جهان با انفجاری مشابه بیگ‌بنگ به پایان خواهد رسید

همه ما در مورد انفجار بزرگ یا بیگ‌بنگ که دانشمندان معتقدند سرآغاز تشکیل عالم است، چیزهایی شنیده‌ایم. اخیرا فیزیک‌دانان ادعا کرده‌اند که جهان ما به‌زودی توسط انفجاری مشابه با بینگ‌بنگ به پایان رسیده و نابود می‌شود.

محققان دانشگاه هاروارد با انتشار نتایج تحقیقات جدید مدعی شده‌اند که بی‌ثباتی ذرات کوانتومی بوزون هیگز که به ذره خدا مشهور است، می‌تواند به انفجار انرژی توسعه‌دهنده هر آن‌چه که به عنوان عالم شناخته می‌شود، منجر گردد. چنین انفجاری می‌تواند قوانین فیزیک و شیمی را زیر‌ و ‌رو کند. دانشمندان می‌گویند طبق محاسبات آن‌ها این رخداد می‌تواند در ۱۰ به توان ۱۳۰ سال دیگر روی دهد. برای تصور بزرگی این عدد کافی است که عدد یک را نوشته و جلوی آن تعداد ۱۳۰ عدد صفر قرار دهید!

آن‌ها هم‌چنین با دقت ۹۵ درصدی اعلام کرده‌اند که حداقل تا ۱۰ به توان ۵۸ سال دیگر جهان به حیات خود ادامه خواهد داد. ذرات بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲ طی انجام آزمایشی کشف شد که توسط شتاب‌دهنده هادرونی بزرگ یا LHC، ذرات زیر‌اتمی پروتون به یکدیگر برخورد داده شدند. این موضوع در همان اوایل تحقیق که بوزون هیگز دارای وزن مخصوص بود، کشف گردید. ما می‌دانیم اگر این وزن مخصوص تغییر کند می‌تواند موجب نابودی عناصر سازنده حیات گردد.

هرگونه بی‌ثباتی در ذره بوزون هیگر می‌تواند موجب انفجار بزرگی مشابه انفجار بیگ‌بنگ  گردد که حیات را شکل داد. محققان معتقدند چنین بی‌ثباتی می‌تواند در اطراف سیاهچاله‌ها روی دهد که منحنی‌های فضا–زمان در اطراف اجسام به شدت متراکم و قوانین فیزیک متفاوت و سردرگم هستند و باعث می‌شود ذرات به روش‌های نامتعارفی با یکدیگر کنش و واکنش داشته باشند. اما نکته ترسناک ماجرا این است که محققان می‌گویند احتمال دارد فرایند بی‌ثباتی هم اکنون نیز در حال وقوع باشد و ما هیچ راهی برای دانستن و یا جلوگیری از آن نداریم.

نوشته جهان با انفجاری مشابه بیگ‌بنگ به پایان خواهد رسید اولین بار در پدیدار شد.

استیون هاوکینگ در سن ۷۶ سالگی از دنیا رفت

جامعه علمی جهان در پی از دست دادن یکی از نوابغ بزرگ و شخصیت‌های مشهور خود در سوگ نشسته است. استیون هاوکینگ که امروزه نامش مترادف با فیزیک نظری مدرن است، دیروز در سن ۷۶ سالگی درگذشت. هیچ‌کس انتظار نداشت که او بیش از ۳۷ سال عمر کند ولی او تا چند دهه دیگر به حیات پربارش ادامه داد.

همانند بسیاری از افراد که به این سطح از شهرت می‌رسند، نام او نیز تنها در بین جوامع علمی و محققان و دانشمندان شناخته شده نبود، بلکه او در دنیای رسانه‌ها نیز بسیار محبوب و مشهور بود؛ طوری که استیون هاوکینگ در محافل علمی به یک سلبریتی دانشمند تبدیل شده بود. او در دنیای علم بیشتر به خاطر مطالعات و نظریاتش در رشته‌های کیهان‌شناسی و فیزیک و مباحث جذابی چون سیاه‌چاله‌ها و نسبیت شناخته شده بود. وی اواخر عمرش سمت ریاست بخش مطالعات کمبریج در مرکز کیهان‌شناسی نظری را بر عهده داشت.

شهرت استیون هاوکینگ تنها به دانشگاه محدود نمی‌شد. وی بخشی از شهرتش را مدیون داستان زندگی سخت و بخشی را وام‌دار شخصیتش بود که او را در میان محبو‌ب‌ترین افراد فرهنگی تاریخ معاصر قرار داد. هاوکینگ مبتلا به یک بیماری سیستم عصبی حرکتی شده بود اما خود او تا پیش از ۴۰ سالگی به این شهرت نرسیده بود! فلج شدن او و استفاده از تکنولوژی برای غلبه بر این ناتوانی‌ به عنوان یک منبع الهام‌بخش برای درک و خردش تبدیل شد.

فیلم زندگینامه شخصی استیون هاوکینگ با نام نظریه همه‌چیز (The Theory of Everything) نیز ساخته شد و شخصیت و مطالعاتش دست‌مایه ساخت مستند‌های زیادی قرار گرفت. استیون با ظاهر بسیار منحصر‌ به فردش روی یک صندلی چرخ‌دار قرار گرفته بود و تنها راه برقراری ارتباط وی با دنیای بیرون از طریق صدایی سنگین و خسته بود که یک کامپیوتر برایش تولید می‌کرد. این چیزی بود که نمونه آن را شاید تنها در فیلم‌ها و کارتون‌ها دیده بودیم. حتی در سریال کمدی و مشهور نظریه انفجار بزرگ نیز از شخصیت او استفاده شد.

زمانی که او در ماه اکتبر سال گذشته، متن پایان‌‌نامه دکترای خود را با عنوان ویژگی‌های گسترش جهان‌ها (Properties of expanding universes) به صورت رایگان در دسترس قرار داد، استقبال از آن به حدی بود که سرور‌های سایت کمبریج از کار افتاد. او امید داشت که دسترسی رایگان به پایان‌نامه تحقیقاتی او موجب ادامه راه توسط محققان جوان و الهام‌بخش فیزیک‌دانان نسل‌های بعد برای اثرگذاری‌شان در دنیای علم و خدمت به بشر باشد؛ همانطور که خود او چنین کرد.

نوشته استیون هاوکینگ در سن ۷۶ سالگی از دنیا رفت اولین بار در پدیدار شد.

اثبات وجود دریچه ای برای ورود به فیزیک جهان تاریک

فیزیکدانان نظری فرضیه جدیدی مطرح کرده اند که هدف آن، برقراری ارتباط میان فیزیک اشیای مرئی و نیروهای پنهان جهان است: اگر درگاهی وجود داشته باشد که روی فاصله میان مدل استاندارد ماده تاریک و انرژی تاریک پل بزند، چه می شود؟

گویا آی تی – ایده اصلی این فرضیه آن است که، دلیل آنکه در شناخت چیزهایی مانند ماده تاریک و انرژی تاریک بسیار به زحمت افتاده ایم، آن نیست که آنها وجود ندارند؛ بلکه دلیلش آن است که نسبت به درگاهی که می تواند محل تعامل و برهمکنش ذرات معمولی و این ذرات “تاریک” باشد، بی اعتنا بوده ایم. وجود این درگاه را می توان به صورت تجربی آزمایش کرد.
ایده وجود چنین درگاه هایی در جهان، در نگاه اول بسیار عجیب به نظر می رسد.، اما یک لحظه توجه کنید: ما از درگاههایی در ابعاد کوانتومی صحبت می کنیم؛ یعنی در مقیاس بسیار بسیار کوچک. نه درگاهی که بتوان یک فضاپیما را از آن رد کرد.

و این اولین باری نیست که این نوع از درگاهها در جهان فیزیک نظری بررسی و کشف شده است.
یک شکاف بزرگ در جهان فیزیک وجود دارد که بین آنچه می توانیم “فیزیک قابل مشاهده” بنامیم و آنچه “فیزیک تاریک” می دانیم، به وجود امده است. به همین دلیل می توان وجود مفهومی مثل درگاه را در نظر گرفت. فیزیک قابل مشاهده، به چیزهایی مربوط می شود که می توانیم اندازه بگیریم و مستقیما شناسایی نماییم؛ مانند امواج الکترومغناطیسی و فوتون ها. اما فیزیک تاریک، از چیزهایی تشکیل شده که می توانیم آثار آنها را احساس کنیم، اما نمی توانیم با آنها تعامل داشته باشیم؛ مثل ماده تاریک و انرژی تاریک. درگاه ها، نشان دهنده تلاش ما برای توضیح شیوه تعامل این دو جهان ظاهرا مجزا می باشد. همین تعاملات هستند که جهان ما را شکل داده اند.

قسمت قابل مشاهده فیزیک، بر محور ۱۷ نوع ذره می گردد که مدل استاندارد را تشکیل می دهند؛ از جمله این ذرات می توان به الکترون ها، فوتون ها، و بوزون هیگز اشاره کرد.
اما متاسفانه، مدل استاندارد نمی تواند همه آنچه که شاهد وقوعش در جهان هستیم را توضیح دهد. مهم تر از همه آنکه، این مدل نمی تواند گرانش یا نرخ انبساط جهان را توضیح دهد.
این مسئله باعث شد دانشمندان نیروهای فرضی ماده تاریک و انرژی تاریک را معرفی کنند. پیش بینی می شود این نیروها ۹۵ درصد از جهان را تشکیل داده باشند.
تحقیقات مختلف نشان داده اند که ممکن است ذرات پنهان و تاریکی وجود داشته باشند که ماده تاریک و انرژی تاریک را تشکیل دهند، اما ابزارهای ما نمی توانند آنها را آشکار کنند. اما آزمایش هایی مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون، روی آن کار می کنند. در این آزمایش ها، ذرات منظم با سرعت فوق العاده بالا با هم برخورد می کنند، به امید آنکه در خرابه های باقی مانده از آنها، چیزی به دست آید که نمایند بخش تاریک فیزیک باشد.

اما تاکنون، جهان فیزیک تاریک موفق شده خودش را از ما پنهان نگه دارد. و همین امر یک شکاف بزرگ ایجاد که محققان بسیار مشتاق اند آن را پر کنند و در نهایت درک ما از جهان را تکمیل نمایند.
در حال حاضر یک راه حل احتمالی پیشنهاد شده است. طبق نتایج یک تحقیق جدید که توسط محققان موسسه علوم پایه کره جنوبی انجام شده، با یک درگاه جدید، که “درگاه axion تاریک” نامیده می شود می توان روی این فاصله پل زد.
درگاههای میان جهان تاریک و جهان قابل مشاهده فیزیک، همان چیزی هستند که فیزیکدانان نظری به دنبالش می گردند. اما تا کنون، فقط دو نوع درگاه معرفی شده است: درگاههای برداری و درگاههای axion

این درگاه ها بر اساس دو ذره فرضی بخش تاریک که محققان وجود آنها را پیش بینی کرده اند، طراحی شده اند: axion و فوتون تاریک
Axion، ذره بسیار سبکی است که برای حل برخی از مسائل نظری با مدل استاندارد پیشنهاد شده است. فوتون تاریک، مانند فوتون قابل مشاهده ای است که تاریک شده باشد. در علم فیزیک، فوتون را ذره تشکیل دهنده نور مرئی می دانند.
فوتون های تاریک به جای آنکه مثل فوتون های معمول، با بار الکترومغناطیسی برهمکنش داشته باشند، با چیزی به نام بار تاریک هم جفت می شوند. این جفت شدگی توسط ذرات دیگر بخش تاریک انجام می گیرد.
در گذشته، درگاههای axion و برداری برای یافتن شواهد دال بر وجود این دو ذره مورد استفاده قرار می گرفتند، اما در تحقیق جدید نشان داده شده که درگاه axion تاریک، همان قطعه گم شده ی پازل ماست.
ایده اصلی پیشنهاد این درگاه جدید، آن است که یک نوع کوارک سنگین در مدل استاندارد وجود دارد که یک بار تاریک را نیز حمل می کند. این بارها می توانند با فوتون های تاریک برهمکنش داشته باشند.

به گفته تیم تحقیقاتی مذکور، Axionها، فوتون ها و فوتوهای تاریک، همگی می توانند با این کوارک سنگین برهمکنش داشته باشند.
به گفته سرپرست این تیم تحقیقاتی، لی های سانگ، “درگاه axion تاریک، اولین ارتباط بامعنا را میان دو جهان فیزیکی برقرار کرده است. این دو جهان، قبلا به صورت جداگانه مطالعه می شدند”.
“به این ترتیب می توانیم داده هایی که قبلا به دست آمده را مجددا تفسیر کنیم و در جستجوی خود برای پیدا کردن فوتون تاریک و axion ها به موفقیت برسیم”.
این تیم تحقیقاتی تاکنون فقط ایده وجود این درگاه را مطرح کرده و به نحوه عملکرد آن اشاره کرده بود، اما این روزها آزمایش های جدیدی را پیشنهاد می دهند که می توان در آنها با استفاده از این درگاه، یک بار برای همیشه ثابت کرد که آیا axionها و فوتونهای تاریک واقعا وجود دارند یا خیر.
این ایده بسیار جسورانه است، و ما تا زمانی که آزمایش های بیشتری انجام ندهیم، هیچ نشانه ای از صحت یا عدم صحت آن به دست نخواهیم آورد.
حتی زمانی که راهی برای شناسایی بخش تاریک فیزیک پیدا کنیم، فقط نیمی از تصویر جهان را دیده ایم؛ به همین دلیل دانشمندان باید آنقدر روی این ایده کار کنند تا پازل تصویر جهان کامل شود.

فیزیکدانان برای اولین بار طیف نور پادماده را مشاهده کردند

بعد از دو دهه آزمایشات گوناگون، دانشمندان شاغل در آزمایش ALPHA در آزمایشگاه سرن بالاخره طیف نور ساطع شده توسط پادماده را مشاهده کردند، و بالاخره پژوهش طولانی مدت آنها در زمینه ذره به نتیجه رسید.

گویا آی تی – آلن کاستلکی، فیزیکدان نظری از دانشگاه ایندیانا، که خود در این تحقیق شرکت نداشت، به سایت NPR می گوید،” بعد از چندین دهه تلاش برای ایجاد پادماده و مقایسه خواص آن با ماده، این اتفاق یک نقطه تاریخی است. ”
به گفته جِفری هَنگست، سخنگوی پروژه ALPHA، ” استفاده از لیزر برای مشاهده حرکت در پادهیدروژن و مقایسه آن با هیدروژن برای فهمیدن این که آیا آنها از قوانین فیزیکی مشابه پیروی می کنند، همیشه هدف اصلی در پژوهش های پادماده بوده است.”
پادماده چیز عجیبی است. آن از پادذرات دارای جرم مشابه با ذرات عادی، اما دارای بارهای مخالف، اعداد لپتونی و اعداد باریونی تشکیل شده است (لپتون ها و باریون ها ذرات زیر اتمی هستند). همان طور که از نام آنها مشخص است آنها مشابه هم هستند اما دقیقاً مخالف ماده عادی قرار دارند. در واقع آنها همانند انعکاس در آینه هستند. ما می دانیم که پادماده وجود دارد، ما آن را در آزمایشگاه مشاهده کرده ایم، اما چرا کیهان از ماده پر شده است و حدس زده می شود که تقریباً به طور کامل خالی از پادماده باشد. حقیقت این است که تولید پادماده در آزمایشگاه آنقدر سخت و پر هزینه است که کار تحقیق و مطالعه بر روی این ماهیت اسرارآمیز را دشوار می کند. با این وجود، نظریه ذرات مدرن پیش بینی می کند که هر ذره در کیهان دارای پادذره معکوس خود است. این یکی از بزرگ ترین مسائل حل نشده در فیزیک است.

طیف پادماده
اتم ها از الکترون هایی تشکیل شده اند که به دور هسته می چرخند. وقتی الکترون ها حرکت می کنند نور را در فرکانس های مختلف ساطع و جذب می کنند، که نشان دهنده طیف اتم است. هر عنصر دارای طیف خاص خود است که از طریق آن قابل شناسایی است و مطالعه این طیف ها (که طیف نمایی نامیده می شود) کاربردهای متعددی در علوم شیمی، فیزیک و نجوم دارد. اما این درباره پادماده چگونه است؟
در آزمایش ALPHA (دستگاه فیزیک لیزری پادهیدروژن) در آزمایشگاه سرن، حدود ۱۴ اتم پادهیدروژن به دام انداخته شد و سپس با لیزر متلاشی شدند تا نوع نوری که جذب می کنند مشاهده شود. ALPHA یک آزمایش منحصر به فرد است که قادر است اتم های پادهیدروژن را تولید کرده و آنها را در یک تله مغناطیسی با طراحی ویژه نگه دارد و به طور هم زمان در پاد اتم ها کمی تغییر ایجاد کند. به تله انداختن اتم های پادهیدروژن باعث می شود بتوان آنها را با استفاده از لیزر یا منابع تابشی دیگر مطالعه کرد.
هَنگست می گوید، “حرکت دادن و به دام انداختن پاد پروتون ها یا پوزیترون ها ساده است زیرا آنها ذرات بارداری هستند. اما وقتی این دو را با هم ترکیب کنیم به پادهیدروژن خنثی می رسیم که به دام انداختن آن بسیار دشوار است، بنابراین با در نظر گرفتن این حقیقت که پادهیدروژن دارای خاصیت مغناطیسی اندکی است، ما یک تله مغناطیسی بسیار خاص طراحی کرده ایم.”

همانطور که ما انتظار داشتیم (و امیدوار بودیم که این گونه باشد)، این طیف پادهیدروژن با طیف هیدروژن یکسان بود.
تیم ثارپ از ALPHA در گفتگو با رایان مَندلبام از سایت Gizmodo می گوید، ” مدت ها تصور بر این بود که پادماده یک انعکاس دقیق از ماده است و ما در حال جمع آوری شواهدی هستیم که نشان دهیم این موضوع درست است.”
به این دلیل می گویم امیدوار بودیم زیرا اگر این طیف ها یکسان نبودند می توانست به این معنی باشد که بسیاری از موضوعاتی که امروزه تصور می کنیم درست هستند – مانند نظریه بیگ بنگ و نسبیت خاص انیشتین – اشتباه از آب در می آمدند. نسبیت خاص اشاره می کند که اگر دو ناظر با سرعت نسبی به سمت هم حرکت کنند یک ماهیت واحد به نام فضا- زمان برای آنها به دو بخش فضا و زمان تقسیم می شود. یکسان بودن این طیف ها بدین معناست که تئوری نسبیت یک آزمایش دیگر را با موفقیت پشت سر گذاشته است. اما پژوهشگران از قبل برنامه ریزی کرده اند تا پادماده بیشتری را تولید کرده و آن را با یک نوع لیزر متفاوت متلاشی کنند تا طیف های بیشتری را مشاهده نمایند.
فیزیک ذرات یک دنیای پیچیده و عجیب است و ما صرفاً در حال حاضر این شانس را پیدا کرده ایم تا نظریه های ارائه شده در دهه های گذشته را آزمایش کنیم. با توجه به این حقیقت که درستی این نظریه ها در حال اثبات شدن است، و این که پژوهشگران شواهد زیادی در درستی این نظریه ها یافته اند، می تواند گواهی باشد بر ذهن های درخشان و نبوغ افرادی که به رشد علم در این حوزه کمک کرده اند.

فیزیکدانان برای اولین بار طیف نور پادماده را مشاهده کردند

بعد از دو دهه آزمایشات گوناگون، دانشمندان شاغل در آزمایش ALPHA در آزمایشگاه سرن بالاخره طیف نور ساطع شده توسط پادماده را مشاهده کردند، و بالاخره پژوهش طولانی مدت آنها در زمینه ذره به نتیجه رسید.

گویا آی تی – آلن کاستلکی، فیزیکدان نظری از دانشگاه ایندیانا، که خود در این تحقیق شرکت نداشت، به سایت NPR می گوید،” بعد از چندین دهه تلاش برای ایجاد پادماده و مقایسه خواص آن با ماده، این اتفاق یک نقطه تاریخی است. ”
به گفته جِفری هَنگست، سخنگوی پروژه ALPHA، ” استفاده از لیزر برای مشاهده حرکت در پادهیدروژن و مقایسه آن با هیدروژن برای فهمیدن این که آیا آنها از قوانین فیزیکی مشابه پیروی می کنند، همیشه هدف اصلی در پژوهش های پادماده بوده است.”
پادماده چیز عجیبی است. آن از پادذرات دارای جرم مشابه با ذرات عادی، اما دارای بارهای مخالف، اعداد لپتونی و اعداد باریونی تشکیل شده است (لپتون ها و باریون ها ذرات زیر اتمی هستند). همان طور که از نام آنها مشخص است آنها مشابه هم هستند اما دقیقاً مخالف ماده عادی قرار دارند. در واقع آنها همانند انعکاس در آینه هستند. ما می دانیم که پادماده وجود دارد، ما آن را در آزمایشگاه مشاهده کرده ایم، اما چرا کیهان از ماده پر شده است و حدس زده می شود که تقریباً به طور کامل خالی از پادماده باشد. حقیقت این است که تولید پادماده در آزمایشگاه آنقدر سخت و پر هزینه است که کار تحقیق و مطالعه بر روی این ماهیت اسرارآمیز را دشوار می کند. با این وجود، نظریه ذرات مدرن پیش بینی می کند که هر ذره در کیهان دارای پادذره معکوس خود است. این یکی از بزرگ ترین مسائل حل نشده در فیزیک است.

طیف پادماده
اتم ها از الکترون هایی تشکیل شده اند که به دور هسته می چرخند. وقتی الکترون ها حرکت می کنند نور را در فرکانس های مختلف ساطع و جذب می کنند، که نشان دهنده طیف اتم است. هر عنصر دارای طیف خاص خود است که از طریق آن قابل شناسایی است و مطالعه این طیف ها (که طیف نمایی نامیده می شود) کاربردهای متعددی در علوم شیمی، فیزیک و نجوم دارد. اما این درباره پادماده چگونه است؟
در آزمایش ALPHA (دستگاه فیزیک لیزری پادهیدروژن) در آزمایشگاه سرن، حدود ۱۴ اتم پادهیدروژن به دام انداخته شد و سپس با لیزر متلاشی شدند تا نوع نوری که جذب می کنند مشاهده شود. ALPHA یک آزمایش منحصر به فرد است که قادر است اتم های پادهیدروژن را تولید کرده و آنها را در یک تله مغناطیسی با طراحی ویژه نگه دارد و به طور هم زمان در پاد اتم ها کمی تغییر ایجاد کند. به تله انداختن اتم های پادهیدروژن باعث می شود بتوان آنها را با استفاده از لیزر یا منابع تابشی دیگر مطالعه کرد.
هَنگست می گوید، “حرکت دادن و به دام انداختن پاد پروتون ها یا پوزیترون ها ساده است زیرا آنها ذرات بارداری هستند. اما وقتی این دو را با هم ترکیب کنیم به پادهیدروژن خنثی می رسیم که به دام انداختن آن بسیار دشوار است، بنابراین با در نظر گرفتن این حقیقت که پادهیدروژن دارای خاصیت مغناطیسی اندکی است، ما یک تله مغناطیسی بسیار خاص طراحی کرده ایم.”

همانطور که ما انتظار داشتیم (و امیدوار بودیم که این گونه باشد)، این طیف پادهیدروژن با طیف هیدروژن یکسان بود.
تیم ثارپ از ALPHA در گفتگو با رایان مَندلبام از سایت Gizmodo می گوید، ” مدت ها تصور بر این بود که پادماده یک انعکاس دقیق از ماده است و ما در حال جمع آوری شواهدی هستیم که نشان دهیم این موضوع درست است.”
به این دلیل می گویم امیدوار بودیم زیرا اگر این طیف ها یکسان نبودند می توانست به این معنی باشد که بسیاری از موضوعاتی که امروزه تصور می کنیم درست هستند – مانند نظریه بیگ بنگ و نسبیت خاص انیشتین – اشتباه از آب در می آمدند. نسبیت خاص اشاره می کند که اگر دو ناظر با سرعت نسبی به سمت هم حرکت کنند یک ماهیت واحد به نام فضا- زمان برای آنها به دو بخش فضا و زمان تقسیم می شود. یکسان بودن این طیف ها بدین معناست که تئوری نسبیت یک آزمایش دیگر را با موفقیت پشت سر گذاشته است. اما پژوهشگران از قبل برنامه ریزی کرده اند تا پادماده بیشتری را تولید کرده و آن را با یک نوع لیزر متفاوت متلاشی کنند تا طیف های بیشتری را مشاهده نمایند.
فیزیک ذرات یک دنیای پیچیده و عجیب است و ما صرفاً در حال حاضر این شانس را پیدا کرده ایم تا نظریه های ارائه شده در دهه های گذشته را آزمایش کنیم. با توجه به این حقیقت که درستی این نظریه ها در حال اثبات شدن است، و این که پژوهشگران شواهد زیادی در درستی این نظریه ها یافته اند، می تواند گواهی باشد بر ذهن های درخشان و نبوغ افرادی که به رشد علم در این حوزه کمک کرده اند.

رمزگشایی ماده خیالیِ پاد ماده توسط دانشمندان علم فیزیک

دانشمندان مرکز تحقیقاتی سرن برای اولین بار درون پاد ماده را رمز گشایی کردند. پاد ماده چیزی بیش از یک مفهوم علمی تخیلی است که دانشمندان را در مسیر علم می راند. در واقع این ماده یک عضو واقعی و بسیار کوچک در عالم هستی است. در حالی که پاد ماده بسیار نادر است اما در شرایط مناسب می تواند وجود داشته باشد. اطلاعات در خصوص نحوه رفتار پاد ماده ابزار قدرتمندی در خصوص آزمایش مدل استاندارد در فیزیک ذرات که ما هم اکنون از آن برای درک بهتر نیرو هایی که در نحوه رفتار ذرات موثر هستند استفاده می کنیم، ارائه می کند.

پاد ماده نخستین بار در سال ۱۹۲۸ توسط فیزیکدان انگلیسی پاول دیراک پیش بینی شد. او پیشنهاد کرد که هر یک از ذرات ماده می بایست که پاد ماده مرتبط با خود داشته باشند. این پاد ماده ها در همه جوانب کاملا مشابه با  همتای ذره ای شان هستند به غیر از بار شان. به عنوان مثال، پاد ماده ی الکترون دارای بار منفی، آنتی الکترون بار مثبت که پازیترون نیز نام دارد می باشد. هنگامی که ماده و پاده رو به روی یکدیگر قرار می گیرند آن ها یک دیگر را نابود کرده و تنها یک انرژی را باقی می گذراند. انفجار بزرگ ( بیگ بنگ) می بایست تعداد برابری از ماده و ضد ماده به جای گذاشته باشد اما امروزه جهان ما توسط ماده احاطه شده است و مقدار بسیار کمی از پاد ماده باقی مانده است. درک این موضوع قدمی عظیم در درک بهتر منشا و تکامل جهان هستی می باشد. با این حال، پاد ماده ای که به صورت طبیعی به وجود می آید  اغلب به سرعت پس از رویارویی با ماده جهان از بین می رود. هم اینک، فیزیک دان های ذره ای هر از گاهی می توانند در مرکز کاهنده ضد پروتونی سرن به صورت موقت پاد ماده را برای تحقیقات تولید کنند، که همین موضوع منجر به رسیدن به دستاورد های نوینی در خصوص رفتار و مشخصه های پاد ماده شده است.

پادماده

در مقاله ای که اخیرا توسط Nature  منتشر شده است، بخش ALPHA مرکز سرن اخیران اعلام کرده است که موفق شده است خط طیفی اتم پاد هیدروژن را اندازه گیری کند. این نتیجه بدست آمده در اثر ۲۰ سال تحقیق و تلاش است و از طریق لیزری برای مشاهده انتقال اتمی ۱S-2S در پاد هیدروژن بدست آمده است. در محدودیت های آزمایش، نتایج بدست آمده توسط ALPHA این انتقال در هیدروژن و پادهیدروژن کاملا مشابه است، این شرایط در مدل استاندارد ذکر شده است. اگر این انتقال ها با یکدیگر متفاوت بودند، درک فعلی ما از علم فیزیک بهم میریخت.

انتقال ۱S-2S یکی از انتقال هاییست که در طیف هیدروژنی وجود دارد. هنگامی که الکترون ها توسط تابشی به نام “ریزش” از سوی درجات بالاتر انرژی در اتم به سمت درجات پایین تر انرژی ساتع می شود یک طیف ایجاد می شود. این پروسه در طول موج های دقیقی تولید انرژی می کند. هر یک از عناصر طیفی منحصر به خود تولید می کند که مانند اثر انگشتی برای هرکدام است. منجمان اغلب از این طیف ها برای تعیین ترکیب یک شی بر اساس نوری که تولید می کند استفاده می کنند.

برای دیدن انتقال ۱S-2S در پاد هیدروژن، تیم ALPHA نخست می بایست آنتی اتم تولید کرده و آن ها را پایدار نگه دارد که به هیچ وجه کار آسانی نبود. دستور العمل ALPHA برای ساخت پاد هیدروژن شامل ترکیب پلاسما های شامل پاد پروتون و پوزیترون ها بوده است که منجر به ساخت پاد هیدروژن شوند.  پاد اتم های حاصله  به صورت مغناطیسی به دام می افتند تا برای آزمایش استفاده شوند. از تعداد اولیه ۹۰ هزار پاد پروتون، محققان موفق شدند  ۲۵ هزار اتم آنتی هیدروژن تولید کنند و از میان  آن ها در هر مرحله تنها ۱۴ آنتی اتم به دام افتادند. با تاباندن نور به اتم های پاد هیدروژن توسط لیزر تا دقیقا همان مقدار انرژی لازم به آن منتقل شود تا انتقال صورت گیرد، محققان توانستند انتشار بدست آمده را مشاهده کنند تا در آن به دنبال تفاوت در قیاس با هیدروژن معمولی بگردند.

نتایج بدست آمده به همراه نتایجی که از دیگر آزمایش های انجام شده توسط ASACUSA و BASE انجام گرفتند نشان دهنده پیش رفت چشمگیر سرن در زمینه تحقیقات پاد ماده هستند.

آیا تا پیش از این، با مفهوم پاد ماده آشنا بوده اید؟ نظر خود را در باره این مطلب علمی با گویا آی تی در میان بگذارید و این مقاله را برای علاقمندان علم فیزیک و اختر فیزیک بر روی شبکه اجتماعی نشر دهید.

منبع:astronomy.com

راهکار تازه دانشمندان برای نامرئی کردن سطوح

اکثر لنزها، عدسی‌ها و لیزرها دارای یک روکش ضد انعکاس هستند. متاسفانه این روکش‌ها تنها در دامنه محدودی از طول موج عملکرد قابل قبولی دارند. به یک تابش الکترومغناطیسی (مثل نور) که می‌تواند به شکل موج پخش شود، طول موج می‌گویند.

گویا آی تی – دانشمندان شاخه سیستم‌های هوشمند بنیاد ماکس پلانک اشتوتگارت، فناوری جدیدی که جایگزین این روکش‌ها خواهد شد معرفی کرده‌اند. این پژوهشگران به جای قرار دادن روکش روی سطوح خود آنها را دستکاری کردند. این شیوه جدید در مقایسه با روش‌های مرسوم سنتی، اثر ضد انعکاسی بسیار بهتری داشته و در دامنه گسترده‌تری از طول امواج عمل می‌کند. اما جدای از همه این مزیت‌ها این روش جدید موجب شده که مقدار عبور نور از سطوح هم افزایش قابل توجهی پیدا کند. به لطف این سطوح ساخته شده از نانو شاهد افزایش کیفیت و بهبود عملکرد لیزرهای پر انرژی، صفحات لمسی و همچنین افزایش توان خروجی صفحات خورشیدی خواهیم بود.

پژوهشگران بنیاد ماکس پلانک این تکنیک جدید را با الهام از طبیعت و بررسی ویژگی‌های قرنیه چشم حشره بید طراحی کرده‌اند. قرنیه‌های چشم این حشره که معمولا علاقه بیشتری به فعالیت شبانه دارد تقریبا کل میزان نور وارده را از خود عبور داده و تنها درصد بسیار ناچیزی از آن را منعکس می‌کنند. چشمان بید در شب تابش نور را ساطع نکرده، از این رو شکارچیان احتمالی به هیچ عنوان متوجه حضور این حشره نخواهند شد. ضمنا انعکاس کمتر نور به این معنی است که بیدها قادر به استفاده از نور بسیار کم شب‌ برای مشاهده محیط اطراف هستند.
این جادوی دنیای حشرات به دانشمندان الهام بخشید که برای طراحی و ساخت تجهیزات نوری از شیوه‌ای مشابه با عملکرد قرنیه چشم بید استفاده کنند. ابزارهایی که با استفاده از این روش طراحی خواهند شد باید همانند قرنیه‌های بید، باید به نور اجازه دهند که نور را از خود عبور داده و کمترین میزان انعکاس نور در آنها اتفاق بیفتد. در حال حاضر طراحان ابزارها روی لنزها، صفحات نمایش، مانیتورها و تجهیزات لیزری روکش ضدانعکاس قرار می‌دهند. البته این روکش‌ها معایب متعددی دارند. اکثر این روکش‌ها تنها در یک دامنه طول موج محدود عمل کرده و بسته به زاویه‌ی انتشار نور، موجب بروز خطا در عملکرد لنزها می‌شوند.

به کارگیری شیوه عملکرد قرنیه‌ی چشمان بید این مشکلات بزرگ را مرتفع خواهد کرد. برای این منظور دانشمندان آلمانی به رهبری پروفسور یواخیم اشپاتز، به بررسی دقیق نحوه عملکرد قرنیه چشمان حشره بید پرداختند. ژائولو دیائو، فیزیکدان گروه عملکرد چشمان بید را این طور توضیح می‌دهد: ”سطح چشم بید با ساختارهای ستون مانند بسیار متراکمی پوشانده شده است. این ساختارها تنها چند صد نانومتر طول ارتفاع داشته و به شکل یک مخروط کنار هم قرار گرفته‌اند. این ستون‌ها شبیه ”چکیده‌هایی“ هستند که به طور منظم کنار یکدیگر و روی سطح یک گودال چیده شده‌اند. چکیده‌ها مخروط‌های آهکی کف غارها هستند که در اثر چکیدن قطره‌های آب آهکی از سقف غارها و یا از نوک مخروط‌های استالاکتیت در کف غار تشکیل می‌شوند. زمانی که نور از این لایه مرزی مخروطی شکل عبور می‌کند، تغییر پیوسته ضریب شکست آن از هوای اطراف محیط چشم شروع شده و به مواد لایه‌های بیرونی چشم بید ختم می‌شود.

این تغییر تدریجی ضریب شکست نور موجب می‌شود لایه قرار گرفته روی چشم بید مانع از انعکاس نور ورودی به آن شود؛ به عبارت دیگر تقریبا تمام نور ورودی به چشم نفوذ کرده و هیچ بخشی از آن منعکس نمی‌شود. در مقابل، در زمان برخورد نور ورودی با یک سطح صاف، ضریب شکست نور به طور ناگهانی تغییر کرده و طبق قوانین فیزیک، این امر موجب انعکاس نور می‌شود. دیائو یکی دیگر از پیش‌نیازهای لازم برای عدم انعکاس نور را هم اضافه می‌کند: ”فواصل بین ستون‌ها باید فوق‌العاده کوچک‌تر از طول موج نور ورودی باشند.“
دانشمندان به‌منظور تقلید شیوه عملکرد چشمان بید نیازمند پیدا کردن راهی برای تبدیل سطوح صاف به سطوحی پر از ستون‌های کوچک نانویی بودند. آنها برای انجام این مهم یک فرآیند دو مرحله‌ای طراحی و اجرا کردند. در گام اول، ذرات طلا را روی یک سطح بزرگ شش گوش (شبیه لانه زنبور) ته‌نشین کردند. ذرات طلا در در این الگوی معمولی شش گوش دقیقا در محل تقاطع خطوط قرار می‌گرفتند. در گام دوم، تقاطع‌های پر شده از طلا در یک فرآیند ماشینکاری شیمیایی (اصطلاحا ”سونش“) به شکل یک روپوش مخصوص در می‌آیند؛ در نتیجه، هیچ ماده‌ای از سطخ زیرین تقاطع‌های پوشیده از طلا نشت نکرده و ساختارهای عمودی ستون مانند مورد نیاز روی سطح تشکیل می‌شوند. این سطوح ساختارمانند در فواصل دو در دو سانتی‌متر پوشانده می‌شوند.

مهم‌ترین مساله ارتفاع ستون است
تا چندی پیش این تکنیک تنها برای اشعه ماوراء بنفش (UV) با طول موج کوتاه و همچنین نور مرئی جواب داده بود (نور مرئی قسمتی از طیف الکترومغناطیسی با طول موجهای بین ۴۰۰ تا۷۰۰ نانومتر بوده که توسط چشم انسان قابل مشاهده است؛ در یک سمت این ناحیه، منطقه مادون قرمز و در سمت دیگر آن اشعه‌های ماوراءبنفش، ایکس و گاما قرار دارند). این تکنیک در طول امواج بلندتر که به اشعه مادون قرمز نزدیک‌تر (NIR) هستند عمل نمی‌کند. این مشکل ناشی از اندازه ستون‌هاست. در اوایل شروع پروژه، ستون‌ها به فاصله ۵۰۰ نانومتر بیرون از سطح قرار می‌گرفتند. ستون‌ها به اندازه کافی بلند نیستند تا به عبوردهی نور به میزان ۵/۹۹ درصد یا بیشتر که مورد نیاز طول امواج بلندتر اشعه مادون قرمز نزدیک‌تر (NIR) است، برسند. دیائو توضیح می‌دهد: ” هر چه امواج نور طولانی‌تر باشند، ما باید ستون‌های نانومتری بلند‌تری بسازیم.“
نهایتا این گروه از محققان روش‌های خود را بهینه‌سازی و روشی جدید برای افزایش اندازه ذرات طلای ته‌نشین شده که به شکل ستون روی سطوح قرار می‌گیرند، پیدا کردند. دیائو:”این امر موجب شد سونش بیشتر ماده امکان‌پذیر شود.“ دانشمندان هم اکنون قادر به برجسته‌سازی ستون‌ها به ارتفاع ۲۰۰۰ نانومتر یا به عبارتی ۲ میکرومتر هستند، ۴ برابر بیشتر از مقدار قبلی یعنی ۵۰۰ نانومتر.

تکنیک‌های جدید تغییر شکل ستون‌های نانویی را هم برای دانشمندان امکان‌پذیر کرده است. آنها هم اکنون قادر به تغییر شیوه‌ قرارگیری ستون‌های مخروطی از پایین به بالا بوده و همچنین امکان تعیین دقیق اندازه نوک مخروط‌ها را هم دارند.لیزرهای پر توان
عدسی
اشعه
عبور در طی پروسه دستکاری دانشمندان متوجه شدند یکدست بودن ستون‌های مخروطی شکل، موجب عبور بیشترین میزان نور از سطوح می‌شود.
دانشمندان بعد از تست ستون‌ها با اندازه‌های مختلف، تائید کردند که بهترین میزان عبوردهی نور برای طول امواج مختلف را به دست آورده‌اند. در ستون‌هایی با ارتفاع ۹۵/۱ میکرومتر میزان عبوردهی نور در بهترین حالت ممکن ۸/۹۹ درصد بود، به عبارت دیگر برای طول امواج بلندتر اشعه مادون قرمز تقریبا ۴/۲ میکرومتر. با افزایش ارتفاع ستون، دامنه طول امواج با میزان عبوردهی نور بیشتر می‌شود. در لایه‌هایی با ستون‌هایی به ارتفاع ۹۵/۱ میکرومتر، بیشترین میزان عبور دهی نور به ۵/۹۹ یا بیشتر می‌رسد، یا به عبارتی پوشش تقریبا۴۵۰ نانومتر از کل طیف. در ستون‌های کوچک‌تر، بزرگترین روزنه عبور نور تنها ۲۵۰ نانومتر عرض عرض دارد.
میزان بالای عبوردهی نور در کنار انعکاس بسیار کم آن، پایه و اساس ”کاربردهای نامرئی“ هستند زیرا چنین موادی بعد از قرارگیری روی سطح، به خاطر نور موجود در محیط غیرقابل تشخیص‌ می‌شوند. بعد از پروسه ساخت ستون‌ها از یک قطعه‌ شیشه کوارتز روی آنها قرار می‌گیرد؛ معمولا مردم قادر به تشخیص نمای کلی شیشه کوارتزی که رو‌به‌روی آنها قرار بگیرد نبوده و دوربین‌ها هم قادر به ضبط آنها نیستند. اما زمانی که دانشمندان بنیاد ماکس پلانک یک تصویر را با قطعه‌ای از شیشه کوارتز پر از ستون‌های نانویی پوشاندند، حتی زمانی که از زوایه تند یا از لبه بالایی به آن نگاه می‌شد، تصویر همچنان قابل مشاهده بود (تصویر را ببینید). در مقابل، شیشه کوارتزی که سطح آن دستکاری نشده باشد نور ورودی را به میزان زیادی منعکس کرده به طوری که بینندگان حتی در زاویه ۳۰ درجه هم قادر به مشاهده هیچ چیز نخواهند بود.

خروجی‌های بیشتر برای لیزرهای پر توان
در اولین گام آزمایشی دانشمندان فرضیه خود را با استفاده از شیشه کوارتز امتحان کردند. البته در آینده قصد تست تکنیک‌ها روی لنزهای نوری و یاقوت‌ها را دارند . به محض اثبات عملی بودن این تکنیک‌ها روی مواد جدید، دانشمندان مشتاق بررسی کاربردهای آن هستند. بدون شک در صنایعی که استفاده از تجهیزاتی که انعکاس نور در آنها نزدیک به صفر بوده، دامنه بسیار گسترده‌ای از طول امواج را پوشش داده و میزان عبوردهی نور از آنها نزدیک ۸/۹۹ درصد است، کاربرد وسیعی خواهند داشت. دیائو باور دارد که ”یکی از حوزه‌های بسیار مهم حوزه لیزرهای پر توان (High Energy Laser) است که در دامنه اشعه مادون قرمز عمل می‌کنند.“ به خصوص در بعضی از سیستم‌های لیزری خاص که در آنها نور در زمان عبور پیوسته تقویت شده، انعکاس کم نور باعث فقدان قابل توجه انرژی خواهد شد. دیائو به این نکته هم اشاره می‌کند: ”بعد از ۵۰ بار برخورد اشعه نور با سطحی که میزان عبوردهی نور از آن ۵/۹۹ درصد است، بیست و سه درصد انرژی از بین خواهد رفت.“ اگر میزان عبوردهی نور ۸/۹۹ درصد باشد کل میزان انرژی تلف شده بعد از ۵۰ بار عبور نور، احتمالا ۱۰ درصد خواهد بود. علاوه بر این در آزمایشات انجام شده مشخص شد که سطوحی که از ساختارهای نانویی بهره می‌برند در مقایسه با روکش‌های ضدانعکاس، در برابر لیزرهای پر توان، مقاومت بسیار بیشتری دارند.
از دیگر کاربردهای عملی می‌توان به ساخت لنزها، عدسی‌ها یا صفحات لمسی پیشرفته‌تر اشاره کرد. سطوحی که از ساختارهای نانویی بهره می‌برند مزیت دیگری هم به ارمغان می‌آورند. در این رابطه دیائو این طور توضیح می‌دهد: ”این تکنیک نه تنها برای ساخت سطوح صاف مناسب است، بلکه امکان استفاده از آن در سطوح منحنی و خمیده هم وجود دارد. این امر برای لنز دوربین‌ها و میکروسکوپ‌ها فوق‌العاده مفید خواهید بود. البته قبل از این که این تکنیک بتواند بهبودی در عملکرد صفحات لمسی ایجاد کند باید به فکر راهکاری برای حل مشکل آلودگی توسط لمس انگشتان کاربر خواهد بود. آزمایش‌ها نشان داده‌ که لمس توسط انگشتان دست‌ اثرات مشهودی روی صفحه‌نمایش باقی می‌گذارد. بعد از گذشت مدت زمانی چند این امر موجب صدمه زدن به سطح صفحه‌نمایش شده و منجر به کاهش بسیار زیاد میزان عبوردهی نور خواهد شد. البته دانشمندان با استفاده از مقدار کمی الکل آزمایشگاهی قادر به پاک کردن آسان آلودگی‌‌ها از روی سطوح شیشه‌ای شدند ولی با این وجود باید به دنبال راهکار مناسب‌تری بود.

دامنه اطلاعات ما از جهان هستی به کجا محدود خواهد شد؟

در این مطلب قصد داریم به برخی سوالات کاربردی درباره جهان هستی بپردازیم. سوالاتی که قطعا برای هرکدام از ما پیش آمده است. سوالاتی چون فراتر از کیهان چه چیزی وجود دارد؟ جهان ما در حال تبدیل شدن به چه چیزی است؟ آیا جهان هستی تا ابد منبسط خواهد شد؟آیا مرزی برای دانش انسان وجود دارد؟ آیا محدودیت‌های اساسی در مسیر علم قرار دارد؟

اگر شما نیز مشتاق به فهم پاسخ این سوالات هستید بهتر است تا انتهای این مقاله با گویا آی تی همراه باشید.

در پاسخ به تمامی این سوالات باید گفت ما هنوز هیچ پاسخی برای این سوالات نداریم و نمی توانیم به طور قطعی بگوییم که آیا حد و مرزی برای دانش ما وجود دارد یا خیر. اما می توان گفت به نظر نمی رسد مرزی برای دانسته های ما وجود ندارد. هرچند فراز و نشیب های بیشماری در مسیر یادگیری ما قرار گرفته اند اما هنوز به قطعیت نمی توان نظری در این باره داد. البته هستند افرادی که معتقدند ما هیچ وقت به علم پیدایش جهان دست نخواهیم یافت و هیچ زمان نخواهیم فهمید که پیش از انفجار بزرگ چه اتفاقی رخ داده است. اما به نظر می رسد این تفکرات کمی خودخواهانه باشد زیرا هیچ کس مرز دانش انسان را نمی داند و همانطور که یافته های امروز ما از نجوم در ۵۰ سال پیش غیر ممکن به نظر می رسید ما نیز نمی توانیم به قطعیت بگوییم که تا چه میزان فرا خواهیم گرفت.

how-much-more-can-we-learn-about-the-universe2

البته این صحبت به آن معنا نخواهد بود که ما در طبیعت محدودیتی نداریم زیرا ما در مشاهده و مطالعه ی طبیعت محدودیت هایی داریم به عنوان مثال  اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بیان می کند که نمی‌ توان تمام مشخصات حرکتی یک ذره را در هر لحظه از زمان دانست. همچنین بیشترین فاصله ‌ای که در یک بازه ‌ی زمانی قادر به دیدن و حرکت در آن هستیم توسط سرعت نور محدود شده است. اما این محدودیت‌ها صرفا به نشان دهنده این است که چه چیزی را نمی‌ توانیم مشاهده کنیم، نه اینکه چه چیزی را نمی ‌توانیم یاد بگیریم. علیرغم وجود اصل عدم قطعیت، ما توانسته ‌ایم مکانیک کوانتوم را توسعه دهیم و یا در زمینه بررسی رفتار اتم‌ ها پیش رفت هایی چشمگیر داشته باشیم. ما امروزه توانسته‌ ایم ذرات به اصطلاح مجازی را کشف کنیم. ذراتی که نمی ‌توانیم به طور مستقیم ببینیم، با این حال به وسیله شواهد و قوانین فیزیکی وجود آنها را پیش ‌بینی می ‌کنیم.

این موضوع که جهان در حال انبساط است به عنوان یک نقطه شروع در علم ما جای می گیرد و اگر با ما تکیه بر دانسته ها و اکتشافات جدید خود و همچنین استنتاج حوادث پیرامون مان پیش برویم خواهیم توانست به نقطه ای بسیار دور در تاریخ گذشته هستی برسیم. به زمانی که تمام عالم هستی در نقطه ای قابل رویت جمع شده بود.

در یک لحظه، که اکنون آن را  لحظه‌ ی انفجار بزرگ (Big Bang)  می نامیم ، قوانین فیزیکی فعلی شناخته شده از هم فرو‌پاشید، چون بین نسبیت عام و مکانیک کوانتوم ناسازگاری به وجود آمد. نسبیت عام به توصیف گرانش می ‌پردازد و مکانیک کوانتوم نیز فیزیک ذرات میکروسکوپی است. اما خیلی از دانشمندان این ناسازگاری را یک محدودیت جدی برای علم نمی ‌دانند، چون ما انتظار داریم که اصل نسبیت عام بعد از تصحیح، به بخشی از تئوری کوانتوم پیوسته تبدیل شود. نظریه‌ ی ریسمان نمونه ‌ای از این تلاش ‌ها است.

how-much-more-can-we-learn-about-the-universe3

با تصور چنین نظریه ‌ای، شاید قادر باشیم به این سوال پاسخ دهیم که قبل از انفجار بزرگ چه اتفاقی رخ داده است. البته این موضوع نیز قابل تامل است که شاید پیش از انفجار بزرگ اصلا هیچ چیزی وجود نداشته باشد. ساده ‌ترین پاسخ مطرح شده در مورد انفجار بزرگ، کمترین میزان مقبولیت را در بین دانشمندان داشته است. پاسخ به این شکل است که در لحظه‌ ی انفجار بزرگ نسبیت عام با نسبیت خاص به هم پیوستند تا یک حقیقت واحد را تشکیل دهند: فضازمان. اگر فضا توسط انفجار بزرگ به وجود آمده باشد، شاید زمان هم به همین ترتیب به وجود آمده باشد. در آن صورت، هیچ “’گذشته‌ای” وجود نداشته است و سوال مطرح شده بی مورد خواهد بود. بنابراین و با توجه به این موضوع باید منتظر یک جواب منطبق بر کوانتوم گرانشی باشیم و پس از اثبات آن فرضیه به شکل آزمایشگاهی خواهیم توانست خواهیم توانست پاسخی جدید و قابل اتکا ارائه دهیم.

درادامه با یک سوال دیگر مواجه هستیم و آن این است که مرزهای کیهان ما درکجا قرار دارد؟ گستردگی جهان ما تا کجا ادامه دارد؟ در واقع باید گفت پاسخ این سوالات نیز هنوز برای بشر مبهم است و برای پاسخ به آن تنها به حدس و گمان هایی ساده اکتفا نموده ایم که آن را با شما درمیان می گذاریم.

همانطور که گفتیم فضا و زمان به صورت خود به خودی و به یکباره در اثر انفجار بزرگ پدید آمده اند پس می توان گفت که انرژی کلی آن ها برابر صفر است. بر اساس اصول پایه ای فیزیک می توان گفت که انرژی موجود در غالب یک جرم با انرژی میدان گرانشی آن برابر است. به زبان ساده تر باید بگوییم مجموع مقادیر چیزی که از هیچ پدید آمده است باید همان هیچ باشد. با توجه به علم فعلی ما تنها جهانی قادر به دارا بودن چینی ویژگی هایی است که شکل هندسی آن گرد باشد. به عنوان مثال وقتی بر روی یک کره حرکت می کنیم با هیچ مرزی مواجه نخواهیم شد اما می دانیم که محدودیت هایی برای آن وجود دارد. همین شرایط می ‌تواند در جهان هم صادق باشد. اگر ما به انداز‌ه‌ ی کافی در یک جهت به دوردست نگاه کنیم، می‌ توانیم قسمت پشت سر خود را ببینیم.

how-much-more-can-we-learn-about-the-universe4

اما در عمل ما قادر به انجام چنین کاری نیستیم  و دلیل آن احتمالا می تواند این موضوع باشد که جهان قابل رویت ما خود بخشی از جهان بزرگتریست که ما توانایی دیدن آن را نداریم. علت این امر باید با آنچه که انبساط جهان (inflation) نامیده می ‌شود در ارتباط باشد. بیشتر جهان‌هایی که خود به خود از انداز‌ه‌ی میکروسکوپی به وجود می ‌آیند، به جای آن که برای میلیاردها سال عمر کنند، در یک زمان میکروسکوپیک از هم فرو می ‌پاشند. اما در بعضی موارد،  انرژی دادن به فضای خالی باعث می ‌شود که جهان در یک بازه‌ ی زمانی کوتاه به صورت تصاعدی متورم شود. بر این اساس تصور ما این است که در لحظات اولیه ی پس از انفجار بزرگ یک بازه زمانی پدید آمده است که در آن جهان انبساط می یابد و به این طریق جهان بلافاصله پس از تولد فرو نپاشیده است.

بنابراین می توانیم بگوییم که ممکن است زمانی انبساط در بخشی از جهان که ما در آن حضور داریم متوقف شود اما به این معنا نیست که تمام جهان از انبساط  خارج شده است.

 

منبع NAUTIL

دامنه اطلاعات ما از جهان هستی به کجا محدود خواهد شد؟

در این مطلب قصد داریم به برخی سوالات کاربردی درباره جهان هستی بپردازیم. سوالاتی که قطعا برای هرکدام از ما پیش آمده است. سوالاتی چون فراتر از کیهان چه چیزی وجود دارد؟ جهان ما در حال تبدیل شدن به چه چیزی است؟ آیا جهان هستی تا ابد منبسط خواهد شد؟آیا مرزی برای دانش انسان وجود دارد؟ آیا محدودیت‌های اساسی در مسیر علم قرار دارد؟

اگر شما نیز مشتاق به فهم پاسخ این سوالات هستید بهتر است تا انتهای این مقاله با گویا آی تی همراه باشید.

در پاسخ به تمامی این سوالات باید گفت ما هنوز هیچ پاسخی برای این سوالات نداریم و نمی توانیم به طور قطعی بگوییم که آیا حد و مرزی برای دانش ما وجود دارد یا خیر. اما می توان گفت به نظر نمی رسد مرزی برای دانسته های ما وجود ندارد. هرچند فراز و نشیب های بیشماری در مسیر یادگیری ما قرار گرفته اند اما هنوز به قطعیت نمی توان نظری در این باره داد. البته هستند افرادی که معتقدند ما هیچ وقت به علم پیدایش جهان دست نخواهیم یافت و هیچ زمان نخواهیم فهمید که پیش از انفجار بزرگ چه اتفاقی رخ داده است. اما به نظر می رسد این تفکرات کمی خودخواهانه باشد زیرا هیچ کس مرز دانش انسان را نمی داند و همانطور که یافته های امروز ما از نجوم در ۵۰ سال پیش غیر ممکن به نظر می رسید ما نیز نمی توانیم به قطعیت بگوییم که تا چه میزان فرا خواهیم گرفت.

how-much-more-can-we-learn-about-the-universe2

البته این صحبت به آن معنا نخواهد بود که ما در طبیعت محدودیتی نداریم زیرا ما در مشاهده و مطالعه ی طبیعت محدودیت هایی داریم به عنوان مثال  اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بیان می کند که نمی‌ توان تمام مشخصات حرکتی یک ذره را در هر لحظه از زمان دانست. همچنین بیشترین فاصله ‌ای که در یک بازه ‌ی زمانی قادر به دیدن و حرکت در آن هستیم توسط سرعت نور محدود شده است. اما این محدودیت‌ها صرفا به نشان دهنده این است که چه چیزی را نمی‌ توانیم مشاهده کنیم، نه اینکه چه چیزی را نمی ‌توانیم یاد بگیریم. علیرغم وجود اصل عدم قطعیت، ما توانسته ‌ایم مکانیک کوانتوم را توسعه دهیم و یا در زمینه بررسی رفتار اتم‌ ها پیش رفت هایی چشمگیر داشته باشیم. ما امروزه توانسته‌ ایم ذرات به اصطلاح مجازی را کشف کنیم. ذراتی که نمی ‌توانیم به طور مستقیم ببینیم، با این حال به وسیله شواهد و قوانین فیزیکی وجود آنها را پیش ‌بینی می ‌کنیم.

این موضوع که جهان در حال انبساط است به عنوان یک نقطه شروع در علم ما جای می گیرد و اگر با ما تکیه بر دانسته ها و اکتشافات جدید خود و همچنین استنتاج حوادث پیرامون مان پیش برویم خواهیم توانست به نقطه ای بسیار دور در تاریخ گذشته هستی برسیم. به زمانی که تمام عالم هستی در نقطه ای قابل رویت جمع شده بود.

در یک لحظه، که اکنون آن را  لحظه‌ ی انفجار بزرگ (Big Bang)  می نامیم ، قوانین فیزیکی فعلی شناخته شده از هم فرو‌پاشید، چون بین نسبیت عام و مکانیک کوانتوم ناسازگاری به وجود آمد. نسبیت عام به توصیف گرانش می ‌پردازد و مکانیک کوانتوم نیز فیزیک ذرات میکروسکوپی است. اما خیلی از دانشمندان این ناسازگاری را یک محدودیت جدی برای علم نمی ‌دانند، چون ما انتظار داریم که اصل نسبیت عام بعد از تصحیح، به بخشی از تئوری کوانتوم پیوسته تبدیل شود. نظریه‌ ی ریسمان نمونه ‌ای از این تلاش ‌ها است.

how-much-more-can-we-learn-about-the-universe3

با تصور چنین نظریه ‌ای، شاید قادر باشیم به این سوال پاسخ دهیم که قبل از انفجار بزرگ چه اتفاقی رخ داده است. البته این موضوع نیز قابل تامل است که شاید پیش از انفجار بزرگ اصلا هیچ چیزی وجود نداشته باشد. ساده ‌ترین پاسخ مطرح شده در مورد انفجار بزرگ، کمترین میزان مقبولیت را در بین دانشمندان داشته است. پاسخ به این شکل است که در لحظه‌ ی انفجار بزرگ نسبیت عام با نسبیت خاص به هم پیوستند تا یک حقیقت واحد را تشکیل دهند: فضازمان. اگر فضا توسط انفجار بزرگ به وجود آمده باشد، شاید زمان هم به همین ترتیب به وجود آمده باشد. در آن صورت، هیچ “’گذشته‌ای” وجود نداشته است و سوال مطرح شده بی مورد خواهد بود. بنابراین و با توجه به این موضوع باید منتظر یک جواب منطبق بر کوانتوم گرانشی باشیم و پس از اثبات آن فرضیه به شکل آزمایشگاهی خواهیم توانست خواهیم توانست پاسخی جدید و قابل اتکا ارائه دهیم.

درادامه با یک سوال دیگر مواجه هستیم و آن این است که مرزهای کیهان ما درکجا قرار دارد؟ گستردگی جهان ما تا کجا ادامه دارد؟ در واقع باید گفت پاسخ این سوالات نیز هنوز برای بشر مبهم است و برای پاسخ به آن تنها به حدس و گمان هایی ساده اکتفا نموده ایم که آن را با شما درمیان می گذاریم.

همانطور که گفتیم فضا و زمان به صورت خود به خودی و به یکباره در اثر انفجار بزرگ پدید آمده اند پس می توان گفت که انرژی کلی آن ها برابر صفر است. بر اساس اصول پایه ای فیزیک می توان گفت که انرژی موجود در غالب یک جرم با انرژی میدان گرانشی آن برابر است. به زبان ساده تر باید بگوییم مجموع مقادیر چیزی که از هیچ پدید آمده است باید همان هیچ باشد. با توجه به علم فعلی ما تنها جهانی قادر به دارا بودن چینی ویژگی هایی است که شکل هندسی آن گرد باشد. به عنوان مثال وقتی بر روی یک کره حرکت می کنیم با هیچ مرزی مواجه نخواهیم شد اما می دانیم که محدودیت هایی برای آن وجود دارد. همین شرایط می ‌تواند در جهان هم صادق باشد. اگر ما به انداز‌ه‌ ی کافی در یک جهت به دوردست نگاه کنیم، می‌ توانیم قسمت پشت سر خود را ببینیم.

how-much-more-can-we-learn-about-the-universe4

اما در عمل ما قادر به انجام چنین کاری نیستیم  و دلیل آن احتمالا می تواند این موضوع باشد که جهان قابل رویت ما خود بخشی از جهان بزرگتریست که ما توانایی دیدن آن را نداریم. علت این امر باید با آنچه که انبساط جهان (inflation) نامیده می ‌شود در ارتباط باشد. بیشتر جهان‌هایی که خود به خود از انداز‌ه‌ی میکروسکوپی به وجود می ‌آیند، به جای آن که برای میلیاردها سال عمر کنند، در یک زمان میکروسکوپیک از هم فرو می ‌پاشند. اما در بعضی موارد،  انرژی دادن به فضای خالی باعث می ‌شود که جهان در یک بازه‌ ی زمانی کوتاه به صورت تصاعدی متورم شود. بر این اساس تصور ما این است که در لحظات اولیه ی پس از انفجار بزرگ یک بازه زمانی پدید آمده است که در آن جهان انبساط می یابد و به این طریق جهان بلافاصله پس از تولد فرو نپاشیده است.

بنابراین می توانیم بگوییم که ممکن است زمانی انبساط در بخشی از جهان که ما در آن حضور داریم متوقف شود اما به این معنا نیست که تمام جهان از انبساط  خارج شده است.

 

منبع NAUTIL

تئوری جدیدی که پنج مسئله بغرنج فیزیک را حل کرد!

تئوری جدیدی که پنج مسئله بغرنج فیزیک را حل کرد!

یک تئوری جدید ادعا می‌کند که توانسته پنج مشکل فیزیک را همزمان حل کند. این تئوری که توسط جمعی از محققان فیزیک دانشگاه پاریس ساکلی ارایه شده، چند ذره جدید معرفی کرده و سعی می‌کند که پنج مسئله فیزیک را همزمان حل کند. این پنج تئوری عبارتند از: ماده تاریک، تورم کیهانی، نیروی قوی، نوسان نوترینو و تولید باریون. همه این مسائل بخشی از مکانیک کوانتومی هستند.

این تئوری SMASH نامیده شده و تئوری استاندارد فیزیک را گسترش می‌دهد. مدل استاندارد کاتالوگی از تمامی ذراتی است که فیزیکدانان می‌شناسند. در این مدل می‌توانید کوارک‌ها، الکترون‌ها، نوترینوها و ذره هیگز را بیابید. در حالت کلی، ۱۷ رده مختلف ذره در مدل استاندارد وجود دارد.

اما در فیزیک مسائلی وجود دارد که مدل استاندارد قادر به حل آن نیست. یکی از بزرگترین مسائل ماده تاریک است. ماده تاریک ماده‌ای است که ما نمی‌توانیم آن را ببینیم، اما ۹۰ درصد جرم کیهان را تشکیل می‌دهد. فیزیکدانان گمان می‌برند که ماده تاریک یک ذره باشد، اما هیچ ذره‌ای در مدل استاندارد تاکنون ویژگی‌های آن را ندارد.

برخی از فیزیکدانان مدل‌هایی برای تکمیل مدل استاندارد ارایه داده‌اند، اما هر کدام از آنها صدها ذره به مدل اضافه می‌کند، که ما توانایی آشکارسازی آنها را نداریم. تئوری SMASH تنها شش ذره به مدل اضافه می‌کند. این ذرات عبارتند از: سه نوترینو، یک فرمیون و یک میدان که از دو ذره اکسیون و تورم تشکیل شده است. اکسیون وجود ماده تاریک را توجیه می‌کند و تورم، تورم کیهانی را توضیح می‌دهد. SMASH پیش‌بینی می‌کند که ذره اکسیون ۱۰ میلیارد بار سبکتر از الکترون باشد.

بهترین قسمت این است که این تئوری را می‌توان بزودی تست کرد. قسمتی از تئوری در آزمایشگاه CULTASK در کره جنوبی، قسمتی از آن در آزمایشگاه ORPHEUS در ایالات متحده و قسمتی نیز در آزمایشگاه MADMAX در آلمان تست خواهند شد. اگر این تئوری درست از آب در آید، می‌توان گفت که شاهد یکی از بزرگترین تئوری‌های چند دهه اخیر در فیزیک خواهیم بود.

نوشته تئوری جدیدی که پنج مسئله بغرنج فیزیک را حل کرد! اولین بار در پدیدار شد.