دنیای فیزیک

[فلفل نمك]

تمام مسئله ها و موضاعات در رابطه با فیزیک

[فلفل نمك]

فیزیک کوانتوم در اوايل قرن بيستم انقلاب هاى علمى در تال شكل گيرى و تكوين بودند. مهم ترين اين انقلاب ها در ساختارهاى اساسى فيزيك نظرى اتفاق افتاد.
انقلاب هايى كه نتيجه آنها تغيير تصور امروزى ما از مفاهيم بنيادى مثل فضا، زمان، عليت، موضعيت، واقعيت و... است، همگى نتيجه همين انقلاب ها بودند. مكانيك كوانتومى و نظريه نسبيت خاص و عام مهم ترين انقلاب هاى علمى تمام تاريخ بوده اند.
تدوين مكانيك كوانتومى تدود ۳۰ سال طول كشيد. از زمان توضيت تابش جسم سياه به وسيله پلانك و خلق مفهوم كوانتومى بودن انرژى تا زمان صورت بندى مكانيك موجى و مكانيك ماتريسى تعداد زيادى از پديده هاى فيزيكى كشف شده بودند كه به وسيله مكانيك كلاسيك (نيوتنى) قابل توجيه نبودند، هر چند تعدادى از اين پديده ها را بزرگانى مثل بور، زومر فلو، پلانك، روزنفلد، فرانك، هرتز، اينشتين و... به صورت پديده شناختى (Phenomenological) توضيت داده بودند. اما توضيت واتدى براى اين پديده ها وجود نداشت تا اينكه بالاخره در سال هاى ۱۹۲۶ و ۱۹۲۷ هايزنبرگ و شرودينگر به توضيتى جامع براى پديده هاى كوانتومى دست پيدا كردند. هايزنبرگ از ماتريس ها استفاده كرده بود و شرودينگر از پايه هاى فضاى هيلبرت. سال بعد ديراك نشان داد كه اين دو رهيافت در واقع يكى هستند. از همان زمان و به خصوص بعد از تدوين كتاب بتث برانگيز «اصول رياضى مكانيك كوانتومى» فون نويمان بتث هاى بسيار زيادى با پايه هاى فلسفى در دنيا درگرفت كه تبعات و نتايج آنها تا به امروز ادامه دارد. بتث هايى درباره مبانى فلسفى مكانيك كوانتومى دو دوره اوج دارد. يكى از اين دوره هاى اوج بين سال هاى ۱۹۲۷ تا ۱۹۳۳ در كنگره هاى سولوى ظاهر شد. در آن كنگره ها بتث هايى بين همه بزرگان فيزيك دعوت شده درگرفت، بتث هايى بسيار عميق درباره نتايج مكانيك كوانتومى كه سردمداران آنها بور و اينشتين بودند. بور طرفدار دو آتشه مكانيك كوانتومى بود و مدافع اول آن به تساب مى آمد. از طرفى بسيارى از بزرگان هم عصر بور در موسسه فيزيك نظرى وى با او همكار بودند. نسل بعدى و تتى نسل بعد از آن هم به شدت تتت تاثير بور بودند. اكثر فيزيكدانان بزرگ معاصر يا شاگرد بور بودند يا شاگرد شاگرد او. به همين دليل اين ديدگاه مكانيك كوانتومى رواج بيشترى يافت. (البته بايد توجه كرد كه اين ديدگاه در توجيه پديده ها بسيار قدرتمند بود كه اوج آن را مى توان در توجيه كامل طيف اتم هيدروژن ديد.) به اين ديدگاه مكتب كپنهاگى مكانيك كوانتوم مى گويند، زيرا بور اهل دانمارك بود و در دانشگاه كپنهاگ كار مى كرد.
در جبهه مقابل اينشتين قرار داشت كه به همراه دوبروى و شرودينگر مخالف تعبيرهاى فلسفى بور از نتايج مكانيك كوانتومى بود. بتث هاى اينشتين و مثال هايى كه سر ميز صبتانه در كنگره سولوى بيان مى كرد نشان مى داد كه مكانيك كوانتومى ناقص است. بتث هاى بور سر ميز شام نيز كه جواب ترف هاى اينشتين بود، معروف است.
در اواخر دهه ۱۹۴۰ ديويد بوهم كتابى عميق و دقيق و البته آموزشى در زمينه مكانيك كوانتوم نوشت به نام «نظريه كوانتوم».
او اين كتاب را براى اينشتين، بور، هايزنبرگ و ديراك و... ارسال كرد تا نظر آنها را جويا شود. البته بايد متذكر شد كه در تين نوشتن كتاب ديدگاه او نسبت به نظريه كوانتومى در تال تغيير بود و روزبه روز به اشكالات فلسفى اين نظريه بيشتر پى مى برد.
اينشتين از كتاب او استقبال كرد و نامه اى برايش نوشت. همين ارتباط او با اينشتين او را تشويق كرد كه به تتقيق در اين زمينه بپردازد. تاصل اين تتقيقات «نظريه كوانتومى بوهم» بود كه يكى از نظريه هاى متغير هاى نهان است.
• متغيرهاى نهان
يكى از مبانى اصلى مكانيك كوانتومى كپنهاگى عدم قطعيت است كه هايزنبرگ آن را كشف كرده است. عدم قطعيت مى گويد كه نمى توان همزمان مسير و تركت ذره را با دقت بالايى مشخص كرد، هرچه دقت در اندازه گيرى مسير تركت ذره بيشتر باشد، اندازه تركت آن را با دقت كمترى مى توان اندازه گرفت. اين امر تبعات بسيار زيادى دارد كه نقض عليت يا طرد موجبيت از جمله آنها است. بوهم به دنبال رفع اين مشكل بود. اما مى دانست كه عدم قطعيت ذاتى مكانيك كوانتوم است بنابراين به دنبال تئورى كوانتومى بديل فاقد عدم قطعيت بود.
او براى رفع «عدم قطعيت» پيشنهاد داد كه يك جمله به معادله شرودينگر اضافه شود. اضافه كردن اين جمله باعث مى شود كه عدم قطعيت اندازه تركت و مكان از بين برود و هركدام از آنها را با هر دقتى بتوان مشخص كرد. اما نكته اينجاست كه اضافه كردن اين جمله به معادله شرودينگر مستلزم در نظر گرفتن متغيرهايى است كه قابل آشكارسازى نيستند، اما وجود آنها باعث مى شود كه عدم قطعيت از بين برود. بوهم اين جمله اضافى را «پتانسيل كوانتومى» نامگذارى كرد.
پتانسيل كوانتومى هم مسئله عبور ذره از دو شكاف را توجيه مى كند و هم مسئله عبور ذره از مانع پتانسيل را. در تالت اول ذره به جايى كه تابع موج صفر است نمى رسد زيرا در آنجا پتانسيل كوانتومى بى نهايت است و لذا ذرات را از آنجا دفع مى كند. در مورد دوم وجود پتانسيل كوانتومى ارتفاع سد پتانسيل را كم مى كند و در نتيجه ذره عبور مى كند.
• نقد نظريه بوهم
پس از انتشار نظريه بوهم در ،۱۹۵۲ پائولى نامه اى به او نوشت و به شدت اعتراض كرد. اعتراض پائولى اين بود كه اين مدل را نمى توان به چند ذره تعميم داد. بوهم در جواب پائولى مسئله چندذره اى را با اين نظريه تل كرد و براى آزمايش EPR توضيتى داد.
اما واكنش اينشتين جالب تر بود. او فكر مى كرد كه نظر بوهم بيش از اندازه ساده انگارانه است. او انتظار داشت كه چيزى عميق تر از اين در كار باشد. بوهم در جواب او گفت كه ممكن است تق به جانب اينشتين باشد، اما در نبود نظريه اى عميق تر، بهتر است فعلاً به همين بسنده كنيم تا اينكه اصلاً چيزى نداشته باشيم.
بعضى ديگر از فيزيكدانان گفته اند كه براى آنكه نظريه بوهم جدى تلقى شود، بايد در مواردى پيش بينى هايى غير از پيش بينى هاى مكانيك كوانتومى كپنهاگى داشته باشد. بوهم خودش معتقد بود كه مشكل است در عمل مواردى را پيدا كنيم كه اين دو نظريه پيش بينى هاى متفاوتى داشته باشند تا بتوان به تجربه در مورد درستى آنها قضاوت كرد. براى آن كه نظريه بوهم را مورد آزمون قرار دهيم بايد از چارچوب نظريه كوانتوم خارج شود تا بتوانيم متغيرهاى نهان را بيازماييم.
تا زمان تال نتايج تجربى، مزيتى براى هيچ كدام از دو نظريه پيدا نكرده اند. اما نظريه بوهم از لتاظ فلسفى برترى دارد زيرا اين نظريه توصيفى على در سطت كوانتومى ارائه مى دهد. در اواخر قرن بيستم بوهم به همراه شاگردش هايلى نظريه نسبيتى را هم به اين موضوع اضافه كردند. امروز گرانش كوانتومى بوهمى هم از موضوعات مورد پژوهش است.

[فلفل نمك]

فيزيك مكتب كپنهاگ با ظهور مكانيك كوانتومي ديدگاه به جهان به شكل عميقي تغيير كرد. مفاهيم فيزيك كلاسيك نظير ذرات ، ذرات پرتابه‌ها ، سرعتها ، اسپين و انرژي ديگر رسا نبودند. انقلاب در مفاهيم فيزيك كه بوسيله "فيزيك نوين" رخ داد (و در واقع در دهه 1920 گسترش يافته بود) چنان عميق بود كه هنوز ، جز براي فيزيكدانهاي حرفه‌اي ، براي عامه مردم آنچنان قابل فهم نيست. بنابراين ، بسيار جالب خواهد بود كه به نمايشنامه تئاتري "كپنهاك" نوشته ميشل فراين اشاره كنيم كه در تئاترهاي مهم جهان نظير لندن ، نيويورك و استكهلم به روي صحنه رفت.

اين نمايشنامه به روش بسيار استادانه و مارهانه‌اي مقوله‌هاي ظريف و در هم آميخته اخلاقي و سياسي كه منجر به ساختن بمب اتمي شد، همراه با سوالهاي پيچيده مربوط به تفسير مكانيك كوانتومي را مطرح مي‌سازد. نمايشنامه حول ملاقات سري هايزنبرگ در آزمايشگاه بور در دانمارك كه اشغال شده و در سپتامبر 1941 اتفاق افتاد متمركز شده است و تنها سه نفري كه روي صحنه ظاهر مي‌شوند ورنر هايزنيرگ ، نيلس بور و مارگارت بور (همسر نيلس بور) هستند. در تلاش براي بازسازي رويدادهاي دهه‌هاي بعد از ملاقات هايزنبرگ ، گفتگوها گاهي به جزئيات نشيبها و فرازها و رنجها و پيروزيهاي مربوط به توسعه فيزيك نوين مي‌پردازد.



براي فيزيكدانها ، نمايشنامه يقينا ابعاد ديگري از بسياري پرسشهاي مفهومي را كه هنگام مطالعه اين حوزه از علم با آن دست به گريبان مي‌شوند، مطرح مي‌سازد. براي عامه مردم ، بسياري از مفاهيم پيچيده بايد بطور شفاف بيان شوند و اين موضوع ايجاد جاذبه بيشتري را براي يادگيري بيشتري حول اين موضوع ايجاد مي‌كند. وقتي نمايشنامه در تئاتر دراماتيك سلطنتي سوئد در استكهلم به روي صحنه رفت، فرصتي عالي براي ارائه علمي عامه پسند و فراگير با جاذبه‌هاي قابل توجه بويژه در روشن ساختن وجه شگفت انگيز دو گانگي موج - ذره و ديگر مفاهيم مكانيك كوانتومي پيش آمد.
فضاي علمي خلاق و كشفيانه اوليه


نيلس بور وقتي كه دانشجوي جواني بود ساليان زيادي را در دو مركز بسيار مهم و پر متحرك فيزيك به رهبري برجسته ترين فيزكدانان جهان يعني جي جي تامسون در كمبريج و ارنست رادرفورد در منچستر سپري كرد. در سال 1978، تامسون الكترون را كشف كرد و نشان داد كه اين ذره يكي از اجزاء بنيادي ماده است. اين ذره در تمام نمونه‌هاي مواد كه تامسون مطالعه كرده بود وجود داشت. رادرفورد كشف كرد كه اتمك شبيه يك كيك كشمشي نيست و اين ذرات مانند كشمشهايي كه درون كيكي پخش شده باشند، درون اتم پخش نشده‌اند، بلكه اتم شامل هسته بسيار كوچكي با بار مثبت و الكترونهايي است كه بار منفي آنها معادل بار مثبت هسته است.

كه در چنين فضايي به همراه برجسته‌ترين فيزيكدانان زمان كه روي شناخت درون ماده كاوش و تلاش مي‌كردند، نيلس بور ، شروع به توصيف فرآيندهاي مختلفي نمود كه در اين زمينه مشاهده كرده بود. از جمله ، تغييرات و جهشهاي شگفت آوري منچستر ، او نظريه‌اي درباره اتم هيدروژن ارائه داد كه قادر به توضيح خطوط طيفي مشاهده شده در مجموعه بالمر بود. بور علاوه بر استفاده از دستاوردهاي تجربي تامسون و رادرفورد براي بسط نظريات خود به كوانتش ارائه شده توسط پلانك و انيشتين نيز نيازمند بود.

در سال 1916 بور به كپنهاگ بازگشت و يكي از مهمترين و فعالترين مراكز تحقيقات نظري را براي كاوش در جهان كوانتومي تأسيس نمود. بسياري از فيزيكدانان برجسته زمان از جمله ورنر هايزنبرگ به اين مركز در كپنهاگ پيوسنتند. هايزنبرگ بعدها رئيس موسسه ماكس پلانك در مونيخ شد.




منظر عمومي از مكتب كپنهاگ

اولين تصميم كه گرفته شد اين بود كه فعاليتهاي نظري و تجربي را باهم مطرح سازند. بدين طريق با ايجاد گفتگويي حاد و عميق بين تجربه گرايان ، در طرح پرسشهايي درباره طبيعت و دقيقتر ، توانستند احساس خوبي درباره گسترش علوم طبيعي نوين منتقل كنند. دو ساعت اول نمايش با مقدمه‌اي تاريخي و توضيحي نظري درباره مكانيك موجي و نمايشي از يك موج ايستاده دايره‌اي كه بنا به توصيف نيلس بور منشأ توصيف پديده موجب در اتم شد، آغاز گرديد.
موارد اساسي مطرح شده عبارت بودند از:

• توصيف نظري مكانيك موجي.
• آزمايشهايي با امواج ايستاده.
• نور به عنوان ذرات و امواج و يا دوگانگي موج - ذره.
• مطالعه اتم.
• نظريه عدم قطعيت هايزنبرگ.
• بررسي رابط عدم قطعيت هايزنبرگ در تجربيات آزمايشگاهي.
• ديدگاه كيهاني.
• افت و خيزهاي كوانتومي در خلأ.

توصيف نظري مكانيك موجي


در اولين جلسه نظري ، يك بحث بنيادي را بر اساس آنچه فاينمن از رمز و راز آزمايش اثر تداخلي دو شكافي يانگ براي نور تعبير كرده بود، ارائه دادند. در ارتباط با زندگي روزمره‌مان ، به نمايش يك شبيه سازي با تداخل امواج آب و توضيح اصل برهمنهش پرداختند. كاملا آشكار بود كه نقش تداخلي يكي از نشانه‌هاي پديده موجي است كه بر پرده ظاهر مي‌شود، ولي اين ذرات (فوتونها) هستند كه موجب اين اثر مي‌گردند. حقيقت اين است كه فريزهاي تداخلي حتي با شدتهايي كه حاصل از فقط چند فوتون در ساعت هستند نيز ظاهر مي‌شوند و اينكه يك اندازه گيري از كدام شكاف و فوتوني كه نقش تداخلي را خراب مي‌كند، ميسر مي‌شود.
آزمايشهايي با امواج


براي اين كار ، يك باريكه ليزر بر يك تك شكافي و يك چند شكافي تابانده شد. از نقش پراش حاصل با يك دستگاه دوربين ويدئو تصوير برداري شد. همزمان با شبيه سازي عبور امواج آب از شكافهاي با پهناي متغير ، نقش حاصل به نمايش گذاشته شد.
سپس باريكه ليزر را بر مجموعه‌اي از روزنه‌هايي كه اشكال گوناگون داشتند، يعني: شكافهاي موازي ، روزنه مربع شكل ، روزنه شش ضلعي و يك روزنه دايره‌اي ، تابانده شد. واضح بود كه تقارن در اشكال روزنه‌ها موجب تقارن در نقش پراش مي‌شود. در يك روزنه دايره‌اي شكل نقش پراش حاصل به دليل تقارن دايره‌اي بايد يك دايره باشد.

باريكه‌اي از الكترونها درون يك لامپ خلأ از لايه نازك اتمهاي كربن گسيل شدند و براي روشن شدن آثار برخورد ذرات الكترون ، جلوي لامپ خلأ را نظير صفحه تلويزيون با ماده فلورسنت آغشته كردند، نقش پراش حاصل روي لايه فلورسنت لامپ به صورت دايره‌هاي هم مركزي ظاهر شد (كه باز هم بوسيله دوربين ويديويي قابل نمايش است). بلافاصله به اين نتيجه رسيدند كه اين دايره‌ها همان نقش پراش است و اين بدان معنا بود كه الكترونها در اين آزمايش خصوصيت موجي از خود نشان داده‌اند، تقارن دايره‌اي حاصل در نقش پراش نتيجه طبيعي ساختار اتمهاي كربن در لايه روبروي باريكه الكترونها بود.





مطالعه اتمها

مطالعه اتمها در گسترش نظريه كوانتومي نقش قاطعي داشت. ساختار ماده و اينكه چرا ماده اين چنين به سختي متراكم ميشود؟ از آنجا كه اتمها از ذرات سبكي (الكترونها) تشكيل شده‌اند كه به دور هسته سنگين مي‌چرخند، لذا قاعدتا بايد ساده باشد كه با كوچكتر كردن مدار حركت الكترونها به دور هسته ، اندازه يك اتم را كوچكتر كنيم. ولي برعكس ، اغلب مواد جامد با سختي زيادي متراكم مي‌شوند.
آزمايشهايي با امواج ايستاده


براي نمايش مدل اتمي بور و نقش امواج در فزيك نوين ، آزمايشهايي با امواج ايستاده نشان داده شدند. براي اين كار ريسمان سفيد قابل ارتجاعي بين دو ميله محكم گره خورده و يكي از ميله‌ها به چشمه قابل ارتعاشي وصل بود. مجموعه‌اي از بسامدهاي تشديد شده و شبيه سازي حالتهاي كوانتومي ساخته شد. در اين اينجا به شبيه سازي مشابهي در هارموني نتها در ريسمان اشاره مي‌شود.

پس از آن يك سيم پيانو در دايره‌اي بسته شد و به چشمه مرتعشي متصل گرديد، براي بسامدهاي معيني يك موج ايستاده روي سيم بوجود آمد كه شرط كونتش بوريعني nλ = 2πr را نشان مي‌داد. اين امر حاكي از آن بود كه "موج ايستاده الكترون" فقط وقتي تشكيل مي‌شود كه محيط مدار الكترون مضرب صحيحي از طول موج باشد.
نگاهي به ساختار اتمها

ميكروسكوپ كوچك و بسيار دقيقي براي ديدن اتمهاي كربن بكار برده شد. نقش شش ضلعي اتمهاي كربن در گرافيت به وضوح ديده مي‌شدند. اين مشاهده مربوط به آزمايش پراش الكترون بود كه لايه گرافيتي براي ايجاد پراش بكار برده شده بود. از آنجا كه لايه‌هاي مختلف در گرافيت نسبت به هم به شكل كاتوره‌اي و تصادفي جابجا شده و مي‌چرخيدند، لذا تقارن شش ضلعي هر لايه اتمي از بين مي‌رفت. اين امر هر جهت برتري را از بين مي‌برد و نقش پراش حاصل ، لاجرم به شكل دايره‌اي تشكيل مي‌شد. فيزيك مكتب كپنهاگ يكي از مباحث آزمايشگاه علوم براي هر دو قشر يعني دانشجويان و مردم عادي شده است.

[فلفل نمك]

آيا مي‌توان قانون دوم نيوتون را بر روي زمين نقض كرد؟ اختر فيزيكدان‌ها دلايلي را يافته‌اند كه روايت تصحيح‌شده‌اي از قانون دوم نيوتون (كه با جرم و شتاب سروكار دارد) در مقياس بزرگ عالم به خوبي كار مي‌كند. اين تصحيح‌هاي فيزيك نيوتوني به «ديناميك نيوتوني تصحيح شده» (Modified Newtonican Dynamics)(MOND) معروفند. الكس ايگناتيف (Alex Ignatiev) مي‌گويد «نيوتون مبنايي را براي مكانيك كلاسيك در رابطه با نيرو، جرم و شتاب دراختيار مي‌گذارد. اين مبنا همواره، به استثناي موارد خاص صادق است». ايگناتيف روشي را براي آشكارسازي اين مورد خاص ابداع كرده است كه با شتاب‌هاي مختصر بر روي زمين سروكار دارد. اين نوع آزمايش اغلب چنان دشوار درنظر گرفته مي‌شد كه در گذشته آن را ناممكن مي‌دانستند. ايگناتيف كه دانشمند انستيتوي پژوهش‌هاي فيزك نظري در ملبورن استرالياتس، مي‌گويد: «ما قبلاً مشاهده‌هايي از اين نظريه با دلايل اختر فيزيكي داشتيم اما مي‌خواهم ببينم كه اين نظريه روي زمين چگونه مي‌شود». پيشنهاد ايگناتيف درباره‌ي چگونگي انجام اين كار با عنوان «آيا نقض قانون دوم نيوتون امكان‌پذير است؟» در فيزيكال ريويولترز چاپ شده است.

ايگناتيف مي‌گويد «ولتسنرام‌هاي نقض قانون دوم نيوتون در شرايط خاص بر روي زمين با فيزيك بنيادي سروكار دارد. اگر قانون دوم بر روي زمين نقض شود، بايد هر چيزي را كه مي‌دانيم مورد ارزيابي مجدد قرار دهيم» و اين جايي است كه مشكلات پيشنهاد ايگناتيف آغاز مي‌شود. به نظر ايگناتيف «شرايط لازم براي آزمودن اين موضوع واقعاً بسيار خاص است. زمان و مكان آن را بايد به حساب آورد. جاهاي ممكن براي انجام اين آزمايش 80 درجه شمال و جنوب استواست. اين در عرض‌هاي جغرافيايي مانند قطب جنوب و گرينلند قرار دارد كه نواحي مساعدي نيستند اما زمان انجام آن نيز اهميت دارد و بايد به دقت تنظيم شود». ايگناتيف تأكيد مي‌كند كه فقط در مدت 1000/1 ثانيه در دو تاريخ در طول سال، در حوالي اعتدال‌ها براي اين كار مناسب است».

اگر قرار باشد اين آزمايش‌ها انجام شوند، دانشمندان بايد در جست‌وجوي چيزي باشند كه اثر Static High Latitude Modified Inertia (SHLEM)ناميده مي‌شود كه حرف‌هاي اول لختي اشياي تصحيح شده‌ي عرض‌هاي جغرافيايي زياد در هنگام اعتدال است و در شرايطي قابل ملاحظه است كه نيروهاي چرخش زمين حول محورش را نيروي مداري حركت زمين به دور خورشيد خنثي كند. به گفته‌ي ايگناتيف «اين موضوع به جابه‌جايي مختصري مي‌انجامد كه بايد آشكار ساخته شود» اما اين موضوع چه‌قدر امكان‌پذير است؟ به استثناي محاسبه‌هايي كه به گفته‌ي او به تعيين تاريخ‌ها و مكان‌هاي مناسب آشكارسازي اثر SHLEM انجاميده است. به نظر ايگناتيف اين كار شدني است و چنان كه قبلاً گمان مي‌رفت، ناممكن نيست.

ايگناتيف مي‌گويد «آشكارسازهاي موج گرانشي نقطه‌هاي شروع خوبي هستند. به نظر او جست‌وجوي انتقال‌هاي مختصر در گراني مي‌تواند به شناخت اين جابه‌جايي‌ها يا شتاب‌هاي مختصر كمك كند. به نظر يگناتيف «گرچه ما به نيروهاي متفاوتي مي‌نگريم اما روش آشكارسازي گرانشي را مي‌توان براي اين تحقيق به‌كار برد زيرا گرانشي، نيرويي ضعيف با تمام انواع جابه‌جايي‌هاست و جابه‌جايي‌هاي شتاب نيز به همين صورت كوچكند». او اضافه مي‌كند «آشكارسازهاي موج گرانشي زيادي وجود دارند و آشكارسازهاي بيش‌تري نيز در حال ساخت هستند».

به رغم شرايط خاص لازم براي آزمودن نقض قانون دوم نيوتون بر روي زمين ايگناتيف حس مي‌كند كه اين كار ارزش تحمل آن‌ها را دارد. به نظر او «اين كار دشوار است اما ناممكن نيست. اثر SHELM كليد آن است و اگر اين نقض را بيابيم، ارزش آن براي فيزيك بنيادي بسيار عظيم خواهد بود».

[فلفل نمك]

نظريه وجود جرم منفي، با توجه به رابطه جرم انرژي اينشتين ‏E=mc2‎ چکيده:‏


با تقارن موجود در طبيعت براي تمام ذرات هم جرم منفي و هم جرم مثبت در نظر مي گيريم ‏‏(اين نامگذاري به معني آن نيست که آنها داراي بار الکتريکي مثبت يا منفي باشند) جرم منفي ‏قابل رويت نمي باشد.‏
از اتم هيدروژن شروع کرده ايم و توزيع جرم منفي در اطراف هسته اتم هيدروژن به نحوي ‏در نظر گرفته شده که با نتايج تجربي اسپکتروسکپي اتم هيدروژن در ارتباط باشد.‏
بين دو ذره مختلف از جمله الکترون و پروتون در اتم هيدروژن ،جزيي از انرژي جرمي مثبت ‏يکي با جزيي از انرژي منفي ديگري و بالعکس آن اثر مي تواند کرده که ضمن آن پيوند دو ‏ذره صورت ميگيرد و پرتو الکترومغناطيسي تابش مي شود. ( طبق رابطه اينشتين براي ‏جرم، انرژي جرمي ‏E=mc2‎‏ در نظر ميگيريم)‏
‏ براي جدا سازي الکترون از اتم هيدروژن که مقداري از جرم الکترون و پروتون ضمن پيوند ‏کاسته شده و تبديل به پرتو گرديده ، چنانچه اين اتم تحت تابش پرتوي به انرژي مناسب ‏واقع گردد ضمن تامين کسري از جرم منفي و مثبت براي هريک (الکترون و پروتون) ‏الکترون از اتم خارج و آزاد ميگردد.‏
در مثال ديگر چنانچه دو ذره الکترون و پوزيترون مجاور هم واقع شوند کل انرژي جرمي ‏منفي يکي با کل انرژي جرمي مثبت ذره ديگر و بالعکس اثر کرده، که طي آن انرژي جرمي ‏ها تماما تبديل به انرژي پرتو گاما خواهد شد. و چندين مثال هاي ديگر که در متن آمده است.‏
ادامه مقاله در فورمت PDF با حجم 412 کيلوبايت

[فلفل نمك]

ويمپ ها چيستند؟ با توجه به دستاورد هاي جديد، فيزيكدانان ذرات بنيادي، با اطمينان بيش تري مدعي هستند كه ماخو ها نمي توانند 90% جرم عالم را تشكيل دهند. براي همين مصرانه در جستجوي ويمپ ها هستند. اين ذرات بسيار كوچكتر از اتم، اما داراي جرم اند. با ماده ي باريوني برهم كنش نمي‌كنند و حتي به راحتي از ميان آن عبور مي‌كنند. از آن جا كه جرم اين ذارت بسيار كم است، تعداد زيادي از آنها لازم است تا بتوانند اين مقدار عظيم ماده ي تاريك را تامين كنند. بهترين نامزد اين گونه ذرات نوترينو ها هستند كه هر ثانيه ميليارد ها عدد از ان ها از بدن ما و كره ي زمين عبور مي‌كند. آشكارساز هايي كه اخيرا در اعماق معدن هايي در آمريكا و ژاپن جاسازي شده اند، نشان مي‌دهند كه ممكن است نوترينو ها جرم داشته باشند. اين آشكار ساز ها در اعماق زمين و در معادن فلزات كار گذاشته مي‌شوند تا هيچ ذره اي به آنجا راه پيدا نكند. روشي ديگر براي آشمار سازي ويمپ ها سرد كردن يك بلور بزرگ تا اندازه ي صفر مطلق است. در اين شرايط حركت و ارتعاش اتم هاي بلور به حداقل مي‌رسد و اگر در اين حالت يك ويمپ به اتمب برخورد كند، آن را مرتعش مي‌كند و دمايش را بالا مي‌برد. اين گرماي ناچيز ايجاد شده قابل اندازه گيري است. در آزمايش مشابه ديگري از يخ هاي قطبي به جاي بلور سرد استفاده شده است. وجود ماده ي تاريك نه فقط اختلاف در محاسبات جرم كهكشان ها را توضيح مي دهد، بلكه يكي از مشكلات نظريه‌ي مهبانگ را كه سال ها موجب راز كيهان شناسان بود، حل مي‌كند. بنا بر نظريه مهبانگ عالم از گشترش و انبساط نقطه ي بي نهايت كوچكي از انرژي بي نهايت آغاز شده است. سرعت انبساط آن قدر زياد بوده است كه بر گرانش غلبه كرده و به مواد اجازه مي‌دهد كه به صورت كلوخه اي گرد هم آيند و ستارگان و كهكشان ها را تشكيل دهند. انبساط عالم كه توسط ادوين هابل كشف شد، قسمت اول نظريه را تاييد مي‌كند. اما سوال اين است كه چگونه در عالمي كه همه ي مواد در آن يكنواخت پخش شده و گرانش وارد بر همه ي ذارت آن يكسان است، ممكن است ساختار هاي كلوخه اي تشكيل شود. عامل ديگري بايد به گرانش ذارت كمك كرده باشد.

با وجود يافته هاي فراوان معماي ماده ي تاريك هنوز سر به مهر مانده است. طرح هاي بزرگ پژوهشي كه با روش هاي مختلف در جستجوي يافتن هندسه‌ي عالم و آغاز و سرانجام آن هستند.

اگر ماده‌ي تاريك واقعا از ويمپ ها باشد بايد واقعيتي تلخ را بپذيريم. اين كه نه فقط در مركز جهان نيستيم، بلكه از نوع ماده ي اصلي جهان نيز تشكيل نشده ايم.

[فلفل نمك]

تایکون

تاكيون ها:
مارس 1993 بوسيله ي اسكات . آي. چيس (Scott I. Chase)
اولين انتشار در مجله ي علوم (Science Magazine)
رجينالد بولر: (Reginald Buller):
روزي يك خانم كه نامش روشن بود با سرعت بسيار بيشتر از نور وارد راه نسبيت شد و شب گذشته برگشت!
اين براي همه مشخص است كه سفر با سرعتي بالاتر از نور امكان ندارد. در بهترين حالت يك ذره ي بدون جرم با سرعت نور سفر مي كند. اما آيا اين درست است؟
سال 1962: بيلانيوك (Blianiuk) و دشپند (Deshpande) و سادرشان (Sudarshan) در مجله ي فيزيك امروز (Physics Today) شماره ي 22: صفحه ي 43: توضيحي مختصر:
برداري بكشيد كه با نيروي حركت (P) در بعد X و با انرژي (E) در بعد Y.
حال مخروط نور را با دو خط رسم كنيد. (با در نظر گرفتن اين كه نيروي حركت در اين مورد برابر با انرژي است "E = P")
اين بردار فضا – زمان تك بعدي ما را به دو بخش تقسيم مي كند.
بالا و پايين بردار مربع هايي زمان شكل و چپ و راست آن مربع هايي فضا شكل ايجاد مي شود.
حال حقيقت بنيادي نسبيت اينگونه است:
E^2 – P^2 = m^2
از اين به بعد براي آسودگي در كار سرعت نور را يك فرض مي كنيم. (C = 1).
براي مقادير غير صفر در جرم (m) يك شكل هذلولي به همراه چند شاخه در قسمت زمان شكل ايجاد خواهد شد.
اين مقدار از نقطه ي (P,E) = (0,m) مي گذرد كه در آن ذره در توقف خواهد بود.
هر ذره اي با جرم (m) ناگزير است كه به قسمت هاي بالاي هذلولي حركت كند.
در غير اين صورت در مدتي بدون پوشش (تابع پوشش) خواهد شد.
البته در مجامع از آنها با نام ذرات مجازي ياد مي شود كه اين به دور از بحث ماست.
براي ذرات بدون جرم E^2 = P^2 و به همين دليل ذره به مخروط نور حركت خواهد كرد.
اين دو مورد نام هايي از قبيل تارديون (Tardyon) كه در تحقيقات نوين به آن براديون (Bradyon) مي گويند را دارا هستند.
لوگزون (Luxon) ذراتي با سرعت كم در حدود سرعت ذرات نور هستند.
تاكيون (Tachyon) نامي است كه به ذرات پر سرعت نسبت داده شده است كه در صورت وجود در آنها V>C مي باشد.
تاكيون ها اولين بار توسط جرالد فينبرگ (Gerald Feinberg) به فيزيك معرفي شدند.
اين معرفي بر روي كاغذي (در مقاله اي) كه در مراحل ابتدايي بود با نام "امكان ذراتي با سرعت بيشتر از نور" (On the possibility of faster than light particles) انجام شد.
حال مانوس ترين معادله ي نسبيت به حالت زير است:
E = m [1 – (V/C) ^2] ^ (-0.5)
اين بدان معناست كه انرژي در اين مورد مجازي است. اگرچه ما مقدار جرم را مجازي تصور مي كنيم.
آن هنگام انرژي به صورت حقيقي اما منفي برابر با مقدار زير خواهد بود:
E^2 – P^2 = m^2<0
P^2 – E^2 = M^2 or)
كه در اينجا M نيز حقيقي است.
اين مقدار هذلولي اي را در قسمت فشا شكل نمودار فضا – زمان ايجاد مي كند.
انرژي و نيروي حركت يك تاكيون بايد اين رابطه را توجيه كند.
بدين وسيله نيز مي توان خواص جالبي از تاكيون ها را درك كرد.
براي مثال هنگاميكه نيروي حركت تاكيون ها كم شود آنها شتاب مي گيرند.
اگر آنها انرژي خود را از دست دهند سريعتر از نهايت به انرژي صفر مي رسند كه اين فراتر از قوانين است.
البته اينها نتايج عميقي را به دنبال دارند.
براي مثال فرض مي كنيم كه تاكيون ها داراي بار الكتريكي هستند:
از آنجاييكه آنها با سرعت بيشتر از نور در خلا حركت مي كنند بايد از خود تشعشعات چرنكوف (Cherenkov Radiation) منتشر كنند.
انرژي كمتر آنها باعث مي شود كه سرعت آنها بيشتر شود.
بهتر اينكه اگر تاكيون ها داراي بار الكتريكي باشند در يك واكنش به ذرات گريزان تبديل مي شوند و مقدار مطلقي از انرژي خود را رها مي كنند.
اين مطلب بيان مي كند كه به رو آمدن با يك نظريه ي مشهود از هيچ (به جز تاكيون هاي آزاد كه بدون فاصله هستند) تقريبا براي اكتشاف و درك سخت است.
مشكل اينجاست كه ما در آخر به خودانگيز بود خلقت تاكيون ها و جفت ضد تاكيوني (Anti-Tachyon Pair) مي رسيم.
البته براي حل اين مشكل واكنش ذرات گريزان و نا پايدار بودن خلا را پيشنهاد كرده ايم.
اگرچه براي برطرف كردن احتياجات در تئوري ميدان كوانتومي كار كمي پيچيده است و اين آسان نيست كه خلاصه بندي اي از نتايج داشته باشيم.
اما يك راه معقول مراجعه به "تاكيون ها ذراتي تك قطبي" (Tachyons, Monopoles particles) و موضوعات مربوط است. (اي. ركمي "E. Recami" آموزش هلند شمالي – آمستردام – 1978).
البته تاكيون ها ذراتي كاملا ناپديد نيستند.
ممكن است تصور كنيد كه مي توان آنها را در واكنشهاي برون هسته اي توليد كرد.
اگر آنها را بارور كنيم با تعقيب روشنايي تشعشعات چرنكاو مي توانيم آنها را بيبينيم. اگرچه با بارور كردن آنها سرعت آنها بيشتر و بيشتر مي شود.
در اين زمينه آزمايشات زيادي انجام گرفت اما تاكيوني پيدا نشد. تاكيون هاي طبيعي در آزمايشات بايد از خود مواد طبيعي قابل رويت توزيع كنند اما در نتيجه و دوباره هيچ تاكيوني پيدا نشد.
اما آيا مي توان توسط تاكيون ها در نقض نسبيت اطلاعات را انتقال داد؟
هنگاميكه مكانيك كوانتوم و همچنين نسبيتي اين ذرات را بررسي كنيم درك جواب اين سوال كه آيا آنها سريعتر از نور مي روند مشخص مي شود.
در اين چهارچوب تاكيون ها موج هستند و بايد معادله ي امواج را توجيه كنند.
براي آسودگي بيشتر در كار اسپين تاكيون هاي آزاد را صفر فرض مي كنيم.
همانطور كه گفته شد C = 1 فرض مي كنيم تا محاسبات تميز تر باشند.
حال انتظار مي رود كه امور امواج منفرد با معادله ي معمول براي ذرات با اسپين صفر مطابق باشد.
رابطه ي كلين – گردن (Klein – Gordon):
(BOX, m^2) Phi = 0
كه در آن BOX همان D'Alembertian است كه در 3 بعد برابر مقدار زير مي باشد:
BOX = (d/dt)^2 – (d/dx)^2 – (d/dy)^2 – (d/dz)^2
تفاوت در اينجاست كه جرم در اينجا منفي و دا واقع مجازي است.
براي اينكه دچار پيچيدگيهاي رياضي نشويم بهتر است در كي بعد و با تعادل مشترك X و t كار كنيم. بنابراين:
BOX = (d/dt)^2 – (d/dx)^2
هر آن چيزي كه گفته مي شود را به صورت عام براي دنياي واقعي و 3 بعدي خود مناسب خواهيم كرد.
با در نظر نگرفتن جرم به عنوان عاملي مجازي هر معادله اي به صورت تركيب خطي يا انطباقي راه حل هايي با فرم زير را خواهند داشت:
Phi (t,X) = exp (-iEt,ipX)
كه در آن E^2 – P^2 = m^2 مي باشد.
حال كه مجذور جرم منفي است دو مسئله ي مجزا ايجاد مي شود:
الف) هنگاميكه انرژي حقيقي است |P| ≥ |E| جواب بدين صورت خواهد بود كه قلل امواج در آن در طول ميزان (|P| / |E|) ≥ 1,i.e. سرعت ذره از سرعت نور كمتر نخواهد بود.
ب) هنگاميكه |P| ≤ |E| جواب بدين صورت خواهد در واقع انرژي مجازي است و جواب بدين صورت خواهد بود كه امواج قوه (يك عمل رياضي) را به عنوان گذر زمان وسعت مي دهند.
بنابراين نتيجه ي دوم را بررسي مي كنيم. اگرچه جواب در آن غير معلوم است اما اگر آنرا رها كنيم تمام موضوع غير معلوم مي ماند.
۱) اگر سري جواب دوم را بررسي كنيم: مي توانيم معادله ي كلين – گردن را از راهي غير معقول بدون اعداد اوليه و مقدار غير معقول براي Phi و با اولين مشتق گيري آن و در نتيجهt = 0 حل كنيم.
با شاخص معادله ي امواج ما مي توانيم گفته ي زير را اثبات كنيم كه Phi و زمان آن با مشتق گيري در بيرون بازه ي [-L,L] صفر خواهد شد.
و هنگاميكه t = 0 است تمامي مقادير نيز در بازه ي [-L -|t|,L|t|] در هر زماني صفر خواهد شد.
در گفتار بهتر متمركز كردن پراكندگي ها سرعت بيشتر از سرعت نور را ايجاد نخواهد كرد.
اين بر خلاف عقيده ي ما به نظر مي رسد اما اين يك حقيقت رياضي است كه تاكيون ها با سرعتي بيشتر از سرعت نور حركت مي كنند و اين به نام "سرعت واحد انتشار" (Unit Propagation Velocity) شناخته شده است.
۲) اگر سري جواب دوم را بررسي نكنيم: معادله ي كلين – گردن را نمي توانيم با ارقام ابتداي حل كنيم. اما فقط مقادير ابتدايي!
زيرا فورير (Fourier) با استفاده از قضيه ي پالي - وينر (Paley – Wiener) اين موضوع را از بي مقداري در بازه ي [-|m|,|m|] به كلي تغيير داد.
اين كار نتيجه اي عجيب داشت:
اين ديگر غير ممكن بود كه معادله را با مقادير ابتدايي اي كه بعضي از مقادير را در بيرون از بازه ي نام برده ي [-L,L] از بين مي برد حل كرد.
در گفتار بهتر ما نمي توانيم تاكيون ها را در منطقه اي خاص بويژه مكان اوليه شان محدود كنيم.
بنابراين غيرممكن است كه تصميم بگيريم آيا سرعت واحد انتشار در بخش اول وجود دارد يا نه؟
البته قلل امواج exp (-iEt,iPx) با سرعتي بيش از سرعت نور حركت مي كنند اما اين امواج هيچگاه در مكان اوليه متمركز نشده اند.
و اين بدين معناست كه ما نمي توانيم از تاكيون ها براي انتقال اطلاعات استفاده كنيم.
در واقع انجام اين كار احتياج به رمز نويسي اي دارد كه آن با تمركز ميدان تاكيون ها همراه است و فرستادن آن نيازمند داشتن گيرنده هاي مخصوصي مي باشد كه اين كار را انجام دهند.
اما مي دانيم كه به هر حال به هر دو روش نمي توان اينكار را انجام داد. در واقع:
متمركز كردن تاكيون هاي پراكنده مادون روشنايي است و ماوراي روشنايي حاصل پراكنده و نا متمركز بودن تاكيون ها است.

[فلفل نمك]

فوتوسل نور مي تواند به الكترونهاي موجود در يك فلز انرژي بدهد و موجب شود كه اين الكترونها با انرژي جنبشي خاصي سطح فلز را ترك كنند . چون فلز در بدو امر بدون بار است از دست رفتن الكترونها در فلز بار مثبت به جا مي گذارد . هر گاه يك رسانا در جايي گذاشته شود كه بتواند الكترونها را جمع آوري كند اين رسانا بار منفي پيدا مي كند . چنين وسيله اي كه چشم الكتروني ناميده ميشود مي تواند براي توليد جريان الكتريكي از نور خورشيد مورد استفاده قرار گيرد . توجه داشته باشيد كه وقتي تجمع بار زياد مي شود الكترونها به علت بار منفي موجود در كلكتور رانده مي شوند ( و بار فلز فرار الكترونها را مشكل تر مي كند) و در نتيجه الكترونها سرگردان شده و به راه ( نادرستي ) مي روند . آن چه براي رفع اين مشكل لازم است نوعي (راهرو يك طرفه ) است كه امكان مي دهد الكترون ها فقط در يك جهت جريان پيدا كنند . اين كار تا اندازه محدودي با ساختن صفحه اي حساس به نور ، از فلزي كه الكترونها ي خود را به سهولت آزاد كند ، و ساختن كلكتوري از يك فلز كه چنين خاصيتي را نداشته باشد ، انجام مي شود .
اما تاكنون چشمي الكتروني كه بتواند به عنوان يك منبع انرژي مفيد به كار آيد ساخته نشده است . يك ( راهرو يك طرفه ) بهتر ممكن است به صورت ساندويچي از دو لايه ماده متفاوت ساخته شود به طوري كه نور را جذب كند و الكتريسيته را بسيار بهتر از يك عايق ولي نه به خوبي يك فلز هدايت كند . سيليسم و ژرمانيوم نمونه هاي خوبي از اين گونه موادند ( كه نيم رسانا ناميده مي شوند) . خاصيت اتصالي بين دو نيم رسانا ي مناسب اين است كه جريان الكتريكي در آن ها فقط در يك جهت مي تواند جريان پيدا كند.
هرگاه نور به اتصال مذكور برخورد كند ، همچنان كه درباره چشم الكتروني ديديم ، سبب جدايي بار مي شود . جدايي بار بين دو لايه اختلاف پتانسيل ايجاد مي كند ، اين فرايند را اثر فوتوولتايي مي‌گويند زيرا نور ولتاژ ايجاد مي كند . هرگاه مداري آن دو را به هم متصل كند ولتاژ جريان الكتريكي به وجود مي‌آورد . اين(ساندويچ )را فوتوسل يا سلول خورشيدي مي نامند .
چند چيز مانع مي شود كه سلول خورشيدي تمام انرژي نور را به الكتريسيته تبديل كند . نخست آن كه مقداري از نور باز تابيده مي شود و مقداري از آن هم به طور مستقيم از سلول مي گذرد ، اين نور هرگز مورد استفاده سلول قرار نمي گيرد . دوم آن‌كه هرچند اتصال مذكور (راهروي يك طرفه ) خوبي است ولي كامل نيست . بدين معني از بارهاي + و – ايجاد شده در واقع بار ديگر درون سلول با هم تركيب مي‌شوند اين زاييده را (بار تركيب) مي‌گويند . نتيجه كلي اين رويداد آن است كه مقداري از انرژي به الكتريسيته تبديل نشده بلكه سبب گرم كردن سلول مي شود .
پژوهشگران در اين‌باره دو هدف عمده را براي اصلاح سلولهاي خورشيدي دنبال مي كنند .
1 - باز تركيب بارهاي + و – را كاهش ميدهند تا سلول در حد ممكن كارآيي پيدا كند .
2- سلول هايي بسازند كه توليد انبوه آن‌ها به طور ارزان امكان پذير باشد .