سیاهچاله و بحث گسستگی فضا و زمان

سیاهچاله

یک تئوری جدید عنوان می کند که احتمال دارد اطلاعاتی که درون یک سیاهچاله فرو می ریزد در آینده‌ای دور ظهور مجدد کند.

 اگر سیاهچاله یک کتاب را ببلعد چه اتفاقی برای اطلاعات درون کتاب رخ می دهد؟

آخرین پژوهش گروهی از فیزیکدانان عنوان می کند که سیاهچاله نهایتا در آینده‌ای دور تمامی محتویات کتاب را به بیرون پرتاب می کند. حتی یک سیاهچاله هم نمی‌تواند اطلاعات را نابود کند.

برای چندین دهه این سوال جدال بین مکانیک کوانتمی و فرضیه نسبیت عام انیشتین را شکل داده بود. مکانیک کوانتمی بر این موضوع اصرار دارد که اطلاعات موجود در حالات کوانتمی حفظ می شوند. بدین معنی که نه فقط کلمات کتاب بلکه شرح کامل تمامی اتم‌ها و ذرات حفظ می‌شود؛ بنابراین، با نگاه به هر سامانه‌ای حالت وجودی گذشته آن را می توان به صورت نظری تصور کرد.

به نظر می رسد که اینشتین عنوان می کرد که اطلاعات می تواند نابود شود. هر چیزی که به درون سیاهچاله سقوط کند محکوم به فنا است زیرا بر اساس نسبیت عام به یک "تکینگی" در فضا- زمان مواجه می شود. در محیط تکینگی گرانش بینهایت است و در نتیجه تمامی ساختارها نابود می شوند.

می توان تکینگی را لبه کیهان در نظر گرفت، بنابراین هر چیزی که با آن برخورد کند دیگر وجود ندارد.

آبهی آشتکار فیزیکدان نظری از دانشگاه دولتی پنسیلوانیا می گوید: « فضا-زمان نسبیت عام در محیط تکینگی به آخر خط می‌رسد و دیگر وجود ندارد.»

در دهه 1970 استفان هاوکینگ عنوان کرد که سیاهچاله ها «نشت» می کنند؛ اما در اواخر دهه 1990، این نظریه هاوکینگ به دلیل اینکه با مکانیک کوانتمی دچار مشکل شد طرفداران خود را از دست داد.

نظریه‌ای که به تازگی توسط آشتیکار و همکاران وی مطرح شد می گوید که فضا زمان بزرگتر از آن چیزی است که تصور می شد و بنابراین جایی برای ظهور مجدد اطلاعات وجود دارد.

آشتکار می گوید: « اینکه به نظر می رسد اطلاعات از بین می رود فقط به این دلیل است که ما به بخش محدودی از فضا-زمان واقعی مکانیک کوانتمی نگاه می کردیم. زمانیکه گرانش کوانتومی را در نظر می گیریم، آنگاه فضا-زمان بسیار بزرگتر می شود و بنابراین در آینده ای دور و در آن سوی آنچه که قبلا انتهای فضا-زمان تصور می شد جائی برای ظهور مجدد اطلاعات وجود خواهد داشت.»

آشتکار بر این باور است که فضا-زمان زنجیروار نیست بلکه از اجزای تشکیل دهنده انفرادی ساخته شده است.

وی می گوید که فضا-زمان مانند یک ساختار است که اگر چه پیوسته به نظر می آید اما از رشته‌های انفرادی تشکیل شده است.

نوری که از نزدیک یک سیاهچاله عبور می کند آن‌چنان به شدت خم می شود که منجر به از بین رفتن آن می شود و دیگر هرگز مشاهده نمی شود. به نوشته پارس‌اسکای، این واپیچش در شالوده فضا-زمان اگر چه به سختی قابل درک است اما اساس ایده‌های عجیب دیگری مانند سفر در زمان است.

شخصی که قصد دارد به یک بعد دیگر برود، فقط می باید درون یک واقعیت که به شدت خم شده و تکینگی نام دارد، وارد شود تا بدون آسیب در بعد دیگر ظاهر شود.

در نهایت، سیاهچاله طی فرایند تابش هاوکینگ بخار می شود و اطلاعات دوباره ظهور می کنند.

به طور فرضی با جمع آوری و آنالیز این تابش، احتمالا می توان اطلاعاتی را که به درون سیاهچاله سقوط کرده را مشخص کرد و حتی شاید بتوان هر کتابی که به درون سیاهچاله فرو رفته را بازخوانی کرد.

آشتکار می گوید: اگر ما جزئیات گرانش کوانتومی را بدانیم، می توانیم به طور نظری نمایش را به عقب برگردانیم و دقیقا بگوییم که سیاهچاله چگونه شکل گرفته است؛ اما عملا چند مشکل وجود دارد.

تابش هاوکینگ آن‌قدر ضعیف است که تبخیر یک سیاهچاله با یک اندازه متوسط زمان بی‌نهایت زیادی به طول می انجامد، شاید طولانی تر از عمر فعلی کیهان و اگر چه اصولا اطلاعات موجود هستند اما از رمز خارج کردن آن به طور غیر قابل تصوری پیچیده خواهد بود


نوشته شده توسط پریان چنگیزی در سه شنبه 7 خرداد1387 ساعت 12 موضوع نجوم و اخترفیزیک |

زیست شناسی کوانتمی

نوشته :محمد رضا خزاعی

دانش زیست شناسی در چند دهه اخیر مدام به سمت جزئی تر شدن پیش رفته است. در قرن گذشته، ابتدا زیست شناسی سلولی ایجاد شد. پس از آن زیست شناسی مولکولی پدید آمد و اینک زیست شناسی کوانتمی در حال شکل گیری است. شاید بتوان زیست شناسی کوانتمی را شاخه ای از علم بیوفیزیک دانست اما از آنجا که این علم به بررسی پدیده های کوانتمی در سلولها می پردازد، تاحدودی در قلمرو زیست شناسی سلولی قرار میگیرد.


واکنشهای هسته ای در سلولها
آیا ممکن است در سلولها نیز واکنشهای هسته ای روی دهد؟ وان هرزیل اولین بار این پرسش را مطرح کرد. ولی مورد تمسخر جامعه علمی قرار گرفت. وان هرزیل، برای پرورش گیاهانش بجاط خاکاز محلولهای غذایی که مواد موجود در آن قابل اندازه گیری بود استفاده کرد وی دریافت که در خاکستر این گیاهان، عناصری وجود دارد که در محیط کشت گیاه نبوده است. ام برنگر ، از دانشگاه پلی تکنیک پاریس نیز این آزمایش را با ابزار پیشرفته تر و دقیتر انجام داده و نتایج مشابهی بدست آورده است.او این آزمایش ها را صدها بار تکرار کرده است. وی برای این منظور تعداد زیادی بذر را در آب دوبار تقطیر شده حاوی فسفر و کلسیم کشت داد و سپس متوجه شد که میزان تاسیم در گیاهان کشت یافته به میزان ۱۰٪ افزایش داشته و کاهش قابل توجهی نیز در محتوای فسفر آنها بوقوع پیوسته.
برنگر در قسمت بحث مقاله خود میگوید : احتمالا تحت برخی شرایط سلولهای گیاهی قادر خواهند بود عناصری که در محیط رشدشان وجود ندارد را از عناصر موجود بسازند.

نتایج مشابه بسیاری در این زمینه موجود میباشد: هنری اسندلر نوعی تک سلولی گیاهی (جلبک تک سلولی) یافته است که میتواند ید بسازد، سلولهای نوعی ماهی بنام گول ، میتوانند کلرید سدیم را به کلرید تاسیم تبدیل کنند (جولین و همکاران۱۹۹۵)و نوعی باکتری میتواند گوگرد را به فسفر تبدیل کند و.....

لویس کراون بخاطر تحقیقاتش در این زمینه نامزد جایزه نوبل شده است. کراون و سالمون گلدفن توانسته اند برای بسیاری از این واکنشهای هسته ای ، مکانیسمهای قابل قبولی ارائه کنند. برطبق این مکانیسم ها، میزان زیاد یون هیدروژن در فضای بین دو غشاء میتوکندری به همراه مقدار زیاد Mg-ATP در ماتریکس میتوکندری میتواند یک جریان الکتریکی متناوب با اخاتاف پتانسیل بسیار بالا تولید کند. این جریان الکتریکی قوی یتواند بعنوان یک شتابدهنده برای هسته های پروتون (یون های هیدروژن) عمل کند و آنها را باسرعتی به اندازه سرعت نور به سمت هسته دیگر عناصر موجود در سلول شلیک کند. هنگامی که دیگر هسته ها توسط پروتونها بمباران میشوند به عناصر دیگر تبدیل میشوند.

اما پرسش مهم این است که آیا میتوان آینده ای را برای خود ترسیم کنیم که چند گیاه در منزل ما کار یک راکتور هسته ای را انجام دهند و انرژی مورد نیاز ما ما را تامین کنند؟ آیا میتوان سرانجام جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی پیدا کرد؟

تونل‌زنی کوانتومی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

تونل‌زنی کوانتومی (به انگلیسی: Quantum tunneling) به فرایندی کوانتومی گفته می‌شود که در آن یک ذره که انرژی‌اش کمتر از ارتفاع سد پتانسیل است، از سد پتانسیل می‌گذرد. این فرایند کاربرد بسیاری در فناوری دارد. برای نمونه میکروسکوپ‌های الکترونی تونلی از این ویژگی استفاده می‌کنند. این پدیده با استفاده از قوانین کلاسیک توجیه ناپذیر است و خود دلیلی بر ضعف مکانیک نیوتنی است .

یک مثال دیگر نیز در MOSFET هاست که الکترون‌های کانال، به طور عادی نمی‌توانند از اکسید گیت عبور کنند، ولی با کوچک تر شدن طول اکسید، مقداری از جریان کانال توسط گیت به علت این پدیده نشت می‌کند.

نظریه میدان‌های کوانتومی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

نظریه میدان‌های کوانتومی چارچوبی نظری برای بازسازی مدل‌های کوانتوم مکانیکی سیستم هایی مهیا می کند، که در فیزیک کلاسیک با میدان‌ها یا سیستم‌های بس ذره ای توصیف می شد.

کلیات مربوط به نظریه

در نظریهٔ میدان‌های کوانتومی نیروهای میان ذرات توسط ذرات دیگر برقرار می شوند. برای نمونه، نیروی الکترومغناطیسی میان دو الکترون با رد و بدل فوتون‌ها امکان می یابد. با این حال نظریه فوق بر تمام نیروهای بنیادی به کار برده می شود. بردارهای بوزونی متوسط نیروی ضعیف را، گلوئون‌هاگراویتون‌ها نیروی گرانشی را برقرار می سازند. این ذرات حامل نیرو، ذراتی مجازی اند و طبق تعریف، زمانیکه حامل نیرو هستند امکان آشکارشدن شان وجود ندارد، زیرا عملیات آشکارسازی گواه بر عدم حمل نیرو خواهد بود. نیروی قوی، و

در نظریه میدان‌های کوانتومی، فوتون‌ها به صورت کوانتاهای میدان پنداشته می شوند و نه توپ‌های کوچک بیلیارد!امواج پکیده ای که در میدان به صورت ذرات به نظر می رسند. همچنین فرمیون‌ها -مانند الکترون- را نیز می توان به صورت امواج در میدان توصیف کرد، و این در حالیست که هرنوع فرمیون میدان خاص به خودش را دارد. به طور خلاصه، تصویر کلاسیکی از" همه چیز به شکل ذرات و میدان هاست"، در نظریه میدان‌های کوانتومی به صورت" همه چیز ذره است" و یا در نهایت "همه چیز میدان است" در می آید.

در این نظریه با ذرات نیز به صورت حالت‌های برانگیختهٔ میدان برخورد می‌شود (کوانتای میدان).این میدان خاص را می توان نوعی خوش شانسی دانست زیرا که در این صورت لازم نیست نگران پیامدهای اصل طرد پاولی بین فرمیون‌های مختلف مثلا بین الکترون‌ها و نوترون‌ها باشیم.در این حال می توان با آسودگی خیال حالت‌های انرژی مربوط به هر فرمیون را جداگانه بررسی کرد

کاربردها

این نظریه به طور گسترده در فیزیک ذرات و فیزیک ماده چگال کاربرد دارد.اکثر نظریه‌ها در فیزیک جدید ذرات (شامل برنظریه استاندارد ذرات بنیادی و برهمکنش‌های میانشان) با نظریه میدان‌های کوانتومی نسبیتی فرمول یندی می شوند. نظریه میدان‌های کوانتومی در پدیده‌های گوناگونی از فیزیک ماده چگال کاربرد دارد، به ویژه هنگامی که تعداد قابل توجهی ازذرات امکان افت و خیز دارند_ برای نمونه، نظریهBCC در ابر رسانایی.

آشنایی با کوانتم

واژهٔ کوانتوم (به معنی «بسته» یا «دانه») در مکانیک کوانتومی از اینجا می‌آید که این نظریه به بعضی از کمیت‌های فیزیکی (مانند انرژی یک اتم در حال سکون) مقدارهای گسسته‌ای نسبت می‌دهد. بسیاری از شاخه‌های دیگر فیزیک و شیمی از مکانیک کوانتومی به عنوان چهارچوب خود استفاده می‌کنند؛ مانند فیزیک ماده چگال، فیزیک حالت جامد، فیزیک اتمی، فیزیک مولکولی، شیمی محاسباتی، شیمی کوانتومی، فیزیک ذرات بنیادی، و فیزیک هسته‌ای. پایه‌های مکانیک کوانتومی در نیمهٔ اول قرن بیستم به وسیلهٔ ورنر هایزنبرگ، ماکس پلانک، لویی دوبروی، نیلس بور، اروین شرودینگر، ماکس بورن، جان فون نویمان، پاول دیراک، ولفگانگ پاولی و دیگران ساخته شد. بعضی از جنبه‌های بنیادی این نظریه هنوز هم در حال پیشرفت است.

توصیف مکانیک کوانتومی از رفتار سامانه‌های فیزیکی اهمیت زیادی دارد، زیرا در مقیاس اتمی نظریه‌های کلاسیک نمی‌توانند توصیف درستی ارائه دهند. مثلاً، اگر قرار بود مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک بر رفتار یک اتم حاکم باشند، الکترون‌ها به سرعت به سمت هسته اتم حرکت می‌کردند و به آن برمی‌خوردند. ولی در دنیای واقعی الکترون‌ها در نواحی خاصی دور اتم‌ها باقی می‌مانند.

در ساختار مکانیک کوانتومی، حالت هر سیستم در هر لحظه به وسیلهٔ یک تابع موج مختلطاتم گاهی به آن اُربیتال می‌گویند). با این ابزار ریاضی می‌توان احتمال نتایج مختلف در آزمایش‌ها را پیش‌بینی کرد. مثلاً با آن می‌توان احتمال یافتن الکترون را در ناحیهٔ خاصی در اطراف هسته در یک زمان مشخص محاسبه کرد. بر خلاف مکانیک کلاسیک، نمی‌توان هم‌زمان کمیت‌های مزدوج را، مانند مکان و تکانه، با هر دقتی پیش‌بینی کرد. مثلاً می‌توان گفت که الکترون در ناحیهٔ مشخصی از فضا است، ولی مکان دقیق آن را نمی‌توان معلوم کرد. البته معنی این حرف این نیست که الکترون در تمام این ناحیه پخش شده‌است. الکترون در یک ناحیه از فضا یا هست و یا نیست. این ناتوانی در تعیین مکان الکترون را اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به طور ریاضی بیان می‌کند. توصیف می‌شود (که در مورد الکترون‌های یک

پدیدهٔ دیگری که منجر به پیدایش مکانیک کوانتومی شد، امواج الکترومغناطیسی مانند نور بودند. ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ هنگام مطالعه بر روی تابش جسم سیاه کشف کرد که انرژی این امواج را می‌توان به شکل بسته‌های کوچکی در نظر گرفت. آلبرت اینشتین از این فکر بهره برد و نشان داد که امواجی مثل نور را می‌توان با ذره‌ای به نام فوتون که انرژی‌اش به بسامدش بستگی دارد توصیف کرد. این نظریه‌ها به دیدگاهی به نام دوگانگی موج-ذره بین ذرات زیراتمی و امواج الکترومغناطیسی منجر شد که در آن ذرات نه موج و نه ذره بودند، بلکه ویژگی‌های هر دو را از خود بروز می‌دادند. مکانیک کوانتومی علاوه بر این که دنیای ذرات بسیار ریز را توصیف می‌کند، برای توضیح برخی از پدیده‌های بزرگ‌مقیاس (ماکروسکوپیک) هم کاربرد دارد، مانند ابررسانایی و ابرشارگی.

مکانیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک

نمایش دوگانگی موج-ذره با یک بسته موج فوتونی

اثرات و پدیده‌هایی که در مکانیک کوانتومی و نسبیت پیش‌بینی می‌شوند، فقط برای اجسام بسیار ریز یا در سرعت‌های بسیار بالا آشکار می‌شوند. تقربیاً همهٔ پدیده‌هایی که انسان در زندگی روزمره با آن‌ها سروکار دارد به طور کاملاً دقیقی توسط فیزیک نیونتی قابل پیش‌بینی است.

در مقادیر بسیار کم ماده، یا در انرژی‌های بسیار پایین، مکانیک کوانتومی اثرهایی را پیش‌بینی می‌کند که فیزیک کلاسیک از پیش‌بینی آن ناتوان است. ولی اگر مقدار ماده یا سطح انرژی را افزایش دهیم، به حدی می‌رسیم که می‌توانیم قوانین فیزیک کلاسیک را بدون این که خطای قابل ملاحظه‌ای مرتکب شده باشیم، برای توصیف پدیده‌ها به کار ببریم. به این «حد» که در آن قوانین فیزیک کلاسیک (که معمولاً ساده‌تر هستند) می‌توانند به جای مکانیک کوانتومی پدیده‌ها را به درستی توصیف کنند، حد کلاسیک گفته می‌شود.

کوشش برای نظریهٔ وحدت‌یافته

وقتی می‌خواهیم مکانیک کوانتومی را با نظریهٔ نسبیت عام (که توصیف‌گر فضا-زمان در حضور گرانش است) ترکیب کنیم، به ناسازگاری‌هایی برمی‌خوریم که این کار را ناممکن می‌کند. حل این ناسازگاری‌ها هدف بزرگ فیزیکدانان قرن بیستم و بیست‌ویکم است. فیزیکدانان بزرگی همچون استیون هاوکینگ در راه رسیدن به نظریهٔ وحدت‌یافتهٔ نهایی تلاش می‌کنند؛ نظریه‌ای که نه تنها مدل‌های مختلف فیزیک زیراتمی را یکی کند، بلکه چهار نیروی بنیادی طبیعت -نیروی قوی، نیروی ضعیف، الکترومغناطیس و گرانش- را نیز به شکل جلوه‌های مختلفی از یک نیرو یا پدیده نشان دهد.

منبع : http://fa.wikipedia.org/wiki