اختر فیزیک و مشکلات آن
ساعت ٢:٥۳ ‎ب.ظ روز جمعه ۳ آبان ۱۳۸٧ : توسط : حسین


مقدمه

اختر فیزیک دانشی گسترده و در عین حال بسیار پیچیده است. گستردگی دانش اختر فیزیک از آنجا ناشی می شود که ساختمان جهان را به عنوان یک کل مورد نظر و بررسی قرار می دهد و در عین حال باید ارتباط بین تمام اجزای جهان را توضیح دهد. جهان چگونه پدید آمد و سرانجامش چه خواهد شد؟ آیا جهان به آنچه که قابل مشاهده است خلاصه می شود؟ آیا اختراع ابزارهای جدید افق دید ما را گسترش خواهد داد؟ در ماورای آنچه که می بینیم چه چیزی وجود دارد؟ آنچه که برای ما قابل مشاهده نیست چه تاثیری بر جهان ما دارد؟ دانش بشر تا آنجا پیشرفته که می تواند عمر ستارگان را با تقریب بسیار خوبی محاسبه کند. آیا انسان می تواند عمر جهان را نیز به عنوان یک واحد حساب کند؟ آیا قوانینی که ما در زمین کشف می کنیم قابل تعمیم به همه ی جهان است؟ آیا کهکشانها و کوسارها از همین قوانینی تبعیت می کنند که زمین و خورشید را به یکدیگر پیوند می دهد؟

هزاران سئوال دیگر می توان مطرح کرد که تلاش برای یافتن پاسخ آنها به جز پیچیده کردن مسائل حاصلی نخواهد داشت. تا زمانیکه دلیلی یافت نشده که قوانین شناخته شده بر کل جهان حاکم نبیست نباید به صحت این قوانین تردید کرد. اما همین قوانین شناخته شده نیز برای ما با ابهام همراه است. دانش انسان برای شناختن جهان به مکانیک کوانتوم و نسبیت محدود می شود که خود با یکدیگر ناسازگارند. با این وجود بسیاری از رموز جهان را برای بشر گشوده اند. آنچه که از جهان برای ما خبر می آورد به امواج الکترومفناطیسی خلاصه می شود که تحت عنوان اشعه ی کیهانی شناخته می شوند. امواج الکترومغناطیسی طیف بسیار گسترده ای است که بخش ناچیزی از آن نور معمولی است. در دهه های اخیر دانش اختر فیزیک به بررسی امواجی می پردازد که در اوائل قرن بیستم برای فیزیکدانان قابل تصور نبود و به همین ترتیب افق های تازه ای در مقابل انسان گشوده است. هر سئوالی که به پاسخ می رسد، سئوالات جدیدی با خود همراه دارد که نشان می دهد این تلاش نقطه ی پایانی نخواهد داشت.

مشکلات اختر فیزیک

1- مشکل نسبیت با مکانیک کوانتوم- مکانیک کوانتوم ساختار ریز و کوانتومی کمیت ها و واکنش متقابل آنها را مورد بررسی قرار می دهد. به عبارت دیگر نگرش مکانیک کوانتوم بر مبنای کوانتومی شکل گرفته است. در این زمینه تا جایی پیش رفته که حتی اندازه حرکت و برخی دیگر از کمیتها را کوانتومی معرفی می کند. این نتایج بر مبنای یکسری شواهد تجربی مطرح شده و قابل پذیرش است. علاوه بر آن تلاشهای زیادی انجام می شود پدیده های بزرگ جهان را با قوانین شناخته شده در مکانیک کوانتوم توجیه کنند. حال به نسبیت توجه کنید که فضا-زمان را پیوسته در نظر می گیرد. بنابراین نسبیت با مکانیک کوانتوم ناسازگار است. تلاشهای زیادی انجام شده تا به طریقی یک همانگی منطقی و قابل قبول بین نسبیت و مکانیک کوانتوم ایحاد شود. در این مورد کارهای دیراک شایان توجه است که مکانیک کوانتوم نسبیتی را پایه گذاری کرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبیت عام موفقیت چندانی نصیب فیزیکدانان نشده است.

2- پیچیدگی و عدم وجود تفاهم در نسبیت- پیچیدگی نسبیت موجب شده که تفاهم منطقی بین فیزیکدانان در مورد نتایج و پیشگویی های نسبیت وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر نسبیت شدیداً قابل تفسیر است. این تفاسیرگاهی چنان متناقض هستند که حتی فیزیکدان بزرگی نظیر استفان هاوکینگ نظر خود را تغییر داد. البته این براداشتهای متفاوت از نسبیت ناشی از گذشت زمان نیست، بلکه از آغاز حتی برای خود اینشتین که نسبیت را مطرح کرد وجود داشت. به عنوان مثال: اینشتین از سال 1917 شروع به تدوین یک نظریه قابل تعمیم به عالم کرد. وی با مشکلات حل نشدنی ریاضی برخورد کرد. به همین دلیل در معادلات گرانش عبارت مشهور " پارامتر عالم " را وارد کرد. ملاحظات وی در این موضوع بر دو فرضیه مبتنی بود. 1- ماده دارای چگالی متوسطی در فضاست که در همه جا ثابت و مخالف صفر است. 2- بزرگی " شعاع " فضا به زمان بستگی ندارد. در سال 1922 فریدمان نشان داد که اگر از فرضیه دوم چشم پوشی شود، می توان فرضیه اول را حفظ کرد بی آنکه در معادلات به پارامتر عالم نیازی باشد. فریدمان بر این اساس یک معادله ی دیفرانسیل به صورت زیر ارائه کرد:
dR/dt)^2 - C/R+K=0

در واقع سالها قبل از کشف هابل در مورد انبساط فضا، فریدمان دقیقاً کشفیات او را پیش بینی کرده بود. معادله ی فریدمان معادله ی اصلی کیهان شناخت نیوتنی است و بدون تغییر در نظریه نسبیت عام نیز صادق است. اینشتین بر همه نتایج به دست آمده توسط فریدمان اعتراض کرد و مقاله ای نیز در این باب انتشار داد. سپس حقایق را در فرضیه فریدمان دید و با شجاعت کم نظیری طی نامه ای که برای سردبیر مجله آلمانی فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف کرد. بیشتر مشکلات نسبیت ناشی از خواصی است که که به علت وجود ماده برای فضا قایل می شوند. که در آن هندسه جای فیزیک را می گیرد. زمانی پوانکاره گفته بود که اگر مشاهدات ما نشان دهد که فضا نااقلیدسی است، فیزیکدانان می توانند فضای اقلیدسی را قبول کرده و نیروهای جدیدی وارد نظریه های خود کنند. اما نسبیت چنین نکرد و ماهیت پدیده های فیزیکی را به دست فراموشی سپرد. هرچند پدیده های فیزیکی را بدون ابزار محاسباتی، اعم از جبری و هندسی نمی توان توجیه کرد، اما فیزیک نه هندسه است و نه جبر، فیزیک، فیزیک است وبس!!!

3- مشکل گرانش نیوتنی در نسبیت همچنان باقی است- در نسبیت فضا-زمان دارای انحناست. هرچه ماده بیشتر و چگالتر باشد، انحنای فضا بیشتر است. سئوال این است که این انحنای فضا تا کجا می انجامد؟ در نسبیت انحنای فضا می تواند چنان تابیده شود که حجم به صفر برسد. برای آنکه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد که حجم به صفر برسد، باید جرم به سمت بی نهایت میل کند. یعنی نسبیت نتوانست مشکل قانون گرانش را در مورد تراکم ماده در فضا حل کند، علاوه بر آن بر مشکل افزود. زیرا قانون نیوتن می پذیرد که ماده تا بی نهایت می تواند متمرکز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نیست. اما نسبیت علاوه بر آن که می پذیرد ماده می تواند تا بی نهایت متراکم شود، پیشگویی می کند که حجم آن نیز به صفر می رسد.

چه باید کرد؟

1- مشاهدات تجربی نشان می دهد که قانون جهانی گرانش نیوتن (یا حجم صفر نسبیت) باید مجدداً مورد بررسی قرار گیرد.

2- قانون دوم نیوتن نیاز به برسی مجدد دارد، اما نه به گونه که افزایش جرم (انرژی) را تا بی نهایت بپذیرد. جرم-انرژی بینهایت در نسبیت مانند سرعت بی نهایت در مکانیک نیوتنی غیر واقعی و با مشاهدات تجربی ناسازگار است.

3- ساختار هندسی فضا تابع چگالی ماده است که از نیروی گرانش آن ایجاد می شود. به عبارت دیگر این نیروی گرانش است که ساختار هندسی فضا را شکل می دهد، نه شکل هندسی فضا موجب ایجاد پدیده ای می شود که ما آن را گرانش می نامیم. در واقع گرانش نه تنها یک نیروی اساسی است، بلکه منشاء تولید انرژی است.

4- در ساختار کلان حهان همان قانونی حاکم است که در کوچکترین واحدهای کمیت های طبیعت حاکم است. یعنی قوانین جهان میکروسکپی را می توان به جهان ماکروسکپی تعمیم داد.
نتیجه: مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم و نسبیت را باید همزمان مورد بررسی مجدد قرار داد و این کاری است که: Theory of CPH آن را انجام داده است.
 
منبع:
سایت فیزیک هوپا