نسبيت خاص

 

نسبيت خاص

  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 (با جرم سکون مخالف صفر) كه با سرعت نور حركت كند بايد دارای جرم بينهايت باشد. لذا قانون دوم نيوتن بصورت زير تصيح شد

dt/dmv+dt/mdv=dt/(mv)d=F

2/12c/ 2v-1) /0m=m

 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 اگر 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 و ذراتي 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 دهد 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 که چرا 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 اگر

a=g

 باشد، در اين صورت مشاهدات يكسان خواهد بود(شکل 1).

  

 

 

  شکل 1

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 هنگام کسوف 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.

 

 گرانش و هندسه فضا

 

حال بياييد فرآيندهاي مختلف اثر گرانش را بر امواج الكتروكغناطيسي كه از كنار آن عبور مي كنند بررسي كنيم. تجربه نشان داد كه مسير نور هنگام عبور از كنار يك جسم آسماني مانند ستاره يا كهشان خط مستقيم نيست، بلكه منحني است. شکل 2. اين رفتار تنها شامل نور نيست، بلكه شامل تمام امواج الكترومغناطيسي مي شود. حال اين اثر گرانش را با عدسي مقايسه كنيد. عدسي نيز مسير نور را منحرف مي كند

 

 

 

شکل 2

 

حال ستاره اي را در نظر بگيريد كه بين زمين و يك جسم سماوي ديگر مانند ستاره قرار گرفته باشد و نور آن براي رسيدن به زمين از كنار آن  ستاره مي گذرد. اگر تنها به يك پرتو نوري توجه شود, تنها انحراف آن مشاهده خواهد شد ولي اگر به  دو پرتو نوري كه از آن متصاعد شدوه و از دو طرف ستاره عبور مي كنند, توجه كنيد, آنگاه اين دو پرتو توسط ستاره ي مياني نخست واگرا مي شوند و دوباره همگرا مي گردند و ستاره ي مياني  مانند يك عدسي رفتار مي كند شكل 3

 

 

 

شکل 3

 

اثر عدسي گونه ي گرانش را به سه قسمت مي توان تقسيم كرد. عدسي گونه ي قوي، عدسي گونه ي ضعيف و ميكروعدسي گونه ي. اين آثار به موقعيت جسم و ناظر و جسمي كه مانند عدسي رفتار مي كند   بستگی دارد

 

عدسي گونه ي قوي

اين در حالتي است كه عدسي (جسم عدسي گونه ) بسيار پر جرم است و منبع به اندازه ي كافي به آن نزديك است شكل  3 و 4  كه در اين حالت بيشتر از يك تصوير مشاهده خواهد شد. تصاوير چندگانه نخستين بار در سال 1979 مشاهده شد كه منبع كوسار و عدسي يك كهكشان بود

 

 

 

 

شکل 4

 

عدسي گونه ي ضعيف

در اين حالت عدسي چنان پر جرم نيست كه بتواند از جسم تصاوير مختلفي ارائه دهد. اما مي تواند چنان تصويري از منبع ارائه دهد كه آنرا از شكل طبيعي خود خارج كند. در برخی حالات عدسی از جسم تصویری روشنتر و گاهی بزرگتر از منبع می دهد

 

مکانیک کوانتوم

در پایان قرن نوزدهم میلادی، فیزیک تشکیل شده بود از مکانیک کلاسیک نیوتنی و نظریه الکترومغناطیس ماکسول. از مکانیک کلاسیک برای پیش بینی دینامیک اجسام مادی و بررسی آنها و از نظریه الکترومغناطیس برای مطالعه “تابش” استفاده می شد. ماده و تابش بر حسب “ذرات” و “امواج” توصیف می شدند و رابطه و برهم کنش های بین موج و ذره با استفاده از نیروی لورنتز یا ترمودینامیک تشریح می شد.
در آن زمان فکر می کردند که با استفاده از مکانیک نیوتنی، نظریه الکترومغناطیس ماکسول و ترمودینامیک تمام پدیده های فیزیک در جهان را می توان توضیح داد
اما در آغاز قرن بیستم، ناتوانی فیزیک کلاسیک در توصیف چندین پدیده میکروسکوپی مانند تابش جسم سیاه، اثر فتوالکتریک، پایداری اتم و طیف سنجی اتم باعث شد تا نیاز به نظریه های جدیدی خارج از محدوده فیزیک کلاسیک احساس شود

در سال 1893 ویلهلم وین نظریه ای در باره ی توزیع انرژی تابش جسم سیاه یعنی مقدار انرژی که در یک طول موج معین تابش می کند وضع کرد. بر طبق این نظریه فورمولی به دست آمد که توزیع انرژی را در انتهای بنفش با دقت توصیف می کرد، اما در باره ی توزیع انرژی در انتهای قرمز طیف صدق نمی کرد. از طرف دیگر لرد ریلی و جیمز جینز معادله ای به دست آوردند که توزیع انرژی را در انتهای قرمز طیف بیان می کرد ولی در انتهای بنفش صدق نمی کرد. ماکس پلانک در باره ی این مسئله به پژهش پرداخت و متوجه شد که به جای منطبق ساختن معادلات با واقعیات، باید مفهوم کاملاً جدیدی مطرح کند. به این ترتیب اولین قدم را ماکس پلانک در سال 1900 با معرفی مفهوم کوانتم یا گسستگی انرژی برداشت. وی تنها زمانی توانست پدیده تابش جسم سیاه را توصیف کند که فرض کرد مبادله انرژی بین تابش و محیط با مقدارهای گسسته یا کوانتیزه انجام می شود. این نظر پلانک باعث کشف های جدیدی شد که نتیجه آن ارائه راه حل هایی برای برجسته ترین مسئله های آن زمان بود
در سال 1905 اینشتین که می خواست اثر فتوالکتریک را توضیح دهد، فهمید که نظریه پلانک در مورد کوانتومی بودن امواج الکترومغتاطیسی، باید در مورد نور هم درست باشد. پس با استفاده از راه حل پلانک، فرض کرد که نور از تکه های گسسته انرژی که در سال 1923 فوتون نامیده شد تشکیل شده است. اینشتین با استفاده از این فرض توانست توضیح قانع کننده ای در مورد اثر فتوالکتریک ارائه دهد. گام اصلی بعدی با ارائه مدل اتمی بور برداشته شد. پس از وی در سال 1923 کامپتون کشف مهمی کرد که به اثر کامپتون معروف است که مربوط می شود به برخورد فوتون و الکترونها.
در سال 1923 دوبروی یک مفهوم تازه را بیان کرد : نه تنها امواج رفتار ذره مانند دارند، بلکه ذره های مادی نیز رفتار موج مانند دارند. این فرضیه در سال 1927 بوسیله آزمایش به طور تجربی تایید شد. لازم بود که این فرضیه ها و طرح ها در قالب یک نظریه  مطرح شودکه همه آنها را در بر گیرد و توضیح دهد. در سال 1925 این کار انجام شد و نظریه مکانیک کوانتمی بوسیله شرودینگر و هایزنبرگ ارائه شد. این نظریه به 25 سال کارهای جسته و گریخته که بوسیله پلانک و بور ارائه شد و بعد ها به تئوری کوانتم قدیم معروف شد پایان داد
از نظر تاریخی دو فرمول بندی برای مکانیک کوانتمی وجود دارد. اولی که مکانیک ماتریسی نامیده می شود، بوسیله هایزنبرگ در سال 1925 برای توصیف ساختار اتمی مشاهده شده از طیف ها توسعه یافت. با الهام از پلانک و بور، هایزنبرگ فهمید که تنها مقادیر گسسته انرژی بین سیستم های میکروفیزیکی مبادله می شوند. او کمیت های دینامیکی مانند انرژی، مکان، تکانه و تکانه زاویه ای را با استفاده از ماتریس ها بیان کرد. مکانیک ماتریسی در توصیف نور تابش شده یا جذب شده بوسیله اتم بسیار موفق بود
فرمولبندی دوم که به مکانیک موجی معروف است، در سال 1926 بوسیله شرودینگر ارائه شد که حالت کلی اصل موضوع دوبروی است. این روش با استفاده از یک معادله موج، که معادله شرودینگر نامیده می شود و به جای ماتریس یک معادله دیفرانسیلی است، دینامیک مواد میکروسکوپی را توضیح می دهد.
دیراک با ارائه یک فرمولبندی کلی تر نشان داد که این دو فرمولبندی جداگانه، معادل هستند. نمایش فرمول دیراک در مورد کمیت های پیوسته به معادله شرودینگر و در کمیت های گسسته به فرمولبندی ماتریسی هایزنبرگ منجر می شود. دیراک در سال 1928 با ترکیب نسبیت خاص با مکانیک کوانتمی، معادله ای  به دست آورد که حرکت الکترون ها را توصیف می کرد. به طور خلاصه مکانیک کوانتمی نظریه ای است که دینامیک ماده در مقیاس میکروسکوپی را توصیف می کند. مکانیک کوانتومی تنها چارچوب معتبر برای توصیف دنیای میکروسکپی است.  مکانیک کوانتومی اساس همه بخش های فیزیک مدرن مانند : فیزیک حالت جامد، ملکولی، اتمی، هسته ای، فیزیک ذرات، اپتیک، ترمودینامیک، مکانیک آماری و … است

کوارکها

تا به حال  6 نوع كوارك متفاوت شناسايي شده اند با اين همه فقط دو نوع آنها در تشكيل مواد پايدار معمولي نقش مهمي دارند كه عبارت از كوارك بالا و كوارك پائین هستند

D  (down).  U  (UP)

اگر روابط و نسبتها در اتمها كه در مقايسه با كواركها بزرگ هستند مهم و چشمگير است اين روابط در كواركها ي كوچك مسلماً مهمتر هستند. مثلا كواركها هيچ گاه به تنهايي نقشي را به عهده ندارند بلكه هميشه در گروههاي 2 و 3 تايي هستند ذراتي كه از 2 كوارك تشكيل مي شوند مزون نام دارند ذراتي را كه  3 كوارك دارند بار يون مي نامند. كواركها دركنار بار الكتريکي اي كه دارند خاصيت مرموز ديگري نيز دارا مي باشند كه رنگ خوانده مي شود. كوراكها از اين جهت به قرمز سبز و آبي طبقه بندي مي شود البته از اين طبقه بندي نبايد رنگهاي حقيقي را تصور كرد بلكه منظور نوع بار  الكتريكي آنهاست . بنابراين ذرات آزاد معلق درطبيعت بايد هميشه داراي رنگ خنثي و به عبارت ديگر سفيد باشند به شرح زير نتيجه مي شود يك كوارك قرمز يك كوارك سبز و يك كوارك آبي يك گروه سه تايي مثلا يك پروتون مي سازد

همان طور كه تركيب رنگهاي رنگين كمان رنگ سفيد را به وجود مي آورد ازتركيب رنگهاي سه گانه كوارك نيز سفيد به دست مي آيد به اين ترتيب يك ذره سفيد مجاز و پايدار تشكيل مي شود. امكان ديگر اين است كه يك كوارك قرمز با يك ضد كوارك كه رنگ ضد قرمز دارد يك زوج بسازند قرمز و ضد قرمز همديگر را خنثي كرده رنگي خنثي را به وجود مي آورند. به هرحال چون اين گروههاي دوتايي (مزونها ) از ماده و پادماده ايجاد شده اند خيلي سريع  فرو مي پاشند به اين جهت مزونها پايدار نيستند

كواركها، نوكلئونها را ميسازند و آنها به يكديگر متصل شده هسته اتمها را به وجود مي آروند . هسته ها و الكترونها دراتحاد با يكديگر اتمها را ايجاد مي كنند و اتمها نيز با پيوستن به يكديگر مولكولها ي كوچك و بزرگ از قبيل مولكولهاي آب يا سفيده تخم مرغ را مي سازد

ميلياردها مولكول سلولهاي بدن ما را به وجودمي آورند و هر انسان در بدن خود ميلياردها سلول دارد اما با تمام تقاوتهايي كه انسانها ، جانوران ،گياهان سياره ها و يا ستارگان با يكديگر دارند باز هم تمام آنها فقط از 3 ذره زير بنادي ساخته شده اند كه عبارتند از كوراكهای بالا ، كواركهاي پائین  و الكترونها
 

مدل استاندارد ذرات بنیادی

 

شیمی را می توان با سه ذره بنیادی پروتون، نوترون و الکترون و نیروی الکترومغناطیس فهمید و مباحث مختلف آن را توضیح داد

فیزیک هسته ای را می توان با چهار ذره بنیادی پروتون، نوترون، الکترون و نوترینو-الکترون و نیروهای هسته ای قوی، هسته ای ضعیف و الکترومغناطیس فهمید و تشریح کرد

در عین حال باید توجه داشت که مکانیک کوانتوم نظریه ی ساده ای نیست، زیرا رفتار ذرات مانند رفتار اجسام بزرگ نیست. ما برای شناسایی رفتار ذرات در مکانیک کوانتوم، به یک بینش جدید نیاز داریم

 

پایه بینش

برای شکل دادن به پایه بینش خود در مکانیک کوانتوم، باید به خصوصیات اتمها، ملکولها و سایر ذرات زیر اتمی توجه کنیم. این ذرات به سادگی و به سرعت از مکانی به مکان دیگر حرکت می کنند. این امر پایه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را تشکیل می دهد به طوریکه همواره رابطه زیر بین اندازه حرکت، مکان و ثابت پلانک بر قرار است

 

h= or <  x DPD

 

باید توجه داشت که ذرات نقاط مادی اجسام نیستند که با سرعت ثابت حرکت می کنند

همچنین یکی از ویژگی مهم ذرات اسپین آنهاست. پنچ حالت مختلف اسپین برای آنها تعریف شده است

 

اگر ذره در یک حالت بتواند بماند دارای اسپین صفر است

 

Spin=0

 

 

اگر ذره در دو حالت بتواند بماند دارای اسپین یک دوم است

 

2/1=Spin

 

 

اگر ذره در سه حالت بتواند بماند دارای اسپین یک است

 

1=Spin

 

اگر ذره در پنج حالت بتواند بماند دارای اسپین دو است

 

2=Spin

  

این ذرات را بهد و دسته بوزونها و فرمیونها تقسیم می کنند. بوزونها ذراتی هستند که نیروها را حمل می کنند و فرمیونها ماده را شکل می دهند و از قاعده ی زیر طبعیت می کنند

 

Bosons have Spin=0, 1, 2

 

 

 مدت زيادي اين طور تصور مي شد كه پروتونها و نو ترونها ذرات بنيادي هستند و بنابراين گمان مي رفت مثل الكترون ديگر قابل تقسيم نبوده و داراي يك ساختار داخلي نيستند امروزه مي دانيم كه نو كلئونها يا به عبارت ديگر پروتونها و نو ترونها خود از ذرات كوچكتري ساخته شده اند كه کوارک ناميده مي شوند

  مدل پذیرفته شده استاندارد ساده و شامل یک توضیح ازذرات بنیادی و نیروها است

مدل ستاندارد شامل دوازده ذره فرمیون با اسپین نیم 

 

Spin=1/2

 

 

که شش تای آن کوارک و شش تای دیگر لپتون هستند جدول1 و چهار ذره بوزون با اسپین یک  

 

Spin=1

 

و یک هگز بوزون با اسپین صفر است که هنوز مشاهده نشده است جدول 2. بوزون ها نیروهای اساسی را حمل می کنند

در مدل استاندارد،  جهان از این ذرات ساخته شده است

 

 

 

 

جدول 1

 

 Name

Spin

Electric
charge

Mass

Observed?

Graviton

2

0

0

Not yet

Photon

1

0

0

Yes

Gluon

1

0

0

Indirectly

W+

1

+1

80 GeV

Yes

W

1

-1

80 GeV

Yes

Z0

1

0

91 GeV

Yes

Higgs

0

0

> 78 GeV

Not yet

جدول 2

 

بسیاری از فیزیکدانان اعتقاد دارند بزرگترین چالش فیزیک در قرن بیست و یکم به تحقیقات روی ذرات هگز مربوط می شود

اما سئوال این است که اصولاً هگز چیست؟

کلمه هگز اولین بار در سال 1960 توسط پتر هگز وارد فیزیک شد

ایده اساسی چنین است که تمام ذراتی که با یکدیگر کنش و واکنش دارند، کنش آنها توسط یک میدان اعمال می شود که توسط ذره هگز بوزون حمل می شوند

 

مشكلات نسبيت و مكانيك كوانتوم

 

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 هنگام كسوف كامل خورشید با نوری كه از طرف ستاره ی مورد نظری به سوی زمین در حركت بود و از كنار خورشيد می گذشت مورد تحقيق قرار دادند كه با پیشگویی نسبيت تطبیق می كرد. این موفقيت بسيار بزرگی برای نسبيت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسی و خواص توپولوژيك فضا بررسی واقعیت های فيز يكی  را به حاشیه راند. مضافاً اين كه گرانش را از فهرست نیروهای اساسی طبيعت در فيزيك نظری حذف كرد.

مشكلات اساسی نسبيت را می توان به صورت زير فهرست كرد:

 

1- مشكل نسبيت با مكانيك كوانتوم: مكانيك كوانتوم ساختار ریز و كوانتومی كميت ها و واكنش متقابل آنها را مورد بررسی قرار می دهد. به عبارت ديگر نگرش مكانيك كوانتوم بر مبنای كوانتومی شكل گرفته است. در این زمينه تا جايی پيش رفته كه حتی اندازه حركت و برخی دیگر از كميتها را كوانتومی معرفی می كند. این نتايج بر مبنای يكسری شواهد تجربی مطرح شده و قابل پذيرش است. علاوه بر آن تلاشهای زيادی انجام می شود تا پديده های بزرگ جهان را با قوانين شناخته شده در مكانيك كوانتوم توجيه كنند. حال به نسبيت توجه كنيد كه فضا-زمان را پيوسته در نظر می گيرد. بنابراين نسبیت با مكانيك كوانتوم ناسازگار است. تلاشهای زيادی انجام شده تا به طريقی يك همانگی منطقی و قابل قبول بين نسبيت و مكانيك كوانتوم ايحاد شود. در اين مورد كارهای ديراك شايان توجه است كه مكانيك كوانتوم نسبيتی را پايه گذاری كرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبيت عام موفقیت چندانی نصيب فيزيكدانان نشده است.

 

2- پيچيدگی و عدم وجود تفاهم در نسبيت: پيچيدگی نسبيت موجب شده كه تفاهم منطقی بين فيزيكدانان در مورد نتايج و پيشگويی های نسبيت وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر نسبيت شديداً قابل تفسير است. اين تفاسيرگاهی چنان متناقض هستند. البته اين برداشتهای متفاوت از نسبيت ناشی از گذشت زمان نيست، بلكه از آغاز حتی برای خود اينشتين كه نسبيت را مطرح كرد وجود داشت. به عنوان مثال: اينشتين از سال 1917 شروع به تدوين يك نظريه قابل تعميم به عالم کرد. وی با مشكلات حل نشدنی رياضی برخورد كرد. به همين دليل در معادلات گرانش عبارت مشهور ” پارامتر عالم ” را وارد كرد. ملاحظات وی در اين موضوع بر دو فرضيه مبتنی بود.

 

الف- ماده دارای چگالی متوسطی در فضاست كه در همه جا ثابت و مخالف صفر است.

ب- بزرگی ” شعاع ” فضا به زمان بستگی ندارد.

 

در سال 1922 فریدمان نشان داد كه اگر از فرضیه دوم چشم پوشی شود، می توان فرضیه اول را حفظ كرد بی آنكه در معادلات به پارامتر عالم نيازی باشد. فريدمان بر اين اساس يك معادله ی دیفرانسيل به صورت زير ارائه كرد:

 

(dR/dt)^2 – C/R+K=0

 

در واقع سالها قبل از كشف هابل در مورد انبساط فضا، فریدمان دقیقاً كشفيات او را پيش بينی كرده بود. معادله ی فريدمان معادله ی اصلی كيهان شناخت نيوتنی است و بدون تغيير در نظريه نسبيت عام نيز صادق است. اينشتين بر همه نتايج به دست آمده توسط فريدمان اعتراض كرد و مقاله ای نيز در اين باب انتشار داد. سپس حقايق را در فرضيه فريدمان ديد و با شجاعت كم نظيری طی نامه ای كه برای سردبير مجله آلمانی فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف كرد.

بيشتر مشکلات نسبيت ناشی از خواصی است كه به علت وجود ماده برای فضا قايل می شوند. كه در آن هندسه جای فیزيك را می گيرد. زمانی پوانكاره گفته بود كه اگر مشاهدات ما نشان دهد كه فضا نااقلبدسی است، فيزيكدانان می توانند فضای اقليدسی را قبول كرده و نيروهای جديدی وارد نظريه های خود كنند. اما نسبيت چنین نكرد و ماهيت پديده های فيزيكی را به دست فراموشی سپرد. هرچند پديده های فيزيكی را بدون ابزار محاسباتی، اعم از جبری و هندسی نمی توان توجيه كرد، اما فيزيك نه هندسه است و نه جبر، فيزيك، فيزيك است وبس!!!

 

 3- مشكل گرانش نيوتنی در نسبيت همچنان باقی است: در نسبيت فضا-زمان دارای انحناست. هرچه ماده بيشتر و چگالتر باشد، انحنای فضا بيشتر است. سئوال اين است كه اين انحنای فضا تا كجا می انجامد؟ در نسبيت فضا می تواند چنان تابيده شود كه حجم به صفر برسد. برای آنكه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد كه حجم به صفر برسد، بايد جرم به سمت بی نهايت ميل كند. يعنی نسبيت نتوانست مشكل قانون گرانش را در مورد تراكم ماده در فضا حل كند، علاوه بر آن بر مشكل افزود. زيرا قانون نيوتن می پذيرد كه ماده تا بی نهايت می تواند متمركز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نيست. اما نسبيت علاوه بر آن كه می پذيرد ماده می تواند تا بی نهايت متراكم شود، پيشگويی می كند كه حجم آن نيز به صفر می رسد.  

 

راه حل ها  

1- مشاهدات تجربی و قوانین شناخته شده در فیزیک کوانتوم نشان می دهد كه قانون جهانی گرانش نيوتن (يا حجم صفر نسبيت) بايد مجدداً مورد بررسی قرار گيرد.

2- قانون دوم نيوتن نياز به برسی مجدد دارد، اما نه به گونه  ایكه افزايش جرم (انرژی) را تا بینهايت بپذيرد. جرم-انرژی بينهايت در نسبيت مانند سرعت بی نهايت در مکانيك نيوتنی غير واقعی و با مشاهدات تجربی ناسازگار است.

 3- ساختار هندسی فضا تابع چگالی ماده است كه از نيروی گرانش آن ايجاد می شود. به عبارت ديگر اين نيروی گرانش است كه ساختار هندسی فضا را شكل می دهد، نه شكل هندسی فضا موجب ايجاد پديده ای می شود كه ما آن را گرانش می ناميم. در واقع گرانش نه تنها يك نيروی اساسی است، بلكه منشاء توليد انرژی است.

 4- در ساختار كلان حهان همان قانونی حاكم است كه در كوچكترين واحدهای كميت های طبيعت حاكم است. يعنی قوانين جهان ميكروسكپی را می توان به جهان ماكروسپی تعميم داد.

 نتيجه:

  مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتوم و نسبيت را بايد همزمان مورد بررسی مجدد قرار داد و به باور شهودی صاحب این قلم این كار را باید با تعریف ساختمان فوتون انجام داد. همانطور که در نظریه سی. پی. اچ. مطرح شده است.

نظريه ريسمانها  

چرا نظريه ريسمانها مطرح شد؟

در مدل استاندارد ذرات بنيادی، به ذرات به عنوان نقاطی توجه می شد كه در فضا حركت می كنند و بوسيله ترسيم يك خط رديابی می شود كه جهان حط می نامند . برای بررسی كنش آنها كه در طبيعت مشاهده می شود، درجات آزادی آنها فقط شامل مكان و سرعت، همچنين جرم، بار الكتريكی و رنگ (كه  پيوند بار الكتريكی و كنش قوی است) يا اسپين مورد توجه است

مدل استاندارد كالبد نظريه ميدان كوانتومی را طراحی می كند كه ابزاری به دست می دهد تا نظريه ها را طوری بسازيم كه شامل مكانيك كوانتوم و نسبيت خاص نيز باشند. با اين ابزارها، نظريه ها طوری طرح ريزی می شوند كه  موفقيت بزرگی برای توضيح چهار كنش (نيروی)  شناخته شده در طبيعت را داشته باشند. به علاوه يك موفقيت بزرگ برای يكسان سازی بين نيروی های الكترومغناطيس و هسته ای ضعيف به دست آمده كه الكتروويك ناميده می شود و نطرها را به سوی كنش هسته ای قوی سوق می دهد

اما متاسفانه چهارمين كنش (نيرو)، يعنی گرانش كه به طور زيبايی در نسبيت عام اينشتين تشريح شده در اين طرح ديده نمی شود. و همه ی تلاشها برای به دست آوردن نسبيت عام از نظريه ميدان كوانتومی بيهوده بوده است

به عنوان مثال نيروی بين دو گراويتون (ذراتی كه نيزوی گرانش را حمل می كنند)، بی نهايت می شود و ما نمی دانيم چگونه اين بی نهايت را مي توان توجيه كرد  

در نظريه ريسمانها تعداد بيشماری انواع ذرات با يك سنگ بنای اساسی يعنی “ريسمان” جايگزين می شود. ریسمان یک مقدار بسیار کوچک انرژی است.

اين ريسمانها می توانند شبيه حلقه به يكديگر بسته شوند يا نظير مو باز شوند. همچنانكه ريسمان در زمان حركت می كند، يك لوله يا صفحه را ترسيم می كند و با توجه به شرايط باز يا بسته می شود

بعلاوه ريسمان آزاد است كه نوسان كند و نوسانات مختلف ريسمانها ذرات مختلف را به نمايش می گذارد، از اين رو جرم های مختلف يا اسپين مختلف را ترسيم می كند

يك طريق نوسان موجب می شود كه ريسمان به صورت الكترون جلوه گر شود و نوع ديگر به صورت فوتون ظاهر می شود. در اينجا حتی يك جلوه ی آن توضيح دهنده گراويتون است. گراويتون ذره ای است كه نيروی گرانش را حمل می كند و اين دليل بسيار مهمی است كه چرا نظريه ريسمانها تا اين اندازه مورد توجه قرار می گيرد

نكته اينجا است كه ما می توانيم كنش دو گراويتون را در نظريه ريسمانها احساس كنيم و اين چيزی است كه نظريه ميدان گرانشی توان آن را ندارد. در اينجا بی نهايتی وجود ندارد! بنابراين اين نخستين موفقيت نظريه ريسمان بود كه شامل گرانش كوانتومی می شد كه شبيه نسبيت عام در فاصله های بزرگ می شود

علاوه بر آن نظريه ريسمان ضرورتاً دارای چنان درجه آزادی است كه بتواند ساير كنش ها را به خوبی توضيح دهد

از اين رو اميد بخش است كه نظريه ريسمان قادر است چهار نيروی شناخته شده را يكسان سازی كند و به صورتی ساده در يك نظريه تحت عنوان ” يك نظريه برای همه چيز” مطرح كند

 

از ريسمان تا ابرريسمان

 

ذرات شناخته شده در طبيعت به صورت زير دسته بندی می شوند

ذراتی كه دارای اسپين درست هستند كه بوزون ناميده می شوند

و ذراتی كه دارای اسپين نادرست هستند كه فرميون ناميده می شوند

دسته اول نيروها را حمل می كنند، به عنوان مثال فوتون نيروی الكترومغناطيس را حمل می كند، گلوئون نيروی قوی هسته ای را حمل می كند و گراويتون نيروی گرانش را حمل می كند

در نهايت ماده نظير پروتون از كوارك ساخته شده اند

نظريه اصلی ريسمان تنها ذرات بوزون را توضيح می داد، از اين نظر آن را نظريه بوزونيك ريسمان می گويند

اين نظريه فرميون ها را توضيح نمی داد. بنابراین كوارك و الكترون را شامل نمی شد

 با مطرح كردن ابر تقارن برای نظريه بوزونيك ريسمان، ما می توانيم يك نظريه جديد به دست آوریم كه هر دو نيرو و ماده را توضيح دهد كه جهان از آنها ساخته شده است و اين نظريه ابر ريسمان است

در اينجا سه نوع نظريه ابر ريسمان وجود دارد كه حس می شود و نشان دادن آنها بدون رياضيات ناسازگارند

 در دو تا از آنها شيئی اساسی يك ريسمان بسته است، در حاليكه در سومی ريسمان باز سنگ بنای آن است

 علاوه بر آن با بهترين امتزاج خصوصيات نظريه بوزونيك ريسمان و ابر ريسمان، ما می توانيم دو نظريه ريسمان ديگر بيافرينيم   

در هر صورت  اين تنوع در نظريه ريسمان يك آشفتگی است. اگر ما برای يك نظريه برای همه چيز تلاش كنيم، پنج تا از انها را خواهيم داشت كه قوی ترين آنها ام-تئوری خواهد بود

 

بعدهای اضافی

 

بزرگترين مسئله قابل استناد در نظريه ريسمان اين است كه فضا- زمان ده بعدی است. در نگاه اول احتمالاً چنين به نظر می رسد كه اين دليلی است برای كنار گذاشتن كل نظريه كه مشاهدات ما نشان می دهد تنها سه بعد برای فضا و يك بعد برای زمان داريم. در هر صورت اگر ما فرض كنيم كه شش بعد ديگر محكم به يكديگر يیچيده شده، آنگاه ديگر ما از هستی دور نشده ايم. عقيده چنين است كه درجات آزادی بار الكتريكی يك الكترون شامل ابعاد اضافی بيشتری خواهد بود

اصل اينكه فشردگی ابعاد ممكن است ما را به يك نظريه يكسان سازی رهنمود شود، جديد نيست و به دهه يكهزارو نهصد و بيست و به نظريه های كالوتسا و كلين بر می گردد، از اين رو نظريه ريسمان نهايت نظريه کالوتسا-كلين است

برای سادگی، معمولاً فرض می شود كه اين شش بعد اضافی به شش  حوزه پيچيده شده اند

 

نظریه سی. پی. اچ

 

 

Theory of CPH

 مقدمه
از نظر نیوتن نیروی گرانش صرفاً یک تابع از جرم و فاصله بین دو جسم بود. از نظر اینشتین گرانش اثر هندسی فضا- زمان بود. اینشتین این نگرش را با یک سری معلادلات پیچیده و پیشرفته توسعه داد و خواص هندسی فضا را تحلیل کرد. به همین دلیل هیچ کس به ماهیت گرانش توجه نکرد و همه تلاش ها معطوف به تشریح خواص هندسی فضا شد.
علاوه بر آن هم ارز سازی نیروهای گرانش و الکترومغناطیس دغدغه خاطر بسیاری از فیزیکدانان بزرگ نظیر   کالوتسا   و کلین (بینیان گزاران نظریه ریسمانها) بود. اینشتین نیز 35 سال از عمر خود را در این زمینه سپری کرد. امروز حدود 50 سال پس از در گذشت او فيزيكدانها موفق شده اند نشان دهند كه در درجه حرارتها و انرژيهاي بسيار بالاتفاوت بين نيروي الكتروو مغناطيسي و نيروي ضعيف از بين مي رود امكان دارد كه در در جه حرارتها و انرژي ذره اي خيلي بالاتر تفاوت بين نيروي قوي و نيروي ضعيف و همچنين تفاوت بين “لپتونها ” و “كواراكها ” نيز از بين برود به گونه اي كه فقط يك ذره اوليه و يك نيروي اوليه وجود داشته باشد

چنين روابطي را حتي با بزرگترين شتابدهنده ها نيز نمي توان برقراركرد ولي “فرضيه وحدت نيروها ” احتمالاَ مي توانسته مدت بسيار كوتاهي پس از “انفجار اوليه ” وجود داشته باشد يعني زماني كه هنوز تمام كيهان به صورت يك گو ي آتشين فوق فشرده و داراي بار انرژي عظيمي بوده است . در قلمرو كوچكترينها هنوز مطالب قابل پژوهش زيادي وجود دارد . مثلا فيزيكدانهاي قرن 21 مي توانند اين پرسش را مطرح كنند كه آيا كواركها و الكترونها هم از ذرات كوچكتري ساخته شده اند ؟

چنین نگرشی در مورد یکسان سازی نیروها و ذرات بنیادی با تصورات و پیشگویی دیراک مغایرت دارد. دیراک در سال 1968 اظهار داشته بود که امکان هم ارز سازی نیروها وجود ندارد. افزون بر آن از دیدگاه دیراک فوتون و الکترون نقاط فیزیکی هستند که نمی توان ساختمان آنها را مورد توجه و بررسی قرار داد. بنابراین از نقطه نظر دیراک که تلاشهایش در شکل گیری فیزیک کوانتوم نسبیتی ستودنی است، هرگونه تلاش برای یکسان سازی نیروها و شناخت ساختمان ذراتی چون فوتون و الکترون بی نتیجه است  
آیا دیراک درست گفته است؟
آیا یک نیروی واحد در طبیعت وجود ندارد؟

 نتایج آزمایشها در انرژی ها بالا و نیز وحدت نیروهای هسته ای و الکترومغناطیس موجب شد که فیزیکدانان نظریه های ج

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s