیالات وجود دارد به این ترتیب که فاز های کم ثبات نظریه –ام که  در اینجا موضوع بحث ما هستند ، یک خاصیت جدید، علاوه بر خاصیت های قبل دارند که طبق آن اگر یک ناحیه در کیهان در آن فاز باشد ، طبق نتیجه گیری منطقی از نسبیت عام ، به سرعت پخش می شود به زبان دیگر ما می گوییم که ثابت کیهان شناسی این فاز ها مثبت است .(ثابتی که اینیشتن در معادلات نسبیت عام معرفی کرد و بعد ها به خاطر نبود شاهد تجربی رد شد . جالب است که بدانیم که تحقیقات اخیر ثابت کرده که کیهان ما مقدار بسیار کم اما غیر صفر از این ثابت کیهانی را داراست )معمولا نرخ رشد کیهان  بنابه این ثابت کیهانی بسیار سریعتر از نرخ رشد حباب ها در فاز های پایدار تر است که ممکن است درون این فاز های کم ثبات باشد .  

بیایید بررسی که کیهان ما چگونه رشد پیدا می کرد اگر قسمتی از آن در این فاز کم ثبات می بود ؟ اول از همه ، طبق ثابت کیهان شناسی ، این منطقه به سرعت رشد پیدا می کرد . در همین زمان در قسمتی دیگر از کیهان ، نواحی کوچکی که فاز پایدارتری داشتند ، بوجود می آمدند که بعدا رشد پیدا می کردند و ناحیه اطراف همان نقطه را می پوشاندند و به حالت پایدارتری می رساندند . در اصل ، امکان دارد که در داخل حباب های مختلف ، فاز های مختلف از نظریه –ام را داشته باشیم. در یک سیال نرمال ، این فرآیند زمانی متوقف می شود که دیواره حباب خای در حال گسترش به هم برخورد کند . در این حالت تمام سیال به یک فاز پایدار می رسد که از تمام فاز ها ، پایدارتر است . هر چند در وضعیت کنونی این اتفاق هرگز نمی افتد . زیرا جهان به طور کامل در حال انبساط است (بنابر ثابت کیهان شناسی )و این فرآیند تا بینهایت ادامه خواهد داشت . کیهان حقیقی ، به انبساط ادامه می دهد و تعداد بیشتری حباب با حالت پایدار در نقاط مختلف آن بوجود خواهد آمد . تا آنجا که همه فاز های ممکن در نظریه –ام،در داخل یک یا چند حباب کشف می شود . این وضعیت در شکل 11 ترسیم شده است .

در این شکل ، هیچکدام از فاز های مختلف نظریه –ام ، برتری نسبت به هم ندارند . دنیایی که ما مشاهده می کنیم . در یک فاز بخصوص قرار دارد و دلیلش فقط این است که ما در این قسمت خاص از دنیا زندگی می کنیم . اگر ما درقسمت های دیگر این جهان زندگی می کردیم  فاز هایی متفاوت با آنچه که اکنون می بینیم ، می دیدیم . هر چند همانطور که می دانیم در بسیاری از فاز های نظریه –ام ، زندگی غیر ممکن است و بنابر این کسی آنجا نخواهد بود تا این فاز ها را مشاهده کند . که این موضوع دیگری است !

جمع بندی

جنبه های مختلفی از نظریه ریسمان وجود دارد که ما در اینجا راجع به آنها بحث نکردیم . مثل نظریه ریسمان و آنتروپی سیاه چاله ها ، همزادی بین نظریه ریسمان و نظریه پیمانه ای و .... .در این مقاله بیشتر تمرکز بر این بود که توضیح دهیم که نظریه ریسمان چگونه ما را به رویای اینیشتن نزدیکتر می کند . هر چند ما از نظریه جامعی که تمام ذرات تشکیل دهنده مواد را توصیف کند ، بسیار دوریم. اما این به نسل فعلی و نسل آینده واگذار می شود تا ریسمان کارهای جوان این نظریه را کشف کنند . این کار بسیار مشکلی خواهد بود اما بسیار با ارزش است .



[1]               mediator

[2]               gluons

[3]               Anti particle

[4]              gauge theory

 

[5] - gravition

[6]               compactification

[7]               kaluza

[8]               klein

[9]               compact

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:15  توسط زهرا عزیزی  | 

ماهیت زمان ونسبیت عام

 همانطوریکه میدانید هر ذره متحرک دارای میدانی است که اطراف آن را احاطه نموده است که حاصل حرکت وضعی وانتقالی آن ذره میباشد که در مورد ذرات مادی نام میدان الکترومغناطیس را بر آن نهاده ایم که بنا به میدانی که از هر ذره ای متساعد میگردد متفاوت میباشد که در مورد میدان الکترو مغناطیس  الکترون بحث های زیادی شده است که متناسب با سرعت حرکتهای آن متفاوت بوده و فرکانسهای مختلف آن را بوجود میآورد البته شتاب سرعتی حرکت الکترون نیز چنانچه مثبت باشد یک نوع میدان  وچنانچه شتاب حرکت آن منفی باشد و الکترون در حال کاهش سرعت یعنی از دست دادن انرژی باشد فرکانسهای مختلف نور را بوجود خواهد آورد(که این مطلب طیفهای نوری را بوجود میآورد).خوب اینها مطالب آشنائی است و گمان میکنم که کسانی که به این وبلاگ سر میزنند همگی با آن آشنا باشند اما راستی میدانهائی که ذرات ضد ماده بوجود میآورند چه ماهیتی دارد ؟وچگونه میتوان آنها را مورد بررسی قرار داد؟ آیا ماهیت میدانی که هنگام از دست دادن انرژی توسط ضد الکترون در زمانیکه انرژی از دست میدهد با  الکترون یکی است یا نوری که از آن متساعد میگردد خاصیت ضد نور دارد و اصولا" ضد نور چیست؟

آنچه مسلم ومبرهن است اینست که ماهیت میدان الکترو مغناطیس متساعده از ضد الکترون نمیتواند یکسان با میدانهای مادی باشد و 100% ماهیتی ضد میدانهای مادی خواهد داشت  ودر تداخل با میدانهای مادی موجب ایستائی ذرات و تبدیلشان به انرژی خواهد بود  یعنی میدانهای ضد مادی موجب از بین رفتن حیات مادی میشوند البته همانگونه که عکس آن صادق است پس این دو میدان دارای تقابل بوده و نسبت به یکدیگر یکسان عمل میکنند و همانگونه که میدانهای مادی فضا را بوجود آورده اند آنها نیز در فضا بسط یافته و یک فضای ضد مادی را بوجود آورده اند ابته بنا به به مطالبی که قبلا" ذکر شد بعلت سرعت بیشتر ضد الکترون دارای گستره بیشتری بود و فضای ضد مادی کمی بزرگتر از فضای مادی میباشد و همانند فضای مادی دارای انحنائی همگن میباشد که در تقابل با انحناء فضای مادی به یک همگونی رسیده و ضریب انحناء جهانی باید ترکیبی متناسب با دو انحناء باشد و باید اعلام کنم که این همان توضیح ماهیت زمان از دیدگاه من میباشد یعنی میدانی گسترده در کل فضا با ضریبی ثابت وهمگن  در فضا که تمامی ذرات وضد آنها درون آن حرکت میکنند وتقابل آن با فضای مادی موجب میگردد که هیچ جسم .جرم یا ذره ثابتی در جهان  وجود نداشته باشد و چنانچه ما این دو فضا را به نام فضا برای ماده وزمان برای ضد ماده نامگذاری کنیم حرکت حاصل تقابل فضا و زمان خواهد بودو زمان در تعریف میدان حاصل از حرکت ذرات ضد مادی در درون ماده خواهد بود و این دلیل قطعی برابی  اثباط قانون بقای ماده وانرژی خواهد بود.

 


 

                                        فیزیک سه بعدی     

 

خوب فکر میکنم از اینجا باید در حدفهایمان کمی احتیاط کنیم تا راه هرگونه شبهه را به خود بسته باشیم بحث واکنش زنجیره ای که در اینجا مطرح میشود ناگزیر بوده واحساس میکنم برای توضیح مطالب قبلی لازم میباشد .

اینبار ما همانگونه که همیشه مطرح شده است مطلب را ارائه میکنیم فقط با این تفاوت که نه تنها ذرات مادی اتم بلکه ذرات ضد ماده را نیز بررسی میکنیم.

همانطوریکه میدانید ما برای انجام واکنش زنجیره ای ابتدا تز یک ماده رادیو اکتیو که دارای نیمه عمر بسیار کم باشد استفاده میکنیم و نوترونهای آنرا که با سرعت نسبتا" کمی حرکت میکنند را به سوی هسته یک اتم هدایت میکنیم از آنجائیکه نوترون دارای هیچ بار الکتریکی شناخته شده نیست(آیا ذره میتواند بدون بار الکتریکی باشد؟ وآیا آنچه که ما بار خنثی مینامیم نمیتواند خود یک نوع بار الکتریکی باشد؟)براحتی میتواند از فواصل مکانی بین الکترونها وضد پروتونها عبور نمود واز آنجائیکه یک ذره سنگین و بزرگ میباشد وارد هسته شود که در این زمان با توجه به اندازه کوچک ذره نمیتواند خود را به مرکز هسته رسانده و در نتیجه تعادل هسته را برهم زده و موجب میشود اتم شکل خود را از دست داده و ذرات به صورت آزاد رها گردند (ولی این موضوع تاکنون نمیتواند موجب آزاد سازی ناگهانی انرژی آنهم در سطح وسیع گردد) در نتیجه پس از آزاد شدن ذرات نوترونهای آزاد به اتمهای همجوار وارد شده و هسته های دیگر را متلاشی مینمایند واین عمل تکرار شده و موجب متلاشی شدن تمام اتمهای فعال موجد در آن محیط میگردد یعنی این واکنش به تعداد نوترونهای موجود در هسته اولیه به توان اتمهای فعال موجود در محیط واکنش تکرار میشود. ولی ما تا اینجا دلیلی برای تبدیل جرم به انرژی ودر نتیجه ایجاد یک انفجار بزرگ را نداریم به نظر بنده زمانی که هسته ها متلاشی میشود وذرات آزاد مادی وضد مادی در محیط آزاد میشود و هنوز محیط ما بسته میباشد عدهای از ذرات مادی وضد مادی بصورت تصادفی اما لاجرم با یک دیگر برخور کرده ودر نتیجه پیوندهای بافتی ذرات شکسته شده و میدانهای حاصل در یک ذره از بین رفته و تعداد ذرات مادی و بمیزان مساوی ذرات ضد مادی تبدیل به انرژی میگردد وبه اصطلاح مقداری ماده ناپدید میشودو ایجاست که انرژی بصورت ناگهانی وبسیار زیاد آزاد شده و به اصطلاح انفجار هسته ای بوقوع میپیوندد و.لی آیا میتوان این بحث را به اندازه های بزرگ یعنی آسمان تمیم داد؟

دوستان عزیز تمامی تلاش من اینست که توضیح دهم که دیگر زمان فیزیک یک بعدی به پایان رسیده و ما میبایستی ضد ماده را وارد تمامی فعالیتهای فیزیکی کنیم و تازه آن زمان است که بعد سوم فیزیک یعنی بحث بر روی ذرات خنثی یعنی نوترون و ضد نوترون وارد عرصه فیزیک خواهد شدو به همین دلیل بنده نام مبحث کلی مطالعاتم را فیزیک سه بعدی نهاده ام دنیائی که در آن همه چیز به صورت کلی و در رابطه با یکدیگر مطرح میشود. یکی از ایراداتی که همسرم در مورد مطالبم به من میگیرد و من آنرا کاملا" وارد میدانم این است که من مقاله ها را سریع و کلی مینویسم و این ایرادی است که شاید شما نیز بر من وارد بدانید ولی باید اظهار کنم که من چاره ای جز این ندارم چون هر مطلب از این موضوعات چنانچه بسط دهیم خود مطلبی است که یک عمر زمان میخواهد وصد ا فسوس که ما یک بار متولد میشویم و یک بار میمیریم وبا خود سؤالات و

حتی دانسته های فراوانی را میبریم 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8



اخیراً ستاره شناسان یک تأثیر پیشبینی شده توسط تئوری نسبیت عام انشتین در مورد جاذبه ی فوق العاده زیاد یک جفت ستاره ی نوترونی فوق سنگین را اندازه گیری و تأیید کرده اند ؛ که با این کار این تئوری 93 ساله نیز با آزمایش به اثبات رسید
دانشمندان دانشگاه مک گیل با استفاده از یک تلسکوپ قوی و با کاری چهار ساله روی یک دستگاه دو ستاره ای بی شباهت به هر سیستم شناخته شده از این نوع به این موفقیت دست یافته اند . این سیستم یک جفت ستاره ی نوترونی است که هردو به عنوان یک پولسار از خود امواج رادیویی پالسی گسیل میکنند
از 1700 پولسار شناخته شده این تنها موردی است که 2 پولسار در یک مدار به دور هم میچرخند . بعلاوه صفحه مدار این ستاره ها کاملاً منطبق بر خط دید آنها از زمین است که این باعث میشود سیگنال های فرستاده شده از آنها وقتی به دور هم میچرخند محو شود . این " کسوف " ها کلیدی برای یک اندازه گیری است که تا بحال انجام نشده .
انشتین در سال 1915 با تئوری خود پیشبینی کرد در یک سیستم دو جرمی خیلی سنگین نزدیک به هم ، مانند ستاره های نوترنی ، جاذبه ی گرانشی یکی از جرمها به همراه تأثیر چرخش محوری اش باید باعث چرخش محوری یا رقص محوری جرم دیگر شود .
این کسوفها به ستاره شناسان این فرصت را میدهد که هندسه ی این سیستم دو پولساری و مسیر محور چرخش آنها را مشخص کنند . همچنانکه محور چرخش یک پولسار تغییر میکند ، نقش سیگنال های مسدود شده به وسیله ی پولسار دیگر نیز تغییر میکند .
پولسارها ، که برای اولین بار در سال 1967 مشاهده و کشف شدند ، لاشه ی ستاره های بزرگ و سنگین هستند که مانند یک سوپرنوا (ستاره های بسیار بسیار درخشان) منفجر شده اند. چیزی که بعد از این انفجار باقی میماند ستاره ی نوترونی فوق چگال است که ماده ای به مقدار خیلی بیشتر از جرم خورشید ما در جایی به اندازه ی یک شهر جمع شده . امواج رادیویی منتشر شده از قطبینِ شدیداً مغناطیسی این ستاره ، صدها بار در ثانیه تناوب دارد .
این جفت پولسار مورد مطالعه 1700 سال نوری از زمین فاصله دارد . میانگین فاصله ی بین این دو تنها به اندازه ی 2 برابر فاصله ی زمین تا ماه است .
البته هنوز به طور کامل نمیتوان گفت نسبیت عام به اثبات رسیده ،اما به هر حال تا اینجا تئوری انشتین از تمام آزمایشات انجام شده موفق بیرون آمده

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:12  توسط زهرا عزیزی  | 

نسبیت عام وسیاه چاله

 

تاریخچه سیاه چاله ها :

پس از آنكه مكانیك نیوتنی تحت عنوان مكانیك آسمانی در شناخت جهان مورد استفاده قرار گرفت ، یكی از موارد مورد توجه سیاه چاله ها بود . نخستین بار در سال 1784 جان میشل طی یك مقاله سرعت فرار را با اطلاعات آن روز محاسبه كرد و اظهار داشت كه اگر گرانش چنان قوی باشد كه سرعت فرار در آنجا بیش از سرعت نور باشد ؛ نور نمیتواند از آنجا بگریزد . البته در آن زمان به طور تقریبی سرعت نور را می‌دانستند ولی حد سرعت ، سرعت نور نبود . زیرا در مكانیك نیوتنی سرعت نامتناهی قابل قبول بود . در سال 1796 لاپلاس همان نظریه جان میشل را دوباره مطرح كرد . در اواخر قرن نوزدهم سرعت نور كاملا معلوم و اندازه گیری شده بود . در سال 1915 انیشتین نظریه نسبیت عام را مطرح كرد و نشان داد كه گرانش روی نور اثر دارد . چند ماه بعد كارل شوارتس شیلد با حل معادله میدان انیشتین برای یك جرم نقطه‌ای ، اظهار داشت كه از دیدگاه نظری ، سیاه چاله ها وجود دارند . شعاعی كه نور نمی‌تواند از آنجا خارج شود به نام شعاع شوارتس شیلد شناخته میشود . چند ماه بعد از شوارتس شیلد ، یكی از دانشجویان لورنتس به نام ژوهانس دروست ، به همان نتایج شوارتس شیلد رسید .

در 1920 چاندرازخار كه از شاگردان ادینگتون بود ، نشان داد كه اگر سرعت فرار بخواهد بیش از سرعت نور باشد ، جرم جسم باید حداقل 1.44 برابر جرم خورشید باشد . این عدد امروزه به عنوان حد چاندرازخار شناخته می‌شود . ادینگتون با دست آورد وی مخالف كرد و آن را نادرست خواند . در 1939 اپنهایمر به اتفاق شاگرد خود اسنایدر پیش بینی كردند كه یك ستاره پر جرم در اثر گرانش فرو می‌ریزد و به سیاه چاله تبدیل می‌شود . هم زمان با آغاز جنگ جهانی دوم ، مسئله سیاه چاله ها به فراموشی سپرده شد .  در دهه 1960 دوباره نظریه سیاه چاله ها و راه حل شوارتس شیلد و فروپاشی گرانشی مورد توجه فیزیكدانان قرار گرفت .  

 

 

شعاع شوارتس شیلد :

شعاع شوارتس شیلد را میتوان با استفاده از رابطه سرعت فرار بدست آورد . توضیحات كاملی در مورد سرعت فرار در مبحث نظریه انفجار بزرگ محال است ارایه شده و روابط آن از قرار زیر است :

اگر انرژی پتانسیل گرانشی یك دستگاه شامل دو جسم در فاصله بی نهایت را برابر صفر در نظر بگیریم به راحتی می توان اثبات كرد كه :

 

 

كه در این رابطه U انرژی پتانسیل ، M جرم زمین ، m جرم گلوله ، G ثابت جهانی گرانش و r فاصله مركز زمین تا مركز گلوله است .  با توجه به مطالب گفته شده در بالا می توان گفت كه :

 

 

K انرژی جنبشی و Vesc سرعت فرار گلوله میباشد .

 

برای آنكه نور نتواند از سطح یك جسم بگریزد ، باید در رابطه فوق سرعت فرار در آنجا برابر سرعت نور شود . چنین جسمی كه مانع فرار نور میشود ، قابل رویت نیست و آن را سیاه چاله می‌نامند . شوارتس شیلد با استفاده از نسبیت عام ، شعاع یك سیاه چاله را محاسبه كرد و به صورت زیر ارایه داد :

 

 

كه در آن r شعاع شوارتس شیلد و c سرعت نور میباشد . سیاه چاله ها مثل گرداب عمل می‌كنند . هر جرم یا انرژی كه به یك سیاه چاله نزدیك شود ، در داخل فاصله معینی كه افق رویداد آن خوانده می‌شود ، به طور مقاومت ناپذیری به درون سیاه چاله كشیده میشود . سیاه چاله ماده را به سمت خود می‌كشد و منقبض می‌كند ، تا آنكه ماده به كلی تجزیه و جز پیكره سیاه چاله شود .

نوری كه از اطراف یك سیاه چاله عبور می‌كند ، اگر به افق رویداد نرسد ، روی مسیری منحنی شكل از كنار آن می‌گذرد . اگر به افق رویداد برسد ، در سیاه چاله سقوط می‌كند و سیاه چاله را سیاه و بنابراین نامریی می‌كند .

 

 

موج یا امواج گرانشی :

گرانش یكی از چهار نیروی اساسی طبیعت فرض میشود كه ماهیت عمل آن نظیر سایر نیروهاست ، با این تفاوت كه بسیار ضعیف تر از آنهاست .  نخستین نیرویی كه به طور جدی مورد توجه قرار گرفت گرانش است . طبق قانون جهانی گرانش كه نیوتن كاشف آن است ، هرگاه دو جسم در فاصله‌ای از یكدیگر قرار گیرند ، نیرویی بر هم وارد می‌كنند كه با حاصل ضرب جرم دو جسم متناسب و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد . این نیرو خاصیت ذاتی ماده است و تجربه نشان داده مستقل از خواص فیزیكی ، شیمیایی و محیطی همواره اعمال می‌گردد . برد این نیرو بینهایت است .  بسیاری از فیزیكدانان از جمله فارادی و پلانك اعتقاد داشتند كه نیروهای گرانشی و الكترومغناطیسی تشابه بسیار زیادی به یكدیگر دارند و احتمالاً رابطه مشابهی نظیر آنچه كه بین نیروهای الكتریكی و مغناطیسی وجود دارد ، بین گرانش و نیروی الكترومغناطیسی نیز وجود دارد . آلبرت انیشتین نیز تلاش بسیار كرد كه این دو نیرو را در یك نیروی اولیه خلاصه كند ، اما موفق نشد . البته در زمان انیشتین نیروهای مهم و مطرح همین دو نیروی گرانشی و الكترومغناطیسی بود . 

نظریه نسبیت عام كه گرانش را به منزله انحنای فضا - زمان چهار بعدی مطرح می كند ، انواعی از پدیده‌های غیر عادی را پیش بینی می كند . بنابر نسبیت عام هر جسمی كه جرم داشته باشد موجب می‌گردد كه فضای اطراف آن خمیده شود . هر زمان كه این جسم حركت كند ، این انحنا با صورت بندی جدید ماده ، متناسب می گردد . این تنظیم فضا - زمان با وضعیت متغیر مكانی ماده موجب می شود كه امواج گرانشی با سرعت نور در فضا منتشر شود . در نتیجه هر جسم متحركی از خود تشعشعات گرانشی منتشر می كند .

امواج گرانشی نسبت به سایر نیروها فوق‌العاده ضعیف است . برای مشاهده ضعیف بودن امواج گرانشی نسبت به امواج الكترومغناطیسی كافیست قانون گرانش و قانون كولن را برای دو الكترون بكار برید . خواهید دید كه امواج الكترومغناطیسی تقریباً ده بتوان چهل مرتبه از امواج گرانشی قوی تر است .

وقتی امواج الكترومغناطیسی به ماده برخورد می كنند ، فقط ذرات باردار را تكان می دهند . ولی امواج گرانشی موجب میشوند كه تمام ذرات ماده تحت تاثیر قرار گیرند . همچنین به دلیل آنكه امواج الكترومغناطیسی بسیار قوی تر از امواج گرانشی است ( تقریباً ده بتوان چهل بار ) هنگام عبور امواج به همین نسبت نیز ذراتی كه در مسیر آنها هستند تحت تاثیر قرار می گیرند .

در دهه 1960 ژوزف وبر از دانشگاه مریلند ترتیبی داد تا امواج گرانشی را آشكار سازد . آنتنی كه وبر برای آشكار ساختن امواج گرانشی ساخت استوانه‌ای آلومینیمی بود به قطر 60 سانتیمتر و طول 1.5 متر كه وزن آن بیش از یك تن بود . این استوانه توسط سیمی كه در وسط آن به دور استوانه پیچیده شده بود در یك محفظه خلا به طور معلق قرار داشت . همچنین این محفظه به وسیله سیستمی از كمك فنرها از جهان خارج جدا شده بود . وقتی یك موج گرانشی از درون استوانه عبور میكرد فشارهایی به وجود می آورد . وبر برای آشكار كردن نوسانات حاصل ، تعدادی كریستال پیزوالكتریك بر روی سطح استوانه نصب كرد . این كریستالها نوسانات را به جریان‌های الكتریكی ضعیفی مبدل می كنند . سپس این جریان‌ها تقویت و ثبت می شوند . یك چنین استوانه آلومینیمی به دلیل وجود تاثیرات گرمایی همواره در حال نوسان خواهد بود . برای غلبه بر این مشكل صافیهایی الكترونیكی در سیستم نصب شده تا تمام نوسانات را به استثنای بزرگترین آنها حذف كند . علاوه بر این وبر دو عدد از این آنتن‌ها را یكی در دانشگاه مریلند در نزدیكی واشنگتن و دیگری را در آزمایشگاه ملی ارگون خارج از شیكاگو نصب كرد . این دو آنتن بوسیله خطوط تلفن به نحوی به هم وصل بودند كه نوسانات بزرگ آنی كه در هر دو ایستگاه رخ می داد ، به سرعت ثبت می كردند . در سال 1969 وبر با اعلام این خبر كه امواج گرانشی را به طور موفقیت آمیزی آشكار كرده فیزیكدانان را متحیر كرد . هر روزه حداقل یك نوسان بزرگ ثبت می شد و نشان می داد كه یك موج گرانشی به زمین برخورد می كند . با این وجود بسیاری از دانشمندان نسبت به درستی نتایج آزمایش وبر مشكوك هستند . هرچند كه هیچ كس نتوانسته نشان دهد كه كدام قسمت از نتایج آزمایش وبر نادرست است .

نحوه عملكرد امواج گرانشی بر ذرات باردار و بدون بار چنین بنظر میرسد : زمانیكه یك موج گرانشی از یك جسم عبور میكند ، ممكن است جهت نوسان ذرات عمود بر جهت انتشار موج گرانشی باشد ، ولی در این حالت ذرات نسبت به یكدیگر حركت نسبی دارند و ذرات بطور یكسان و یكپارچه و باهم ارتعاش نمی كنند .  بطور مثال اگر امواج گرانشی از یك لوله استوانه‌ای عبور كنند و ما سطح مقطع دایره‌ای آنرا ناظر باشیم ، مشاهده خواهیم كرد كه ذرات سمت چپ و راست از مركز دایره دور میشوند و در همان لحظه ذرات بالا و پائین به مركز دایره نزدیك میشوند و لحظه‌ای بعد ، این وضعیت بر عكس میشود . نمونه كیهانی این تحولات گرانشی ، لحظه انفجار ستارگان بسیار عظیم است كه جرمشان هزاران مرتبه از خورشید ما بزرگتر است و امواج گرانشی حاصل از انفجار ، بهنگام عبور از منظومه شمسی ، موجب نوسان ماه و زمین به عقب و جلو میشوند .

 

 


اشكالات امواج گرانشی در نسبیت عام :

1- همچنانكه می دانیم در نسبیت عام ، گرانش اثر هندسی ماده بر فضای اطرافش میباشد و آنرا انحنای فضا - زمان می نامند كه كمیتی پیوسته است . با حركت جسم میزان انحنای فضا - زمان نیز تغییر می كند . اگر فرض كنیم كه امواج گرانشی نیز كمیتی پیوسته است آنگاه با مكانیك كوانتوم ناسازگار خواهد بود . یعنی از چهار نیروی اساسی سه تای آنها كوانتومی و یكی پیوسته است . اگر فرض كنیم كه امواج گرانشی نیز كوانتومی است كه در این صورت فضا - زمان با امواج گرانشی كه نسبیت خود بانی است ناسازگار خواهد بود .

 

 

"‌ اخترشناسان به تازگی از پیشرفت‌های رصدی و نظری درباره فاجعه بارترین واقعه در عالم ، پس از مهبانگ ، خبر دادند یعنی :

ادغام سیاهچاله های ابر پر جرم . این برخوردهای عظیم باید در مدت كوتاهی ، 23^10 برابر خورشید انرژی آزاد كنند ، كه همه این انرژی به شكل امواج نامریی گرانشی است ؛ امواجی در انحنای فضا ـ  زمان كه در نسبیت عام انیشتین هم پیش بینی شده ، اما هنوز بطور قطع شناخته نشده‌اند .

اخترشناسان سالهاست كه میدانند ابر سیاهچاله ها ، با جرمی معادل چند میلیون تا چند میلیارد برابر جرم خورشید ، در مركز كهكشانهای بزرگ مخفی شده‌اند . این هیولاها به تحول كهكشانها نظم می بخشند . وقتی دو كهكشان با هم ادغام می شوند ، سیاهچاله های ابر پر جرم باید در عرض چند صد میلیون سال در مداری به گرد هم قفل شوند .

این جفت چرخان به دور هم ، ستاره های نزدیك را پراكنده می كنند . به این فرآیند كه آنها را نزدیكتر به هم می كشاند ، اصطكاك دینامیكی می گویند . اگر این دو به فاصله یك هزارم سال نوری از هم برسند آنچنان با حركت خود ساختار فضا ـ  زمان را در هم می پیچند كه با گسیل امواج گرانشی و از دست رفتن انرژی ، مطابق اصل بقای تكانه انرژی ، امواج گرانشی قدرتمندی را ساطع می كنند . مدارهایشان جمع تر می شود و سرانجام آنقدر به دور هم می گردند تا تبدیل به یك سیاهچاله شوند . اما چنین رخدادی چقدر معمول است ؟

اخترشناسان ، برای یافتن پاسخ این پرسش ، باید سیاهچاله های دوتایی با جدایی كم را پیدا كنند . اخترشناسان دانشگاه نیومكزیكو در گزارش اخیر خود خبر كشف احتمالی به هم چسبیده ترین جفت سیاهچاله ها را اعلام كردند . این دو سیاهچاله ، دو منبع رادیویی درخشان در نزدیكی مركز كهكشان 0402+379 در صورت فلكی برساوش اند .

اخترشناسان با استفاده از آرایه با خط مبنای بسیار بلند (VLBA) ـ  شبكه‌ای از 10 تلسكوپ رادیویی كه در خطی به طول 8000 كیلومتر از هاوایی تا شرقی ترین جزایر دریایی كارایب گسترده‌اند ، جدایی زاویه‌ای این زوج را فقط 6.9 میلی ثانیه قوس بدست آوردند ، كه با توجه به فاصله 750 میلیون سال نوری این جفت از ما ، فاصله آن دو از هم 24 سال نوری به دست می‌آید . این عدد 100 بار كمتر از جدایی بین جفت سیاهچاله هایی است كه پیش از این كشف شده بود .

طیفهایی با تفكیك كم كه به كمك تلسكوپ هابی ـ ابرلی در تگزاس گرفته شده است كه گردش آنها به دور هم را نشان می دهد و جرم مجموعشان را دست كم 150 میلیون برابر جرم خورشید به دست می دهد . احتمالا ً دوره گردش آنها به دور هم 150 هزار سال طول می كشد تا آن دو در هم ادغام شوند .

ممكن است جدایی بین دو سیاهچاله بیشتر از این باشد ، اگر یكی از آنها بسیار جلوتر از دیگری ، نسبت به زمین باشد و از دید ما كنار هم بنظر برسند ؛ كه البته احتمالش بسیار كم است . براساس بررسی های نظری وقتی كهكشانها ادغام می شوند ، اصطكاك دینامیكی به سرعت دو سیاهچاله را به هم نزدیك می كند تا فاصله شان به 30 سال نوری برسد . سپس مهاجرت بسوی هم كند می شود ، پیش از این كه برهمكنش با گاز ، دسته‌ای ستاره ، یا سیاهچاله سومی سبب ادغام دو ابرسیاهچاله شود .

فیزیكدانان همچنین مایل اند ردپای امواج گرانشی را در انحنای فضا ـ  زمان شناسایی كنند ؛ آثاری كه حاصل ادغام سیاهچاله های غول پیكرند . مطابق نسبیت عام انیشتین انحنای فضا در اطراف جرم شكل می گیرد و جرم زیاد و بی اندازه چگال سیاهچاله انحنای فوق‌العاده‌ای را در فضا ـ زمان ایجاد می كند و با حركت دو سیاهچاله به دور هم خمیدگی فضا ـ زمان نیز جابجا می شود و موجی از انحنای فضا ـ زمان را منتشر می كند كه موج گرانشی نام دارد . اخترشناسان مركز پرواز های فضایی گادرد ناسا در گزارشی اعلام كردند كه شبیه سازی های سه بعدی ابر رایانه ها نشان می دهد در جریان فرایند ادغام ، امواج به سوی بیرون حركت می كنند . آنها معادلات انیشتین را به زبان رایانه ترجمه كردند . شبیه سازی مشخص كرد كه اگر سیاهچاله های ابر پر جرم در هر كهكشان در فاصله چند میلیارد سال نوری از زمین با هم ادغام  شوند ، آشكارسازهای امواج گرانشی باید به دنبال چه نشانه‌هایی بگردند . چندین شبیه سازی انجام شده و حالا دانشمندان مطمئن اند كه شبیه سازی‌ها بیشترین شباهت را با واقعیت دارند . آنها دریافتند كه 4 درصد جرم سیاهچاله ها به امواج گرانشی تبدیل می شود . بسامد و شدت امواج با نزدیكتر شدن سیاهچاله ها به هم افزایش می یابد .

هر موجود میكروسكوپی در فاصله چند واحد نجومی از این رخداد به سبب امواج گرانشی تكه تكه خواهد شد . اما زمانی كه این امواج میلیون‌ها یا میلیارد‌ها سال نوری سفر كنند و به زمین برسند ، اثر كشیده شدن یا فشرده شدن حاصل از عبور موج گرانشی بر موجودات زمین بسیار كمتر از اندازه هسته یك اتم است . به سبب بسامد كم و ضعیف بودن این امواج ، دانشمندان برای آشكار ساختن آنها به آرایه‌ای از فضاپیماها نیاز دارند . ناسا و اسا در حال تدارك این ماموریت اند ؛ آنتن فضایی تداخل سنجی لیزری (لیزا) . البته لیزا هم یكی از ماموریتهای ناسا در فهرست ابهام است زیرا كاهش بودجه ناسا بسیاری از ماموریتهای آینده را لغو كرده است .    

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:11  توسط زهرا عزیزی  | 

هندسه نا اقلیدسی ونسبیت عام

هندسه نا اقلیدسی و نسبیت عام انشتین


در قرن نوزدهم دو ریاضیدان بزرگ به نام لباچفسكی و ریمان دو نظام هندسی را صورت بندی كردند كه هندسه را از سیطره اقلیدس خارج می كرد. صورت بندی اقلیدس از هندسه تا قرن نوزدهم پررونق ترین كالای فكری بود و پنداشته می شد كه نظام اقلیدس یگانه نظامی است كه امكان پذیر است. این نظام بی چون و چرا توصیفی درست از جهان انگاشته می شد. هندسه اقلیدسی مدلی برای ساختار نظریه های علمی بود و نیوتن و دیگر دانشمندان از آن پیروی می كردند. هندسه اقلیدسی بر پنج اصل موضوعه استوار است و قضایای هندسه با توجه به این پنج اصل اثبات می شوند. اصل موضوعه پنجم اقلیدس می گوید: ?به ازای هر خط و نقطه ای خارج آن خط، یك خط و تنها یك خط به موازات آن خط مفروض می تواند از آن نقطه عبور كند. هندسه لباچفسكی و هندسه ریمانی این اصل موضوعه پنجم را مورد تردید قرار دادند. در هندسه ریمانی ممكن است خط صافی كه موازی خط مفروض باشد از نقطه مورد نظر عبور نكند و در هندسه لباچفسكیممكن است بیش از یك خط از آن نقطه عبور كند. با اندكی تسامح می توان گفت این دو هندسه منحنی وار هستند. بدین معنا كه كوتاه ترین فاصله بین دو نقطه یك منحنی است.هندسه اقلیدسی فضایی را مفروض می گیرد كه هیچ گونه خمیدگی و انحنا ندارد. اما نظام هندسی لباچفسكی و ریمانی این خمیدگی را مفروض می گیرند. (مانند سطح یك كره) همچنین در هندسه های نااقلیدسی جمع زوایای مثلث برابر با ۱۸۰ درجه نیست. (در هندسه اقلیدسی جمع زوایای مثلث برابر با ۱۸۰ درجه است.) ظهور این هندسه های عجیب و غریب برای ریاضیدانان جالب توجه بود اما اهمیت آنها وقتی روشن شد كه نسبیت عام اینشتین توسط بیشتر فیزیكدانان به عنوان جایگزینی برای نظریه نیوتن از مكان، زمان و گرانش پذیرفته شد. چون صورت بندی نسبیت عام اینشتین مبتنی بر هندسه ریمانیاست. در این نظریه هندسه زمان و مكان به جای آن كه صاف باشد منحنی است. نظریه نسبیت خاص اینشتین تمایز آشكاری میان ریاضیات محض و ریاضیات كاربردی است. هندسه محض مطالعه سیستم های ریاضی مختلف است كه به وسیله نظام های اصول موضوعه متفاوتی توصیف شده اند. برخی از آنها چندبعدی و یا حتی nبعدی هستند. اما هندسه محض انتزاعی است و هیچ ربطی با جهان مادی ندارد یعنی فقط به روابط مفاهیم ریاضی با همدیگر، بدون ارجاع به تجربه می پردازد. هندسه كاربردی، كاربرد ریاضیات در واقعیت است. هندسه كاربردی به وسیله تجربه فراگرفته می شود و مفاهیم انتزاعی برحسب عناصری تفسیر می شوند كه بازتاب جهان تجربه اند. نظریه نسبیت، تفسیری منسجم از مفهوم حركت، زمان و مكان به ما می دهد. اینشتین برای تبیین حركت نور از هندسه نااقلیدسی استفاده كرد. بدین منظور هندسه ریمانی را برگزید.هندسه اقلیدسی برای دستگاهی مشتمل بر خط های راست در یك صفحه طرح ریزی شده است اما در عالم واقع یك چنین خط های راستی وجود ندارد. اینشتین معتقد بود امور واقع هندسه ریمانی را اقتضا كرده اند. نور بر اثر میدان های گرانشی خمیده شده و به صورت منحنی در می آید یعنی سیر نور مستقیم نیست بلكه به صورت منحنی ها و دایره های عظیمی است كه سطح كرات آنها را پدید آورده اند. نور به سبب میدان های گرانشی كه بر اثر اجرام آسمانی پدید می آید خط سیری منحنی دارد. براساس نسبیت عام نور در راستای كوتاه ترین خطوط بین نقاط حركت می كند اما گاهی این خطوط منحنی هستند چون حضور ماده موجب انحنا در مكان - زمان می شود.در نظریه نسبیت عام گرانش یك نیرو نیست بلكه نامی است كه ما به اثر انحنای زمان _ مكان بر حركت اشیا اطلاق می كنیم. آزمون های عملی ثابت كردند كه شالوده عالم نااقلیدسی است و شاید نظریه نسبیت عام بهترین راهنمایی باشد كه ما با آن می توانیم اشیا را مشاهده كنیم. اما مدافعین هندسه اقلیدسی معتقد بودند كه به وسیله آزمایش نمی توان تصمیم گرفت كه ساختار هندسی جهان اقلیدسی است یا نااقلیدسی. چون می توان نیروهایی به سیستم مبتنی بر هندسه اقلیدسی اضافه كرد به طوری كه شبیه اثرات ساختار نااقلیدسی باشد. نیروهایی كه اندازه گیری های ما از طول و زمان را چنان تغییر دهند كه پدیده هایی سازگار با زمان - مكان خمیده به وجود آید. این نظریه به قراردادگرایی مشهور است كه نخستین بار از طرف ریاضیدان و فیزیكدان فرانسوی هنری پوانكاره ابراز شد. اما نظریه هایی كه بدین طریق به دست می آوریم ممكن است كاملاً جعلی و موقتی باشند. اما دلایل كافی برای رد آنها وجود دارد.

 

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:7  توسط زهرا عزیزی  | 

speciall relativity

relativity

In the history of physics, recognition of the central position of inertia has proceeded in stages. With the benefit of the current knowledge the Copernican revolution can be recognized as the first step to making inertia the prime organizing principle of dynamics understanding. (Here, I take 'Copernican revolution' in its widest possible sense: the revolution in thinking about motion that was completed by Newton's work.)

Galilei pointed out why it is possible to home in on laws of motion. Imagine you are in a cabin of a boat that is in motion over perfectly smooth water. I will call this particular boat the test boat. The test boat does not accelerate in any way, it is in uniform motion. You are on the test boat, juggling, or you are throwing darts, or something like that. (Galilei used other examples.) Galilei argued: no matter the velocity of the test boat, the skill for juggling the balls or throwing the darts is the same. There is a large range of circumstances that are different (boats having a velocity relative to each other), where as far as juggling is concerned things are the same for each separate boat. To become a skilful juggler is the acquirement of implicit knowledge (motoric knowledge) of how to work with the properties of motion.

The grid of the dartboard serves as a reference, the darter's aim is with respect to that reference system. One layer of 'the same' is that it does not matter where in space the dartboard is positioned, or in what direction the dartboard is facing; the properties of motion are the same. A second layer is that given a state of unaccelerated motion of the test boat its velocity relative to other boats does not matter either, the properties of motion as experienced on the test boat are always the same.

Symmetry of inertia

If you exert a force on an object, causing it to accelerate, then for all directions the same force results in the same acceleration; the isotropy of inertia. (Isotropy = same in all directions). For all locations and orientations in space, inertia is symmetrical. Likewise, for all uniform velocities, inertia is symmetrical. Imagine the opposite: imagine that inertia would be erratic, changing from place to place and from one instant to another - motion would be lawless then. But inertia is extremely symmetric. Formulating laws of motion is a fruitful undertaking because of the extensive symmetries of inertia.

A theory of motion describes the properties of inertia; in order to formulate a theory of motion it is necessary to have a way of embodying the symmetries of inertia. When a mathematical theory of motion was formulated, culminating in the work of Isaac Newton, embodying these symmetries was straightforward: euclidean space has the same symmetries as inertial space.

In retrospect we can recognize that the Copernican revolution changed the role that geometry played in physics. For the ancients the geometry was an instrument for describing shapes, the trajectory of a planet was thought of as a shape, and this shape was described by geometry. But in newtonian dynamics the euclidean geometry plays a much more profound role. In Newtonian dynamics inertia is the prime organizing principle and euclidean geometry is appropriate because it perfectly models the symmetries of inertia. In retrospect we can recognize that the act of using euclidean geometry as instrument for describing motion is actually the adoption of a physics theory.

Equivalence class of coordinate systems

The euclidean space is represented with a coordinate system (a coordinate grid). A coordinate system has a zero point and it has orientation. The comprehensive representation of the symmetries of inertial space must be specified as an equivalence class of coordinate systems.

Linear transformations

The symmetry demands narrow down the transformations to the following:

  • Transformations between coordinate systems that are at an angle with respect to each other
  • Transformation between coordinate systems that are translated with respect to each other
  • Transformations between coordinate systems that have a uniform velocity relative to each other

For any object that is in inertial motion there is a coordinate system that is co-moving with that object. A coordinate system that is co-moving with an object in inertial motion is an inertial coordinate system. What that means is that the law that describes velocity addition of pairs of objects and the law that describes the transformation between inertial coordinate systems are one and the same law.

 

2. Special relativity

The special theory of relativity is, like Newton's laws of motion, a theory of motion: it deals with relations between space, time and matter.

As is the case with Newton's laws of motion, special relativity uses the phenomenon of inertia as the prime organizing principle of dynamics understanding, but on a more profound level. The purpose of this article is to demonstrate that.

synchronization procedure

Picture 1. Animation
Three clocks.

Picture 1 represents three clocks, counting time. To keep those clocks perfectly synchronised you need a way of disseminating time. One way is to use pulses of light, I will get to that later. The next animation shows the three clocks, with smaller clocks shuttling between them.


Picture 2. Animation
Three spaceships and a procedure to maintain synchronised fleet time.

Animation 2 represents a spacetime diagram. The yellow lines represent the worldlines of pulses of light that are emitted at t=0. The consecutive frames of the animation combined represent a single diagram.

An observer can always define his own position as the origin of a coordinate system to map the positions of other objects, such as the ships of a fleet of spaceships. In the animations of this article the fleet consists of three ships, but it can be any number of ships, and those ships can be regarded as forming a grid. That grid provides a coordinate system to assign a coordinate distance and a coordinate time-lapse between two events.

Each ship of the fleet logs the events taking place at its spatial coordinate, recording at what point in fleet time the event took place. The ships of the fleet communicate these logs to each other and on each ship of the fleet the information in the received logs can be put together in a comprehensive spacetime mapping of the events. Animation 2 is an example of such a comprehensive mapping.

The red circles represent clocks onboard the ships, counting time. The two orange circles represent miniclocks shuttling back and forth between the ships of the fleet, the miniclocks are used for a procedure to maintain synchronised fleet time. The synchronization procedure employed here relies on the isotropy of inertia. The ships of the fleet take care that every time the miniclocks are sent on their journey they are in both directions propelled with equal force. (More precisely: all the mini-clocks have the same mass, and in propelling each miniclock the ships of the fleet take care to impart the same amount of kinetic energy each time.)

The ships of the red fleet are 4 units of distance apart. Here, 4 units of distance means that as measured by the clocks of the fleet pulses of light take 4 units of time to propagate from one ship to another. In this article, distance is measured in terms of time: the amount of transit time of pulses of light. In this animation the miniclocks take 5 units of fleet time to travel from one ship to another, so their velocity relative to the fleet is 4/5th of the speed of light.

Time dilation

The animation depicts special relativity's prediction for this case that during the journey from one ship to another the miniclocks count 3 units of proper time. (Note that the time dilation doesn't prevent the synchronization. The amount of time dilation is perfectly predictable, so it can be accounted for.)

Over the course of a complete synchronization cycle you see the red clocks go round 10 times. That is, for the red clocks 10 units of time elapse. Conversely, you see the orange clocks go round 6 times; for the shuttles a complete cycle takes 6 units of shuttle time.

Transmission delays not fundamental

It's important to note that transmission delays play no part in special relativity. They must be accounted for, of course, in order to assemble a comprehensive spacetime mapping, but the substance of special relativity begins only after transmission delays have been taken into account. In order to get the relativistic effect in focus the animation is designed to avoid observational differences that arise from transmission delay.

No explanation

Relativistic physics does not provide an explanation as to how and why time dilation occurs. The starting point of relativistic physics is to assume that this is how things are, and the content of the theory consists of working out the ramifications of this assumption. The justification of the assumption is in the success of relativistic theory in applied physics.

 

Minkowski spacetime geometry

The conceptual shift in the transition from classical dynamics to the spacetime of special relativity is a shift from euclidean space and time to Minkowski spacetime.

Picture 3. Image
The chrono-geometry of spacetime intervals.

The line on which the points A, B, C, and D are grouped connects all the points in spacetime that have in common that for an object moving with uniform velocity from point O in spacetime to any point on that line, 3 units of proper time elapse. For instance, the lines OA and OC in image 3 correspond to the wordlines of the miniclocks in animation 2.

Spacetime interval

The concept of spacetime interval in Minkowski spacetime is somewhat analogous to the concept of radial distance in Euclidean space. In Euclidean space with 2 dimensions of space there is the relation:

r2 = x2 + y2

Which is of course Pythagoras' theorem.

The radial distance between two points is an invariant, in the sense that it is independent of the particular choice of mapping a space with a cartesian coordinate system. More precisely, radial distance between two points is invariant under a coordinate transformation that corresponds to a spatial rotation.

In this article the word 'space' is used in a very abstract sense, in a meaning that is quite different from the everyday meaning of the word. In this article, everything is described in terms of time. Spatial distance is measured in terms of the amount of time that it takes light to cover the distance. Both time and spatial distance are counted in units of time.

The invariant spacetime interval of Minkowski spacetime geometry embodies a relation between space and time. The size of the spacetime interval is counted in units of time: the proper time as measured by co-moving clocks. The standard symbol for proper time is τ (the Greek letter 'tau'.)

τ2 = t2 - x2

The radical difference is the presence of the minus sign.

When represented geometrically, the spacetime interval is associated with a hyperbola curve, as depicted in image 3, whereas radial distance in Euclidean space is of course associated with a circle. Note that image 3 represents a mapping of a Minkowski space onto Euclidean space, rather than representing a Minkowski space directly.

Physical consequences

The shuttles are going back and forth between the ships of the red fleet. Each time they return to the ship that they came from and dock there they are still the same size as when they left. Space would be very strange indeed if returning from a journey you would find yourself to be smaller than when you left.

Now to the physical effect that does occur: the effect on elapsed time
The shuttles are taking a path that is not the spatially shortest path. Whenever that happens then on rejoining an object that did move along the spatially shortest path less proper time has elapsed for the traveller.

Metric of Minkowski spacetime

The measure of distance between two points in Euclidean space that is invariant under a rotation of the mapping coordinate system is called 'the metric of Euclidean space'.

In the case of Minkowski spacetime it is common to refer to its properties as 'geometry of Minkowski spacetime'. (A more accurate expression would be 'chrono-geometry of Minkowski spacetime', but that expression is rarely used.) By analogy with the concept of a metric in Euclidean context the formula for the invariant spacetime interval is referred to as 'the metric of Minkowski spacetime'.

The expression 'metric of Minkowski spacetime' is common usage, but because of the difference with the general concept of a metric it is also referred to as a 'pseudo-metric'. This signals that while in mathematical expressions the pseudo-metric performs exactly the same function as a metric, it is fundamentally different from a metric.

The concept of a metric can be applied in many different geometric contexts; A simple example of a metric is the metric of the way that in the game of chess the King moves around. To go from one corner to another along a column or a row takes 7 steps, and to go diagonally also takes 7 steps. That metric is an example of a non-euclidean metric, for Pythagoras' theorem does not apply.

The metric of Minkowski spacetime, with the square of one dimension being subtracted from the square of another dimension, is unexplained. For the question of how the structure of space and time can be like the way it is there is no established theory. At present, the Minkowski spacetime geometry must be assumed in order to be able to formulate a theory at all.

Spacetime interval

Special relativity implies that the spacetime interval is more fundamental than spatial distance. Special relativity implies that space cannot be thought of as an entity with an independent existence. Rather, physicists feel compelled to think of space as a sort of 3D silhouette of some more fundamental entity: the spacetime continuum, involving three spatial dimensions and one time dimension. Depending on how the spacetime is mapped spatial distances come out differently, in a way that is reminiscent of projective geometry.

Equivalence of different coordinate mappings

Picture 4. Animation
Three spaceships and a procedure to maintain synchronised fleet time.

The three dark green circles represent a fleet of spaceships. As in the first animations miniclocks are shuttling back and forth between the ships of the fleet, as part of a procedure to maintain synchronised fleet time. The trajectories of the green miniclocks correspond to the worldlines OB and OD in image 3.

The green fleet has a velocity with respect to the red fleet of 2/5th of the speed of light. The spacetime diagram in animation 4 represents how the motion of the green fleet is mapped in a coordinate system that is co-moving with the red fleet.

The metric of Minkowsk spacetime describes how everything will proceed for the green fleet. The central ship sends the miniclocks in opposite directions and each miniclock has a relative velocity of 4/5th of the speed of light with respect to the fleet. For each leg of the procedure, the miniclocks count 3 units of proper time, and the fleet clocks count 5 units of proper time for each leg of the procedure.

Symmetry

Picture 5. Image

Image 5 shows spacetime diagrams that map both the procedure of the red fleet and the procedure of the green fleet. The diagram on the left shows a mapping of events in spacetime in a coordinate system that is co-moving with the green fleet, the diagram on the right shows a mapping of events in spacetime in a coordinate system that is co-moving with the red fleet.

In this particular case the synchronization procedure and its mapping in a spacetime diagram was introduced with the red fleet first, mapping the physics in a coordinate system that is co-moving with the red fleet. It could also have been introduced with the green fleet first, mapping the physics in a coordinate system that is co-moving with the green fleet. According to special relativity there is complete symmetry between the two coordinate representations.

Equivalence class of coordinate systems

Picture 6. Animation
Equivalence class of coordinate systems.

In animation 6 the complete symmetry illustrated with image 5 is represented as an animation. Here, the sequence of frames is a sequence of coordinate systems with a velocity relative to each other. Each frame represents the same physics series of events: the synchronization procedure as outlined above. All individual frames of the animation represent the physics taking place equally well. Together the set of all frames in which the physics taking place is represented equally well constitutes an equivalence class of coordinate systems.

In particular the spacetime interval is the same in all spacetime mappings. On the other hand, in each frame simultaneity comes out differently relative to other frames.

Relativity of simultaneity

A tacit assumption in classical mechanics is that motion and simultaneity are distinct entities. That assumption does not carry over to special relativity. There is no inherent criterium to regard two events as simultaneous or not simultaneous. This is called the relativity of simultaneity.

While there is no inherent criterium for assigning simultaneity, there is an economy criterium. If you take as definition of simultaneity the synchronization procedure as above (synchronization that uses the symmetries of inertia as reference), then the physical laws, such as the equations for electromagnetism, are in their simplest form.

Comparison: luminiferous ether and Minkowski spacetime

Diagrams 7 to 10 represent cases of a synchronization procedure being applied. The yellow lines represent the worldlines of pulses of light.

In the previous examples the synchronization procedure used miniclocks. The advantage of that is that at each encounter you can see how much proper time has elapsed for the miniclocks during their journey, enabling you to check the fidelity of the synchronization. Every encounter it is checked that for each miniclock the same amount of proper time has elapsed during its journey.
When synchronizing with pulses of light that information isn't there: no comparison of transit time is possible.

Picture 7. Diagram
The synchronization procedure in classical spacetime, using pulses of light. The procedure takes 10 units of time to complete

Picture 8. Diagram
The case of a fleet that has a velocity relative to the luminiferous ether: the procedure takes more than 10 units of time to complete

Picture 9. Diagram
The synchronization procedure in Minkowski spacetime. The coordinate system is co-moving with the fleet of spaceships. The procedure takes 10 units of time to complete.

Picture 10. Diagram
The synchronization procedure mapped in a coordinate system that is moving relative to the fleet. After the procedure is completed 10 units of proper time have elapsed.

Classical physics

Diagrams 7 and 8 represent what you expect to happen when the light signals are supposed to propagate in a medium, usually referred to as the luminiferous ether. If a fleet of spaceships has a velocity with respect to the luminiferous ether the overall pathlength of the light signals is longer, and the procedure will take more time than when the spaceships are stationary with respect to the luminiferous ether.

Minkowski spacetime

Diagrams 9 and 10 represent what you expect to happen when the environment is Minkowski spacetime. Every mapping of the procedure will indicate that 10 units of proper time will elapse. In other words, the synchronization procedure will not reveal anything about a velocity with respect to some background structure.


Einstein synchronization procedure

When pulses of light are used for synchronization of clocks the procedure is referred to as Einstein synchronization procedure. In the article, 'On the electrodynamics of moving bodies' in which Einstein introduced special relativity Einstein had introduced that procedure as a definition of simultaneity.

The diagrams illustrate in which environment the Einstein synchronization procedure is applicable. In space and time as envisioned prior to relativistic physics you expect the synchronisation procedure to take more time when the senders/receivers have a velocity relative to the luminiferous ether. That difference will give rise to inconsistencies, making the procedure unfit. In Minkowski spacetime, however, the Einstein synchronization procedure is the appropriate setup.

consequences for measurements of the speed of light

The only way to measure the speed of light is to set up a back and forth trip. If the environment is Newtonian space and time then you expect to find a different value for the speed of light, depending on the velocity of the measurement rig to the luminiferous ether.

Diagrams 8 and 9 illustrate how it works out in Minkowski spacetime. Different measurement setups, with a velocity relative to each other, will each find the same value for the speed of light. That means that the speed of light is an invariant.

Symmetric velocity time dilation

Picture 11. Image

The situation is symmetrical. The red fleet and the green fleet have a velocity relative to each other, so for each unit of red time less than one unit of green time elapses, and for each unit of green time, less than one unit of red time elapses.

At time t=0 the two central ships of both fleets pass each other. At t=0, let the red ship emit a signal with a particular frequency, as measured in red fleet time. The green ship receives that signal, and that signal will be shifted to a lower frequency, as measured by green fleet time.

Conversely: at t=0 let the green ship emit a signal with a particular frequency, as measured in green fleet time. The red ship receives that signal, and that signal will be shifted to a lower frequency, as measured by red fleet time.

This type of time dilation is called symmetric velocity time dilation.
An example of that is the trajectories of the time-disseminating shuttles in the animations. At all times the shuttles have a velocity relative to each other, so there is a corresponding symmetric velocity time dilation. When the shuttles rejoin it is seen that among the shuttles there no difference in the amount of elapsed proper time.

Nonsymmetric velocity time dilation

Picture 12. Animation
A straight worldline and a helical worldline.

Schematic representation of asymmetric velocity time dilation. The animation represents motion as mapped in a Minkowski spacetime diagram, with two dimensions of space, (the horizontal plane) and position in time vertically. The circles represent clocks, counting lapse of proper time. The Minkowski coordinate system is co-moving with the non-accelerating clock.

The clock in circular motion counts a smaller amount of proper time than the non-accelerating clock. Here, the difference in the amount of proper time that elapses is in a ratio of 1:2, which corresponds to a transversal velocity of 0.866 times the speed of light.

Any light emitted by the non-accelerating clock and received by the circling clock is received as a blue-shifted signal, in a ratio of 1:2. Any light emitted by the circling clock and received by the non-accelerating clock is received as a red-shifted signal, in a ratio of 2:1 .

In this situation, symmetry is broken, and there is a difference in amount of proper time that elapses.

 

3. Unification: motion of objects and propagation of light

The Principle of relativity of inertial motion

The synchronization procedure that the fleets use relies on the isotropy of inertia for objects in inertial motion. Both the red fleet and the green fleet are in inertial motion; for both fleet inertia is isotropic. Both the red fleet and the green fleet take care to transfer to the "left" and the "right" miniclock the same amount of kinetic energy. Since an identical amount of kinetic energy is transferred to the "left" and "right" miniclock (and given that they have identical mass), their velocity relative to the spaceship they were expelled from will be identical.

When Galilei formulated the principle of relativity of inertial motion the obvious supposition was that velocity-vectors add in the same way as vectors of euclidean space add. The assumption of galilean relativity is an assumption (a most intuitive one) about the chrono-geometric structure of space and time. At first sight it appears that galilean relativity is the only possible embodiment of the principle of relativity of inertial motion.

As discussed in the introduction: the symmetry demands that follow from the principle of relativity of inertial motion narrow down the transformations to the following:

  • Transformations between coordinate systems that are at an angle with respect to each other
  • Transformation between coordinate systems that are translated with respect to each other
  • Transformations between coordinate systems that have a uniform velocity relative to each other

The revolution of special relativity lies in the recognition that there is yet another chrono-geometric structure that embodies the above set of symmetries: Minkowski spacetime. (Palash B. Pal has written up some very neat derivations, showing how both galilean relativity and special relavity satisfy the principle of relativity of inertial motion. Nothing but relativity (PDF-file 64 KB)

The limit of approaching the speed of light

In the animations the miniclocks have a velocity relative to the fleet of 4/5th of the speed of light. What happens at even faster velocities, approaching the speed of light? Subatomic particles such as protons and electrons can be accelerated to very close to the speed of light and expelled at that velocity. Then both as mapped in a coordinate system that is co-moving with the red fleet and in a coordinate system that is co-moving with the green fleet the particles move very close to the speed of light.

Light

Light itself is at the very extremal point. The physics of Minkowski spacetime is such that light always propagates away from any emitter with a velocity relative to that emitter of c, regardless of the velocity of that emitter relative to other emitters. Ultimately, synchronization with particles or synchronization with light relies on the same principle, the principle of inertia.

Fundamental unification: a single principle of inertia

Picture 13. Image
When the synchronization procedure is performed both with pulses of light and with miniclocks the results will match up exactly.

In Minkowski spacetime, the members of the equivalence class of inertial coordinate systems have the following properties in common:
- Inertia of particles is isotropic
- Propagation of light is isotropic
The achievement of the special theory of relativity is placing motion of matter and propagation of light in a unified framework; both motion of particles and propagation of light are described by a single principle of inertia. Special relativity dissolves distinction between motion of particles and propagation of light. The key is Minkowski spacetime, the concept of Minkowski spacetime implies unification of the description of motion of particles and propagation of electromagnetic waves.

Thus, centuries after the Copernican revolution, special relativity goes a step further in recognizing inertia as prime organizing principle for dynamics understanding.


Transition: from newtonian to special relativity

The transition from newtonian dynamics to special relativity replaces one metric with another. Newtonian dynamics starts with the assumption that space is euclidean, that the dimension of time is euclidean, and that space and time are independent. Special relativity replaces these euclidean metrics with a single metric: the Minkowski metric.

In the next article, about the general theory of relativity, I will discuss that the transition from special relativity to its successor, the general theory of relativity, once again replaced the metric of spacetime.

 

4. Acceleration in Minkowski spacetime.

For an object moving in space the following is valid: it is possible to define a coordinate grid, with space dimensions and a time dimension, and all physics taking place can be mapped unambiguously in that coordinate grid. This coordinate grid also defines a 'plane of simultaneity'. What happens to that plane of simultaneity when the object proceeds through a phase of acceleration? Animation 5 suggests that during acceleration the object's plane of simultaneity sweeps through spacetime, settling on another orientation. That "sweeping" is just a metaphor; the 'plane of simultaneity' is only a mathematical abstract, there is no tangible physical counterpart. The point is that during a phase of acceleration it is not possible to map the surrounding space (and the objects in it) in a Minkowski diagram that is co-moving with the object that is accelerating. If you would try you get a mapping with intersecting planes of simultaneity, which is absurd.

Wikipedia has a very impressive animation: motion along a curvilinear worldline.

This is not a matter of whether special relativity can deal with acceleration. Special relativity can deal with acceleration perfectly well, provided you map the motion in an inertial coordinate system. Then the motion of that accelerating object is represented with a curvilinear worldline. The limitation of special relativity is that Minkowki spacetime diagrams are linear, and they extend infinitely. So you can't have Minkowski spacetime diagrams that are co-moving with an object that is accelerating, with the worldline straightened out, such diagrams are not self-consistent.

The animation suggests that something profound happens during physical acceleration. During physical acceleration, an object's relation to its surroundings changes.

Spacetime as a physical entity

In trying to understand special relativity common sense offers no guidance. Special relativity runs very much against expectation. Among the most counterintuitive aspects is the fact that special relativity attributes physical properties to spacetime. Minkowski spacetime is a physical entity, participating in the physics taking place. The nature of this participation is that the amount of proper time that elapses in travelling from a certain point A to a certain point B is path dependent. In travelling from point A to point B along a trajectory that is not the spatially shortest trajectory, a smaller amount of proper time elapses than when travelling along the spatially shortest path. This path dependence is key, and to emphasize its importance I'll put it in a box section.

In travelling from point A to point B along a trajectory that is not the spatially shortest trajectory, a smaller amount of proper time elapses than when travelling along the spatially shortest path. The Minkowski metric quantifies the relation between difference in lapse of proper time and difference in pathlength travelled.

Minkowski spacetime is a very interfering spacetime. Classical spacetime is, by comparison, a rather passive spacetime; if you travel in classical spacetime then the path you take is inconsequential. Not so in Minkowski spacetime: not taking the spatially shortest path has physical consequences.

Difference with ether theories

The major difference between ether theories and relativistic physics (arguably the only difference), is that in the case of relativistic physics velocity with respect to the assumed background structure (spacetime), does not enter the theory. It's important to observe the contrast: difference in spatial pathlength not only enters special relativity, it's crucial, and so is acceleration with respect to the background structure. But as a matter of principle velocity with respect to the background structure does not enter.

What does and does not enter special relativity:

· Difference in spatial distance travelled: fundamental
· Velocity relative to Minkowski spacetime: does not enter.
· Acceleration with respect to Minkowski spacetime: fundamental.

Time derivatives: Position, Velocity, Acceleration

In classical dynamics the concepts Position, Velocity, and Acceleration are thought of as forming a sort of cascade. Velocity is the time derivative of Position, and Acceleration is the time derivative of Velocity. The "downstream" concepts are thought of as deriving from the upstream concept. The downstream entity being a derived entity implies that it must be dependent on its primitive.

  • Position

·          

·         Velocity

·          

·         Acceleration

I will refer to the above scheme as the cascade model

Quite a few people rely on a tacit assumption that the cascade model carries over from classical dynamics to relativistic dynamics. Given that velocity with respect to inertial space does not enter special relativity it appears that the downstream concept, acceleration with respect to inertial space, cannot exist in special relativity either. But the tacit assumption is wrong: the cascade model doesn't carry over.

The twin paradox

There is that most famous paradox of all special relativity paradoxes: the twin paradox. It's interesting to examine why the twin paradox is surrounded with so much tension.

What if you expect that acceleration with respect the background structure does not enter special relativity? If that is the case then the twin scenario constitutes a true paradox. For those who perceive the twin scenario as a true paradox it appears as if there's something fundamentally wrong with relativistic physics. Such people argue that the twin paradox is a straightforward refutation of relativistic physics.

There are numerous discussions of the twin scenario, written for the purpose of showing that the twin scenario doesn't refute special relativity. Usually all that is shown is that the mathematics of special relativity is free from self-contradiction. But that doesn't address the actual issue. Those who argue that special relativity is illogical are tacitly assuming that the cascade model carries over from classical physics to relativistic physics.

As an example of extensive discussion that doesn't touch the actual issue, read the Usenet Physics FAQ discussion of the Twin scenario. At the very end the author quotes a joke to express in what way his own discussion leaves him dissatisfied:
"Your Honor, I will show first, that my client never borrowed the Ming vase from the plaintiff; second, that he returned the vase in perfect condition; and third, that the crack was already present when he borrowed it."
In all, the discussion in the Physics FAQ presents something like three or four different "rebuttals". This weakens the case rather than strengthening it.

This is what makes special relativity counterintuitive: as a matter of principle velocity with respect to the background structure does not enter the theory, but acceleration with respect to the background structure is fundamental.

 

 

+ نوشته شده در  یکشنبه بیستم آذر 1390ساعت 21:3  توسط زهرا عزیزی  | 

فلسفه علم انیشتین

o        فلسفه علم انیشتین

نقشي که آلبرت انيشتين در باز آفريني درک ما از فيزيک مدرن ايفا کرد نقشي استثنايي است دوران او دوران تغييرات بزرگ فيزيک بود. هم عصري او با چهره هاي برجسته فيزيک همچون بوهر، هايزنبرگ، پلانک و بسياري ديگر که سيماي آنها را مي توان در تصوير معروف به جاي مانده از کنفرانس سالوي ديد، باعث شد تا دوران طلايي فيزيک جهان در حالي شکل بگيرد که اين دوران نه تنها باعث تغييرات جدي در فيزيک شد که بنيان هاي انديشه اي را نيز به تغيير واداشت. جهان جديدي که انيشتين و همکارانش به مردم معرفي کردند نيازمند شناخت جديدي بود و همين شناخت جديد بود که در ديدگاه هاي فيزيکي و فلسفه توضيح دهنده غلم تغييرات بنيادي ايجاد کرد اگرچه فقط دست آوردهاي انيشتين نبود که به طور غير مستقيم مورد استفاده قرار گرفت تا فلسفه علم را تغيير دهد که خود او نيز در اين ميان نقشي مهم را ايفا کرد.

آلبرت انيشتين(1879 تا 1955) را برجسته ترين فيزيکدان قرن بيستم مي دانند. نقشي که او در باز آفريني درک ما از فيزيک مدرن ايفا کرد استثنايي است. دوران او دوران تغييرات بزرگ فيزيک بود. هم عصري او با چهره هاي برجسته فيزيک همچون بوهر، هايزنبرگ، پلانک و بسياري ديگر که سيماي آنها را مي توان در تصوير معروف به جاي مانده از کنفرانس سالوي ديد، باعث شد تا دوران طلايي فيزيک جهان در حالي شکل بگيرد که نه تنها باعث تغييرات جدي در فيزيک شود که بنيان هاي انديشه را دگرگون کند. جهان جديدي که انيشتين و همکارانش به مردم معرفي کردند نيازمند شناختي جديد بود و همين شناخت جديد بود که در ديدگاه هاي فيزيکي و فلسفه توضيح دهنده علم تغييرات بنيادي ايجاد کرد. اگرچه فقط دست آوردهاي انيشتين نبود که به طور غير مستقيم مورد استفاده قرار گرفت تا فلسفه علم را تغيير دهد که خود او نيز در اين ميان نقشي مهم ايفا کرد؛ نقشي که هنگام ياد کردن از انيشيتن کمتر به تأثير آن در فلسفه علم اشاره مي کند. گرچه نقشي که وي در فلسفه علم قرن بيستم داشت چندان کم اهميت تر از نقش او در فيزيک نبود. فلسفه شخصي و خاص او در علم ترکيب اصيلي بود از عناصري که از منابعي مانند مکتب نوکانتي، قراردادگرايي(conventionalism) و تجربه گرايي منطقي(logical empiricism) استخراج کرده بود. ويژگي بارز اين ديدگاه او، ترکيب نويني بود که از واقع گرايي و شکلي از underdeterminationist از تجربه گرايي الهام مي گرفت. از نکات مهم در اين باب اين است که شيوه تفکر فلسفي انيشتين ابتدا خود را در کارها و دست آوردهاي فيزيکي وي نشان مي دهد و از سوي ديگر اين تعاملات از آنجايي اهميت دارند که بر  انديشه هاي ديگر فلاسفه علم قرن بيستم و به ويژه موريس شليک و هانس رايشنباخ تأثير داشته اند.

آيا انيشتين از نظر معرفت شناسي يک فرصت طلب(Opportunist) بود؟

در اواخر سال1944، آلبرت انيشتين نامه اي از يک فيلسيوف علم جوان آمريکايي-آفريقايي تبار به نام رابرت تورنتون دريافت کرد. او تازه دکتراي خود را زير نظر هربرت فيگل در مينه سوتا گرفته بود و کار تازه اي را در آموزش  فيزيک در دانشگاه پورتو ريکو آغاز کرده بود. در اين نامه او از انيشتين تقاضا کرده بود تا چند کلمه اي در حمايت از تلاش هاي او براي وارد کردن هر مقدار ممکن از دروس فلسفه علم به درس هاي رسمي فيزيک مدرن که او قصد داشت در بهار بعدي تدريس کند، بنويسد. اين پاسخ انيشتين به درخواست او بود: «من کاملاً با شما در باره اهميت و ارزش هاي آموزشي روش شناسانه و تاريخ و فلسفه علم موافقم. بسياري از مردم در دوران ما -حتي دانشمندان حرفه اي– از نظر من انسان هايي هستند که هزاران درخت را ديده اند اما هيچ گاه يک جنگل را مشاهده نکرده اند. دانستن پيش زمينه هاي تاريخي و فلسفي يک موضوع به افراد آن بينش مستقل و فارغ از پيش قضاوت هايي را مي دهد که اغلب دانشمندان از نبود آن در رنجند. اين استقلال که با بينش فلسفي حاصل مي شود –از ديدگاه من– مشخص کننده خط افتراق يک متخصص با يک صنعت گر صرف و مشخص کننده يک جستجوگر واقعي حقيقت است.» (Einstein to Thornton, 7 December 1944, EA 61-574)

اعتقاد انيشتين را درباره فلسفه علم که آن را در طي چند دهه گفته است، مي توان به کمک شواهدي از گفته هاي خود او که کم و بيش همين موارد را تکرار کرده است دريافت. وي در سال 1916 در يادداشتي براي يادبود ارنست ماخ، فيزيکدان و فيلسوفي که انيشتين به نوعي مديون او بود نوشت: «چه اتفاق مي افتد که دانشمندي که خودرا وقف دانش طبيعي کرده است دغدغه هاي معرفت شناسانه پيدا مي کند؟ آيا هيچ کار با ارزش تري در زمينه تخصصي او وجود ندارد؟ من شنيده ام که بسياري از همکارانم اين موضوع را مطرح مي کنند و در  بسياري ديگر از مواقع نيز اين موضوع را حس کرده ام که آنها هم چنين احساسي دارند. وقتي به دانشجويان مستعدي فکر مي کنم که با آنها در طول دوره تدريسم سر و کار داشته ام، کساني که خود را نه تنها با قوه دقت نظرشان که بر مبناي استقلال در قضاوتشان تعريف مي کنند، مي توانم درک کنم که چرا علاقه زيادي به مباحث معرفت شناسانه دارند. آنها با رضايت خاطر به بحث درباره اهداف و روش هاي علم مي پردازند و در دفاع سرسختانه از نظراتشان، صراحت بي نظيري از خود نشان مي دهند که گوياي اهميت موضوع براي آنها است و در واقع کسي نبايد از اين موضوع تعجب کند.» (Einstein 1916, 101)

اما چگونه ممکن است که عادت فلسفي باعث به وجود آمدن استقلال در قضاوت دريک ذهن فيزيکي شود؟ انيشتين اين گونه توضيح مي دهد: «مفاهيمي که ثابت مي شود در نظم بخشي مسائل کارآمد هستند به سادگي آنچنان مرجعيت و قدرت تأثير گذاري و اتوريته اي  پيدا مي کنند که گاه فراموش مي کنيم آنها منشأ زميني دارند و آنها را به عنوان پديده هايي غير قابل جايگزيني به شمار مي آوريم. بنابراين آنها خود را ضروريات انديشه يا مفاهيم اوليه جا مي اندازند و اغلب اوقات ممکن است مسير پيشرفت هاي علمي تحت تأثير چنين اشتباهاتي سخت و صعب العبور شود.

به همين دليل بررسي و تحليل آنها و نشان دادن شرايطي که در آن سودمندي اين مفاهيم مورد قضاوت قرار گرفته است و به آن وابسته است و نحوه رشد و توسعه آنها در بيرون از فضاي آزمون وقت گذراني و کاري بي حاصل به شمار نمي رود.

با اين فرآيند است که آن اتوريته و تحميل مفاهيم شکسته مي شود و اگر نتوانند از پس مشروعيت آزمايي خويش، برآيند، کنار گذاشته مي شوند. اگر کارآيي آنها در مواردي نادرست باشد تصحيح مي شوند و يا با موارد جديد جايگزين مي شوند و گاه نيز سيستم جديدي بنا مي شود که ما به هر دليل آن را بر اولي ترجيح مي دهيم.»(انيشتين 1916و102)

بنابراين جاي تعجب نيست که انيشتين به تحليل انتقادي ماخ از مفهوم نيوتوني فضاي مطلق -مفهومي که خود ماخ آن را روش تاريخي انتقادي فلسفه تحليلي ناميده بود- استناد کند. جايگاه فلسفه در فيزيک پيش زمينه اي بود که انيشتين بارها بدان مراجعه مي کرد و مشخص است که براي انيشتين مفهومي با نهايت اهميت به شمار مي رفته است. گاه او در اين زمينه برخورد متواضعانه تري در پيش مي گرفت نظير خطابه اسپنسرش که بارها مورد بازگويي قرار گرفته و در سال1933 ايراد شده است: «اگر شما مي خواهيد از يک فيزيکدان نظري درباره روش هايي که او استفاده مي کند چيزي ياد بگيريد مي توانم اين نصيحت را به شما بکنم که به کلمات و گفتار او گوش نکنيد بلکه يافته هاي او را  بيازماييد. براي کاشفان اين حوزه، ساختار تخيلات او بسيار ضروري به نظر مي رسد و بسيار طبيعي است که او آنها را نه به عنوان ابداعات ذهن خود که به عنوان واقعيت هاي بديهي معرفي کند.»

البته انيشتين  بيشتر اوقات موضع همراه با اعتماد به نفس بيشتري مطرح مي کرد نظير آنچه سه سال بعد در نامه اي به فيزيک و واقعيت نوشت: «اغلب گفته مي شود -و قطعاً اين گفتار بدون توجيه هم نيست- که انسان اهل علم، فيلسوف ضعيفي است. در اين صورت چرا نبايد اين کار براي فيزيک دانان درست باشد که بگذارند فلاسفه به فلسفه بافي خود بپردازند و وارد حوزه آنها نشوند؟ چنين چيزي شايد زماني درست بود که فيزيک دانان باور داشتند که در مرکز سيستمي از مفاهيم بنيادي قرار دارند که به خوبي بنا شده و امواج شک و ترديد هيچ گاه نمي تواند آسيبي به اين باورها برساند. اما چنين چيزي ديگر در زماني مانند الان که هر باور بنيادي فيزيکي تبديل به مفاهيم احتمالاتي شده است درست نيست. در اين زمان که آزمايش ها و تجربه ها ما را وادار مي کند تا به جستجوي بنيان هاي جديدتر و مستحکم تر بپردازيم، فيزيکدانان ديگر نمي توانند خود را به سادگي تسليم فيلسوف منتقد نظري کنند که بر نظريات بنيادي نقد وارد مي کند. براي او بهتر از هر کسي مشخص است و خود فيزيکدان بهتر از هر شخصي مي تواند اين موضع را درک کند که کجاي کار درست نيست و کجاي اين کفش پاي او را مي زند. براي جستجوي بنياد هاي جديد، فيزيکدان بايد سعي کند در ذهن خود اين موضوع را روشن سازد که مفاهيمي که با آنها سر و کار دارد تا چه حد براي کاربردي که او مد نظر دارد کارآمد و ضروري هستند.» (Einstein 1936, 349)

اما ما از يک فيزيکدان – فيلسوف چه نوع فلسفه اي را انتظار داريم؟ چيزي که نبايد از فيزيکداني که از استعداد و توانايي هاي فلسفي براي کمک گرفتن در حل مسايل بنيادي فيزيک استفاده مي کند، انتظار داشت يک فلسفه ساختارمند و سيستماتيک است: رابطه متقابل معرفت شناسي و علم مسأله قابل توجهي در اين حوزه است. آنها به هم وابسته اند. معرفت شناسي بدون ارتباط با علم به طرحي تهي و خالي بدل مي شود. علوم بدون معرفت شناسي – اگر اساساً بتوان چنين چيزي را قابل تصور دانست– ابتدايي و آشفته خواهند بود. اگرچه به محض اينکه معرفت شناس که به دنبال سيستم واضح و مشخصي است نبرد خود را براي تثبيت چنين سيستمي آغاز کند، ناچار خواهد شد مفاهيم تفکرات علمي را به شکلي تعبير کند که در سيستم او جاي بگيرند و ديگر مفاهيمي را که در سيستم ساخته او وجود ندارند  به دور بياندازد. دانشمند اما نمي تواند تلاش خود را براي ساخت سيستمي معرف شناسانه تا اين حد توسعه دهد. او با رضايت کامل تحليل مفاهيم معرفت شناسانه را مي پذيرد اما شرط اضافي که او قايل مي شود اين است که اين مفاهيم و سيستم بايد با داده هاي تجربي هماهنگ شده باشد و اين شرط اضافي اجازه نمي دهد او به عنوان فيزيکدان بيش از اندازه بر ساختار جهان مفاهيم ساخته خودش پافشاري کند. از اين رو او در ديد يک معرفت شناس ساختارگرا و نظام مند به شکل گونه اي فرصت طلب بي پروا جلوه مي کند:«او تا زماني که در تلاش براي توصيف جهان مستقل از تأثير احساسات و ادارکات شخصي خود است يک واقع گرا(رئاليست) تلقي مي شود تا جايي که به مفاهيم و نظريه ها به عنوان ابداعات آزادانه روح بشر(و نه حاصل انشقاق منطقي از يافته هاي تجربي) نگاه مي کند يک ايده آليست است و تا جايي که مفاهيم و نظرياتش را تنها براي توجيه تجهيز آرايه اي منطقي از رابطه ميان آزمون هاي حسي به کار مي گيرد، يک پوزتويست است. همچنين ممکن است او را بتوان يک افلاطوني يا فيثاعورثي به شمار آورد تا زماني که او ديدگاه ساده گرايي منطقي را به عنوان ابزاري ضروري و کارآمد در تحقيقاتش به کار بگيرد.». (Einstein 1949, 683–684)

اما آنچه از ديد يک معرفت شناس ساختارگرا و نظام مند به عنوان فرصت طلبي محض نمود پيدا مي کند از سوي ديگر ممکن است از ديد فيزيکداني نظير انيشتين که خود درگير اين داستان است به عنوان تفکر انتقادي درباره بنيان هاي نظري مطرح و معرفي شود. براي انيشتين، هدف اين تفکر انتقادي اين بود که پس از نسبيت عام، بنياد و نظريه اي واحد و يکپارچه براي فيزيک بسازد و اين تلاشي بود که انيشتين در آن شکست خورد. اما پيگيري و ثباتي که در تلاش براي اين کار نشان داد، باعث شد تا فلسفه علم نيز دست در دست پروژه اي علم رشد کند و به پيش برود. البته در سير تفکر فلسفه علم انيشتين از ابتدا تا انتها مفاهيمي کليدي وجود داشت که نقشي مرکزي را در فلسفه علم او بازي کردند. ايده هايي درباره اينکه انيشتين حتي در هنگامي که به عميق ترين درک ها و تأثيرات آن دست پيدا مي کرد از خود اندکي شک نشان مي داد. اگر قرار باشد فهرستي از اين نمونه ها را آماده کنيم بايد بر5 مورد تأکيد کنيم که در روند فکري انيشتين به چشم مي خورد»

- Undertetermination در انتخاب نظريه بر مبناي مدارک

- سادگي و انتخاب نظريه

- Univocalness در معرفي نظري طبيعت

- واقع گرايي و تفکيک پذيري

- تفاوت ميان نظريات ساختاري و نظريات اصولي

درتأکيد بر پيوستگي و انسجامي که در توسعه نظريه فلسفه علم انيشتين وجود دارد مي توان موضوع را به اشاره و کمک از افرادي مانند جرالد هولتون پي گرفت که ادعا مي کرد شکافي فلسفي را در ميانه دهه 1910 پيدا کرده است. شکافي که مسيرش شامل تغيير روش از نوعي همراهي براي يک پوزتويسم ضد متافيزيک و به سوي يک واقع گرايي علمي روشن است. هولتون مشاهده مي کرد که اين چرخش عملاً با ادعاي انيشتين در باب تفاوت هستي شناسي نسبيت عامّ و خاص آغاز شده است. جايي که بيان مي کرد نسبيت عامّ بر خلاف نسبيت خاص نيازمند يک هستي شناسي واقع گرايانه است. در اين بين بايد درباب نکته اي مهم بحث کرد و آن اينکه برخلاف تصور بسياري انيشتين هيچ گاه يک پوزتويست تند و تيز مانند ماخ نبود. و البته هيچ وقت هم يک واقع گراي علمي نبود حداقل نه آن گونه که از واژه واقع گرايي علمي در اواخر قرن بيستم استخراج مي شود. انيشتين نظريات علمي را مي پذيرفت تا بتواند اعتبار تجربي آنها را در اختيار داشته باشد اما او يک پوزتيويست نبود. و اگر چه نظريات علمي را براي توصيف وقايع فيزيکي قبول مي کرد اما يک واقع گراي علمي نبود. از آن گذشته ديدگاه او در مورد هر دو از ابتدا تا انتهاي دوره فعاليتش تقريباً ثابت ماند. درباره اينکه چرا انيشتين خود را يک واقع گرا نمي پنداشت بارها خود او در اين زمينه تصريح کرده بود اما اينکه چرا نبايد او را يک پوزيتيويست به شمار آورد نيازمند توضيح مختصري است به ويژه اينکه در بين مردم بسيار جا افتاده است که انيشتين حداقل در دوره جواني اش همدلي بيشتري با پوزتويسم داشته است. (for a fuller discussion, see Howard 1993).

اينکه انيشتين بعدها پوزتويسم را انکار کرد جاي شکي ندارد. بسياري از نقل قول هاي او حداقل از دهه1920 تا پايان زندگي اش به صراحت اين موضوع را بيان مي کند در1946 او به توضيح اين مسأله پرداخت که چه چيزي را در انديشه ماخ خطايي اصيل مي دانسته است: او ضرورت طبيعت سازنده و سوداگرانه هر نوع طرز تفکر و به خصوص تفکر علمي را در جايگاه درست خود قرار نداد و در نتيجه دقت نظري را در آنجا که کاراکتر ساختارگرايانه و متفکر آن آشکار مي شد، قرباني کرد نظير آنچه در نظريه جنبشي اتم ها اتفاق افتاد. آيا انيشتين در اين گفته جهت گيري فلسفي دوران جواني خود را نيز مورد نقد قرار مي دهد؟ مثالي که انيشتين در اينجا ارائه مي دهد باعث مي شود تا چنين برداشتي به شدت غير قابل امکان باشد. چرا که يکي از اهداف اصلي انيشتين در دوران ابتدايي کاري اش بر روي حرکت براوني اين بود که به طور دقيق بتواند واقعيت اتم ها را اثبات کند. اين چيزي بود که در آن زمان مورد ترديد و شک دانشمندان و متفکران سرشناسي نظير ماخ و ويلهلم اوستفلد قرار داشت: هدف اصولي من در اين موضوع اين بود که حقايقي را پيدا کنم که تا حد امکان وجود اتم ها با اندازه تعريف شده را اثبات مي کرد... توافق اين نظريات با آزمايش ها و به همراه تعييني که پلانک از ابعاد مولکول ارائه داده بود و از طريق قانون تابش در دماهاي به آن دست پيدا کرده بود، باعث شده بود تا شکاکان را در باره واقعي بودن اتم ها قانع کند. کساني که تعدادشان بسيار هم زياد بود(اوستفلد، ماخ). (Einstein 1946, 45, 47)

در اين صورت پس چرا اين موضوع اين قدر جا افتاده است که انيشتين در دوران ابتدايي کاري اش با پوزتويست ها همراهي داشته است؟

يکي از دلايلي که به کرات از آن به عنوان گرايش انيشتين جوان به پوزتويسم ياد شده است نقد انيشتين از مفهوم هم زماني از راه دور در مقاله سال1905 در باب نسيت خاص او بود. انيشتين در آنجا از ناظرها صحبت مي کند. اما به شکل معرفت شناسانه طبيعي که آن را مي توان جايگزين چهارچوب مرجع لَخت کرد. چيزي که درباره هم زماني انيشتين را آزار مي داد اين نبود که از نظر مشاهداتي اين اتفاق غير قابل دستيابي است بلکه اين بود که اين مسأله نيامند درگير کردن دو متغير دلخواه بود يکي در انتخاب چهارچوب مرجع لخت و ديگري در انتخاب شرايطي که در چهارچوب زمان ميان رفت و برگشت يک پرتو نور ميان دو ناظر ساکن وجود دارد. همچنين انيشتين الکتروديناميک کلاسيک ماکسولي را براي وجود تقارن به شکلي که توضيح مي داد مقصر مي دانست. اين نظريه توضيح مي داد که القاي الکترومغناطيسي بستگي به آن دارد که آهن ربا يا سيم پچ کدام يک در حالت سکون و استراحت باشد. اگر تأثير هر يک از اين دو حالت يکسان است –برقراي جريان درون سيم پيچ– انيشتين مي پرسيد پس چرا بايد دو توضيح متفاوت براي آن ارائه کرد؛ اينکه يک ميدان الکتريکي در مجاورت مغناطيس در حال حرکت ايجاد شده يا يک نيروي محرک الکتريکي(الکتروموتيو) به وجود آمده در يک رساناي در حال حرکت درون يک ميدان مغناطيسي ثابت؟ در هر صورت با اطمينان مي توان گفت فارغ از اينکه ميدان در حال حرکت است يا ثابت است فرقي براي ناظر ما ندارد  اما مسأله از ديد انيشتين اين بود که اين تقارن داراي دو توضيح متفاوت است. بدين ترتيب مي توان ديد که حتي انيشتين جوان هم پوزتويست نبوده است.

نخستين نسل تجربه گراهاي منطقي بخشي از مشروعيت خود را با اين ادعا کسب کردند که انيشتين يکي از همراهان آنها بوده است. شايد بتوان آنها را به واسطه اينکه نيروي زيادي را در تفسير استدلال هاي خارج از چهارچوب گذاشتند بخشيد. اما ما توضيح بهتري مي توانيم ارائه کنيم. فلسفه علم انيشتين يک ترکيب اصيل بود که از منابع فلسفي بسياري الهام مي گرفت؛ از نوکانتي گرفته تا تجربه گرايي ماخ و سنت گرايي دوهمي. متفکران و جنبش هاي ديگر و به ويژه تجربه گرايي منطقي از همين منابع نشأت گرفته اند. اما انيشتين اين قطعات را بر اساس اهميتي که براي آنها قائل بود و به شکلي متفاوت از افرادي مانند موريس شليک، هانس ريشنباخ و رودلف کارناپ کنار هم گذاشت و بر سر اينکه کدام يک از آنها درست مي گويد چند دهه به بحث با ايشان پرداخت. درک اينکه انيشتين چگونه اين قطعات پازل را کنار هم قرار داده است نه تنها نوري بر مفاهيم فلسفي مؤثر بر دست آوردهاي علمي او خواهد افکند بلکه چشم انداز وسيع تري از تحول فلسفه علم قرن بيستم را ارائه مي کند.

 

آلبرت انيشتين؛ فيلسوفِ فيزيکدان

تأثير انيشتين بر فلسفه علم قرن بيستم قابل مقايسه با تأثير او بر فيزيک قرن بيستم است. چه طور چنين چيزي ممکن شده است؟ يک توضيح به تاريخ نظام مند و تاريخچه سازمان دهي که هم در فيزيک نظري و هم در فلسفه علم وجود دارد اشاره مي کند. هر يک از آنها در دامنه و حوزه خودشان نوع جديدي از تفکرات را در اواخر قرن نوزدهم تجربه کردند و هر يک از آنها در نهايت در اوايل قرن بيستم توانستند حاشيه امنيتي براي پايه هاي خود به وجود آورند. به روشي نادر دو جنبش به يکديگر کمک رساندند. فلاسفه علم به مشروعيت بخشي فيزيک نظري کمک کردند و اين کار را با قرار دادن مفاهم درخشان شناختي علم در نظرياتشان انجام دادند فيزيکدانان نظري نيز به مشروعيت فلسفه علم کمک کردند و اين کار را با فراهم آوردن تحليل هاي نويني بر مواردي که به سرعت درک ما را از طبيعت و جايگاه انسان در کيهان تغيير مي داد انجام دادند. در برخي از موارد اين کمک ها حتي صريح تر و مستقيم تر هم بوده است. مثلاً زماني که انيشتين و ماکس پلانک در نيمه دهه بيستم در دپارتمان فيزيک دانشگاه برلين کرسي فلسفه علم براي دايشنباخ تأسيس کردند و بايد به ياد بياوريم که فيزيکداناني چون ماخ و لوديگ بولتزمن بودند که براي نخستين بار کرسي هاي فلسفه علم دانشگاه وين را در آغاز قرن جاري بر عهده گرفتند. زاويه ديگري که مي توان از طريق آن به توضيح چگونگي اهميت هم زمان انيشتين به عنوان فيزيکدان-فيلسوف پرداخت اين است که به تحصيلات فيزيکدانان جوان هم دوره انيشتين نگاه کنيم. اين فقط انيشتين نبود که در دوره جواني مطالعات گسترده اي در خصوص فلسفه به طور عامّ و فلسفه علم به طور خاص داشت در واقع از اين ديدگاه او با ديگر فيزيکدانان هم عصرش تفاوت چنداني نداشت به طوري که حتي حلقه فيزيک دانشگاه او درسي با عنوان نظريه تفکرات علمي را الزامي کرده بود. اما سؤالي که مي توان مطرح کرد و بايد پرسيد اين بود که چطور عادت تفکر و نگاه فلسفي باعث شد انيشتين و هم دوره اي هاي او نگاهي متفاوت به جهان داشته باشند و اينکه فلسفه چگونه توانست ديدگاه هاي آنان را به خوبي تحت تأثير قرار دهد. تا فلسفه و فيزيک از ديد آنها چندان جدا از هم قرار نگيرد
+ نوشته شده در  شنبه نوزدهم آذر 1390ساعت 19:42  توسط زهرا عزیزی  | 

البرت انیشتین که بود


متولد ۱۴ مارس ۱۸۷۹
اولم، وورتمبرگ، آلمان مرگ ۱۸ آوریل ۱۹۵۵پرینستون، نیوجرزی، آمریکا محل زندگی آلمانسوئیسآمریکا شهروند آلمان (۱۸۷۹ تا ۱۸۹۶ و ۱۹۱۴ تا ۱۹۳۳)سوئیس (۱۹۰۱ تا ۱۹۵۵)آمریکا (۱۹۴۰ تا ۱۹۵۵) ملیت آلمانی رشته فعالیت فیزیک محل کار اداره ثبت اختراعات سوییسدانشگاه زوریخدانشگاه چارلز پراگدانشگاه صنعتی زوریخدانشگاه لایدنموسسه مطالعات پیشرفتهموسسه کایزر ویلهلم دلیل شهرت نسبیت عام، نسبیت خاصحرکت براونی، اثر فوتوالکتریک جوایز جایزه نوبل در فیزیک (۱۹۲۱) دین یهودی امضا آلبرت اینشتین (به آلمانی: Albert Einstein) (۱۴ مارس ۱۸۷۹ - ۱۸ آوریل ۱۹۵۵) فیزیک‌دان نظری زادهٔ آلمان بود. او بیشتر به خاطر نظریه نسبیت و بویژه برای هم‌ارزی جرم و انرژی (E=mc۲) شهرت دارد. علاوه بر این، او در بسط تئوری کوانتوم و مکانیک آماری سهم عمده‌ای داشت. اینشتین جایزه نوبل فیزیک را در سال ۱۹۲۱ برای خدماتش به فیزیک نظری و به خصوص به خاطر کشف قانون اثر فوتوالکتریک دریافت کرد. او به دلیل تأثیرات چشمگیرش، به عنوان یکی از بزرگ‌ترین فیزیکدانانی شناخته می‌شود که به این جهان پا گذاشته‌اند.[۱][۲] در فرهنگ عامه، نام «اینشتین» مترادف هوش زیاد و نابغه شده‌است. ·           زندگی‌نامه کودکی اینشتین آلبرت اینشتین در ۱۴ مارس ۱۸۷۹ میلادی در ساعت ۱۱:۳۰ صبح به وقت محلی در یک خانواده یهودی در شهر اولم در ورتمبرگ آلمان، واقع در ۱۰۰ کیلومتری اشتوتگارت بدنیا آمد . پدرش هرمان اینشتین یک فروشنده بود که بعدها یک کارخانه الکتروشیمیایی را تأسیس کرد و مادرش، پولین نی کوچ نام داشت . آنها در کنیسه اشتوتگارت-باد با یکدیگر ازدواج کردند . در زمان تولد، مادر آلبرت به خاطر اینکه سر او بسیار بزرگ بود و حالتی عجیب داشت بسیار نگران بود . هرچند که با رشد او، کم کم بزرگی سرش کمتر به چشم می‌آمد، اما از عکس‌های او معلوم است که سر او نسبت به بدنش بزرگ‌تر بوده است . به این ویژگی در افرادی که سرهای بزرگی دارند «سربزرگی خوش‌خیم» گفته می‌شود که هیچ ارتباطی با بیماری یا مشکلات ادراکی ندارد . یکی دیگر از مشهورترین جنبه‌های کودکی اینشتین این است که او خیلی دیرتر از بچه‌های معمولی صحبت کردن را آغاز کرد . طبق ادعای خود اینشتین، او تا سن سه سالگی حرف زدن را آغاز نکرده بود و بعد از آن هم حتی تا سنین بالاتر از نه سالگی به سختی صحبت می‌کرد . به دلیل پیشرفت کند کلامی اینشتین، و گرایش او به بی‌توجهی به هر موضوعی که در مدرسه برایش خسته کننده بود و در مقابل توجه صرف او به مواردی که برایش جالب بودند باعث شده بود که برخی همچون خدمه منزل اینشتین، او را کند ذهن بدانند . البته در زندگی اینشتین، این اولین و آخرین باری نبود که چنین انگ‌ها و نظرات آسیب شناسانه‌ای به او نسبت داده می‌شد . اعضای خانواده آلبرت، همگی یهودی‌هایی لاقید بودند و از همین رو، او در یک مدرسه ابتدایی کاتولیک درس می‌خواند . او با اصرار مادرش آموزش ویولون را فراگرفت . اگرچه او از همان ابتدای کار مشق ویولون را دوست نداشت و در نهایت نیز آنرا کنار گذاشت، اما بعدها آرامش عمیق خود را در سونات ویلون موتسارت بدست می‌آورد . وقتی اینشتین پنج ساله بود، پدرش به او یک قطب‌نمای جیبی نشان داد و اینشتین پی برد که در فضای خالی چیزی بر روی سوزن تأثیر می‌گذارد . او بعدها این اتفاق را یکی از تحول‌آمیزترین اتفاقات زندگی‌اش توصیف کرد. در سال ۱۸۸۹، دانشجویی به نام مکس تالمود (بعدها به نام تالمی)، که به مدت شش سال پنجشنبه شب‌ها به منزل خانواده اینشتین می‌آمد ، [۳]، اینشتین را با مهم‌ترین متون علمی و فلسفی آشنا کرد، که از جمله آنها می‌توان به نقد خرد ناب از کانت اشاره کرد . همچنین در اواخر دوران کودکی و اوایل دوران بزرگسالی، دو عموی او با توصیه و تهیه کتاب‌هایی در زمینه علم، ریاضی و فلسفه، به رشد فکری او کمک می‌کردند . در سال ۱۸۹۴، در پی ناموفق ماندن کسب‌وکار هرمان اینشتین در صنعت الکتروشیمی، خانوادهٔ اینشتین از مونیخ به پیوا- شهری در ایتالیا در نزدیکی میلان - مهاجرت کردند . اینشتین اولین فعالیت علمی خود را با عنوان بررسی وضعیت اتر در زمینه‌های مربوط به مغناطیس، در همان زمان برای یکی از عموهایش می‌نوشت . آلبرت برای تمام کردن درسهایش، در مدرسه شبانه روزی مونیخ ماند و پس از آنکه تنها توانست یک ترم را تمام کند در بهار سال ۱۸۹۵ دبیرستان را رها کرده و برای پیوستن به خانواده‌اش رهسپار پریوا شد . یک سال و نیم پیش از امتحانات نهایی، او بدون اطلاع والدینش و با متقاعد کردن مسئولین مدرسه به اینکه بواسطه یک گواهی پزشکی به او اجازه مرخصی بدهند مدرسه را ترک کرد و این بدان معنا بود که اینشتین هیچگونه گواهی در تحصیلات متوسطه کسب نکرد.[۴] در همان سال یعنی در سن ۱۶ سالگی، او آزمایش ذهنی که به آیینه آلبرت اینشتین شهرت دارد را انجام داد . او پس از خیره شدن به آیینه، آزمایش کرد که اگر با سرعت نور حرکت کند چه اتفاقی برای تصویرش خواهد افتاد؛ نتیجه‌گیری او مبنی بر اینکه سرعت نور مستقل از بیننده‌اش است، بعدها به یکی از دو فرضیه نسبیت خاص تبدیل شد . در آزمون ورودی موسسه فدرال پلی تکنیک زوریخ - که امروزه به ETH زوریخ شهرت دارد - اگرچه امتیاز آلبرت در بخش ریاضی و علوم عالی شد، اما امتیاز پایین او در بخش ادبیات مانع از قبولی وی شد؛ پس از آن خانواده‌اش او را به آرائو در سوییس فرستادند تا تحصیلاتش را در آنجا به اتمام برساند . پس از آن دیگر معلوم بود که آلبرت آنگونه که پدرش می‌خواست مهندس الکترونیک نخواهد شد . او در آنجا به مطالعه تئوری الکترومغناطیس که بسیار کم به آن پرداخته شده، مشغول شد و در سال ۱۸۹۶ دیپلم خود را دریافت کرد . در این مدت او در منزل خانواده پروفسور یاست وینتلر اقامت کرد و در آنجا به عنوان اولین تجربه عاشقانه، به ماری دختر این خانواده علاقمند شد . مایا، خواهر اینشتین که نزدیکترین همراز او بود بعدها با پسر همان خانواده یعنی پل ازدواج کرد و و دوست او نیز یعنی مایکل بسو با دختر دیگر همان خانواده یعنی آنا وصلت کرد .[۵] پس از آن اینشتین در ماه اکتبر در موسسه فدرال پلی تکنیک ثبت نام کرد و به زوریخ رفت؛ در همین حال ماری نیز برای تدریس به اولسبرگ در سوییس رفت . او در همان سال شهروندی خود در ورتمبرگ را لغو کرد . در بهار سال ۱۸۹۶، میلوا ماریخ صربستانی که ابتدا در دانشگاه زوریخ در رشته پزشکی آغاز به تحصیل کرده بود، پس از یک ترم به موسسه فدرال پلی تکنیک آمد تا در آنجا به عنوان تنها زن در آن سال، در رشته‌ای که اینشتین درس می‌خواند تحصیلات خود را ادامه دهد . در طی سالهای بعد رابطه ماریخ با اینشتین به یک رابطه عاشقانه تبدیل شد، هرچند که مادر اینشتین به خاطر غیر یهودی بودن، سن بالا و نقص جسمانی ماریخ، به شدت با رابطه آنها مخالف بود .[۶] کار پس از فارغ‌التحصیل شدن از دانشگاه، اینشتین نتوانست شغلی در رابطه با تدریس پیدا کند . پدر یکی از هم‌کلاسی‌هایش به او کمک کرد تا در یکی از دفاتر ثبت اختراع در سوئیس در سال ۱۹۰۲ استخدام شود . سال‌های آخر وی در خلال جنگ جهانی دوم به آمریکا مهاجرت کرد تا در پروژه‌ای که این کشور به منظور تحقیقات برای ساخت بمب اتمی راه‌اندازی کرده بود شرکت کند . پس از پایان جنگ و تأسیس اسرائیل به آن کشور مهاجرت کرد و به عنوان عضو هیئت علمی و استاد در دانشگاه عبری اورشلیم به تدرس پرداخت . سرانجام دوباره به آمریکا بازگشت و در شهر پرینستون ساکن شد و در روز ۱۸ آوریل ۱۹۵۵ در همان‌جا در گذشت . نظریات نسبیت خاص نوشتار اصلی: نسبیت خاص نسبیت خاص یکی از نظریاتی است که اینشتین مطرح کرده و شامل سه پدیده در سرعت‌های بالا است : ·         انقباض لورنتزی که کاهش طول جسم در طی حرکت است . ·         اتساع زمان که کند شدن زمان است . ·         افزایش جرم . نسبیت عام نوشتار اصلی: نسبیت عام اینشتن در نوامبر سال ۱۹۱۵ یک سری سخنرانی‌هایی در آکادمی علوم پروس ایراد کرد که در آن نظریه جدید گرانش، موسوم به نسبیت عام را مطرح کرد . او در آخرین سخنرانی‌ای که ایراد کرد معادله‌ای را مطرح کرد که جانشین قانون جاذبه نیوتون شد . این معادله بعدها با نام معادله میدان اینشتین شناخته شد *[۷] این نظریه قائل به این است که نه تنها کسانی که با یک سرعت ثابت در حرکتند، بلکه تمامی ناظران یکسان و هم ارز هستند . در نسبیت عام، گرانش دیگر نیرو محسوب نمی‌شود (مانند قانون جاذبه نیوتون)، بلکه آن نتیجه خمیدگی مکان- زمان است . به خاطر جنگ، مقالاتی که اینشتین در مورد نسبیت عام چاپ کرده بود، در خارج از آلمان در دسترس نبود . خبر نظریه جدید اینشتین توسط فیزیکدانهای هلندی هنریک آنتون لورنتز و پل اهرنفست و همکار آنها ویلیام دو سیتر که مدیر رصد خانه لیدن بود، به منجمان انگلیسی زبان در انگلیس و آمریکا رسانده شد . در انگلیس، آرتور استنلی ادینگتون دبیر انجمن نجوم سلطنتی از دو سیتر خواست تا یک سری مقالاتی به زبان انگلیسی به نفع منجمان بنویسد . نظریه جدید او را مجذوب خود ساخته بود و از این رو یکی از مدافعان و مبلغان اصلی نسبیت شد . .[۸] اغلب منجمان هندسی سازی گرانش توسط اینشتین را نمی‌پسندیدند و معتقد بودند پیش بینی‌های او در مورد خمیدگی نور و به قرمزی گرایی گرانشی درست از آب در نخواهد آمد . در سال ۱۹۱۷، منجمان رصدخانه ویلسون در کالیفرنیای جنوبی نتایج تحلیل طیف نور را که در ظاهر نشان می‌داد که در پرتو خورشید به قرمزی گرایی گرانشی وجود ندارد، منتشر کردند .[۹] در سال ۱۹۱۸، منجمان رصدخانه لیک در شمال کالیفرنیا تصاویری از خورشیدگرفتگی که در ایالات متحده قابل رویت بود گرفتند . پس از پایان جنگ، آنها نتایج بررسی‌های خود را اعلام کردند و مدعی شدند که پیش بینی نسبیت عام اینشتین در خصوص خمیدگی نور اشتباه بوده‌است . با این حال آنها به خاطر خطاهای احتمالی فراوان، هیچگاه اقدام به چاپ نتایجی که به دست آورده بودند نکردند .[۱۰] آرتور استنلی ادینگتون، طی سفرهایی که درماه می سال ۱۹۱۹ در زمانی که خورشید گرفتگی در بریتانیا رخ داد، به سوبرال سیارا برزیل و جزیره پرینسیپ در ساحل غربی آفریقا داشت، اندازه گیری خمیدگی گرانشی عدسی نور ستاره را به هنگام عبور از نزدیکی خورشید تحت نظارت داشت و در نهایت به این نتیجه رسید که محل قرار گرفتن ستاره از خورشید دورتر است . این حالت عدسی گرایی گرانشی نامیده می‌شود و وضعیت ستاره‌های مشاهده شده دو برابر حالتی بود که فیزیک نیوتنی پیش بینی می‌کرد . معهذا، این حالت با پیش بینی هم ارزی میدانی اینشتین (هم ارزی میدانی) نسبیت عام همخوان بود . ادینگتون اعلام کرد که نتایج به دست آمده پیش بینی اینشتین را تایید می‌کند و مجله تایمز در هفتم نوامبر آن سال با اتنخاب تیتر زیر تایید شدن پیش بینی اینشتین را گزارش کرد: ""انقلابی در علم، نظریه‌ای جدید در مورد جهان، ایده‌های نیوتن اعتبار خود را از دست می‌دهد ."" ماکس بورن، برنده جایزه نوبل از نسبیت عام به عنوان ‹‹ بزرگ‌ترین دستاورد و شاهکار تفکر بشری در مورد طبیعت›› بر شمرد و پل دیراک نیز که یکی از برندگان جایزه نوبل است، از آن به عنوان ‹‹ بزرگ‌ترین اکتشاف علمی آن زمان›› یاد کرد .[۱۱] این اظهار نظرها و تبلیغات متعاقب از آن، باعث شهرت و معروفیت اینشتین شد . او در سطح جهانی معروف شد که موفقیت استثنایی و خاصی برای یک دانشمند محسوب می‌شود . با این حال هنوز هم بسیاری از دانشمندان به دلایل مختلفی که شامل دلایل علمی (مخالفت با تفسیر اینشتین از آزمایش‌های انجام شده، اعتقاد به اتر و یا ضرورت وجود ملاک مطلق) و دلایل روانی - اجتماعی (محافظه کاری، یهود ستیزی) - می‌شد، نظریات اینشتین را نمی‌پذیرفتند . به نظر اینشتین، اغلب مخالفتهایی که با نظریه او می‌شد، از جانب آزمایش باورانی بود که درک ناچیزی از نظریه مطرح شده داشتند.[۱۲] شهرتی که اینشتین بعد از چاپ مقاله ۱۹۱۹ دست آورده بود، باعث شد بسیاری از دانشمندان نسبت به او ابراز نفرت و انزجار کنند و نفرت و انزجار برخی از آنها حتی تا دهه ۳۰ نیز ادامه یافت . مباحث زیادی در مورد ابراز انزجار نسبت به شهرت و معروفیت اینشتین وجود دارد، بویژه در میان آن دسته از فیزیک‌دانان آلمانی که بعدها جنبش ضد اینشتینی ‹‹دویچه فیزیک›› را در مقدمه Klaus Hentschel به معنای ‹‹ فیزیک و سوسیالسم اجتماعی›› به راه انداختند [۱۳] اینشتین در ۳۰ مارس سال ۱۹۲۱، یعنی همان سالی که برنده جایزه نوبل شد، برای ایراد سخنرانی در مورد نظریه جدید نسیبت به نیویورک رفت . اگرچه امروزه اینشتین به خاطر فعالیتهایش در مورد نسبیت شهرت یافته، اما جایزه نوبل به خاطر کارهای او در مورد اثر فوتوالکتریک به او اعطا شد، چرا که در مورد نسبیت عام در آن زمان هنوز اختلاف نظر وجود داشت . هیات نوبل در خود به این نتیجه رسیدند که اشاره به آن نظریه اینشتین در نوبل که اختلاف نظر و مخالفت در مورد آن کمتر است، بیشتر مورد قبول جامعه علمی واقع خواهد شد . تفسیر کوپنهاگی اینشتین و نیلز بوهر در طول دهه ۱۹۲۰ بر سر نظریه کوانتم اختلاف دارند. این عکس توسط پاول ارنفست در دسامبر سال ۱۹۲۵ در خلال سفر وی به لایدن گرفته شده‌است در سال ۱۹۰۹ اینشتین در حضور جمعی از فیزیکدانان، مقاله‌ای تحت عنوان (Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung) ‹‹ شکل گیری نظریات و عقاید ما در مورد اجزای سازنده و ماهیت انرژی تابشی›› درمورد تاریخ نظریه اتر و مهم‌تر از آن در مورد اندازه گیری نور ارائه کرد . اینشتین در این مقاله و مقاله‌ای که پیش از آن در سال ۱۹۰۹ ارائه کرده بود، نشان داد که کوانتوم انرژی که توسط ماکس پلانک مطرح شده، نیز حامل مقدار حرکت مشخص و معینی بوده و از بسیاری جهات به گونه‌ای عمل می‌کرد که گویی آنها ذرات مستقل و خاصی بوده‌اند . این مقاله نشانگر ارائه مفهوم جدید و بی سابقه فوتون بود ( اگرچه این اصطلاح چندین سال بعد و طی مقاله‌ای به سال ۱۹۲۶ توسط گیلبرن لوئیز مطرح شد) . حتی مهم‌تر از آن این است که اینشتین نشان داد که نور می‌بایست به طور هم‌زمان یک موج و یک ذره باشد . اینشتین همچنین بدرستی پیش بینی کرد که فیزیک در آستانه انقلابی قرار داشت که ایجاب می‌کرد آنها این ماهیتهای دوگانه نور را یکسان و واحد سازند . با وجود این، پیشنهاد خود او برای راه حل یعنی اینکه هم ارزی‌های مطرح شده توسط جیمز ماکسول برای میدانهای الکترومغناطیسی تعدیل شوند تا زمینه برای راه حلهای موجی که با غرایب میدانی عجین هستند، فراهم شود، هیچگاه بسط و توسعه نیافت . این در حالی است که این پیشنهاد بر نظریات ‹‹ موج آزمایشی›› ‹‹ لوئیز دی بروگلی›› در ارتباط با مکانیک کوانتوم تأثیر داشته‌است . جبر باوری با نشستن نظریه جدید مکانیک کوانتوم به جای نظریه کوانتوم اولیه که از اواسط دهه ۳۰ قرن ۲۰ آغاز شد، اینشتین اعتراضات خود را نسبت به تفسیر کپنهاکی از هم ارزی‌های جدید مطرح کرد . مخالفت و اعتراض اینشتین در این باره تا آخر عمرش ادامه یافت . به باور اکثریت افراد علت این مخالفت و اعتراض این بوده‌است که اینشتین فردی جبر باور و انعطاف ناپذیر بوده است . آنها به نامه‌ای اشاره می‌کنند که اینشتین در سال ۱۹۲۶ به ماکس بورن نوشته و در آن آورده‌است : « مکانیک کوانتوم قطعا مخالف آن چیزی است که تاریخ همیشه اما را به آن می‌خواند . اما صدایی از درون به من می‌گوید که این هنوز چیز حقیقی نیست . نظریه چیزهای زیادی می‌گوید، اما هرگز ما را گامی به راز آن قدیمی ترین نزدیک نمی‌کند . من به هر حال معتقد هستم که خداوند نرد بازی نمی‌کند.  » در جواب به این نوشته، نیلز بوهر که در مورد نظریه کوانتوم با اینشتین اختلاف نظر شدیدی داشت، خطاب به اینشتین چنین گفت: « از تعیین تکلیف کردن برای خدا دست بکش  » مناظرات بوهر- اینشتین در مورد جنبه‌های اساسی مکانیک کوانتوم در کنفرانس‌های سولوای انجام می‌شد . بخش مهم دیگری از دیدگاه اینشتین مقاله مشهوری است که در سال ۱۹۳۵ توسط اینشتین، پودولسکی و روزن نوشته شد .[۱۴] به زعم برخی فیزیک دانان این مقاله یکی دیگر از مواردی است که این نظریه را تقویت می‌کند که اینشتین جبر باور بوده‌است . البته جا دارد از نظر کاملاً متفاوت اینشتین در مورد ارتودوکسی کوانتوم دفاع کرد . خود اینشتین گفته‌های بیشتری در این زمینه منتشر کرد و اظهار نظر گیرایی و قاطعانه‌ای توسط یکی از هم عصران او، یعنی وولف گانگ پولی صورت پذیرفت . نقل قولی با مضمون ‹‹ خداوند نرد بازی نمی‌کند›› که در بالا به آن اشاره شد، در ابتدای کار اینشتین و توسط او مطرح شده بود، اما بیانیه‌ها و گفته‌هایی که بعدها از اینشتین داریم حول موضوعات دیگری می‌چرخد . [۱۵] نقل قول وولف گانگ به شرح ذیل است: [۱۶] « .. من نمی‌توانستم در آن زمان که شما در مورد اینشتین در نامه‌ای یا دست نوشته‌ای صحبت می‌کردید، او را شناسایی کنم . به نظرم چنین می‌آمد که شما یک اینشتین احمق برای خود ترسیم کرده‌اید و با کبکبه و دبدبه خاصی او را به زمین کوبیده‌اید . بویژه آنکه اینشتین مفهوم جبر باوری را آنگونه که شماها مطرح می‌کنید، اساسی و بنیادین در نظر نمی‌گرفته‌است ؛ (همان طور که خودش به کرات این موضوع را برای من بازگو کرده‌است) . او با استدلال می‌گوید که برای پذیرش نظریات معیارهایی را به کار می‌بندد . سوال این است که ‹‹ آیا این به غایت جبرباورانه است؟... او خیلی هم از دست تو ناراحت نبود، فقط می‌گفت تو آدمی هستی که به گفته‌های کسی گوش نمی‌دهی . .(emphasis due to Pauli)  » نقص و واقع گرایی بسیاری از اظهار نظرات بیان شده توسط اینشتین حکایت از اعتقاد او به ناقص بودن مکانیک کوانتوم است . این مساله برای اولین بار در مقاله مشهوری که در سال ۱۹۳۵ توسط اینشتین، پودولسکی و روزن به نام پارادوکس EPR نوشته شد، مطرح گردید .[۱۷] و برای بار دوم در کتابی تحت عنوان آلبرت اینشتین، فیلسوف - دانشمند به سال ۱۹۴۹ عنوان شد . .[۱۸]The "EPR" مقاله تحت عنوان آیا توصیف مکانیکی کوانتوم و واقعیت فیزیکی را می‌توان کامل در نظر گرفت ؟ بود و در آن چنین نتیجه گیری شد : از آنجایی ما نشان داده‌ایم که عملکرد موج توصیف کاملی از واقعیت فیزیکی را به دست نمی‌دهد، ما این سوال را که آیا چنین توصیفی وجود دارد یا خیر حل نشده و بی پاسخ رها کردیم . با این حال، به اعتقاد ما چنین نظریه‌ای ممکن و میسر است . اینشتین پیشنهاد آزمایشی جالب توجهی را را ارائه می‌کند که تا حدودی با گربه شرودینگر مشابه‌است . او با پرداختن به موضوع متلاشی شدن رادیواکتیوی اتم کار خود را آغاز می‌کند . اگر کسی با یک اتم غیر متلاشی نشده کار خود را آغاز کند و منتظر وقفه زمانی خاصی باشد، در آن صورت نظریه کوانتوم این احتمال را می‌دهد که آن اتم دستخوش متلاشی شدن رادیواکتیوی قرار گرفته و دچار تغییر شده‌است . بدین ترتیب، اینشتین روش ذیل را به عنوان راهی برای پی بردن به متلاشی شدن مفروض می‌دارد : « به جای آنکه یک سیستمی را مورد نظر قرار دهند که تنها از یک اتم رادیواکتیوی (و روند تغییرو دگرگون آن) تشکیل شده، شما سیستمی را در نظر می‌گیرید که همچنین شامل راهی برای اندازه گیری تغییر و تحول رادیواکتیوی است . من باب مثال، یک شمارگر گایگر که دارای مکانیسم ثبت خودکار است . بگذارید که به آن یک باریکه ثبت اضافه کنیم که با مکانیسم کوکی به حرکت در آید و روی آن با حرکت شمارگر علامتی گذاشته شود . بله، از منظر مکانیک کوانتوم این سیستم جمعی بسیار پیچیده‌است و فضای پیکر بندی آن دارای گستره زیادی است . اما اگر قرار باشد به این سیستم مجعی از منظر مکانیک کوانتوم پرداخته شود، اساسا اعتراضی بر آن وارد نیست . در اینجا نیز نظریه احتمال هر یک از پیکربندی‌ها تمامی مختصات را برای هر لحظه در هر بار در نظر می‌گیرد . اگر کسی تمامی پیکربندی‌های مختصات را در نظر بگیرد، برای یک زمان طولانی در مقایسه با زمان متوسط متلاشی شدن هر یک از اتمهای رادیواکتیو ، (دست کم) یک نشانه - ثبت روی باریکه کاغذی پدیدار خواهد شد . برای نیل به مختصات - پیکربندی وضعیت خاصی از نشانه باید روی باریکه کاغذی مطابقت و همخوانی داشته باشد . اما، تا آنجا که این نظریه، نشان می‌دهد تنها احتمال نسبی مختصات-پیکربندی قابل تصور است، این نظریه همچنین، بی آنکه مکان و موقعیت مشخص و معینی برای نشانه قائل باشد، احتمالات نسبی برای وضعیتهای نشانه بر روی باریکه کاغذی را می‌پذیرد .  » اینشتین هیچگاه نسبت به روشها و افکار احتمالی و نیز در مورد آنها بی اعتنا نبود و آنها را رد نمی‌کرد . خود اینشتین یکی از متخصصان آمار بود . ,[۱۹] که از تحلیل آماری در کارهایش در ارتباط با پشنهاد براون و مقالاتی که پیش از سال ۱۹۰۵ به چاپ رسیده بود، استفاده می‌کرد . اینشتین حتی وحدت گیبز را کشف کرده بود . معهذا، بنا به گفته اکثر فیزیکدانها او بر این باور بود که بی علت انگاری یکی از معیارها برای مطرح کردن اعتراض قاطعانه به نظریه فیزیکی است . دلیلی که پولی ارائه می‌کند در تضاد با این باور است، و گفته‌های خود اینشتین بیانگر آن است که او بر عدم تکامل به مثابه دغدغه اصلی خود تمرکز و تاکید داشت . جان استوارت بل در تحقیقاتی که در مورد اینشتین، پودولسکی و روزن انجام داد، به نتایج جالب توجه (تئوری بل) و نابرابری بل بیشتری دست یافت . بر اساس تحلیل EPR در مورد عقاید و تفکراتی که در خصوص نتایج قابل استنتاج از این مساله بیان شده، تفاوت و اختلاف وجود دارد . به زعم بل، نامکانی کوانتوم محرز شده است؛ این در حالی است که دیگران قائل به مرگ علیت باوری هستند . نظریه میدان یکنواخت نوشتار اصلی: نظریات میدان یکنواخت کلاسیک‎ پس از شرح و بسط نظریه نسبیت، تلاشهای تحقیقاتی اینشتین عمدتاً شامل یک سری اقدامات جهت تعمیم نظریه نیروی جاذبه بود که به منظور یکپارچه ساختن و آسان سازی قانون فیزیک، بویژه نیروی جاذبه و الکترومغتاطیسم بود . او در سال ۱۹۵۰ به تشریح این کار پرداخت، و در یک مقاله علمی آمریکایی از آن تحت عنوان نظریه میدان یکنواخت یاد کرد . راهنما و الهام بخش اینشتین این نظر و عقیده بود که یک منبع واحد برای کل قوانین فیزیکی وجود دارد . اینشتین در تحقیقاتش در مورد نظریه نسبیت عام به طور فزاینده‌ای منزوی و از دیگران جدا شد و تلاشهای او در نهایت عقیم و بی نتیجه بود . بویژه، اینشتین در پیگیری وحدت نیروهای اساسی، به طور کل کارهای انجام شده در جامعه فیزیک را نادیده گرفت (و بالعکس)؛ بویژه کشف نیروی اتمی قوی و نیروی اتمی ضعیف که تا حدود ۱۹۷۰؛ یعنی ۱۵ سال پس از مرگ اینشتین به طور مستقل شناخته نشده بود . هدف اینشتین از یکپارچه سازی قوانین فیزیک تحت لوای یک الگوی واحد هنوز هم برای یکپارچه سازی نیروها به قوت خود باقی است . ویژگی‌های شخصی اینشتین در نوازندگی ویلون مهارت داشت .[۲۰] وی از کودکی تلاش داشت تا برای شمار بیشتری از همنوعان خود و به‌ویژه کسانی که در دور و بر او می‌زیسته‌اند سودمند باشد . ویژگی دوم او ذوق هنری او بود که اینشتین را وامیداشت که نه تنها اندیشه کلی مومی خود را به شیوه‌ای روشن و منطقی سازمان دهد بلکه روش سازمان‌دهی و بهینه‌سازی آنها نیز به شیوه‌ای باشد که هم خود او و هم مستمعان، از دید جهان‌شناسی لذت برند . هدف اینشتین این بود که فضای مطلق را از فیزیک براندازد، نظریه نسبیت ۱۹۰۵ که در آن اینشتین فقط به حرکت راستخط یکسان پرداخته بود اینشتین با کمک از اصل تعادل پدیده‌های جدیدی را در گفتگوی نور پیش بینی کند که قابل مشاهده بوده‌اند و می‌توانست درستی نظریه نوین او را از دید تجربی تایید کرد .[نیازمند منبع]   دیدگاه‌های سیاسی اینشتین خود را یک صلح‌طلب [۲۱] و بشردوست قلمداد می‌کرد ، [۲۱] و خود را در سال‌های بعدی، یک سوسیال دموکرات متعهد قلمداد می‌کرد . او یک بار گفت ، «از نظر من نگرش گاندی روشن‌بینانه‌ترین نگرش در میان تمامی سیاست‌مداران زمان ماست . باید تلاش کنیم تا با روحیه وی کارها را انجام دهیم، نه آنکه برای نبرد برای آرمان‌هایمان به خشونت متوسل شویم، بلکه باید این کار را به دور از تمامی پلیدی‌ها انجام دهیم . اینشتین که عمیقا تحت تأثیر گاندی قرار داشت، یک بار در مورد گاندی گفت : « نسل‌های بعدی به سختی باور خواهند کرد که روزگاری چنین موجودی از گوشت و پوست بر روی زمین می‌زیسته‌است .  » گاهی اوقات عقاید اینشتین جنجال‌برانگیز بود . آلبرت اینشتین در مقاله‌ای با نام چرا سوسیالیسم؟ در سال ۱۹۴۹ ، [۲۲] به توصیف مرحله شکارگری رشد انسان پرداخته، و از جامعه سرمایه‌دار، به عنوان منبع پلیدی که باید بر آن فائق آمد نام برده‌است . او با رژیم‌های خودکامه در اتحاد شوروی و دیگر نقاط جهان مخالف بود، و همواره از مزایای سیستم سوسیال دموکرات که ترکیبی از یک اقتصاد برنامه‌ریزی شده توام با احترام به حقوق بشر بود سخن می‌گفت . اینشتین یکی از بنیانگذاران حزب دمکرات آلمان و یکی از اعضای اتحادیه فدراسیون معلمان آمریکا از اتحادیه‌های وابسته به AFL-CIO بود . اینشتین دخالت بسیاری در جنبش حقوق مدنی داشت . او یکی از دوستان نزدیک پل رابسون در طول بیش از ۲۰ سال بوده‌است . اینشتین یکی از اعضای چندین گروه طرفدار حقوق بشر (از جمله بخش پرینستون NAACP) بود که رهبری بسیاری از جنبش‌های آن را پل رابسون بر عهده داشت . او به همراه پل رابسون ریاست «نهضت پایان زجرکشی در آمریکاً را بر عهده داشت . زمانی که دبلیو.ای.بی. دوبویس در دهه هشتاد عمر خود در طول دوره مک‌کارتی به نحوی جاهلانه متهم به جاسوسی برای کمونیست‌ها شد، اینشتین اعلام کرد داوطلبانه حاضر است به عنوان یکی از شهودی که به نفع وی شهادت می‌دهد در جلسه دادگاه حاضر شود . بلافاصله پس از آنکه اعلام شد اینشتین قرار است در جایگاه شهود قرار گیرد این پرونده رد شد . اینشتین گفته‌است "نژادپرستی بزرگ‌ترین بیماری آمریکاست". اف‌بی‌آی پرونده‌ای ۱۴۲۷ صفحه‌ای در مورد فعالیت‌های اینشتین داشت و توصیه می‌کرد که به موجب قانون اخراج بیگانگان از مهاجرت اینشتین به آمریکا ممانعت شود، این اداره اینشتین را متهم به «اعتقاد به اصلی خاص و پیروی و تبلیغ و تدریس آن می‌دانست که از نظر قانون، و به اعتقاد دادگاه‌ها، منجر به ' ایجاد هرج‌ومرج‌طلبی و ایجاد دولتی می‌شد که تنها به اسم دولت'»« نامیده می‌شد . آنان همچنین اینشتین را متهم به »«عضویت، حمایت مالی، یا وابستگی به سی‌وچهار جبهه کمونیست در بین سال‌های ۱۹۳۷ و ۱۹۵۴»« و »«نیز رهبری افتخاری سه سازمان کمونیستی»" کردند .[۲۳] بسیاری از اسناد این پرونده عمدتاً توسط گروه‌های سیاسی غیرنظامی به اف‌بی‌آی تحویل شد، و خود اف‌بی‌آی آنها را تهیه نکرده بود . اینشتین با دولت‌های مستبد مخالف بود، و به همبن دلیل (و به خاطر یهودی بودن)، با رژیم نازی نیز مخالف بوده و بلافاصله پس از آنکه این رژیم به قدرت رسید از آلمان گریخت . هم‌زمان، کارل اینشتین خواهرزاده هرج‌ومرج‌طلب او، که دارای بسیاری از عقاید اینشتین بود، سرگرم جنگ با فاشیست‌ها در جنگ داخلی اسپانیا بود . اینشتین ابتدا با تولید بمب اتم موافق بود، هدف وی اطمینان یافتن از این نکته بود که هیتلر زودتر به سلاح اتمی دست نیابد . ارسال نامه خطاب به رئیس‌جمهور روزولت (به تاریخ ۲ اوت، ۱۹۳۹، پیش از آغاز جنگ جهانی دوم، که احتملا توسط لئو زیلارد نوشته شده بود او را تشویق به آغاز برنامه‌ای برای تولید سلاح هسته‌ای کرد . روزولت با ایجاد کمیته‌ای برای بررسی استفاده از اورانیوم به عنوان سلاح به این نامه پاسخ گفت، و چند سال بعد پروژه منهتن جایگزین این کمیته شد . اما پس از جنگ، اینشتین برای خلع سلاح هسته‌ای و تشکیل یک دولت جهانی مبارزه کرد : « من نمی‌دانم چگونه جنگ سوم جهانی به وقوع خواهد پیوست، اما می‌دانم که مردم در جنگ جهانی چهارم با چوب و سنگ به جنگ هم می‌روند .[۲۴]  » اسکناس شکل جدید اسرائیل در سال ۱۹۶۸ با تصویر اینشتین حمایت از صهیونیسم آلبرت انیشتین از حامیان صهیونیسم بود. حمایت او از صهیونیسم باعث خشم راستگرایان آلمان شد .[۲۵] انیشتین در سال ۱۹۳۹ کتابی نیز به نام «درباره صهیونیسم»( About Zionism ) نوشت .[۲۶] او پس از سفر به آمریکا به سخنرانی هایش به نفع صهیونیسم ادامه داد .[۲۷] اینشتین در یک سخنرانی در هتل کومودور نیویورک، به مردم گفت «آگاهی من از ماهیت اصلی یهودیت با عقیده یک کشور یهودی دارای مرز، ارتش، و درجه‌ای از قدرت دنیوی هر چقدر هم که متعادل باشد، مخالف است . من نگران آسیب داخلی هستم که یهودیت متحمل آن خواهد شد».[۲۸] او همچنین یک نامه سرگشاده منتشر شده در نیویورک تایمز [۲۹] را نیز امضا کرد این نامه مناخیم بگین و حزب ملی‌گرای هروت را خصوصا برای برخورد نامناسب با بومیان عرب در جریان دیر یاسین توسط ارگون پیشینیان هروت محکوم کرد . علی‌رغم این نگرانی‌ها، او در تأسیس دانشگاه عبری در اورشلیم، فعالیت بسیاری کرد و در سال (۱۹۳۰) کتابی با عنوان «در مورد صهیونیسم : مجموعه مقالات و سخنرانی‌های استاد آلبرت اینشتین»، منتشر کرد و مقالات خود را وقف آن دانشگاه کرد. در سال ۱۹۵۲ و پس از درگذشت حییم وایزمن، عزرائیل کارلیباخ، روزنامه‌نگار پرنفوذ اسرائیلی در نامه‌ای به آلبرت اینشتین پیشنهاد داد که مقام رئیس‌جمهوری اسرائیل را بپذیرد، اما اینشتین این پیشنهاد را نپذیرفت و گفت که فاقد توانایی لازم برای این کار است. با این وجود، اینشتین بقیه عمر خود را وقف رفاه اسرائیل و مردم آن کرد[نیازمند منبع] . آلبرت اینشتین از ۱۹ اوت، ۱۹۴۶، با اعلام تشکیل بنیاد آموزش عالی آلبرت اینشتین ارتباط نزدیکی با طرح‌هایی داشت که مطبوعات از آن تحت عنوان «یک دانشگاه همگانی یهودی» نام می‌برد، اما وی در ۲۲ ژوئن، ۱۹۴۷، از حمایت از این بنیاد دست برداشت و با استفاده از نامش در این بنیاد مخالفت کرد. این دانشگاه در سال ۱۹۴۸ با نام دانشگاه برندیس افتتاح شد . اینشتین، به همراه آلبرت شوایتزر و برتراند راسل، علیه آزمایش هسته‌ای و بمب اتم مبارزه کردند. اینشتین به عنوان آخرین اقدام عمومی خود، تنها چند روز پیش از مرگ، بیانیه راسل-اینشتین را امضا کرد، که این اقدام وی منجر به برگزاری کنفرانس پوگواش در مورد علوم و امور جهان شد . تابعیت اینشتین در آلمان به دنیا آمد. وی در ۱۷ سالگی، در ۲۸ ژانویه ۱۸۹۶ با تأیید پدرش خواستار خروج از تابعیت آلمانی خود شد و تا پنج سال یک بی‌تابعیت بود. در ۲۱ فوریه ۱۹۰۱ تابعیت سوئیس را به دست آورد و تا پایان عمر یک شهروند سوئیس بود. اینشتین در ۱۹۱۴ یعنی زمانی که وارد خدمات اجتماعی پروس شد به تابعیت روسیه درآمد، اما به دلیل موقعیت سیاسی و آزار و اذیت یهودیان در آلمان نازی، او خدمات اجتماعی را در مارس ۱۹۳۳ رها کرد و در نتیجه تابعیت روس را نیز از دست داد . در ۱ اکتبر ۱۹۴۰ اینشتین تابعیت ایالات متحده آمریکا را به دست آورد. او تا زمان مرگ ۱۸ آوریل ۱۹۵۵ هم تبعه ایالات متحده آمریکا و هم تبعه سوئیس بود.[۳۰] اینشتین در دنیای تفریحات آلبرت اینشتین تبدیل به موضوع تعدادی رمان، فیلم و نمایش‌نامه، از جمله رمان رمان‌نویس فرانسوی ژان‌کلود کاریر در سال ۲۰۰۵، با نام Einstein S'il Vous Plait (به معنی لطفا آقای اینشتین)، فیلم بی‌اهمیتی ساخته نیکولاس روگ، فیلم آی‌کیو ساخته فرد شپیسی (در این فیلم والتر متهو نقش اینشتین را ایفا می‌کرد)، رمان «رویاهای اینشتین» نوشته آلن لایتمن، و نمایشنامه طنز «پیکاسو در چابکی خرگوش نوشته استیو مارتین شد .اینشتین همچنین موضوع اپرای بی‌همتای اینشتین در ساحل اثر فیلیپ گلس بود . شخصیت طنز اینشتین موضوع نمایش‌نامه تک‌بازیگر اد متزگر با نام آلبرت اینشتین: قلندر اهل عمل نیز بود . اغلب در داستان‌ها از وی به عنوان الگویی برای ترسیم دانشمندان دیوانه و اساتید حواس‌پرت استفاده می‌شود، چرا که شخصیت وی و مدل موهایش نمایانگر بی‌قاعدگی، یا حتی دیوانگی است و اغلب مورد تقلید یا اغراق قرار می‌گیرد . فردریک گلدن نویسنده تایم از اینشتین به عنوان تحقق رویای یک کارکاتوریست یاد کرده‌است.[۳۱] در جشن تولد ۷۲ سالگی اینشتین در سال ۱۹۵۱، آرتور ساسه عکاس یو پی آی تلاش می‌کرد تا وی را متقاعد کند که در برابر دوربین لبخند بزند . اینشتین که این کار را آن روز بارها برای عکاس انجام داده بود، در عوض زبان خود را از دهان خارج کرد .[۳۲] این تصویر به خاطر به تصویر کشیدن تعارض در رفتار یک دانشمند نابغه و سبک سری وی تبدیل به نمادی در فرهنگ عامه شده‌است . یاهو سیریس، یک فیلم‌ساز استرالیایی، این تصویر را به عنوان الهام بین‌المللی برای فیلم بین‌المللی و نابهنگام اینشتین جوان استفاده کرد . این تصویر همچنین در انگلیس به عنوان بخشی از آموزش خوانش پریشی به کار می‌رود، که طی آن مجموعه‌ای از پوسترهای دانشمندان، متفکران و هنرمندان بزرگ به تصویر کشیده شده و ادعا می‌شود (این امر در پوسترها مشخص نشده) که همه آنان مبتلا به خوانش‌پریشی هستند . اظهارات و بحث‌ها بر اساس برخی اظهارات اینشتین یک دانش‌آموز ضعیف بوده و در آموزش با سختی مواجه بوده‌است، یا اینکه دارای نوعی وهم‌گرایی (همچون درخودماندگی، یا نارسایی آسپرجر)، خوانش پریشی، و یا نارسایی بیش‌فعالی فاقد توجه است . بر اساس زندگی‌نامه اینشتین به قلم پیس، این اظهارات بی‌اساس هستند . برخی محققان نیز گهگاه خلاف آن را ادعا کرده‌اند ، [۳۳] اما اکثر مورخان و پزشکان اعتقاد چندانی به تشخیص طبی در گذشته خصوصا در مورد شرایط حاد و بحرانی همچون نارسایی بیش‌فعالی فاقد توجه نداشته‌اند . بررسی مغز آلبرت اینشتین پس از مرگ وی هیچگونه شواهد خاصی در مورد بیماری خاصی به دست نداده‌است . اینشتین در سال ۱۸۹۶ دیپلم خود را گرفت. ۶ بهترین نمره ممکن بود. شایعه رایج در مورد رد شدن اینشتین در درس ریاضی صحت ندارد . بر خلاف آن، اینشتین همواره استعداد عجیبی در علوم ریاضی داشت؛ وقتی او دیپلم خود را به دست آورد، او بهترین نمره (۶ از ۶) را در درس‌های جبر، هندسه و فیزیک به دست آورد .[۳۴] نظام نمره‌دهی در سوئیس، که در آن "۶" بالاترین نمره‌است، ممکن است با نظام نمره‌دهی در آلمان که در آن نمره "۱" بالاترین نمره‌است به اشتباه گرفته شده باشد . با این وجود، آلبرت اینشتین تا ۱۵ سالگی نمرات پایینی در دروس تاریخ، زبان و جغرافیا می‌گرفت .[۳۵] در مورد خصیصه کودکی اینشتین در مورد زبان‌آموزی با تاخیر (که خود به عنوان دلیلی در برابر ادعاهای مبنی بر نارسایی آسپرجر به کار می‌رود : شرح بالینی آسپرجر شامل زبان‌آموزی توام با تاخیر نیست )، شمار معدودی گفته‌اند که اینشتین دارای لالی انتخابی بوده‌است و ممکن است تا زمانی که نتوانسته به صورت کامل جملات را ادا کند از تکلم امتناع کرده باشد . گرچه این مفهوم با طرح یک کمالگرای حساس ( زمانی که اینشتین شروع به صحبت کرد، قبل از اینکه عبارت را یکجا بگوید ابتدا آن را تکرار کرده و بعد آن را ادا می‌کرد )، همخوانی دارد این امر تا جایی ادامه می‌یابد که لالی انتخابی – به نحوی که امروزه شناخته می‌شود – دیگر به عنوان یک سکوت اختیاری در نظر گرفته نمی‌شود . این اصطلاح به تازگی به افرادی اطلاق می‌شود که در شرایط اجتماعی خاصی قادر به صحبت نیستند .[۳۶] این امر در مورد اینشتین، که تا زمانی که شروع به صحبت کرد اصلاً نمی‌توانست سخن بگوید فاقد کارایی است . به گفته دکتر استیو پینکر متخصص اعصاب، کالبدشکافی مغز اینشتین نشان می‌دهد احتمال اینکه اینشتین، در کودکی، یک نوع ناشناس‌تر از تاخیر در تکلم مرتبط با رشد غیرعادی و سریع پیش از تولد در نواحی مغز که مسئول منطق تحلیلی و فضایی است، در وی زیاد است . در واقع رشد سریع این نواحی از مغز منجر شده‌است مجال کمتری به دیگر کارکردهای مغز که مسئول تکلم هستند اختصاص داده شود .[۳۷] پینکر و دیگران از این فرض برای شرح رشد ناهماهنگ دیگر افراد نابغه که دیر زبان به سخن گشوده‌اند همچون جولیا رابینسون ریاضیدان، آرتور روبین اشتاین و کلارا شومن پیانیست، و ریچارد فاینمن و ادوارد تلر فیزیکدان استفاده کردند، گفته می‌شود این افراد نیز در کودکی بخشی از ویژگی‌های خاص اینشتین، همچون کج‌خلقی زیاد، فردگرایی خشن و نیز علایق شدیدا گزینشی را داشته‌اند . توماس ساول رونامه‌نگار و اقتصاددان از دید یک غیرآسیب‌شناس با ساخت واژه‌ای در ارتباط با نارسایی – «نارسایی اینشتین» – این مجموعه مشخصات که در درصد محدودی (گرچه میزان محدودیت قابل بحث است) از کودکانی که گرچه دیر زبان به سخن گشوده‌اند اما از نظر تحلیلی تبدیل به افرادی پیشرفته و (علی‌رغم) دخالت‌های گسترده پزشکی از نظر اجتماعی سرشناس دیده‌می‌شود [۳۸] روابط شخصی نامه‌هایی که اینشتین به خویشاوندان خود نوشته و در دانشگاه عبری بیت‌المقدس نگهداری میشود، مشخص می‌کند که اینشتین در طول حیات خود، معشوقه‌های بسیاری داشته که با دو تن از آنان ازدواج کرده‌است .[۳۹] باربارا وولف از بخش بایگانی اینشتین دانشگاه عبری حدود ۳۵۰۰ صفحه از مکاتبات اینشتین از جمله نامه‌های وی به دو همسر و کودکانش طی سال‌های ۱۹۵۵-۱۹۱۲ را منتشر کرده‌است . اینشتین در نامه‌های خود به همسر دومش السا و دختر وی مارگوت ادعا می‌کند که زنان توجه بسیاری به وی می‌کنند . یکی از معشوقه‌های وی، که یک برلینی سرشناس با نام اتل میچانوسکی بیان داشته که وی مرا تا انگلیس تعقیب کرده، و این کار او غیرقابل تحمل شده‌است[نیازمند منبع] . بیماری اسکیزوفرنی ادوارد پسر اینشتین به شدت وی را عذاب می‌داد، و او بارها گفته بود بهتر بود ادوارد هیچگاه به دنیا نمی‌آمد . اینشتین دخترخوانده خود را می‌ستود و در نامه‌اش به السا در سال ۱۹۲۴، نوشت : « به اندازه دختر خودم، یا شاید بیشتر، مارگوت را دوست دارم، و کسی چه می‌داند اگر من پدر او بودم چه بچه بداخلاقی از وی پدید می‌آمد .  » این نامه‌ها به عنوان شاهدی برای تکذیب ادعاها در مورد بی‌مهری اینشتین به خانواده‌اش به کار رفته‌است . حقوق معنوی اینشتین دارایی‌ها، و نیز استفاده از تصویر خود را به دانشگاه عبری بیت‌المقدس وقف کرده‌است .[۴۰] اینشتین در طول حیات خود از دانشگاه حمایت بسیاری کرده و این حمایت از طریق حق امتیازاتی که از طریق امتیازدهی به فعالیت‌ها دریافت می‌شود ادامه دارد . آژانس روجر ریچمن به عنوان کارگزار دانشگاه عبری بیت‌المقدس صادرکننده پروانه استفاده تجاری از نام آلبرت اینشتین و تصاویر مربوط به وی و دیگر تصاویر شبیه به آن است .این آژانس به عنوان دارنده اصلی پروانه می‌تواند استفاده تجاری از نام اینشتین را که از معیارهای خاصی متابعت نمی‌کند کنترل کند( مثلاً زمانی که نام اینشتین به عنوان یک نشان تجاری به کارمی‌رود باید به همراه آن، نشان ™ به کار رود ).[۴۱] از ماه می، ۲۰۰۵، کوربیس آژانس روجر ریچمن را در اختیار گرفت . افتخارات آلبرت اینشتین شماری از افتخارات خود را پس از مرگ به دست آورده‌است . به عنوان مثال: ·         در سال ۱۹۹۹، تایم اینشتین را مرد قرن نامید.[۴۲] ·         همچنین در سال ۱۹۹۹، نظرسنجی گالوپ اینشتین را چهارمین مرد محبوب جهان در قرن بیستم معرفی کرد محبوبترین. ·         یونسکو به مناسبت صدمین سال مقالات نسبیت خاص، اثر فوتوالکتریک و اثر براوانی سال ۲۰۰۵ را سال جهانی فیزیک نامید. ·         آکادمی ملی علوم تندیس برنز یادبود آلبرت اینشتین را در محوطه مقر این آکادمی، در واشنگتن نصب کرده‌است . از جمله همنام‌های اینشتین می‌توان به این موارد اشاره کرد : ·         واحدی که در نورشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اینشتین. ·         عنصر شیمیایی ۹۹، اینشتینیوم. ·         استروئید ۲۰۰۱ اینشتین. ·         جایزه آلبرت اینشتین. ·         جایزه صلح آلبرت اینشتین. ·         دانشکده پزشکی آلبرت اینشتین دانشگاه یشیوا که در سال ۱۹۵۵ افتتاح شده‌است.[۴۳] ·         مرکز پزشکی آلبرت اینشتین در فیلادلفیا، پنسیلوانیا [۴۴] آثار اینشتین نوشتار اصلی: آثار آلبرت اینشتین‎ اینشتین در طول حیات خود بیش از پنجاه مقاله علمی منتشر کرد. او همچنین آثار غیرعلمی متعددی نیز منتشر کرده‌است، که از آن جمله می‌توان به «درباره صهیونیسم» (۱۹۳۰)، «چرا جنگ؟» (۱۹۳۳، به همراه زیگموند فروید)، «دنیایی که من می‌بینم» (۱۹۳۴)، و «پس از سال‌های پایانی من» (۱۹۵۰) اشاره کرد. ·          
+ نوشته شده در  شنبه نوزدهم آذر 1390ساعت 19:41  توسط زهرا عزیزی  |