نگاهی به درون حفره‌های کهکشانی

هم‌گرایی گرانشی پدیده‌ای است که به علت خم شدن نور در عبور از نواحی پر جرم اتفاق می‌افتد. داده‌های اخیر نشان دادند که نواحی با جرم بسیار کم (مانند حفره‌های درون کهکشانی) هم می‌توانند سهم مهمی در هم‌گرایی نور داشته باشند.

جرم درون خوشه‌ی کهکشان‌ها باعث پیچش فضا-زمان اطراف خود می‌شود. این پدیده سبب می‌شود تا کهکشان‌های زمینه، روشن‌تر به نظر برسند و یا دچار اعوجاج شوند. گونه مشابه‌ای از  هم‌گرایی گرانشی (gravitational lensing) زمانی اتفاق می‌افتد که نور از درون حفره‌ای با چگالی کمتر از میانگین عبور می‌کند. یافته استاندارد پیش‌بینی می‌کند که این نواحی کم جرم٬ تاثیر کوچکی بر نور کهکشان‌ها دارند٬ اما محاسبات جدید در Physical Review Letters نشان داده که حفره کیهانی تاثیرات زیادی بر نور کهکشان‌ها می‌گذارد (آن‌ها را روشن‌تر می‌کند)٬ به طوری که سیگنال مربوط به هم‌گرایی استاندارد را تحت تاثیر قرار می‌دهد. این نتایج می‌تواند بر توصیف بررسی‌های نجومی بزرگ مقیاس تاثیر بگذارد.

 

منجم‌ها با اندازه‌گیری هم‌گرایی گرانشی٬ می‌توانند جرم جسم گرانشی را به‌دست ‌آورند و یا چگالی جرم را در یک مسیر مشخص تخمین بزنند. بیشترین علت این هم‌گرایی مربوط به نواحی با تمرکز بالای جرم بوده است٬ اما نور می‌تواند با عبور از حفره‌های کهکشان که تمرکز جرم در آن بسیار کم است نیز٬ تحت تاثیر قرار بگیرد. اندازه حفره‌ها‌ی بین کهکشانی بین ده تا صد سال نوری است٬ که جمعاً بیش از نیمی از حجم کیهان را اشغال می‌کنند. مدل‌های پیشین هم‌گرایی گرانشی٬ تنها جنبه‌ی خمیده شدن نور را تحت تاثیر حفره در نظر می‌گرفتند. که این پدیده باعث می‌شود تا جسم زمینه٬ کوچکتر (و تا حد کمی کم نورتر ) از مقدار واقعی به نظر آید.

زیستزو بولیکو (Krzysztof Bolejko) و هم‌کارانش از دانشگاه سیدنی در استرالیا  محاسبات دقیقی بر روی هم‌گرایی از حفره انجام دادند. در تجزیه تحلیل کامل نسبیتی٬ آن‌ها تاثیر افزایش طول موج را درنظر گرفتند. این پدیده به این علت اتفاق می‌افتد که حفره‌ها در کل سریع تر از جهان منبسط می‌شوند. انتقال به سرخ اضافی که در داده‌ها در نظر گرفته شده٬ منجر به تخمین فاصله‌ی اجسامی شده است که نزدیک به نواحی دور حفره قرار دارند. بنابراین آن‌ها روشن‌تر از حد انتظار به نظر می‌رسند. نویسندگان این مقاله فکر می‌کنند که تأثیرات حفره باعث می‌شود تا بتوان برخی از ناهمسانی‌های آماری را در یافته‌های مربوط ابرنواختر توضیح داد.

لینک منبع

لینک مرجع مقاله

نگاهی بر اولین لحظات جهان

مدل جدید کیهانشناسی، توصیف اولین دوره زمانی جهان را به چالش کشیده است؛ دوره ای که با مدل های جاری قابل دسترسی نیست. تورم کیهانی(Cosmological Inflation)، فرضیه ای که بنابر آن، جهان اولیه یک انبساط بی نهایت سریع را تجربه می کند، یک الگوی مورد پسند در کیهانشناسی مدرن است. این نظریه به شکل موفقیت آمیزی توضیح می دهد که چگونه افت و خیزهای کوانتومی خلاء، که در حدود 36-10 ثانیه پس از مهبانگ شروع می شود، می تواند به ساختار بزرگ-مقیاس جهان ما بیانجامد و منجر به پیش گویی هایی شود که با گستره وسیعی از مشاهدات کیهانشناسی تایید شده است. با این وجود کیهانشناسی تورمی نمی تواند نظریه ای نهایی برای جهان باشد. بر طبق این نظریه اگر جهان را در زمان به عقب برگردانیم، بسیار داغ و پر چگال می شود و در نتیجه قوانین فیزیک، که تورم بر پایه آن بنا شده است (نسبیت عام کلاسیکی)، شکست می خورد. در دوره زمانی مشهور به پلانک – که به یک ثانیه پلانک یعنی 43-10 ثانیه، بعد از مهبانگ می رسد، نیروی گرانشی به مقادیر قابل مقایسه با نیروهای اساسی دیگر رسیده و در این رژیم اثرات گرانش کوانتومی اهمیت می یابند و سبب  ایجاد شرایطی می شود که فراتر از فهم و درک سنتی از فضا و زمان است.
 

چه شرایطی مقدم بر تورم وجود داشته و تا چه حدی این شرایط پیش گویی های مدل تورمی را تحت تاثیر قرار می دهد؟ چنین سوالات اساسی کیهانشناسی بی پاسخ مانده اند، چون ما هنوز نظریه ای را سراغ نداریم  که با فیزیکِ پیش از نظریه تورم درگیر باشد و بتواند با ملایمت آن را به دوره تورمی متصل کند. در مجله فیزیکال ریویو لترز (PRL)، اگالوو و همکارانش در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در پارک دانشگاهی، گرانش کوانتومی حلقوی (LQG) - نظریه ای که نامزدی برای گرانش کوانتومی  محسوب می شود– را اتخاذ کرده و از آن برای بسط سناریوی تورمی تا دوره پلانک مورد استفاده قرار داده اند. نویسندگان این مقاله همچنین دریافتند که ویژگی های فاز پیش تورمیِ در نظر گرفته شده، می تواند از یافته های کیهانشناختی قابل مشاهده نیز نتیجه گردد. بنابراین از این طریق  فرصتی برای آزمودن گرانش کوانتومی و سنجش پیش تورمی در مشاهدات نجومی آینده فراهم می آید.

در دهه 1980 گاث، لینده،آلبرشت، و اشتاینهارت نظریه تورم کیهانشناختی را برای توضیح دو معما در مدل مهبانگ کیهانشناسی پیشنهاد دادند: چرا جهان ما تقریباً تخت است (یعنی می تواند بعنوان یک فضای اقلیدسی با انحنای بسیار بسیار کوچک توصیف گردد) و چرا اینگونه به نظر می رسد که نواحی بسیار دور در جهان یک همبستگی غیرتصادفی در دماهایشان دارند. مدل تورمی پاسخ هایی را برای این سوالات فراهم می کند، با اصل قرار دادن اینکه جهان به سرعت با فاکتور حداقل 1078،در دوره زمانی اولیه تحول کیهانی، بسط یافته است. مدلهای بسیاری از تورم وجود دارد، اما به شکل کیفی همه آنها به فیزیک مشابهی منجر می گردد: در طی تورم، افت و خیزهای کوانتومی خلاء به افت و خیزهای چگالی منجر می شود که بعنوان بذرهای اولیه ساختار بزرگ مقیاس جهان کنونی عمل کرده اند. چون این افت و خیزهای چگالی همراه با افت و خیزهای دمایی هستند، نقش قابل مشاهده ای را روی تابش زمینه ریز-موج کیهانی (CMB) می گذارند- به محض اینکه انبساط جهان به فوتونها این امکان را بدهد که آزادانه در فضا حرکت کنند، تابش حرارتی آزاد می شود. پیش گویی های بعمل آمده توسط نظریه تورمی کاملاً با اندازه گیری های مدرن CMB تایید شده است.
برخلاف موفقیت های قابل ملاحظه ی نظریه تورمی، این نظریه مشکلات مختلفی نیز دارد. اولین آنها "مسئله تکینگی" است. در سال 2003 بورده و همکارانش نشان دادند که مدل تورمی پیش بینی می کند که جهان، در صورتی که از لحاظ زمانی به عقب باز گردد به یک نقطه چروکیده میشود- تکینگی مهبانگ- که در آن چگالی انرژی، انحنای فضا-زمان و دما بینهایت هستند. چون نسبیت عام تحت این شرایط فرو می ریزد نظریه تورمی با نزدیک شدن به نقطه تکینگی، نمی تواند معتبر باقی بماند. مشکل دیگرِ مدل تورمی مسئله ی "ترانس-پلانکیان" است: بر اساس این مدل مقیاس های کیهانشناختی جاری از ویژگی هایی نشأت می گیرند که کوچکتر از طول پلانک در آغاز تورم است. طول پلانک ( فاصله طی شده توسط نور در یک ثانیه پلانک) مقیاس طول طبیعی در دوره ی پلانک  است. اما در چنان مقیاس کوچکی، توصیف کلاسیکی فضا-زمان و گرانش نامعتبر است.
در چگالی و انرژی های بالای رژیم پیش تورمی، انتظار می رود اثرات نیروی گرانشی نیز نقش بازی کنند، تحت چنان شرایطی یک نظریه کوانتومی جدید، برای توصیف ریز-ساختار فضا-زمان  نیاز است؛ درست شبیه راهی که مکانیک کوانتومی ریز-ساختار ماده را توصیف می کند. گرانش کوانتومی حلقوی تلاشی است برای ترکیب مکانیک کوانتومی و نسبیت عام. در این نظریه هندسه ی پیوسته کلاسیکی فضا-زمانی با هندسه گسسته کوانتومی جایگزین می شود: می توان فضا را متشکل از "حلقه" های محدود ریز در نظر گرفت.
در طول دهه گذشته، به امید درک فیزیک دوره پلانک و حل مشکلات تکینگی مدلهای مختلفِ کیهانشناختی که شامل تورم می شوند، مدل LQG بکار گرفته شده است (نظریه ای که بعنوان کیهانشناسی کوانتومی حلقوی شناخته شده). اگرگسستگی فضا از چنان اهمیتی برخوردار نباشد، معادلات LQG، مدلهای کلاسیکی کیهانشناسی را بی نهایت خوب تخمین می زنند (شبیه پدیدار شدن مکانیک کلاسیک از مکانیک کوانتومی وقتی اثرات کوانتومی قابل چشم پوشی باشند). با این وجود تفاوت ها زمانی بارز می شوند که انحنای فضازمانی  اهمیت یابد. درمدل LQG ، جهان از تکینگی پدیدار نمی شود بلكه به جای  "مهبانگ" ، "جهش بزرگ" جایگزین می گردد يعني: شروع دوره انبساط به دنبال دوره ی انقباض فاز اوليه جهان. در کاري كه اگالوو و همکارانش انجام داده اند الگوی جهش LQG را پذیرفته شده و مشکل تکینگی مرتفع می گردد. ایده اصلی این گروه تحقیقاتی اين است که در فاز نزدیک به جهش، افت و خیزهای خلاء در طول یک هندسه فضا- زمانی غیر کلاسیکی و کوانتیده و در حجم کوچک تقريباَ 103 مكعب طول پلانک رخ می دهد. این افت و خیزها به عنوان بذرهای اولیه ساختار بزرگ-مقیاس جهان ما عمل می کنند. چون یک نظریه کامل گرانش کوانتومی هنوز قابل دسترسی نیست این محققان بایستی خودشان را به یک تقریب محدود می کردند: آنها افت و خیزها را با استفاده از نظریه میدان کوانتومی استاندارد برطرف می کنند ( همانند کیهانشناسی تورمی). آنان، مزیت نتایج اخیر را اخذ کرده و چگونگی نمو و رشد این افت و خیزها در فضا زمانی که با تکینگی LQG کوانتیده شده را مطالعه می کنند. چون الگوی تورمی از طریق LQG به دوره پلانک توسعه می یابد، ناسازگاری ترانس-پلانکیان نیز حل می شود، چنانچه LQG طولهای زیر-پلانک را به سختي مورد عمل قرار می دهد. بايستي توجه كرد كه سازگاری تحليل آنها به يك فرض مهم متكی است: افت و خیزهای خلاء کوانتومی، هندسه کوانتومی مورد نظر را تحت تاثیر قرار نمی دهد. نویسندگان این مقاله نتیجه می گیرند که برای کلاس بزرگی از شرایط اولیه ممکن، افت و خیزهای خلاء در آغاز تورم، شبیه آنچه در تورم استاندارد مورد بررسی قرار گرفته است، یک مسئله اساسی بشمار می رود. مدلِ بر پایه LQG ی آنها که به شکل شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است، سازگار با پیشگویی های نظری تورمی است و آن را به شکل پیوسته ای به دوره پلانک تعميم مي دهد. با این وجود برای زیرمجموعه ای از چنان شرایط اولیه ای، حالت خلاء ای که LQG پیش بینی کرده به شکل ماهرانه ای متفاوت از آن چیزی است که در تورم فرض شده است. این موضوع به اثر قابل مشاهده بالقوه گرانش كوانتومی می انجامد که می تواند در آزمایشات دقیق CMB ظاهر شود؛ شبیه خواص آماری غیرگاوسی توزیع دمایی ( که اننظار می رود مجزای از پیش گویی های مدل های تورمی استاندارد باشد). چنانچه مشاهدات آینده پیش بینی های LQG را تایید کند دوره دور از دسترس جهان اولیه برای کیهانشناسی، قابل دسترس خواهد بود. با نگاه به جهان بسیار اولیه، زمانی که گرانش با دیگر نیروها هم تراز بوده، می توان کلیدی را برای یک نظریه کاملاً سازگار بدست آورد که نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را متحد کند.
 

جریان تاریک به چالش کشیده شد

پژوهشی جدید نشان داده است که جهان ما به احتمال زیاد، تحت تأثیر کشش گرانشی ساختارهای عظیم و نامرئی کیهانی که در آن‌سوی افق جهان رؤیت‌پذیر ما واقع شده‌اند، قرار "ندارد". دانشمندان در این بررسی، به کمک محاسبات به‌دست آمده از تحلیل انفجارهای ستاره‌ای و همچنین استفاده از قوانین فعلی علم فیزیک، دست به بازآزمایی تئوری معروف "جریان تاریک" زدند و در نهایت، اولین مدارک چالش‌برانگیز علیه این فرضیه را به‌دست آوردند.

در سال ۲۰۰۸ میلادی بود که رصدهای پیوسته اختر‌شناسان از حرکات دسته‌جمعی صد‌ها خوشه کهکشانی، نشان داد هرآن چیزی که در جهان رؤیت‌پذیر ما- و احتمالاً ماورای آن- واقع شده است، با سرعتی معادل ۳/۲ میلیون کیلومتر بر ساعت، در یک جهت مشترک حرکت می‌کنند. از آنجا که چنین پدیده‌ای را با نحوه توزیع فعلی ماده در جهان نمی‌توان توضیح داد، این دانشمندان مدعی وجود توده‌های عظیمی از ماده شدند که بلافاصله بعد از وقوع مهبانگ از مرز جهان رؤیت‌پذیر ما در رفتند و هم‌اکنون تمام ساختارهای کیهانی درون افق را به‌سوی خود می‌کشند.
 
در سال ۲۰۱۰ نیز همین تیم، به پشتوانه داده‌هایی که این‌بار فراوانی‌شان در حدود دو برابر از پژوهش پیشین بیشتر بود، پژوهشی تازه منتشر کرد. براساس این پژوهش، برد تأثیرات پدیده "جریان تاریک"، از برآوردهای گذشته هم بیشتر است و تا فاصله ۲/۵میلیارد سال نوری از زمین ادامه می‌یابد. الکساندر کاشلینسکی (Alexander Kashlinsky)، اخترفیزیکدان مرکز فضایی گادرد ناسا که پژوهش سال ۲۰۰۸ را سرپرستی می‌کرد، گفته بود اگر این یافته‌ها به تأیید قطعی برسند، پدیده جریان تاریک، درک فعلی از جایگاه کیهانی ما را متحول می‌کند؛ چراکه وجود ساختارهای عظیم‌الجثه در فراسوی مرزهای جهان رؤیت‌پذیر، حکایت از این می‌کند که جهان ما، ممکن است عضوی از یک "ابرجهان" باشد.
 
هیچ‌جا مثل خانه آدم نمی‌شود
 
پژوهشی تازه نیز که این‌بار به جای خوشه‌های کهکشانی، سراغ انفجارهای ستاره‌ای (موسوم به ابرنواختر‌ها) رفته است تا پی به ماهیت جریان تاریک ببرد، از وجود چنین جریانی خبر داده است، اما داده‌های ابرنواختری، سرعت این جریان را در فاصله ۲۴۰ میلیون کیلومتری از زمین، معادل ۹۰۰ هزار کیلومتر بر ساعت تخمین زده‌اند. این سرعت، اندکی بیشتر از آن‌ چیزی است که در مدل استاندارد علم کیهان‌شناسی انتظار می‌رود (و البته فوق‌العاده کمتر از آن چیزی است که تیم کاشلینسکی محاسبه کرده بود)، اما به‌گفته سرپرست این پژوهش، استفان ترنبول (Stephan Turnbull) از دانشگاه واترلوی کانادا، این سرعت، دیگر "آنقدرها مایه نگرانی‌مان نیست".
 
او می‌افزاید طبق مجموعه معادلات استانداردی که دانشمندان برای توصیف جهان هستی از آن‌ها بهره می‌گیرند، مشاهدات صورت‌پذیرفته "هنوز هم مطابق با فرضیات هستند و لذا همه چیز عادی است". در واقع این جریان، که معلوم شد سرعتش از محاسبات پیشین دانشمندان است، می‌تواند ناشی از عاملی متعارف‌تر همچون نیروهای کشندی یک یا چند "ابرخوشه" کهکشانی، و یا حتی یک ساختار کیهانی غول‌آسا در درون مرزهای جهان رؤیت‌پذیرمان باشد، که هنوز در دیدرس اخترشناسان واقع نشده است. اگر چنین باشد، دیگر این جریان را نمی‌توان "تاریک" نامید، چراکه در زبان فیزیک، واژه تاریک به چیزی اطلاق می‌شود که مدل‌های کنونی علم از توصیفش عاجزند.
 
وقتی‌که "شمع"های ابرنواختری، جریان تاریک را روشن می‌کنند
 
تیم کاشلینسکی که برای نخستین‌بار پی به وجود این پدیده برده بود، از طریق بررسی ناهمگنی‌های دمایی ِ پراکنده در پهنه تابش "میکروموجی پس‌زمینه کیهان" یا CMB، موفق به تعیین سرعت حرکت دسته‌جمعی خوشه‌های کهکشانی شد. گمان می‌رود این تابش، همان نوری باشد که در قالب مدل استاندارد علم کیهان‌شناسی، در حدود در حدود ۳۸۰ هزار سال پس از وقوع مهبانگ، آزاد شد و هم‌اکنون در تمام نقاط جهان رؤیت‌پذیرمان رخنه کرده است.
 
تیم کاشلینسکی، با بررسی تأثیراتی که نور گسیلی از گاز داغ میان‌کهکشانی بر تابش CMB اعمال کرده است، قادر به محاسبه سرعت و جهت خوشه‌های کهکشانی بودند، اما در پژوهشی که جدیداً انجام پذیرفته، تیم ترنبول دست به بررسی گونه‌ای خاص از انفجارهای ستاره‌ای، موسوم به "ابرنواخترهای نوع 1a" زدند. شدت درخشندگی این انفجارها همیشه یک مقدار ثابت است و لذا ستاره‌شناسان می‌توانند از این پدیده‌ها به‌عنوان "شمع‌های استاندارد" استفاده کنند و مثلاً به تعیین سرعت حرکت کهکشان‌ها بپردازند (اگر دقت کنید، درخشندگی یک شمع معمولی، همواره ثابت است و می‌توان از روی شدت نور ظاهری‌اش، فاصله آن را از چشم ما تخمین زد). اخترشناسان به کمک همین ابرنواخترهای نوع 1a موفق به تشخیص شتاب فزاینده انبساط کیهان شدند (رجوع کنید به مقاله "به افتخار تاریکی").
 
ترنبول و همکارانش، داده‌های حاصل از رصد ۲۴۵ مورد از این ابرنواختر‌ها را مورد بررسی قرار داده است و با روش‌های هوشمندانه ریاضی، موفق به یافتن ردپای جریان نامبرده شدند؛ جریانی که اثراتش، در یک کره فرضی به مرکزیت زمین و شعاع ۲۴۰ میلیون سال نوری، تازه به چشم می‌آمد. ترنبول می‌گوید: "بالاخره فهمیدم که این جریان، در یک جهت مشخص سرعتی معادل ۲۴۹، با خطای ۷۶ کیلومتر بر ثانیه دارد." این یافته‌ها چندی است که در نشریه علمی Monthly Notices of the Royal Astronomical Society به انتشار رسیده است.
 
کاشلینسکی، در واکنش به کشفیات جدید تیم ترنبول می‌گوید: "قبول دارم بین چیزی که ما محاسبه کرده‌ایم و چیزی که آن‌ها محاسبه می‌کنند، اختلافاتی وجود دارد، اما مهم این است که هیچگونه اختلاف نظری راجع به وجود این جریان، دیده نمی‌شود." در واقع جریانی که کاشلینسکی از آن حرف می‌زند، نه‌تنها نسبت به جریانی که ترنبول آن را یافته است، برد بیشتری دارد، بلکه شدتش هم چهار برابر است و رو به سوی جهتی متفاوت دارد.
 
زورآزمایی کیهانی
 
تا به اینجا، پژوهشگران چندان امیدی به آشتی دادن کشفیات تیم‌های کاشلینسکی و ترنبول نبسته‌اند، اما این دو تیم هر دو به خطاهایی در محاسبات خود معترف‌اند که در آینده می‌توان با ارتقای مجموعه‌داده‌های مربوط به رصد خوشه‌های کهکشانی و همچنین انفجارهای ابرنواختری، دست به اصلاح هرچه‌بهتر محاسبات فعلی زد و نتیجه این دو بررسی را بیش از پیش به هم نزدیک‌تر کرد. با این حال، احتمال می‌رود که فقط یکی از این دو فرضیه، پیروز این زورآزمایی شود.
 
کاشلینسکی، که خود اعتقاد دارد پژوهش‌های ترنبول دقیقاً همان چیزی است که بایستی برای آزمودن فرضیه جریان تاریک بدان‌ها ‌متوسل شد، می‌گوید: "امیدواریم که ظرف یک یا دو سال، این پرونده را به نفع یکی از این دو فرضیه ببندیم."
 
ترنبول اما می‌افزاید تنها یک احتمال وجود دارد که در آن، حق با هر دو فرضیه باشد. او می‌گوید: "فرض کنید یک قایق بسیار بزرگ داریم." کاشلینسکی، دست به محاسبه سرعت حرکت قایق زده- که همان جابه‌جایی دسته‌جمعی کهکشان‌ها باشد- و فهمیده که قایق در حال سرعت گرفتن بر پهنه اقیانوس است، اما ترنبول، با محاسبات ابرنواختری‌اش دست به تعیین جابه‌جایی‌های یکی از سرنشینان قایق زده است. "پس یک نفر روی قایق است و قایق هم در حال حرکت، اما ... محاسبات ما نشان از وجود حرکات اشخاص در درون قایق داده است."
 
اگر آن شخصی که ترنبول مثالش را می‌زند، در قایق ساکن نباشد و مثلاً به اطراف بدود، آن‌وقت هر دو حرکت، هم‌زمان در حال رخ دادن هستند و به‌گفته ترنبول، "نتیجه این دو پژوهش را می‌شود آشتی داد. احتمالش کم است، اما بعید هم نیست".

Early supermassive black holes could grow it alone

Astronomers know that supermassive black holes at the centres of galaxies existed in the early universe, but how these objects managed to accumulate such heft in a short cosmological timespan is a mystery. Now, a team of researchers in Germany and the US has used a humongous computer simulation to show that cold streams of gas from outside a young galaxy could have fed its central black hole fast enough for the hole to grow rapidly.

Supermassive black holes are furnaces at the centres of galaxies. They suck in vast amounts of matter – which releases energy that causes the gas that surrounds them to glow. Astronomers call these glowing galactic centres quasars, and the UK Infrared Telescope Deep Sky Survey (UKIDSS) has found light from a quasar that was emitted as little as 800 million years after the Big Bang. This quasar and several picked up by the Sloan Digital Sky Survey are considerably brighter than expected. Indeed, they emit so much light that the black holes at their centres must have been enormous, at least a billion times the mass of the Sun.

Assuming that a supermassive black hole begins life as a relatively small black hole at the collapsed core of a massive supernova, Volker Springel of the Heidelberg Institute of Theoretical Studies in Germany says that it would need to have fed at its maximum rate from birth onwards in order to reach a billion solar masses now. "It seems possible, but it's a bit contrived," he says. This is because the rate at which a black hole accumulates matter is proportional to its mass, and therefore small black holes grow very slowly.

Direct collapse

An alternative explanation is that a very large amount of gas – roughly 100,000 solar masses – may have collapsed directly into the black hole. Now, Springel and colleagues – including team leader Tiziana Di Matteo at Carnegie Mellon University in the US – have used a computer simulation to show that this scenario is possible.

The team modelled the universe in a virtual box 2.4 billion light-years to a side – a volume that is roughly 1% of the visible universe today. This size of simulation was chosen in order to increase the chances that extremely massive quasars would emerge from the model. Inside the box, gas and dark matter, a form of matter that interacts through gravity alone, were represented by 65.5 billion particles.

"It's a remarkable achievement to be able to simulate such a huge volume of space to the precision needed to say something about a single black hole," says Daniel Mortlock of Imperial College London. While the resolution of the study was good enough to look at individual black holes, it had to be coarse enough to make the simulation feasible. As a result, each gas "particle" had the mass of 57 million Suns, while dark matter weighed in at 280 million solar masses per particle.

Billion-year simulation

The simulation covered the timespan from 10 million years after the Big Bang to about 1.3 billion years later. As time progressed, gravity caused the particles to gradually clump together. Once a congregation of gas particles reached a density associated with black-hole formation, the program introduced a particle of 100,000 solar masses into the middle of the clump to represent a black hole. This "seed" could then begin accreting gas particles according to a model of black-hole growth.

After 800 million years, one black hole had reached 3 billion solar masses, while nine more were close to the billion-solar-mass mark. To find out how they had grown, the team zoomed in on them, finding that those growing the fastest appeared to be fed by dense streams of gas. This picture supports the idea of "cold gas flows" penetrating directly to the black hole without warming up through interactions with the hot gas already in the vicinity. Although black-hole mergers have been proposed as a route to supermassive black holes, merged black holes were not among the largest in the simulation.

"[The simulation] is the first to quantitatively estimate that cold gas flows can deposit large quantities of fresh 'fuel' to the centre of galaxies, possibly feeding supermassive black holes even in absence of mergers," says Lucio Mayer of the University of Zürich, Switzerland. "However, the resolution of the simulations is still too low to ascertain if such gas would directly feed the central black hole." He suspects that it would be more likely to settle into the disc of gas surrounding the black hole, feeding it more slowly, but this detailed behaviour must be explored with higher-resolution simulations

مکانیک کوانتومی و نسبیت عام در یک تقاطع

متحد نمودن مکانیک کوانتومی و نسبیت عام یکی از مهیج ترین سوالات باز در فیزیک نوین است. نسبیت عام، نظریه یکپارچه گرانش، پیش بینی هایی در مورد فضا و زمان دارد که در مقیاس های کیهانی ستارگان و کهکشان ها آشکار می گردد. از سویی دیگر، اثرات کوانتومی ضعیف هستند و نوعا در مقیاس های کوچک مثلا اتم ها و ذرات منفرد مشاهده می‌شوند. به همین دلیل است که آزمایش اثر متقابل مکانیک کوانتومی و نسبیت عام دشوار است. اکنون، فیزیکدانان نظری با هدایت چاسلاو بروکنر(Chaslav Brukner) در دانشگاه وین آزمایش بدیعی را پیشنهاد نموده اند که می‌تواند عرصه مشترک این دو نظریه را بیازماید. تمرکز این کار اندازه گیری ماهیت نسبیت عامی زمان در مقیاس کوانتومی است.

یکی از پیش بینی های نسبیت عام این است که گرانش درگذر زمان موثر است. نظریه پیش بینی می کند که ساعت هایی که در نزدیکی یک جسم جرم کار میکنند از ساعتهایی که از آن دورترند کندتر تیک تاک می‌کنند. این اثر منجر به «باطل نمای دوقلوها» می شود: اگر یکی از قل ها در ارتفاع زندگی کند، سریع تر از دوقلوی دیگر که روی زمین می ماند، پیر می شود. این اثر در آزمایش های کلاسیکی به خوبی تایید شده است، اما با مکانیک کوانتومی هنوز نه، و این هدف آزمایش پیشنهادی جدید است.

گروه پژوهشگران وین می خواهند این احتمال غیرعادی را بررسی کنند که یک ذره کوانتومی می تواند ویژگی کلاسیکی داشتن مکان خوش تعریف را از دست بدهد، یا آن طور که با عبارت مکانیک کوانتومی گفته می شود: در یک «برهم نهی » باشد. این امر منجر به اثرات «موجی» (که «تداخل» نامیده می شوند) با یک ذره می گردد. هرچند، اگر مکان ذره اندازه گیری شود یا حتی اگر اصولا قابل مشخص شدن باشد، این اثر از دست می رود. به عبارت دیگر، امکان ندارد که تداخل را مشاهده کنیم و به طور همزمان مکان ذره را بدانیم. چنین ارتباطی میان اطلاعات و تداخل، مثالی از مکملیت کوانتومی (Quantum Complementarity) است.

گروه دانشگاه وین ساعتی را در نظر میگیرد (هر ذره ای با درجه آزادی داخلی همانند اسپین) که در برهم نهی دو مکان یکی نزدیک تر و دیگری دورتر از سطح زمین قرار دارد . بر اساس نسبیت عام، ساعت در مکان های متفاوت با آهنگ های مختلفی تیک می زند؛ همان طور که دو قلوها به شکلی متفاوت پیر می شوند. اما از آن جا که زمان اندازه گیری شده توسط یک ساعت معلوم می کند که ساعت در کجا قرار دارد، تداخل و سرشت موجی ساعت از دست می رود. ماگدالنا زیچ(Magdanela Zych) نویسنده اصلی مقاله و عضو برنامه دکترای وین CoQus می گوید: «این باطل نمای دوقلوها برای یک فرزند کوانتومی است و حل آن نیاز به نسبیت عام و مکانیک کوانتومی دارد! چنین برهمکنشی میان این دو نظریه هرگز قبلا آزموده نشده است.» از این رو است که این آزمایش به ما امکان می دهد تا سرشت زمان را از دید نسبیت عام با مکانیک کوانتومی بیازماییم!

One Clock With Two Times: When Quantum Mechanics Meets General Relativity

The unification of quantum mechanics and Einstein's general relativity is one of the most exciting and still open questions in modern physics. General relativity, the joint theory of gravity, space and time gives predictions that become clearly evident on a cosmic scale of stars and galaxies. Quantum effects, on the other hand, are fragile and are typically observed on small scales, e.g. when considering single particles and atoms. That is why it is very hard to test the interplay between quantum mechanics and general relativity.

Now theoretical physicists led by Časlav Brukner at the University of Vienna propose a novel experiment which can probe the overlap of the two theories. The focus of the work is to measure the general relativistic notion of time on a quantum scale.

Time in general relativity

One of the counterintuitive predictions of Einstein's general relativity is that gravity distorts the flow of time. The theory predicts that clocks tick slower near a massive body and tick faster the further they are away from the mass. This effect results in a so-called "twin paradox": if one twin moves out to live at a higher altitude, he will age faster than the other twin who remains on the ground. This effect has been precisely verified in classical experiments, but not in conjunction with quantum effects, which is the aim of the newly proposed experiment.

Quantum interference and complementarity

The Viennese group of researchers wants to exploit the extraordinary possibility that a single quantum particle can lose the classical property of having a well-defined position, or as phrased in quantum mechanical terms: it can be in a "superposition." This allows for wave-like effects, called interference, with a single particle. However, if the position of the particle is measured, or even if it can in principle be known, this effect is lost. In other words, it is not possible to observe interference and simultaneously know the position of the particle. Such a connection between information and interference is an example of quantum complementarity -- a principle proposed by Niels Bohr. The experimental proposal now published in "Nature Communications" combines this principle with the "twin paradox" of general relativity.

Einstein's "twin paradox" for a quantum "only child"

The team at the University of Vienna considers a single clock (any particle with evolving internal degrees of freedom such as spin) which is brought in a superposition of two locations -- one closer and one further away from the surface of Earth. According to general relativity, the clock ticks at different rates in the two locations, in the same way as the two twins would age differently. But since the time measured by the clock reveals the information on where the clock was located, the interference and the wave-nature of the clock is lost. "It is the twin paradox for a quantum 'only child', and it requires general relativity as well as quantum mechanics. Such an interplay between the two theories has never been probed in experiments yet" -- says Magdalena Zych, the lead author of the paper and member of the Vienna Doctoral Program CoQuS. It is therefore the first proposal for an experiment that allows testing the genuine general relativistic notion of time in conjunction with quantum complementarity.

لینک منبع

تأییدی تازه برای نسبیت عام

پس از اظهارات هفته گذشته دانشمندان سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا (CERN) مبنی بر احتمال نقض ریشه‌ای‌ترین اصل نسبیت خاص توسط چندین نوترینوی فراری طی آزمایش OPERA، نام این تئوری معروف آلبرت اینشتین به صدر خبرهای مهم جهان دانش راه پیدا کرد.
 
اینکه دقیقاً در جریان این آزمایش چه رخ داده، مسئله‌ای‌ست که نیاز به بازبینی‌های فراوان و زمان‌بر دارد، اما هیاهوی خبرگزاری‌های جهان در این‌ زمینه چنان بالا گرفته که ذهن متخصصان آزمایش مربوطه هم آشفته شده است. شاید اندکی طول بکشد تا فیزیکدانان احتمالاً این‌بار از طریقی متقاعدکننده به تکرار این آزمایش بپردازند، اما بد نیست بدانید همزمان با همین هیاهوها، جنبه‌ای دیگر از فرضیات انقلابی اینشتین، یعنی تئوری نسبیت عام، از آزمایشی در چهارچوب مقیاس‌های سرسام‌آور کیهانی سربلند بیرون آمد.
 
در اینجا ما دیگر از سرعت نور حرف نمی‌زنیم، بلکه محور بحث‌مان نحوه واکنش نور به میدان‌های گرانشی‌ است. پژوهشگران انیستیتو نیلزبور دانشگاه کپنهاگ دانمارک به تازگی اعلام کرده‌اند که صحت نظریه نسبیت عام را این‌بار در مقیاسی معادل ده به توان 22 بار بزرگ‌تر از آزمایش‌های زمینی به تأیید رسانده‌اند. رادک وژتاک (Radek Wojtak) از اخترفیزیکدانان مؤسسه مزبور، به اتفاق جمعی از همکارانش اقدام به ارزیابی نور بالغ بر هشت‌هزار خوشه کهکشانی کردند که هرکدام‌شان میزبان هزاران کهکشان منفرد هستند، کهکشان‌هایی که با نیروی گرانش خود همدیگر را محکم گرفته‌اند.
 
تمرکز تیم دانمارکی، به‌ویژه بر "انتقال به سرخ" (یا Redshift) کهکشان‌ها بود، پدیده‌ای که در جریان آن امواج نوری کهکشان‌های دور، به تبع ابعاد فاصله‌شان از ناظر، به قسمت سرخ طیف نور می‌گراید. فاکتور انتقال به سرخ، اکثراً برای محاسبه میزان انبساط جهان از زمانی‌که نور دریافتی، منبع خود را ترک گفته به‌کار می‌رفته است و می‌رود. معمولاً هم بر این گمانیم که انتقال به سرخ یک شیئی نورانی، نتیجه افزایش فاصله مابین منبع نور و ناظر حین حرکت هردوی‌شان در پهنه فضاست. این به "انتقال دوپلری" معروف است که یا از آن می‌توان به عنوان انتقال به سرخ تعبیر کرد؛ یا اگر این دو جسم به هم نزدیک و نزدیک‌تر شوند، "انتقال به آبی" (Blueshift).
 
نوع دیگری از انتقال به سرخ را هم هنگام انبساط خود فضا می‌توان در نظر گرفت. در اینجا نیز فاصله مابین منبع نورانی دوردست و ناظر در حال افزایش است، اما به‌سبب ماهیت این افزایش فاصله، ما در توصیف این قرمزشدگی، به‌جای عبارت "انتقال دوپلری"، از عنوان "انتقال به سرخ کیهان‌شناختی" (Cosmological Redshift) استفاده می‌کنیم. نیروی گرانش نیز از طرفی می‌تواند عاملی برای انتقال به سرخ باشد: هنگامی‌که نور تابش‌شده از یک جسم سنگین‌وزن همچون ستاره‌های غول‌پیکر، تحت تأثیر کشش گرانشی سرسام‌آور جسم، "کش می‌یابد"، به تبع رشد طول موج، اندکی قرمزتر به‌ نظر می‌رسد. این فقدان انرژی فوتون‌ها هم انتقال به سرخی را موجب می‌شود که به "انتقال به سرخ گرانشی" (Gravitational Redshift) معروف است.
 
می‌توان از معادلات نسبیت عام، به‌منظور پیش‌بینی نحوه تأثیرپذیری نور- و لذا انتقال به سرخ آن- از اجرام سنگین‌وزنی نظیر خوشه‌های کهکشانی استفاده کرد. در این پژوهش تازه، دانشمندان با مقایسه نور کهکشان‌های واقع در نواحی مرکزی هر خوشه با آن‌هایی که در حواشی‌اش جای گرفته‌اند، هم انتقال به سرخ کیهان‌شناختی و هم انتقال به سرخ گرانشی خوشه را مورد ارزیابی قرار دادند. وژتاک در این‌ زمینه می‌گوید: "می‌توانستیم اختلافات جزئی انتقال به سرخ کهکشان‌ها را پیدا کنیم و ببینم که چگونه نور تابش‌شده توسط کهکشان‌های مرکزی خوشه، از میان میدان‌های گرانشی کهکشان‌های پیرامون به بیرون می‌خزد، حال‌آنکه نور کهکشان‌های پیرامونی، بدون مواجهه با چنین موانعی به بیرون راه پیدا می‌کند."
 
این تیم، با محاسبه جرم سرتاسری هر خوشه توانست از طریق معادلات نسبیت عام اینشتین، به محاسبه انتقال به سرخ گرانشی کهکشان‌های منفرد پراکنده در پهنه هر خوشه بپردازد. نتیجه آنکه محاسبات نظری انتقال به سرخ گرانشی بر پایه تئوری نسبیت عام، با آنچه از مشاهدات تلسکوپی حاصل آمده بود، موافق از آب درآمد. وژتاک در ادامه می‌افزاید: "آنالیز خودمان از رفتار این خوشه‌های کهکشانی نشان می‌دهد که انتقال به سرخ [کیهان‌شناختی] نور دریافتی، به نسبت مشخصی از انتقال به سرخ گرانشی ناشی از برآیند تأثیر گرانش کهکشان‌های خوشه، متمایز است. به دیگر سخن، آنچه ما دیدیم، مهر تأییدی بر تئوری نسبیت بود."
 
ولی آیا ارزیابی تئوری نسبیت عام، آن‌هم در مقیاسی کیهانی، هیچ اطلاعاتی راجع به ماده تاریک یا حتی همدم مرموزتر آن، یعنی انرژی تاریک هم به دست می‌دهد؟ از این منظر اگر بررسی‌های اخیر تیم انیستیتو نیلز بور را بنگریم، نتایجی بیش از آنچه در مقاله حاضر بدان‌ها اشاره شده است خواهیم گرفت. این پژوهش، علاوه بر تأیید تئوری نسبیت عام، نه‌تنها مهر تأییدی را هم بر پیشانی مدل فعلی جهان هستی که وجود ماده و انرژی تاریک را به رسمیت می‌شناسد نشانده، بلکه چشم‌اندازهای تازه‌ای را هم به روی درک ماهیت ماده تاریک یا نحوه عملکرد انرژی تاریک گشوده که گمان می‌رود حدود 72 درصد از ساختار جهان‌مان را به خود اختصاص داده است. ما می‌توانیم از طریق درک رفتار چیزهایی که به چشم می‌بینیم، استنتاجاتی از نحوه عملکرد جهان هستی صورت دهیم، اما هنوز تا درک ماهیت اجزای تاریک جهان هستی، راه درازی در پیش است.
 
 

Do neutrinos move faster than the speed of light?

Can particles travel faster than the speed of light? Most physicists would say an emphatic "no", invoking Einstein's special theory of relativity, which forbids superluminal travel. But now physicists working on the OPERA experiment in Italy may have found tantalizing evidence that neutrinos can exceed the speed of light.

The OPERA team fires muon neutrinos from the Super Proton Synchrotron at CERN in Geneva a distance of 730 km under the Alps to a detector in Gran Sasso, Italy. The team studied more than 15,000 neutrino events and found that they indicate that the neutrinos travel at a velocity 20 parts per million above the speed of light.

Simple measurement

The principle of the measurement is simple – the physicists know the distance travelled and the time it takes, which gives the velocity. These parameters were measured using GPS, atomic clocks and other instruments, which gave the distance between source and detector to within 20 cm and the time to within 10 ns.

This is not the first time that a neutrino experiment has glimpsed superluminal speeds. In 2007 the MINOS experiment in the US looked at 473 neutrinos that travelled from Fermilab near Chicago to a detector in northern Minnesota. MINOS physicists reported speeds similar to that seen by OPERA, but their experimental uncertainties were much larger. According to the OPERA researchers, their measurement of the neutrino velocity is 10 times better than previous neutrino accelerator experiments.

'Totally unexpected'

"This outcome is totally unexpected," stresses Antonio Ereditato of the University of Bern and spokesperson for the OPERA experiment. "Months of research and verifications have not been sufficient to identify an instrumental effect that could explain the result of our measurements." While the researchers taking part in the experiment will continue their work, they look forward to comparing their results with those of other experiments so as to fully assess the nature of this observation.

Although a measurement error could be the cause of the surprising result, some physicists believe that superluminal speeds could be possible. Its discovery could help physicists to develop new theories – such as string theory – beyond the Standard Model of particle physics. However, the OPERA measurements will have to be reproduced elsewhere before they are accepted by the physics community.

Jenny Thomas of University College London, who works on MINOS, said "The impact of this measurement, were it to be correct, would be huge. In fact it would overturn everything we thought we understood about relativity and the speed of light."

Alexei Smirnov, a high-energy physicist at the Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics, Italy says he finds the OPERA result “extremely surprising” as while some small deviation could have been expected, the observed deviation is very large - much larger than what is expected from even very exotic theories. “If this result is proved to be true, the consequences for modern science would undoubtedly be enormous,” he says. He agrees with conclusion of the OPERA collaboration that currently unknown systematic effects should be looked for and they should continue observations. Smirnov was one of three researchers who discovered the “matter-mass” effect that modifies neutrino oscillations in matter.

Talking about neutrinos

On Friday afternoon, OPERA researcher Dario Autiero from the Institut de Physique Nucleaire de Lyon discussed the details of their experiment at a seminar at CERN. Autiero addressed possible reasons for their result that took into consideration everything from inherent errors during calibration of clocks, to tidal forces and the position of the Moon with respect to CERN and Gran Sasso at the time of the readings.

They considered the possibility of problems internal to the detector itself, the chances of which OPERA say were reduced thanks to the independent external calibration methods they used. They also discussed if it would be possible to re-create the results at different energies. “We don’t claim energy dependence or rule it out with our level of precision and accuracy” said Autiero. The final note of the seminar seemed to suggest that the real reason is indeed a mystery for the time being and further analysis will definitely be required.

مفهوم ماده تاریک شاید فقط توهمی است که برای قطبیدگی گرانشی خلا کوانتومی به وجود آمده باشد

یکی از بزرگترین مسائل حل نشده در اخترفیزیک این است که با توجه به میزان مقدار ماده باریونی موجود در جهان، کهکشانها و خوشه های کهکشانی سریعتر از آنچه انتظار می رود می چرخند. رخ دادن چرخشهای سریعتر مستلزم آن است که جرم ناحیه مرکزی بیشتر از جرم ستاره ها، گرد و غبار و سایر اجسام باریونی درون آن باشد و این موضوع باعث شده دانشمندان به این فکر کنند که احتمالا هر کهکشان داخل یک حلقه از ماده تاریک که از ذرات غیرباریونی تشکیل شده قرار گرفته است.

دراگان اسلاوکو هاجداکویک (Dragan Slavkov Hajdukovic) که در سرن مشغول به کار است یکی از کسانی است که به مفهوم ماده تاریک مشکوک است. او اعتقاد دارد احتمالا مفهوم ماده تاریک فقط توهمی است که به خاطر قطبیدگی گرانشی خلا کوانتومی به وجود آمده است.

او می‌گوید: "اصلی ترین پیامی که می توان از مقاله من دریافت کرد این است که احتمالا ماده تاریک وجود ندارد و این پدیده که به عنوان ماده تاریک تا به حال در نظر گرفته می شده را احتمالا می توان به کمک قطبیدگی گرانشی خلا کوانتومی توجیه کرد. آزمایش ها و مشاهدات آینده این موضوع را روشن می کنند که آیا نتایجی که من به دست آوردم فقط عددهای تصادفی هستند یا اینکه آغاز یک انقلاب در دانش امروز خواهند بود."

مقاله هاجدوکویک در مورد جایگزین ماده تاریک، تلاشی است برای فهمیدن پدیده های کیهانشناسی بدون وارد کردن شکل های ناشناخته از ماده و انرژی و یا مکانیزم های ناشناخته‌ی تورم (inflation) و تقارن بین ماده و پادماده. همانطور که هاجدوکویک می گوید "دو مکتب در مورد پدیده چرخش سریع کهکشانها وجود دارد. مکتب اول وجود ماده تاریک را فرض میکند در حالی که در مکتب دوم افراد اعتقاد دارند که باید شکل کنونی قانون گرانش تغییر کند. اما من راه سومی را برای توجیه این موضوع پیشنهاد می کنم، توجیهی که نیازی به وجود ماده تاریک یا تغییر قانون گرانش ندارد. "

در فرضیه‌ی او ماده و پادماده دارای بار گرانشی مخالف هم هستند و مواد با بار گرانشی مخالف دافع هم هستند (مواد همدیگر را جذب می کنند و پادمواد هم جاذب خودشان هستند) .در حال حاضر این قضیه که ماده و پادماده از لحاظ گرانشی دافع هم هستند هنوز به اثبات نرسیده است اگرچه آزمایش های معدودی (شناخته شده ترین شان AEGIS در سرن است) در حال بررسی این فرضیه هستند. 

"عقیده قالب در فیزیک امروز این است که تنها یک نوع بار گرانشی (که به عنوان جرم اینرسی شناخته می شود) وجود دارد در حالی که اگر شباهت های احتمالی را با برهم کنش های الکترومغناطیسی در نظر بگیریم می توان فرض کرد که دو نوع بار گرانشی وجود داشته باشد: بار مثبت گرانشی برای ماده و بار منفی گرانشی برای پاد ماده. اگر ماده و پادماده از لحاظ گرانشی دافع باشند آنگاه این می تواند به این معنا باشد که جفتهای ذره و پادذره که برای مدت زمان محدودی در خلا کوانتومی وجود دارند همان "دو قطبی های گرانشی" هستند. هر جفت در حقیقت یک سیستمی است که در آن ذره مجازی بار مثبت گرانشی و پادذره مجازی بار گرانشی منفی دارد و خلا کوانتومی شامل دوقطبی های گرانشی مجازی است که مانند مایعات قطبی در می آید.

جهان ما از دو بخش بر هم کنشی تشکیل شده است. اولین بخش همان مواد معمولی هستند (این قضیه را بدون در نظر گرفتن ماده تاریک و انرژی تاریک بررسی می کنیم) و بخش دوم همان خلا کوانتومی است که به نوعی دریایی از دوقطبی‌های مجازی مختلف و در میان آنها دو قطبی های گرانشی می باشد." او در ادامه توضیحاتش می گوید که دو قطبی های گرانشی مجازی در داخل خلا کوانتومی می تواند توسط مواد باریونی موجود در ستاره های سنگین و کهکشانهای سنگین اطراف قطبیده شوند. وقتی دوقطبی های مجازی هم جهت می شوند یک میدان گرانشی اضافی تولید می کنند که می تواند با میدان گرانشی ناشی از ستارگان و کهکشان ها جمع شود. چنین خلا کوانتومی قطبیده‌ی گرانشی میتواند مانند ماده تاریک یا قانون گرانش اصلاح شده چرخش های پر سرعت کهکشانی را توجیه کند.

همانطور که هاجدوکویک توضیح می دهد، پدیده قوی تر شدن میدان گرانشی را می توان با مشابهت با اتفاقی که در میدان های الکتریکی می افتد درک کرد. وقتی دی الکتریکی که به صفحات موازی خازنی وصل شود باعث کاهش میدان الکتریکی بین صفحات می شود. این کاهش به دلیل جاذبه بین بارهای مخالف به وجود می آید. اما اگر بار های مخالف دافع همدیگر باشند (مثل اتفاقی که در بارهای گرانشی می افتد) آنگاه میدان الکتریکی افزایش خواهد یافت و از آنجایی که بارهای مخالف در خلا کوانتومی دافع هستند اندازه میدان گرانشی افزایش می یابد. نکته مهم در کار هاجدوکویک این است که او داستان پردازی نمیکند. او در مقاله اش محاسباتی را ارائه داده است که می توان به کمک آنها تاثیرات قطبیدگی گرانشی را در فواصل مختلف از مرکز یک کهکشان را بدست آورد و نتایج حاصل از آن با مشاهدات به خوبی توافق دارند. در ضمن او به کمک مفهوم دافعه گرانشی بین ماده و پادماده معادله مشهور تولی-فیشر (Tully-Fisher) را به دست آورده است.

تولی – فیشر رابطه ای تجربی است که بر اساس مشاهدات زیاد از کهکشان ها و خوشه های کهکشانی به دست آمده و نکته جالب در این است که این رابطه هنوز به کمک ماده تاریک قابل توجیه نیست. به عقیده هاجدوکویک هنوز باید روی این فرضیه کارهای زیادی انجام شود تا بتوان ادعا کرد این فرضیه درست است. به عبارتی تنها چیزی که با ماده تاریک توجیه می شود چرخش منحنی های گرانشی کهکشانها نیست بلکه مشاهداتی مثل تابش زمینه کیهانی ابر عدسی های گرانشی ابرنواختر و خیلی داده های دیگر با در نظر گرفتن وجود ماده تاریک بهتر توجیه می شوند تا بدون در نظر گرفتن آنها. در نهایت امروزه خیلی از دانشمندان در حال بررسی و تحقیق بر ماده تاریک و گزینه های جایگزین برای آن هستند و هاجدوکویک امیدوار است که به کمک این فرضیه بتوان جواب هایی برای این موضوعات پیدا کرد.

Information paradox simplified

A black hole's event horizon is the ultimate last-chance saloon: beyond this boundary nothing, not even light, can escape. But does this "anything" include information itself? Physicists have spent the best part of four decades grappling with the "information paradox", but now a group of researchers from the UK thinks it can offer a solution. The researchers have created a theoretical model for the event horizon of a black hole that eschews space–time altogether. Their work also supports a controversial theory proposed last year that suggests that gravity is an emergent force rather than a universal fundamental interaction.

Paradoxical history

The information paradox first surfaced in the early 1970s when Stephen Hawking of Cambridge University, building on earlier work by Jacob Bekenstein at the Hebrew University of Jerusalem, suggested that black holes are not totally black. Hawking showed that particle–antiparticle pairs generated at the event horizon – the outer periphery of a black hole – would be separated. One particle would fall into the black hole while the other would escape, making the black hole a radiating body.

Hawking's theory implied that, over time, a black hole would eventually evaporate away, leaving nothing but an impenetrable, infinite-mass singularity at the centre. This presented a problem for quantum mechanics, which dictates that nothing, including information, can ever be lost. If black holes withheld information forever in their singularities, there would be a fundamental flaw with quantum mechanics.

The significance of the information paradox came to a head in 1997 when Hawking, together with Kip Thorne of the California Institute of Technology (Caltech) in the US, placed a bet with John Preskill, also of Caltech. At the time, Hawking and Thorne both believed that information was lost in black holes, while Preskill thought that it was impossible. Later, however, Hawking conceded the bet, saying he believed that information is returned – albeit in a disguised state. At the turn of this century, Maulik Parikh of the University of Utrecht in the Netherlands, together with Frank Wilczek of the Institute of Advanced Study in Princeton, US, showed how information could leak away from a black hole. In their theory, information-carrying particles just within the event horizon could tunnel through the barrier, following the principles of quantum mechanics. But this solution, too, remained debatable.

Tunnelling through the event horizon

Now, Samuel Braunstein and Manas Patra of the University of York in the UK think they have formulated a tunnelling theory that looks rather more attractive than Parikh and Wilczek's theory. "We cannot claim to have proven that escape from a black hole is truly possible," they explain, "but that is the most straightforward interpretation of our results." Normally, theorists dealing with black holes have to wrestle with the complex geometries of space–time arising from Einstein's theory of gravitation – the theory of general relativity. In their model, Braunstein and Patra say that the event horizon is purely quantum mechanical in nature, with bits of quantum "Hilbert" space tunnelling through the barrier.

The theorists find that even such a heavily simplified tunnelling model can reconstruct the spectrum of radiation that is thought to emanate from black holes. This is unlike Hawking's pair-creation model, which leads to the information loss and has always required many more theoretical details to work. Put simply, Braunstein and Patra say that tunnelling seems far more likely to be an intrinsic feature of black holes – so, probably, information is not lost after all. Their findings are published in the latest issue of Physical Review Letters.

Gravity's depth

There is yet another twist to the researchers' work. Last year, string theorist Erik Verlinde of the University of Amsterdam, building on work by Ted Jacobsen of the University of Maryland in the US, put forward a speculative idea for the origin of gravity. Under Verlinde's proposal, gravity is not a fundamental interaction, but emerges from the universe trying to maximize disorder. Gravity is therefore an "entropic force" – a natural consequence of thermodynamics – much as one feels a force on a stretched rubber band as the molecules attempt to squiggle up into disordered states. Braunstein and Patra believe that their black-hole model goes in favour of Verlinde's proposal. If gravity – not to mention inertia or space–time – is an emergent force, then it would not be utilized to unravel the basic information-loss mechanism of black holes, which is what the York researchers have shown. "This doesn't prove that Verlinde is correct, but that his proposal 'has legs'," Braunstein tells physicsworld.com.

Steve Giddings, a physicist specializing in quantum gravity at the University of California, Santa Barbara, does not think that Braunstein and Patra have addressed "the most central questions" of Verlinde's proposal. However, he says they have put forward another hint of an important link between quantum information and gravity. "An important challenge is to figure out whether the ideas enunciated by Verlinde and others can be given a more concrete foundation," he adds. "This may be one more piece of that puzzle, but we're not there yet."

Searching for gravitational waves

Colliding neutron stars and black holes, supernova events, rotating neutron stars and other cataclysmic cosmic events… Einstein predicted they would all have something in common – oscillations in the fabric of space-time. This summer European scientists have joined forces to prove Einstein was right and capture evidence of the existence of gravitational waves.

Europe’s two ground-based gravitational wave detectors GEO600 (a German/UK collaboration) and Virgo (a collaboration between Italy, France, the Netherlands, Poland and Hungary) are underway with a joint observation program which will continue over the summer, ending in September 2011. The detectors consist of a pair of joined arms placed in a horizontal L-shaped configuration. Laser beams are then passed down the arms. Suspended under vacuum at the ends of the arms is a mirror which returns the beam to a central photodetector. The detectors work by measuring tiny changes (less than the diameter of a proton), caused by a passing gravitational wave, in the lengths (hundreds or thousands of meters). The periodic stretching and shrinking of the arms is then recorded as interference patterns.

Much like our human ears are able to distinguish the direction of sound from being spaced apart, so having interferometers placed at different locations benefits the chances of picking up a gravitational wave signal. By placing receivers at a distance, this also helps to eliminate the chances of picking up a mimicking terrestrial signal, since it would be unlikely for it to have the same characteristics at two locations while a genuine signal would remain the same.

“If you compare GEO600 and Virgo, you can see that both detectors have similar sensitivities at high frequencies, at around 600Hz and above”, says Dr Hartmut Grote, a scientist at the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) and the Leibniz University in Hannover, Germany. “That makes it very interesting for us to search this band for possible gravitational waves associated with supernovae or gamma-ray bursts that are observed with conventional telescopes.”

Of all phenomena, gamma-ray bursts are expected to be one of the strongest sources of gravitational waves. As the most luminous transient event in the known Universe, this collapse of a supermassive star core into a neutron star or black hole may be the most perfect starting point for the search. As of now, the frequencies will depend on the mass and may extend up to the kHz band. But don’t get too excited, because the nature of gravitational wave signals is weak and chances of picking up on it is low. However, thanks to Virgo’s excellent sensitivity at low frequencies (below 100 Hz), it is a prime candidate for gathering signals from isolated pulsars where the gravitational wave signal frequency should be at around 22Hz.

ما با تمامی کائنات یگانه ایم...

لي اسمولين يك راهب شرقي نيست. اما او و همكارانش در دانشگاه واترلوی کانادا به تازگي و هنگام تلاش براي وحدت‌بخشيدن به دو نظريه بزرگ فيزيك يعني نظريه كوانتوم و نسبيت عام اينشتين به نتيجه شگفت‌انگيزي مشابه آنچه در تعاليم كهن شرق بيان شده است دست يافته‌اند: اينكه ماده اساساً چيزي جز بافته‌اي از تار و پود فضا-زمان نيست و بنابراين همه‌چيز در جهان - از درختان و انسان گرفته تا كهكشان‌ها - ماهيتي واحد و يگانه دارند.

اين كشف، دستاوردي خارق‌العاده محسوب مي‌شود زيرا نه‌تنها از ماهيت فضا و ماده پرده‌برداري مي‌كند بلكه ممكن است بشر را در درك منشأ قوانين بنيادين جهان نيز ياري بخشد.

اين دستاورد كه درك بهتر كائنات را نويد مي‌دهد، برمبناي نظريه‌اي به نام "نظريه گرانش كوانتومي حلقوي" حاصل شده است. اين نظريه سعي دارد تا با تلفيق نسبيت عام و مكانيك كوانتومي، به نظريه‌اي واحد و سازگار در فيزيك دست يابد (يعني همان هدفي كه نظريه ريسمان‌ها از مسيري ديگر درتلاش براي رسيدن به آن است).

داستان شكل‌گيري نظريه گرانش كوانتومي حلقوي به دهه 1980 بازمي‌گردد. در آن زمان، آبهاي آشتكار  كه اكنون در دانشگاه ايالتي پنسيلوانيا است معادلات نسبيت عام اينشتين را در يك چارچوب كوانتومي بازنويسي كرد. بعدها لی اسمولين و فيزيكداني به نام كارلو روولي از دانشگاه مديترانه‌اي مارسي در فرانسه، ايده آشتكار را بسط داده و كشف كردند كه در تصويري كه اين چارچوب نظري جديد ارائه مي‌دهد، فضا برخلاف تصور، پيوسته نبوده بلكه از بخش‌هايي مجزا به ابعاد 10 به توان منهاي 35 متر تشكيل شده است. بدين ترتيب براساس نظريه گرانش كوانتومي حلقوي، فضا-زمان درواقع شبكه‌اي است از پيوندهايي كه اين كوانتوم‌هاي فضا را به همديگر متصل مي‌كنند.

از همان آغاز، فيزيكدان‌ها دريافته بودند كه اين پيوندهای فضا-زمانی مي‌توانند دور همديگر پيچيده و ساختارهايي بافته مانند را تشكيل دهند. اما تا پيش از اين، كنجكاوي فيزيكدان‌ها براي درك مفهوم اين بافته‌ها راه به جايي نبرده بود.

اما سرانجام چندی پیش لی اسمولین، فیزیکدان برجسته دانشگاه واترلوی کانادا به همراه دو فیزیکدان دیگر به نام های ساندانس بيلسون تامپسون و فوتيني ماركوپولو توانستند پاسخ این معما را بیابند. نتیجه تحقیقات آنها نشان می دهد که بافته های فضا-زمانی درواقع می توانند ماهیت تمامی ذرات بنیادین جهان را تشکیل دهند. به عبارتی این بافته‌هاي فضا-زمانی می توانند منشأ ماده و انرژي در کل كائنات باشند.

برهمين اساس اسمولين، ماركوپولو و بيلسون تامپسون حتی موفق شدند وجود سبك‌ترين خانواده ذرات در مدل استاندارد ذرات بنيادي - يعني الكترون، كوارك‌هاي "بالا" و "پايين"، نوترينوي الكترون و پاد ذره آنها - را براساس بافته‌هاي فضا-زماني استخراج نمايند و این دستاورد، موفقیت بزرگی برای نظریه گرانش کوانتومی حلقوی محسوب می شود.

بدين ترتيب، نظريه گرانش كوانتومي حلقوي، حس غريبي را در مورد جايگاه ما در جهان برايمان به ارمغان مي‌آورد. اگر الكترون‌ها و كوارك‌ها - و نتيجتاً اتم‌ها، درختان، انسان و كهكشان‌ها - همگي بافته‌هايي از فضا-زمان باشند، پس ما حقيقتاً با كل جهان يگانه‌ايم.

Gravity shows its helpful side

Gravity is unruly. It can throw theorists' equations into chaos, and has proved a stumbling block to the creation of a single 'theory of everything'. But an analysis now shows that gravity may at least make some fundamental calculations more manageable.

David Toms, a theoretical physicist at Newcastle University, UK, has found that gravity seems to calm the electromagnetic force at high energies. The finding could make some calculations easier, and is a rare case in which gravity seems to work in harmony with quantum mechanics, the theory of small particles. His paper is published today in Nature.

But don't get too excited: that elusive theory of everything is not just around the corner. Not everyone thinks that the calculations will stand up to scrutiny. Given physicists' "dicey" understanding of the relationship between gravity and other forces, it is too early to draw any deep conclusions, says Stanley Deser, a theoretical physicist at Brandeis University in Waltham, Massachusetts. Follow-up studies are needed to put Toms's calculations on solid ground.

Fundamental confusion

For decades, theoretical physicists have been able to explain the Universe in terms of four fundamental forces: the electromagnetic force, which causes electricity and magnetism; the weak nuclear force, which moderates some nuclear decays; the strong nuclear force, which binds quarks together inside atomic nuclei; and gravity. All except gravity have been incorporated into a 'standard model' of particle physics.

There are signs that an even more fundamental theory may be out there. At high energies, electromagnetism and the weak force merge into a single 'electroweak' force; and, at even higher energies, some as yet untested theories known as supersymmetry combine the electroweak and strong nuclear force. Theorists hope that the world's most powerful particle accelerator, the Large Hadron Collider near Geneva, Switzerland, will provide evidence for this combined strong and electroweak force.

But gravity remains a stubborn holdout against efforts to create a theory of everything. The force is too weak at low energies to fit with the others, and it becomes too strong at high energies to be included in a single theory. Moreover, theories which attempt to describe gravity in quantum mechanical terms lead to nonsensical infinities in the equations. "That is a very serious problem," says Toms.

But Toms's equations have now shown that gravity can sometimes help, rather than hinder. He included a quantum formulation of gravity in a calculation of quantum electrodynamics (QED), a theory that describes how electrons interact with light particles, known as photons. The theory normally breaks down at high energies, because these interactions seem to grow far too strong to be calculated using conventional methods.

In Toms's work, gravity soothes the interaction, making the force between the electron and photon nearly zero at high energies (1015–1019 GeV). This weakening of the force means that theorists can calculate the behaviour of high-energy electrons and photons after all. "What gravity seems to do is make things better for you," says Toms.

The future of the theory

There is still a lot of work to do, Toms warns. His calculations provide no basic insights into why gravity would weaken other forces. What's more, gravity itself is still likely to become uncontrollably strong at very high energies.

And many theorists are sceptical about whether Toms's calculations will bear close examination. "His mathematics could well be right, but I don't think his interpretation is," says John Donoghue, a theoretical physicist at the University of Massachusetts Amherst. Donoghue is concerned that when the method is applied to other interactions, involving different particles, it might yield a different answer. "The effects are not universal," he says. That would be a big problem for theorists, who want their methods to apply to everything equally.

Toms concedes that he "can't say for certain" whether his method will be universal. He now plans to take a second look at what happens to the strength of gravity at high energies, using the new approach. If gravity weakens like the other forces, theorists really might be closer to a theory of everything. Toms says that the calculations will be harder to do. But, he adds, "I think I know how to do it". 

یک منظومه سیاره‌ای مصنوعی برای یافتن ابعاد بالاتر !

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.

(متاسفانه این تصویر پاک شده است)

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

Introduction to Black Holes

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.

سفر در زمان، آیا می توانیم ؟

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 و به دنبال آن ترتیب زمانی واقعه 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. و اما 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 توزیع 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؟

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.

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.