فیزیک

فیزیک (به زبان یونانی φύσις، طبیعت و φυσικῆ، دانش طبیعت) علم مطالعهٔ خواص طبیعت است. این علم را عموماً علم ماده (Matter) و حرکت و رفتار آن در فضا و زمان می‌دانند. این ماده می‌تواند از ذرات زیراتمی تا کهکشان‌ها و اجرام بسیار بزرگ آسمانی باشد. فیزیک از مفاهیمی مانند انرژی، نیرو، جرم، بار الکتریکی، جریان الکتریکی، میدان الکتریکی، الکترومغناطیس، فضا، زمان، اتم و نورشناسی استفاده می‌کند. اگر بطور وسیع‌تر سخن بگوییم، هدف اصلی علم فیزیک بررسی و تحلیل طبیعت است و همواره این علم در پی آن است که رفتار طبیعت را در شرایط گوناگون درک و پیش‌بینی کند.

فیزیک یکی از قدیمی‌ترین رشته‌های دانشگاهی است و شاید قدیمی‌ترین مبحث آن را بتوان نجوم و اخترشناسی نامید. مدارکی وجود دارد که نشان می‌دهد هزاران سال پیش از میلاد مسیح، اقوامی همچون سومری‌ها و همچنین اقوامی در مصر باستان و اطراف سند، تحقیقات و درک پیشگویانه‌ای (گمانه‌زنی‌هایی) از حرکت خورشید، ماه و ستارگان داشته‌اند.

ساعت آفتابی- استوایی یونانی، در Alexandria on the Oxus، آی خانم امروزی در شمال افغانستان، قرن دوم تا سوم قبل از میلاد مسیح

دوران باستان

از دوران باستان، انسان‌ها سعی می‌کردند که رفتار طبیعت را درک و پیش‌بینی کنند. در ابتدا، این‌گونه پرسش‌ها در مورد طبیعت و رفتار آن، در قلمرو فلسفه دسته‌بندی می‌شد. به همین دلیل است که در نوشته‌های فیلسوفان باستان همچون ارسطو، افلاطون و بطلمیوس و … نوشته‌های بسیاری در مورد رفتارهای طبیعت، مخصوصاً حرکت ستارگان و خورشید می‌بینیم. در بعضی از این نوشته‌ها، مواردی وجود داشت که بررسی پدیده‌های آسمانی را با افسانه‌ها و اعتقادات مردمان آن دوره از تاریخ آمیخته می‌کرد و علی‌رغم پیش‌بینی‌های درست، نمی‌توانست باعث متقاعد شدن آیندگان شود.

فلسفه طبیعی

البته در این دوران فیلسوفانی همچون تالس هم بودند که تمامی تلاش خود را برای دور ماندن از دلایل ماوراءالطبیعه می‌کردند. به خاطر همین تلاش‌ها در بسیاری از منابع تاریخی به تالس لقب نخستین چهرهٔ علم را داده‌اند. یکی از کارهای مهم وی در حوزه ستاره‌شناسی، پیش‌بینی خورشیدگرفتگی در سال ۵۸۵ قبل از میلاد مسیح است.

فیزیک کلاسیک

آیزاک نیوتن (۱۶۴۳–۱۷۲۷)

از همین دوره بود که شاخه‌ای از فلسفه جدا شد که نام آن را فلسفه طبیعی نهادند و سالیان طولانی ادامه یافت. تا حدوداً در قرن هفدهم میلادی که دوباره با حضور چهره‌های بزرگ و برجسته‌ای همچون آیزاک نیوتن و گوتفرید لایبنیتس می‌رفت که دوباره تحولی عظیم در علم و نحوه نگرش به آن مخصوصاً در ریاضیات و فیزیک ایجاد شود. با چاپ شدن کتاب نیوتن در سال ۱۶۸۷ با نام اصول ریاضی فلسفه طبیعی (همان‌طور که پیداست همچنان از عبارت فلسفه طبیعی در عنوان آن استفاده شده) تقریباً این نوع نگرش به فیزیک و ریاضیات به پایان راه خود رسید و نیوتن و همکاران وی در قرن هفدهم میلادی، نحوه نگرشی نو به طبیعت را بنیان‌گذاری کردند که امروزه به فیزیک کلاسیک معروف است. البته ذکر این نکته الزامی است که این جنبش، قبل از قرن هفدهم، با تلاش دانشمندانی چون گالیلئو گالیله، نیکلاس کوپرنیک و یوهان کپلر آغاز شده بود و در زمان نیوتن به اوج خود رسید.
پس از قرن هفدهم، فیزیک و ریاضیات با سرعت قابل توجهی توسعه یافتند و دانشمندان زیادی در شاخه‌های مختلف این دو علم، توانستند پاسخ بسیاری از پرسش‌های خود را بیابند. این روند تا قرن نوزدهم ادامه داشت. جامعه فیزیکدانان در قرن نوزدهم، عموماً گمان می‌کردند که با کشفیات جیمز کلرک ماکسول در حوزه الکترومغناطیس و معادله بندی چگونگی ایجاد شدن میدان الکتریکی و مغناطیسی، توسط بارها و جریان‌های الکتریکی، فیزیک به نقطه تکامل خود رسیده‌است و دیگر هیچ پدیده طبیعی وجود ندارد که نتوانند آن را توجیه و پیش‌بینی کنند.

فیزیک مدرن

اما در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم بود که پدیده‌هایی توسط برخی از فیزیک‌دانان مشاهده شد که با علم فیزیک آن زمان قابل توضیح نبود یا اگر توضیحی ارائه می‌شد، در آن تناقض‌هایی وجود داشت. در این زمان بود که فیزیک دانان تقریباً به دو دسته تقسیم شدند.

نسخه‌ای از کتاب پرینسیپیا با دست خط آیزاک نیوتن

دسته‌ای سردمدار پایه‌گذاری فیزیکی جدید، که در آن اشکالات و کاستی‌های فیزیک کلاسیک جبران شده باشد، بودند و دسته‌ای سر سرسختانه در مقابل هر گونه تغییر مقاومت می‌کردند و می‌کوشیدند که پدیده‌های جدید را با همان فیزیک کلاسیک (یا نیوتنی) توضیح دهند. سر انجام ماکس پلانک بر پایه تلاش‌های دانشمندان قبل از خود همچون رابرت هوک، کریستیان هویگنس، توماس یانگ و لئونارد اویلر توانست نظریه مکانیک کوانتومی را ارائه دهد و همین‌طور آلبرت اینشتین توانست نظریه نسبیت را ارائه و با موفقیت از آن دفاع کند. در همین سال‌ها بود که فیزیک‌دانان پذیرفتند، با وجود اینکه فیزیک کلاسیک در حوزه مورد بحث خود (که عموماً پدیده‌هایی آزمایش پذیر بودند) خالی از هرگونه خطا است، اما نیاز به ایجاد شاخه‌ای جدید در علم فیزیک با نام فیزیک نوین است. پس از آلبرت اینشتین، تئوری مکانیک کوانتومی و همچنین فیزیک اتمی با تلاش دانشمندان بزرگی چون ورنر کارل هایزنبرگ، آروین شرودینگر، ولفگانگ پائولی و پل دیراک هر روز کامل تر شد و این تکامل روزافزون علم فیزیک، تا به امروز در ده‌ها گرایش و شاخه ادامه دارد.

پرتره رسمی اینشتین در سال ۱۹۲۱، بعد از دریافت جایزه نوبل فیزیک

 

نظریه‌های اصلی

در علم فیزیک، ما با سامانه‌های بسیار متفاوتی رو به رو هستیم، اما نظریه‌های اصلی که در هسته علم فیزیک قرار دارند، توسط همه فیزیک‌دانان مورد استفاده قرار می‌گیرند. در فیزیک کلاسیک، ما با نظریه‌هایی سروکار داریم که حرکت اشیاء که ابعاد و سرعت‌هایی که قابل تصور و عموماً آزمایش پذیرند را، پیش‌بینی و تحلیل می‌کنند. زمانی که صحبت از ابعاد قابل تصور برای عموم مردم می‌شود، منظور از ابعادی فرا اتمی و فرا ملکولی شروع می‌شود و تا ابعاد سیارات را در بر می‌گیرد و سرعت قابل تصور، عموماً سرعتی کمتر از سرعت نور است. اما هنگامی که سیستم‌های مورد بررسی ما، ابعادی فراتر از حد تصور ما به خود می‌گیرند، مثل منظومه‌ها، کهکشان‌ها و دیگر سیستم‌های عظیم ستاره‌ای و آسمانی یا ابعادی بسیار کوچک، مثل ابعادی زیر اتمی و حتی کوچکتر، فیزیک و مکانیک کلاسیک از خود ضعف نشان می‌دهد و دیگر قدرت پیش‌بینی و درک صحیح واقعیات را ندارد. به همین دلیل تئوری‌هایی که اینگونه سیستم‌ها را تحلیل می‌کنند، در حوزه فیزیک جدید صورت بندی می‌شود.
البته کاملاً بدیهی است، این تعاریفی که در اینجا ارائه می‌شود کاملاً شکلی عمومی دارند و در علم فیزیک، مرز واضحی میان فیزیک کلاسیک و فیزیک جدید به هیج وجه وجود ندارد. به صورتی که برخی از فیزیک دانان، فیزیک جدید را شکل تکامل یافته و تصحیح شده فیزیک کلاسیک می‌دانند، اما برخی از فیزیک‌دانان که مهم‌ترین آن‌ها ورنر کارل هایزنبرگ بوده‌است، همان‌طور که در کتاب خود جز و کل می‌گوید، فیزیک کلاسیک یک مقوله کاملاً جدا، فرمول بندی شده، بدون ایراد و کامل است اما در حوزه سیستم‌های مورد بررسی خودش و نمی‌توان فیزیک جدید را شکل تکامل یافته فیزیک کلاسیک دانست.

هدف اصلی علم فیزیک توصیف تمام پدیده‌های طبیعی قابل مشاهده و غیرقابل مشاهده برای بشر، توسط مدل‌های ریاضی (به اصطلاح کمی‌کردن طبیعت) است. تا قبل از قرن بیستم، با دسته‌بندی پدیده‌های قابل مشاهده تا آن روز، فرض بر این بود که طبیعت از ذرات مادی تشکیل شده‌است و تمام پدیده‌ها به واسطهٔ دو نوع برهمکنش بین ذرات (برهمکنش‌های گرانشی و الکترومغناطیسی) رخ می‌دهند. برای توصیف این پدیده‌ها نظریه‌های زیر به تدریج شکل گرفته و تکامل یافتند:

  • مکانیک کلاسیک (توصیف رفتار اجسامی که اندازه‌ای معمولی دارند و با سرعتی معمولی در حال حرکتند)
  • الکترومغناطیس (توصیف رفتار مواد و اجسام دارای بار الکتریکی)
  • ترمودینامیک و مکانیک آماری (توصیف پدیده‌های مرتبط با گرما بر حسب کمیت‌های ماکروسکوپی یا میکروسکوپی)

به مجموع این نظریه‌ها فیزیک کلاسیک گفته می‌شود.

ورنر هایزنبرگ، برنده جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۳۲، از تأثیر گذارترین افراد در توسعه فیزیک اتمی

در ابتدای قرن بیستم پدیده‌هایی مشاهده شدند که توسط این نظریه‌ها قابل توصیف نبودند.

بعد از پیشرفتهای بسیار بنیادین در ربع اول قرن بیستم، نظریه‌های فیزیکی با نظریه‌های کاملتری که این پدیده‌ها را نیز توصیف می‌کردند جایگزین گشتند. مهم‌ترین تغییر، تشکیل دو دینامیک متفاوت برای اجسام کوچک و اجسام بزرگ است. چون دینامیک اجسام بزرگ از لحاظ ساختاری و مفاهیم به دینامیک قبلی نزدیکی زیادی دارد (بر خلاف دینامیک اجسام ریز که ساختاری کاملاً متفاوت دارد) نظریه‌ها به دو دسته دینامیک کلاسیک اصلاح شده (با شالوده مکانیک نیوتنی) و مکانیک کوانتومی تقسیم شدند.
نظریه‌های دیگری درفیزیک مدرن به تدریج شکل گرفتن که عبارت اند از:

  • نسبیت عام (برهمکنش گرانشی و دینامیک اجسام بزرگ)
  • مکانیک کوانتومی (دینامیک اجسام ریز)
  • مکانیک آماری (حرکت آماری ذرات بر پایه دینامیک کوانتومی)
  • الکترودینامیک کلاسیک (برهمکنش الکترومغناطیسی و نسبیت خاص)

نموداری ابتدایی، که قلمروهای اصلی فیزیک را به صورت ساده نشان می‌دهد

بعدها با پیدا شدن دو برهمکنش دیگر (برهمکنش هسته‌ای قوی و برهمکنش هسته‌ای ضعیف) برای فرمولبندی آن‌ها هم اقدام شد و از نسبیت خاص برای تمام نظریه‌ها استفاده شد و کل نظریه‌ها عبارت شدند از:

  1. نسبیت عام
  2. مکانیک آماری
  3. الکترودینامیک کوانتومی QED (برهمکنش الکترومغناطیسی و دینامیک کوانتومی)
  4. کرومودینامیک کوانتومی QCD (برهمکنش هسته‌ای قوی و دینامیک کوانتومی)

۵-نظریه ضعیف کوانتومی (برهمکنش هسته‌ای ضعیف و دینامیک کوانتومی بعداً با تلفیق با الکترودینامیک نظریه الکترو ضعیف کوانتومی را ساخت)

کنفرانس سلوی در سال ۱۹۲۷

تمام این نظریه‌ها به جز نسبیت عام از دینامیک کوانتومی استفاده می‌کنند. به مجموعه‌ای ازQED وQCD و نظریه ضعیف اصطلاحاً مدل استاندارد ذرات بنیادی گفته می‌شود. امروزه بسیاری از فیزیکدانان به دنبال متحد کردن چهار برهمکنش (نظریه وحدت بزرگ) می‌باشند که مشکل اصلی وارد کردن گرانش و استفاده از دینامیک کوانتومی برای گرانش می‌باشد. نظریه‌های گرانش کوانتومی و به خصوص نظریه ریسمان از نمونه‌های این تلاش‌ها است. همچنین بیشتر نظریه‌های جدید از مفهومی به نام میدان استفاده می‌کنند که به نظریه‌های میدان مشهور هستند.

قدرتمند ترین راکت ناسا

ناسا سرانجام پس از وقفه‌های متعدد هسته‌ی مرکزی راکت قدرتمند اسپیس لانچ سیستم را رونمایی کرد. این راکت فضانوردان ناسا را تا سال ۲۰۲۴ به سطح ماه بازخواهد گرداند.

جیم برایدنستاین، مدیر ناسا روز دوشنبه اعلام کرد این سازمان ساخت راکت غول‌پیکری را به‌پایان رسانده که قرار است فضانوردان آمریکایی را پس از نیم‌قرن به سطح ماه بازگرداند. برایدنستاین متعهد شد مأموریت بازگشت به‌ ماه با وجود وقفه‌های متعدد به‌وجودآمده در ساخت راکت یادشده، در سال ۲۰۲۴ انجام خواهد شد.

راکت جدید ناسا که با عنوان اسپیس لانچ سیستم (SLS) شناخته می‌شود، با ۶۵ متر ارتفاع هم‌اندازه‌ی ساختمانی ۲۰ طبقه است و بلندترین راکتی محسوب می‌شود که تاکنون ساخته شده است. ناگفته نماند این سامانه‌ی پرتاب فضایی قدرتمندترین راکت موجود به‌شمار می‌آید و به‌نحوی طراحی شده است که پیش از جداشدن از کپسول سرنشین‌دار اوریون که مرحله‌ی فوقانی راکت است، به سرعت رکوردشکن ۲۳ ماخ دست یابد.

Space Launch System / اسپیس لانچ سیستم

تصویر هنری از اسپیس لانچ سیستم روی سکوی پرتاب

ساخت اسپیس لانچ سیستم تاکنون با تأخیرها و اضافه‌هزینه‌های متعدد همراه بوده است؛ به‌نحوی که نخستین پرتاب راکت ابتدا قرار بود در نوامبر ۲۰۱۸ به‌وقوع بپیوندد و هزینه‌ی تمام‌شده‌ی آن نیز با ۲۹ درصد افزایش از ۶/۲ میلیارد دلار به ۸ میلیارد دلار افزایش یافته است.

مدیر ناسا درحالی‌که درمقابل هسته‌ی مرکزی غول‌پیکر و نارنجی‌رنگ اسپیس لانچ سیستم در کارخانه‌ی مونتاژ میشو در نیواورلئان ایستاده بود، لحظه‌ی رونمایی راکت را روز بسیار مهمی دانست و گفت:

ما در مسیر رسیدن به مأموریت آرتمیس ۳ و رساندن نخستین فضانورد زن و سپس مرد به قطب جنوب ماه در سال ۲۰۲۴، در حال پیشرفت چشمگیری هستیم.

طبق گزارش ارزیابی امسال، مأموریت آرتمیس ۱ احتمالا در ژوئن ۲۰۲۰ (خرداد یا تیر ۹۹) انجام خواهد شد و نخستین آزمایش بدون سرنشین خواهد بود. ناسا قصد دارد به‌منظور استخراج یخ‌آب قمری که در سال ۲۰۰۹ کشف شد، در قطب جنوب ماه فرود بیاید تا از این ماده برای پشتیبانی از حیات و تجزیه به هیدروژن و اکسیژن و استفاده به‌عنوان سوخت راکت بهره گیرد.

Space Launch System / اسپیس لانچ سیستم

سازمان فضایی آمریکا بازگشتش به ماه را به‌عنوان پیش‌زمینه‌ای برای مأموریت بعدی به مریخ در دهه‌ی ۲۰۳۰ می‌داند. با‌این‌حال، موانع پیش‌ روی در مسیر بازگشت به ماه، تنها به هزینه‌های ساخت راکت محدود نمی‌شود. ناسا در سال ۲۰۱۹ برای ساخت و تکمیل اسپیس لانچ سیستم و کپسول مسافربری اوریون و برنامه‌ی سامانه‌های زمینی اکتشاف درحدود ۳۴ میلیارد دلار هزینه کرده است. پیش‌بینی می‌شود مجموع هزینه‌ها تا سال ۲۰۲۴ به بیش از ۵۰ میلیارد دلار افزایش یابد. علاوه‌بر معضل هزینه‌ها، آینده‌ی مأموریت بازگشت به ماه در گرو تداوم پشتیبانی سیاست‌مداران کاخ‌سفید و نمایندگانی است که درنهایت، وظیفه‌ی تخصیص بودجه را برعهده دارند.

رویای ثروتمند ترین مرد جهان در جهت تسخیر فضا!!

بلو ارجین، شرکت هوافضای بنیان‌گذاری‌شده به‌دست جف بزوس با جدیت هرچه تمام درحال آمادگی برای تضمین حضور پایدار انسان در فضا است.

جف بزوس، بنیان‌گذار آمازون به‌تازگی چشم‌اندازش برای حضور بشریت در فضا را در کنفرانسی ویژه به نمایش گذاشت. ثروتمندترین مرد جهان (دست‌کم روی کاغذ) نزدیک‌به یک ساعت زمان صرف کرد تا درباره‌‌ی این صحبت کند که چگونه و چرا معتقد است انسان باید یک‌روز سازه‌های فضایی غول‌پیکر شناوری را بسازد که بتوانند خارج از زمین میزبان میلیون‌ها نفر باشند. او سپس شروع به صحبت درباره‌ی این کرد که چگونه بلو ارجین، شرکت فضایی‌اش، زیرساخت‌های موردنیاز را برای کمک به تحقق آن رویاها خواهد ساخت.

سرآغاز مسیری که به تسخیر فضا ختم خواهد شد، پرتاب راکت‌هایی است که بلو ارجین آن‌ها را می‌سازد؛‌ اما اکنون بلو مون (Blue Moon)، سطح‌نشینی که روز جمعه به دست بزوس رونمایی شد نیز نقشی مهم در تحقق چشم‌انداز مورد بحث ایفا خواهد کرد. بلو مون،‌ وسیله‌ی نقلیه‌ای است که بلو ارجین یک روز برای ارسال تجهیزات علمی و انسان‌ها به سطح ماه، آن را به‌کار خواهد گرفت. این سطح‌نشین می‌تواند بین ۳/۶ تا ۶/۵ تن محموله را به‌‌آرامی روی سطح قمری فرود بیاورد و احتمالا در دستیابی بلو ارجین به آرزوی‌اش مبنی‌بر استخراج یخ‌آب از قطب‌های ماه، نقشی کلیدی برعهده خواهد داشت.

بزوس پیش‌تر و به‌خصوص در کد کنفرانس ۲۰۱۶، به‌طور علنی درباره‌ی چشم‌انداز بزرگش برای مسکونی‌سازی فضا (و تفاوت آن با رویای ایلان ماسک) صحبت کرده بود. اما در این رویداد اخیر، توضیحات دقیق‌تری درباره‌ی دلایل باورش به لزوم استقرار انسان در فضا ارائه داد. یک دلیل عمده به باور بزوس این است که منابع زمین، به‌خصوص انرژی، محدود است؛ درحالی‌که فضا وعده‌ی منابع نامحدود را می‌دهد. به‌نقل از بزوس، تمام آنچه نیاز داریم، دسترسی ارزان‌تر و مطمئن‌تر است.

بااین‌حال، اتفاق‌نظر بر سر استدلال‌های بزوس وجود ندارد. برخی بر این باور هستند که درست همان‌طور که ما در مسیر تهی‌ساختن زمین از منابعش قرار داریم، درنهایت یک‌روز منابع منظومه‌ی شمسی را نیز به پایان خواهیم رساند. همچنین یک استدلال بسیار خوب دیگر این است که ما هنوز نحوه‌ی زندگی پایدار روی این سیاره را یاد نگرفته‌ایم و پیش از آنکه مشکلات جدیدی برای گونه‌‌های خودمان ایجاد کنیم، باید دست به یافتن راه‌حلی برای حل مشکل یادشده بزنیم. علاوه‌بر این، چشم‌انداز بزوس برپایه‌ی ایده‌آل‌های به‌شدت سرمایه‌دارانه (نظیر رشد بی‌حدوحصر) شکل گرفته است؛ درحالی که هم‌اکنون برخی از این ایده‌آل‌ها به‌طور مرتب توسط اعضای رده‌بالای دولت آمریکا زیر سؤال می‌روند؛ چه رسد به برخی شهروندان معمولی این کشور.

این نخستین‌بار نیست که ما دیدگاه بزوس نسبت‌به آینده‌ی بلندمدت را می‌شنویم؛ اما وی در کنفرانس اخیر برای نخستین بار شرایط خودش را بدین شکل مطرح ساخت. این آخرین‌بار نیز نخواهد بود. احتمالا هرچه به زمان وقوع برخی از بزرگ‌ترین دستاوردهای بلو ارجین نظیر نخستین پرتاب راکت عظیم نیو گلن در سال ۲۰۲۱ یا هر تلاشی برای ارسال بلو مون به سطح قمری نزدیک‌تر شویم، بزوس بخشی از صحبت‌هایش را تکرار خواهد کرد. درهرصورت، باید دید آیا بلو ارجین می‌تواند در برنامه‌ی بازگشت به ماه تا سال ۲۰۲۴، نظر ناسا را برای استفاده از سطح‌نشین جدیدش جلب کند یا خیر. آن‌طور که به‌نظر می‌رسد، با ورود هرچه بیشتر بازیگران جدید، رقابت برای تسخیر فضا دیدنی‌تر می‌شود.

برای تماشای نسخه‌ی کامل کنفرانس روز جمعه‌ی بلو ارجین می‌توانید به این نشانی مراجعه کنید.نظر بدهید لطفا

10مسئله حل نشده فیزیک!!

امروزه هیچ دانشمندی جرأت اعلام نظریه‌ای مانند لُرد کلوین را به خود نمی‌دهد، به نظر می‌رسد فیزیک جعبه‌ی پاندورای شگفت انگیزی است که با هر جواب سؤالات بیشتر و بزرگتری در آن مطرح می‌شود، سرشناس‌ترین دانشمندان دنیا سال‌هاست پیشرفته‌ترین تجهیزات علمی را با هزینه‌های سرسام‌آور در اختیار گرفته‌اند و عمر خود را صرف تحقیق روی عجایب جهان می‌کنند اما اگر واقع‌بین باشیم یافته‌های بیشمار هر روزه‌ی ما در برابر چیزی که نمی‌دانیم ناچیز به نظر می‌رسد. در ادامه با ۱۰ سوال از بزرگترین شگفتی‌های علم فیزیک آشنا خواهید شد.

۱ – ماهیت انرژی تاریک

darkenergy

تمامی محاسبات مقداری بسیار بیشتر از ماده‌ی قابل مشاهده در جهان را نشان می‌دهند. در حالی که نیروی جاذبه با کشیدن فضا-زمان به داخل سعی دارد از هم گسستگی و انبساط جهان جلوگیری کند اما کهکشان‌ها سریع و سریع‌تر از گذشته و با سرعتی بیشتر از سرعت نور از یکدیگر دور می‌شوند، به نظر می‌رسد نیرویی منفی مانند سپری نامرئی نیروی جاذبه را از فضا-زمان جدا می‌کند. در مدل پذیرفته شده از جهان از این سپر با نام ثابت کیهانی یاد می‌شود، همان چیزی که به عنوان انرژی تاریک مشهور شده است. با گسترش جهان هر لحظه فضای بیشتری ایجاد می‌شود و به همان میزان، مقدار انرژی تاریک جهان نیز بیشتر می‌شود. بر اساس نرخ مشاهدات از گسترش فضا-زمان دانشمندان حدس می‌زنند در مجموع بیشتر از ۷۰ درصد از کل نیروهای موجود در جهان را این انرژی ناشناخته تشکیل می‌دهد؛ در حقیقت ما می‌دانیم که جهان مملو از این انرژی است اما نمی‌دانیم که چگونه باید به آن نگاه کنیم.

۲ – ماده‌ی تاریک چیست؟

mass-energy-universe

می‌دانیم که حدود ۸۴ درصد از ماده در جهان نه نوری را جذب می‌‌کنند و نه نوری از خود منتشر می‌کنند، چیزی که به آن ماده‌ی تاریک گفته می‌شود. ماده‌ی تاریک حتی به صورت غیر مستقیم نیز قابل مشاهده نیست اما وجود آن از طریق تأثیر بر نیروی گرانشی ماده‌ی مرئی، اشعه و ساختار انبساطی جهان قابل اثبات است. به نظر می‌رسد فضاهای بین کهکشانی مملو از این ماده‌ی عجیب باشند و ممکن است آن‌ها از ذرات بنیادی ناپایداری که بنا بر قوانین مکانیک کوانتوم دائماً در فضای بین کهکشانی به وجود می‌آیند و از بین می‌روند (WIMP) به وجود آمده باشند. تلسکوپ و آشکارسازهای زیادی در سراسر کره‌ی زمین و خارج از جو به بررسی WIMP ها اختصاص یافته‌اند اما هنوز هیچ‌کس نمی‌داند ماده‌ی تاریک از چه ساخته شده است.

۳- آیا جهان‌های موازی وجود دارند؟

parallel universe

اطلاعات اختر فیزیک‌شناسان نشان می‌دهد که فضا-زمان ممکن است مسطح باشد به جای آن که منحنی باشد و این یعنی در تمام جهات فضا-زمان تا بی‌نهایت ادامه خواهد داشت. اگر چنین باشد پس منطقه‌ای که ما می‌توانیم ببینیم و فکر می‌کنیم جهان هستی باشد فقط قسمتی در بی نهایت است، اما همزمان فیزیک کوانتوم به ما می‌گوید فقط تعداد محدودی از تنظیمات ذرات (۱۰^۱۰^۲۲) در هر تکه‌ی کیهانی می‌تواند وجود داشته باشد و با این تعداد محدود در تکه‌های نامحدود از جهان، ذرات مجبورند تنظیمات خود را بارها و بارها تا بی‌نهایت تکرار کنند. این به معنای آن است که تکه‌های کیهانی دقیقاً همانند جهان ما (حاوی کسی مثل من و شما) وجود خواهند داشت، همچنین تکه‌های کیهانی وجود خواهند داشت که دقیقاً شبیه ما هستند اما فقط با یک ذره تفاوت، و تکه‌های کیهانی دقیقاً شبیه ما با دو ذره تفاوت و… این منطق عجیب که قوانین فیزیک به ما دیکته می‌کند همان چیزی است که به نام جهان‌های موازی می‌شناسیم. اما اگر بی نهایت جهان شبیه به جهان ما وجود دارد چرا تاکنون نتوانسته‌ایم آن‌ها را کشف کنیم و اصولاً چگونه باید آن‌ها را ببینیم؟

۴ – چرا ماده‌ی بیشتری در برابر ضد ماده به وجود آمده است؟

matter-antimatter-annihilat

جواب به این سؤال چگونگی به وجود‌ آمدن جهان ما را توضیح می‌دهد. بر طبق قوانین فیزیک فرض بر این است که در لحظه‌ی مهبانگ باید مقدار برابری ماده و ضد ماده به وجود آمده باشد، اما اگر چنین بود جهان تاکنون باید از بین می‌رفت. الکترون‌ها در برخورد با پوزیترون، نورترون‌ها با ضد نوترون و به همین ترتیب بقیه‌ی ذرات در برخورد با ضد خود باید از بین می‌رفتند و در نهایت تنها چیزی که باقی می‌ماند دریایی از فوتون‌ها در جهانی بدون ماده است. به دلایلی مقدار بیشتری از ماده نسبت به ضد ماده به وجود آمده است که در نتیجه باعث تشکیل جهان ما شده است، اما هنوز توضیح قابل قبولی برای این حقیقت وجود ندارد.

۵ – سرنوشت نهایی جهان چه خواهد بود؟

end-of-the-universe

سرنوشت جهان شدیداً به عامل ناشناخته‌ی Ω وابسته است. Ω میزان چگالی ماده در برابر انرژی پراکنده شده در سراسر جهان را نشان می‌دهد و سه حالت می‌تواند داشته باشد، کمتر از یک، بیشتر از یک و برابر با یک.

اگر Ω بزرگ‌تر از یک باشد یعنی فضا-زمان بسته است مانند سطح یک کره‌ی فوق‌العاده بزرگ که از هر طرف به جای اول می‌رسد. اگر جهان را بسته متصور شویم و انرژی تاریک را در نظر نگیریم سرنوشت جهان ما این‌گونه رقم خواهد خورد که انبساط جهان زمانی متوقف شده و سپس انقباض جهانی شروع خواهد شد و این انقباض سرانجام کل جهان را در نقطه‌ای جمع و فشرده خواهد کرد. این له شدگی بزرگ برخلاف انفجار بزرگی است که جهان از آن زاییده شده است. اما اگر همچنان جهان را بسته تصور کنیم و انرژی تاریک نیز وجود داشته باشد جهان کروی ما تا ابد گسترش خواهد یافت.

اما اگر Ω را کمتر از یک در نظر بگیریم پس فضا-زمان باز خواهد بود، سطح یک زین را تصور کنید! در این حالت سرنوشت نهایی جهان ابتدا انجماد بزرگ و سپس از هم گسستگی بزرگ خواهد بود. در این نظریه در زمانی سرعت انبساط جهان به حدی خواهد رسید که ستاره‌ها و کهکشان‌ها از هم گسسته شده و در فضای بین کهکشانی پخش خواهند شد، در نتیجه‌ی آن تمام ذرات هستی تنها و بسیار سرد رها خواهند شد. اما این پایان نهایی دنیا نیست، پس از این مرحله رشد بسیار قوی انبساط، جهان را به جایی خواهد رساند که حتی اثر نیروهای بین اتمی نیز خنثی شده و ذرات بنیادی از درون متلاشی خواهند شد و در فضای بیکران پراکنده می‌شوند.

حالت سوم این است که Ω برابر با یک باشد. در این حالت جهان ما بدون خمیدگی و صاف خواهد بود و در تمام جهات به صورت نامحدود گسترش خواهد یافت. اگر انرژی تاریک وجود نداشته باشد این جهان مسطح برای همیشه با یک نرخ شتاب منفی گسترش خواهد یافت تازمانی که این شتاب به صفر برسد و جهان در حالتی پایدار باقی بماند، اما اگر انرژی تاریک وجود داشته باشد سرنوشت نهایی جهان گسترش همیشگی و در نهایت انجماد بزرگ و سپس از هم گسستگی بزرگ خواهد بود.

۶ – چگونه اندازه‌گیری باعث فروپاشی تابع موج می‌شود؟

measurement

در قلمرو عجیب و غریب الکترون‌ها، فوتون‌ها و دیگر ذرات بنیادی؛ قوانین فیزیک کوانتوم رفتارها را مشخص می‌کنند. در این اندازه ذرات نه مانند توپ‌های کوچک بلکه مثل امواجی که در فضایی بزرگ رها شده باشند، رفتار می‌کنند. هر ذره با یک تابع موج یا توزیع احتمال توضیح داده می‌شود. این توزیع احتمال به ما می‌گوید که مکان، سرعت و دیگر خواص هر متغیر چه مقادیری می‌تواند داشته باشد، اما دقیقاً نمی‌توانیم مقدارها را از آن به دست بیاوریم. تابع موج دامنه‌ای از احتمالات را به ما می‌دهد تا زمانی که بتوانیم با آزمایش و به صورت تجربی میزان و مکان دقیق هر ذره را به دست بیاوریم. اما برای به دست آوردن مقدار دقیق مانعی وجود دارد. هنگام اندازه‌گیری خواص ذرات تغییر کرده و نمی‌توانیم نتیجه‌ای را به دست بیاوریم. اما چگونه و چرا اندازه‌گیری یک ذره باعث فروپاشی تابع موج آن می‌شود؟ این مشکل که به نام خطای اندازه‌گیری شناخته می‌شود مانع بزرگی در برابر شناخت ما از جهان است. درک اینکه واقعیت چیست و آیا اصلاً واقعیتی وجود دارد همه در گرو جواب به این سؤال است.

۷ – آیا نظریه‌ی ریسمان صحیح است؟

StringTheory

زمانی فیزیک‌دانان تصمیم گرفتند تمام ذرات بنیادی را ریسمان‌های تک بعدی تصور کنند. ریسمان‌هایی که به دور خود پیچیده شده و تفاوت آن‌ها در فرکانس متفاوت ارتعاشات آن‌ها است. با به وجود آمدن این نظریه علم فیزیک بسیار ساده‌تر شد؛ با نظریه‌ی ریسمان فیزیک‌دانان توانستند قوانین فیزیک کوانتوم را با قوانین حاکم بر فضا-زمان یعنی نسبیت عام آشتی دهند و چهار نیروی طبیعت را در قالب یک چارچوب و نظریه‌ی واحد جای دهند. اما مشکل از آن جایی شروع می‌شود که نظریه‌ی ریسمان فقط در فضایی ۱۰ یا ۱۱ بعدی می‌تواند کار کند. ۳ بعد فضای بزرگ که آن را می‌توانیم ببینیم به علاوه‌ی ۶ یا ۷ بعد فضای فشرده و بسیار ریز و بُعد زمان. اندازه‌ی فضاهای فشرده همانند خود این ریسمان‌های لرزنده چیزی حدود یک میلیاردم اندازه‌ی هسته‌ی اتم هستند. هیچ راه شناخته شده و یا حتی قابل تصوری برای بررسی اندازه‌ای به این کوچکی وجود ندارد و در نتیجه هیچ راهی نیز برای اثبات تجربی نظریه‌ی ریسمان وجود نخواهد داشت.

۸ – چرا پیکان زمان یک طرفه است؟

arow-of-time

مقاله‌ی مرتبط:

حرکت رو به جلوی زمان را با ویژگی از جهان به نام آنتروپی توضیح می‌دهند. تقریباً آنتروپی را می‌توان با میزان بی‌نظمی در جهان توضیح داد. همانگونه که بی‌نظمی رو به افزایش است زمان نیز رو به جلو حرکت می‌کند. این حقیقت که آنتروپی در حال افزایش است را می‌توان با این منطق توضیح داد که میزان بیشتری از ترتیب‌های بی‌نظم نسبت به ترتیب‌های منظم در جهان وجود دارد و به همین دلیل ذرات تمایل دارند به سمت بی‌نظمی حرکت کنند تا به سمت منظم شدن. اما سؤال پیش آمده این است که چرا آنتروپی در گذشته بسیار پایین بوده است؟ به بیان دیگر آیا به دلیل همین آنتروپی بسیار پایین، جهان در آغاز خود از بی‌نهایت ماده و انرژی در نقطه‌ای بسیار کوچک تشکیل شده بود و پس از تولد به سرعت به اطراف منتشر شده است؟ برای درک بهتر این موضوع توصیه می‌کنیم مقاله‌ی پیشین ما در مورد حرکت رو به جلوی پیکان زمان مطالعه کنید.

۹ – آیا در بی‌نظمی، نظمی نهفته است؟

fluids

فیزیک‌دانان نمی‌توانند بعضی از رفتارهای سیالات، از مایعات مانند آب گرفته تا گازها و دیگر سیالات را پیش‌بینی کرده و به جواب‌های منطبق بر آزمایش‌های تجربی برسند. در حقیقت حتی مشخص نیست که آیا راه حلی کلی برای آنچه معادلات ناویر-استوکس نامیده می‌شود وجود دارد و اگر وجود دارد آیا می‌تواند رفتار مایعات را در همه‌جا به درستی تشریح کرده و نقاط ناشناخته‌ی تکینه را توضیح دهد. به علت همین مشکلات به نظر می‌رسد ماهیت هرج و مرج هنوز به خوبی شناخته نشده است. فیزیک‌دانان و ریاضی‌دانان متعجب می‌شوند وقتی به درستی نمی‌توانند وضعیت آب و هوا را پیش‌بینی کنند. آیا این آشفتگی‌ها ذاتاً غیر قابل پیش‌بینی است؟ آیا توربولانس از معادلات ریاضی فراتر می‌رود؟ و یا سرانجام با معادله‌ی ریاضی صحیح به نتیجه‌ای کلی خواهیم رسید؟

۱۰ – گرانش چگونه کار می‌کند؟

gravity

همه‌ی ما می‌دانیم که گرانش ماه باعث به وجود آمدن جز و مد در زمین و گرانش خورشید باعث گردش زمین به دور آن و ماندن سیاره‌ی ما در مدار خورشید می‌شود. اما درک ما از این واقعیت چقدر است؟ گرانش نیروی قدرتمندی است که از مواد ایجاد می‌شود و اجسام سنگین‌تر با گرانش بالاتر اجسام سبک‌تر را به سمت خود جذب می‌کنند. در حالی که دانشمندان تحقیقات زیادی را روی تأثیرات این نیرو انجام داده‌اند اما هنوز مطمئن نشده‌اند که چرا این نیرو وجود دارد. چرا نیرویی که اتم‌ها را درکنار یکدیگر نگه می‌دارد متفاوت از جاذبه است؟ آیا جاذبه یک ذره است؟ این‌ها سؤالاتی است که هنوز دانش کنونی ما از فیزیک توانایی پاسخ گویی به آن‌ها را ندارد.