مقاله درباره كوانتومي، الكترون، مكان، توصيف

دانلود پایان نامه ارشد

هرگز به معناي تأييد صددرصد آن است ؛ همچنان كه ارائه نواقص آن مدل دلالت بر رد صددرصدي آن نيست ؛ اگرچه امروزه شواهدي وجود دارد كه مدل بيگ بنگ را در صف مقدم مدلهاي ديگر قرار داده است به اين دلايل در مطالب گذشته اشاره شد ؛ ولیکن مسائل حل نشده بسياري در مورد مهبانگ نیز هست كه دانشمندان در صددند با ساختن مدلهاي رياضي و فيزيكي كه با شواهد امروزي منطبق باشند، مدل مهبانگ را تصحيح و تكميل كنند؛ بنابراين همانطور كه گفته شد ، هيچ نظريه‌اي كامل نيست و در هر يك از نظريات بيان شده درباره مدل عالم مطالبي هست كه هنوز درستي آن ثابت نشده است و پاسخ نيز براي آن نيافته‌ايم .
با فرض اينكه در گذشته انفجاري رخ داده است به سراغ سؤال اصلي پژوهش ميرويم و آن اينكه آغاز عالم كجاست؟ قبل از انفجار بزرگ چگونه بوده است ؟ آيا جهان از عدم خلق شده است؟ خلقت از چه چيزي آغاز شد؟ اينها و شايد سؤالات زياد ديگري تاكنون مطرح شده است كه علم هنوز نتوانسته است پاسخ صريحي براي آن ها بيابد و ماهنوز براي دانستن مسير طولاني‌اي در پيش رو داريم و چقدر اشتباه است فكر كنيم كه همه آنچه لازم است بدانيم را مي‌دانيم.

. 8-2 آغاز آفرينش جهان
دانشمندان فيزيك عمر جهان را از راههاي مختلفي محاسبه كرده‌اند و اطلاعاتي دربارة لحظات بسيار اوليه كيهان در اختيار جهان امروزي قرار داده‌اند؛ به هر حال تا هر لحظه‌اي كه در عالم غور مي‌كنيم به هر ثانيه‌اي كه برسيم اين سؤال همچنان خود را تحميل مي‌كند كه قبل از انفجار بزرگ چگونه بوده است؟
هنگام مطالعه عالم اوليه ، مفهوم مهبانگ را بررسي كرديم. همان طور كه بيان شد مهبانگ ، لحظه‌اي است كه در آن لحظه اندازه عالم صفر وچگالي ماده بي‌نهايت بوده است؛ تقريباً اينطور به نظر مي‌رسد كه گويا عالم در اين لحظه خلق شده است. اما چگونه مي‌توان لحظه مهبانگ را درك كرد ؟ لحظه‌اي كه دما و چگالي بي‌نهايت بوده است؛ بهترين گزينه براي لحظه خلقت است ؛ نكته‌اي كه در اينجا مهم است و غالباً هم مورد توجه قرار نمي‌گيرد آن است كه عالم در اين لحظه بي‌نهايت كوچك بوده است ، حتي از يك اتم هم كوچكتر بوده است؛ درك اين لحظه به گسترش نظريه گرانش اینشتین و مدل‌هاي كيهان‌شناختي نياز دارد. در عين حالي كه توصيف فيزيك ذرات دنياي ريز به زبان مكانيك كوانتومي نياز دارد و بدون توصيف كوانتومي، نمي‌توان از لحظات بسيار اوليه يعني نزديك انفجار بزرگ درك صحيحي داشت؛ اينجاست كه كيهان‌شناسي كوانتومي كاربرد پيدا مي‌كند. توصيف مكانيك كوانتومي طبيعت با توصيف فيزيك كلاسيك كاملاً متفاوت است. در دنياي ريز الكترون‌ها و اتمها ، توصيف فيزيكي ، براي تعيين مسير ذره ،كاربردي ندارد. در نظريه كوانتوم اصول و مفاهيم كليدي وجود دارد كه براساس آن نظريه كوانتوم شكل ميگيرد ؛ به عنوان مثال اصل “عدم قطعيت ” .
طبق اصل عدم قطعيت نمي‌توان همزمان و كاملاً دقيق ، مكان و سرعت ذره‌اي را تعيين كرد ؛ اگر در يك لحظه مكان الكتروني را بدانيم، سرعت آن را نمي‌توان دقيقا تعيين كرد. لذا نمي‌توان گفت مكان ذره الكترون كجاست . بنابراين در اينجا مفهوم مسير بي‌معناست ؛ نظريه كوانتوم مفهوم جديدي را معرفي مي‌كند به نام حالت كوانتومكه در اين حالت به جاي آنكه بگوييم يك الكترون مسير مشخصي را دنبال مي‌كند ، مي‌توان گفت الكترون در يك حالت كوانتوم قرار دارد؛ عموماً سرعت يا مكان مشخصي نخواهد داشت ؛ در عوض مي‌توان احتمال بودن ذره در يك مكان را با داشتن سرعت خاص محاسبه كرد ؛ بنابراين بايد از توصيفي تبيين‌پذير كه در آن رفتار هر چيزي دقيقاً معين مي‌گردد، به توصيف احتمالي كه در آن فقط احتمال ، پيش‌بيني مي‌شود گذر كرد . توصيف احتمالات مفهوم اُفت و خيزهاي كوانتومي را معرفي مي‌كند . بايد ديد كه مفاهيم مكانيك كوانتومي چگونه توصيف از عالم را بهبود مي‌بخشد.
جنبهي اساسي كيهان‌شناسي جديد انبساط عالم است ؛ فرض كنيد در كهكشان خاصي قرار داريم و مكان كهكشان هاي ديگر را مطالعه مي‌كنيم ، زمان كه مي‌گذرد اين مكان به علت انبساط عالم تغيير مي‌كند و نحوه تغييرات آن را عامل انبساط تعيين مي‌كند كه در لحظه صفر از مكان صفر شروع مي‌شود و با گذشت زمان گسترش مي‌يابد ؛ شكل دقيق عامل انبساط به ماده تشكيل‌دهنده عالم بستگي دارد ؛ عامل انبساط ، براساس مجموعه معادلاتي كه نخستين بار اینشتین ارائه داد تعيين مي‌شود . با اين معادلات مي‌توان عامل انبساط و آهنگ تغييرات آن را در هر لحظه از عالم محاسبه كرد. با داشتن اين اطلاعات مقدار انبساط عالم در لحظه بعد بدست مي‌آيد؛ اين وضعيت مثل آن است كه مكان و سرعت ذره‌اي را در يك لحظه مي‌دانيم و مي‌خواهيم مسير آن را تعيين كنيم. براي دستيابي به نظريه كوانتومي عالم مي‌توان به ارائه توصيفي كوانتومي از همين عامل انبساط آغاز كرد؛ نظريه كوانتوم اجازه نمي‌دهد كه ما همزمان عامل انبساط و آهنگ تغييراتش را بدانيم. البته اين عدم قطعيت وقتي ابعاد عالم بزرگتر از اندازه‌هاي اتمي است، اهميت چنداني ندارد ؛ اما در لحظات اوليه وضعيت فرق مي‌كند .
در توصيف مكانيك كوانتومي عالم ، بايد مفهوم عامل انبساط را كه شبيه مسير يك الكترون است با مفهوم حالت كوانتومي عالم كه شبيه حالت كوانتومي الكتروني با انرژي مشخصي در اتم هيدروژن است عوض كنيم . مكان الكترون با انرژي معلوم ، مقدار مشخصي نخواهد داشت ؛ آنچه مي‌توانيم درباره‌اش صحبت كنيم احتمال بودن الكترون در يك مكان خاص است، يك مكان ميانگين به همراه اُفت و خيزهاي حول آن وجود خواهد داشت ؛ به همين ترتيب وقتي عالم بر مبناي حالت كوانتومي مشخصي توصيف مي‌شود عامل انبساط آن نيز مقدار معيني نخواهد داشت، هر چه به سمت مقادير كوچكتر عامل انبساط برويم اين اُفت و خيزها بزرگتر خواهد بود، به همين دليل مي‌توان با توصيف مكانيك كوانتومي به حذف مهبانگ اميدوار باشيم ؛ در لحظه‌اي كه اندازه ي عالم صفر مي‌شود وضعيت در اينجا نيز مشابه يك اتم هيدروژن است ؛ چون پروتون و الكترون از نظر الكتريكي متضادند؛ نيروي جاذبه بين آن ها وجود دارد كه طبق فيزيك كلاسيك، الكترون ضمن حركت تحت تأثير اين نيرو، پس از مدت كوتاهي بر روي پروتون سقوط مي‌كند. قبل از ظهور نظريه كوانتوم سرنوشت اتم اين گونه بود و از اين رو پايداري هيدروژن مبهم بود ؛ اما در مكانيك كوانتوم يك اتم هيدروژن پايدار متشكل از يك پروتون و الكترون مي‌تواند وجود داشته باشد .
در نظريه كوانتوم، اصل عدم قطعيت مانع از نزديك شدن الكترون به پروتون است ؛ چرا كه در اين صورت عدم قطعيت بالايي در مكان و سرعت الكترون خواهيم داشت. بيان ديگر اين مسئله آن است كه از نظر كلاسيكي الكترون در مسيري حركت مي‌كند كه اندازه‌اش پس از مدتي به صفر مي‌رسد ؛ يعني الكترون بر مركز پروتون سقوط مي‌كند، اما بر اساس مكانيك كوانتوم ، الكترون مسير مشخصي ندارد ؛ بلكه داراي ترازهايي از انرژي است و در يك تراز انرژي ، مكان مشخصي ندارد ؛ لذا صحبت از مسيرهايي كه باعث سقوط الكترون بر روي پروتون است، معنايي ندارد.
در كيهان‌شناسي كوانتومي نيز ايده‌هاي مشابهي استفاده مي‌شود . ديناميك عامل انبساط به زبان مكانيك كوانتومي قابل بيان است كه به اتم هيدروژن كوانتيده منجر مي‌شود، درست مانند الكترون كه از نزديك شدن بيش از حد به پروتون منع مي‌شود ؛ اندازه عالم نيز به علت اثرات كوانتومي نمي‌تواند به صفر برسد . مطابق اين نظر كوچكترين اندازه عالم است.
مهمترين پرسش در اينجا آن است كه چرا عالم وجود دارد؟ چرا اين همه مواد وجود دارد ؟ كيهان‌شناسي كلاسيك نمي‌تواند پاسخي برای این سؤال داشته باشد ،اما برخي از مدل‌هاي كيهان شناسي كوانتومي سعي ميكنند به اين سؤال پاسخ دهند . اين مدل‌ها اجازه نمي‌دهند كه از يك عالم خالي از ماده ، عالم داراي ماده بسيار به وجود آيد ؛ در اين مدل‌ها، فضاي خالي به علت اُفت و خيزهاي ميدان گرانشي ناپايدار است و باعث مي‌شود كه عالم ، در حال انبساط و خلق ماده “خود به خود ” به وجود آيد .
اما خلق ماده و انبساط آن محتاج انرژي است؛ بنابراين اگر ماده از فضاي خالي به وجود آمده باشد، به نظر ميرسد كه پايستگي انرژي را كه از اصول مسلم فيزيك است ،نقض كند . اين سؤال فلاسفه نيز هست كه چگونه از “نيستي ” چيزي به وجود خواهد آمد؟ اما باید گفت در اين فرايند هيچ نقض پايستگي انرژي وجود ندارد؛ چرا که ميدان گرانشي داراي انرژي منفي است؛ بنابراين مي‌توان به موقعيتي كه در آن انرژي گرانشي منفي با انرژي مثبت ماده و انبساط در تعادل باشد و در نتيجه كل انرژي صفر شود ، رسيد ؛ معادلات كيهان‌شناسي كوانتومي نشان مي‌دهد كه عالم به علت افت و خيزهاي كوانتومي به خودي خود از خلأ به وجود آمده است .
البته این مطلب کمی عجیب به نظر میرسد؛ اما اگر درك درستي از توصيف‌هاي مكانيك كوانتومي عالم داشته باشيم ، اذعان ميكنيم كه خلأ نظريه كوانتوم همان خالي بودن نظريه فيزيك كلاسيك نيست . بلكه در اينجا (خلأ) ذرات به طور پيوسته خلق و نابود مي‌شوند و ميدان ها اُفت و خيز دارند ؛ رياضيات اين مدل‌ها نشان مي‌دهد كه چنين حالتي به خلق دنياي مادي مي‌انجامد129. مسئله ی ديگري كه در كيهان‌شناسي مطرح است اين است كه سرانجام اين عالم در حال انبساط چيست؟ آيا جهان الي‌الابد به انبساط خود ادامه مي‌دهد؟ آيا انفجارديگري در انتظار جهان است؟!! آيا مدل انفجار بزرگ به ما اجازه مي‌دهد كه سرنوشت جهان را به خوبي خلقت مجدد گذشته‌اش پيش‌بيني كنيم؟
براي پاسخ به سؤالات فوق ابتدا بايد اطلاعاتي درباره هندسه عالم و همچنين چگالي ماده عالم داشته باشيم؛ چرا كه انبساط جهان به شكل جهان و مقدار چگالي ماده آن هم مرتبط است. آنگاه مي‌توان سرنوشت عالم را نيز تا حدودي حدس زد. البته اينها هم حدس و گمان اخترشناسان است و نمي‌توان در مورد هيچ كدام به قطعيت رسيد. «والله اعلم» .

2-.9 چگونگي تحول عالم
مسئلهي آغاز جهان ، مسئله ای درباره گذشته عالم بود ؛ در اینجا ترجیحا به مسئله انجام در مقابل آغاز نیز پرداخته ایم ؛ میتوان گفت انجام جهان با آغاز ارتباطی تنگاتنگ دارد ؛ بسته به آنکه ما چه آغازی را برای جهان در نظر بگیریم ؛ میتوان تا حدودی پایان را نیز بر طبق آن استنباط کرد .
در پي انبساط جهان اين سؤال مطرح ميشود ، كه آيا جهان به انبساط خود ادامه ميدهد يا انقباض جهاني رخ خواهد داد ؟ برای پاسخ به اين سؤال بايد اطلاعات كافي و دقيقي از جرم جهان داشته باشيم ؛ اگر جرم موجود در جهان كافي باشد( جرم كافي براي متوقف نمودن انبساط ) ، نيروي گرانشي آن براي كند شدن و متوقف نمودن كهكشانها كافي است و اگر جرم كافي نباشد ، اين امر هيچ گاه اتفاق نميافتد ؛ لذا بايد جرم را محاسبه كرد و ببينيم كه آيا اين مقدار جرم براي متوقف كردن انبساط جهان كافي است يا خير ؟
هندسه عالم نيز در تعيين چگونگي تحول عالم ميتوان راهگشا باشد. اگر بدانيم هندسه عالم به چه صورت است و همچنين جايگاه چگالي را در تعيين سرنوشت عالم بررسي كنيم ؛ ميتوانيم پايان جهان را پيش بيني كنيم. ابتدا به بررسي هندسه عالم ميپردازيم و بعدا به نقش عوامل ديگري كه در تعيين آينده جهان مؤثرند ميپردازيم .

2-9-1 .هندسه عالم
يكي از ابزارهاي مهم در تعيين چگونگي تحولات كلي جهان، قرمزگرايي مشاهده شده در طيف كهكشان هاي دور است. خطوط طيفي كهكشان هاي نزديك ، به ميزان كم و خطوط طيفي كهكشان هاي دور به مقدار قابل توجهي انتقال به قرمز يافته است و اين حاكي از آن است كه كهكشانها در حال دور شدن هستند كه قبلاً130 به آن در قالب قانون هابل اشاره كرديم. شيب خط در نمودار حاصل از نتايج هابل بيان‌گر انبساط عالم است.
سؤالي كه مطرح است آن است كه آيا اين نمودار خطي به اين شكل ادامه خواهد يافت؟

نماد كهكشان
نمودار (2-2)
قانون هابل در پيش گويي آينده عالم به ما ميگويد كه براي اكثر كهكشانهاي دوردست يك رابطه خطي ساده بين فاصله و سرعت دور شدن وجود دارد . اما براي دورترين كهكشانها لزوما اين گونه

پایان نامه
Previous Entries مقاله درباره اعداد و ارقام، عالم ماده Next Entries مقاله درباره چگالي، كهكشان، گرانشي، انحناي