علت تغییر جهت کهکشانها

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 نظریه CDMλ) 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.

پارادوکس البرس

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 در شعرش «طبيعت جهان» انديشه ي جديد جهان نامحدود را مطرح کرد. در سال 1576 توماس گيگز 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» 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 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، 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 نيز در اين مسئله دچار اشتباه شده است. اما منبع مناسبي براي کارش يافت نشده است. نهايتا ً در سال 1826 اخترشناس ويني ، هنريک البرس 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^2باشد.

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، 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!!

گرانش کوانتومی

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 تناقض در قلب فيزيک نظري همچنان يکي از جنجالي 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.

پرفسور عبداسلام

تفکر علمي ، ميراث مشترک بشر است.

پرفسور عبدالسلام متعلق به سه دنيا ست: دنياي اسلام، دنياي فيزيک نظري و دنياي همکاري هاي بين المللي. اين شخص برجسته تنها مسلماني است که به خاطر نظريه وحدت بين دو نيرو از چهار نيروي بنيادي طبيعت موفق به اخذ جايزه نوبل فيزيک سال 1979 شد. يک سال قبل از اينکه جايزه نوبل بگيرد مدال رويال انجمن سلطنتي لندن را گرفت. او عضو خارجي آکادمي علوم ملي آمريکا و شوروي بود. اولين ارتباط او با سازمان ملل به سال 1955 ميلادي برمي گردد ، هنگاميکه او در کنفرانس استفاده هاي صلح آميز از انرژي هسته اي ژنو دبير علمي شد. او شخص بسيار فعالي در پيشرفت تحقيقات علمي در کشورهاي در حال توسعه بود.

در سال 1926 ميلادي در شهرستان کوچکي به نام «جانگ» در پاکستان کودکي مسلمان چشم به جهان گشود. پدرش مسئول دپارتمان آموزشي در يک ناحيه کشاورزي فقيرانه اي بود. در سن 14 سالگي با گرفتن بالاترين نمرات در آزمون ورودي و گرفتن بورسيه وارد دانشگاه «پنجاب» شد و سپس موفق به اخذ درجه کارشناسي ارشد خود در سال 1946 در همان دانشگاه شد و اين درست مقارن با يک سال قبل از تجزيه شبه قاره هند به پاکستان و بهارات (هندوستان) بود. در همان سال اخذ درجه کارشناسي ارشد ، بورسيه دانشگاه کمبريج به او تعلق گرفت و در همان جا بود که دو ليسانس افتخاري رياضيات و فيزيک دانشگاه کمبريج در سال 1949 به وي اعطا شد. در سال 1950 جايزه «اسميت» اين دانشگاه را بخاطر سهم بسزا و برجسته در پيشرفت علم فيزيک دريافت کرد. وي سرانجام موفق شد دکتراي تخصصي خود را در شاخه فيزيک نظري از دانشگاه کمبريج دريافت کند. رساله دکتراي وي که در سال 1951 چاپ شد شامل کار بنيادي وي در الکتروديناميک کوانتومي بود که باعث شهرت بين المللي عبدالسلام شد. در سال 1951 عبدالسلام به پاکستان بازگشت تا رياضيات را در کالج دولتي «لاهور» تدريس کند و در سال 1952 مدير گروه رياضي دانشگاه پنجاب شد وي با قصد ساختن يک مرکز تحقيقاتي به موطن خود بازگشته بود که بزودي متوجه شد اين کار امکان پذير نيست.

با پيگيري يک کار تحقيقاتي در فيزيک نظري وي چاره اي جز ترک موطن خودش نيافت. سالها بهد وي موفق شد راه حلي براي مسئله بغرنج و اندوه آوري که در آن زمان فيزيکدانان جوان و با استعداد نظري در کشورهاي در حال توسعه با آنها روبرو بودند بيابد در The International Center of Theoretical Physics Triste جايي را که وي بنيان نهاده ، به فيزيکدانان جوان لايق اجازه داده مي شود تا تعطيلات شان را در يک فضاي نشاط انگيز در زمينه هاي کاري و تحقيقاتي خودشان بگذارنند و با برگشتن به موطنشان از خستگي درآمده و با طراوت طي نه ماه سال تحصيلي دانشگاهي به کار خود ادامه دهند.  در واقع عبداسلام با تاسيس چنين مرکز فيزيک نظري در «تريست» ايتاليا پل ارتباطي بين دانشمندان شرقي و غربي ايجاد کرد. در سال 1954 عبدالسلام کشورش را بخاطر کرسي استادي دانشگاه کمبريج ترک گفت و از آن زمان به بعد در سمت مشاور سياست علمي کشورش به پاکسان سفر کرد. البته کار عبدالسلام براي پاکستان گسترده و تاثيرگذار تر بود وي عضو کميسيون انرژي هسته اي پاکستان و عضو کميسيون علمي پاکستان و همچنين مشاور علمي رئيس جمهور از سال 1961 تا 1974 بود.

عبدالسلام بيش از 40 سال يک محقق پر تلاش و پرکار در قسمت فيزيک نظري ذرات بنيادي بوده و براي اين کار از غير ضرورياتي مثل تعطيلات ، مهماني ها و ساير تفريحات در زندگي صرفنظر کرد او همچنين از 36 دانشگاه از دانشگاههاي مختلف سراسر دنيا دکتراي افتخاري داشت. پولي را هم که از مدال و جايزه The Atoms For Peace دريافت کرد صرف ايجاد صندوق مالي براي فيزيکدانان جوان پاکستاني کرد که از ICTPT ديدن کنند.

در سال 1979 ، عبدالسلام به اتفاق فيزيکدانان آمريکايي «استيون واينبرگ» و «شلدون گلشو» موفق به اخذ جايزه نوبل فيزيک آن سال بخاطر وحدت نظري و رياضي دو نيرو از چهار نيروي بنيادي طبيعت يعني نيروي الکترومغناطيسي و نيروي ضعيف (نيروي الکتروضعيف) شد. اعتبار نظريه فوق بعدها از طريق آزمايشاتي که توسط فيزيکدانان ايتاليايي «کارلو روبيا» در مرکز سرن ژنو انجام گرفت تاييد شد. عبدالسلام سهم خود را نيز از جايزه نوبل به طور کامل به سود کشورهاي در حال توسعه خرج کرد و حتي يک ريال از آن را براي خود يا خانواده اش خرج نکرد. عبدالسلام هميشه از پيشرفت علم در کشورهاي کمتر توسعه يافته و بخصوص کشورهاي اسلامي دفاع مي کرد. وي در يک سمينار اسلامي که در ژانويه 1987 در کويت برگزار شد علت قدرتمند بودن مسلمانان را در زمانهاي گذشته سه مورد برشمرد: اول اينکه مسلمانان در آن زمان از احکام و دستورات قران کريم و پيامبر (ص) پيروي مي کردند همانطوريکه پيامبر اسلام فرمود که «وظيفه شرعي هر مسلماني ـ اعم از مرد و زن اين است ـ که علم بياموزد» ؛ دوم آنکه دانشمندان اسلامي آن زمان از طرف پادشاهان اسلامي و همچنين جامعه اسلامي حمايت مي شدند ؛ سومين دليل مربوط به اتحاد امت اسلامي است ، ملتهاي مسلمانان در آن زمان با وجود تفاوتهاي سياسي تا آنجائيکه به علوم مربوط مي شد مثل يک کشور واحد عمل مي کردند.

عبدالسلام يک مسلمان ديندار بود که مذهب و دينش جداي از زندگيش نبود بلکه غير قابل جدا شدن از کار و زندگي خانوداگيش بود. وي در جايي نوشت « قران کريم به ما سفارش کرده که در مورد حقايق آفرينش قوانين طبيعت تامل کنيم ؛ نسل ما داراي امتياز ويژه اي است براي درک گوشه اي از الگوي آفرينش خداوندي که سراسر بخشش و توفيق الهي است و من او را با قلبي آکنده از خضوع و فروتني سپاس مي گويم.»

عبدالسلام که از بيماري پارکينسون رنج مي برد سرانجام در بيست و يکم نوامبر 1996 پس از يک دوره بيماري طولاني در اقامتگاه خود در آکسفورد چشم از جهان فرو بست.

هندسه نااقلیدسی و نسبیت عام اینشتین

 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 ؟

نیروهای طبیعت

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.

Gravitational Radiation

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 electromagnetic waves.

Processes involving dramatic changes in intense gravitational fields produce the strongest bursts of gravitational radiation. For example, the collapse of massive star's core during a supernova explosion emits substantial gravitational radiation. Of course, we cannot observe the actual outer layers of light. However, gravitational waves from the collapsing core carry detailed information about how this dense matter is being rearranged. With a gravitational wave antenna, we should be able to observe directly the creation of a neutron star or black hole.

Although an actual burst of gravitational waves has not yet been conclusively detected, many astronomers believe that the effects of gravitational radiation have been observed. In 1974 Joseph Taylor and his colleagues at the University of Massachusetts discovered a pulsar in a binary system. The system apparently consists of two neutron stars separated by only 2.8 solar radii. One of the two stars emits radio pulses every 0.059 second, and the orbital period of the two stars about each other is only 7.75 hours. The average orbital velocity of these stars is thus enormous about  0.1% of the speed of light.

Because these two stars have strong gravitational field and are moving so rapidly, this entire binary system should be a substantial source of gravitational waves. As gravitational radiation carries energy away from the system, the two stars should gradually spiral in closer and closer to each other, causing the orbital period of the two stars to decrease. Because one of the stars is a pulsar, radio astronomers have been able to measure its orbital period with extreme accuracy. These observations prove that the two stars are indeed spiraling in toward each other at exactly the rate required by the emission of gravitational waves.

هشت راز بزرگ (قسمت آخر)

ماده تاریک چیست ؟

تمامی ستاره ها و کهکشانهای جهان ، مجموعا ً تنها 5/0% جرم کل جهان را تشکیل می دهند. حتی اگر جرم توده ابرهای نامریی را که به شکل اتمی در بخشهای دور دست جهان شناورند به این عدد اضافه کنیم ، به چیزی در حدود 4 % کل جرم جهان می رسیم. مابقی جرم جهان از ماده ای ناپیدا که اصطلاحا ً « ماده تاریک » نامیده می شود و همینطور نوعی انرژی اسرار آمیز به نام « انرژی تاریک » تشکیل شده است. اگر چه ماده تاریک از دید مستقیم اخترشناسان پوشیده است اما تاثیرات  و نشانه های آن قابل آشکار سازی است. اینک اخترشناسان به کمک تاثیرات گرانشی این ماده ناپیدا بر روی نور ستارگان دوردست (خم کردن پرتوهای نور) تخمین می زنند که ماده تاریک ، چیزی در حدود 23 % جرم کل جهان را تشکیل می دهند. این ماده به شکل رشته هایی کیهانی بر روی سطوح حبابهایی با ابعادی در حدود صدها میلیون سال نوری منجمد شده است. شکل توزیع ماده تاریک در جهان ، نشان دهنده سرد بودن آن است و به همین علت نیز اغلب « ماده تاریک سرد » نامیده می شود. ماده تاریک به شکل هاله ای کهکشان ما و سایر کهکشانها را در برگرفته است و همین امر نشان می دهد که ذرات تشکیل دهنده آن یا اصلا ً بر هم کنشی با ذرات ماده معمولی ندارند و یا برهم کنش بسیار بسیار ضعیفی  دارند (در غیر این صورت باید در صفحه کهکشان جمع می شدند و نه در اطراف آن). برای اغلب ذرات این ماده عجیب و غریب ، زمانی بیش از عمر کل جهان طول می کشد تا با یکی از ذرات ماده معمولی برخورد کنند.

فیزیکدانان برای آشکار سازی این ذرات پنهان از نظر ، دو راهکار عمده را در پیش گرفته اند. در سناریوی اول ؛ فرض بر آن است که ذرات و پادذرات ماده تاریک در مرکز خورشید و یا مرکز کهکشان با همدیگر (و نه با ذرات ماده معمولی) برخورد می کنند. چنین برخورد منجر به ایجاد ذرات جالب دیگری به نام نوترینو خواهد شد. بنابراین آشکارسازی نوترینوهای یش بینی شده ، دلیلی مبنی بر وجود ذرات ماده تاریک خواهد بود (نوترینوها توسط منابع دیگری نیز در جهان تولید می شوند که باید توسط روش های تجربی ، آنها را از یکدیگر تفکیک نمود.) ؛ بئین منظور ، فیزیکدانان دستگاه های بسیار بزرگ آشکار سازی نوترینوها را در اعماق آبهای دریای مدیترانه و آدریاتیک و همینطور در زیر یخهای ضخیم قطب جنوب ، نصب کرده اند. این آشکار سازها قادر خواهند بود نور ضعیف حاصل از بر هم کنش نوترینو ها با مولکول های آب را ثبت نمایند.

سناریوی دوم ؛ مبتنی بر آشکارسازی مستقیم ذرات ماده تاریک توسط بلور ژرمانیم است. نمونه پیشرفته ای از این آزمایش در 740 متری زیر زمین در یک معدن آهن در مینه سوتای آمریکا در حال انجام است. هیچ کدام از این آزمایشات تاکنون موفق به آشکارسازی مستقیم ماده تاریک نشده اند.

آیا تمامی ماده شناخته شده جهان ، در کهکشانها جمع شده اند ؟

تنها 10 % از ماده معمولی جهان (که اصطلاحا ً ماد باریونی نامیده می شود) در ستاره ها جمع شده اند. اینک اخترشناسان با استفاده از نور اختروش ها (که در فاصله هایی بسیار دور از زمین واقعند و از سیاهچاله ها نیرو می گیرند) درصدد یافتن ماده باریونی ِ بیشتری در جهان هستند. چنانچه نور اختروش ها در مسیر طولانی خود تا رسیدن به زمین از میان ماده باریونی گازی شکل عبور کند ، اتم های گاز ، تاثیر خود را به شکل خطوط جذبی بر روی طیف نوری اختروش ، نقش می زنند. اما اختر فیزیکدانان تا کنون از این طریق ، ماده باریونی اندکی را نسبت به آنچه تصور می کردند ، یافته اند. پس تمام باریون ها کجا رفته اند ؟

اغلب اختر فیزیکدانان بر این باورند که آنها جایی نرفته اند بلکه هنوز هم در اعماق فضا شناورند. اما در طی میلیاردها سالی که از تشکیل این ابرهای باریونی می گذرد ، برخورد اتم های تشکیل دهنده آنها با همدیگر دمای گاز را تا حدود یک میلیون درجه سانتی گراد افزایش داده است. از آنجاییکه گاز در چنین دمایی نور چندانی را نه جذب می کند و نه تابش می نماید ، آشکارسازی آن به این روش برای اخترشناسان ، بسیار دشوار خواهد بود.

دیوید واینبرگ و همکارانش با بکارگیری تلسکوپ فضایی تابش X چاندار سعی در یافتن شواهدی مبنی بر وجود گاز باریونی در هاله ماده تاریک (که کهکشانها را در بر گرفته است) نموده است. او اینک تا 90 % از یافتن نشانه های گاز باریونی ، در طیف جذبی تابش X مطمئن است اما حصول اطمینان بیشتر ، نیازمند زمان رصدی طولانی تری خواهد بود.

انرژی تاریک چیست ؟

انرژی تاریک ،  پدیده اسرار آمیز و ناشناخته ای است که انبساط جهان را شتاب می بخشد. برای آنکه این انرژی ، شتاب فعلی انبساط جهان را تامین کند باید در حدود 73 % کل چگالی جهان را تشکیل دهد. اساسی ترین مسئله در این مورد آن است که هیچ کس از ماهیت انرژی که چنین نقش شگفت انگیزی ایفا کند اطلاعی ندارد. مایکل ترنر از دانشگاه شیکاگو می گوید : « تنها کاری که تا کنون توانسته ایم در ارتباط با این پدیده انجام دهیم ، صرفا ً نام گذاری آن بوده است. این انرژی ممکن است از هیچ (خلا) حاصل شده و یا تاثیری از سایر ابعاد مکانی پنهان در هستی باشد.» هر چند انرژی تاریک ، نقش یک نیروی دافعه کیهانی نظیر ضد گرانش را ایفا می کند اما نمی توان آنرا صرفا ً یک نیرو به حساب آورد چرا که این نیروی دافعه ، تابع ویژگی های ذرات مادی نبوده و مستقیما ً بر روی فضا عمل می کند !

چگالی جهان چقدر است ؟

ماده موجود در جهان در برابر انبساط آن مقاومت می کند. بنابراین اگر چنانچه ماده تاریک وجود نداشت ، انبساط جهان به تدریج متوقف شده و به انقباض تبدیل می شد و نهایتا ً جهان در هم فرو می پاشید. اما انرژی تاریک با نیروی دافعه خود از این کار جلوگیری می کند. انرژی تاریک ، مسبب شتاب گرفتن انبساط جهان است. بنابراین اگر چگالی انرژی تاریک ثابت بوده و یا حداقل مقدار مثبتی باقی بماند ، در این صورت ، انبساط جهان با سرعتی فزآینده ادامه خواهد یافت. اما این احتمال نیز وجود دارد که چگالی انرژی تاریک ، ثابت نبوده و متغیر باشد و حتی ممکن است مقداری منفی پیدا کند که در آن صورت ، جهان را به سوی فروپاشی خواهد برد. مارتین ریس ، اخترفیزیکدان دانشگاه کمبریج می گوید : «اگر  چنانچه چگالی انرژی تاریک حتی به میزان اندکی منفی باشد می تواند منجر به فروپاشی تمامی جهان گردد.»

اکنون ماهیت انرژی تاریک بر ما پوشیده است . بنابر این از سرنوشت جهان هم بی خبریم چرا که سرنوشت جهان ، وابسته به انرژی تاریک است.

هشت راز بزرگ (قسمت دوم)

جهان چگونه پديد آمد ؟

 کيهان شناسان همگي بر اين مسئله توافق دارند که جهان ، در رويدادي منحصر به فرد ما بين 13 تا 14 ميليارد سال پيش بوجود آمد. در طول يک ميکرو ثانيه اول پس از پيدايش ، جهان ، مخلوطي از کوارک ها و ساير ذرات عجيب با دمايي فراتر از حد تصور بود. با پايين تر آمدن اين دما ، کوارک ها گرد هم آمده و ذراتي نظير پروتون ، نوترون و ساير ذرات ديگر را تشکيل دادند. وقتي فقط يک ثانيه از پيدايش جهان گذشته بود ، تنها ذرات بجا مانده در جهان ، نوترون ها ، پروتون ها ، فوتون ها و نوترينو ها بودند. در مدت 200 ثانيه بعدي ، وقوع يک سري از واکنش هاي هسته اي منجر به ايجاد سبکترين سه عنصر موجود در جهان شد.

امواج صوتي حاصل از پژواک مهبانگ ، همانند امواج سطح يک درياچه در ميان ماده فوق العاده گرم و چگال جهان اوليه منتشر شد. انبوهي از الکترون ها که توسط پروتون هاي با بار مثبت جذب مي شدند ، در اين ارتعاشات کيهاني سهيم شده و نقش ايفا کردند. بدين ترتيب ، 380 هزار سال از عمر جهان گذشت. در اين زمان ، دما آنقدر پايين آمده بود که اتم ها بتوانند شکل بگيرند. بنابر اين جهان ، ناگهان شفاف شد و فوتون ها آزاد شدند. فوتون هاي آزاد شده ،آثار افت و خيزهاي دما وچگالي جهان اوليه را به شکل الگويي از تغيير شدت ، با خود حمل کردند. اخترشناسان اين تابش را که براي نخستين بار توسط پنزياس و ويلسون مشاهده شد ، « تابش زمينه ميکرو موج کيهاني » مي نامند. هنگامي که اخترشناسان ، تلسکوپهاي ميکروموجي خود را به هر سو از آسمان نشانه مي روند با تابشي با شدت تقريبا ً يکسان مواجه مي شوند. اما چگونه ممکن است انفجار اوليه پيدايش جهان ، چنين آثار يکنواختي بوجود آورده باشد ؟ گويي تمامي بخش هاي جهان اوليه با همديگر در ارتباط بوده اند. اما اين چگونه ممکن است ؟ آلن ات که سرگرم انديشيدن به اين مسئله بود به پاسخي شگفت انگيز دست يافت ؛ آيا ممکن است تمامي جهان از حبابي بسيار گرم و فوق العاده همگن ايجاد شده و با چنان سرعتي منبسط شده باشد که فرصتي براي تغيير نداشته باشد ؟ اين نظريه که به « نظريه تورمي » شهرت يافت ، نه تنها يکنواختي بسيار بالاي تابش زمينه کيهاني را توضيح مي دهد بلکه علت همان عدم يکنواختي بسيار اندک را نيز تبيين مي کند. بنابر نظريه تورمي گات ، اين عدم يکنواختي ها ناشي از افت و خيزهاي کوانتومي در حين تورم جهان بوده است.

اينک کيهان شناسان در کليت اين مسئله توافق دارند که افت و خيزهاي کوچک در جهان اوليه ، توسط نيروي گرانش تقويت شده و نهايتا ً منجر به پيدايش ساختارهاي بزرگ مقياس جهان که امروزه مي بينيم ( نظير کهکشانها و خوشه هاي کهکشاني ) شده است. اما جزئيات مسئله ، هنوز روشن نيست. نظريه تورمي گات حتي يک پيش بيني قابل آزمودن نيز دارد. مطابق اين نظريه ، يک جهان حبابي که دچار تورم شده ، بايد در مقياس هاي کيهان شناختي ، تخت به نظر برسد. تخت بودن جهان به اين معني است که دو خط موازي حتي اگر در تمامي جهان امتداد داشته باشند ، هيچگاه همديگر را قطع نخواهند کرد.

در سالهاي اخير ، اخترشناسان ، بارها با اندازه گيري ابعاد زاويه اي افت و خيزهاي تابش ميکروموج کيهاني ، نظريه آلن گات را در معرض آزمون گذاشته اند و هر بار به اين نتيجه رسيده اند که جهان تخت است.

اما با اين حال هنوز هيچ کس نمي داند چه عاملي منجر به تورم جهان شد. فيزيکدانان مدل هاي تورمي پيشنهاد کرده اند اما اغلب راه حل هاي پيشنهادي ، تنها راه حل هايي رياضي بوده که هيچ مبناي فيزيکي ندارد. ادوارد کلب ، اخترفيزيکداني از آزمايشگاه ملي شتابدهنده فرمي در اين باره مي گويد : «در واقع ، تمامي نظريات تورمي موجود ، به نوعي اثبات مي کنند که ما هنوز نظريه مناسبي در اين زمينه نداريم. »

چرا جهان از ماده ساخته شده است ؟

اگر جهان کاملا ً متقارن بود ، نه سياره اي در آن بوجود مي آمد و نه انساني ؛ چرا که در آن صورت در لحظات آغازين آفرينش ، تعدادي مساوي از ذرات و پادذرات بوجود مي آمد و اين ذرات و پادذرات ، به سرعت با همديگر برخورد کرده و تبديل به فوتون هاي نور مي شدند. چنين جهاني ، مملو از تابش بود اما هيچ اتمي در آن وجود نداشت. اما نکته عجيب در آن است که جهان ما عملا ً هيچ پادذره اي وجود ندارد. توضيح چرايي اين امر براي نظريه پردازان ، کاري دشوار است. بنابر نظريه آلن گات ، فرآيند تورم جهان بايد منجر به ايجاد مقاديري مساوي از ماده و پادماده در جهان شده باشد. بنابراين سوال اين است که ذرات پادماده کجا غيب شده اند ؟

يک احتمال آن است که پادماده از بين نرفته باشد و هنوز هم در بخش بسيار دوري از جهان که قابل مشاهده نيست ، وجود داشته باشد. در اين صورت ممکن است در بخش هاي دوردست جهان ، پاد کهکشانهايي وجود داشته باشند و پاد انسانهايي در اين پاد کهکشانها زندگي کنند. اما اين مسئله ، خود منجر به نتايج عجيب و غريب ديگري مي شود که هيچ کدام تا کنون مشاهده نشده است.

احتمال ديگر آن است که قوانين فيزيک به گونه اي به نفع ماده باشد که در آغاز ، ذرات بيشتري نسبت به پاد ذرات در جهان ايجاد شده باشد. در اين صورت ، آنچه امروزه در جهان مي بينيم ، چيزي نيست جز همان ذرات اضافي (مابقي ذرات و پادذرات ، همديگر را نابود کرده اند.)

در اواسط دهه 1960 ، دو فيزيکدان به نام هاي جيمز کرونين و وال فيچ ، توسط آزمايشي نشان دادند که حدود 2/0% از واپاشي نوعي از ذرات بنيادي ، تقارن را نقض مي کند. همه از نتايج اين آزمايش شگفت زده شدند. کيهان شناسان در همان زمان اعلام کردند نتايج مزبور ممکن است علت باقي ماندن ماده در جهان را توضيح دهند. اما هنوز سوالات بسياري در مورد اين مسئله ، بي پاسخ مانده است.

کهکشانها چگونه شکل گرفتند ؟

پروتون ها و نوترون ها در جهان اوليه ، تحت تاثير گرانش خود به شکل گروه گروه گرد هم آمدند و همين امر ، منجر به افزايش دماي آنها شد. در اينحال ، باريونهاي پر انرژي ديگري که در زمينه آنها در حال حرکت بودند ، با برخورد به اين توده ها ، انرژي از دست داده و گرفتار نيروي جاذبه آنها شدند. بدين ترتيب خوشه هاي کهکشاني به آرامي و به شکل تارهاي عنکبوتي در سرتاسر کيهان شکل گرفته و بافته شدند.

هر چند نقشه هاي سه بعدي تهيه شده از کهکشانها ، مدل مزبور را تاييد مي کنند اما درک جزئيات اين مدل ، فوق العاده دشوار است. آيا فرآيند برخورد کهکشانهاي مارپيچي با همديگر منجر به شکل گيري کهکشانهاي بيضوي مي شود ؟  اگر چنين است پس چرا زنجيره کهکشانهاي مارپيچي و بيضوي هر يک از الگوي متفاوتي در ساختار حبابي جهان تبعيت مي کنند ؟ پاسخ به اين پرسشها نيازمند زماني طولاني است چرا که اندازه گيري فاصله کهکشانها کاري بسيار زمانبر است. اکنون گروهي از اخترشناسان مشغول ترسيم نقشه اي سه بعدي از چگونگي توزيع يک ميليون کهکشان در جهان هستند. نتايج اين تحقيق ، ما در گشودن راز چگونگي شکل گيري کهکشانها ياري خواهد بخشيد.

هشت راز بزرگ (قسمت اول)

اکتشافات غير منتظره قرن گذشته ؛ اسرار بسياري را در مورد مبدا کيهان آشکار کرده است ، اما هنوز  هم رازهاي بزرگي ناگشوده مانده که گشودن آنها براي اخترشناسان ، سالها طول خواهد کشيد. شايد گاهي فراموش کنيم که تنها همين يک قرن پيش بود که اخترشناسان ، کهکشان راه شيري را تمامي جهان مي پنداشتند. اما اينک در آغاز قرن بيست و يکم ، تصوير ما از جهان بسيار پيچيده تر شده است.

نظريه نسيت عام اينشتين که چگونگي انحناي فضا ـ زمان را تبيين مي کند ، توضيح مي دهد که همانگونه که يک توپ سنگين باعث فرو رفتگي سطح تشک مي شود ، هر جرمي نيز سبب فرو رفتگي اندکي در تار و پود فضا ـ زمان مي گردد. اما اينشتين بر اين باور بود که کل جهان در وضعيتي ايستا است. بدين منظور ، او ساختاري رياضي را به نام ثابت کيهان شناختي به معادلات خود افزود تا با ايجاد يک نيروي دافعه کيهاني ، از فروپاشي جهان به واسطه نيروي گرانشي خود ، جلوگيري کند.

در آن زمان ، يک رياضيدان نا شناس روسي به نام الکساندر فريدمن به اين نکته پي برد که ايده اينشتين در مورد گرانش مي تواند منجر به ديدگاه کاملا ً جديدي نسبت به جهان شود که در آن جهان بجاي ايستا بودن ، در حال انبساط است. اين فرضيه ، يعني جهان در حال انبساط ، توسط يک کيهان شناس و راهب کاتوليک بلژيکي به نام جورج لومتر مورد تاييد واقع شد. او در سال 1927 ، وجود پديده جابجايي دوپلري مشاهده شده در نور کهکشانها را که حاکي از دور شدن آنها از زمين بود ، بعنوان نشانه اي از انبساط جهان معرفي کرد. بر طبق نظريه لومتر ، انبساط جهان از ابعاد کوچک آغاز شده تا به ابعاد بسيار عظيم کنوني رسيده است.

در دهه 1920 بود که ادوين هابل ، اختر شناس مشهور آمريکايي از روشنايي ستارگان متغير براي ايجاد مقياسي جهت اندازه گيري فاصله کهکشانها از زمين استفاده نمود. هابل در تحقيقات خود در يافت  که هر چه فاصله کهکشاني از زمين دورتر باشد ، با سرعت بيشتري از ما دور مي شود. اينک مي دانيم که دور شدن کهکشانها از زمين نه به واسطه حرکت خود کهکشانها ، بلکه بر اثر انبساط کل جهان صورت مي گيرد.

در سال 1948 ، دو فيزيکدان به نامهاي رالف الفر و جورج گاموف بر مبناي مشاهدات هابل و ايده لومتر ، نظريه مشهور « مهبانگ » را ارائه کردند. بنابر نظريه آنها ، انفجار کيهاني تولد جهان در لحظات آغازين خود و در دمايي بسيار بالا ، منجر به ايجاد ذرات ماده شده است. اين ايده عجيب و غريب ، يک پيش بيني قابل آزمودن نيز به همراه داشت اما اين پيش بيني ، به مدت چندين سال ناديده گرفته شد. بنابر پيش بيني مزبور ، يادگار به جا مانده از مهبانگ ، به شکل تابش ميکروموج از زمين قابل آشکار سازي است.

بالاخره در سالهاي 1964 و 1965 ، دو دانشمند از آزمايشگاه هاي بل ، به نامهاي آرنو پنزياس و رابرت ويلسون هنگام استفاده از  راديوتلسکوپي که به منظور برقراري  ارتباط با اولين ماهواره مخابراتي جهان طراحي شده بود ، متوجه وجود امواج ميکروموجي شدند که گويي در تمامي جهان پراکنده شده اند. شدت اين امواج ، مستقل از جهتي بود که راديو تلسکوپ به سوي آن نشانه مي رفت. آنها در ابتدا تصور کردند اين مسئله مربوط به وجود مشکل در گيرنده راديوتلسکوپ است و بنابر اين آنرا از ابتدا تنظيم کرده و اجزا مختلف آنرا تميز کردند اما با اين حال ، سيگنال مربوطه هنوز هم دريافت مي شد. اين دو دانشمند ، راديوتلسکوپ را هم به سوي خورشيد  و هم به سوي صفحه کهکشان راه شيري نشانه گرفتند اما در هر حال در شدت امواج دريافتي ، هيچ تغييري ايجاد نمي شد و اين حاکي از آن بود که اين تابش نه از خورشيد گسيل مي شود و نه از منبعي در داخل کهکشان.

پنزياس و ويلسون خيلي زود متوجه شدند که اين امواج ، همان تابش ميکروموجي است که وجود آن جند سال پيش توسط آلفر و گاموف پيش بيني شده بود. بنابراين ، ديگر نظريه  مهبانگ ، نظريه اي غير قابل باور نبود چرا که نشانه هاي فيزيکي آن پيدا شده بود. اما اين نظريه نيز مانند تمامي نظريات بزرگ قرون گذشته و احتمالا ً همانند تمامي نظريات بزرگي که بعد  از اين مطرح خواهند شد ، بيش از آنکه سئوالات ما را در مورد جهان پاسخ گويد ، سئوالات جديدي در پيش روي ما قرار داد!

حدود 7 سال پيش يعني در سال 1998 ، دو تيم مستقل از اخترشناسان ، يکي از رصدخانه هاي سايدينگ اسپرينگ در استراليا به رهبري برايان اشميت و ديگري از آزمايشگاه ملي لاورنس برکلي در کاليفرنيا به رهبري سائول پرلماتر مشغول ثبت ميزان درخشندگي ابرنواخترهاي دور دست بودند تا به کمک آن ، نرخ کند شدن انبساط جهان را اندازه گيري کنند. اما هر دو تيم به نتايجي شگفت انگيز رسيدند. داستان اين بود که سرعت دور شدن کهکشانهاي دور دست با گذشت زمان ، بجاي کاهش ، افزايش يافته است. بعبارتي ، نرخ انبساط جهان نه تنها در حال کاهش نيست ، بلکه رو به افزايش است !

اين کشف همانند ساير اکتشافات بزرگ گذشته ، سوالاتي را مطرح کرد. اينک مي خواهيم ببينيم مهمترين اسرار ناگشوده کيهان که پيش روي انسان امروز قرار دارند ، کدامند رازهايي که حاصل يک قرن چالش  فکري بشر بوده و هنوز راهي طولاني براي گشودن آنها در پيش است ...

جهان ؛ چند بعدي است ؟

شايد تصور کنيد که بيرون آوردن يک خرگوش از داخل يک کلاه خالي ؛ فقط کار شعبده بازان است ، اما شايد چنين نباشد. به عنوان مثال ، تصور ما بر اين است که در جهاني سه بعدي زندگي مي کنيم ولي شايد اين پنداري نادرست باشد.فيزيکدانان تا کنون رفتار جهان را با کمک چهار بعد تبيين مي کردند : سه بعد مکاني و يک بعد زماني. اين مدل ، آنها را در نبيين بسياري از پديده هاي جهان از انحناي نور درنزديکي خورشيد گرفته تا چگونگي پيدايش سياهچاله ها ، ياري مي بخشيد. اما اينک فيزيکدانان بر اين باورند که ابعاد مکاني جهان بيش از سه بعد است.

اين ايده براي اولين بار از شدت نسبي نيروهاي بنيادين جهان سرچشمه گرفت. مسئله اين بود که هيچ کس نمي دانست که چرا نيروي گرانش تا اين حد از سه نيروي ديگر طبيعت يعني نيروهاي الکترومغناطيسي ، قوي و هسته اي ضعيف ؛ ضعيف تر است. اما اخيرا ً دو فيزيکدان به نام هاي ليزا  راندل از موسسه فناوري ماساچوست و رامان ساندروم از دانشگاه جانز هاپکينز در مريلند آمريکا توضيحي را براي اين مسئله ارائه کرده اند. بر اساس اين توضيح ، ما در يک جهان چهار بعدي زندگي مي کنيم اما ذرات گراويتون که حامل نيروي گرانشي هستند در جهان چهار بعدي ديگري متفاوت از جهان ما بسر مي برند. اين دو جهان د رفاصله اندکي نسبت به همديگر در بعد پنجم هستي واقع اند و وجود همين فاصله است که سبب آفت شدت نيروي گرانشي مي شود.

متخصصان نظريه ريسمان ها از اين هم فراتر مي روند. آنها تمامي نيروهاي بنيادين فيزيک را در قالب يک مدل يازده بعدي از جهان وحدت مي بخشند. در اين مدل ، ذرات بنيادين در واقع ريسمانهايي بسيار کوچک هستند که نوسان مي کنند. اما حتي خوشبينانه ترين متخصصان نظريه ريسمان هم کشف اين ريسمانها را در آينده اي نزديک ، تقريبا ً غير ممکن مي دانند. بنابر نظريه مزبور ، اين ريسمانها يکصد ميليون ميليارد مرتبه کوچکتر از کوچکترين ذرات زير اتمي ايجاد شده توسط قدرتمندترين شتابدهنده هاي موجود هستند.

اما احتمالا ً آزمايشاتي که در آينده اي نزديک صورت خواهد گرفت ، از نشانه هاي بعد پنجم ، پرده برداري خواهد کرد. بنابر پيش بيني راندال و ساندروم ، با راه اندازي شتابدهنده عظيمي که اينک در سويس در حال ساخت بوده و در سال 2007 راه اندازي خواهد شد ، انرژي لازم براي نفوذ گراويتون به جهان ما فراهم خواهد گرديد.

رمز آفرینش هستی

اگر خلقت كيهان آگاهانه و هدفمند است ، آيا خالق پيغامي از خود بجاي گذاشته كه بواسطه آن بتوان به رمز آفرينش هستي پي برد؟

طي مقاله اي كه توسط استفان هسو فيزيكدان دانشگاه اوريگان و آنتوني زي فيزيكدان دانشگاه كاليفرنيا (سانتا باربارا) در مجله اختر فيزيك چاپ شد يك ايده در اين مورد مطرح كردند: اخترشناسان مي توانند در ميان پس زمينه ريز موج كيهاني (cosmic microwave background) كه پژواك مهبانگ است بدنبال پيغامي از خالق باشند. اين فيزيكدانان مي گويند تحقيق ما با طرح اين پرسش كاملاً علمي كه در واقع اگر پيغامي وجود داشته باشد اين پيغام و واسطه آن چيست سعي در پاسخ به آن دارند. هسو و زي مي گويند خالق ناحيه انبساط را بگونه اي ميزان و تنظيم كرده تا يك پيام دوگاني را در نقاط گرم و سرد پس زمينه ريز موج كيهاني رمزگذاري كند. ناحيه انبساط منطقه اي كه مسئول انبساط كيهان اوليه است. اين دو دانشمند مي گويند كه پس زمينه ريز موج مانند "تابلوئي بسيار بزرگ در گستره آسمان است" كه براي تمامي تمدنها در تمامي كهكشانها قابل رویت است. به دليل اينكه مناطق مختلف كيهان آنقدر از هم فاصله دارند كه نمي توان تصور كرد ارتباط آنها بطور اتفاقي صورت گرفته بنابراين فقط يك خالق يكتا مي تواند پيغامي را در اين پس زمينه قرار دهد كه براي تمامي تمدنها قابل ردگيري باشد. در نظر گرفتن تعداد محدود نواحي ناهمگن آسمان ، هسو و زي محاسبه مي كنند كه اين پيغام مي تواند محتوي 100.000 بيت (bit) اطلاعات باشد. براي مثال يك چنين پيغامي ممكن است قوانين بنيادي فيزيك را آشكار كند. پژوهشهاي فعلي مانند كاوشگر ويلكينسان «كه دماي پرتو اين پس زمينه را با دقت بالائي اندازه مي گيرد» تفكيك زاويه اي و حساسيت كافي براي ردگيري نوسانات حرارتي محدودي كه اين پيغام را رمزگذاري كردند را در اختيار ندارند. اما تجهيزات آينده ممكن است توانائي انجام اين كار را داشته باشند. اين فيزيكدانها اصرار دارند كه دانشمندان داده هاي بعدي مربوط به پس زمينه ريز موج را براي يافتن الگوهاي احتمالي تجزيه و تحليل كنند. داگلاس اسكات و جيمز زيبين از دانشگاه بريتيش كلمبيا در كانادا طي مقاله اي ديگر كه در مجله اختر فيزيك منتشر شد مي گويند كه هسو و زي مقدار اطلاعات رمزگذاري شده در پس زمينه ريزموج را زياد بر آورد كردند. هسو در پاسخ مي گويد « هر دو گروه قبول دارند كه يك پيغام كيهاني در پس زمينه ريز موج رمزگذاري شده است. اما بر سر مقدار حجم اين اطلاعات با هم اختلاف نظر دارند.»

تهیه و گردآوری مقاله : آقای فرشید کریمی 

مدل تورم کیهانی

اگر بتوانیم علت انبساط جهان را توضیح دهیم ، می توانیم واقعیتهای دیگری را نیز درک کنیم. بعنوان مثال ، چرا جهان بزرگتر از آن چیزی است که ما اتم می نامیم ؟ این یک پرسش ابلهانه نیست. چرا که بنظر می رسد قوانین فیزیک ، به جهان اجازه می دهند که هر اندازه ای داشته باشد. این پرسش بسیار حائز اهمیت است. چرا که یک واقعیت واضح است که جهان بسیار بزرگتر از اتم باشد تا خیلی چیزها را در درون خود انجام دهد و زمان زیادی را صرف کند. و میدانیم که اندازه مقیاس کیهانی نامحدود و بیکران نیست. چه چیزی اندازه آنرا تعیین می کند؟

مهمترین نیروی طبیعت که در مقیاس بزرگ ، حرکتها را تحت کنترل خود دارد ، گرانش است. در دنیای امروزی ، گرانش را تنها به صورت یک نیروی جاذبه می بینیم که منظومه شمسی را مثل کهکشانی به هم نگه داشته است. ولی حالتهای دیگری نیز وجود دارند که گرانش می تواند به شکل درونی ظاهر می شود. مثل نیرویی که قطبهای شمال دو آهنربا را از هم دفع می کند. یکی از اثرات شگفت انگیز این گرانش دافعه ای ، این است که می تواند جهان را وادار به از هم پاشیدگی کند و باعث آغاز انفجار بزرگ [گردیده است]. این تاثیر ، کانون تفکر الگویی است موسوم به « جهان تورمی».

امکان وجود گرانش دافعه ای ، در نظریه نسبیت اینشتین ظاهر شد. اینشتین نشان داد که کلیه اشکال انرژی هم ارزند و همه آنها با گرانش جفت گردیده اند. تنها ماده نیست که در خلقت گرانش دخیل است ؛ بلکه نیرو نیز در آن سهیم است. حتی نیروهایی که در مقابل گرانش مقاومت می کنند ، مثل فشاری که یک جسم اعمال می کند تا زمین را از فروپاشیدن حفظ کند نیز سهم بسزایی در نیروی گرانش جاذبه ای دارد. زیرا گرانش در ذرات نزدیک به هم ، قویتر می گردد و در چگالترین مواد به صورت قویترین حالت ظاهر می شوند. حالتی وجود دارد که نیروهای فشار در کنار مقاومتی که در برابر از هم پاشیدن می کنند ، خود سهم بسیار زیادی در انرژی فراوانی دارند که خودشان نمی توانند کسب کنند. این نیروهای فشار بر خودشان چیرگی و تسلط دارند ؛ هر چه شدیدتر به بیرون فشار وارد می کنند ، گرانش خودشان بیشتر به داخل فشار می آورد.

توجه کنید که این تناقض به کجا هدایت میشود ؛ هر چه فشار بیشتر در برابر گرانش مقاومت کند ، گرانش نیز بیشتر از خود مقاومت نشان می دهد. این واکنش دوسویه ، مسئول انحراف بردار گرانش در شکل گیری سیاهچاله ها است ، جایی که تمام جرم توسط نیروی گرانش در یک نقطه منفرد متمرکز گردیده است و هسته اولیه و نخستین توده آن بوسیله میدان گرانشی خودش نابود میشود.

در تورم کیهانی هم همین وضعیت ولی در راستای مخالف روی می دهد. کاهش انحراف به راستای امتداد می یابد که هر جسمی را وادار به از هم پاشیدگی سریع بنماید. این اتفاق به این علت رخ می دهد که فشار می تواند به جای مثبت بودن ، منفی باشد.

فشار منفی خیلی غیر عادی نیست. فشار منفی ، فقط یک تنش و کشیدگی است. مثل یک نوار لاستیکی ، یک پل کابلی موقت و یا یک طناب ژیمناستیک که در همه اینها ، یک نیرو بجای از هم پاشیدن آنها را به هم متصل و مقید نگه می دارد. آنچیزی که غیر عادی است ، این است که به گرانش منفی ، یک تنش افزوده می گردد. در همه این مثالها ، تنش مقدار کمی از گرانش دافعه ای را تولید می کند. معمولا ً تنش در مقایسه با چگالی آن قدر ناچیز است که هیچگونه اثری از خود نشان نمی دهد. ولی با همان تناقض که فشار مثبت را باعث می گرد ، از هم پاشیدن اجسام ، می تواند سبب ایجاد گرانش جاذبه ای (فشردن اجسام به یکدیگر) بشود و با فشار منفی (به هم فشردن اجسام به هم) می توان گرانش دافعه ای از هم پاشیدن اجسام را بوجود آورد. و این گونه تفسیر می گردد که چنانچه فشار و کشش افزایش یابند و زیاد شوند ، ناپایداری پیشرفت می کند ؛ هر چه جهان بزرگتر می شود ، بیشتر تمایل به گسترش دارد. نخستین وضعیت پس از پایان یافتن تعادل گرانش جاذبه ای ، هدایت به سوی یک سیاهچاله و دومین حالت ، هدایت به سوی « جهان در حال انبساط» است.

نوع پایداری یا عدم پایداری توسط نوع ماده حاضر مشخص می گردد. حالتهایی که یک فشار منفی سبب ایجاد گرانش مثبت می گردد که نیاز به تنش مقداری ماده که بیشتر از C^2 برابر ثلث چگالی است پیدا می کند. این عدد بسیار بزرگی است و به طور طبیعی اتفاق نمی افتد ولی می تواند در فضای خالی میان کهکشانها روی دهد. اینشتین به این امکان پی برد و آنرا «ثابت کیهان شناختی» نام گذاری کرد.

در مراحل نوین ، اینگونه بیان می کنیم که ممکن است در خلا فیزیکی ـ جایی که هیچ گونه ذره واقعی وجود ندارد ـ انرژی گرانشی صفر نباشد. ممکن است فضای خالی که تمامی صورتهای ماده تهی شده ، به طور کلی خالی نباشد. وقتی که آنقدر خالی باشد که شما بتوانید آنرا درست کنید ، ممکن است هنوز در آنجا انرژی باشد. پس با توجه به این نقص ظاهری ، می توانیم آنرا «خلا مادی» بنامیم. اگر فضای خالی دارای انرژی باشد ، به فشار منفی مربوط است که میل شتاب دادن به انبساط جهان دارد.

بهرحال ، یک تورمی در ابتدا که باید پیش از «سنتز هسته ای» روی داده و خیلی کمتر از یک ثانیه به طول انجامیده باشد ، احتیاج به فشار منفی زیاد و در پی آن به یک چگالی خلا خیلی بیشتر نسبت به مقدار کنونی داشته باشد. پس انرژی خلا باید از یک مقدار زیاد به مقدار کم تغییر کرده باشد. این احتمال به صورت یک امکان فیزیکی معقول و باورکردنی در نظر گرفته نمی شود. ولی پیشرفتهای حاصل شده در زمینه دانسته های ما در مورد زیر بنای نیروهای فیزیکی این گونه آشکار می سازد که نیروها با این عملکرد میدانها باید وجود داشته باشند. بی تردید آنها تقارن موجود در میان واکنشهای نیروی هسته ای ضعیف و الکترومغناطیسی را تکذیب می کنند و توضیح می دهند که چرا ذرات می توانند جرمهای خاص خود را دارا باشند. خلا مورد تقاضای نظریه است که انرژی خود را از مقدار خیلی زیاد و دمای بالا به انرژی بسیار کم و دمای پایین تغییر دهد. ـ حالت نخست ، خلا مصنوعی و حالت دوم ، خلا واقعی نام دارد. همچنین بعید نیست که مجسم کنیم که در بدو پیدایش جهان ، فقط خلا غیر طبیعی حاضر نبوده است بلکه در واقع بر چگالی فشار مثبت مادی ، همچون ماده و پرتو نیز حاکم بوده است.

اگر این اتفاق رخ دهد ، پس نیروی دافعه گرانشی حتی در یک ناحیه کوچک از فضا خیلی زیاد است. دو بخش تقریبا ً مستقل انرژی ، از دفع می شوند نیروی پیوسته و مستمر گرانشی ، آنها را با سرعت بیشتری از هم می راند. یک حجم کوچک از فضا در طی یک سریع ، رشد می کند و به اندازه بسیار بزرگی مبدل می شود. این پایان ناپایدار ، نخستین خصوصیت شگفت انگیز تورم است. به همین علت است که جهان خیلی بزرگتر از یک اتم می باشد. به طور کنجکاوانه ؛ این نیز دومین ویژگی جالب توجه انبساط  است. چگالی مواد در طول این انبساط وسیع ، کاهش نمی یابد. البته  مواد عادی در صورت گسترش و انبساط یافتن ، رقیق می شود ولی انبساط مواد درون خلا این گونه نیست. چنین به نظر می رسد که اثر این قانون انرژی را مطابق با آن ، انرژی تولید و نابود نمی گردد و فقط  از یک صورت به صورت دیگر تبدیل می گردد زیر پا می گذارد. در این جا شما از یک حجم بسیار کوچک ماده ، سخن می گویید و آنرا آغاز می کنید و با یک جهان کامل به پایان می رسانید.

دوباره ، وضعیت مثل آیینه ای عمل می کند که فروپاشی یک سیاهچاله را مجسم می سازد. «نهار آزاد» که متعلق به تورم است ، خیلی با انرژی که اختروشها در نتیجه سقوط ماده به سیاهچاله ها دریافت می کنند فرق نمی کند. در آنجا ، ماده به نقطه مرکزی سقوط می کند و نابود می شود ، در حالیکه انرژی آن به انرژی «گرانشی ضعیف» تغییر شکل می دهد ؛ یک سیاهچاله ، از فضای خالی تشکیل شده که جرم و انرژی در انحنای فضا و در میدان گرانشی است. در واقع ممکن است ماده ای به یک سیاهچاله افزوده گردد در حالیکه جرم آن به چاله اضافه نمی شود و جرم ذره توسط گرانش از هم پاشیده می گردد. در طی عمل گسترش فرآیند معکوس روی می دهد ؛ حجم فوق العاده زیادی از ماده حاصل انرژی (حجمی که نهایت می تواند به نور واقعی و ماده تبدیل گردد) توسط فرآیند گرانش (دافعه) بوجود می آید. اگر چه این رخدادها مثل هیچ جلوه می کنند ، ولی مقدار هنگفتی انرژی در نتیجه صرف مقدار زیادی انرژی گرانشی منفی خلق می شود. بنابراین ، مقدار نهایی انرژی دنیا هنوز خیلی نزدیک به صفر است. ولی آن تاکنون به صورتهای گوناگون از مقدار صفر انرژی و از نقطه بسیار ظریف و کوچک انرژی متحول گردیده و تغییر کرده است. این جهان بزرگی است که با گرانش خود ماده و خلا را به هم نگه می دارد و خود از هر دو آنها درست شده است.

شتابدهنده های ذرات

شتاب دادن ذرات باردار

اگر ذره بارداری از ناحیه ای که در آن میدان الکتریکی برقرار است بگذرد ، به آن نیرویی وارد می شود. ذارتی که بار مثبت دارند ، مانند پروتونها ، در جهت میدان شتاب می گیرند ؛ و سرعت آنها در آن جهت افزایش می یابد. ذراتی که بار الکتریکی آنها منفی است ، مانند الکترونها ، در جهت مخالف با جهت میدان الکتریکی شتاب می گیرند ؛ و سرعت آنها در جهت مخالف افزایش پیدا می کند. این افزایش سرعت ذره سبب افزایش انرژی (جنبشی) ذره می شود که همان هدف اصلی شتابدهنده هاست ؛ یعنی شتابدهنده در واقع انرژی ذره را افزایش می دهد. این افزایش انرژی ، امکان مطالعه واکنشهای بسیار جالبی را برای ذرات فراهم می آورد. ذراتی که در فیزیک انرژیهای زیاد شتاب داده می شوند عبارتند از : پروتون ، پادپروتون ، الکترون و پزیترون. این ذرات ، تنها به دلیل اینکه پایدارند و بار الکتریکی دارند مورد استفاده قرار می گیرند.

شتابدهنده های خطی

شتابدهنده خطی ، ساده ترین نوع شتابدهنده هاست. ذرات از یک سر به درون شتابدهنده وارد می شوند ، در داخل شتابدهنده به وسیله میدان الکتریکی شتاب می گیرند ، و با انرژی بیشتری از سر دیگر آن خارج می شوند. هر چه طول شتابدهنده خطی بیشتر باشد ، انرژی ذره خروجی بیشتر است. آزمایشهای مهمی در آزمایشگاه اسلک (مرکز شتابدهنده خطی استانفورد) در ایالت کالیفرنیا انجام شده است. طول شتابدهنده خطی اسلک اندکی بیش از 3 کیلومتر است و می تواند الکترون و پوزیترون را تا 50 Gev شتاب دهد. سرعت الکترونهایی که از شتابدهنده خطی خارج می شود ، خیلی نزدیک به سرعت نور است. پروتون و پادپروتون را نیز می توان در شتابدهنده خطی شتاب داد ، ولی چون این ذرات جرم خیلی بیشتری دارند (تقریبا ً 2000 برابر جرم الکترون) ، فرآیند شتابدهی هم پیچیده تر و هم پرهزینه تر است.

برخورددهنده های خطی

در سال 1989 در مرکز شتابدهنده خطی استانفورد ، شتابدهنده جدیدی به نام برخورددهنده خطی استانفورد راه اندازی شد. از شتابدهنده های خطی موجود به منظور شتاب دادن یک باریکه پوزیترونی و یک باریکه الکترونی ، در کنار هم ، استفاده می شود. سپس جهت خم کردن ذرات در امتداد دالانهای تازه تاسیسی که امکان برخورد باریکه ها را فراهم می آورند ، از میدانهای مغناطیسی استفاده می شود. در آوریل 1989 ، اولین برخورد میان باریکه الکترونی و پوزیترونی با انرژی 100 Gev به تحقق پیوست. این برخوردها مورد مطالعه قرار گرفتند و فیزیکدانان توانستند جرم ذره Z (یکی از حاملهای نیروی ضعیف) را با دقت بیشتری اندازه گیری کنند. این نوع شتابدهنده یک برخورددهنده تک گذر است ؛ یعنی ، باریکه های ذرات فقط یکبار شانس برخورد دارند ، آنگاه باید با باریکه های جدید همه چیز را از نو شروع کرد.

سنکروترونها

سنکروترون ابزرای است که ذرات را ، با استفاده از یدان الکتریکی در مسیری دایره ای مکررا ً  شتاب می دهد. برای خم کردن مسیر ذرات و حفظ آنها در مسیرهای دایره ای از میدانهای مغناطیسی استفاده می شود. از نظر علمی ، دسترسی به انرژیهای زیادتر برای سنکروترونهای پروتونی بیشتر از سنکروترونهای الکترونی است. هرگاه الکترونها یا پوزیترونها را در یک سنکروترون شتاب بدهیم ، افت انرژی این ذرات در گردش در مسیرها آنچنان زیاد است که قسمت عمده ای از انرژی شتابدهنده در این عمل تلف می شود و صرف شتاب دادن به ذره نمی شود. برای شتاب دادن الکترون و پوزیترون به انرژیهای بیشتر از 10 یا 20 Gev  احتیاج نیست ؛ شتابدهنده های خطی اقتصادی ترین نوع شتابدهنده ها هستند. هر ذره بارداری که در مسیر دایره ای شتاب پیدا کند ، انرژی تابش می کند. مقدار اتلاف انرژی ، بستگی دارد به این که انحنای مسیر دایره ای چه قدر است و نیز اینکه جرم ذره چه قدر است. ذرات سبکتر انرژی بیشتری را از دست می دهند و بنابراین این اتلاف انرژی در مورد الکترون (یا پوزیترون) مشکل جدی تری ایجاد می کند تا در مورد پروتون(یا پادپروتون). همچنین اگر محیط مسیر شتابدهنده خیلی بزرگ باشد ، مشکل کمتری ایجاد می کند. پادپروتونها را می توان به این صورت شتاب داد ، ولی در مورد ای ذرات مشکل اصلی در درجه اول در تولید و انبوه سازی آنهاست. سنکروترون پروتونی به نام شتابدهنده های با هدف ثابت نیز خوانده می شوند ، زیرا باریکه ذرات متحرک به محض اینکه از شتادهنده خارج شوند ، به هدف ساکن برخورد می کنند. عملکرد چنین شتابدهنده ای را می توان شامل سه مرحله دانست :

*  پروتونهای شتاب یافته در شتابدهنده ای خطی به داخل حلقه تزریق می شوند.

*  این ذرات در داخل حلقه آن قدر می جرخند تا به انرژی مورد نظر برسند.

*  این ذرات به صورت باریکه (یا باریکه هایی) از شتابدهنده خارج و به سوی هدف یا آشکارساز روانه می شوند.

یکی از جنبه های بسیار مفید دستگاههای با هدف ثابت توانایی آنها در تولید باریکه های ثانوی است. وقتی پروتونهای باریکه اولیه به هدف ثابت برخورد می کنند ، انواع مختلفی از ذرات تولید می شوند. اگر میدان مغناطیسی را در مسیر این ذرات قرار بدهیم ، ذرات مثبت به یک سو منحرف می شوند ، ذرات منفی به سویی دیگر و ذرات خنثی مسیری مستقیم را طی می کنند. به این ترتیب ، می توانیم باریکه های با بارهای متفاوت را از هم جدا کنیم. با استفاده از روشهای دیگری می توان ذرات را بیشتر جداسازی کرد و باریکه ای یکنواخت از ذرات به دست آورد. برای اینکه چند تایی از سنکروترونهای پروتونی را نام ببریم ، می توانیم از شتابدهنده های مستقر در آزمایشگاه های ملی بروکهاون ، آزمایشگاه فرمی و سرن (CERN) یاد کنیم.

برخورددهنده ها

نوع دیگر شتابدهنده دایره ای که در تحقیقات فیزیک انرژیهای زیاد مورد استفاده قرار می گیرد ، برخورددهنده است. در این نوع ماشین دو باریکه ذرات در جهتهای مخالف شتاب می گیرند. وقتی ذرات به انرژیهای مطلوب رسیدند ، امکان تلاقی مسیرها و برخورد باریکه ها فراهم می شود. در حال حاضر قدرتمندترین شتابدهنده های فرآیندهای انرژیهای زیاد از نوع برخورددهنده ها هستند. بزرگترین برخورددهنده الکترون ـ پوزیترون در جهان LEP  نام دارد. این دستگاه در تابستان 1989 در ژنو راه اندازی شد. آزمایشهای انجام شده در آنجا ، در تعیین سقف مستحکمی برای تعداد نوترینوها و تعیین دقیقتر جرم ذره تبادلی Z موفق بوده اند. احتمالا ً این آخرین برخورددهنده دایره ای الکترون ـ پوزیترون خواهد بود که ساخته شده است ، زیرا برای افزایش انرژی به میزان زیاد به ماشین بسیار بزرگتری نیاز خواهیم داشت ، و می دانیم که طول مسیر پیرامونLEP هم اکنون بالغ بر 27 کیلومتر است. برخورددهنده های الکترون ـ پوزیترون با انرژیهای زیادتر ممکن است با ماشینهایی مانند SLC ، که در آنها از دو شتابدهنده خطی با باریکه های ذره ای شاخ به شاخ استفاده می شود ، قابل حصول باشد. یکی از این انواع برخورددهنده شاخ به شاخ ممکن است تا اواخر دهه جاری ، در روسیه ساخته شود. قرار است که انرژیهای برخوردها در این شتابدهنده حداقل ده برابر LEP باشد. ابر برخورددهنده ابررسانا (SSC) که در تگزاس ساخته خواهد شد ، یک برخورددهنده پروتون ـ پروتون است که در طول مسیر پیرامون دایره ای آن بیش از 80 کیلومتر است. انتظار می رود که از آزمایشهایی که در SSC و LHC (برخورددهنده بزرگ هادرون در سرن ، ژنو) انجام حواهد شد ، مقدار زیادی اطلاعات جالب در مورد ساختار فیزیکی ذرات به دست آید. این آزمایشگاه ها قرار است که در حدود سالهای پایانی این قرن آغاز به کار کنند.

یکی از امتیازات بزرگ برخورددهنده ها عبارت است از مقدار زیاد انرژی قابل حصول در برخورد ها. اتومبیلی را در نظر بگیرید که با سرعت 50 کیلومتر در ساعت در حرکت است و با اتومبیل ساکنی برخورد می کند. خسارت ناشی از این برخورد را برآورد کنید. حال تصور کنید دو اتومبیل که هر دو با سرعت 50 کیلومتر در ساعت حرکت می کنند با هم به صورت شاخ به شاخ برخورد کنند ، خسارت ناشی از این برخورد مسلما ً بیشتر از حالت قبلی است. همین اصول را می توان در مورد شتابدهنده های با هدف ثابت و برخورددهنده ها به کار برد. در برخورددهنده انرژی خیلی بیشتری برای تولید ذرات جدید در اختیار خواهید داشت ؛ بعلاوه دو برابر کردن انرژی باریکه در برخورد دهنده ، انرژی قابل حصول برای تولید ذرات جدید را دو برابر خواهد کرد ، که در کورد ابزارهای با هدف ثابت چنین نیست.