آلبرت اینشتین در اوایل قرن بیستم نشان داد جهان اطراف ما چهاربعدی است، متشکل از سه بعد فضا و یک بعد زمان. اما خیلی زود این پرسش مطرح شد که آیا ابعاد بالاتری نیز وجود دارند یا خیر. نظریه‌پردازان فیزیک سال‌ها است مدل‌های ریاضی پیچیده‌ای را تدوین می‌کنند تا حدی بر ابعاد عالم بیابند. معروف‌ترین این نظریه‌ها قطعا نظریه ریسمان است که پس‌از سال‌ها تلاش، هنوز به یک شاهد تجربی بر تایید پیش‌بینی‌هایش دست نیافته است. مشکل این‌جا است که فیزیک‌دانان دقیقا نمی‌دانند چگونه می‌توان با ابزارهای سه‌بعدی موجود، ابعاد بالاتر را اندازه‌گیری کرد.

یک راه‌حل‌، استفاده از گرانش است، دوربرد ترین نیروی عالم که می‌تواند با نفوذ به ابعاد بالاتر، شواهد مورد نیاز فیزیک‌دانان را فراهم کند. سال‌های سال است فیزیک‌دانان به قانون عکس مجذور فاصله نیوتون مشکوکند و تلاش می‌کنند با انجام آزمایش‌های دقیق بفهمند آیا توان پارامتر فاصله در قانون گرانش عمومی نیوتون عدد صحیح 2 است یا مقادیر اعشاری هم وجود دارد. اگر مقدار اعشاری پیدا شود، قانون گرانش عمومی جدید می‌تواند بخشی از پدیده‌های مبهم اخترشناسی را مانند وجود ماده تاریک به‌سادگی توضیح دهد و احتمالا نشانه‌هایی از ابعاد بالاتر را آشکار کند. به‌تازگی، دو فیزیک‌دان هندی و اوکراینی پیشنهاد داده‌اند یک روش مناسب استفاده از گرانش، و بررسی حرکت اجرام یک منظومه سیاره‌ای کوچک در آزمایشگاهی فضایی است.

تجهیزات پیشرفته و ابزارهای بسیار حساس امروزی موجب شده است فیزیک‌دانان اسرار بیشتری از این عالم را کشف کنند و جالب این‌جا است که روند کشف این اسرار بسیار سریع‌تر از روند درک آنها است. بشر تاکنون توانسته فقط با 4درصد انرژی درون عالم آشنا شود. 96درصد دیگر را ماده تاریک (26درصد) و انرژی تاریک (70درصد) تشکیل می‌دهند که انرژی تاریک را هم تنها شش سال است که می شناسیم. یک پیشنهاد برای انرژی تاریک این است که این موجود اصلا چیز عجیبی نیست، بلکه همان گرانش است که در فواصل بسیار دور به شکل دیگری ظاهر شده است. شاید هم یک بعد بالاتر در این میان نقش دارد.

ایده رفتار متفاوت گرانش در فواصل دور ایده جدیدی نیست. در دهه 1980، اخترشناسان با بررسی داده‌های ارسالی فضاپیماهای پایونیر 10 و 11 متوجه شدند که این فضاپیماها دقیقا در محل پیش‌بینی شده نیستند. نیرویی بیشتر از گرانش خورشید حرکت آنها را کند کرده بود. متاسفانه پایونیرها در معرض نیروهای مختلفی بودند: بادهای خورشیدی آنها را به پیش می‌راندند، پرتوهای کیهانی به آنها ضربه می‌زدند و برخورد با اجرام درون منظومه آنها را به این طرف و آن طرف منحرف می‌کرد. چنین آزمایشگاه شلوغی برای شناسایی نشانه‌های ظریف ابعاد بالاتر مناسب نبود.

وارون صحنی، اخترفیزیک‌دان مرکز درون‌دانشگاهی نجوم و اخترفیزیک پونه، هند و یوری شتانف، عضو هیات‌علمی موسسه فیزیک نظری بگولیوبف در کیف، اوکراین در مقاله‌ای پیشنهاد کرده‌اند آزمایشگاهی ساخته شود تا نیروی گرانش بدون دخالت نیروهای خارجی آزمایش شود. آزمایشگاه پیشنهادی آنها آپسیس (APSIS)  نام دارد که مخفف عبارت منظومه سیاره‌ای مصنوعی در فضا است.

آنها در واقع فضاپیمایی به شکل یک منظومه خورشیدی کوچک را پیشنهاد کرده‌اند که در نقطه دوم لاگرانژی زمین قرار خواهد گرفت، جایی روی خط واصل زمین و خورشید که 1.5 میلیون کیلومتر از زمین دورتر است. گرانش زمین و خورشید در نقطه دوم لاگرانژی به شکلی است که مدار بسیار پایداری با دوره تناوب یک سال ایجاد می‌کند. فضاپیمای WMAP  هم‌اکنون در این ناحیه قرار دارد و تلسکوپ فضایی جیمزوب هم دد سال 2013 به این نقطه پرتاب خواهد شد. این منظومه مصنوعی را فضاپیمایی بزرگ احاطه خواهد کرد که آن را از پرتوهای کیهانی، غبار، بادهای خورشیدی و هر عامل موثر دیگری بر حرکت سیارات کوچک محافظت خواهد کرد. حتی مخزن سوخت فضاپیما که جرمش مرتب کاهش می‌یابد نیز باید در فاصله دوری از این منظومه قرار بگیرد تا آنها تغییرات گرانش مخزن سوخت را احساس نکنند.

وقتی فضاپیما در نقطه دوم لاگرانژی قرار گرفت، سیارات کوچک در مدارهای بیضوی درون پوشش محافظ رها خواهند شد. این سیارات در واقع گوی‌های استانداردی هستند که در فاصله 10 سانتی‌متری جسم مرکزی که کره‌ای 5 کیلوگرمی است، حرکت می‌کنند. فضاپیما هم‌چنین به لیزری مجهز خواهد بود تا اگر سیارات حرکت خود را به‌درستی آغاز نکردند و مدارشان شکل کاملی نداشت، با اعمال فشارهای تابشی پرتوهای لیزر مدارشان را تصحیح کند. ابزارهای بسیار حساس نصب‌شده در فضاپیما در طول چند سال، موقعیت اجرام را با دقت بسیار زیادی زیر نظر خواهد داشت؛ بدین ترتیب هر گونه انحرافی در مدار این سیارات، هرقدر اندک، می‌تواند به تایید یا رد دیگر مدل‌های گرانشی، وجود ابعاد بالاتر، خواص انرژی تاریک و ماده تاریک بیانجامد؛ به‌عنوان مثال اگر دقت اندازه‌گیری انتقال حضیض مدار سیارات به کسری از ثانیه‌قوس برسد، اندازه‌گیری‌ها می‌تواند وجود یا رد بعد پنجم را نشان دهند. اما این طرح تازه ارایه شده و ممکن است سالها طول بکشد تا به مرحله اجرا درآید.

تهیه و گردآوری مقاله : ذوالفقار دانشی

فضا پیمای AKARI آژانس فضایی ژاپن در ادامه ماموریت نقشه برداری فرو سرخ از آسمان ، ابرهای ماژلانی را به تصویر کشید.این ابرها همچون ماهواره ای در اطراف کهکشان راه شیری قرار دارند وبا فاصله ای برابر 160 هزار سال نوری از ما در گروه کهکشان های نا منظم طبقه بندی می شوند. 

نظريه اي كه چند سال اخير ابراز شده بيان مي دارد كه احتمالا فضا و زمان پس از انفجار بزرگ Big Bang آغاز نشده است بلكه فضا و زمان هميشه وجود داشته است و يك چرخه بي پايان از انبساط و انقباض را انجام مي دهد.

پاول استينهارت ، فيزيكدان دانشگاه پرينستون و نيل توروك از دانشگاه كمبريج دو دانشمندي هستند كه اين نظريه را ابراز كرده اند. طبق اين نظريه در هر چرخه جهان از ماده داغ و چگال انباشته مي شود و پس از آن مرحله انبساط را آغاز مي كند كه در طي آن جهان سرد مي شود. تا اينجاي كار همه چيز شبيه تصوير ارائه شده از نظريه انفجار بزرگ است. بعد از گذشت 14 ميليارد سال انبساط جهان شتاب بيشتري به خود مي گيرد. البته مشاهدات تجربي مويد اين نظريه مي باشد. بعد از گذشت تريليون ها سال ماده به طور كامل منتشر شده و به حداكثر انبساط خود مي رسد. تابش نيز در سرتاسر جهان پراكنده مي شود و بدين ترتيب مرحله انبساط جهان متوقف مي شود. در مرحله بعد يك ميدان انرژي ، ماده و تابش هاي جديدي توليد مي كند و بنابراين اين چرخه مجددا شروع مي شود.

اين تئوري جديد پاسخ هاي محتملي را براي چندين مسئله كه مدت هاي مديدي در زمينه انفجار بزرگ در ذهن دانشمندان وجود داشت ؛ پاسخ مي گويد. نظريه انفجار بزرگ طي چند دهه گذشته نظريه غالب در زمينه كيهان شناسي به شمار مي فت. از جمله پرسش هايي كه در نظريه انفجار بزرگ بدون پاسخ مانده است مي توان به پرسش زير اشاره كرد :

"چه چيزي براي اولين بار منفجر شده و چگونه قبل از آغاز زمان آن چيز وجود داشته است؟"

استينهارت ، استاد فيزيك كه از جمله ارائه دهندگان اين نظريه مي باشد در اين زمينه مي گويد : " اين نظريه نيز تفسير هاي موفقيت آميزي در مورد جهان هستي ارائه مي دهد و همانند نظريه انفجار بزرگ ، قادر به توجيه شرايط موجود مي باشد ؛ اما نكته قابل ذكر آن است كه شواهد قاطعي در دست نيست كه بيان كند كداميك از اين نظريه ها صحيح است."

وي در ادامه مي افزايد " "در اين مرحله من نمي توانم هيچ كدام از اين نظريه ها را رد كنم. چيزي كه براي من جالب است اين است كه ما در حال حاضر دو نظريه داريم كه از جهات بسياري با يكديگر فرق اساسي دارند و ما احتمالا تا چند سال آينده مي توانيم به طور تجربي صحت و سقم اين دو نظريه را بررسي كنيم ." نظريه انفجار بزرگ حدودا 60 سال پيش ارائه شده است و در طي اين مدت براي آنكه بتواند مشاهدات تجربي را به نحو شايسته اي توجيه كند ؛ تغييراتي در آن صورت گرفته و تا حدودي توسعه يافته است. يك عنصر بسيار اساسي كه در دهه 1980 به اين نظريه افزوده شده است مفهوم "تورم" است .

مفهوم تورم بيانگر دوره انبساط بسيار سريع است كه در خلال اولين ثانيه هاي بعد از انفجار بزرگ روي داده است. دوره تورم براي تشريح وضعيت يكنواختي و همگوني جهان كه توسط ستاره شناسان مشاهده شده عنصري مهم است . اين مفهوم ضمنا مي تواند توجيه كننده نحوه تشكيل كهكشانها باشد. اين دانشمندان بعد ها مجبور شدند تا به نظريه انفجار بزرگ مفهوم "انرژي سياه" را نيز بيافزايند. به اين دليل مفهوم انرژي سياه به نظريه انفجار بزرگ اضافه شده است كه توجيه گر مشاهدات جديدي باشد كه بيان مي دارد انبساط جهان شتاب بيشتري به خود گرفته است .

در تئوري جديد صحبتي از تورم و انرژي سياه به ميان نمي آيد و اين دو مفهوم با ايده ميدان انرژي جايگزين شده است. بر طبق اين نظريه ميدان انرژي در حال نوساناست و بدين ترتيب زماني باعث انبساط جهان و زماني ديگر باعث ركود مي شود. در عين حال اين نظريه تمام پديده هايي كه اخيرا مشاهده شده اند را به همان خوبي نظريه انفجار بزرگ توجيه كند.

استينهارت كه يكي از پيشگامان ارائه تئوري تورم است در اين زمينه مي گويد : " از آنجايي كه نظريه جديد به مفروضات كمتري نياز دارد ، استفاده از آن آسانتر به نظر مي رسد." حسن ديگر اين نظريه اين است كه مي تواند بدون افزودن مفروضات بيشتري به آن آينده جهان را پيش بيني كند. اين نظريه مي گويد جهان چرخه هاي مشخصي را طي مي كند كه هر كدام از آنها ممكن است تريليون ها سال طول بكشد اما در مقابل نظريه انفجار بزرگ مفهوم تورم نمي تواند آينده دراز مدت جهان را پيش بيني كند . همانگونه كه مفاهيمي همانند انرژي سياه و تورم به طور غير مترقبه مطرح مي شوند ؛ مي توان مفهوم ديگري را نيز به آنها اضافه نمود تا نحوه انبساط را به گونه ديگري توجيه كند در عين حال مدل چرخه اي حاوي چندين مفهوم جديد است كه توروك و استينهارت در طي چند سال گذشته به همراه دنشجويان پرينستون و همكارانشان از دانشگاه پنسيلوانيا و موسسه مطالعات پيشرفته ارائه داده اند. جرميا استريكر استاد اختر فيزيك پرينستون و استاد پروازي اختر فيزيك و فلسفه عملي كمبريج در اين زمينه مي گويد : "اين تحقيقات كه به وسيله پاول استينهارت و نيل توروك انجام گرفته بسيار غير مترقبه و جالب است. اين ايده جديد و بزرگ طي دو دهه گذشته در زمينه هستي شناسي منحصر به فرد است. سر مارتين ريز از محققين انجمن سلطنتي كمبريج خاطر نشان مي سازد كه خواص كليدي و مهم مفاهيم فيزيكي مربوط به جهان در حال انبساط ، همچنان در حد حدس و گمان باقي مانده است و تاكنون مشاهد ه اي يا آزمايش تجربي كاملا آنها را تائيد نكرده است. ريز در ادامه مي افزايد : " در طي 20 سال گذشته نظريات بسيار زيادي ارائه شده است.استينهارت و توروك نيز حدسيات جديدي را كه مبتني بر تصورات است ارائه داده اند. كار آنها تاكيدي است بر اين مطلب كه ما بايد بعضي از مفاهيم روزمره فيزيكي كه براي ما عادي و معمولي است را كنار بگذاريم. به عبارت ديگر ما براي اينكه پيشرفت هاي جديدي را شاهد باشيم لازم است از مفاهيم روزمره فضا و زمان چشم پوشي كنيم.

نظريه چرخه اي جهان بيانگر تركيبي از مفاهيم استاندارد فيزيك و ساير مفاهيم پيشرفته فيزيكي است ، كه نشان دهنده تلاش هاي مجدانه فيزيكدانان براي توسعه يك تئوري فراگير است كه شامل تمام ذرات و نيرو هاي فيزيكي شناخته شده مي باشد. گرچه اين نظريات از رياضيات پيشرفته اي استفاده مي كنند ؛ اما در عين حال مي توانند تصويري از نظريه چرخه اي جهان رانيز ارائه كنند.

براساس اين تئوري ها جهان بايد شامل دو صفحه موازي بسيار بزرگ باشد. براي تجسم بهتر ، دو صفحه كاغذ را كه فاصله آنها بسيار بسيار كم است ؛ را در نظر بگيريد. اين فاصله به عنوان يك بعد ديگر يا بعد پنجم عمل مي كند كه البته تشخيص آن بطور عملي براي ما دشوار است. در مرحله اي از زمان كه ما در آن بسر مي بريم ، صفحات در تمام جهات منبسط مي شوند و تمام جرم و انرژي را كه دارند در جهات مختلف منتشر مي كنند. بعد از گذشت تريليون ها سال ، وقتي كه جهان از جرم و انرژي خالي شد ؛ وارد مرحله اي جديد مي شود . در اين مرحله كه "ركود" ناميده مي شود ؛ انبساط متوقف مي شود و در عوض صفحات شروع به حركت به سمت يكديگر مي كنند؛ و بدين ترتيب بعد پنجم دچار انقباض مي شود. هنگامي كه صفحات منقبض مي شوند كم كم به يكديگر نزديك مي شوند تا در نهايت با يكديگر برخورد كنند. اين برخورد باعث مي شود كه اين صفحات انباشته از ماده چگال شوند و دماي آنها به طور غير منتظره اي بالا رود. اين قسمت پيش بيني ها با مفاهيم ارائه شده توسط مفهوم انفجار بزرگ همخواني دارد. وقتي كه مجددا اين صفحات از يكديگر دور مي شوند بار ديگر انبساط آغاز مي شود . نكته قابل ذكر آن است كه اين صفحات كه در مورد آنها صحبت شد ؛ جهان هاي مختلف و موازي يكديگر نيستند ؛ بلكه در حقيقت قسمت هاي مختلفي از يك جهان هستند. يك قسمت از اين جهان يا يك صفحه شامل تمام ماده معمولي است كه ماهيت آن براي ما آشناست و صفحه ديگر شامل چيزي است كه براي ما ناشناخته است". استينهارت در ادامه مي گويد :

چيزي كه جرم سياه ناميده مي شود و عقيده بر آن است كه قسمت عمده جهان را تشكيل مي دهد در اين قسمت از جهان قرار دارد. بر هم كنش اين دو صفحه فقط براساس جاذبه گرانشي است ؛ يعني اجرام موجود در يك صفحه جاذبه شديدي به اجرام صفحه مقابل وارد مي كنند . استينهارت مي گويد : حركت و خواص اين صفحات از مفاهيم رياضي كه براي بيان آنها به كار گرفته شده است ؛ ناشي مي شود. اين امر برخلاف مفهوم انفجار بزرگ است كه مفهوم انرژي سياه بعدا به آن اضافه شده است تا بتواند مشاهدات تجربي را توجيه كند.

استينهارت و توروك مشغول تعديل و تكميل اين نظريه هستند و در جست و جوي مفاهيم نظري و تجربي مي باشند كه نشان دهنده برتري يكي از اين نظريات بر ديگري باشد. آنها مي گويند : ما مي دانيم كه با مشاهدات دقيق تري كه در دهه هاي آينده و يا حتي در سال هاي آينده انجام مي گيرد شما مي توانيد به صحت و سقم اين نظريات پي ببريد. اينها موقعيت هاي جالبي است كه ما را به سوي خود جذب مي كند . ممكن است به نظر شما يكي از اين نظريات از نظريه ديگر جالبتر باشد ؛ اما به نظر من طبيعت بهترين داور است و مي تواند بگويد كدام نظريه صحيح و كدام غلط است.

We have reached an extraordinary point in the history of science, for some physicists believe they are now on the verge of having a single theory that will unite all of their science under one mathematical umbrella. In particular this theory would unify the two great bastions of twentieth century physics - the general theory of relativity and quantum theory. Since general relativity describes the large scale, or cosmological, structure of the universe, and quantum theory describes the microscopic, or subatomic, structures, the unification of these theories would explain both the very big and the very small. This theory is often referred to as a "theory of everything".

In particular this theory would unify our understanding of all the fundamental physical forces in our universe. There are four such forces that physicists know of: gravity (which keeps planets revolving around their suns, and is responsible for the formation of stars and galaxies), the electromagnetic force (which is responsible for light, heat, electricity, and magnetism; and which is also responsible for holding atoms together), the weak nuclear force (which acts inside atomic nuclei, and is responsible for a certain kind of radioactive decay), and the strong nuclear force (which holds together the protons and neutrons in atomic nuclei, and is therefore crucial to the stability of matter). At the moment, physicists have separate theories for each of these forces, but they would like one unified theory of all four. That goal has partly been realized in that they now have a theory which unifies two of these forces - the electromagnetic and weak forces - but unifying all four is proving to be extremely difficult. Nonetheless, most TOE physicists are confident this goal will be realized in the next few decades.

Theoretical physicist, Steven Weinberg, who played a major role in unifying the electromagnetic and weak forces (for which he was awarded the Noble Prize, along with colleagues Abdul Salam and Sheldon Glasgow), has called a theory of all four forces "a final theory." When physicists find this theory, he and others have suggested, then physics will have effectively achieved its end. Now the entire physical universe would be encompassed by a set of equations - or perhaps just one equation. But the question would still remain, what would that equation mean?

                    http://www.osti.gov/                                      

The Standard Model

In the standard model of particle physics, particles are considered to be points moving through space, tracing out a line called the World Line. To take into account the different interactions observed in Nature one has to provide particles with more degrees of freedom than only their position and velocity, such as mass, electric charge, color (which is the "charge" associated with the strong interaction) or spin.

The standard model was designed within a framework known as Quantum Field Theory (QFT), which gives us the tools to build theories consistent both with quantum mechanics and the special theory of relativity. With these tools, theories were built which describe with great success three of the four known interactions in Nature: Electromagnetism, and the Strong and Weak nuclear forces. Furthermore, a very successful unification between Electromagnetism and the Weak force was achieved (Electroweak Theory), and promising ideas put forward to try to include the Strong force. But unfortunately the fourth interaction, gravity, beautifully described by Einstein's General Relativity (GR), does not seem to fit into this scheme. Whenever one tries to apply the rules of QFT to GR one gets results which make no sense. For instance, the force between two gravitons (the particles that mediate gravitational interactions), becomes infinite and we do not know how to get rid of these infinities to get physically sensible results.

String Theory

In String Theory, the myriad of particle types is replaced by a single fundamental building block, a `string'. These strings can be closed, like loops, or open, like a hair. As the string moves through time it traces out a tube or a sheet, according to whether it is closed or open. Furthermore, the string is free to vibrate, and different vibrational modes of the string represent the different particle types, since different modes are seen as different masses or spins.

One mode of vibration, or `note', makes the string appear as an electron, another as a photon. There is even a mode describing the graviton, the particle carrying the force of gravity, which is an important reason why String Theory has received so much attention. The point is that we can make sense of the interaction of two gravitons in String theory in a way we could not in QFT. There are no infinities! And gravity is not something we put in by hand. It has to be there in a theory of strings. So, the first great achievement of String Theory was to give a consistent theory of quantum gravity, which resembles GR at macroscopic distances. Moreover String Theory also possesses the necessary degrees of freedom to describe the other interactions! At this point a great hope was created that String Theory would be able to unify all the known forces and particles together into a single `Theory of Everything'.

From Strings to Superstrings

The particles known in nature are classified according to their spin into bosons (integer spin) or fermions (odd half integer spin). The former are the ones that carry forces, for example, the photon, which carries electromagnetic force, the gluon, which carries the strong nuclear force, and the graviton, which carries gravitational force. The latter make up the matter we are made of, like the electron or the quark. The original String Theory only described particles that were bosons, hence Bosonic String Theory. It did not describe Fermions. So quarks and electrons, for instance, were not included in Bosonic String Theory.

By introducing Supersymmetry to Bosonic String Theory, we can obtain a new theory that describes both the forces and the matter which make up the Universe. This is the theory of superstrings. There are three different superstring theories which make sense, i.e. display no mathematical inconsistencies. In two of them the fundamental object is a closed string, while in the third, open strings are the building blocks. Furthermore, mixing the best features of the bosonic string and the superstring, we can create two other consistent theories of strings, Heterotic String Theories.

However, this abundance of theories of strings was a puzzle: If we are searching for the theory of everything, to have five of them is an embarrassment of riches! Fortunately, M-theory came to save us.

Extra dimensions...

One of the most remarkable predictions of String Theory is that space-time has ten dimensions! At first sight, this may be seen as a reason to dismiss the theory altogether, as we obviously have only three dimensions of space and one of time. However, if we assume that six of these dimensions are curled up very tightly, then we may never be aware of their existence. Furthermore, having these so-called compact dimensions is very beneficial if String Theory is to describe a Theory of Everything. The idea is that degrees of freedom like the electric charge of an electron will then arise simply as motion in the extra compact directions! The principle that compact dimensions may lead to unifying theories is not new, but dates from the 1920's, since the theory of Kaluza and Klein. In a sense, String Theory is the ultimate Kaluza-Klein theory.

For simplicity, it is usually assumed that the extra dimensions are wrapped up on six circles. For realistic results they are treated as being wrapped up on mathematical elaborations known as Calabi-Yau Manifolds and Orbifolds.

M-theory

Apart from the fact that instead of one there are five different, healthy theories of strings (three superstrings and two heterotic strings) there was another difficulty in studying these theories: we did not have tools to explore the theory over all possible values of the parameters in the theory. Each theory was like a large planet of which we only knew a small island somewhere on the planet. But over the last four years, techniques were developed to explore the theories more thoroughly, in other words, to travel around the seas in each of those planets and find new islands. And only then it was realized that those five string theories are actually islands on the same planet, not different ones! Thus there is an underlying theory of which all string theories are only different aspects. This was called M-theory. The M might stand for Mother of all theories or Mystery, because the planet we call M-theory is still largely unexplored.

There is still a third possibility for the M in M-theory. One of the islands that was found on the M-theory planet corresponds to a theory that lives not in 10 but in 11 dimensions. This seems to be telling us that M-theory should be viewed as an 11 dimensional theory that looks 10 dimensional at some points in its space of parameters. Such a theory could have as a fundamental object a Membrane, as opposed to a string. Like a drinking straw seen at a distance, the membranes would look like strings when we curl the 11th dimension into a small circle.

Black Holes in M-theory

Black Holes have been studied for many years as configurations of spacetime in General Relativity, corresponding to very strong gravitational fields. But since we cannot build a consistent quantum theory from GR, several puzzles were raised concerning the microscopic physics of black holes. One of the most intriguing was related to the entropy of Black Holes. In thermodynamics, entropy is the quantity that measures the number of states of a system that look the same. A very untidy room has a large entropy, since one can move something on the floor from one side of the room to the other and no one will notice because of the mess - they are equivalent states. In a very tidy room, if you change anything it will be noticeable, since everything has its own place. So we associate entropy to disorder. Black Holes have a huge disorder. However, no one knew what the states associated to the entropy of the black hole were. The last four years brought great excitement in this area. Similar techniques to the ones used to find the islands of M-theory, allowed us to explain exactly what states correspond to the disorder of some black holes, and to explain using fundamental theory the thermodynamic properties that had been deduced previously using less direct arguments.

Many other problems are still open, but the application of string theory to the study of Black Holes promises to be one of the most interesting topics for the next few years.

What is a black hole?

A black hole is a region of spacetime from which nothing can escape, even light.

To see why this happens, imagine throwing a tennis ball into the air. The harder you throw the tennis ball, the faster it is travelling when it leaves your hand and the higher the ball will go before turning back. If you throw it hard enough it will never return, the gravitational attraction will not be able to pull it back down. The velocity the ball must have to escape is known as the escape velocity and for the earth is about 7 miles a second.

As a body is crushed into a smaller and smaller volume, the gravitational attraction increases, and hence the escape velocity gets bigger. Things have to be thrown harder and harder to escape. Eventually a point is reached when even light, which travels at 186 thousand miles a second, is not travelling fast enough to escape. At this point, nothing can get out as nothing can travel faster than light. This is a black hole.

Do they really exist?

It is impossible to see a black hole directly because no light can escape from them; they are black. But there are good reasons to think they exist.

When a large star has burnt all its fuel it explodes into a supernova. The stuff that is left collapses down to an extremely dense object known as a neutron star. We know that these objects exist because several have been found using radio telescopes.

If the neutron star is too large, the gravitational forces overwhelm the pressure gradients and collapse cannot be halted. The neutron star continues to shrink until it finally becomes a black hole. This mass limit is only a couple of solar masses, that is about twice the mass of our sun, and so we should expect at least a few neutron stars to have this mass. (Our sun is not particularly large; in fact it is quite small.)

A supernova occurs in our galaxy once every 300 years, and in neighbouring galaxies about 500 neutron stars have been identified. Therefore we are quite confident that there should also be some black holes.

اصل عدم قطعيت هايزنبرگ ديدگاه ما را نسبت به رويدادهاي آينده و نحوه پيش گويي رويدادها از طريق قوانين علمي به كلي دگر گون ساخت. اين مطلب در دهه بيست، هايزنبرگ‏، اروين شرودينگر و پل ديراك را بر آن داشت تا مكانيك را بازسازي نمايند. آنها براساس اصل عدم قطعيت، نظريه جديدي بنام مکانيک کوانتومي تدوين نمودند.

در اين نظريه، ذرات داراي وضعيت و سرعت مجزا و در عين حال مشاهده ناپذير نيستند. بلکه آنها داراي حالت کوانتومي اند که ترکيبي از وضعيت و سرعت مي باشد.
به طور کلي مکانيک کوانتومي، براي يک مشاهده، نتيجه اي واحد را پيش بيني نمي کند. بلکه مجموعه اي از احتمالات را مطرح مي سازد و درجه احتمال هريک را مشخص مي کند. اين بدين معني است که اگر سيستمهاي مشابه بسياري را در شرايط مساوي اندازه گيري کنيم، در مي يابيم که تعداد معيني سيستم در حالت A و تعدادي ديگر در حالت B و... قرار دارند. اما براي يک سيستم منفرد هيچگاه نمي توان گفت که اين سيستم پس از اندازه گيري در کدام حالت قرار خواهد گرفت. مکانيک کوانتومي به اين ترتيب عنصر پيش بيني ناپذيري يا تصادف و احتمال را وارد علم مي کند. انشتين برغم نقش مهمي که در تدوين مکانيک کوانتومي داشت قويا به اين امر اعتراض داشت. او به خاطر آزمايش فوتوالکتريک که يکي از پايه هاي شکل گيري مکانيک کوانتومي به حساب مي آيد، جايزه نوبل دريافت کرد اما با اين همه هرگز نپذيرفت که جهان بر حسب تصادف اداره مي شود. اين جمله معروف او احساساتش را به خوبي بيان مي کند: « خداوند در اداره جهان تاس نمي ريزد.»
 در اينجا به يکي از پارادوکسهاي مطرح شده توسط شرودينگر اشاره مي کنيم.
 فرض کنيد گربه اي در جعبه اي در بسته زنداني است. در اين جعبه يک شيشه گاز سيانور، يک چکش، يک سنسور راديو اکتيو و يک منبع راديو اکتيو نيز وجود دارد. همانطور که مي دانيد ذرات راديو اکتيو بصورت نامنظم تابش مي کنند و به همين دليل براي آنها نيمه عمر در نظر مي گيرند. حال فرض کنيد سنسور و چکش طوري تنظيم شده باشند که در صورت تابش موج راديو اکتيو بين ساعت 12 و 12:01، چکش شيشه حاوي گاز را شکسته و گربه بميرد. اگر شما در ساعت 12:30 درب جعبه را باز کنيد چه خواهيد ديد؟ اگر از طريق فرمول نيمه عمر منبع، احتمال تابش بين ساعت 12 و 12:01 را 90% پيش بيني کنيد. گربه داخل جعبه در هنگام برداشن درب جعبه 90% مرده است و 10% زنده است. اما وقتي درب جعبه را بر مي داريد خواهيد ديد که گربه يا مرده و يا زنده است. نمي توان گفت 90% سلولهاي بدن گربه مرده اند و 10% آنها زنده اند. در فاصله يک لحظه، احتمال به يقين تبديل خواهد شد. اين امر کاملا متضاد با مکانيک کوانتومي مي باشد. همانطور که گفتيم هيچگاه نمي توان موقعيت يک سيستم را به دقت اندازه گيري نمود. اما در اين مثال کاملا اين امر ممکن شده است.
 اين گونه پارادوکسها در مکانيک کوانتومي بسيار زياد است. اما با اين همه مکانيک کوانتومي در پيش بيني نتايج بسياري از آزمايشها به طور درخشاني موفق بوده است و زمينه تقريبا تمامي علم و فن نوين است. بر رفتار ترانزيستورها و مدارهاي مجتمع که جزء اساسي وسائلي نظير تلوزيون و کامپيوترند، فرمان مي راند و نيز بنياد شيمي و زيست شناسي نوين مي باشد.
 تنها مسائل فيزيکي که مکانيک کوانتومي هنوز موفق به يکپارچگي و وحدت آنها نشده است، عبارنتد از: گرانش و ساختمان کلان جهان.

تهيه و گرد آوري مقاله : امير مولايي

عبور نور از ميان جهان در حال انبساط ، انبساط را توجيه مي کند. طول موج هاي نور ، از کهکشانهاي دور دست با سرچشمه گرفتن از منابعشان ، با اندازه تمام جهان به طور متناسب کشيده ميشود. نور آبي کم رنگ ، پس از مدتي معادل بيست درصد توسعه جهان ، زرد مي شود. مدتي بعد ، به اندازه بيست درصد ديگر توسعه ، قرمز مي شود و پس از مدت بسيار طولاني ، هزار مرتبه بيشتر منبسط مي شود و تبديل به ريز موج (Micro Wave) مي گردد و پس از يک دوره يکصد ساله ، توسط عامل ديگري به موج راديويي تبديل مي گردد. اثر انبساط برروي اصل نور ، شبيه به سرد کردن تدريجي اشياء با گذشت زمان مي باشد. جهان خيلي داغ ، شروع شده است و پر از انرژي با طول موج هاي کوتاه راديويي بوده که هم اينک سرد شده اند و به پرتو هاي ريز موج با سطح انرژي پايين تري تبديل گرديده اند. انرژي که کهکشان ها نيز برروي نور بر جاي مي گذارند ، حائز اهميت است: نور از کهکشان هاي بسيار دور که در گذشته از آن جدا شده ، بيشترين کشيدگي (انتقال به سرخ) را تحمل مي کند که نشان دهنده  جهان در گذشته است که کوچکتر بوده و تمام کهکشان هابه يکديگر نزديکتر بوده اند. طول موج هاي نور انتشار يافته ، در يک جهان انبساط يافته ، متناسب با اندازه آن افزايش مي يابند. اندازه جهان را وقتي که نور از جسم جدا ميشود ، مي توان از طريق شناسايي  ميزان کشيدگي تعيين کنيم. طول موج هاي خاصي از نور که به عنوان نور خالص شکل مي گيرد ، متعلق به طول موج اتم هاي ستارگان و گازهاي کهکشاني هستند که از آنان جدا گرديده اند ، يک رنگ خالص سرخ و آشنا مثل رنگ ليزر در CD هاي رايانه اي يا تابلوهاي سوپر مارکتها مي باشند. واقعا ً اين رنگ هميشه به همان صورت است زيرا پرتو ليزر از همان ماده توليد ميشود ؛ لذا اگر رنگ ديگري را ببينيد متوجه مي شويد که انتقال به سرخي روي داده است. سابقا ً يک رنگ را در يک کهکشان دوردست شناسايي و طول موج آن نور را با طول موج هاي شناخته شده اي مقايسه مي کردند و از اين سنجش ، به ميزان انبساط جهان در مدتي که نور در حال سير بوده پي مي بردند. بنابراين دورترين اجسام ، بيشترين سرخ گرايي را داشتند و نورشان بيشترين کشيدگي را داراست.

بنابراين اجرامي که خيلي ساده در سرخ گرايي بالا مورد مطالعه قرار مي گيرند ، نوراني ترين اجرامي هستند که سرچشمه هاي انرژي زايي موسوم به اختروش (Quasar) مي باشند و در مراکز کهکشان ها مستقر شده اند. يعني در بيشترين فاصله اي که تاکنون مشاهده گرديده است. طول موج نوري که امروزه شاهد آن هستيم ، به اندازه اي تقريبا ً شش برابر با مقدار اوليه اش افزايش پيدا کرده است. اين نور زماني اختروش را ترک کرده که جهان به اندازه يک ششم امروز وسعت داشته است. نور در زمانهاي پيشتر ، بيش از اين کشيدگي پيدا کرده است. خود نورِ حاصل از انفجار بزرگ خيلي زودتر سرچشمه گرفته است. حتي پيش از واپاشي ضعيف ؛ هنگاميکه جهان کمتر از يک بيليونيم امروز وسعت داشته و بيشتر از ده بيليون برابر داغتر بوده است.

                               منبع : انفجار بزرگ ؛ نگاهي به چگونگي شکل گيري کيهان  ــ تاليف «کريگ هوگان»

طبق فرضيه تازه اي مهم ترين معماهاي فيزيک در دهه گذشته ، يعني جرم نوترينوها و آهنگ فزاينده انبساط جهان به ذرات بنيادي به نام اکسلرون مربوط مي شود. شايد بتوان دو دستاورد بزرگ فيزيک در دهه گذشته را مربوط به کيهان شناختي دانست ، يکي اينکه نوترينو ها (ذرات زير اتمي بسيار کوچک) جرم ناچيزي دارند که البته هنوز اندازه گيري نشده است و ديگري اينکه سرعت انبساط عالم در حال حاضر در حال افزايش است. سه فيزيکدان در دانشگاه واشنگتن معتقدند که اين دو کشف هر دو بگونه اي به ناشناخته ترين پديده ي کنوني در عالم ، يعني انرژي تاريک مرتبط است ـ ما هنوز به درستي آنرا نمي شناسيم ، تنها مي دانيم عاملي است که بر ضد گرانش ، سبب سرعت بخشيدن به انبساط عالم مي شود ـ آنها معتقدند همه چيز زير سر ذره زير اتمي ديگري است که تاکنون مورد توجه قرار نگرفته است و آنرا «اکسلرون» به معناي شتابگر ناميده اند.

 انرژي تاريک در عالم اوليه چندان قابل توجه نبوده است اما در حال حاضر 70 درصد عالم را اشغال کرده است. شناخت انرژي تاريک به ما کمک مي کند تا بدانيم چرا در زمان دوري در آينده ؛ عالم آن چنان وسعت پيدا مي کند که ديگر هيچ کهکشاني در آسمان شب ديده نمي شود و آيا اين انبساط تا ابد و بينهايت ادامه خواهد داشت؟

در نظريه جديد مطرح شدن نوترينوها تحت تاثير نيروي جديدي که از برهم کنش آنها با اکسلرون ها ناشي مي شود قرار مي گيرد اين نيرو سبب مي شود که نوتيرنو ها از هم فاصله بگيرند. درست مثل اينکه يک تکه کش را از دو طرف بکشيم ، هر چقدر بيشتر کشيده شود ، انرژي بيشتري را در خود ذخيره مي کند. در هر ثانيه تريليونها نوترينو در کوره هستهاي ستارگان از جمله خورشيد ما ساخته ميشود. آنها در همه جاي عالم جريان پيدا مي کنند و ميليارد ها نوترينو از هر نوع ماده اي ، حتي بدن شما بدون هيچ برهمکنشي عبور مي کنند. نوترينو ها بار الکتريکي ندارند و جرم آنها هم آنقدر ناچيز است که هنوز اندازه گيري نشده است. «آن نيلسون»  يکي از ارائه دهندگان نظريه جديد معتقد است برهمکنش ميان اکسلرونها و ذرات ديگر از اين هم ضعيفتر است ، براي همين اين ذرات تاکنون آشکار نشده اند. البته نيرويي که اين ذرات بر نوترينو ها وارد مي کنند ، آنها را تحت تاثير قرار مي دهد و به اين ترتيب بايد بتوان وجود چنين نيرويي را در آشکارسازهاي نوترينوي فعلي که در نقاط مختلف کره زمين وجود دارد نشان داد.

مدلهاي مختلفي براي انرژي تاريک ارائه شده ، اما آزمودن آنها محدود به اندازه گيريهاي دقيق در تغيير سرعت انبساط عالم است. اين امر تنها با رصد اجرام بسيار دور دست امکان پذير است ، اما اندازه گيريهاي دقيق در چنين فاصله هايي بسيار مشکل است. به گفته نيلسون اين تنها روشي است که ما مي توانيم با بکارگيري آشکارسازهاي فعلي در کره زمين به نيرويي که سبب افزايش انرژي تاريک در عالم مي شود پي ببريم.

محققان معتقدند جرم نوترينو در عبور از محيطهاي مختلف ، تغيير مي کند ؛ همانطور که عبور نور از هوا ، آب يا يک منشور متفاوت است. در نتيجه آشکارسازهاي مختلف بسته به اينکه در چه مکاني نصب شده اند ، نتايج متفاوتي به دست خواهند آورد. اما اگر بپذيريم که نوترينو ها نيز بخشي از انرژي تاريک هستند ، وجود نيروي جديدي مي تواند اين افت و خيزها را توضيح دهد. به عقيده نيلسون اين برهمکنش ميان نوترينو ها و اکسلرونها مي تواند تا ابد انرژي لازم براي انبساط عالم را تامين کند.

تا پيش  از اين اخترشناسان به دنبال اطلاعاتي بودند که سرانجام تعيين کنند آيا عالم ما تا ابد منبسط خواهد شد ، يا زماني دوباره در يک «رمبش بزرگ» منقبض شده و روي خودش بسته ميشود. اما حالا بايد به دنبال اين باشيم که آيا سرعت انبساط عالم همچنان افزايش خواهد يافت يا در جايي ثابت خواهد ماند. بر اساس نظريه جديد ، هنگاميکه فاصله نوترينو ها بسيار زياد شود ، جرم آنها نيز آنقدر افزايش پيدا مي کند که ديگر انرژي تاريک بر آنها هيچ اثري نخواهد داشت ، در نتيجه شتاب انبساط عالم کم کم از بين مي رود  ؛ و از اين پس عالم همچنان به انبساط خود ادامه خواهد داد ، اما با سرعتي که دائما ً در حال کاهش است.

                                                بـرگرفتـه از کتاب : فيزيـک از آغـاز تا امـروز

در اوايل قرن نوزدهم ، موفقيت نظريه هاي علمي ، مارکي دو لاپلاس را متقاعد ساخته بود که جهان به طور دربست از جبر علمي پيروي مي کند. وي معتقد بود اگر وضعيت جهان در لحضه اي معين از زمان کاملا معلوم باشد ، مي توان وضعيت آن را در زمانهاي بعدي نيز به راحتي با قوانين علمي پيش بيني نمود.  به طور مثال اگر وضعيت خورشيد و ساير سيارات منظومه شمسي را در زماني معين داشته باشيم مي توانيم وضعيت منظومه شمسي را در هر زمان دلخواه توسط قوانين گرانش نيوتون پيش بيني کنيم. اين مسئله در مکانيک کلاسيک کاملا بديهي به نظر مي رسد و مي توان آن را به راحتي اثبات نمود.  اما لاپلاس از اين هم فراتر رفت و گفت اين مسئله براي تمامي پديده ها از جمله رفتار بشر صادق است و قوانين مشابهي وجود دارد که تمام پديده هاي جهان را پيش بيني مي کند.

  با اينکه اين مطلب با مخالفت بسياري از افراد که مي پنداشتند اين ديدگاه به آزادي خداوند در دخالت در امور جهان خدشه وارد مي کند ، اما تا اوايل قرن حاظر اين فرض ، تنها فرض مورد قبول اهل علم باقي ماند.  يکي از نخستين نشانه هاي سست بودن اين باور کارهاي دانشمندان انگليسي ، لرد ريلي و سر جيمز جينز بود. آنها با ارائه قانون مشهور خود (قانون ريلي جينز)، نشان دادند که يک جسم داغ مثل يک ستاره بايد به طور نا متناهي انرژي تابش کند.  براي نمونه يک جسم داغ بايد همان مقدار انرژي در قالب امواج با بسامدهاي يک و دو مليون مليون موج در ثانيه تابش کند که در قالب امواج با بسامدهاي دو و سه مليون مليون موج در ثانيه تشعشع مي کند. از آنجا که تعداد امواج تابش شده در ثانيه نامحدود است، ميزان انرژي تابشي نيز نا متناهي خواهد بود.
  براي اجتناب از اين نتيجه مضحک ، دانشمند آلماني ماکس پلانک در سال 1900 اظهار داشت که امواج الکترو مغناطيسي مي توانند به ميزان دلخواهي گسيل شوند اما اين گسيل در بسته هاي معيني بنام کوانتوم انجام مي پذيرد. به علاوه هر کوانتوم مقدار معيني انرژي داراست که رابطه مستقيمي با بسامد موج دارد ( E=hn). بنابراين در فرکانسها بالا گسيل يک کوانتوم منفرد انرژي بيشتري نياز دارد. از اين رو تابش در بسامدهاي بالا کاهش مي يابد و ميزان انرژي اي که جسم از دست مي دهد، مقداري معين و متناهي مي شود.
 در سال 1926 دانشمند آلماني ديگري بنام ورنر هايزنبرگ، با استفاده از فرضيه پلانک، اصل معروف خود را بنام اصل عدم قطعيت تدوين نمود. براي پيش بيني وضعيت بعدي يک جسم بايد وضعيت و سرعت کنوني آن را اندازه گيري نماييم. بديهي است براي محاسبه بايد ذره را در پرتو نور مورد مطالعه قرار دهيم. برخي از امواج نور توسط ذره پراکنده خواهند شد و در نتيجه وضعيت ذره مشخص مي شود. اما دقت اندازه گيري وضعيت يک ذره به ناگزير از فاصله بين تاجهاي متوالي نور کمتر است. براي تعيين دقيق وضعيت ذره بايد از نوري با طول موج کوتاه استفاده نمود اما بنا بر فرض کوانتوم پلانک نمي توانيم هرقدر که دلمان خواست مقدار نور را کم کنيم مي توانيم حد اقل از يک کوانتوم نور استفاده کنيم. اين کوانتوم ذره را متأثر خواهد ساخت و به طور پيش بيني ناپذيري سرعت آن را تغيير خواهد داد. از طرف ديگر براي آنکه بتوانيم وضعيت ذره را دقيقتر محاسبه نماييم بايد از نوري با طول موج کوتاهتر استفاده نماييم و در اين صورت انرژي هر کوانتوم نور افزايش يافته و سرعت ذره بيشتر دستخوش تغيير خواهد شد. و اين بدان معنااست که هرچه بخواهيم مکان ذره را دقيق تر اندازه بگيريم دقت اندازه گيري سرعت آن کمتر مي شود و بالعکس. هايزنبرگ نشان داد عدم قطعيت در اندازه گيري مکان ذره ضرب در عدم قطعيت در سرعت آن ضرب در جرم ذره نمي تواند از عدد معيني که به ثابت پلانک معروف است کمتر شود. همچنين اين حد به راه و رش اندازه گيري وضعيت و سرعت ذره بستگي نداشته و مستقل از جرم ذره است. اصل عدم قطعيت هايزنبرگ، خاصيت بنيادين و گريز ناپذير جهان است.
    اين اصل مهر پاياني بود بر نظريه لاپلاس. تنها در صورتي که مشاهده جهان به صورتي باشد که در آن اختلالي ايجاد نکرده و وضع فعلي آن را تغيير ندهد، مي توانيم اميدوار باشيم که اصل عدم قطعيت راه ما را براي شناختن رويدادهاي آينده سد نخواهد کرد. که البته اين امر کاملا غير ممکن است زيرا تنها ابزار شناسايي ما امواج مي باشند. اما هنوز مي توان تصور کرد که مجموعه اي از قانونها وجود دارد که براي موجودات ماوراء طبيعي اي که مي توانند بدون استفاده از امواج، جهان را مشاهده کنند، چند و چون رويدادها را به طور کامل تعيين مي کند. با اين حال مدلهاي اين چنيني از جهان، چندان دردي از ما موجودات فاني و معمولي اين دنيا دوا نمي کند.

    تهيه و گردآوري مقاله : آقای امیر مولایی

پلاسما

تقریبا ً همه در پاسخ به این پرسش که ماده چند حالت دارد، می گویند سه حالت: جامد، مایع و گاز.

ولی چنین نیست گازها در درجه حرارت های بسیار بالا، حالت چهارم ماده را پدید می آورندکه پلاسما نامیده می شود. پلاسما چنانکه که شایسته آن است شناخته نشده، با این حال همه جا می توان آنرا یافت. در جهان از ماده ستارگان گرفته تا پرتوهای کیهانی و در اطراف کره خاکی، درون حوزه مغناطیسی زمین، ماده در حالت پلاسما وجود دارد.

پلاسما چیست؟ پلاسما گازی است که از ذرات باردار تشکیل شده است. در واقع گازها در درجه حرارت های بالا، حالت چهارم ماده را که پلاسما نامیده می شود به وجود می آورند. پلاسما بر حسب شدت یونیزاسیون گاز مورد نظر به دو گروه تقسیم می شوند:

 دسته اول پلاسما هایی که در آنها درصد بالایی از اتم ها یونیزاسیون شده اند و برای همجوشی هسته ای به کار میروند که دمای آنها بسیار بالا و چندین میلیون درجه سانتیگراد است.

و دسته دوم پلاسما هایی که در آنها جزئی از اتم ها یونیزه شده اند و یونیزاسیون، به ندرت به 5 درصد می رسد که دمای آن بین 3^10*2 و 4^10*2 درجه سانتیگراد است و این نوع پلاسماکاربرد صنعتی دارد. در ذوب آهن، تهیه آلیاژهای فولاد و در پرتاب موشک به فضا و همچنین در حفاری مورد استفتده قرار می گیرد.

پلاسما از نظر تولید انرژی قابل ملاحضه است به شرط آنکه کنترل حرارتی همجوشی هسته ای میسر شود. استفاده از پلاسما برای پوشش دهی به فلزات به منظور حفاظت در برابر حرارت زیاد برای اولین بار در صنایع هواپیما سازی مورد استفاده قرار گرفت.

رسانایی پلاسما: پلاسما رسانای بسیار خوبی برای برق است و در مواردی حتی بهتر از بهترین رساناهای فلزی عمل می کند. اگر مقداری گاز معمولی را یونیزه کنیم، یعنی در درون آن تخلیه الکتریکی انجام دهیم، گاز به پلاسما تبدیل می شود زیرا تخلیه الکتریکی سبب می شود که ذرات گاز باردار شوند. هر اتم معمولی از یک هسته با بار مثبت و ابری از الکترون ها با بار منفی در اطراف آن تشکیل شده است. بار الکتریکی اتم در حالت عادی صفر است.

اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گاز معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترون ها، اتم های خود را ترک کنند.

هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار گیرد به طور مثبت باردار می شود. در این حالت است که می گوئیم اتم به یون تبدیل شده است.

الکترون های جدا شده، که بار منفی دارند آزادانه در محیط حرکت می کنند. این الکترون های آزاد از میدان الکتریکی انرژی می گیرد و سرعتشان زیاد و زیادتر می شوند و در این روند به اتم های دیگر برخورد می کنند و سبب آزاد شدن الکترون های بیشتر می شوند. این کار به طور پی در پی صورت می گیرد و به تعداد الکترون های آزاد شده رفته رفته زیادتر می شوند. این فرایند به فرایند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش می یابد و جریان الکتریکی برقرار می شود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی در آن نارسانا بود در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام گیرد، ممکن است تمام اتم های گاز به سبب فرایند آبشار یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.

تولید پلاسما در درجه حرارت های بالا: با رساندن گاز به درجه حرارت های بالا نیز می توان پلاسما بوجود آورد. دمای لازم برای تولید این پلاسمابه روش یونیزاسیون حرارتی بسیار زیاد و از مرتبه دهها هزار درجه سانتیگراد است؛ واقعیت این است که دانشمندان در موارد بسیار نادر و ویژه از این روش برای تولید پلاسما استفاده می کنند.

ولی از طرف دیگر، فیزیکدانان متخصص پلاسما علاقه بسیار زیادی دارند تاد رفتار پلاسمای کاملا ً یونیزه شده در دماهای بسیار بالا را بررسی کنند. در این میان اختر شناسان می توانند در مورد رفتار پلاسما به فیزیکدانان کمک کنند؛ زیرا 99 درصد جهان پلاسما است!!!

در اعماق ستارگان، دما بسیار بالا بوده و تمام ماده به شکل پلاسما است. در این دما چهار هسته ی هیدروژن ( یا پروتون ) با هم ترکیب می شوند و یک هسته هلیوم، بوجود می آورند.در این فرایندکه همجوشی هسته ای نام دارد، انرژی ای که بدست می آید، که از خورشید یا دیگر ستاره ها آزاد می شود در فرایند های همجوشی هسته ای باید گفته شود که این فرایند در بمبهای هیدروژنی در کسری از ثانیه رخ می دهد. دانشمندان تلاش می کنند که با کنترل و ابقای همجوشی هسته ای هیدروژنی به منابع ارزان و پرتوان انرژی دست یایند. از دیگر کابرد های پلاسما می توان به موارد متالوژی ( ذوب آهن )، تهیه آلیاژها، امور نظامی برای پرتاب موشکها به فضا، حفاری، برش قطعات فولادی، در آلمان برای تهیه استیلن، در انگلستان شرکت «توکسید» برای تهیه اکسید تیتانیم، در سوئد برای بازیابی اکسید فلزات در آهن، سرب، قلع و پوشش دهی فلزات به منظور حفاظت آنها در برابر حرارت زیاد که برای اولین بار در صنایع هواپیما سازی و برای محافظت قطعات توربین گاز در هواپیما آغاز شده، نام برد.

منابع:

1- مهندسی هسته ای پایه ؛ تالیفِ  آـ رفوستروآلدایت

2- مبانی فیزیک نوین ؛ تالیفِ وایدنر و سلز

3- سخنرانی دکتر ماشاا... پور منصوری

یکی از مهمترین آزمایشات علمی عصر حاضر جهان هم اکنون به جریان افتاده است.

یک تیم آلمانی / بریتانیایی آشکار ساز عظیم امواج گرانشی موسوم به « GEO 600 » را در یک حالت فعال رصدی قرار دارد.

آزمایشگاه هانوور سعی دارد امواج بسیار ریز ایجاد شده در بافت فضا ـ زمان که حاصل سقوط سیاهچاله ها به درون یکدیگر یا انفجار ستاره های عظیم است را ردیابی کند.

در صورت موفقیت این آزمایشات ، نظریه های بنیادی فیزیک تایید خواهد شد و دریچه تازه ای به روی جهان گشوده می شود تا دانشمندان بتوانند به مطالعه نخستین لحظات خلقت بپردازند.

« ژئو 600 » به موازات یک پروژه آمریکایی موسوم به  « لیگو » ( * ) فعالیت می کند. بعلاوه ممکن است یک آزمایشگاه ایتالیایی نیز ظرف یک سال آینده در جستجوی این امواج به این دو ملحق شود.

برای تصدیق قطعی ردیابی امواج جاذبه لازم است حداقل دو آزمایشگاه مجهز به این ابزارهای فوق العاده حساس وقوع آنرا بطور همزمان ثبت کنند.

بعلاوه یک رصدخانه فضایی که قادر به دیدن انفجارهای اشعه گاما است بطور جداگانه این حادثه را تایید خواهد کرد. دانشمندان انتظار دارند که رویدادهای شدید کیهانی که منجر به تولید امواج گرانشی میشود با انتشار اشعه گاما همراه باشند.

پروفسور کارستن دنزمن ، سرپرست مرکز بین المللی فیزیک گرانشی که بطور مشترک توسط انجمن ماکس پلانک و دانشگاه هانوور اداره میشود گفت : اگر در دو ماه آینده ابرنواختری در همسایگی ما روی دهد ، شانس ما برای آشکارسازی و اندازه گیری امواج گرانشی حاصل از آن نسبتا ً زیاد خواهد بود. وی افزود : نخستین گام بسوی اخترشناسی امواج گرانشی برداشته شده است. پژوهشگران کاملا ً مطمئن هستند که اکنون فن آوری لازم برای ردیابی امواج گرانشی را دارند.

رصدخانه هایی مانند ژئو 600 اشعه لیزر را در طول تونل های بسیار بلند منعکس می کند به این امید که تلاطم های بی نهایت کوچک ناشی از امواج گرانشی را هنگام عبور از زمین تشخیص دهند.

بر خلاف امواج الکترومغناطیسی ، امواج گرانشی خیلی خیلی ضعیف هستند. اگر چنین موجی از زمین رد شود ، فضای خود را در یک بعد کش می دهد در حالیکه آن را در یک بعد دیگر فشرده می کند ؛ اما این تغییرات بسیار کوچک هستند.

تداخل سنج های لیزری در این تشکیلات آزمایشی در جستجوی تلاطم های هستند که اندازه آنها تنها کسری از قطر یک پروتون است.

پروفسور جیم هوگ ، از موسسه تحقیقات گرانشی در دانشگاه گلا سکو در بریتانیا گفت : فکر می کنم محتمل ترین رویدادی که ما می توانیم در این لحظه ردیابی کنیم سیاهچاله های ادغام شونده هستند. ردیابی موفق این امواج آخرین آزمونی است که نسبیت عام آلبرت انیشتین را تایید خواهد کرد.

چنین دستاوردی همچنین راه ظهور نوع تازه ای از علم نجوم را باز می کند ـ نوعی از نجوم که به رصد نور وابسته نیست.  چنین دستاوردی مهم خواهد بود زیرا بخش اعظم کیهان « تاریک » است ؛ غالبا ً ماده موجود در جهان با تلسکوپهای سنتی قابل دیدن نیست.

رویکرد تازه ( عدم تکیه به نور ) به دانشمندان فرصت خواهد داد تا از طریق رصد امواج گرانشی بازمانده از انفجار بزرگ ، که جهان احتمالا ً هنوز آکنده از آن است ، نخستین لحظات پیدایش جهان را مطالعه کنند.

با این حال لازمه این کار در اختیار داشتن فن آوری لیزری فوق العاده حساسی است که قرار است بعدا ً سوار بر ماهواره ها به مدار زمین ارسال شوند. هم اکنون آژانس فضایی آمریکا و اروپا مشترکا ً  در حال کار به روی پروژه ای موسوم به « لیسا » ( ** ) با همین هدف هستند. حتی پیش از آن نیز رصدخانه های فضایی احتمالا ً نقش مهمی در تایید رصدهای زمینی امواج گرانشی بازی خواهند کرد.

* Laser Interferometer Gravitational Observatory Wave

   Space Antenna  ** Laser Interferometer

امکان مسافرت در زمان

گاهی اظهار می شود که امکان مسافرت به زمانهای ماقبل و مابعد وجود دارد. در صورت انجام چنین مسافرتهایی اتفاقات عجیبی رخ می دهد ، مثلا ً نوه می تواند پدر بزرگ خود را در ایام جوانی او ملاقات نماید و در سرنوشت بعدی او تغییر بوجود آورد. در این مقاله سعی بر آنست که این موضوع را از نظر علم فیزیک مورد بررسی قرار دهیم و ببینیم امکان چنین اتفاقی از نظر علم مدرن چگونه است و چنین اتفاقی آیا امکان پذیر است ؟

قبل از نظریه نسبیت خاص ، زمان یک ماهیت مطلق داشت. زمان ِ یک واقعه ـ و به دنبال آن ترتیب زمانی واقعه ـ برای تمامی ناظران یکسان بود ، بعد از تکمیل نظریه نسبیت ؛ زمان ماهیت مطلق خود را از دست می دهد. زمانهای مشاهده شده توسط ناظرهایی که نسبت به همدیگر در حال حرکت هستند بر هم منطبق نیستند. اما همه ناظرین در مورد ترتیب وقایع توافق خواهند داشت. اگر بپذیریم که امکان سرعتهای بالاتر از سرعت نور نیز وجود دارد ، در اینصورت تعدادی از ناظرین چنان مشاهده می کنند که واقعه ای قبل از دیگری اتفاق می افتد ، تعدادی آنها را همزمان درک می کنند و دسته سومی ممکن است ترتیب آنها را معکوس دریابند. ترتیب زمانی موقعی تغییر ناپذیر است که فقط وقایع توسط سیگنالهایی که با سرعتی کمتر یا مساوی با سرعت نور سیر می کنند به هم مرتبط شده باشند.

بر طبق نظریه نسبیت خاص اینشتین اگر شخص با سرعت معینی حرکت کند ، زمانی را که احساس می کند کمتر از شخصی است که ساکن مانده است. به گونه ای که هر چه سرعت حرکت بیشتر باشد ، کند شدن زمان نیز بیشتر خواهد شد تا لحظه ای که سرعت شخص به سرعت نور نزدیک یا برابر آن شود که در این صورت زمان تقریبا ً متوقف خواهد شد ؛ و این تصور به وجود می آید که آیا بازگشت به زمانهای ماقبل امکان پذیر است ؟ توجیه این مسئله بر طبق نظریه نسبیت خاص کار مشکلی است ، چرا که طبق این نظریه ذرات نمی توانند سریعتر از نور حرکت کنند ، در نتیجه نمی توان پس از یک مسافرت سریع به زمانی ماقبل به زمان مبدا حرکت بازگشت. پس مسافرت در زمان در چارچوب نسبیت خاص قابل توجیه نیست. واما با توسل به نظریه نسبیت عام که تعمیم یافته نظریه نسبیت خاص به حرکتهای شتابدار منجمله حرکت در میدانهای گرانشی که در آنها شتاب جاذبه بر اجسام اثر می کند می توان توضیح بهتری داد. مطابق نظریه نسبیت عام قوانین حاکم بر حرکت شتابدار متفاوت از قوانین حاکم بر حرکت یکنواخت و یا بدون شتاب است و اجسامی که تحت نفوذ منفرد یک میدان گرانشی قرار دارند شتابی پیدا می کنند که به هیچ وجه به جنس فیزیکی آن اجسام بستگی ندارد ، در این نظریه خواص هندسی فضا مستقل از ماده نبوده و به وسیله آن تعیین می شود. بدین ترتیب فقط موقعی می توان در مورد ساختار هندسی فضا به نتیجه رسید که وضعیت ماده آن برای ما شناخته شده باشد. به تجربه می دانیم که اگر دستگاه مختصات مناسبی اختیار کنیم سرعت ستارگان در مقایسه با سرعت انتقال نور کوچک می باشد ؛ پس اگر ماده را ساکن فرض کنیم می توانیم به تقریبی (نه چندان نزدیک به واقعیت) در باب ماهیت جهان بعنوان یک کل به نتیجه ای برسیم.

طبق نظریه نسبیت عام طول و زمان تحت تاثیر و نفوذ میدانهای جاذبه ای قرار می گیرند ، و اندازه این نفوذ با تونزیع ماده مطابقت دارد. اگر قرار براین باشد که در جهان چگالی متوسطی از ماده داشته باشیم که این چگالی صفر نباشد ، هر چقدر هم که این چگالی کم باشد ، دیگر جهان نمی تواند شبه اقلیدسی باشد. برعکس ، نتایج محاسبات دلالت بر این دارد که اگر ماده بطور یکنواخت توزیع شده باشد ، جهان می باید لزوما ً کروی (یا بیضوی) باشد. اما چون عملا ً توزیع ماده یکنواخت نیست ، جهان واقعی در تک تک اجزایش از کروی بودن منحرف می گردد. یعنی جهان شبه کروی می گردد. ولی لزوما ً باید دارای نهایتی باشد. در واقع این نظریه اتصال و ارتباط ساده بین انبساط فضای جهان و چگالی متوسط ماده دورن آنرا برای ما بیان می دارد. (در چنین فضای هندسه حاکم برجهان دیگر کوتاهترین مسیر مابین دونقطه نمی تواند یک خط راست باشد.) برای مسافرت در خلال زمان باید تونل یا حفره ای ایجاد کرد که نواحی جدا افتاده از نظر زمان وفضا را بهم ربط دهد. عبور از این حفره به ما این اجازه را میدهد که به گذشته سفر نماییم. اما آیا ایجاد حفره ای با ابعاد ماکروسکوپی که انسان یا سفینه بتواند از آن عبور کند ، امکان پذیر است ؟ به اعتقاد برخی فیزیکدانان تئوری ، مانند استیون هاوکینگ حتی با وجود چنین حفره ای قوانین طبیعت به ما اجازه نمی دهند آنرا تبدیل به ماشین زمان نموده و در خلال زمان مسافرت نماییم. زیرا این عمل موجب آشفتگی در تاریخ می شود و مثلا ً نوه می تواند سرنوشت بعدی پدربزرگ و نسل او را تغییر دهد. اما این در حد یک حدس و گمان است و اثبات نشده است. ولی اگر خمیدگی فضا وزمان را در نظر بگیریم با استفاده از نسبیت عام ، ذرات می توانند در مسرهایی طی طریق نمایند که آنها را به زمانهای قبل پیوند دهد.

آیا نواحی از فضا ـ زمان که اجازه سفر در خلال زمان را بدهند وجود دارد ؟

فضا ـ زمان از حفره میکروسکوپیک یا ماشین های زمانی میکروسکوپیک پر شده است. بر اساس مکانیک کوانتومی برای ایجاد ماشین زمانی انرژی منفی مورد نیاز است. و اما برای ایجاد حرفه های ماکروسکوپیک نبروهای بزرگی لازم است.

حال با توجه به تئوریهای فیزیکی جاری ، آیا برای انسان ممکن است در خلال زمان سفر نماید؟

همانطور که اشاره شد ، بر طبق نظریه های فیزیکی جدید مسیرهایی برای ذرات وجود دارد که به آنها امکان بازگشت به زمانهای ماقبل را می دهد. «پس چرا به نظر می رسد که هیچ ماشین زمانی وجود ندارد ؟» اولین جواب آنست که تئوری کلاسیک یا تئوری کامل را برای جاذبه و فضا ـ زمان تقریب نمی زند. اما دومین جواب بر اساس نتایج اخیر که موسوم به بازدارنده ترتیب زمانی هستند ، عبارتست از اینکه : جاذبه کوانتومی فقط به ساختارهای میکروسکوپی اجازه میدهد تا از اصل علت و معلولی تخلف نمایند ، و میتوان نشان داد که ماهیت ماکروسکوپیک ماده وجود نواحی با حلقه های زمانی ماکروسکوپیک را منع می کند ، برای ایجاد ماشین زمان انرژی منفی مورد نیاز است ، و مکانیک کوانتومی به نظر می رسد فقط به نواحی فوق العاده کوچک اجازه داشتن انرژی منفی را می دهد. و نیروهای مورد نیاز برای ایجاد نواحی با اندازه متعارف با حلقه های زمانی می بایستی فوق العاده بزرگ بزرگ باشند.

نتیجه آنکه : قوانین فیزیک ماشینهای ماکروسکوپیک را رد می کند ، ولی فضا ـ زمان با حلقه های زمانی میکروسکوپیک پر شده است.

چگونه میتوان ماشین زمان ساخت ؟

ساده ترین طریقی که امروزه در مورد آن صحبت می شود این است که حفره ای (تونلی که نواحی جدا افتاده فضا ـ زمان را به طور تصادفی به یکدیگر پیوند دهد) ایجاد نموده و با استفادها ز سرعت نور ، یک سر این حفره را به سر دیگر آن پیوند زد. عبور از این حفره به ما اجازه خواهد داد تا به گذشته سفر کنیم. هر چند در دهه گذشته خصوصیات تئوریکی چنین حفره هایی به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند ، اما اطلاعات کمی در مورد اینکه چگونه میتوان حفره ای ماکروسکوپیک با وسعتی که انسان یا سفینه ای فضایی از آن بتواند عبور کند ساخت ، به دست آمده است. هر چند نظریه های متقارن جاذبه کوانتومی بیان می کند که فضا ـ زمان ساختاری پیچیده و متخلخل با حفره هایی به ابعاد 10^-33 سانتیمتر ، یعنی چندین میلیارد مرتبه کوچکتر از الکترون دارند. بعضی از فیزیکدانان معتقدند شاید بتوان یکی از این حفره های واقعا ً میکروسکوپیک را گرفته و آنرا تا یک اندازه قابل استفاده بزرگ نمود ، اما در حال حاضر این اظهار نظرها تخیلی اند.

حتی اگر یکی از این حفره ها را داشته باشیم ، آیا طبیعت اجازه تبدیل آنرا به یک ماشین زمان می دهد ؟

یک حدس که به «ترتیب زمانی بازدارنده» موسوم است ، بیان می کند که قوانین طبیعت از ایجاد ماشین زمان جلوگیری می کنند. فیزیکدانان جنبه های مختلفی از فیزیک را مورد مطالعه قرار داده اند تا دریابند که چطور این قانون «ترتیب زمانی بازدارنده» می تواند مانع ساختن یک ماشین زمان شود. اما در تمامی این تحقیقات فقط یک بخش فوق العاده کوچکی از فیزیک را دریافته اند که ممکن است استفاده از حفره ها را برای سفر در زمان منع کند. معلوم شده است که اگر ماشین زمان شروع به کار نماید ممکن است انرژی در حالت خلاء یک میدان کوانتیزه بدون جرم بدون حد افزایش یابد ، و در نتیجه استفاده از آن را نا ممکن می کند.

مطالعات اخیر نشان داده اند چگونگی تغییر سریع هندسه فضا ـ زمان در اثر افزایش انرژی د رجلوگیری از عمل ماشین زمان ، چندان روشن نیست. همینطور نشان داده شده که انرژی در حالت خلاء یک میدان دارای جرم به طور نامحدود افزایش نمی یابد. این یافته ها نشان میدهند احتمالا ً راهی برای بکار انداختن ماشین زمان با مهندسی فیزیک ذرات وجود داشته باشد. شاید اعجاب انگیزترین قسمت تحقیقات دهه اخیر آن باشد که هنوز روشن نیست قوانین فیزیک سفر زمانی را منع می کنند ، یا نه ؟ به طور روز افزونی روشن شده است که ممکن است این سئوال همچنان باقی بماند تا اینکه دانشمندان یک نظریه جامع کوانتومی را تکمیل کنند. براساس مطالعات نجومی ، اغلب اظهار نظر می شود که دو نقطه بسیار دور از هم سریعتراز سرعت نور از همدیگر فاصله می گیرند. آیا این موضوع مغایرتی با اظهارات فوق ندارد ؟ گذر زمان در چنین موردی چگونه است ؟

جهان انبساط یابنده بایستی در چهار چوب تئوری نسبیت عام مورد بررسی قرار گیرد. در نسبیت عام حرکت نسبت به سرعت نور به طور موضعی تعریف شده است. فاصله مابین دونقطه دور از هم را می توان به عنوان نتیجه ای از انبساط فضا ـ زمان در هم فرو رفته ، سریعتر از نور افزایش داد. هیچ چیز نمی تواند از فضا سریعتر از سرعت نور عبور کند ، اما فضا خودش می تواند اشیایی را سریعتر از سرعت نور حمل کند. مطابق نسبیت خاص ، ذرات نمی توانند سریعتر از نور حرکت نمایند ، این موضوع موجب می شود که نتوان پس از یک مسافرت بسیار سریع به زمانی قبل از زمان مبدا حرکت بازگشت. اما اگر جاذبه را نیز در نظر بگیریم ، آنگاه فضا ـ زمان انحنا خواهد داشت ، بنابراین جوابهایی برای معادلات نسبیت عام بوجود می آیند که بر طبق آنها ذرات می توانند در مسیرهایی طی طریق نمایند که آنها را به زمانهای ماقبل بازگرداند. جنبه های دیگر هندسه هایی که معادلات نسبیت عام را حل می کنند منجر به لنزهای جاذبه ای ، امواج جاذبه ای و سیاهچاله ها می شوند. کشف انفجارهای بزرگ در ستاره شناسی ناحیه رادیویی و اشعه ایکس در خلال دو دهه گذشته منجر به رصد لنزهایی جاذبه ای ، امواج جاذبه ای شده اند ، و همینطور شواهد آشکاری که وجود سیاهچاله های عظیم الجثه در مراکز کهکشانها و سیاهچاله هایی در اندازه ستاره ایی که از فروریختن ستاره های در حال مرگ به وجود می آیند ، به دست داده است. اما به نظر نمی رسد نواحی از فضا ـ زمان که اجازه سفر زمانی را می دهد ، وجود داشته باشد. سئوال اساسی که به ذهن می رسد این است که چه عاملی مانع آنهاست ؟ و یا اینکه آیا واقعا ً  چنین چیزی امکان پذیر است ؟

منبع : www.scientificAmerican.com