خانه > دانش و فناوری > فیزیک > اصل عدم قطعیت و جهانی از ماده و پادماده | |||
اصل عدم قطعیت و جهانی از ماده و پادمادهاحسان سناییاز دیگر اهداف مهم اطلس و CMS، کنکاش در مقوله اتحاد نیروهاست. در نخستین بخش از این مقالات گفتیم که چهار نیروی بنیادین طبیعت را میتوان بهطور مرتبهای و پیدرپی در قلمرو انرژیهای سهمگین متحد کرده و نهایتاً از آنها نیرویی یگانه ساخت. طبق این نظریات، نیروهای الکترومغناطیس، ضعیف و قوی هستهای در انرژیهایی معادل ۱۰ به توان ۱۴ گیگاالکترون ولت با هم متحد میشوند و این در حالیاست که LHC توان تولید حداکثر ۱۴ گیگاالکترونولت انرژی را داراست. اما خوشبختانه برای پی بردن به رازهای این اتحاد که فیزیکدانان بر آن نام «ابرتقارن» نهادهاند، نیازی به بازسازی کامل این انرژی سرسامآور نیست. کلید این کنکاش، «تقارن» است؛ به این معنا که طبق نظریه ابرتقارن، هرکدام از ذرات بنیادی طبیعت دارای یک همدم ناپایدار و سنگین است که در حین انشعاب نیروها و «شکستن تقارن»، به سرعت از میان رفتند و امروزه تنها سبکترینهاشان در جهان ما سرگردانند. ما حتی این ذرات خیالی را نامگذاری هم کردهایم. بهعنوان مثال، ذره ابرمتقارن یک الکترون، «اس الکترون» (S سرنام کلمه Supersymmetry به معنای ابرتقارن است) و ذره ابرمتقارن یک کوارک، «اس کوارک» نام دارد. طبق واقعگرایانهترین نسخه نظریه ابرتقارن، LHC در انرژهایی کمتر از ۲ تا ۳ تراالکترونولت، قادر به بازسازی برخی از سبکترین ذرات ابرمتقارنی است که امروزه به جز در تونلهای پیچدرپیچ شتابدهندهها، جای دیگری از جهان نمیتوان سراغی از آنها گرفت.
بدین ترتیب LHC چون ماشین زمانی ما را به زمانی خواهد برد که جهان ما نیروهایی پیچیدهتر از امروز خود داشت. بهعنوان مثال پادذره الکترون، ذره ای دقیقاً با جرم برابر و تنها با بار مخالف است که «پوزیترون» نامیده میشود. یک پادنوترون نیز هرچند همچون نوترون از لحاظ الکتریکی خنثاست؛ اما خود از «پادکوارک»ها ساخته شده است. حتی در سال ۱۹۹۵، در آزمایشی موسوم به LEAR تحت نظارت CERN (سازمانی که هماکنون اقدام به ساخت LHC کرده است)، بشر برای نخستین بار موفق به ساخت یک پاداتم از نوع پادهیدروژن شد که هسته آن یک پادپروتون بود و یک پوزیترون به جای الکترون به دور هسته میچرخید.
از طرفی برخورد یک ذره با پادذرهاش سبب نابودی هر دو ذره و آزادی همان مقدار مشخص انرژی خواهد شد. مطالعه پادماده صرفاً از اهداف اصلی LHC نیست؛ بلکه LHC سعی دارد تا به سؤال بزرگی که بر دوش مفهوم پادماده سنگینی میکند پاسخ دهد. در ابتدا بد نیست بدانیم جهان ما چگونه ماده و پادماده را ایجاد کرد. تمامی ما تا حدی با نظریه انفجار بزرگ (بیگ بنگ) آشنایی داریم؛ نظریهای که طبق آن، جهان ما با انبساطی عظیم از نقطهای بیبُعد انبساط یافت. پس میتوان انتظار داشت که در طول تاریخ تکوین کائنات، روزگاری قوانین دنیای کوانتوم بر جهان ما حکمرانی میکرد؛ روزگاری به طول کمتر از ۱۰ به توان ۳۵- ثانیه که در آن ابعاد جهان به زحمت به حدود یک اتم میرسید! با انبساط جهان و افول انرژی موجود در جهان ما از مرز ۱۰ به توان ۱۴ گیگاالکترونولت؛ نیروی قوی هستهای از نیروی الکتروضعیف استقلال یافت. در این لحظه کوتاه که تنها ۱۰ به توان ۳۲- ثانیه بهطول انجامید، جهان ما تغییر فاز شدیدی را تجربه کرد. نتیجه آنکه ابعاد خطی جهان تحت تأثیر انرژی سرسامآوری در این مدت کوتاه، در حدود ۱۰ به توان ۵۰ بار بزرگتر شد! این رویداد را «تورم کیهانی» (Cosmic Inflation) مینامند. با وجود شرایط نامتعارف این رویداد و چارچوب گیجکننده ریاضیات حاکم بر آن، تنها به ذکر این نکته اکتفا میکنیم که ردپای این رویداد را با قطعیت بسیاری در آسمان و رفتارهای امروز جهانمان یافتهایم. اما تا پیش از وقوع تورم، جهان ما کوانتومی بود؛ درست مانند شرایط امروز یک اتم. پس ابتدا با شرایط آن روز جهان اندکی آشنا شویم.
برای درک سازوکار این عدم قطعیت، فرض میکنیم که در جستوجوی مکان یک الکترون هستیم. برای پی بردن به پاسخ، نیازمند مشاهده مستقیم هستیم و این مشاهده طبیعتاً در تاریکی محض امکانپذیر نیست. از اینرو مجبوریم از اندکی نور برای روشنسازی قلمرو الکترون مزبور استفاده کنیم؛ اما انرژی فوتونهای موجود در همان نور اندک نیز کافی است تا سرعت ذاتی الکترون را دستخوش تغییراتی کرده و آن را از حوزه دید ما خارج سازد. به عبارتی الکترون همیشه در حال فرار است و تنها با کم کردن شدت نور می توانید «احتمال» تعیین سرعت آن را افزایش دهید و این در حالیست که عدم قطعیت مکان آن با کاهش شدت نور، افزایش مییابد. در یک کلام هیچگاه نمیتوان سرعت و مکان یک ذره را همزمان تعیین کرد. به این مانع بزرگ، «اصل عدم قطعیت» گفته میشود. این مثالی ساده بود اما اصل عدم قطعیت، ریشهایترین اصل مکانیک کوانتومی است که در دهه ۳۰ میلادی توسط فیزیکدانی به نام «ورنر هایزنبرگ» ارائه شد. عدم قطعیت حاکم بر جهان کوانتومی ناشی از نقص دانستههای ما نیست؛ بلکه این جزئی از رفتار ذاتی تمامی اجزای این جهان شگفتانگیز است. هایزنبرگ، رابطه عدم قطعیت زمان (t) و عدم قطعیت انرژی (E) یک ذره را با معادله سادهای بیان کرد: dE*dt=h/2[pi] که در آن h عدد ثابتی موسوم به ثابت پلانک و [pi] همان عدد معروف پی است1.
پس مجموعاً عبارت [h/2[pi عددی ثابت است. از طرفی طبق نظریه نسبیت خاص اینشتین E=m*c^2. پس عدم قطعیت در انرژی نیز برابر است با: dE=dm*c2 که dm معرف عدم قطعیت در جرم ذره است. پس با ترکیب اصل عدم قطعیت و نسبیت خاص خواهیم داشت: dm*dt=h/2*[pi]*(c2). این معادله گویای حقیقت حیرتانگیزی است: برای فواصل زمانی بسیار کوتاه، نمیتوان مطمئن بود در نقطه خاصی از فضا چقدر ماده موجود است! این بدان معناست که در فواصل زمانی بسیار کوتاه، همواره ذراتی در حال تولید و نابودیاند. طبق قوانین مکانیک کوانتومی، یک ذره به تنهایی قادر به انجام چنین کاری نیست و اصولاً این تعاملات بایستی مابین جفتهای ماده - پادماده صورت بگیرد. پس در جهان ما هر لحظه و هر جا ماده و پادمادههای ریزی در حال تولید و نابودیاند اما چون بر اساس اصل عدم قطعیت نمیتوان آنها را دید؛ به این ذرات «جفتهای مجازی» گفته میشود. این اتفاق هم اکنون در فضای مابین اتمهای صفحه نمایشگر شما نیز در حال رخ دادن است!
شاید این گفتهها در نگاه اول از حدود منطق پا فراتر گذارند اما ردپای حقیقت را بایستی در پیشبینیها جست. اگرچنانچه این ذرات، پیرامون یک الکترون چرخنده به دور هسته یک اتم تولید و نابود شوند؛ آنگاه در زمان فوقالعاده کوتاهی میدان مغناطیسی ضعیفی تولید میشود که توانایی جابهجایی اندک الکترون از مدار اصلیاش را داراست. مشاهدات طیفی اتم هیدروژن اما به طرز حیرتانگیزی این گفته را تأیید کردهاند! پس تا به اینجای کار با جفتهای مجازی که وجودشان به اثبات رسیده، آشنا شدیم؛ اما جالب است بدانید این جفتها تحت شرایط خاصی قادرند به «جفتهای حقیقی» نیز بدل شوند. برای پیبردن به این شرایط خاص، بار دیگر معادله مشترک اصل عدم قطعیت و نسبیت خاص را به یاد بیاورید. به دلیل ثابت بودن پاسخ، میتوان گفت متغیرهای معادله همچون دو کفه یک ترازو عمل میکنند. بهعبارتی هرچه فاصله زمانی بیشتر، عدم قطعیت در جرم کمتر و بالعکس. این بدین معناست که هرچه نابودی جفت ماده و پادماده بیشتر به تعویق بیفتد، دو ذره با احتمال بیشتری رنگی از حقیقت به خود میگیرند. تورم کیهانی، فرصتی برای این تعویق زمان بود. در حین تورم و انبساط ناگهانی جهان، ذرات مجازی جفت خود را به یکباره گم کردند و زمان گذشت و اینچنین حقیقت بر عدم قطعیت اولیه چیره شد. با تورم کیهانی، فضای مهآلود عدم قطعیت پراکنده در جهان کوانتومی ناگهان فرونشست و جهان ما حقیقی شد. جهانی پر از ماده و پادماده ... اما نه؛ جهانی پر از ماده! دلیل این تناقض چیست؟ پادمادهها کجا رفتهاند؟ اگر جهان ما ماده و پادماده را به یک میزان ایجاد کرد و این دو خواهر تا بدین حد از هم متنفرند؛ پس چرا تمامی جهان نابود نشد؟ آیا فرآیند ناشناختهای در زمانی خاص این نزاع تنبهتن را متوقف کرده و ماده را برنده این مسابقه معرفی کرده است؟ یا شاید هنوز تودههای عظیمی از پادماده در گوشهای دورافتاده در جهان ما باقیاند و هنوز آنها را ندیدهایم؟ حسگر LHCb به دنبال پاسخ این معماست؛ اما چگونه؟ ادامه دارد ... پانوشت: ۱- dt برای مثال در اینجا به معنای دلتا-t است که عدم قطعیت زمان را نشان میدهد و ارتباطی با نماد دیفرانسیل ندارد.
نظرات بیان شده در این نوشته الزاماً نظرات سایت زمانه نیست.
|
لینکدونی
آخرین مطالب
موضوعات
|
نظرهای خوانندگان
طبق نص صریح قرآن کریم تمام مخلوقات عالم توسط خداوند تبارک و تعالی در 6 روز آفریده شدند. پس نتیجه گیری عقلانی به ما حکم میکند که نطریه انفجار بزرگ فریبی بیش نیست که از طرف عده ای برای فریب بشریت درست شده است.
آن ملعون هایزنبرگ هم کاذب است چون تمام این معادله ها اول در قرآن آمده است که اینها آن را کشف و به خورد یک مشت گمراه میدهند و آنها هم مانند یک طفل خردسال این اراجیف را باور میکنند.
شما بروید قرآن مجید را مطالعه کنید و با چشم بصیرت تمام این نطریه ها و معدلات را در آن خواهید یافت. اما اگر نکردید که لعنت ابدی اللهی نسیبتان خواهد شد.
حجه الاسلام میثم سیف اللهی
-- میثم ، Nov 20, 2009حوزه مقدس علمیه قم
سلام ،
دین مسئله ای فردی است و جایگاهش در خلوت انسان است . آنان که مدام در تلاشند تا آیات قرآن را با یافته های علمی تطبیق داده یا در تضاد قرار دهند راه را اشتباه می روند . بگذارید بشر به دانش خود بیافزاید و نا دانسته هارا کشف کند و بگذارید مردمان مومن نیز در خلوت خود خدای را ستایش کنند .
-- بدون نام ، Nov 20, 2009عجب خدای خشنی را پرستش می کندآقای میثم. تاابد لعنت...
-- بی خدا ، Nov 20, 2009-آیا این به این معنی است که جهان ما تقارن (به تعریف فیزیکی) ندارد؟ لطفا این مفاهیم را گسترده تر ،باز تر و ساده تر شرح دهید. مفهوم پیچیدهای است و جذاب. _ ضمنا آقای میثم شما بهتره برای کشف راز هستی بروید فقط قرآن بخوانید و به دیگران توهین نکنید.
-- SAMAN ، Nov 20, 2009بابا جان اون میثم سرکاریه!
-- نادر ، Nov 20, 2009اين ميثم هم گير داده ها!
-- علي ، Nov 21, 2009سلام،
خیلی ممنون که مطلب به این جالبی رو برای آدمهای مثل ما قابل فهم میکنی. من چند تا سوال دارم:
-- kayhan ، Nov 21, 2009۱. در لحظه اول آیا ماده وجود داشته یا ماده هم مثل زمان نتیجه انفجار بزرگ؟
۲. در مورد توضیحت دربارهٔ عدم قطعیت مثال نور رو برای ششن شدن ذهن بود یا واقعا منظورت نور بود؟ برای فهمیدن موقعیت الکترون چرا ماسلن از میدان چرا از اندازه گیری میدان الکتریکی اون استفاده نمیکنند؟ ببخشی که این سوال احمقنه است!
دوست عزیز..حگونه است که نظر میثم عرضه میشود،که اصلا علمی نیست،ولی سوال بنده
-- khosro ، Nov 22, 2009هیحوقت مطرح نمیشود؟تابناک بازی در نیارید.
و اما برای حندمین بار این سوال را دارم.حگونه
امکان دارد فاصله ی ما با بعضی کهکشانها 14
میلیارد سال نوری باشد.مگر احزای سازنده
کهکشان ما با سرعت نور به اینحا رسیده؟
حضرت حجه الاسلام میثم. من ارادت دارم به شما (نه مثل احمدی نژاد، واقعا)، جدا کامنت های شما برای تلطیف فضای مباحث این طوری بسیار مفید است. اصلا من چون دکتر هستم خیلی کم می فهمم از این بحث های فیزیک ولی کامنت های شما را دنبال می کنم. خواهشی دارم، حالا این بنده های خدای به قول شما ملعون یک خبطی کرده اند، شما لطفا از داخل قرآن با کمک مراجع عظام ما بقی علم را استخراج کنید که اینقدر جوانهایی مثل ما الاف نباشند. حالا گیرم ما چشم بصیرت نداشتیم، شما که دارید ان شاء الله؟ آخر علم بدبختانه بیشتر از اینکه جواب تولید بکنه سوال تولید می کند! در این مقاله ها سوالها را نمی نویسند. خلاصه هیچ غصه نخورید، اینقدر چیز هست که شما از داخل قرآن و احادیث استخراج کنید که نگو، حالا قبلا این هایزنبرگ خدا نشناس بی کمک قرآن یک چیزایی کشف کرده، شما بگذر، گذشته ها گذشته. آینده را دریاب. خوب نیست که شما علم را پیش خودت نگه دارید و تا یک کسی یک چیزی کشف کرد بگید: ما از اول می دونستیم.
-- ممدآقا ، Nov 22, 2009رادیو زمانه عزیز، یک پیشنهاد: خوب است مقالاتی در مورد سوالهای بزرگ موجود در علم هم به زبان ساده تهیه کنید
برادر بزرگوار ممد آقا سلام علیکم و رحمه الله
قبل از هر چیز باید بدانید که "علاف" است نه "الاف" برای دکتری مثل شما که دنبال علم هستید خوبیت ندارد
در مورد پیشنهاد بجای شما هم من و همه برادران محترم حوزه مقدس شبانه روز در حال بجا آوردن فریضه واجب که همانا کشف رموز قرآنی است مشغولیم که بحمدالله تا به امروز موفق به کشف بسیاری از آنها شده ایم و به خواست خدا تمامی سوالات بشریت را به کمک قرآن کریم میتوانیم پاسخ داده و پاسخ هایمان هم دندانشکن هستند بطوری که هر کدام از این ملعون ها با جوابهای قرآنی ما مواجه میشوند برای همیشه جرات سوال کردن پیدا نمیکنند
به شما برادر مومن هم اندرز میدهیم که راه این دانشمند نما ها را نروید که بجز تباهی و دوزخ ابدی حاصلی برایتان نخواهد داشت
برادر دانشمند و محترم دکتر احمدی نژاد از پیشروان دانشهای زمانه هستند و اگر تمایلی برای کسب بیشتر علوم داشته باشید مطمئنا ایشان از هیچ کمکی دریغ نخواهند کرد
والسلام
حجه اسلام والمسلمین میثم سیف اللهی
حوزه مقدس علمیه قم
-- میثم ، Nov 22, 2009برادر خسرو سلام علیکم
شما با زدن تهمت بی روا به اینجانب مبنی بر غیر علمی بودن اظهارات بنده مرتکب گناه کبیره شدید. باشد که در روز آخرت به جزایتان برسید.
والسلام
حجه السلام حاج میثم سیف اللهی
حوزه مقدس علمیه قم
-- میثم ، Nov 22, 2009میثم ..بنده ی کوحک خدایت..من کیفر گناهانم را با بودن در کنار شما و امثالتان.. بر روی کره
-- khosro khaaan ، Nov 22, 2009خاکی میپردازم.افریگارمن از بینهایت تا بینهایت است..کمی بیشتر از نوک بینی شما...
میثم زمانی که خدا حهان را در 6 روز افرید،روز و شبی که ما میشناسیم نبود.سوال من از شما اینست:حگونه در تنهایی خودت با این
-- khsro ، Nov 22, 2009مسایل کنار میایی.ایا تو هم حزای گناهانت را
مثل من میدهی...؟
اقای سنایی عزیز از مقالات بسیار جالب و عالی شما جدا لذت میبریم. جای تشکر بسیار دارد.
اول اینکه بعضی از دوستان حرفهای اقای میثم را جدی گرفته اند خنده دار است و نمک این بحثهای بسیار جدی و اساسی شده است.
-- حمید ، Nov 27, 2009دوم اینکه من هم آن سوال مهم دوستمان خسرو را همیشه در ذهن داشته ام. اگر انفجار عظیم در 140 میلیارد سال پیش ایجاد شده پس فاصله دورترین کهکشانها به ما باید بسیار کمتر از 140 میلیون سال نوری باشد. این درست است؟
سوم اینکه آیا در آن لحظه آن جهان مفقوده جهان ضد ماده است یا جهان ضد تقارن؟
دوست عزیز؛
-- احسان ، Nov 27, 2009همانطور که در پاسخ های پیشینم در مقالات گذشته به این سؤال اشاره کردم، انفجار بزرگ، رویدادی است که 13.7 میلیارد سال پیش رخ داد؛ اما نه در یک نقطه از جهان. متأسفانه نام انفجار بزرگ، نامی گول زننده است و هیچ اساس علمی ای ندارد؛ چراکه اخترشناسی به نام "فرد هویل" که از مخالفین سرسخت این نظریه به شمار می آمد این نام را در یکی از برنامه های رادیویی شبکه BBC برای به سخره گرفتن آن به کار برد و از قضا به همین نام نیز معروف شد. برای اصلاح این نام، بهترین جایگزین آن، عبارت "انبساط بزرگ" است. به این صورت که جهان ما همچون پارچه مچاله ای بود که ناگهان از هم باز شد. اگر نقوش روی پارچه را به کهکشان های جهان تشبیه کنیم و یکی از آنها را نیز راه شیری بپنداریم، آنگاه می توان تصور کرد که هر نقطه، تاریخ تکوین به خصوصی را دنبال می کرده است.
البته فرآیند تشکیل ساختارهای کیهانی بلافاصله پس از انفجار بزرگ آغاز نشد؛ بلکه این فرآیند، 379 هزار پس از آن آغاز شد که در خصوص این موضوع به تفصیل در بخش ششم از ویژه نامه "غول بیدار شد" توضیحاتی داده ام. پس در این فاصله زمانی، اجزای جهان به اندازه کافی بواسطه انبساط جهان از هم دور شده بودند. زمانی که نخستین ستاره تشکیل شد، با در نظر گرفتن "انبساط جهان" با سرعتی نزدیک به سرعت نور از نقاط دیگر جهان در حال دور شدن بود؛ از جمله ما. پس اگر جهان ما 13.7 میلیارد سال عمر دارد و فرضاً ستاره ای 280 هزار سال پس از آن تشکیل شده است؛ آنگاه این ستاره نیز بایستی در حدود 13.7 میلیارد منهای 380 هزار سال نوری از ما فاصله داشته باشد. پس طبیعتاً پاسخ به این سؤال شما که آیا فاصله دورترین کهکشانها به ما باید کمتر از 13.7 میلیارد سال نوری باشد، مثبت است، اما نه بسیار کمتر؛ چراکه همان کهکشان ها بواسطه انبساط جهان با سرعتی در حدود سرعت نور در حال دور شدن از ما هستند.
در خصوص سؤال سوم نیز بایستی گفت آنچه که ما به آن عدم تقارن جهان اطلاق می کنیم، ارتباطی با نظریه ابرتقارن ندارد. نظریه ابرتقارن، تنها به اتحاد نیروها در ابتدایی ترین لحظات عمر جهان اشاره می کند و این در حالی است که در شرایط عادی امروز، هیچ کدام از چهار نیروی بنیادین متحد نیستند و طبیعتاً نیازی هم بوجود همدم های ابرمتقارن ذرات نیست. بخش عظیمی از ذرات ابرمتقارن در حین انشعاب نیروها از میان رفتند و مکانیسم این نابودی نیز به خوبی شناخته شده است؛ پس از نقطه نظر نظریه ابرتقارن، شرایط امروز جهان ما کاملاً عادی است.
اما موضوع عجیب این است که پادماده که ویژگی هایش به طرز شگفت آوری مشابه ماده است امروز در جهان ما نیست. اگر ماده در شرایط امروز جهان ما وجود دارد، پس پادماده نیز بایستی وجود داشته باشد؛ اما اینچنین نیست. از این روست که این واقعیت، سؤالی بزرگ در پیش روی فیزیکدانان است. ما هنوز نمی دانیم این پادماده از میان رفته است، یا هنوز هم وجود دارد و ما آن را نمی بینیم. LHCb به این سؤال پاسخ خواهد داد.
*
در خصوص سؤال اول آقای کیهان نیز بایستی گفت ماده امروز، همان ذرات مجازی است که بواسطه رویدادی کیهانی، حقیقی شدند. انفجار بزرگ، ماده را نساخت؛ چراکه فضا وجود داشت و وجود جفت ذره های مجازی نیز از ویژگی های فضاست اما انفجار بزرگ، همین ذرات مجازی را حقیقی کرد.
در خصوص سؤال دوم نیز بایستی گفت که در اکثر متون فیزیکی، برای روشن شدن اصل عدم قطعیت از مثال نور استفاده می شود. این اصل همانطور که اشاره شد، از ویژگی های ذاتی جهان کوانتومی است و برای اثبات مبرهن آن بایستی به ریاضیات پیچیده ای متوسل شد؛ اما این مثال تنها برای روشن شدن مطلب به کار می رود. به علاوه طبق این اصل، ما می دانیم که موقعیت الکترون را نمی توان مشخص نمود؛ چه نور به آن بتابانیم و چه از روش های دیگر استفاده کنیم؛ چراکه این عدم قطعیت از چارچوب نگاه ناظرانی چون ما، ویژگی ذاتی تمام ذرات کوانتومی است، نه نقص دانسته های ما.
با سپاس
چنانجه بزبان فارسی مطالب نوشته شود برای همگان قابل استفاده خواهد بود . با تشکر
-- خمیل طاهر زاده ، Jul 27, 2010