از نخستین دقایق انفجار بزرگ تا عالم امروزمان فقط در چند سال گذشته گام به گام تحولات کیهانی آشکار شده است. حالا هم گروهی از اخترشناسان کشف جدید خود را اعلام کرده اند که تکه ای دیگر از این پازل را سر جایش قرار می دهند : روش های جهت گیری کهکشانهای مارپیچی ، همچون راه شیری در فضا.

بر اساس نظریه فعلی ، شکل گیری ساختار کیهانی ـ یعنی نظریه «ثابت کیهان شناختی به اضافه ماده سرد تاریک» (یا نظریهCDM  λ) ـ با ادغام توده های کوچک مواد که از انفجار بزرگ به جا مانده اند کهکشانها رشد می یابند. این توده های اولیه حاصل آشفتگی های زیرمیکروسکوپی ِ اتفاقی ِ ذرات و انرژی در عالم اولیه اند که در نخستین 10^22 ثانیه به دلیل تورم گسترده شدند. نظریه   CDMλ همچنین چگونگی قرارگیری کهکشانها را در خوشه های بزرگ ، رشته ها ، و «دیوارهای بزرگ» که سازنده فضاهای خالی گسترده عالم اند ، توضیح می دهد ؛ بافته های کیهانی تار عنکبوت مانندی که امروز در بزرگترین مقیاس ها عالم را پر کرده اند.

افزون بر این ، به پیش بینی این نظریه قرص کهکشان های مارپیچی باید به شیوه ای خاص جهت گیری کنند ، به این صورت که محور چرخش آنها بر صفحه دیوار بزرگ بخوابد یا همراستا با رشته محل اقامت کهکشان باشد. برای درک این پدیده بررسی های متعددی در «صفحه ابرکهکشان» ما ، دیوار بزرگ که شامل راه شیری گروه محلی ، گروه های همسایه دیگر و خوشه کهکشانهای سنبله در 50 میلیون سال نوری آن سو تر می شود ، انجام شده است. نتایج بررسی ها بسیار پر معنی اند اما نادقیق بوده اند.

اکنون سه اخترشناس اروپایی از دانشگاه ناتینگهام انگلستان و موسسه اخترفیزیک جزایر قناری اسپانیا ، موفق شده اند ، نخستین بار ، این اثر را به روشنی کشف کنند. آنها با بررسی دو طرح بزرگ جستجوی 3 بعدی کهکشانها ـ یعنی طرح بررسی انتقال به سرخ کهکشانها در میدان دید 2 درجه ای (2dfGRS) و جستجوی دیجیتال آسمان اسلوآن (SDSS) ـ به این کشف دست یافتند. آنها 201 کهکشان مارپیچی از لبه و از روبه رو را شناسایی کردند که به روشنی در دیوارها یا رشته هایی خوابیده اند. دیوارها یا رشته هایی که جهت گیری سه بعدی مشخصی در اطراف فضاهای خالی گسترده به طول دست کم 50 میلیون سال نوری دارند.

به گفته اخترشناسان ، این یافته ها همچنین با «اثر هولمبرگ» همخوانی دارند. اثری که نخستین بار اخترشناس سوئدی ، اریک هولمبرگ ، در سال 1969 به آن اشاره کرد ؛ کهکشانهای اقماری مایل نیستند در صفحه کهکشان میزبان حرکت کنند و اغلب آنها دارای مدارهایی با تمایل بسیار نسبت به صفحه کهکشان مارپیچی اند.

فرآیند مشابهی بسیار نزدیک به خانه اتفاق می افتد. این فرایند شرح می دهد که چرا راه شیری به این ترتیب جهت گیری کرده که آسمان را از قوس تا ذات الکرسی احاطه کرده و قطب شمال کهکشانی به سوی گیسوان برنیکه نشانه رفته است. در یک اطلس آسمان معتبر کهکشانهای درخشان نواری مشخص در سرتاسر آسمان بهار نیمکره شمالی ، از دب اکبر تا قنطورس ، ایجاد می کنند. این همان صفحه ابرکهکشانی است ، دیوار بزرگ محلی ، آن طور که ما از درون می بینیم. این صفحه دقیقا ً از میان گیسوان برنیکه می گذرد.

افزون بر این ، داخل همین صفحه هم راه شیری درون رشته ای چگالتر از کهکشانها قرار دارد که از ما تا خوشه سنبله و فراتر از آن کشیده شده است. خوشه سنبله در مرز صورتهای فلکی سنبله و گیسوان برنیکه بسیار نزدیک به جایی قرار دارد که محور کهکشانمان به سویش اشاره می کند.

پاردوکس ا ُلبرس (1)

چرا شب هنگام آسمان تاريک است؟

چرا شب هنگام آسمان تاريک است؟!!  اين پرسشي ايست که اخترشناسان را چندين قرن بخود مشغول داشته است.

در سال 55  قبل از ميلاد ، لاکرسيوس (2) در شعرش «طبيعت جهان» انديشه ي جديد جهان نامحدود را مطرح کرد. در سال 1576 توماس گيگز (3) مطرح کرد که هرچند جهان نامحدود است ، ستاره هاي دور براي ديده شدن بسيار کم نورند. با توجه به اينکه ستاره ها همه جا هستند کم نورترين آنها روزنه تاريکي در آسمان شب ايجاد مي کنند. در سال 1610 کپلردر پاسخ به کتاب «پيامبر پر ستاره» (4) نوشته گاليله نوشت که اگر جهان نامحدود بود ما بايد در تمام جهات ستاره مي ديديم و آسمان شب هرگز تاريک نمي بود. بنابراين او نتيجه گرفت که چون آسمان شب تاريک ديده ميشود جهان محدود است. ادموند هالي (5) آسمان تاريک شب را از نظرگاه رياضي مورد بحث قرار داد. هالي يک جهان نامحدود را در نظر گرفت اما نشان داد بسياري از ستارگان دوردست آنقدر کم نورندکه حتي با بزرگترين تلسکوپها هم قابل ثبت نيستند ، بنابراين ، ناحيه تاريک بين ستارگان همان گونه که ديده شده بايد وجود داشته باشد! اين استدلال نمي تواند درست باشد زيرا اگر تعداد ستارگان بينهايت باشد ، مجموع نور ستارگان ضعيف بايد آسماني درخشان و روشن را نتيجه دهد. مانند اين واقعيت که ما نمي توانيم سقوط يک  الکترون به لايه هاي پايين تر را در يک اتم منفرد مشاهده کنيم اما در تعدادبسيار زيادي از اتم ها نور بسادگي قابل رويت است.

در سال 1744 اخترشناس سويسي ، جين فيليپ (6) ، مسئله آسمان تاريک را مورد مطالعه قرار داد. وي اظهار داشت که ناحيه کل آسمان 180000 بار بزرگتر از خورشيد مشاهده شده است. او استنتاج کرد که اگر نور ستاره اي از تمام ستارگان به زمين برسد آسمان شب بايد 180000 بار روشنتر از خورشيد باشد!! او معتقد بود تاريکي آسمان شب بواسطه مواد جاذبي است که ميان ما وستارگان دور قرار دارد.

روشن است که لرد کلوين (7) نيز در اين مسئله دچار اشتباه شده است. اما منبع مناسبي براي کارش يافت نشده است. نهايتا ً در سال 1826 اخترشناس ويني ، هنريک البرس (8) بار ديگر اين سوال بسيار اساسي اما دشوار را مطرح کرد که چرا آسمان شب تاريک است ؟ اين پرسش اينک نام او را دنبال مي کشد.

در ابتدا به عنوان يک سوال ساده پاسخ بديهي مضحک و خنده دار به نظر ميرسد ، «زيرا ما در شب پشت به خورشيد داريم». به هر حال سوال عميق است و پاسخ فراتر از بديهيات است.

جواب اولي که در بالا بيان شد به شرط آن که کسي بتواند اثبات نمايد که شدت نور ستارگان شب آنقدر کم است که سبب تاريکي آسمان ميشود ؛ ميتواند درست باشد. البرس با تعجب دريافت که اين جواب صدق نمي کند. دلايل او بدين شرح است :

1-    جهان در فضا تا بينهايت گسترده شده است.

2-    سن جهان بينهايت است.

3-    جهان شامل ستارگاني است که بطور مساوي پراکنده شده اند و همگي تقريبا ً درخشندگي يکساني دارند.

4-    هيچ ماده تيره کننده اي ميان ما و ستارگان وجود ندارد.

براي يافتن درخشندگي آسمان شب  ، ابتدا بايد ميزان نور دريافتي از تمام اجسام درخشان را محاسبه کرد. اجازه دهيد در اينجا n به عنوان اشياي مورد نظر در واحد حجم باشد (n چگالي است) و بگذاريد هر يک از آنها انرژي نوراني E را از خود ساطع کند. ما فضا را به تعدادي پوسته نازک کروي هم مرکز تقسيم مي کنيم که ضخامت هر يک t و مرکز همه آنها زمين است. از آنجا که مساحت کره اي به شعاع r برابر است با  4лr^2 حجم چنين پوسته اي برابر  4лtr^2 است.

اگر چگالي اشياي نوراني درون هر پوسته n باشد بنابراين تعداد کل اين اشيا درون پوسته بايد 4лtnr^2 N=

 باشد.

حال اجازه دهيد بپرسيم دقيقا ً چه مقدار انرژي از چنين پوسته اي به زمين ارسال ميشود. از آنجا که ضخامت پوسته ها کم است منطقي است که همه پوسته ها را در فاصله r از زمين فرض کنيم. شدت I حاصل تقسيم انرژي E که از منبع در فاصله r انتشار مي يابد بر مساحت مفروض است (از قانون عکس مجذوري تبعيت مي کند) شدت کل دريافتي بر روي زمين از ستارگان I= E/4лr^2   واقع در پوسته اي به فاصله r واحد دورتر برابر است با حاصلضرب شدت هر منبع نوري در تعداد کل اين منابع T= IN با جانشيني مقدار N که قبلا ً در بالا محاسبه شد خواهيم داشت ؛T= tnE  مي بينيم که انرژي دريافتي از هر پوسته دلخواه به فاصله آن از ما بستگي ندارد (r در رابطه مشاهده نميشود). کل انرژي دريافتي از همه پوسته ها برابر مجموع سهم تک تک پوسته هاست. اگر M پوسته وجود داشته باشد انرژي کل برابر است با : S= MtnE   .

اما بينهايت پوسته وجود دارد و بنابراين شدت کل بر روي زمين بايد بينهايت شود. پس آسمان شب بايد بطور خيره کننده اي روشن باشد!!

اين نتيجه دانشمندان را بيش از يک قرن سردرگم  کرده بود. واضح است که فرض يا فرض هاي غلطي بکار گرفته شده که اين نتيجه حاصل شده است. بنظر ميرسد که نبايد بطور ساده روي سهم همه پوسته هاي هم مرکز جمع بست چرا که ستارگان دقيقا ً نقطه اي نيستند و مسلما ً آنهايي که نزديکترند ستارگان دورتر را از نظر پنهان مي کنند. اگر اين درست باشد ، آسمان شب فقط بايد به اندازه ميانگين روشنايي سطحي يک ستاره نوعي روشن باشد. اين لازم است اما کافي نيست و حال آسمان از روشنايي بينهايت به روشنايي يک ستاره نمونه ، بعنوان مثال خورشيد ، تقليل مي يابد.

ترديدي نيست که در عالم ، مواد تاريک وجود دارد و در وهله اول مي توان استدلال کرد که اين مواد از روشنايي محاسبه شده آسمان مي کاهد. اين ايده تامل آور است چرا که مواد تيره کننده ، هر جا که قرار دارند ، مي توانند توسط انرژي اي که از منابع دوردست جذب مي کنند داغ شوند و در آن ِ واحد خودشان انرژي تابش کنند. اگر عالم از نظر وسعت بينهايت نباشد ؛ پس پوسته ها نيز نمي توانند بينهايت باشند و از روشنايي آسمان کاسته ميشود. اگر چه هنوز هيچ مدرکي دال براينکه جهان کراندار و محدود است وجود ندارد. در غياب چنين مشاهداتي ما نمي توانيم مطمئن باشيم که فرض اول البرس نادرست است. فرض کنيد که عالم سن نامحدود ندارد. فرض کنيد که از X سال پيش آمده باشد. بنابراين سن عالم کران دارد. انرژي اي که ما دريافت مي کنيم نمي تواند از فاصله اي دورتر از اين انبساط آمده باشد. قبل از عقيده جهان منبسط شونده ، اين حد بنياد نهاده شده بود که برابر cX است که cدر اينجا سرعت حرکت نور است. در هر رويداد اين مسئله مقدار کل انرژي را محدود مي کند اما محاسبات نشان ميدهد که اين هم هنوز نمي تواند يک آسمان شب روشن را ايجاد کند. حل پارادوکس البرس از آنجا ناشي ميشود که جهان در حال انبساط است ، فاصله مجموعه هاي کهکشاني از ما در حال افزايش است. اين ادعا در کاهش نور اين منابع دور که توسط قانون عکس مجذوري محاسبه ميشوند تاثير مي گذارد. بعلاوه نور ستارگان دورشونده قرمزگرايي دارد و انرژي نور قرمز از انرژي نور آبي در يک شدت يکسان کمتر است ؛ بنابراين بخاطر اين قرمزگرايي نه تنها نور قابل رويت کمتري به ما ميرسد بلکه انرژي کل نيز کمتر خواهد بود. دو اثر آخر سهم نوري کهکشان هاي دور را به حد ناچيزي تقليل ميدهند و تنها ستارگان نزديک را که ما آنها را بصورت نقاط روشني در آسمان تاريک مي بينيم باقي مي گذارد.

پاسخ سوال اصلي ما : چرا آسمان شب تاريک است؟ آسمان شب تاريک است زيرا جهان در حال انبساط است. بايد بپذيريم که اين يک پاسخ تکان دهنده براي چيزي است که در ابتدا سوالي ساده و کهنه و بديهي بنظر مي رسيد.

در محدوده اي وسيع تر ، آسمان در تمام طول موج ها واقعا ً تاريک نيست. تابش زمينه کيهاني ، نشان دهنده گستره ي نوري در ناحيه ريزموج (9) ، براستي بصورت همگن و سيل آسا همه جهان را فراگرفته است. بهرحال ما در دماي 2.8 درجه کلوين هستيم ، طبق قانون وين اين دما انرژي کمتري را بالغ مي شود و بنابراين ما نمي سوزيم و برشته نمي شويم. و آسمان شب همچنان تاريک است!!

1- Olbers Paradox

2- Lucretius

3- Thomas Gigges

4- Starry Massenger

5- Edmund Halley

6- Jean Philippe Loys de Cheseaux

7- Lord Kelvin

8- Heinrich Olbers

9- Microwave

در ابتداي قرن بيستم دو نظريه مهم در فيزيک پايه گذاري شد ، مکانيک کوانتومي و نظريه نسبيت. برخلاف موفقيت هاي فراواني که هرکدام از اين نظريه ها بطور جداگانه بدست آورده اند ، با يکديگر ناسازگار به نظر مي رسند. اين تنا قض در قلب فيزيک نظري همچنان يکي از جنجا لي ترين مطالب علم است.

نظريه نسبيت عام در محاسبه  دقيق گرانش موفق عمل مي کند. اگر در ميدان گرانش ، مکانيک کوانتومي را بکار بگيريم ، به گرانش کوانتومي دست مي يابيم. در نگاه اول ساختن نظريه گرانش کوانتومي مشکلتر از نظريه الکتروديناميک کوانتومي به نظر نمي رسد. الکتروديناميک کوانتومي نيم قرن پيش ابداع شد. اساس الکتروديناميک کوانتومي توصيف نيروهاي الکترومغناطيسي برحسب تبادل ذراتي است که آنها را فوتون مي ناميم. بعبارت ديگر کوانتاي ميدان الکترومغناطيس است. اين فوتون ها گسيل شده و بلافاصله جذب مي شوند. در نتيجه گسيل و جذب فوتون ها انرژي و اندازه حرکت ذرات ثابت نمي ماند. بنابراين دافعه الکتروستاتيک بين دو الکترون را مي توان در نتيجه گسيل فوتون از يک الکترون و جذب آن توسط الکترون ديگر دانست.

بطور مشابه مي توان جاذبه گرانشي بين دو جسم را در نتيجه تبادل «گراويتون» ، يعني کوانتاي ميدان گرانشي ، دانست. اين واقعيت که تاکنون گراويتون با هيچ وسيله اي آشکار نشده است ، چندان تعجب آور نيست ، چون نيروي گرانشي بسيار ضعيفتر از نيروهاي الکتريکي و مغناطيسي است. ثابت ميشود که تبادل گراويتون ها بين جرمهاي نقطه اي باعث ايجاد ميدان گرانشي با قانون معروف عکس مجذور فاصله ميشود.

اما هنگاميکه فرآيندهاي پيچيده تر ، که در آنها تعداد زيادي گراويتون وجود دارد ، در نظر گرفته شود مشکلي بوجود مي آيد. يک فرق مهم بين ميدان گرانشي و الکترومغناطيسي وجود دارد. ميدان گرانشي غير خطي است. اين غير خطي بودن از آنجا ناشي مي شود که ميدان گرانشي شامل انرژي است و اين انرژي داراي معادل جرم است که بين آن جرمها مجددا ً گرانش وجود دارد. به زبان کوانتومي اين مطلب به اين نکته دلالت دارد که گراويتون ها با گراويتون هاي ديگر اندرکنش مي کنند ، در حاليکه فوتون ها تنها با بارهاي الکتريکي و جريانها اندرکنش دارند و با هيچ فوتون ديگري اندرکنش نمي کنند. چون بين گراويتون ها اندرکنش وجود دارد مي توان گفت که ذرات مادي با شبکه پيچيده اي از گراويتون ها احاطه شده اند که حلقه هاي بسته اي را تشکيل مي دهند ، مانند يک درخت پر از شاخ و برگ!

در نظريه ميدان کوانتومي حلقه هاي بسته نشانه دردسر مي باشد و موجب توليد جوابهاي بينهايت در محاسبه ي فرآيندهاي فيزيکي مي شوند. در الکتروديناميک کوانتومي اين مسئله هنگامي بوجود مي آيد که يک الکترون فوتوني را گسيل و مجددا ً جذب کند. بينهايت هاي بدست آمده را با يک روش رياضي  به نام «بازبهنجارش» برطرف مي کنند. اگر اين روش بدرستي بکار گرفته شود ، جوابهاي قابل قبولي بدست مي آيد. چون در الکتروديناميک کوانتومي جوابهاي بينهايت را مي توان با اين روش مشخص برداشت به آن يک نظريه «بازبهنجارپذير» مي گويند. روش ياد شده مجموعه اي از اعمال رياضي است که براي برداشتن بينهايت ها کافي است.

متاسفانه هنگاميکه مکانيک کوانتومي را در نسبيت عام بکار مي گيريم چنين روشي وجود ندارد. بنابراين در اين حالت نظريه «بازبهنجارناپذير» است. هر فرآيند شامل حلقه هاي بسته بيشتر و بيشتري از گراويتون ها خواهد بود که موجب جملات بينهايت بيشتري مي شود. وجود اين جملات بينهايت باعث مي شود نظريه گرانش کوانتومي براي بررسي اکثر پديده هاي طبيعي بي استفاده شود و اين فکر را بوجود آورد که چيزي اساسا ً در نظريه نسبيت عام يا مکانيک کوانتومي و يا هر دو غلط است.

در چند دهه گذشته تلاش هاي زيادي براي گريز از بازبهنجارناپذيري در گرانش کوانتومي شده است. برجسته ترين آنها نظريه ي «ابرريسمان» است. اين نظريه بر اين فرض بنا شده است که کوچکترين چيزي که دنياي فيزيکي از آن ساخته شده است ذرات نيستند ، بلکه حلقه هاي ريسماني مي باشند که 20^10 بار کوچکتر از هسته اتم هستند. مدهاي ارتعاشي مختلف اين ريسمان ها را مي توان به ذرات گوناگوني مانند الکترونها ، کوارکها ، نوترينو ها ، فوتون ها  ، گراويتون ها و ديگر ذرات نسبت داد. بين ريسمان ها مانند ذرات اندرکنش وجود دارد ، اما وقتي فرآيندهايي که شامل حلقه هاي بسته باشند مورد امتحان قرار گيرند ، جوابهايي که بدست مي آيد ديگر بينهايت نيستند.

مقياس انرژي ها در نظريه ي ريسمان از مرتبه 10^19 Gev است. اين انرژي 10^17 بار بيشتر از انرژي اي است که در حال حاضر بزرگترين شتاب دهنده هاي ذرات مي توانند توليد کنند. بنابراين به نظر مي رسد که مشاهده ي ساختار ريسماني ماده غير ممکن باشد. فيزيکدانان نظري اميد دارند که در حد انرژي هاي کمتر و قابل دسترس بتوانند  نظريه هاي فيزيکي آشناتر مانند نسبيت عام ، الکترومغناطيس ، نيروهاي ضعيف و قوي هسته اي و ذرات بنيادي آشنا را بعنوان تقريب هايي از نظريه ابرريسمان يک توصيف پذيرفته شده از گرانش کوانتومي نيست ، بلکه تلاشي براي وحدت نيروها و ذرات طبيعت است.

متاسفانه تاکنون نظريه ابريسمان واحدي وجود ندارد و همچنين حد پايين انرژي واحدي نيز برآورده نشده است. براي مدتها اين مسئله مانند يک مانع بزرگ مي نمود اما در سالهاي اخير يک راهکار رياضي مجرد به نام «نظريهM » ساخته شده است و معلوم شده که اين نظريه ، نظريه هاي ابرريسمان گوناگون را در بر مي گيرد.

هنوز زود است که گفته شود نظريه ي M در نهايت بين گرانش و کوانتوم آشتي ايجاد کرده است ، ولي اگر اين نظريه مطابق انتظارات باشد مي بايست واقعيتهاي بنيادي دنياي فيزيکي را توضيح دهد. بعنوان مثال فضا ـ زمان چهار بعدي مي بايست از نظريه بيرون بيايد ، بدون آنکه خودمان آنرا به نظريه بيفزايم. نيروها و ذرات طبيعت نيز مي بايست بر اساس خواص کيلدي شان مانند قدرت اندرکنش ها و جرم هايشان توضيح داده شوند. به هر صورت تا زمانيکه نتوان در حد انرژي شتابدهنده هاي موجود نظريه ي M را مورد امتحان قرار داد ، اين نظريه در حد يک تمرين زيباي رياضي باقي مي ماند.

 تفکر علمي ، ميراث مشترک بشر است.  

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

در قرن نوزدهم دو ریاضیدان بزرگ به نام «لباچوفسکی» و «ریمان» دو نظام هندسی را صورت بندی کردند که هندسه را از سیطره اقلیدس  خارج می کرد. صورت بندی «اقلیدس» از هندسه تا قرن نوزدهم پررونق ترین کالای فکری بود و پنداشته می شد که نظام اقلیدس یگانه نظامی است که امکان پذیر است. این نظام بی چون و چرا توصیفی درست از جهان انگاشته می شد. هندسه اقلیدسی مدلی برای ساختار نظریه های علمی بود و نیوتن و دیگر دانشمندان از آن پیروی می کردند. هندسه اقلیدسی بر پنج اصل موضوعه استوار است و قضایای هندسه با توجه به این پنج اصل اثبات می شوند. اصل موضوعه پنجم اقلیدس می گوید : «به ازای هر خط و نقطه ای خارج آن خط ، یک خط و تنها یک خط به موازات آن خط مفروض می تواند از آن نقطه عبور کند.»

همدسه لباچوفسکی و هندسه ریمانی این اصل موضوعه پنجم را مورد تردید قرار دادند. در هندسه ریمانی ممکن است خط صافی که موازی خط مفروض باشد از نقطه مورد نظر عبور نکند و در هندسه لباچوفسکی ممکن است بیش از یک خط از آن عبور مند. با اندکی تسامح می توان گفت این دو هندسه منحنی وار هستند. بدین معنا که کوتاه ترین فاصله بین دو نقطه یک منحنی است.

هندسه اقلیدسی فضایی را مفروض می گیرد که هیچ گونه خمیدگی و انحنا ندارد. اما نظام هندسی لباچوفسکی و ریمانی این خمیدگی را مفروض می گیرند. (مانند سطح یک کره) همچنین در هندسه های نااقلیدسی جمع زوایای مثلث برابر با 180  درجه نیست. ظهور این هندسه های عجیب و غریب برای ریاضیدانان جالب توجه بود اما اهمیت آنها وقتی روشن شد که نسبیت عام اینشتین توسط بیشتر فیزیکدانان به عنوان جایگزین برای نظریه نیوتن از مکان ، زمان و گرانش پذیرفته شد. چون صورت بندی  نسبیت عام مبتنی برهندسه زمان و مکان به جای آن مکان به جای آن که صاف باشد منحنی است.

نظریه نسبیت خاص تمایز آشکاری میان ریاضیات محض و ریاضیات کاربردی است. هندسه محض مطالعه سیستم های ریاضی مختلف است که بوسیله نظام های اصول موضوعه متفاوتی توصیف شده اند. برخی از آنها چند بعدی و یا حتی n بعدی هستند. اما هندسه محض انتزاعی است و هیچ ربطی به جهان مادی ندارد ، یعنی فقط به روابط مفاهیم ریاضی با همدیگر ، بدون ارجاع به تجربه می پردازد. هندسه کاربردی ، کاربرد ریاضیات در واقعیت است. هندسه کاربردی به واسطه تجربه فراگرفته می شود و مفاهیم انتزاعی بر حسب عناصری تفسیر می شوند که بازتاب جهان تجربه اند. نظریه نسبیت ، تفسیری منسجم از مفهوم حرکت ، زمان و مکان به ما می دهد. اینشتین برای تبیین حرکت نور از هندسه نااقلیدسی استفاده کرد. بدین منظور هندسه ریمانی را برگزید.

هندسه اقلیدسی برای دستگاهی مشتمل بر خط های راست در یک صفحه طرح ریزی شده است اما در عالم واقع یک چنین خط های راستی وجود ندارد. اینشتین معتقد بود امور واقع هندسه ریمانی را اقتضا کرده اند. نور بر اثر میدان های گرانشی خمیده شده و به صورت منحنی درمی آید یعنی سیر نور مستقیم نیست بلکه به صورت منحنی ها و دوایر عظیمی است که سطح کرات آنها را پدید آورده اند. نور به سبب میدانهای گرانشی که بر اثر اجرام آسمانی پدید می آید خط سیر منحنی دارد. براساس نسبیت عام نور در راستای کوتاه ترین خطوط بین نقاط حرکت می کند اما گاهی این خطوط منحنی هستند چون حضور ماده موجب انحنا در مکان ـ زمان می شود.

در نظریه نسبیت عام گرانش یک نیرو نیست بلکه نامی است که ما بر اثر انحنا در مکان ـ زمان بر حرکت اشیا اطلاق می کنیم. آزمونهای عملی ثابت کردند که شالوده عالم نااقلیدسی است و شاید نظریه نسبیت عام بهترین راهنمایی باشد که ما با آن می توانیم اشیا را مشاهده کنیم. اما مدافعین هندسه اقلیدسی معتقد بودند که به وسیله آزمایش نمی توان تصمیم گرفت که ساختار هندسی جهان اقلیدسی است یا نااقلیدسی. چون می توان نیروهایی به سیستم مبتنی بر هندسه اقلیدسی اضافه کرد بطوریکه شبیه اثرات ساختار نااقلیدسی باشد. نیروهایی که اندازه گیری های ما از طول و زمان را چنان تغییر دهند که پدیده هایی سازگار با مکان ـ زمان خمیده بوجود آید. این نظریه به «قراردادگرایی» مشهور است که نخستین بار از طرف ریاضیدان و فیزیکدان فرانسوی «هنری پوانکاره» ابراز شد. اما نظریه هایی که بدین طریق بدست می آوریم ممکن است کاملا ً جعلی و موقتی باشند. اما آیا دلایل کافی برای رد آنها وجود دارد ؟

تا کنون تنها چهار نوع از میدانهای نیرو کشف شده اند : گرانش ، الکترومغناطیسی ، نیروی هسته ای قوی و ضعیف. که هر یک ذرات خاص خود را دارند : به ترتیب گراویتونها ، فوتونها ، گلئونها و بوزونهای Z و W. هر نوع نیرو مطابق با نوعی پرتو است. هر چند دوتا از آن پرتوها ، پرتو گرانشی و الکترومغناطیسی در فاصله ای بسیار بزرگتر از ابعاد هسته اتمی انتشار می یابند. در هر مرحله ، ذره ، پرتو یا نیروهای زمینه ای مختلف از وجود فیزیکی مربوطه را بازگو می کنند.

گرانش ساده ترین نیروست و برای جفت شدن فقط به حضور انرژی نیاز دارد. بنابراین گرانش صورتهای انرژی را به صورتهای دیگر تبدیل می کند (این شامل هر دو میدان نیرو و ماده می گردد). هر ذره از هر نوعی که باشد ، به این دلیل که برای وجود باید انرژی منتقل کند ، یک نیروی گرانشی احساس می کند. این نیرو برای تمامی شکلها ماده ، به صورت گرانی است. نیروی گرانشی ، تمایل به حرکت دادن اجسام به سوی یکدیگر دارد ـ تا کنون هیچ نوع گرانش منفی مشاهده نشده است. اگر چه در برخی حالتها از نظر فیزیکی امکان پذیر است و چنین به نظر میرسد که به صورت بحرانی در آغاز انفجار بزرگ با اهمیت بوده است. در نهایت باید گفت که این نیرو دارای بعد طولانی است. مهم نیست که اجسام چقدر از هم فاصله دارند ، گرانش آنها را با هم جفت میکند. به همین دلیل گرانش مهمترین نیرو در میان اجسام بسیار بزرگ است. که حتی در میان خورشید و سیاراتش  و همچنین در داخل کهکشانها ، این نیرو وجود دارد ؛ و همچنین ، گرانش انبساط جهان را نیز تحت کنترل خویش دارد.

گرانش نخستین نیرو با یک رابطه دقیق ریاضی بود ؛ قانون جهانی گرانش نیوتن نشان داد که همان نیرو (گرانی) سقوط سیب به سطح زمین ، سقوط دائمی ماه و سقوط سیارات در مدارشان را تحت کنترل دارد. پرتو گرانش ، یعنی امواج گرانشی به صورت مستقیم کشف نشده اند ، هر چند که انرژی از دست رفته آن به صورت غیر مستقیم اندازه گیری می شود.

الکترومغناطیسی نیرویی است پیچیده تر از گرانش ؛ به منظور جفت شدن با این نیرو ، به بار الکتریکی نیاز است. بر خلاف انرژی که تمام ذرات دارای آن هستند ، بار الکتریکی خصوصیتی است که برخی از ذرات دارند و بقیه فاقد آن می باشند. از آنجا که برخی از انواع ماده از نظر الکتریکی خنثی هستند ، هیچ نیروی الکتریکی را احساس نمی کنند. همچنین بار الکتریکی با دو علامت مثبت و منفی ظاهر می شود که اگر هر دو از نظر عددی به یک اندازه باشند  ، یکدیگر را خنثی می کنند. نیروی الکتریکی میان ذرات می تواند از نوع گرانی باشد (برای بارهای مخالف) یا از نوع دافعه باشد (برای بارهای موافق). نیروهای مغناطیسی که همانند نیروهای الکتریکی در نهاد و وجود اجسام قرار دارند ، اگر دارای حرکت بارها باشند ، زیاد می شوند. همانند جریان الکتریکی منظم در داخل یک سیم پیچ یا اتمهایی که در سوزن یک قطب نما ، در یک راستا قرار گرفته اند. نیروهای الکترومغناطیسی همانند گرانشی ، در فواصل زیاد عمل می کنند. میدانهای الکترومغناطیسی بر روی بادهای خورشیدی و پرتوهای کیهانی [و آب و هوای زمین] تاثیر می گذارند. آنها در بین کهکشانها گسترش می یابند ، شکل گیری ستارگان را کنترل می کنند و اصل و خاستگاه اصلی انرژی از سیاهچاله ها را کاتالیزه می نمایند.

تمامی نوری که شامل پرتوها از رادیو موج در میان نور مرئی تا اشعه ایکس است ، از جنبش میدانهای الکترومغناطیسی تشکیل شده است. واقعیت شگفت آوری که در قرن نوزدهم صریحا ً توضیح داده شد ، همین مورد بود. تمام اختلافات آشکار میان انواع گوناگون پرتوها تنها از چگونگی سریع یا کند جنبیدن الکترونها ، فرکانس و یا طول موج نور نشات می گیرند. باید توجه کرد که نور در ذات خود از نظر الکتریکی باردار نیست و فقط با بار الکتریکی جفت می شود. نور از همان میدانهای الکترومغناطیسی شکل یافته است که عقربه قطب نما را می گردانند و موهای سر شما را به صورت ایستاده نگه میدارند. همین حضور و حرکت اجسامی که بار الکتریکی دارند ، این میدانها را ایجاد می کند.

الکترومغناطیس به همراه قوانین مکانیک کوانتومی ، ساختار ابرهای الکترونی که بیشتر توده های اتمی را در مواد معمولی بوجود آورده اند ، مشخص می کند. این نیرو همچنین رفتار شیمیایی تمام اتمها و مولکولها و چیزهایی را که ما از آنها درست شده ایم تحت کنترل خود دارد.

نیروی قوی که همچنین نیروی «رنگ دینامیکی» نیز نامیده میشود ، از نظر ریاضی پیچیده ترین نیروهاست. اگر چه این نیرو ، اعتبار مهمی برای ساختن ماده دارد ، در زندگی روزمره به طور مستقیم و واضح درک نمی شود. نیروی قوی بر خلاف بار الکتریکی منفرد ، با یک «بار قوی» مرکب و پیچیده که «رنگ» نامیده میشود ، جفت می گردد و در سه نوع مختلف می باشد : R (قرمز) G (سبز) و B  (آبی). این بارها می توانند در یک ذره منفرد با یکدیگر ترکیب شوند و نیرو به این ترکیب بستگی دارد. نیروهای قوی می توانند از نوع جاذبه یا دافعه باشند. آنها حتی می توانند یک جانبه باشند. در بعضی جهات اغلب توام و در برخی جهات دیگر جدا از هم هستند. نظر به اینکه تنها یک فوتون وجود دارد (و آن یک نوع پرتو الکترومغناطیسی است) ، رنگهای مختلف تنها در بسامد با هم اختلاف دارند. هشت نوع متمایز از گلئونها نیروی قوی را تشکیل می دهند ، هشت نوع مختلف از «نور قوی» بر خلاف فوتونها. گلئونها خودشان بارهای رنگی را که با آنها جفت شده اند ، حمل می کنند. به دلیل اینکه فوتونها از نظر الکتریکی خنثی هستند ، دو پرتو نور به راحتی از میان یکدیگر عبور می کنند. نور هرگز از خود روشنایی ساطع نمی کند و تنها ماده می تواند این کار را انجام دهد. ولی گلئونها از نشر دیگر گلئونها به دست می آیند و خود همیشه گلئونهای دیگری را منتشر می سازند. این «خود واکنشی» ، نیروهای گلئونی موثری را در یک محدوده کوچک به وجود می آورند. آنها هیچ گاه از هم دور نمی شوند و به فواصل دور نمی روند. نیروهای قوی همیشه به خنثی کردن یکدیگر اقدام می کنند. این نیرو تنها در فواصل کوچک و انرژی ذره ای بالا عمل می کنند. این نیرو اندازه ها و اشکال  هسته اتمها و اجتماعات کوچک نوترونها و پروتونها (نوکلئونها) در مرکز اتمها را کنترل می کند. هسته اتم بیشتر جرم اتم را شامل می شود ؛ در واقع بیشتر جرم ، از انرژی گلو ئونیک درست شده است. این مطلب غیر منتظره به نظر می رسد که ما گلوئونها ـ را که ماده نیستند و نیرو می باشند ـ به عنوان تشکیل دهنده بیشتر جرم اجسام تلقی کنیم. ذهن ما چقدر آرامش می باید که مرزهای ناشناخته طبیعت را بپذیرد!! نیروی قوی مشخص می کند که هسته کدامین اتمها در طبیعت به طور پایدار وجود دارند و کدام عناصر شیمیایی می توانند وجود داشته باشند.

نیروی ضعیف ، با بار پیچیده و به خصوصی جفت می شود که « هم اسپین» ضعیف نام دارد. این نام پس از مشاهده رفتار یک اسپین وابسته به ریاضی برگزیده شد. بر خلاف گراویتونها ، فوتونها و گلئونها و بوزونهای W و Z که نیروی ضعیف را منتقل می کنند ، جرم دارند که به این نیرو یک برد بسیار کوتاهی می دهد. در واقع آنقدر کوتاه که واکنشهای ضعیف کاملا ً به ندرت اتفاق می افتند و پرتو تولید شده از ذرات Wو Z حتی نمی توانند به اندازه کافی حرکت کنند تا از یک هسته اتمی بگذرند. اگر چه نیروی ضعیف ، ظریف و کند است ، بسیار حائز اهمیت می باشد ؛ چرا که ذرات را در میان اشکال مختلف و تقریبا ً پایدار تغییر شکل می دهد (به عنوان مثال از نوترون به پروتون). این گونه نابودی ، ترکیب هسته را تغییر می دهد و یک عنصر را بع دیگری متحول می گرداند ؛ پرتوزایی تریتیوم که به عقربه های ساعت نیرو و توان می دهد ، در حال نابودی از یک شکل هیدروژن سنگین به یک ایزوتوپ سبکتر هلیوم می باشد.

شباهتهایی که در میان صفات این نیروها به چشم میخورد ، شاید یک عمومیت ژرفتری از آن چیزی را که تحت الشعاع خود دارند ، منعکس کنند. در سطحی فراتر از دانش ، تمامی نیروها ممکن است در نهایت به عنوان صورتهای مختلف یک نیروی واحد و منفرد شناخته شوند. در واقع مثل همان ارتباطی که پیش از میان نیروی الکترومغناطیسی و نیروی ضعیف ظاهر گردید و هر دو بعنوان نیروی « الکتروضعیف»  با هم متحد شدند. تقارن بنیادین میان این نیروها هم اکنون بعلت پدیده ای که «شکست تقارن اسپوتانئوس» نامیده می شود ، قابل مشاهده است که مجموعه میدانها را وادار به قرار گرفتن در سطح کمترین انرژی هدایت می کند که این سطح تقارن میان نیروها را رعایت نمی کند. در چنین وضعیتی ، برخی از میدانهای الکتروضعیف شبیه به فوتونها و میدانهای دیگر همانند بوزونهای سنگین Wو Z هستند.

فرآیند فرعی مورد علاقه در طی این شکست تقارن این است که به ذرات جرم سکون می بخشد که در غیر اینصورت ، بی جرم خواهند بود ؛ همانند الکترون. هم اینک نظریه های زیادی برای وحدت و یگانگی با شکوه تر نیروها وجود دارند. نظریه های عمده وحدت ، متوجه اتحاد میان نیروهای قوی و الکتروضعیف بوسیله همان طرح رایج برای یگانگی الکتروضعیف هستند. به نظر می رسد که وحدت با نیروی گرانش خیلی مشکلتر باشد و شاید مستلزم اتحاد نیروها با ماده باشد. در واقع این برای نیرویی مناسب است که با تمامی صورتهای انرژی جفت گردد.

A gravitational wave is a ripple in the overall geometry of space and time. As an example of how these ripples are produced, think of man whose mass is 80 kg. All matter is a source of gravity and, according to general relativity; gravity curves space and slows down time. So the 80 kg man is surrounded by a slight warping of space and time commensurate with his mass.

Now suppose that this man begins waving his arms. Although his total mass does not change, how his mass is distributed does change. The geometry of space and time must adapt to these changes, because the gravitational field of the man with his hands over his head is slightly different from that of the man when he has his hands at his sides. These minor readjustments appear as tiny ripples in the overall geometry of space and time surrounding the man. In the same way, a bouncing ball, the Moon going around the Earth, or binary stars all produces gravitational waves. From the equations of general relativity, it is possible to prove that gravitational radiation moves outward from its source at the speed of light.

Gravitational waves are difficult to detect, because they carry very little energy. To appreciate how weak gravitational waves are, imagine two electron separated by a short distance. Because they each possess mass and charge, these electrons exert both gravitational and electric forces on each other. The gravitational force is about 10^42 time weaker than the electric force. If these two electrons are made to wiggle back and forth, they will radiate both gravitational and electromagnetism waves. Because gravity is so much weaker than electromagnetism, the resulting gravitational waves are subdued by a factor of 10^-42 compared to the electromagn