رازهای جاذبه

نیروی جاذبه به عنوان پیچیده ترین و ناشناخته ترین نیروی طبیعی، پرسش های زیادی مطرح می شود. این مقاله به بررسی رفتار اسرارآمیز جاذبه می پردازد

1. جاذبه چیست؟

شما به بالا می پرید و جاذبه دوباره شما را روی زمین برمی گرداند. به نوک تپه می رسید و جاذبه به حرکت شما در پایین آمدن از سمت دیگر شتاب می دهد. همان طور که نیوتن تصور می کرد، جاذبه بدون هیچ اشتباهی و کاملاً دقیق عمل می کند؛ یعنی نیرویی که بر حرکت شیء دیگری اثر گذاشته و آن را تغییر می دهد. حداقل این طرز فکری بود که تا زمان آمدن اینشتین پابرجا ماند. با نظریه نسبیت عمومی اینشتین معلوم شد که توضیح نیروی جاذبه به این سادگی ها هم نیست.

نسبیت عمومی چارچوبی را فراهم می آورد که تحت آن، قوانین فیزیک برای همه، در هر لحظه از زمان و بدون در نظر گرفتن شیوه حرکت آنها، یکی است. اینشتین با توصیف جاذبه به عنوان یکی از ویژگی های جهان هستی و نه تک تک اجرام، به این نتیجه دست یافت.

نسبیت عمومی، جاذبه را به صورت هندسی توصیف می کند. تار و پود جهان هستی، یعنی چهار بُعد زمان و مکان پُر از پستی ها و بلندی هایی است که بر اثر حضور جرم و انرژی به وجود آمده است. این ترکیب غیرقابل اجتناب است. هرگاه شیئی مثل من و شما یا ذره ای از غبار یا فوتونی از نور بخواهد روی خط مستقیمی در جهان هستی حرکت کند، عملاً خطر سیری منحنی را طی می کند که توسط هر جرم و انرژی نزدیک آن به وجود آمده است. نتیجه چنین انحنایی همان چیزی است که ما آن را جاذبه تصور می کنیم. اگر بخواهیم اندکی متفاوت تر به قضیه نگاه کنیم، باید بگوییم جاذبه اثری نیست که یک جرم مستقیماً روی جرم دیگر می گذارد؛ بلکه اثری است که این جرم روی جهان اطراف خود دارد.

با این همه، تصور جاذبه به عنوان نیرویی که اثر مستقیم دارد، آن طور که نیوتن تصور می کرد، بسیار کارآمد بوده است. چنین تصوری امکان ارسال سفینه به کره ماه و ترسیم مدار سیارات با دقتی شگفت آور را فراهم کرد. "برنارد کار"(1) از دانشگاه لندن، در کوئین مری(2) می گوید: "تعاریف نیوتن با دقت بالایی جواب می دهد."

در بررسی های دقیقی که انجام شده، به همین میزان تعریف اینشتین در موقعیت هایی که سرعت های بالا و شتاب را شامل می شود، به خوبی جواب داده است. نه مدل نیوتن و نه نسبیت با وجود کاربردهایی که دارند، تعریفی بنیادین برای نیروی جاذبه به شمار نمی روند. ما هنو زنمی دانیم چطور خصوصات بنیادین کوانتوم جرم، انرژی و فضا- زمان با هم ترکیب می شوند و این پدیده (جاذبه) را به وجود می آورند.

البته ایده هایی در این زمینه داریم. در بنیادی ترین سطح، سه نیروی دیگر اصلی طبیعی یعنی نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای ضعیف و نیروی هسته ای قوی از طریق تعامل ذرات عمل می کنند. به عنوان مثال، به نیروی الکترومغناطیس تولید شده از فوتون های آزاد، "نظریه میدان کوانتومی" گفته می شود. به همین ترتیب باید ذراتی باشند که نیروی جاذبه را آزاد می کنند.

البته هنوز دو مشکل در این زمینه وجود دارد. اول این که هنوز باید به دنبال شواهدی برای اثبات وجود این ذرات فرضی که به آنها نام "گراویتون"(3) داده ایم، پیدا کنیم و دوم این که وقتی نظریه میدان کوانتومی برای جاذبه به کار برده شود، حتی به ساده ترین سوال ها هم جواب های بی ربطی داده خواهد شد. "بروس بست"(4) از دانشگاه کیپ تاون(5) آفریقای جنوبی می گوید: "اینها موانع اصلی هستند که باید بر آنها فائق آییم."

2. چرا جاذبه فقط می کِشد؟

در تمام نیروهای دیگر در طبیعت تضادهایی وجود دارد. مثلاً بسته به بار اجرام موجود، نیروی الکترومغناطیس می تواند عمل جذب و دفع را انجام دهد. ولی چه چیزی نیروی جاذبه را متفاوت از بقیه کرده است؟

به نظر می آید جواب این مسئله در نظریه میدان کوانتومی باشد. ذراتی که نیروهای قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی را منتقل می کنند بارهای متفاوتی دارند، مثل بارالکتریکی. "فرانک ویلچک"(6) از مؤسسه فناوری ماساچوست می گوید: "این بارها می توانند مثبت یا منفی باشند، که این امر احتمالات متفاوتی را در مورد نشانه های نیرو در پی خواهد داشت." این در مورد گراویتون ها یا همان ذرات فرضی که نظریه میدان کوانتومی انتقال نیروی جاذبه را به آنها نسبت می دهد، صدق نمی کند. طبق اظهارات ویلچک "گراویتون ها به تراکم انرژی عکس العملی نشان می دهند که همیشه مثبت است."

"پل وسون"(7) از دانشگاه واترلو(8) در اونتاریوی(9) کانادا گوشزد می کند: "ما هنوز نمی دانیم که نیروی جاذبه قطعاً نیرویی جذب کننده است." او با اشاره به "انرژی تاریک" که به نظر می آید به انبساط جهان هستی شتاب می دهد، می گوید که این موضوع نشان دهنده آن است که نیروی جاذبه به هر دو طریق عمل می کند. بعضی از فیزیکدانان تصور می کنند انرژی تاریک می تواند نوعی نیروی جاذبه دفع کننده باشد که فقط در مقیاس های وسیع عمل می کند. طبق اظهارات وسون، "سابقه چنین رفتاری در یک نیروی بنیادین دیده شده است؛ مثلاً نیروی هسته ای قوی در بعضی فواصل جاذب و در برخی دیگر از فواصل دافع است."

به هر صورت، تفاوت آشکاری که بین نیروی جاذبه و دیگر نیروهای بنیادین وجود دارد، مشکلاتی برای آن دسته از فیزیکدانانی به وجود آورده است که می خواهند یک نظریه کلی خلق کنند که تعریف واحدی برای همه نیروها ارائه دهد. در حال حاضر، انتظار اکثر نظریه پردازان آن است که بهترین راه دستیابی به چنین نظریه ای، در تقارن ناپیدای طبیعت که به آن "اَبَر تقارن" گفته می شود، قرار داشته باشد. این تقارن حکایت از آن دارد که هر ذره ای، جفت بسیار سنگین تری دارد که باید پیدا شود. البته ویلچک گوشزد می کند که این شاید پاسخ نهایی نباشد. طبق اظهارات وی، شاید ایده های جدید و ضروری دیگری نیز مورد نیاز باشد.

3. چرا جاذبه این قدر ضعیف است؟

یک لحظه وقت بگذارید و به هوا بپرید! تا حالا فکر کرده بودید این که می توانید با صرف نیرویی ناچیز، چند سانتی متر به هوا بپرید، چقدر عالی است؟! ماهیچه های نحیف آدم که وزنشان فقط چند کیلوگرم است، می توانند به نیروی جاذبه زمین که از جرم 〖10〗^24×6 کیلوگرمی آن حاصل می شود، فائق آیند. نیروی جاذبه واقعاً ضعیف است، این نیرو 〖10〗^40 بار از نیروی الکترومغناطیسی که اتم ها را در کنار هم نگه می دارد، ضعیف تر است.

اگرچه دیگر نیروها در محدوده های مختلف و بین انواع مختلفی از ذرات عمل می کنند، به نظر می آید نقاط قوتی هم دارند که کمابیش با یکدیگر قابل مقایسه است؛ ولی نیروی جاذبه در این میان نمی گنجد. اما چرا باید این طور باشد؟

تاکنون بهترین تعریف را نظریه ریسمان ها ارائه داده است که می تواند بهترین انتخاب برای یک نظریه کلی باشد. لازمه این نظریه آن است که جهان هستی بیش از سه بُعد مکانی و احتمالاً تا 10 بعد داشته باشد. با توجه به بهترین نظریات نظریه پردازان نظریه ریسمان ها، دلیل آن که نیروی جاذبه این قدر ضعیف است آن است که برخلاف سایر نیروها این نیرو به درون و برون ابعاد اضافیِ ذکر شده در بالا رخنه می کند و ما تنها بخش کوچکی از قدرت واقعی نیروی جاذبه را تجربه می کنیم.

شاید گواه این ادعا، آزمایش هایی باشد که قدرت جذب نیروی جاذبه را بین اشیایی که فاصله بسیار کمی با هم دارند، بررسی می کند. نظریه ریسمان ها حاکی از آن است که ابعاد دیده نشده از دید ما مخفی هستند، چرا که یا بسیار کوچک شده اند یا این که فقط شروع آنها نقطه پایان ابعاد(شناخته شده در دنیای) ماست؛ و لذا همین امر تشخیص وجود آنها را مشکل کرده است. این ابعاد متراکم شده می توانند سبب تغییر قدرت جذب نیروی جاذبه بین دو جرمی که فاصله بسیار کمی از هم دارند، بشوند. آزمایش های تا فواصل 06/0 میلی متر را هم امتحان کرده اند؛ ولی تاکنون چیزی را نشان نداده اند.

نظریه ای که نیروی واقعی جاذبه را در ابعاد مخفی دیگری می داند، اگرچه احتمالاً نمی تواند پاسخ کاملی به این مسئله بدهد، اما اگر شتاب دهنده LHC شواهدی بر وجود ذراتی به نام کالوتسا- کلاین(15) پیدا کند، آن گاه صحت نظریه یاد شده تقویت خواهد شد.

موارد فوق از سال 1930 تاکنون توسط نظریه پردازانی که سعی می کنند نیروی جاذبه و الکترومغناطیس را به هم مرتبط کنند، مورد بحث قرار گرفته است. وضعیت های کالوتسا- کلاین وقتی روی می دهند که ذرات شناخته شده به بعد دیگری می روند.

وقتی ذرات با سر و صدای زیاد می چرخند، انعکاس صدایی تولید می کنند که می تواند آشکارا نشان دهنده وجود ذره سنگین تری باشد. [برای آگاهی بیشتر در خصوص ذرات کالوتسا- کلاین، مقاله" نیروهای تاریک دست به کار شده اند" را در همین شماره (صفحه65) ببینید.]

4. چرا جاذبه به این خوبی تنظیم شده است؟

ضعیف بودن جاذبه چیزی است که ما باید به خاطرش شکرگزار باشیم. اگر این نیرو اندکی قوی تر بود، هیچ کدام از ما زنده نبودیم تا به ضعف طبیعی آن ایراد بگیریم. در لحظه تولد جهان هستی، فضا- زمانی نبساط یابنده به وجود آمد که ماده می توانست در آن وجود داشته باشد. درحالی که جاذبه، اجزای مواد را به سمت هم می کشد، انبساط فضا ذرات ماده را از هم دور می کند و هر چقدر این ذرات دورتر می شوند، قدرت جذب مابین آنها ضعیف تر می شود.

کشمکش بین این دو نیرو گویی روی لبه تیغ (در وضعیتی حساس) به حالت تعادل رسیده است. اگر در جهان هستی تازه متولد شده، قدرت انبساط فضا به کشش جاذبه می چربید، ستاره ها، کهکشان ها و انسان ها هیچ کدام به وجود نمی آمدند. از سوی دیگر اگر جاذبه قوی تر بود، ستاره ها و کهکشان ها به وجود می آمدند، اما خیلی زود در خود یا ستاره های دیگر فرو می ریختند. به علاوه، این فعل و انفعالات جاذبه ای در فضا- زمان، جهان هستی را در یک لحظه و با صدایی بلند در هم می پیچید و دنیای ما نیز تا حالا به پایان خود رسیده بود.

وقتی که قدرت انبساط و جاذبه یک ثانیه بعد از حادثه "مه بانگ"(16) به یک جزء در 〖10〗^15 رسیده اند، حالت تعادل به وجود آمده و هستی شکل گرفته است. نیروی جاذبه تا ثابت جاذبه ای کاهش یافته است که به آن G نیز گفته می شود.

از بین تمام ثوابت طبیعت، جاذبه یا همان G کمترین دقت را در تعریف خود داشته است. دقت آن فقط یک در 10 هزار است که کاملاً تخمینی به نظر می رسد؛ برخلاف عدد بنیادینی که به آن ثابت پلانک(17) گفته می شود و دقیقاً 5 /2 جزء در 100 میلیون دقت دارد. این ضعف نیروی جاذبه است که اندازه گیری دقیق تر ثابت G را مشکل کرده است، هرچند این بیشتر یک مشکل آزمایشگاهی است. مسئله مهم آن است که مقدار ثابت G از کجا آمده است. چرا G مقداری دارد که امکان وجود زندگی در جهان هستی را فراهم آورده است؟

جواب ساده، اما غیر قانع کننده، به این پرسش آن است که اگر نیروی جاذبه جور دیگری بود، ما اینجا نبودیم تا در موردش صحبت کنیم! هیچ کس نمی داند جواب صحیح تر به این مسئله چیست. طبق اظهارات "جان بارو"(18) از دانشگاه کمبریج"، ما می توانیم اندازه گیری هایی داشته باشیم و اندازه آن را تعیین کنیم، اما درباره این که این مقدار از کجا آمده است، هیچ نظری نمی توانیم بدهیم. ما تاکنون هیچ کدام از ثوابت طبیعت را تشریح نکرده ایم."

5. آیا هستی به جاذبه نیاز دارد؟

گیاهان قطعاً به جاذبه نیاز دارند. "چارلز داروین" نخستین دانشمند غربی بود که نشان داد گیاهان حسگرهای جاذبه ای دارند که عملاً احساس بالا یا پایین بودن را به آنها می دهد. اگرگلدانی را از بغل روی زمین بخوابانید، مشاهده خواهید کرد که ادامه رشد ریشه های آن به سمت مرکز زمین خواهد بود.

ریشه گیاهانی که در فضا پرورش می یابند، جهت خاصی ندارند و نمی توانند به مواد معدنی و‌آب دسترسی خوبی داشته باشند. تولید ناچیز نشاسته، یکی از اثرات نامطلوب عدم وجود جاذبه است. از برخی از دانه های گیاهی که در جاذبه خرد پرورش یافته اند، گیاهانی به وجود می آیند که ژن هایشان به شکلی غیرطبیعی نمایان می شوند.

اگر حیوانات را از نیروی جاذبه محروم کنیم، مشکلات عدیده ای پیدا خواهند کرد؛ هرچند ما هنوز اطلاعی از تمام این مشکلات نداریم. "ریچارد وسرساگ"(19)، زیست شناس از دانشگاه دال هاوسی(20) در شهر هلیفکس(21)، نوا اسکوشیا(22) کانادا می گوید: "ما نیم قرن زندگی حیوانی را در فضا داشته ایم، اما باید پستانداری را از ابتدا تا انتهای چرخه زندگی اش در فضا داشته باشیم."

می دانیم که از همان ابتدا مشکلاتی می تواند وجود داشته باشد. از آزمایش های ایستگاه فضایی میر(23) روسیه معلوم شد که نسبت به حالت نرمال، جوجه های کمتری سر از تخم های بلدرچین بیرون می آورند و آنهایی هم که از تخم بیرون می آیند، به شکلی غیرعادی امکان دارد از ناهنجاری هایی رنج ببرند.

بعد از این، شاتل فضایی دیسکاوری(24) از ایالات متحده آزمایش هایی انجام داد که به بررسی پرورش جنین بلدرچین می پرداخت و هزینه آن را شرکت غذای آمده(25) KFC (26) می پرداخت. هیچ کدام از 16 جنین آزمایشی سر از تخم بیرون نیاوردند. در جاذبه نرمال، زرده بعد از پوسته تخم قرار دارد؛ اما در جاذبه با شدت کم، در وسط سفیده معلق می شود. این امر به مشکلاتی در انتقال هوا بین جنین و پوسته می انجامد که باعث مرگ جنین خواهد شد. به گمان آقای وسر، این مشکلات با مهندسی مناسب یا با بردن جنین ها به فضا در مراحل بعدی رشدشان حل خواهد شد.

حتی اگر جنین ها طاقت آورده و چشم به جهان بگشایند، مشکلات بزرگ تری برایشان پیدا می شود. جوجه هایی که در جاذبه خرد به دنیا می آیند نمی توانند تعادل خود را حفظ کرده و جهت را برای خوردن غذا به خوبی پیدا کنند. دوزیستان هم مشکلات تنفسی پیدا می کنند. آنها به حکم غریزه برای تنفس هوا به سمت بالا می آیند ولی در فضا بالایی وجود ندارد.

مشکل تنفسی برای انسان ها دلیل دیگری دارد. در فضا، حجم ریه فضانوردان کاهش می یابد؛ چرا که جاذبه ای نیست که دیافراگم را به سمت پایین بکشد. بدتر این که در جاذبه خرد کبد هم بالاتر می آید و اندازه ریه ها کاهش بیتشری می یابد. در یک سفر کوتاه فضایی این امر مشکل بزرگی به حساب نمی آید، اما چه بر سر نوزادانی که در فضا به دنیا می آیند، خواهد آمد؟

طبق اظهارات وسرساگ، "ما نمی دانیم چه اتفاقی خواهد افتاد اگر شما از دوران بچگی تا بزرگسالی با ریه های کوچک تری رشد کنید. دلایل زیادی هست که فکر کنیم مشکلاتی جدی در دوره رشد جوانی پدیدار خواهند شد. امور ساده برای شما مشکل ساز خواهند شد؛ مثلاً دیگر نمی توانید با سرفه کرد، ریه هایتان را صاف کنید. این گونه مشکلات و برخی دیگر از مشکلات که به نظر جزئی می آیند، وقتی شخصی بخواهد فعالیت شدید جسمی انجام دهد، می توانند واقعاً خطرناک باشند."

تازه بعد از اینها، مشکلات ضایعات استخوانی را داریم. استخوان های ما برای رشد مناسب باید توسط وزن بدن تحت فشار قرار بگیرند. همچنین مطالعه روی سرنشینان ایستگاه های فضایی که به زمین بازمی گردند، نشان می دهد که ما در جاذبه خرد از ضایعات ماهیچه ای شدیدی رنج خواهیم برد که احتمالاً به اندازه ای هست که عمل زایمان طبیعی را در فضا برای یک زن غیرممکن کند.

چه کسی می داند بعد از سال ها اقامت در فضا چه مشکلات دیگری زندگی ما را تحت تأثیر قرار خواهد داد؟ و سرساگ می گوید: "اطلاعات ما در مورد رشد و پرورش در حالت بی وزنی بسیار کم است."

6. آیا می توانیم با جاذبه مقابله کنیم؟

اگرچه ایده ساخت "سپر جاذبه" قدمت زیادی دارد، اما هنوز کسی موفق به ساخت آن نشده است. شاید معروف ترین کار در این زمینه توسط دانشمند مهاجر روسی به "نام ایجنی پادکلتنوف"(27) انجام شده باشد. در سال 1992 پادکلتنوف مقاله ای منتشر کرد که در آن ادعا کرده بود متوجه کاهش وزن 2 درصدی در اطراف یک دیسک چرخنده که جنس آن از سرامیک فوق رساناست، شده است.

محققی به نام "مارتین تاجمار"(28) از شرکت "مراکز تحقیقایی اتریش"، ادعای مشابهی را در سال 2003 منتشر کرد و توانست با تأمین مالی سازمان فضایی اروپا، تحقیقات را در این زمینه بیشتر دنبال کند. سه سال بعد تاجمار و سازمان فضایی اروپا اعلام کردند اثری را در یک فوق رسانای چرخنده اندازه گیری کرده اند که با پیشرفت بیشتر کر می تواند به گونه ای مهار شود بر جاذبه تأثیر بگذارد. دیگران هم این روش را امتحان کردند، اما در همانندسازی موفق نبودند.

اما چرا همه فکر می کنند که این امر می تواند ممکن باشد؟ برای این که نسبیت، امکان آن را کاملاً منتفی نمی داند؛ یعنی انحنای فضا- زمان که کشش نیروی جاذبه را افزایش می دهد می تواند در جهت عکس هم عمل کند. "بهرام مشحون"، فیزیکدان از دانشگاه میسوری،(29) می گوید: "با تنظیمات مناسب ممکن است بتوان اثر نیروی جاذبه را کاهش داد یا تقویت کرد."

تاجمار به عنوان روشی برای انجام این کار، به اثری به نام "مغناطیس جاذبه ای" استناد می کند. با توجه به نسبیت عمومی جرم یک شی در حال چرخش، فضا- زمان را در اطراف خود می کشد و پیچشی را در آن به وجود می آورد و درست همان طور که یک بار الکتریکی چرخنده میدان مغناطیسی تولید می کند، یک جرم در حال چرخش نیز میدان مغناطیسی- جاذبه ای به وجود خواهد آورد. این چرخش اثراتی واقعی در دنیا دارد. به عنوان مثال، چرخش زمین فرایند گردش ماهواره را در مدار خود سبب خواهد شد. به هر حال، وجود مشکلات و مسائل عملی در استفاده از نظرات فوق برای کاهش جاذبه، کسی را چندان متعجب نخواهد کرد. مشحون اشاره می کند: "اثرات نسبیتی در عمل بی نهایت کوچک هستند."

طبق اظهارات مشحون، اگرچه هنوز مشخص نیست که یک فوق رسانای در حال چرخش اثر مغناطیسی- جاذبه ای داشته باشد، ولی برای ادامه تحقیقات در این زمینه مردم را نباید به بازی گرفت. شاید این تنها روشی از کار دربیاید که امکان سفرهای بین ستاره ای را فراهم کند. طبق اظهارات برخی از محققان، ورای یک سرعت بحرانی خاص، نسبیت می تواند اثرات جاذبه ای دافعه ای به دست بدهد و همان طور که به عنوان سپر جاذبه از آن می توان استفاده کرد، به عنوان نیروی محرکه نیز می تواند به کاربرده شود. طبق گفته مشحون، با فناوری کنونی سفر به نزدیک ترین ستاره ها حدوداً میلیون ها سال طول می کشد.

7. آیا نظریه کوانتومی گرانش دست یافتنی است؟

به نظر می آید هم مکانیک کوانتومی و هم نسبیت که از موفق ترین نظریه های ما درباره طرز کار جهانند، به طرز عجیبی با یکدیگر و با دنیایی که ما هر روز آن را تجربه می کنیم در تضادند. نظریه کوانتومی که درباره چگونگی رفتار اشیا در سطوح پایین تر از اتم صحبت می کند، مسلماً عجیب و غریب است. اشیای کوانتومی در آن واحد می توانند در دو نقطه باشند یا در دو جهت خلاف حرکت کنند. [برای آگاهی بیشتر درباره نظریه کوانتومی می توانید ویژه نامه "سفری به جهان شگفت انگیز کوانتومی" را که در شماره اردیبهشت ماه 88 منتشر شده بود، مطالعه کنید.] نسبیت هر چه که هست، از آن هم بدتر است! ما از آن برای توضیح فضا- زمان خمیده استفاده می کنیم، اما در شرایط بحرانی که در قلب سیاه چاله ها یا ابتدای جهان هستی یافت می شود، معادلاتش بی معنی می شوند.

از دیدگاه یک فیزیکدان، مشکل بزرگ آن است که هیچ کس نفهمیده است که چطور نظریه کوانتومی و نسبیت با یکدیگر جور درمی آیند. باید نظریه بهتری وجود داشته باشد، نظریه ای که از مقیاس های کوچک تر از اتم تا مقیاس های کیهانی را توضیح دهد؛ اما دستیابی به چنین نظریه ای فوق العاده مشکل است.

اینشتین جزو نخستین دانشمندانی بود که تلاش کرد جاذبه را با دیگر نظریه های فیزیک پیوند دهد؛ و ما هنوز همان جایی هستیم که او در هنگام شروع تحقیقاتش بود. به نظر می آید امروزه مشهورترین نظریه های کوانتومی گرانش هم مشکلاتی اساسی دارند که هیچ کس راه حل آن را نمی داند.

آیا این بدین معناست که ما هیچ وقت به آنها دست نخواهیم یافت؟ "لی اسمولین"(30) از مؤسسه فیزیک نظری پریمیتر(31) در واترلوی کانادا، می گوید: "ما نباید ناامید شویم. من از جمله کسانی هستم که بسیار به ظرفیت خودمان در فهم دنیایی که خود را در آن یافته ایم، باور دارم."

به گفته "راجر پنروز"(32) از دانشگاه آکسفورد، آخرین نظریه کوانتومی گرانش شبیه سایر نظریه ها که تاکنون دیده ایم به نظر نمی رسد. به گمان وی، نظریه های امروزی آن قدر قوی نیستند که بتوان آنها را منتخب دانست؛ چرا که مسائل مهمی همچون حل اسرار مربوط به رفتار عجیب دنیای کوانتومی را نادیده گرفته اند. وی اظهار می دارد: "چنین نظریه باید وجود داشته باشد، اما انتظار من آن است که این نظریه در تصویر ما از دنیای فیزیکی انقلابی بزرگ به وجود آورد. این نظریه، پیشرفتی بزرگ و خروجی بنیادین از طرز تفکر کنونی را می طلبد."

پی نوشت ها :

نویسنده: 1- Bernard Carr

2- Queen Mary

3- Gravition

4- BruceBassett

5- Cape Town

6- Frank Wilczek

7- Paul Wesson

8- Waterloo

9- Ontario

10- Large Hedron Collider

11- CERN

12- Genoa

13- Lisa Randall

14- Harvard

15- Kaluza-Klein

16- Big Bang

17- Planck

18- John Barrow

19- Richard Wassersug

20- Dalhousie

21- Halifax

22- Nova Scotia

23- Mir

24- Discovery (به معنای اکتشاف)

25- Fast Food (فست فود)

26- KFC

27- Eygeny Podklentnov

28- Martin Tajmar

19- Missouri

30- Lee Smolin

31- Perimeter

32- Roger Penrose

منبع: NewScientist, 13June2009

منبع:دانشمند-ش551

شکل جدید انتقال اطلاعات در مغز

 دستاوردی که می‌تواند منجر به ارتقای درک علمی از شکل‌گیری حافظه و بیماری صرع شود، دانشمندان دانشگاه کیس‌وسترن رزرو، شکل جدیدی از انتقال اطلاعات در مغز را کشف کرده‌اند.

به گزارش «انتخاب»، محققان توانستند امواج مغزی با حرکت آهسته را شناسایی کنند که تنها توسط میدان الکتریکی ضعیف مغز هدایت می‌شوند. پیش از این تصور می‌شد که این مکانیسم بطور کلی قادر به انتشار سیگنال‌های عصبی نباشد اما اکنون بنظر می‌رسد که مغز از آن برای ارتباط‌گیری بدون انتقال سیناپسی، اتصالات شکاف‌دار و یا انتشار بهره می‌برد.

محققان با ثبت اسپایک‌های عصبی که با سرعت بسیار آهسته‌ای با ابزارهای متداول حرکت می‌کردند و حاکی از وجود یک عامل هدایتگر دیگر بودند، به این نتیجه رسیدند. آن‌ها مدعی هستند که تنها توضیح ممکن برای حمل اطلاعات به این شکل، ‌وجود یک میدان الکتریکی ضعیف است.

دانشمندان این نظریه را با مدلسازی رایانه‌ای و همچنین مشاهده فعالیت بخش هیپوکامپ مغز موشها که مسؤول حافظه و جهت‌یابی مکانی است،‌ مورد آزمایش قرار دادند. اگرچه میدان الکتریکی بسیار ضعیف و دارای دامنه حدود 2.6 میلی‌وولت/میلیمتر بود، اما دانشمندان دریافتند که این میدان پس از آغاز با یک سلول یا گروهی از سلول‌ها توانست نورون‌های همسایه را تحریک کند که در مقابل، آن‌ها نیز نورون‌های همسایه را تحریک کردند.

این امر منجر به گسترش سیگنال‌ها در کل مغز با سرعت حدود 10 سانتیمتر در ثانیه شد.

محققان با متوقف کردن میدان مغناطیسی و همچنین افزایش فاصله بین سلول‌ها در مدل رایانه‌ای دریافتند که می‌توان سرعت این موج را کاهش داد. این یافته‌ها باور آن‌ها در مورد تاثیرگذاری میدان الکتریکی ملایم بر انتشار این گونه از سیگنال‌های مغزی را تقویت کرد.

به گفته دانشمندان، مکانیسم جدید می‌تواند در انتشار سیگنال‌های عصبی مانند خواب و امواج بتا و همچنین امواج تشنج صرع موثر باشد. آن‌ها اکنون در حال بررسی نقش این مکانیسم در صرع و عملکرد عادی مغز هستند.

این یافته‌ها در مجله Neuroscience منتشر شده است.

گذر زمان عامل ایجاد تبدیلات ذره -موج

گذر زمان در فضا متفاوت است و بیشترین مقذار آن در فضای بیرونی کهکشانها و کمترین مقدار آن یعنی صفر بر روی فشرده ترین ذرات مادی یعنی فوتونها میباشد. هر چه به جرم نزدیکتر میشویم گذر زمان کندتر میشود و هر چه گذر زمان کندتر باشد خواص جرم از فضا قابل حصول است بنابراین میتوان در نقطه ای از فضا با خواص زمانی مشخص جرمی را احساس نمود در حالی که جرم واقعی وجود ندارد. این موضوع در تبدیلات ذره-موج اهمیت زیادی پیدا میکند.

وقتی یک ذره با جرم مشخص در حال حرکت است زمان بر روی این ذره گذر خاص خود را دارد هر نوع تغییر در گذر زمان میتواند اندازه گیری ما از آن ذره را مختل نماید دو حالت در این خصوص متصور است اول اینکه گذر زمان بر روی یک ذره کاهش یابد که در این صورت ما در اندازه گیری جرم را بیشتر از آنچه که میباشد اندازه گیری میکنیم و حالت دوم این است که گذر زمان بر روی یک ذره افزایش یابد که این موضوع باعث میشود جرم را کمتر از مقدار واقعی اندازه گیری نماییم .

حال ذره ای را در نظر میگیریم که گذر زمان بر روی آن افزایش یافته است یا ذره وارد فضایی شده است که زمان سریعتر میگذرد (نسبت به آنچه در فضای قبلی میگذشته است) در این حالت ذره به سرعت جرم خود را از دست میدهد و  با توجه به اینکه با دور شدن از جرم زمان با سرعت بیشتری میگذرد ما یک گرادیان زمانی در اطراف جرم داریم که این موضوع باعث میشود کم شدن جرم ذره اولی با افزایش احساس جرم گونه فضای اطراف ذره توام باشد و در نتیجه جرم را به صورت پخشیده و موج گونه مشاهده مینماییم این اثر در حقیقت تبدیل ذره به موج میباشد و تغییرات مداوم گذر زمان در یک فضای مشخص میتواند حالتی از وجود یا عدم وجود جرم را به وجود بیاورد که این موضوع به تبدیلات ذره موج منجر میشود.

اگر بتوانیم گذر زمان را در یک محدوده خاصی از فضا کنترل نماییم میتوانیم یک جرم را در قسمتی از فضا از بین برده و در قسمت دیگری از فضا به وجود آوریم در این صورت ما یک ذره را به موج تبدیل نموده ایم این موضوع دلیلی بر پایستگی زمان در فضا میباشد یعنی اگر گذر زمان در یک نقطه از فضا کاهش یابد به همان اندازه در نقطه دیگری با افزایش گذر زمان روبرو هستیم.

پایستگی زمان در به وجود آمدن جرم و از بین رفتن آن در یک فضای نامشخص موضوع مهمی میباشد به این صورت که ممکن است جرمی که با کنترل زمان از دست رفته است میلیاردها سال نوری آن ورتر از جرم اصلی دوباره تشکیل شود و این موضوع وابسته به این است که گذر زمان در کدام نقطه از فضا دوباره جبران شود. یکی از موضوعات مهم در نتیجه انتقال جرم در یک فضای مشخص به وجود میآید موضوع اندازه گیری است اندازه گیری ما کنترل زمانی به وجود می آورد و باعث میشود تغییراتی در تبدیلات صورت گیرد. مشاهده ما کنترل زمانی ایجاد مینماید و میتواند منجر به پایستگی زمانی در همان نقطه مشاهده شود و در نتیجه نتیجه کار را تغییر دهد.

پارامتر زمان در اندازه گیری جرم و بار

زمان عامل تعیین کننده در تمام فرآیندهای حقیقی و مجازی در جهان می باشد. گذر زمان در نقاط مختلف متفاوت است و اگر دو نقطه را در دو فضای مختلف داشته باشیم و گذر زمان در این دو نقطه برابر باشد جرمی که در این دو نقطه وجود دارد دارای بار و جرم برابر است. یعنی عاملی که ما به عنوان جرم میشناسیم تابع گذر زمان است و اگر بتوان بر روی یک جرم گذر زمان را کاهش داد می توان به جرم بزرگتری دست یافت و اگر بتوان بر روی یک جرم گذر زمان را افزایش داد یعنی زمان با سرعت بیشتری بگذرد میتوانیم جرم را کاهش دهیم و این موضوع میتواند تا جرم صفر و حداکثر گذر زمان ادامه یابد که این موضوع نشان میدهد برای کاهش جرم هسته ای حتما نیاز به واپاشی و یا همجوشی هسته ای نیست بلکه ما میتوانیم با تغییر در گذر زمان بر روی ذرات مختلف جرم آنها را تغییر دهیم. برای نمونه اگر گذرزمان را بر روی هسته هیدروژن  افزایش دهیم جرم هسته کمتر می شود و تفاوت این جرم میتواند به انرژی تبدیل شود این همان چیزی است که از فرمول ها استخراج می شود تنها در این قسمت ما فقط از زمان به عنوان شالکه انرژی و جرم بهره میبریم. 

با افزایش گذر زمان یا سریعتر کردن گذر زمان ما میتوانیم جرم را کاهش دهیم  و معادل آن انرژی به دست آوریم واکنش هسته ای نیز در حقیقت همین تعادلات زمانی را در سطح ذرات برهم میزند و انرژی حاصل از کاهش جرم  به دست می آید.

زمان میتواند هم ارز انرژی باشد بنابراین انرژی جرم و زمان هم ارز میباشند . بنابراین ما میتوانیم در نقطه ای از فضا که گذر زمان به کندی میگذرد بدون داشتن جرم در آن نقطه جرم را احساس کرده با آن نقطه به صورت جرم برخورد نماییم این موضوع در کوانتم اهمیت فوق العاده ای پیدا میکند به این صورت که در پدیده های مختلف کوانتمی ما همواره ذراتی را در نظر میگیریم که در مکان های غیرمجاز وجود دارند مانند تونل زدن ذرات و یا عبور از دیوار با انرژی پتانسیل بالاتر از انرژی جنبشی ذرات. این موضوع همان تعامل زمان و جرم میباشد به این طریق که عواملی که میتواند ناشی از تاثیر ذرات و یا میدان های کوانتمی باشد میتواند گذر زمان را در یک فضای عمیق تغییر دهد و متناظر آن به صورت حضور جرم احساس می شود و این جرم به صورت یک جرم پخشیده و یا یک بسته موج خود را نشان میدهد در حقیقت این موضوع که جرم به صورت یک موج حرکت میکند خود ناشی  از تغییرات گذر زمان در آن فضایی است که جرم  در آن حرکت میکند به این صورت ما میتوانیم مقداری از جرم را که به واسطه کاهش گذر زمان از دست داده است در یک نقطه تعادلی با افزایش گذر زمان به وجود آوریم و به این صورت جرم پخشیده شامل یک بسته موج در حال حرکت میباشد.

فیزیک کوانتم و حقایق شگفت انگیز

فیزیک کوانتوم و حقایق شگفت انگیزش

---

فیزیک بدون

---

 شک علمی شگفت انگیز است. ذراتی که وجود ندارند در احتمالات به حساب می آیند، و زمان متناسب با سرعت حرکت شیء تغییر می کند. نشریه تلگراف، 10پدیده عجیب از این عجایب در علم فیزیک را با کمک تعدادی از کاربران توئیتر و کیهان شناسی به نام «مارکوس چاون» ارائه کرده است که در ادامه از نظرتان می گذرد.

---

خورشید می توانست از موز ساخته شده باشد

خورشید بسیار پرحرارت است زیرا وزن چند میلیارد میلیارد میلیارد تنی آن گرانش عظیمی به وجود می آورد که در نتیجه هسته ستاره را تحت فشاری غیرقابل تصور گذاشته و در نتیجه فشار بالاحرارت فوق العاده تولید می کند. در صورتی که به جای گاز هیدروژن از میلیاردها میلیارد میلیارد تن موز استفاده می شد نیز همان میزان فشار و در نتیجه همان مقدار حرارت در خورشید به وجود می آمد. با این حال با افزایش حرارت، اتم ها با بخش های مختلف ساختار ستاره یی برخورد کرده و انرژی اتمی را به وجود می آورند که در اینجا تفاوت میان حضور هیدروژن و موز در ساختار خورشید آشکار خواهد شد.

تمام ماده یی که نسل بشر را به وجود آورده است در یک حبه قند جا می گیرد

در اتم ها، 9999999999999/99 درصد فضا، خالی است و به همین دلیل در صورتی که تمامی اتم ها را به گونه یی به هم بفشاریم که فضای خالی میان آنها از بین برود، یک قاشق چایخوری یا حجمی برابر یک حبه قند از این ماده حدود پنج میلیارد تن وزن خواهد داشت: وزنی 10 برابر مجموع وزن تمامی انسان هایی که در حال حاضر در جهان حضور دارند. این در واقع همان پدیده یی است که در ستاره های نوترونی رخ می دهد و وزن آنها را تا حد غیرقابل باوری افزایش می دهد.

آینده می تواند گذشته را تغییر دهد

شگفتی جهان کوانتوم به اثبات رسیده است. آزمایش دو جداره که نور را در دو حالت موج و ذره به اثبات می رساند به اندازه کافی عجیب و غیرقابل تصور است به خصوص زمانی که اعلام شود مشاهده نور می تواند آن را از موج به ذره یا برعکس تبدیل کند. اما پدیده های عجیب تر این جهان پس از آزمایش «جان ویلر» فیزیکدان در سال 1978 خود را نمایان کرد. آزمایش وی نشان داد مشاهده یک ذره در زمان حاضر می تواند سرنوشت ذره مشابه دیگری در گذشته را متحول سازد. طبق آزمایش دو جداره در صورتی که هر یک از پرتوهای نوری خارج شده از یکی از شکاف های صفحه آزمایش را مشاهده کنید، در واقع پرتو را مجبور کرده اید خصوصیات ذره یی به خود بگیرد و اگر به هدف برخورد پرتو چشم بدوزید خصوصیت موج گونه به پرتو نور بخشیده اید. اما در صورتی که پس از عبور پرتو نور از شکاف به مسیری که از آن ناشی شده است، چشم بدوزید آنگاه است که پرتو نور می تواند در هر دوحالت شکل بگیرد. به بیانی دیگر زمان حال بر گذشته پرتو نوری تاثیر گذاشته است. این آزمایش در آزمایشگاه تنها چند صد هزارم ثانیه به طول می انجامد، اما در مشاهده نورهای ناشی از ستاره های دوردست نیز صدق می کند. در واقع مشاهده اکنون ستاره های دوردست می تواند گذشته چند هزار یا میلیون ساله آنها را تغییر دهد.

تقریباً همه جهان گم شده است

می توان به جرات گفت حدود 100 میلیارد کهکشان در جهان هستی وجود دارد که هر یک از آنها از 10 میلیون تا 10 تریلیون ستاره را در خود گنجانده اند. خورشید زمین در مقایسه با این ستاره ها یکی از کوچک ترین و ضعیف ترین ستاره ها به شمار می رود و حتی می توان نام کوتوله زردرنگ را روی آن گذاشت. در واقع در جهان هستی مقادیر ترسناک و عظیمی از ماده مرئی وجود دارد که انسان تنها قادر به مشاهده دو درصد از آن است. وجود این مقدار ماده به دلیل نیروی گرانش آنها پیش بینی می شود و ماده تاریک نیز که مقدار آن شش برابر جرم ماده مرئی تخمین زده می شود بخش نامرئی جهان را تشکیل داده است. به گزارش مهر به نقل از منابع علمی جهان وجود انرژی تاریک به عنوان بخشی دیگر از جهان که در واقع مابقی جهان را تشکیل داده است، موضوع را پیچیده تر خواهد کرد. این نوع انرژی با گسترش سریع جهان در ارتباط است و به همراه ماده تاریک همچنان ناشناخته باقی مانده است.

جسم می تواند سریع تر از نور حرکت کند نور نیز همیشه بسیار سریع حرکت نمی کند

سرعت نور در خلا300 هزار کیلومتر بر ساعت است با این حال نور همیشه در خلاحرکت نمی کند. برای مثال نور در آب با سرعتی یک سوم سرعت گفته شده حرکت می کند. در واکنش های اتمی برخی از ذرات به سرعت های بسیار بالایی دست پیدا می کنند که بخشی از سرعت نور است و در صورتی که از میان رابطی که سرعت نور را خواهد کاست عبور کنند، در واقع می توانند سریع تر از نور حرکت کنند. چنین پدیده یی درخششی آبی رنگ از خود به وجود می آورد که به «تشعشعات شرنکوف» شهرت دارد و با بمب های صوتی قابل مقایسه است. کمترین سرعتی که تاکنون برای نور به ثبت رسیده است 17 متر بر ثانیه یا 61 کیلومتر بر ساعت بوده که به واسطه عبور از میان روبیدیوم منجمد با حرارتی برابر صفر مطلق ایجاد شده است. این ماده در این حرارت در حالتی به نام چگالش «بوز- اینشتین» قرار دارد.

سیاهچاله ها سیاه نیستند

به طور حتم سیاهچاله ها بسیار تاریکند اما سیاه نیستند، زیرا این پدیده ها درخشان بوده و به آرامی نور خود را در تمامی طیف های نوری از جمله نور مرئی به اطراف منتشر می کنند. این تشعشعات که «تشعشعات هاوکینگ» نام دارد نور خود و جرم سیاهچاله ها را به تدریج کاهش داده و با از دست دادن منبع جرم سیاهچاله ها تبخیر می شوند. به گزارش مهر به نقل از منابع علمی جهان، سیاهچاله های کوچک در مقایسه با جرم شان و نسبت به سیاهچاله های بزرگ تر با سرعتی بالاتر از خود نور منتشر می کنند و بر همین اساس در صورتی که برخورددهنده بزرگ هادرون براساس برخی نظریه ها از خود میکروسیاهچاله هایی تولید کند، آنها به سرعت تبخیر خواهند شد و دانشمندان پس از آن قادر خواهند بود بقایای تابش های آنها را مشاهده کنند.

تعداد نامحدودی نویسنده مطلب را نوشته و تعداد نامحدودی خواننده آن را می خوانند

براساس مدل های استاندارد کیهان شناسی جهان مرئی با تمامی میلیاردها کهکشان و تریلیون تریلیون ستاره هایش تنها یکی از بی نهایت جهان هایی است که مانند حباب های صابون در یک اسفنج در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. به دلیل بی نهایت بودن آنها می توان هر تاریخچه ممکنی را برایشان در نظر گرفت. اما تعداد تاریخچه های ممکن برای این جهان ها متناهی است زیرا تعداد محدودی پدیده و تعداد محدودی نتیجه در بر داشته اند. تعداد این پدیده ها بسیار زیاد اما متناهی است، پس همین پدیده عینی و کنونی که نویسنده این مطلب نوشته و شما آن را می خوانید، باید بی نهایت بار در زمان رخ داده باشد. شگفت انگیزتر از آن این است که بدانیم نزدیک ترین همتای ما در چه فاصله یی از ما قرار گرفته است. این فاصله عددی برابر 10 به توان 10 به توان 28 متر تخمین زده شده است که در صورت علاقه مندی به محاسبه آن می توانید از عدد یک و 10 میلیارد میلیاردمیلیارد صفر در برابر آن استفاده کنید.

تصور بنیادین از جهان مسوول گذشته، حال و آینده آن نیست

براساس نظریه نسبیت خاص چیزی به نام اکنون، گذشته یا آینده وجود ندارد و قالب های زمانی به یکدیگر وابسته اند زیرا همه هستی در سرعتی برابر در حرکت است. درصورتی که انسان با سرعتی کاملاً متفاوت در حرکت بود شاهد پیر شدن زودهنگام یکی از نزدیکان یا دیر پیر شدن وی نسبت به دیگران می بود.

ذره می تواند به صورت آنی روی ذره یی در آن طرف جهان تاثیر بگذارد

زمانی که یک الکترون با همتای ضدماده خود یا پوزیترون روبه رو می شود، هر دو در درخشش کوچکی از انرژی خنثی شده و دو فوتون از این برخورد متولد می شود. ذرات زیراتمی مانند فوتون ها یا کوارک ها یک ویژگی به نام اسپین دارند که به مفهوم چرخش است. این ذرات در واقع حرکت چرخشی ندارند، اما به گونه یی رفتار می کنند که انگار در حال چرخشند. جهت اسپین فوتون ها در زمان تولد در برابر یکدیگر است و در نتیجه خنثی می شوند. با توجه به رفتارهای غیرقابل پیش بینی کوانتومی، گفتن اینکه کدام فوتون در مسیر چپ گرد و کدام یک در مسیر راست گرد حرکت خواهد داشت، غیرممکن است و در واقع تا زمانی که یکی از آنها مشاهده نشود، هر دو در هر دو جهت حرکت خواهند داشت اما به محض اینکه یکی از آنها مشاهده شود جهت راست یا چپ گرد را به خود گرفته و به هر جهتی که حرکت کند، همتایش در مسیر متضاد آن حرکت خواهد کرد. این واقعیتی است که در آزمایش ها به اثبات رسیده است.

هرچه سریع تر حرکت کنید سنگین تر می شوید

در صورتی که بسیار سریع بدوید به صورت لحظه یی و نه دائم، سنگین وزن خواهید شد. سرعت نور مرز سرعت در جهان است در این صورت زمانی که جسمی با سرعتی نزدیک به نور در حرکت است و شما به آن نیرویی وارد کنید، به سرعت آن نخواهید افزود بلکه تنها به آن انرژی اضافی وارد کرده اید که این انرژی باید در جایی قرار بگیرد. بهترین مکان برای قرارگیری این انرژی جرم جسم است. براساس قانون نسبیت جرم و انرژی با یکدیگر برابرند پس هر چه انرژی وارد شده بیشتر باشد، جرم افزایش پیدا خواهد کرد. البته این افزایش وزن در انسان قابل چشم پوشی بوده و در عین حال غیرقابل انکار است.

 به نقل از تبیان