[h=2] بزرگترین جهش علمی بشر پس از گالیله رقم میخورد [/h]
بزرگترین جهش علمی بشر از زمان گالیله در پروژهای تاریخی با عظیمترین مجموعه تلسکوپهای زمینی به منظور بررسی چگونگی شکلگیری سیاراتی مانند زمین و پاسخ به معمای منشأ تشکیل اقیانوسهای زمین، رقم میخورد.
مجموعه تلسکوپهای 1.3 میلیارد دلاری آلما در رشته کوه «آند» شیلی، با همکاری تلسکوپ رادیویی عظیم مجموعه بسیار بزرگ (VLA) با 27 آنتن در نیومکزیکو قرار است به بررسی چگونگی شکلگیری سیارات از دیسکهای گاز و غبار اطراف ستارههای جهان بپردازد.
دانشمندان مجموعه «آلما» این طرح را بزرگترین جهش در دنیای فناوری از زمان گالیله خواندهاند.
به گفته «دیوید ویلنر» از مرکز فیزیک اخترشناسی «هاروارد - اسمیتسون»، این چشمان جدید، فرصت بررسی دقیق حرکت گاز و غبار در دیسکهای اطراف ستارگان جوان را برای دانشمندان فراهم کرده و نظریات جدید آنها را در مورد شکلگیری سیارات به آزمایش خواهد گذاشت.
این تلسکوپ جدید به ثبت مراحل اولیه شکلگیری سیارات یعنی رشد دانههای غبار و سنگریزههای موجود در دیسکها و همچنین نمایش تعاملات گرانشی میان دیسکها و سیارات جدید موجود در آنها خواهد پرداخت.
به گفته «ویلنر»، قدرت این دو تلسکوپ همچنین ستارهشناسان را بیش از پیش، به بررسی ستارههای جوان و منظومههای خورشیدی توانا کرده و همچنین به درک بهتر فرایندهای تولید کننده تنوع زیاد موجود در سیستمهای سیارهای خارج از منظومه شمسی کمک خواهد کرد.
یکی از رصدهای اولیه «آلما» در مورد یک دیسک در اطراف ستاره جوانی در فاصله 170 سال نوری از زمین، امید دانشمندان را به کشف جواب سوالاتشان در مورد منشأ اقیانوسهای زمین بیشتر کرده است.
دانشمندان بر این تصورند که بخش عمدهای از آب موجود در زمین، از بمباران شهابی در زمان جوانی این سیاره فراهم شده؛ اما هنوز در مورد میزان آن مطمئن نیستند.
سرنخ اصلی این نظریه وجود درصد بالایی از دیتریوم در آب اقیانوسها بوده که در گاز میان ستارهها کشف شده است.
ویلنر که با همکاری دانشمندان دیگر در حال کار بر روی این پروژه بوده است، اظهار کرد: بررسیهای بیشتر از این قبیل ما را قادر به سنجش دقیقتر درصد آب اقیانوسی خواهد کرد که ممکن است توسط شهابسنگها به زمین منتقل شده باشند.
دو مجموعه جدید تلسکوپی همچنین به گسترش بررسی تکامل کهکشانها و شکلگیری ستارهها در زمان جوانی جهان در 10 یا 12 میلیارد سال پیش کمک خواهند کرد.
در حال حاضر این مجموعه موفق به ارائه مناظر دقیقی از گاز هستهای و مولکولی در کهکشانهایی با فاصله 12 میلیون سال نوری شدهاند.
در اصل، نظريه پرداران زماني مطالعات خودشان را بر روي سياه چاله ها متمركز كردند كه مي خواستند نظريه نسبيت عام انيشتين (كه بيان مي كرد كه چگونه جرم ناشي از اشيا از خميدگي فضا-زمان ناشي مي شود) را قبول كنند. پس از آن در سال 1974 فيزيكدان دانشكاه كمبريج، استفن هاوكينگ بر پايه كار ياكوب بكنشتينJacobBekenstein نشان داد كه مكانيك كوانتومي را بايد با نسبيت عام پيوند دهيم.
هاوكينگ پيشنهاد داد كه لبه ي منطقه اي كه ديگر نور هم نمي تواند از آن بگذرد-افق رويداد- خودش مي بايستي ذراتي مانند نوترينو يا فوتون را منتشر كند. در مكانيك كوانتومي، اصل عدم قطعيت هايزنبرگ به ذرات اجازه مي دهد كه از مناطق خلا در هر زماني خارج شوند، اگر چه معمولا خيلي سريع بعد از آن از بين مي روند. ولي اگر دو ذره يكي در منطقه افق رويداد و ديگري بيرون از آن باشد آن گاه ذره اي كه در داخل محدوده ي افق رويداد باشد توسط سياه چاله جذب خواهد شد و ديگري كه بيرون از محدوده است مي تواند به راحتي حركت كند. براي ناظر در اين حالت سياه چاله همانند يك جسم حرارتي و اين ذرات "تابش هاوكينگ" سياه چاله خواهند بود.
اين در نظريه و تئوري خوب عمل مي كند ولي در واقعيت و عملي، تابش هاي هاوكينگ خيلي ضعيف تر از آن هستند كه بتوان بر روي تابش هاي دراي نويز پس زمينه اي كيهانيCMB كه از زمان بيگ بنگ تا به حال به جا مانده اند آن ها را مشخص كرد.سياه چاله ها بسيار سرد هستند. حتي كوچك ترين سياه چاله ها، كه با توجه به هاوكينگ مي بايست گرم ترين دما را داشته باشند باز هم 8 برابر از CMB سردتر است.
به خاطر مواجه شدن با اين مشكلات فيزيكدانان اين تصميم را گرفتند تا يك سياه چاله ي گرم تر را در آزمايشگاه ها بسازند. مشخصا جمع آوري يك مقدار بسيار بزرگ گرانش در يك جا بسيار خطرناك است و غيرممكن است كه بتوان به آن نزديك شد.سياه چاله هاي مصنوعي را مي توانيم بر پايه سيستمي شبيه به حالتي كه خميدگي فضا-زمان توسط پارامتري ديگر كه از انتقال موج متاثر مي شود، بسازيم.
"ما نمي توانيم قوانين گرانشي را در محيط خودمان عوض كنيم."اين را UlfLeonhardt در دانشگاه سنت آنريوز University of St Andrews در انگلستان به physicsworld.com گفت. "ولي ما مي توانيم پارامتر هاي متشابه در يك سيستم منقبض شده را عوض كنيم." گروه لئونارد در سنت آندريوز اولين گروهي هستند كه مي خواهند يك سياه چاله اي مصنوعي بسازند تا تابش هاوكينگ را بتوان به وسيله ي آن مشخص كرد.
فيزيك ماهي شكل !
ايده ي استفاده از سيستم هاي مشابه اولين بار توسط ويليام آنروWilliam Unruh در دانشگاه بريتيش كلمبيا در سال1981 مطرح شد. او تصور كرد كه يك ماهي بر خلاف جهت جريان آب قصد گريز از آبشاري را دارد كه ما در اين حالت آبشار را به عنوان سياه چاله فرض كرده ايم.و در يك منطقه نزديك به آبشار جريان آب آن قدر شدت مي يابد كه ديگر ماهي قدرت گريز را نخواهد داشت مانند يك افق رويداد. آنرو همچنين تصور كرد كه چه اتفاقي خواهد افتاد اگر موج هايي از طرف دريا به طرف دهانه ي رود روانه شوند.چون جريان در بالادست رود قوي تر مي شود، امواج فقط مي توانند تا يك جاي معيني بالا بيايند(برخلاف جهت جريان آب) و بعد برگشت مي خورند(در جهت جريان آب). در اين حالت رود به يك سفيدچاله تبديل مي شود و هيچ چيز نمي تواند به آن واردشود.
در آزمايش سنت آندريوز، كه از ضريب شكست يك فيبر نوري به عنوان ميدان گرانشي استفاده شد هم سياه و هم سفيد چاله را در بر مي گيرد. در اين جا ما به اين نكته بايد توجه كنيم كه سرعت نور در حالت عادي فقط به طول موج بستگي ندارد بلكه به ضريب شكست محيط هم بستگي دارد.
گروه كار خودشان را اين گونه آغاز كردند كه با فرستادن يك پالس نوري در فيبر نوري با استفاده از نتيجه اثر كر ضريب شكست محيط را اصلاح كردند. كم تر از يك ثانيه بعد آن ها يك نور آزمايشي را مي فرستند كه داراي طول موجي بلند است تا پالس نور را بگيرد. ولي با توجه به ضريب شكست اصلاح شده ي محيط اطراف پالس نوري، نور آزمايشي ما هميشه به اندازه ي كافي دچار كاهش سرعت مي شود تا مانع پيشي گرفتن از پالس نوري بشود-بنابراين پالس مانند يك سفيدچاله مي ماند. حال اگر گروه نور آزمايشي را از طرف مخالف بفرستد آن گاه نور آزمايشي به پالس نوري مي رسد ولي نمي تواند از آن عبور كند-بنابراين پالس نوري مانند يك سياه چاله مي شود.
در حالي كه ما معتقديم كه تابش هاوكينگ توسط سياه چاله هاي گرانشي ايجاد مي شوند حداقل خواصي كه ما براي ايجاد آن در آزمايشگاهمان بدان نيازمنديم چيست؟
ريناد پارنتاني، دانشگاه پاريس-سودRenaud Parentani, University Paris-Sud
پشت افق رويداد
لئونارد و هم گروهانش ثابت كردند كه افق رويداد سياه و سفيد چاله هايمان را مي توانيم با مشخص كردن سرعت نور آزمايشيمان كه هيچ گاه بيش تر از سرعت پالس نوري نمي شود، تعيين كنيم. مهمم تر از آن، آن ها اين را هم محاسبه كردند كه بايد ممكن باشد كه ذرات تابش هاوكينگ ايجاد شده در دو طرف افق رويداد را با فيلتر كردن نور هاي باقي مانده در دو طرف فيبر، مشخص كنيم.
مشخص كردن تابش هاوكينگ به فيزيكدانان كمك خواهد كرد تا پلي ميان شكاف موجود بين نسبيت عام و مكانيك كوانتمي ايجاد كنند، دو نظريه اي كه هنوز كامل نشده است. همچنين اين آزمايش مي تواند به فيزيكدانان كمك كند تا راز هاي موجود در طول موج فوتون هاي تابشي از افق رويداد را بررسي كنند كه تصور مي شود كه از صفر شروع شود قبل از اين كه تقريبا بينهايت فشرده شود توسط گرانش.
با اين وجود، ريناد پارنتاني معتقد است كه ممكن است در مدل هاي آينده ي سيستم هاي گروهي ممكن است ما تابش يك افق رويداد را ببينيم. تابش ممكن نيست كه تمام ويژگي هايي را كه ما از يك تابش هاوكينگي كه توسط يك سياه چاله ي اخترفيزيكي انتظار داريم داشته باشد را دارا باشد. براي مثال فيبر نوري به خاطر تجزيه ي نور و پراكندگي داراي محدوديت هايي است يعني طول موج فوتون هاي توليد شده در افق رويداد خيلي فشرده نخواهند بود. پارنتي پرسيد "در حالي كه ما معتقديم كه تابش هاوكينگ توسط سياه چاله هاي گرانشي ايجاد مي شوند حداقل خواصي كه ما براي ايجاد آن در آزمايشگاهمان بدان نيازمنديم چيست؟". "جواب حتي در تئوري هم مشخص نيست. ولي اين آزمايشات به ما جسارت اين را مي دهد تا بر روي مسئله عميق تر توجه كنيم."
بنابر دادههای به دست آمده میزانِ افتوخیزها در دمای تابشِ پسزمینهی کیهانی، در دو سوی آسمان متفاوت است. این به معنای آن است که این تابش و بنابراین سرتاسرِ کیهان در بزرگ مقیاس، همسانگرد نیست. کیهانشناسان برای توجیهِ این ناهمسان گردی، میدانِ کوانتومیِ دیگری به نظریهی تورمی افزودهاند که افت و خیزهایی ناهمسان گرد در چگالیِ مادهی کیهانی ایجاد میکند و همین ناهمسانگردی در چگالی، به ناهمسانگردی در تابش پس زمینهی کیهانی میانجامد. وجود چنین میدان کوانتومی ای سبب میشود که کیهان در مقیاسِ بزرگ، همچون زین اسب دارای اندکی خمشِ منفی باشد. این در حالی است که بنابر باورِ رایج، کیهان تخت است.
به گزارش انجمن فیزیک ایران، ما در کیهانی ناهمسان گرد زندگی میکنیم، این درسی است که کیهان شناسان با بررسیِ ساختارِ مشروحِ تابشِ بهجای مانده پس از بیگ بنگ، آموختهاند. هماینک دو کیهان شناس نشان دادهاند که دادههای موجود، با کیهانی سازگار است که همچون زینِ اسب، اندکی خمیده باشد. اگر مدلِ این دو کیهانشناس درست باشد این باورِ دیرین که کیهان تخت است، سرنگون خواهد شد.
اندازهگیریهای نخستین دربارهی تابشِ پسزمینهی کیهانی ( CMB) توسطِ کاوشگرِ ناهمسان گردی در امواجِ میکروی ناسا با نامِ ویلکینسون (NASA’s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) انجام میگرفت. دقتِ این اندازهگیریها در مقیاسِ بزرگ، نخستین نشانهها از نبودِ همسان گردی در تابشِ پس زمینهی کیهانی را در سالِ 2004 فراهم آورد. هنگامی که فضاپیمای پلانک از آژانسِ هواییِ اروپا، جانشینِ کاوشگرِ ناسا شد بسیاری از کارشناسان کنجکاو بودند که آیا این یافتهها دربارهی ناهمسان گرد بودنِ تابشِ پس زمینهی کیهانی، خطایی سامانهای است به این معنی که کاوشگرِ اروپایی که دقتِ آن بیشتر از کاوشگرِ ناساست، پس از نقشهبرداری از تابشِ پسزمینهی کیهانی این خطا را تصحیح خواهد کرد یا خیر. اما یافتههای بهدست آمده از کاوشگرِ پلانک که در ابتدای امسال انتشار یافت نیز این ناهمسان گردی را تایید کرد.
هماینک آندرو لیدل (Andrew Liddle) و مارینا کورتِس (Marina Cortês) هر دو از دانشگاهِ ادینبورگِ انگلستان به منظورِ توجیه این یافتهها، مدلی برای کیهانِ تورمی ارائه کردهاند. در مدلهای تورمی، دورهای فرضی از انبساطِ سریع، درست پس از بیگ بنگ در نظر گرفته میشود که در آن، کیهان در کسرِ کوچکی از ثانیه با مرتبهی بزرگیِ بسیار زیادی رشد میکند.
سادهترین مدلِ تورمی بر این اساس استوار شده که کیهان تخت است و انبساطِ (ناگهانیِ) آن را میدانی کوانتومی به نام اینفلِیتون (inflaton) سبب میشود. اینفلیتون در این مدل دو نقش دارد: اول آنکه انبساطی بزرگ را سبب میشود و دوم، افتوخیزهای بسیار اندکی در چگالیِ (مادهی موجود در کیهان) ایجاد میکند که رفتهرفته گسترش یافته و بذرِ کهکشانهای کنونی را تشکیل میدهند.
اما این نسخه از میدانِ اینفلیتون نمیتواند پاسخگوی ناهمسان گردی کیهان باشد مگر آنکه یک خوش شانسیِ آماری رخ دهد، درست مانندِ آنکه از سکهای کاملاً متقارن انتظار داشته باشیم شمارِ شیرهایی که در 1000 بار پرتابِ سکه میآیند بسیار بیشتر از شمارِ خطها باشد. اما بنا به گفتهی لیدل اگر ناهمسان گردیهای موجود در تابشِ پسزمینهی کیهانی خوششانسیِ آماری نباشد (که نظریههای نوینِ تورمی بر این باورند)، بررسیِ همین ناهمسان گردیها دریچهای بیسابقه بر ساختارِ مشروحِ کیهانِ نخستین خواهد گشود.
لیدل و کورتس در مقالهی خود که این هفته در Physical Review Letters1 به چاپ رسیده، نظریهی تورمی را دستکاری و تعمیر کردهاند. این دو کیهان شناس همچون بسیاری از نظریه پردازانِ پیش از خود، میدانِ کوانتومیِ دیگری را با نامِ کِرواتون (curvaton) به کار گرفتهاند تا به کمکِ آن، افت وخیزهای نخستینِ موجود در چگالیِ (مادهی موجود در کیهان) را در کیهانِ آغازین تنظیم کنند. به این ترتیب میدانِ اینفلیتون تنها نقشِ عاملی آغازگر و پیشران را در دورهی انبساطِ بزرگ بازی خواهد کرد.
این پژوهشگران نشان دادهاند که میدانِ کرواتون افت وخیزهایی ناهمسانگرد در چگالیِ مادهی کیهانی ایجاد میکند که اگر خمشِ کیهان در مقیاسِ بزرگ، اندکی منفی باشد میتوان این افت وخیزها را آشکارا دید. منفیبودنِ خمشِ فضا به این معنی است که اگر میتوانستیم مثلثی بسیار بزرگ در فضا رسم کنیم، آنگاه مجموعِ زوایای درونیِ آن مثلث کمتر از 180 درجه میشد. همانگونه که میدانیم در فضایی تخت (هندسهی اقلیدسی)، مجموعِ زوایای درونیِ یک مثلث دقیقاً 180 درجه است، درحالی که در فضایی با خمشِ مثبت، مجموعِ این زوایا بیش از 180 و در فضایی با خمشِ منفی، این مجموع کمتر از 180 درجه خواهد بود (به چنین هندسههایی هندسهی نااقلیدسی میگویند).
آدرین اِریکچِک (Adrienne Erickcek) فیزیکدانی نظری از دانشگاهِ کارولینای شمالی واقع در چاپِل هیل است که در این کارِ پژوهشی سهیم نبوده اما در این باره چنین میگوید: «کارِ این نویسندگان، نخستین کار در گونهی خود است که در نظر دارد ناهمسانگردی را به کمکِ اصولِ اولیه توضیح دهد». بنابر سناریویی که لیدل و کورتس برای کیهان نگاشتهاند، ناهمسان گردیِ دیدهشده در تابشِ پسزمینهی کیهانی ممکن است به دلیلِ نبودِ یکنواختی در ساختارِ بسیار بزرگ مقیاسِ کیهان باشد که کلیدِ این نایکنواختی نیز در وجودِ میدانِ کرواتون نهفته است. اریک چک و همکارانش در سالِ 2008 سازوکارِ همانندی را ارائه کرده بودند. گرچه در مدلِ آنها خمشِ کیهان منفی در نظر گرفته نشده بود.
گرچه بنابر شمارِ بسیاری از رصدها، کیهان در واقع تخت است، اما بنابر گفتهی لیدل انحرافهایی که این واپسین مدل برای دادههای تابشِ پسزمینهی کیهانی پیشبینی میکند به اندازهی کافی کوچک هستند که بتوان آنها را در چارچوبِ حدهایی گنجانید که توسطِ اندازهگیریهای ماهوارهی پلانک اعمال میشوند. البته ادعای این پژوهشگران دربارهی میزانِ انحرافها از دادههای تابشِ پسزمینهی کیهانی هنوز در حدِ گمانه زنیست اما آزمایشهای آینده که با دقتی افزون بر دقتهای امروزی صورت می پذیرند شاید تعیین کنند که حق با چه کسیست.