‍ 📚 آیا جهان لبه دارد و میتوان از آن عبور کرد؟!

🆔 @Physics3p

برای پاسخ به این پرسش ابتدا باید بدانیم شکل هندسی جهان به چه صورت است؛ از آنجاییکه طبق آخرین دیدگاههای فیزیک برای خلقت جهان میدانیم جهان از یک تکینگی با انرژی بسیار بالا(بیگ بنگ) آغاز شده و با تورم ابتدایی و انبساط فعلی در حال گسترش است، پس میتوان نتیجه گرفت کیهان بینهایت نیست و غایتی دارد.

اما اگر فرض کنیم کیهان همچون بادکنکی درحال باد شدن و گسترش است(کروی است)، پس نمیتوان برای آن مرز یا خط پایانی در نظر گرفت چون بر روی یک کرهٔ هرچند عظیم، اگر به اندازهٔ کافی بر روی آن پیشروی کنیم، در نهایت به نقطهٔ ابتداییمان خواهیم رسید و تمام مسیرهایی که از یک نقطه شروع به واگرایی کنند، در نقطه ای دیگر حتمأ همگرا خواهند شد.

👈 اما حقیقت فعلی که از دانش فیزیک و اخترشناسی وجود دارد اینستکه جهان کروی نیست و صاف و مسطح است!
پس تکلیف لبهٔ آن چه میشود؟

با پذیرش فضا-زمان بعنوان ظرف یا قالب هستی، میتوان گفت در حقیقت هر آنچه که از ماده و انرژی(چه ماده و انرژی مرئی و چه تاریک) سراغ داریم، در قالب کلی فضا-زمان وجود دارد و تمام اندرکنش ها درون این قالب رخ میدهد.
پس در اینجا و براساس فیزیک امروزی میتوان دو اصل را در نظر گرفت: ۱- ماده و انرژی همواره همراه با فضا-زمان وجود دارند و جزئی پیوسته از آنند. ۲- ماده و انرژی همواره تحت تأثیر فضا-زمان قرار دارند و در تعامل با آنند(یعنی ماده و انرژی میتوانند شکل فضا-زمان را تغییر دهند که از آن نسبیت عام نتیجه میشود، و فضا-زمان نیز میتواند بر اساس مکانیک کوآنتوم ماده و انرژی را تغییر دهد)

با پذیرش این دو اصل، حال اگر عالمِ در حال انبساط یا همان فضا-زمانِ منبسط شونده را همچون خمیر نانوایی در نظر گیریم که از طرفین در حال کش آمدن است، مشاهده میشود هرچه به گوشه های این خمیرِ فرضی نزدیک شویم، به درونِ خود خمیده و فشرده میشود و مقدار بیشتری از آن در یک فضای معین قرار خواهد گرفت(توجه کنید که فضا-زمان قالبی چهار بُعدی است و ما برای ساده سازی آن را بدین شکل در نظر گرفتیم.)

از آنجا که گفتیم ماده نیز تحتِ تأثیر فضا-زمان قرار میگیرد، با فشرده شدن فضا-زمان در لبه ها، ماده نیز منقبض میشود و بعبارتی هرچه به لبهٔ فرضی این قالب نزدیک شویم، به زبان ساده کوچک میشویم!
برای درک این موضوع میتوانید مسئله زنون یا مسئله آشیل و لاکپشت را در نظر گیرید. در این مسئله مسیر مشخصی چنان پیموده میشود که هرگام برای طی این مسیر، نصف گام قبلی باشد و‌ بدین ترتیب هرگز نمیتوان کل این مسیر را بطور کامل طی کرد!

حال اگر بپذیریم که فضا-زمان همچون خمیر در لبه های خود متراکم و فشرده تر میشود، با نزدیک شدن ماده به لبهٔ فضا-زمان که همواره در تعامل با آن(فضا-زمان) قرار دارد، این ماده نیز منقبض میشود بطوریکه هرچه بیشتر پیشروی کند و انرژی بیشتری صرف کند، بیشتر منقبض میشود تا در نهایت مسئله زنون پیش میاید و هرگز به انتهای مسیر(لبه یا مرز نهایی کیهان) نخواهد رسید!
این یعنی کیهان مرز نهایی یا انتهایی برای مادهٔ درون آن ندارد.

‼️البته باید توجه داشت بخشی از عالم قابل رصد که قطری معادل با ۹۳ میلیارد سال نوری دارد، بعنوان عالم مرئی و مرز قابل مشاهده جهان در نظر گرفته میشود که این با مرز کلی و مورد بحث جهان فرق دارد.

📎 مطالعه بیشتر:
https://t.me/physics3p/2941


✍ نوشتهٔ A.M.H

🆔 @Physics3p

🔰 همچنان که انسان ها با وسائل روشمند یا ناآگاهانه ای که برای انتخاب دارند . می تواند نتایج عظیمی بیافریند و آفریده . چرا طبیعت نتواند ؟ انسان می تواند صرفا بر ظواهر بیرونی و مشهود اثر کند ...... در حالی که طبیعت محدود به صورت نیست .... طبیعت می تواند بر هر عضو درونی و هر سایه ای از تفاوت های ساختاری , بر کل دستگاه حیات اثر کند .... خواست ها و توان های انسان چه ناچیزیند! زمانش چه کوتاه است!بنابر این محصولات وی در برابر انچه توسط طبیعت در ادوار گوناگون تاریخ به وجود امده چه کوچک است.

چارلز داروین
@Physics3p

⭕️ چکیده ای از گرانش و فضا-زمان کوآنتومی

💫 قسمت اول

🆔 @Physics3p

گرانش، مرموزترین نیروی طبیعت که در حین آن ضعیف ترین نیرو در بین چهار نیروی شناخته شده طبیعت است، همواره در تمام مباحث مرتبط با فیزیک استاندارد و نسبیت عام در این کانال مورد بحث قرار گرفته است. حال قصد داریم بیش از پیش به کنکاش در این نیرو، که حتی در نیرو بودن آن هم جای شک و تردید باقیست! بپردازیم.
در نسبیت عام گرانش را تنها ناشی از تغییر هندسی صفحه چهاربعدی فضا-زمانی و یا خمیدگی فضا-زمان میدانیم اما پرسش این است وقتی میگوییم «خمش فضا-زمان» در حقیقت چه چیزی خمیده میشود؟! آیا فضا-زمان هم کوانیته است و برای درک آن باید از مکانیک کوآنتا کمک گرفت یا چیزی پیوسته بوده که تنها با استناد به فیزیک کلاسیک قابل تشریح است؟

در ابتدا باید بدانیم در فیزیک هرآنچه که بصورت نقطه اثری بر چیز دیگری تأثیر بگذارد، در حقیقت «نیرو» است. نیرو سبب انجام کار مکانیکی میشود و ما برای انجام کار نیاز به نوعی از انرژی داریم. هرچند که در حقیقت برای انرژی تعریف دقیقی وجود ندارد اما ما اینجا میتوانیم قرارداد کنیم که نیروها نیز نقطه اثراتی از کمیتی بنام "انرژی" هستند، یا بگونه‌ای شاید بتوان گفت، نیرو در حقیقت چهره عیان انرژی است که خود را بصورت تغییر یا نقطه اثر معینی در جسم نشان میدهد. مید‌انیم گرانش نیز بصورت نقطه اثری در موقعیت یک جسم یا تأثیر غیرمستقیم و یا مستقیم بر کمیت های قابل اندازه گیری جسم، مانند تندی یا شتاب خود را برای ما قابل سنجش میکند. پس میتوان با اطمینان گفت گرانش نیز نیرو است! پس حال فهمیدیم در نیرو بودن گرانش، حداقل از دیدگاه مکانیک کلاسیک، شکی نیست.

اما باید بتوانیم از دیدگاه فیزیک جدید نیز نیرو بودن گرانش را تأیید کنیم! میدانیم تمام نیرو های شناخته شده تابحال، با نوعی ذره حامل انرژی بنام بوزون حمل میشوند که انواع گوناگونی دارند. برای مثال نیروی الکترومغناطیس با فوتون ها حمل میشود، و نیروی هسته ای قوی با گلئون ها و هسته ای ضعیف نیز با بوزن w و z. اما آیا گرانش نیز کوآنیته است و این نیرو نیز نقش یا چهره قابل سنجش از نوعی بوزون حامل انرژی است؟ حقیقت اینست تا این تاریخ هیچ کوآنتومی برای این نیروی جاذبه در شتاب دهنده ذرات مانند شتاب دهنده عظیم LHC در سرن یافت نشد! پس آیا میتوان در نیرو بودن گرانش از دیدگاه فیزیک جدید شک کرد؟ یا شاید داریم در جای اشتباهی بدنبال کوانتوم گرانش میگردیم و باید نگاه خود را بنیادی تر کنیم؟!

گرانش برخلاف سایر نیروی های طبیعت، خود در گرو صفحه چهاربعدی "فرضی" فضا-زمان نیست بلکه خود جزئی از این صفحه است(بطورکلی واژه صفحه برای دوبعد بکار میرود اما ما برای درک بهتر خواننده از منظور متن، از این واژه برای چهاربعد استفاده میکنیم.) برای فهم راحتتر میتوان چنین گفت تمام سه نیرویی که توسط فیزیک استاندارد قابل توضیح هستند، خود در مجموعه ابعاد مکانی و زمانی یا همان فضا-زمان تعریف میشوند یا بعبارتی «درون آنند». اما گرانش بر خلاف بقیه آنها، خود "ناشی" از فضا-زمان است و مستقیمأ با این صحنه نمایش هستی، یعنی فضا-زمان چهاربعدی در ارتباط است! پس با این حال شاید برای کشف "بنیاد" گرانش باید بر خود فضا-زمان تمرکز بیشتری داشته باشیم.

ادامه دارد....

🆔 @Physics3p

⭕️ چکیده ای از گرانش و فضا-زمان کوآنتومی

💫 قسمت دوم

🆔 @Physics3p

شاید زوم کردن روی فضا-زمان به راحتی زوم کردن بر روی ماده نباشد تا در نهایت به اتم برسیم چون ما در اینجا با بنیاد هستی درگیر خواهیم بود. در مطالب مربوط به نسبیت به وفور گفتیم فضا و زمان درهم تنیده اند و تغییر در یکی از آنها، تحریف دیگری را در پی خواهد داشت. همچنین گفتیم هرچه دقت ما در در پیمایش یا سنجش مکان(تندی) بیشتر شود، در سنجش زمان بی دقت تر خواهیم شد و اصطلاحأ زمان برایمان «کند» میگذرد. حال باید بدانیم اگر بینهایت بر روی این بنیاد هسته(فضا-زمان) زوم کنیم، در نهایت چه خواهد شد؟

کوتاه ترین طولی که ما قادر به اندازه گیری آن هستیم و در این طول کمیت های فیزیکی همچنان قابل تعریف و استفاده هستند، "طول پلانک" است پس ما در فرایند زوم کردن خود بر روی فضا-زمان دارای محدودیت هستیم. اما مشکل اینجاست که زمان نیز یکی از این کمیت های قابل سنجش فیزیکی است پس با توجه به درهم تنیده بودن و وابسته بودن آن به ابعاد مکانی، میتوان گفت در مقیاس کوچکتر از این طول، در سنجش زمان نیز دچار مشکل خواهیم بود. میدانیم تمام حرکت ها و کمیت های وابسته به آن که باعث درک و تعریف و در نهایت سنجش «حرکت» میشوند، با زمان نیز در ارتباط اند. برای مثال سرعت نیز نوعی از این کمیت هاست که میزان پیمایش مکان را در واحد زمان نتیجه میدهد و با موهومی شدن یا صفر شدن زمان، سرعت نیز غیرقابل سنجش میشود. پس در نتیجه میتوان تمام تعریفات حرکتی را ابطال دانست. بدین سان میتوان گفت حرکت نیز معنای فیزیکی خود را در این مقیاس از دست میدهد. پس آیا میتوانیم بگوییم در بنیادی ترین طولی که میتوان برای ابعاد مکانی قائل شد، فضا و زمان و در نتیجه فضا-زمان دیگر وجود ندارد؟!

در نظریه های کوانتومی گرانش که سعی در کوانیته کردن فضا-زمان دارند، گرانش را ناشی از تعاملات کوانتومی فضا-زمان میدانیم. برای مثال در نظریه گرانش کوآنتومی حلقوی، فضا-زمان را در بنیادی ترین حالت بطور حلقه هایی منبسط شونده که بصورت تارعنکبوت در شبکه هایی حلقوی که در نهایت به هم میرسند میدانیم که گرانش را نیز نتیجه میدهد اما در اینجا و در سایر نظریاتی که بر روی کوآنیته بودن فضا-زمان تمرکز دارند، دیگر خبری از کوانتوم گرانش نیست و ما با کوآنتوم فضا-زمان که گرانش را نتیجه میدهد سرو کار داریم!

اما قوانین اعمال شده تابحال به ما نشان میدهند ما قادر نیستیم فضا-زمان را در مقیاس کوچکتر از طول پلانک تعریف کنیم. پس این کوانتوم های فضا-زمانی که خود گرانش را نتیجه میدهند، کجا هستند و آیا ما قادریم آنها را مورد سنجش قرار دهیم یا باید اساس کوانتوم فضا-زمان و یا حتی تصورمان را از فضا-زمان دستخوش تغییر کنیم؟
ایا ما در حقیقت فضا-زمان یا حتی خود فضا و زمان را بدرستی درک کرده ایم و یا درک ناقص ما از این دو سبب‌شده تا نتوانیم نتیجه آنها یعنی گرانش را بخوبی تشریح کنیم و این سبب ناسازگاری قوانین فیزیک کشف شده تابحال توسط بشر با یکدیگر، مانند نسبیت عام و مکانیک کوانتوم شده است؟!

☑️ پایان.

✍‌ نگارش؛ ادمین کانال فیزیک کوآنتوم

🆔 @Physics3p

کل جهان را می توان به فریم های یک فیلم سینمایی تشبیه کرد. همان طور که در تک تک فریم های یک فیلم چیزی به نام "زمان" وجود ندارد، در کل کیهان هم مفهومی به نام زمان وجود ندارد و جهان همواره همانند فریم های یک فیلم سینمایی کیهانی صرفا در «لحظه حال» حضور دارد. به عبارتی تغییرات و تحولات جهان را به جای مفهوم زمان می توان صرفا با مجموعه یا شبکه ای از «لحظات حال کیهانی» توصیف کرد.

~ جولیان باربور - فیزیکدان و فیلسوف

🆔 @Physics3p

📚 کتاب ریاضیات چیست؟

نوشته ریچارد کورانت و هربرت رابینز

@Physics3p

💠 دشواری های انتقال اطلاعات
🆔 @Physics3p

🔹در نظر بگیرید که دقیقا الآن چه روزی است. چه زمانی است؟ شما می توانید به این پرسش جواب بدهید. اما آن تاریخ، موقعیت شما را نسبت به تاریخی تعیین می کند که همه تصمیم گرفته اند آن را مبدأ شمارش قرار بدهند: مطابق قراردادهای تقویم، امروز مدت زیادی پس از آن روز دلبخواهی است. جواب شما مبتنی بر قراردادهای دلبخواهی است؛ الآن واقعا چه زمانی است؟

🔹فرض کنید علائم رادیویی ای را که در فضا صادر می شوند روزی موجوداتی فضایی که در سیاره ای دوردست هستند دریافت کنند و بفهمند. اگر آنها می فهمیدند که آن علائم چه زمانی فرستاده شده اند، می توانستند پی ببرند چقدر با ما فاصله دارند، زیرا علائم رادیویی در فضا با سرعت ثابت نور حرکت می کنند. بنابراین یکی از چیزهایی که می خواهید در آن علائم رادیویی بگنجانید اطلاعاتی است که به آنها بگوید چه زمانی آن علائم را فرستاده اید. آیا می توانید چنین کاری بکنید؟

🔹واضح است که گفتن سال و ماه فرستادن پیام بی فایده است. ظاهرا به رویدادی نیاز داریم که هر دو قادر به مشاهده آن باشیم. بیایید فرض کنیم یک رویداد واقعا نامعمول در فضا مثلا ابر نواختری را می بینیم. اگر بدانیم فاصله آن با ما چقدر است، می توانیم محاسبه کنیم که چقدر طول می کشد نور آن به ما برسد، و به این ترتیب چقدر پیش از ما رخ داده است، و می توانیم به آن موجودات فضایی که علائم را برایشان می فرستیم بگوییم مثلا ۱۳۶۴ سال پس از ابر نواختر.

🔹مسلم است که آنها نمی دانند سال چیست، اما می توانیم آن اطلاعات را مثلا بر حسب دوام ابر نواختر با فرکانس رادیویی ای که می فرستیم به آنها بدهیم. اما اگر چیزی وجود نداشته باشد که هر دو بتوانیم مشاهده کنیم چطور؟ آیا این امر باعث می شود تعیین تاریخ آن علائم ناممکن شود؟ اگر می توانستید مستقیما به آنها بگویید کجاییم، آن وقت آنها می توانستند محاسبه عکس آن را انجام دهند و بفهمند پیام چه زمانی فرستاده شده است.

🔹شاید این کار را با گفتن اطلاعاتی انجام بدهید که زمین یا خورشید یا کهکشان ما را با چنان دقتی توصیف می کند که بتوانند یکی از این ها را با تلسکوپ هایشان ببینند. اما اگر آنها نتوانند ما را ( یا چیزی را که ما هم می توانیم ببینیم) مشاهده کنند آن وقت ظاهرا ممکن نیست بتوانیم به آنها بگوییم کجاییم.


🔹به نظر می رسد یادگیری زبان شدید مبتنی بر اشاره کردن است. شما با اشاره به یک گربه و گفتن «گربه» معنی «گربه» را به یک کودک یاد میدهید. اما واضح است که برای موجودات فضایی سیاره ای دوردست این شیوه کار ساز نیست. بعضی اظهار کرده اند که می توان ارتباط را با اشاره به چیزهای ریاضیاتی آغاز کرد که مطمئنا موجودات فضایی با آنها مواجه شده اند - مثلا عدد پی (نسبت محیط دایره ای به قطر آن).

🔹 بنابراین می توانیم علامتی بفرستیم شامل سه پالس، سپس سکوت، بعد یک پالس، سپس سکوت، بعد چهار پالس ... و به همین ترتیب. و امیدوار باشیم معنی آن را متوجه شوند. اما علامت سه پالسی را در نظر بگیرید: آیا آن علامت برای موجودات فضایی به معنی ۳ خواهد بود، یا آیا فاصله های کوتاه میانی را در نظر میگیرند، و تصور می کنند معنای آن ۲ است؟

از کتاب مرجع مسائل و پارادوکس ها . مارتین.
🆔 @Physics3p

📚 کتاب هفته

📎 عنوان: همانند خدایان خواهید شد
✍‌ نویسنده: اریک فروم
☑️ عنوان: تاریخ - فلسفه - علم

#فارسی

🆔 @Physics3p

📚 آیا بزرگترین اشتباه علمی اینشتین، واقعا اشتباه بود؟

🆔 @Physics3p

اینشتین پس از صورتبندی نظریه نسبیت عام خود توانست مدلهای ریاضی سازگاری برای کیهان را صورت بندی کند. البته خیلی زود با یک مشکل بزرگ مواجه شد. مشکلی که اتفاقا نتیجه غیرقابل اجتناب نظریه خودش بود. داستان از این قرار است که در کیهان شناسی دو فرض وجود دارد به نام های همگنی و همسانگردی. به این دو فرض در کنار هم در اصطلاح "اصل کیهان شناسی" گفته می شود. اصل همگنی می گوید همه چیز در فضا یه صورت یکنواخت پخش و توزیع شده و اصل همسانگردی کیهان نیز بدین معناست که کیهان در همه جهات مشابه دیده می شود. در حل هر معادله اینشتین که شامل اصل کیهان شناسی بود، او می بایست فضا-زمان متحرک و دینامیکی می داشت.

به عبارت دیگر برای او غیرممکن بود که مدلی از کیهان بسازد که اصطلاحا پایا یعنی استاتیک باشد و با زمان تغییر نکند. نظریه اینشتین به کیهانی نیاز داشت که یا باید در حال انبساط می بود یا انقباض. با این وجود این نظریه کیهان شناسی هیچ حرفی درباره اینکه کدامیک از این دو حالت اتفاق می افتد نمی زد. پیتر کلز Peter Coles کیهان شناس دانشگاه Cardiff در انگلستان می گوید اینشتین دانش کافی درباره نجوم نداشت اما راجع به حرکات میان ستارگان چیزهایی پرسیده بود. شاید به این دلیل که سوال را اشتباه پرسیده بود به این نتیجه رسید که به صورت میانگین، ستارگان نه به خورشید نزدیک می شوند و نه از آن دور می شوند. اینشتین چندان متقاعد شده بود که جهان ایستاست که برای اصلاح معادلاتش به عقب بازگشت.

او دریافت که با تغییراتی جزیی می تواند خصوصیات اصلی آن معادلات را حفظ کند و در عین حال بتواند مدل های کیهان شناسی در حال انبساط و انقباض را نیز تبیین کند. اصلاحی که اینشتین در نظریه خود به وجود آورد ثابت کیهان شناسی نام دارد. ثابت کیهان شناسی می گذارد که فضا با گذر زمان منبسط شده یا انقباض پیدا کند. اینشتین بر این اساس ، مدل کیهان شناسی استاتیک خود را در سال ۱۹۱۷ منتشر کرد. در حالیکه چند سال بعد در سال ۱۹۲۹ ادوین هابل با انتشار نتایج خود مبنی بر انبساط جهان نشان می داد که کیهان به هیچ عنوان ایستا و به اصطلاح استاتیک نیست و بلکه در حال انبساط است. اینک با مشخص شدن انبساط جهان، دیگر ضرورتی برای ثابت کیهان شناسی اینشتین وجود نداشت.

🔴 بزرگترین اشتباه علمی یا بزرگترین پیش بینی علمی!

اینشتین در سال های پایانی عمر خود از این موضوع به عنوان بزرگترین اشتباهی که او در علم به آن دامن زده یاد می کرده است. این توضیحات اینشتین معطوف به مساله ثابت کیهانی است. اما در واقع ، اشتباه اصلی آنجاست که او نتوانست انبساط جهان را پیش بینی کند. اگرچه تا همین اواخر، اغلب کیهان شناسان از این مساله که ثابت کیهان شناسی را در مدل های خود لحاظ کنند راضی نبودند ، اما ثابت کیهانی عملا هرگز از روی میز کار کیهان شناسان کنار گذاشته نشد. در مقابل به خصوص پس از سال ۱۹۹۸ جامعه علمی ، یک رنسانس جدی را در مساله ثابت کیهانی اینشتین تجربه کرد. مساله ابرنواختر نوع Ia دانشمندان را به این نتیجه رساند که انبساط جهان ، خطی نیست و بلکه شتابدار است. این نظریه نوین یعنی انبساط شتابدار جهان به خوبی با ثابت کیهانی اینشتین مطابقت داشت و می توانست با مدل لامبدا-سی دی ام Lambda-CDM سازگار باشد. دانشمندانی مانند سائول پرلموترSaul Perlmutter و بریان اشمیت Brian P. Schmidt و آدام ریس Adam G. Riess نشان دادند که آنچه که اینشتین ، بزرگترین اشتباه علمی دوران حیات خود خوانده بود ، می توانست اشتباه نباشد! به عبارت دیگر با پذیرش انبساط شتابدار جهان، بزرگترین اشتباه علمی اینشتین نیز ظاهرا اشتباه نبوده است.

#نسبیت #فضا_زمان #انیشتین

🆔 @Physics3p

⭕️ افت و خیز کوانتومی

از آنجایی که هر ذره‌ای از رابطه عدم قطعیت هایزنبرگ تبعیت می‌کند، هر چه انرژی ذره را با دقت بیشتری اندازه بگیریم،
در تعیین مدت زمان، عدم قطعیت یا بی‌دقتی بیشتری مشاهده خواهد شد. 

👈🏻 حال اگر این عدم قطعیت را به خلا اعمال کنیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟

از نظر کلاسیکی، خلا به یک فضای خالی، یعنی جایی که ذره ای وجود ندارد، اطلاق می شود و بنابراین دارای انرژی صفر است،

اما اصل عدم قطعیت زمان-انرژی می گوید همیشه مقداری عدم قطعیت در مقدار انرژی وجود دارد و ما هیچگاه نمی توانیم مقدار انرژی را به صورت کاملا دقیق بدست آوریم. 

با تفاسیر بالا نمی توانیم ادعا کنیم انرژی خلا، دقیقا صفر است و این بدان معناست که در یک بازه ی زمانی بسیار کوتاه، خلا دارای یک انرژی غیرصفر است. این انحراف از انرژی واقعی خلا (یعنی صفر) را افت و خیز خلا یا افت و خیز کوانتومی خلا می‌نامیم.


🆔 @Physics3p

💠چه اجرامی کیهان را یونیزه کرده اند؟

@Physics3p

🔺تصور می‌شود که زمانی بین ۲۰۰ تا ۶۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ (انتقال‌به‌سرخ ۲۰ تا ۱۰) نخستین اجرام در هاله‌های ماده‌ی تاریک به وجود آمدند و با هم ترکیب شدند تا نسل‌های بعدی کهکشان‌ها را به وجود بیاورند. سپس این کهکشان‌ها آنقدر فوتون‌های پرانرژی فرابنفش تولید کردند که همه‌ی گاز هیدروژن اطراف کهکشان‌ها را در محیط میان‌کهکشانی یونیزه کردند. به این دوره که تصور می‌شود زمانی بین ۶۰۰ تا ۹۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ (انتقال‌به‌سرخ ۱۰ تا ۶) شروع شده باشد، دوران باز یونش نام دارد. اینکه چگونه گاز هیدروژن خنثی در سراسر کیهان یونیزه می‌شود، هنوز مشخص نیست. دو تا از کاندیداهای اصلی عوامل بازیونش کیهان ستاره‌های پرجرم و سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم مرکزی کهکشان‌ها هستند. منجمان هنوز نمی‌دانند کدام منبع عامل اصلی بازیونش کیهان است.

🔹فوتون‌های پرانرژی که توان یونیزه‌ کردن هیدروژن را داشته باشند توسط ستاره‌های پرجرم تولید می‌شود. اما برای اینکه این فوتون‌ها به محیط میان‌کهکشانی برسند لازم است که از کانال‌های خالی از هیدروژن خنثی در محیط میان‌ستاره‌ای داخل کهکشان‌ها فرار کنند — کمیتی که به آن میزان فرار می‌گویند. تلاش‌های بسیاری برای رصد فوتون‌های پرانرژی و اندازه‌گیری میزان فرار در کهکشان‌های دور صورت گرفته است و تاکنون (تا زمان انتشار این مقاله‌ی سفید، تابستان ۲۰۱۹) ۳۶ کهکشان که فاصله‌ و انتقال‌به‌سرخ‌شان مشخص است کشف شده‌اند که فوتون‌های پرانرژی نشت می‌کنند. بیشتر این کهکشان‌ها، کهکشان‌هایی هستند که بر اثر پدیده‌ی عدسی گرانشی بزرگنمایی شده‌اند ( در ادامه تصویر پایین را که پیوست مطلب ارائه شده ، مشاهده کنید).

@Physics3p

🔴 دو پرسش اصلی‌ای که در این مقاله‌ی سفید مطرح شده است این است که ستاره‌های پرجرم چقدر فوتون‌های یونیزه‌کننده تولید می‌کنند و این فوتون‌ها چگونه می‌توانند از کهکشان فرار کنند. دانش ما درباره‌ی میزان تولید فوتون‌های یونیزه‌کننده در جمعیت‌های ستاره‌ای پرجرم بسیار محدود است. برای پیشرفت در این زمینه هم احتیاج به رصدهای دقیق‌تر (طیف‌سنجی با رزولوشن بالا) از ستاره‌های پرجرم با فراوانی فلزی کم داریم، و هم احتیاج به بهتر کردن مدل‌های جو ستاره‌ای و طیف‌های تئوری ستاره‌های داغ. مساله‌ی دیگر مطرح شده مربوط به نحوه‌ی فرار فوتون‌های یونیزه‌کننده از محیط میان‌ستاره‌ای است. از آنجایی که محیط میان‌ستاره‌ای گاز هیدروژن خنثی دارد، فوتون‌های پرانرژی را جذب می‌کند و مانع خروج آن‌ها از کهکشان می‌شود. تنها راه فرار این فوتون‌ها پیدا کردن تونل‌های خالی از هیدروژن خنثی است. اینکه این تونل‌ها چگونه به وجود می‌آیند و چه ویژگی‌ای عامل اصلی آن‌هاست، مشخص نیست.

☑️ یکی از راه‌های پیشرفت در این زمینه، مطالعه‌ی تولید و فرار فوتون‌های یونیزه‌کننده در کهکشان‌های نزدیک و تعمیم کشفیات به کهکشان‌های دور (آن‌هایی که در دوران بازیونش کیهان هستند) است. تلسکوپ فضایی جیمز وب (پرتاب در سال ۲۰۱۲) و تلسکوپ‌های ۳۰–متری که در آینده قرار است ساخته شوند(مانند تلسکوپ بزرگ اروپا، ELT، با قطر آینه‌ی ۳۹ متر) در این زمینه بسیار کمک‌کننده خواهند بود. این تلسکوپ‌ها به ما کمک خواهند کرد که بفهمیم ستاره‌های پرجرم چقدر فوتون‌های یونیزه‌کننده تولید می‌کنند و چه کهکشان‌هایی آن‌ها را نشت می‌کنند و درنهایت چه کهکشان‌هایی به دوران تاریک کیهان با یونیزه‌کردن آن پایان داده‌اند.

🌐منبع:

سایت علمی اسطرلاب
عنوان اصلی مقاله: Astro2020: The production and escape of ionizing photons from galaxies over cosmic time
نویسندگان: Jane Rigby et al.

لینک اصلی مقاله: https://arxiv.org/abs/1905.05566

گردآوری: آیرین شیوایی پژوهشگر پَسادکترا و عضو تیم علمی تلسکوپ فضایی جیمز وب دانشگاه آریزونا

@Physics3p

تصاویر کشیده‌‌شده‌ی کهکشانی در انتقال‌به‌سرخ ۲.۴ که بر اثر عدسی گرانشی بزرگنمایی شده‌ است. مناطقی که تابش فوتون‌های پرانرژی فرابنفش دارند با کادرهای رنگی نشان داده شده‌اند. تصویر از Rivera-Thorsen et al. 2019

@Physics3p

🌐تصویر بالا شماتیکی ازدوران کیهانشناسی بعد از مهبانگ است

▪️بازیونش چیست؟
دورانی در کیهان‌شناسیِ مهبانگ است که در طی آن ماده در کیهان تغییر فاز می‌دهد و از حالت تقریبا کاملا خنثی به تقریبا کاملا یونیزه تبدیل می‌شود. در این دوران ماده پس از گذار از دوران تاریکی مجددا یونیزه می‌شود. دوران تاریکی که تقریبا ۴۰۰هزار سال بعد از مهبانگ اتفاق افتاده است، دورانی است که فوتون‌های عالم اولیه با الکترون‌ها و پروتون‌ها واکنش داده و جهانی کدر به وجود می‌آورد. چندصد میلیون سال بعد از دوران تاریک، اختصاص دارد به دوران بازیونش که حاصل آن شکل‌گیری ستاره‌ها و کهکشان‌های اولیه است. از آنجایی که بیشتر ماده‌ی تشکیل‌دهنده‌ی کیهان هیدروژن است، دوران بازیونش به بازیونش هیدروژن برمی‌گردد. عوامل مسبب دوران بازیونش هنوز کاملا مشخص نیستند. تصور می‌شود که تابش پرانرژی و یونیزه‌کننده‌ی "هسته‌های فعال کهکشانی "(منطقه کوچکی در مرکز برخی از کهکشان‌ها است که درخشندگی زیادی دارد که تصور می‌شود که ناشی از سیاهچاله بسیار پرجرمی در مرکز کهکشان باشد) یا کهکشان‌های ستاره‌زا از مسببان اصلی یونیزه شدن کیهان در این دوران باشند.
@Physics3p

‍ ✅ هسته‌ی درونی جامد زمین ۱ میلیارد سال قدمت دارد: (1)

نتایج یک پژوهش تازه که به کمک اندازه گیری آزمایشگاهی انجام شده، نشان می دهد که هسته ی درونی جامد زمین تنها حدود یک سوم سن سیاره یعنی تقریباً یک میلیارد سال قدمت دارد.

زمین مانند یک کیک چندلایه است، با پوسته ی بیرونی جامد، یک گوشته ی غلیظ و داغ، یک هسته‌ی بیرونی مایع و یک هسته‌ی درونی جامد. این هسته ی درونی جامد به وسیله ی آهنی که در هسته ی مایع سرد و متبلور می شود، به آرامی در حال رشد است.

این فرآیند به قدرت گرفتن چرخش هسته ی مایع بیرونی کمک می کند که به نوبه ی خود باعث ایجاد میدان مغناطیسی زمین می شود و به محافظت از سیاره در برابر پرتوهای مضر کیهانی کمک می کند. به عبارت دیگر هسته ی درونی نقش بسیار مهمی در حیات زمینی دارد.
اما درباره ی تاریخچه‌ی این گوی آهنی با ۲۴۴۲ کیلومتر عرض، اطلاع زیادی در دست نیست. تخمین های درنظر گرفته شده برای آن از نیم میلیارد سال تا بیش از ۴ میلیارد سال را دربر می گیرد. تقریبا به اندازه ی سن زمین که ۴.۴ میلیارد سال است.

اکنون پژوهشگران کوشیده اند با روشی دقیق تر از قبل، سن این هسته ی درونی جامد را تخمین بزنند. یون فو لین( Jung- Fu Lin) دانشمند علوم زمین در دانشگاه آستین تگزاس در این زمینه گفت:

زمین در منظومه ی شمسی یکتاست زیرا میدان مغناطیسی قوی دارد و قابل سکونت است. در نهایت می توان از نتایج پژوهش انجام شده برای اندیشیدن به اینکه چرا سیارات منظومه ی شمسی میدان مغناطیسی دارند استفاده کرد.
🆔 @Physics3p

‍ ✅ دینام زمین:
(2)

میدان مغناطیسی زمین توسط آنچه که دانشمندان آن را دینام زمین Geodynamo می‌خوانند تأمین می شود. این پدیده شامل حرکت هسته ی خارجی غنی از آهن زمین است که سیاره ی ما را به یک آهنربای غول پیکر، اگرچه کمی به هم ریخته، تبدیل می کند. دینام زمین با ایجاد میدان مغناطیسی، مسئول شکل گیری قطب شمال و جنوب مغناطیسی و سپر محافظ نامرئی سیاره در برابر ذرات باردار خورشیدی است.

بخشی از حرکت هسته ی درونی توسط گرما ایجاد می شود که به عنوان منبع انرژی گرمایی آن شناخته می شود. همین طور که هسته ی زمین به تدریج سرد می شود، از درون به بیرون متبلور شده و این فرآیند تبلور انرژی آزاد می کند که می تواند قدرت حرکت هسته‌ی بیرونی مایع را بیشتر کند. این انرژی ناشی از متبلور شدن، منبع انرژی ترکیبی ژئودینام نام دارد.

لین و همکارانش قصد داشتند از شواهد تجربی برای تعیین میزان انرژی از هر یک از این منابع استفاده کنند. دانستن میزان انرژی به آنها امکان می داد تا سن هسته ی درونی زمین را تخمین بزنند.

برای انجام این کار، پژوهشگران شرایط هسته را در مقیاس کوچک بازسازی کردند. آنها یک قطعه آهن به قطر ۶ میکرون را تا دمای ۲۷۲۷ درجه ی سانتی گراد گرم کردند و سپس بین دو قطعه الماس فشردند تا با فشارهای شدید هسته ی زمین مطابقت داشته باشد. پس از آن رسانش آهن را تحت این شرایط اندازه گیری کردند.

🆔 @Physics3p

‍ ✅ هسته ای جوان:
(3)

اندازه گیری رسانایی آهن به پژوهشگران امکان داد تا میزان سرد شدن هسته را که در نهایت به تأمین انرژی ژئودینام منجر می شود، اندازه گیری کنند. آنان دریافتند که ژئودینام در حدود ۱۰ تراوات ۱۰ به توان ۱۲ وات انرژی از هسته ی در حال سرد شدن زمین کسب می کند. بیش از یک پنجم گرمایی که زمین از طریق سطح خود به فضا منتشر می کند که ۴۶ تراوات است.

لین در مقاله ای که ۱۳ آگوست در نشریه ی Physical Review Letters منتشر شده گفت:« با محاسبه ی میزان اتلاف این انرژی، پژوهشگران می توانند سن هسته ی زمین را تخمین بزنند. زیرا به کمک نرخ اتلاف انرژی پژوهشگران می توانند محاسبه کنند که فرآیند تبدیل یک گوشته ی مایع آهنی به هسته ی جامد امروزی چقدر طول می کشد.»

به گفته ی او نتیجه ی این پژوهش، بین ۱ تا ۱.۳ میلیارد سال را نشان می دهد. تخمینی که حتی از برخی تخمین های گذشته با روش های مشابه، بیشتر است. برای نمونه یک محاسبه در سال ۲۰۱۶ سن هسته ی جامد زمین را ۷۰۰ میلیون سال ذکر کرده بود. به گفته ی لین با توجه به دقت و اطمینان بالای روش هایی که او و همکارانش به کار برده اند، چنین سن کمی بعید به نظر می رسد.

از سویی بر اساس مقاله ی که سال ۲۰۱۵ در نشریه ی Nature منتشر شد، بررسی سنگ های مغناطیسی باستانی نشان می دهد که میدان مغناطیسی زمین بین ۱ تا ۱.۵ میلیارد سال پیش به طور ناگهانی تقویت شده است. چیزی که به گفته ی لین به خوبی با نتایج جدید سازگار است زیرا تشکیل هسته ی جامد می تواند عامل این تقویت بوده باشد.
هنوز پرسش های زیادی درباره ی توزیع گرما در هسته وجود دارد. برخلاف نمونه ی آزمایشگاهی، هسته ی زمین فقط از آهن تشکیل نشده بلکه شامل عناصر سبک تر مانند کربن، هیدروژن، اکسیژن سیلیسیوم و گوگرد نیز هست.
اما نسبت این عناصر اندک، ناشناخته است و دانستن از چگونگی اثرگذاری بر رسانش هسته ی درونی را دشوار می کند. کاری که لین و همکارانش مشغول انجام آن هستند. او اشاره داشت ما تلاش می کنیم شیوه ی اثرگذاری این عناصر را در فشار و دمای بالا بررسی کنیم.

🆔 @Physics3p

‍ 🔸مدل کوارکی:
🔹تمام ذرات در طبیعت بی رنگ اند!

تمام هادرون ها از اجزای بنیادی تری به نام کوارک تشکیل شده اند. کوارک ها دارای سه نوع (یا طعم) هستند کوارک u، کوارک d و کوارک s. برای هر کوارک یک پاد کوارک وجود دارد.
براساس مدل کوارکی:

هر باریون از سه کوارک (معروف ترین باریون ها پروتون و نوترون) تشکیل شده است. (و هر پادباریون از سه پادکوارک تشکیل شده)

هر مزون از یک کوارک و پادکوارک تشکیل شده.
🆔 @Physics3p
مدل کوارکی از نابسامانی عمیقی رنج می برد: به رغم جستجوی ۲۰ ساله هیچکس یک کوارک مجزا ندیده است. اگر واقعا یک پروتون از سه کوارک تشکیل شده است پس اگر چیزی را محکم به ان بکوبیم باید کوارک ها از ان بیرون بجهند. تشخیص آنها هم چندان دشوار نیست چون دارای بار بارز کسری هستند آزمایشی معمولی مانند روغن میلیکان کار شناسایی را انجام می دهد.

ناکامی آزمایش های تولید کوارک باعث بدبینی گسترده ای نسبت به مدل کوارکی در دهه ۶۰ و اوایل ۷۰ شد. کسانی که به این مدل معتقد بودند مطرح کردند: شاید به دلایلی که نمی دانیم کوارکها در مزون ها و باریون ها حبس شده اند و بنابراین هرچه سعی کنید نمیتوانید آن هارا بیرون بکشید. این توجیه مشکلی را حل نمی کند اما موضوعی را که مسئله نظری سرنوشت ساز دهه هشتاد که شناخت سازوکار حبس کوارکی است را مطرح می کند.

حتی اگر کوارک ها در باریون ها گیر کرده باشند باز هم مطالعه تجربی آنها ممکن است. می توان داخل پروتون را مانند رادرفورد که داخل اتم را بررسی کرد با شلیک چیزهایی درون آنرا کاوید. ازمایش هایی از این نوع در اواخر دهه ۶۰ با شلیک الکترون هایی پر انرژی در استنفورد انجام شد. آنها آزمایش در اوایل دهه هفتاد با استفاده از نوترینو و سپس با پروتونها تکرار کردند.
نتایج این آزمایش به پراکندگی ناکشسان عمیق موسوم است که به طور شگفت‌انگیز یااورد نتایج آزمایش رادرفورد است. اغلب ذرات فرودی مستقیما عبور می کنند در صورتی که تعداد کمی از آنها باز می گردند. این بدان معناست که بار پروتون در قطعات کوچکی متمرکز شده است درست شبیه نتایج آزمایش رادرفورد که نشان میداد بار مثبت اتم در هسته متمرکز شده است. در مورد پروتون شواهد دال بر آن است که به جای یک قطعه سه قطعه وجود دارد و این تایید محکم مدل کوارکی است. یک ایرادی نظری بر مدل کوارکی وارد بود. به نظر می رسید که این مدل اصل طرد پاولی را نقض می کند. در فرمول بندی اولیه پاولی، اصل طرد اظهار می داشت که هیچ دو الکترونی نمی توانند یک حالت را اشغال کنند. (این قاعده در مورد ذرات با اسپین نیم صحیح به کار می روند (ذرات مادی)).
🆔 @Physics3p
به ویژه اصل طرد به طور مشابه برای الکترون ها باید برای کوارکها نیز برقرار باشد. برای مثال فرض میشود ذره ی ++∆ از سه کوارک یکسان u در "یک حالت" تشکیل شده باشد به نظر می رسد این مورد با اصل پاولی ناسازگار باشند. در سال ۱۹۶۴ گرینبرگ راهی برای گریز از این معضل یافت. او اظهار داشت کوارک ها علاوه اینکه با سه طعم مختلف (u،d،s) ظاهر می شوند بلکه هریک از انها می توانند سه رنگ مختلف (آبی، قرمز، سبز) هم داشته باشند. برای ساخت یک باریون به سادگی می توان یک کوارک از هر رنگ را در نظر می گیریم. پس دیگر کوارک های u در ذره ++∆ یکسان نیستند. (یکی آبی یکی قرمز و دیگری سبز است) چون اصل طرد فقط برای ذرات "یکسان" به کار می رود، مسئله حل است. فرض رنگ شبیه یک تردستی به نظر می رسد و بسیاری در ابتدا آن را نفس اخر مدل کوارکی می پنداشتند. بعدها معلوم شد که که وارد کردن رنگ یکی از سودمند ترین ایده های زمان بوده. البته بدیهی است که این رنگ ربطی به معنای لغوی رنگ‌ ندارد به هرحال اصطلاح رنگ یک جنبه ی زیبا را داراست، زیرا مشخصه ساده و مطبوعی را از ترکیبات ویژه ی کوارکها که در طبیعت یافت می شود بیان می کند:

تمام ذرات موجود در طبیعت بی رنگ اند.

منظور از بی رنگ آن است که یا مقدار کل هر رنگ صفر است یا هر سه رنگ به مقدار مساوی وجود دارند.
این قاعده زیرکانه توضیح میدهد که چرا نمی توانید ذره ای را با دو کوارک یا چهار کوارک بسازید و همچنین دال بر این است که چرا در طبیعت کوارکهای تکی وجود ندارد. تنها ترکیبات بی رنگی که می توان ساخت عبارت اند از:
مزون ها (qq)، باریون ها (qqq) و پاد باریون ها.
🆔 @Physics3p

📚منبع: کتاب ذرات بنیادی گریفیث

#تصحیح
در متن بالا ذکر شده کوارک در سه طعم وجود دارد.
علاوه بر این سه طعم (sوuوd) که در متن گفته شده سه نوع کوارک دیگر (tوbوc) هم وجود دارد.