مقاله درباره کیهان شناسی

دانلود پایان نامه ارشد

میشکند. نور قرمز داراي‌كمترين‌بسامد و نور آبي‌ داراي ‌بيشترين ‌بسامد است‌؛ تابش‌ الكترو مغناطيسي ‌ممكن‌است ‌خارج ‌از محدوده ي ‌بسامدي‌كه‌ چشم ‌انسان‌ به‌آن ‌حساس‌است ‌نیز وجود داشته‌باشد، بسياري ‌از اجرام‌ آسماني ‌تابشي ‌را گسيل ‌مي‌كنند كه ‌با چشم ‌انسان‌ يا تلسكوپ‌هاي ‌نوري ‌معمولي ‌قابل‌آشكارسازي ‌نيست‌؛ تابش ‌با طول‌موجهاي‌ خارج ‌از باند مرئي ‌به‌ نام‌هاي ‌مختلفي ‌ناميده ‌مي‌شود؛ نظير گاما، ايكس‌، فرابنفش‌، فرو سرخ ‌و امواج ‌راديويي‌كه‌ ميلیونها بار بلندتر از نور معمولي‌است. در بحث ‌درباره ‌ويژگي‌هايي ‌نظير طول ‌موج ‌يا بسامد يك ‌فرض ‌ضمني ‌وجود دارد مبتني ‌بر اينكه ‌منبع ‌تابش ‌و ناظر نسبت به ‌يكديگر در حال ‌سكون باشند يا اينكه‌ ممكن ‌است ‌در حالت‌كلي ‌اين‌طور نباشند ؛ يعني‌تابش ‌ستاره‌ يا كهكشاني ‌را دريافت‌كنيم‌كه ‌نسبت ‌به ‌ما در حال ‌حركت ‌است ، ‌در اين‌حالت ‌پديده ‌دوپلر اتفاق ‌مي‌افتد54‌. در بحث بعدی به آن می پردازیم.

2-4-1-2 .پدیده دوپلر
كريستان ‌يوهان ‌دوپلر55، از دانشمندان‌ اوايل‌ قرن ‌نوزدهم میلادی ‌اولين‌كسي ‌بود كه‌رابطه‌ بين‌طول ‌موج ‌و فركانس ‌را بيان‌كرد ؛ بدين‌صورت‌که حركت ‌منبعي ‌از امواج ‌، ‌اعم ‌از امواج ‌صوتي‌، آبي‌، نوري‌، آن ‌امواج ‌را نسبت ‌به‌ مشاهده‌گر اندكي ‌متفاوت تر ‌از امواج ‌منبعي‌كه ‌در حال ‌سكون ‌است‌، مي‌سازد56.
حاصل‌ضرب ‌فركانس ‌هر موج ‌در طول ‌موج‌آن ‌برابر است ‌با سرعت ‌موج :

(2-1)

براي ‌امواج نور، فركانس ‌بزرگتر بر طول ‌موج‌كوتاه ‌دلالت ‌دارد و بر عكس .
اگر منبع ‌در حال ‌حركت ‌باشد، طول ‌موج ‌دريافتي‌توسط ‌مشاهدهگر در مقايسه‌ با وقتي‌كه ‌منبع ‌در حال ‌سكون ‌باشد، اندكي ‌متفاوت‌ خواهد بود. اثر دوپلر بيان‌گر آن ‌است‌که طول‌ موج ‌اندازه‌گيري شده‌ براي ‌منبعي‌كه ‌به ناظر نزدیک میشود كوتاهتر و براي ‌منبعي‌كه ‌از ناظر دور مي‌شود بزرگتر خواهد بود. پس ‌مقدار طول ‌موج ‌تحت ‌تأثير سرعت‌ نسبی منبع‌ و ناظر است57. اثر دوپلر همچنين‌ تغييرات ‌فركانس‌ متناسب‌ با طول موج‌ را بيان ‌مي‌كند؛ بدين‌ صورت‌ كه ‌اگر طول ‌موج‌دريافتي ‌توسط ‌ناظر كوتاه‌ باشد، فركانس ‌افزايش‌خواهد يافت ‌و برعكس؛ ‌اگر طول‌ موج‌ دريافتي‌توسط ‌ناظر بلند باشد، فركانس‌كاهش ‌مي‌يابد.58 ميزان‌ تغيير درطول موج‌ و فركانس، ‌پديدهي دوپلر است كه ‌از اثر دوپلر ناشي‌مي‌شود. اخترشناسان‌معتقدند كه ‌اگر بتوانند تغيير طول ‌موج ‌ناشي ‌از اثر دوپلر را اندازه‌گيري‌كنند قادر خواهند بود ، ‌مقدار حركت نسبی منبع ‌و ناظر را تعيين‌كنند.
اخترشناسان ‌غالباً گرايش ‌به‌ فركانس ‌پايين‌تر و طو ل ‌موج ‌بزرگتر را قرمزگرایی مي‌گويند59 چرا كه ‌نور قرمز فركانس ‌پايين ‌تر و طول ‌موج ‌بالاتر را در رده‌بندي ‌رنگ‌هاي ‌قابل‌رؤيت ‌نور دارد . آبي‌گرايي ‌در گرايش ‌دوپلري ‌براي ‌طول ‌موج‌كوتاهتر و فركانس ‌بالاتر به‌كار مي‌رود. با استفاده ‌از اثر دوپلر مي‌توان‌ چگونگي ‌سرعت يك‌ شي‌ء را كه ‌نور ساطع ‌مي‌كند، تعيين‌كنيم ‌به ‌طوري‌كه ‌نزديكي ‌يا دوری ‌آن ‌را مي‌توان ‌دريافت60 ‌؛ بنابراين ‌اثر دوپلر مهم‌ترين ‌راه‌كسب ‌اطلاعات ‌درباره ‌حركت ‌منابع‌كيهاني‌است‌ ؛ طبق ‌اين ‌اثر اگر نور گسيل‌شده ‌از يك ‌اتم ‌خاص ‌در يك‌كهكشان ‌را بنگریم ‌و سپس‌نور گسيل‌شده ‌توسط ‌اتمي ‌از همان‌ نوع‌ را درآزمايشگاه ‌بررسي‌كنيم ‌، با مقايسه ‌طول‌ موجهای دريافتي ‌مي‌توان‌ نشان ‌داد كه‌كهكشان ها در حال‌ دور شدن ‌از ما هستند يا به ‌ما نزديك ‌مي‌شوند61. اين‌مسئله ‌در كيهان‌شناسي ‌جديد جايگاه ‌ويژه‌اي‌به‌خود اختصاص‌ داده است.
2-4-1-3 .انبساط ‌عالم‌ و قانون ‌هابل‌
در طي ‌سالهاي ‌اخير( دههي دوم قرن بیستم ) اسليفر62، اخترشناس ‌رصدخانه ‌لوئل، ‌در نزديكي‌ايالت ‌ايريزونا، پدیدهی دوپلر را برای چندين‌كهكشان ‌دوازده تایی بررسي‌كرد، اين ‌تعداد اندازه‌گيري‌كه ‌با اندازه‌گيري‌هاي ‌ديگري ‌در رصدخانه‌ها افزايش ‌يافت‌ ، يك ‌اتفاق ‌جالبي ‌را آشكار كرد، و آن ‌اينكه‌ تنها تعداد كمي ‌از كهكشان ها حركات‌ نزدیک شونده ‌داشتند، در حالي‌كه ‌تعداد قابل‌توجهي ‌از كهكشان ها در حال دور شدن از راه شیری بودند ؛ این مطلب به خودی خود وسوسه آمیز بود اگر چه بیشتر اخترشناسان در آن زمان ‌از انديشه‌ در اين‌باره ‌منع ‌شدند، لذا اين‌موضوع كنارگذاشته ‌شد. تا اينكه هابل‌توضيحي ‌براي‌ حرکات نامتعادل‌كهكشان ها در اثر دوپلر پيدا كرد63.
بر اساس ‌انتقال ‌دوپلري، ‌نور گسيل‌شده ‌از ستاره‌اي ‌چون‌ خورشيد داراي ‌طيف‌ پيوسته‌اي ‌است‌که در هنگام ‌عبور آن ‌از جو ستاره ، گازهاي ‌موجود ، بخشي ‌از نور را جذب ‌مي‌كنند ، به‌طوري‌كه‌ چند خط ‌تاريك ‌جذبي ‌بر روي ‌طيف‌گسيلي ‌پيوسته ‌قرار دارد؛ مقايسه ‌طول ‌موجهاي ‌معلوم ‌اين‌خطها و طول ‌موجهايي‌كه ‌انتقال ‌دوپلري ‌يافته ‌است ‌، سرعت ‌ستاره‌ را نتيجه ‌مي‌دهد. كهكشان ‌ما و بعضي‌از ستارگان‌كه ‌نورشان‌ به ‌طرف ‌طول ‌موج‌كوتاهتر (آبي‌) جابجا شده ‌است‌ ، به‌ ما نزديك ‌مي‌شوند و ستارگان ‌ديگر كه ‌طول‌ موجشان‌ به ‌سمت ‌طول‌ موجهاي ‌بلندتر ( قرمز) منتقل ‌شده ‌است ، ‌از ما دور مي‌شوند. سرعت‌ ميانگين ‌اين ‌ستارگان ‌حدود km/s30 است‌، تغيير طول ‌موجهاي ‌اين‌ستارگان ‌بسيار كم ‌است‌؛ نور كهكشان هاي ‌مجاور گروه‌ محلي ، ‌نيز انتقال ‌به‌ سرخ ‌يا آبي ‌از خود نشان ‌میدهند. به هر حال‌ نور كهكشان هاي ‌دوردست ‌به ‌قرمز منتقل‌شده‌ است ‌و لذا اين‌كهكشان ها در حال‌ دور شدن از ما‌ هستند و طبق ‌اصل‌كيهان ‌شناختي‌كه ‌عالم ‌از همه‌ ديدگاهها يكسان‌ به‌نظر مي‌رسد ، بايد هر ناظري ‌در عالم ‌به این نتیجه که کهکشان ها از هر نقطه ‌عالم ‌دور مي‌شوند ، برسد .
فرمول ذیل رابطه ی بین تغییر طول موج و سرعت دور یا نزدیک شدن منبع را نشان می دهد:

( 2-2)

که البته فرمول فوق برای سرعتهای بالا به صورت ذیل است :

(2-3)64

هابل ‌طي ‌مشاهداتش‌ متوجه ‌شده ‌بود كه ‌در مجموعه‌كهكشان ‌راه ‌شيري‌ نقاط‌كوري‌ به‌چشم ‌مي‌خورند، اين ‌نتيجه‌كه‌كهكشان ها خاموش ‌و روشن ‌مي‌شوند، نشان میدهد که اينها از نوع‌ متفاوتي‌هستند كه ‌به ‌علت ‌دوري‌ كم نور ‌به ‌چشم ‌مي‌آيند. وي ‌با استفاده ‌از رابطه ‌شدت نور جسم‌كه‌ به‌ طور معكوس ‌با توان‌ دوم ‌فاصله‌اش ‌از ناظر متناسب ‌است‌، توانست ‌فاصله‌ را محاسبه‌كند و نشان ‌داد آن ها ستارگان ‌دوري ‌هستند ؛ بنابراين‌كهكشانهاي‌آن ها نيز دور دست میباشند؛ هابل‌ طي‌تحقيقات‌ خود متوجه ‌شد كه‌تقريباً همه‌آن ها در حال‌ دور شدن ‌هستند و همان‌طور كه‌ بيان‌ شد اين‌حقيقت‌ را با تغيير طول ‌موج‌ در اين‌كهكشان ها میتوان دریافت . وقتي‌هابل‌نتيجه ‌مشاهدات‌ خود را ترسيم‌كرد به ‌یك‌ روند معيني ‌رسيد : تنها تعداد كمي ‌از كهكشان ها در حال ‌نزديك ‌شدن‌هستند ( که میتواند به دلیل جاذبهی گرانشی بین آنها باشد که موضوع از قبل شناخته شده ای است. ) ولي اكثر آن ها با سرعت‌هايي‌كه‌ متناسب‌ با فواصلشان است ، ‌در حال ‌دور شدن ‌هستند65.

نماد كهكشان
نمودار (2-1)
بدین ترتیب هابل دریافت که حركات‌كهكشان هايي‌كه ‌مشاهده ‌مي‌كنيم ‌الگوي ‌رايجي ‌دارند كه ‌به‌ تدريج ‌مسافت‌هاي ‌طولاني‌تر را با سرعت‌هاي ‌بيشتري ‌طي‌خواهند كرد. اما هر كهكشاني‌ همچنين‌ يك ‌سرعت ‌نسبتاً كم‌ در يك‌ مسير تصادفی دارد؛ به ‌دليل‌همين ‌حركات‌ جداگانه ‌نسبتاً كم‌، تنها نزديكترين ‌کهکشان ها اين ‌فرصت ‌را دارند تا به‌ طوركامل ‌ميل ‌به‌ دور شدن ‌را خنثي‌كنند؛ بنابراين ‌شتابي ‌از نزديك شدن‌ را ايجاد میكنند ؛ اما كهكشان هاي ‌دورتر، فقط ‌اندكي ‌به ‌حركات ‌جداگانهي ‌آن ها اضافه ‌و يا از آن كاسته ‌مي‌شود.
طبق محاسبات هابل به‌ جز نزديكترين‌كهكشان ها ‌، همه‌ی كهكشان هايي‌كه ‌ما مشاهده ‌مي‌كنيم ‌از قانون ‌هابل‌ پيروي ‌مي‌كنند:
كهكشان ها با سرعتي‌متناسب ‌با فواصلشان ‌در حال ‌دور شدن‌ از ما هستند (البته ‌امروزه ‌مشاهده ‌مي‌كنيم‌كه ‌نمودار هابل ‌واقعاً رفتار كلي‌كهكشان ها را نشان ‌نمي‌دهد.66)
بدين‌ترتيب‌ در سال 1929‌م. هابل ‌قانون ‌مشهوري‌ را كه ‌به نام ‌وي ‌معروف‌ شد و امروزه ‌آن ‌را به ‌عنوان ‌قانون ‌هابل‌مي‌شناسیم به ثبت رساند .67
عبارت‌ جبري‌ اين‌ قانون‌ به ‌اين ‌شكل‌ است‌ :

V=HD (2-4)

در این معادله سرعت دور شدن ، فاصله بر حسب سال نوری و در این معادله يك ‌پارامتر ‌در سراسر جهان است‌كه‌آن ‌را ثابت ‌هابل‌ ناميده‌اند ؛ از آنجا که پارامتر هابل ‌(‌) ممكن‌است ‌در طي ‌زمان ‌به‌كندي ‌تغيير مي‌كند لذا آن را به‌صورت‌() نمايش ‌مي‌دهند به‌ معناي‌ ثابت‌هابل‌در زمان ‌فعل68‌ .69
بر اساس ‌اصل‌كيهان‌شناختي ، كهكشان ها در همهی ‌جهات ‌با سرعتي‌كه ‌متناسب ‌با فاصلهی ‌آن ها از یکدیگر است ، ‌در حال ‌دورشدن ‌از هم هستند ؛ بنابراین از آنجايي‌كه‌كهكشان ها در هر جايي‌كه‌ باشند در حال‌ دور شدن ‌از يكديگرند؛ پس‌كل ‌جهان ‌در حال ‌انبساط ‌است‌70. برای روشن تر شدن مطلب ، مثال ساده ذیل را در نظر بگیرید :
اگر بالني ‌را كه ‌روي‌ آن ‌لكه‌هايي ‌پراكنده‌ شده‌ باشد در نظر بگيرید؛ متوجه ‌خواهيد شد، وقتي بالن ‌را باد كنيد لكه‌ها از يكديگر دور مي‌شوند، با سرعتي‌كه ‌متناسب ‌با فاصله‌شان ‌است‌ ، بالن ‌با اين ‌سرعت‌گسترش‌ مي‌يابد .

شكل (2-1)
جهان ‌نيز با دور شدن‌كهكشان ها در حال ‌انبساط ‌است . ‌البته ‌جهان ‌هستي ‌يك ‌بالن ‌نيست ‌؛ بلكه ‌اين ‌مثال ‌صرفاً مي‌تواند به ‌شكل ‌دهي ‌آن‌كمك‌ كند ، اگر ما بتوانيم ‌تصور كنيم‌كه‌ فضاي ‌‌سه ‌بعدي ‌به ‌سطح ‌دو بعدي ‌بالن كاهش‌ يافته ، ‌مي‌توانيم‌ بپذيريم‌كه‌تمام ‌جهان ‌در حال ‌انبساط ‌است‌. به هر حال ‌نتايج ‌هابل‌، كيهان‌شناسان ‌را متقاعد كرد تا گسترش جهان را به عنوان طبیعی ترین تفسیر از اثر هابل بپذیرند . علاوه‌ بر اين‌ ، نظريات ‌پيشرفته ‌فيزيك‌ نیز به ‌حمايت‌ خود از يافته‌هاي ‌هابل‌ افزود71 .
معادلات فریدمان ( ریاضیدان روسی ) نیزکه بر اساس معادلات اینشتین و اصل کیهان شناسی نوشته شده بود جهان در حال انبساط را به عنوان یکی از راه حل های قابل قبول در بر داشت .72 بدين‌ترتيب‌گسترش‌جهان‌به‌ عنوان ‌واقعیتی انکار ناپذیر در جهان علم پذیرفته شد و همان‌طور كه ‌ثابت ‌شده ‌است ‌اين ‌انبساط ‌مركزي ‌ندارد ؛ بلكه ‌هر جايي ‌انبساط ‌صورت ‌مي‌گيرد. 73( فرار همه‌از همه74‌). اما باید بدانیم منظور از این انبساط چیست ، آیا بزرگترشدن جهان همان بزرگی اجزای آن یعنی کهکشان هاست ؟ در مطالب ذیل به ماهیت این انبساط می پردازیم .

2-4-1-3-1 . ماهيت‌انبساط‌
همان‌طور كه‌ بیان شد كهكشان ها در حال ‌دور شدن ‌از يكديگرند و سرعت‌ دور شدن‌ آنها با مسافت‌شان متناسب ‌است‌؛ هر چه‌ فاصله ‌بيشتر باشد، سرعت ‌دور شدن ‌نيز بيشتر است‌. براي ‌شناخت ‌بهتر ويژگي‌هاي ‌عالم ‌مناسب است ابتدا ماهيت ‌اين ‌انبساط ‌را بررسی کنیم :
اگر همه‌كهكشان ها در حال‌دور شدن ‌هستند، ممكن‌است‌ چنين‌ به ‌نظر برسد كه ‌ما در مركز عالم ‌قرار داديم‌. اما بر اساس اصل کیهان شناسی عالم ‌هيچ ‌مركزي ‌ندارد.
حركت‌كهكشان ها در عالم‌كاملاً مشابه ‌است ‌؛ هر ناظري ‌مستقل ‌از مكان‌كهكشاني‌كه ‌در آن ‌قرار دارد ، متوجه ‌مي‌شود كه‌ همهی‌كهكشان ها با سرعتي ‌متناسب ‌با فاصله‌شان ‌از او در حال ‌دور شدنند ، اين ‌معناي ‌انبساط ‌عالم ‌است؛ ‌اما لازم ‌به ‌ذكر است‌كه ‌وقتي ‌مي‌گوييم ‌عالم ‌در حال‌انبساط ‌است‌، منظورمان ‌از کلمهی ‌عالم ‌، اصطلاحي ‌براي ‌توصيف ‌موادي‌كه ‌در اطراف مان ‌هست، می باشد‌؛ لذا منظور از انبساط ‌عالم ‌حركت ‌مواد عالم ‌است75‌؛ شبيه ‌یک نان‌كشمشي‌،‌ وقتي ‌نان ‌در اجاق‌گاز در حال ‌بزرگ ‌شدن ‌است ؛ ‌فاصله‌ بين‌كشمش‌ها نيز زياد شود در حاليكه ‌اندازهی

پایان نامه
Previous Entries مقاله درباره کیهان شناسی، نظریه پردازی Next Entries مقاله درباره چگالي، انرژي، نوترون، كهكشان