اختر فيزيك و مشكلات آن (ع) در باب پيدايش جهان

مقدمه

اختر فيزيك دانشي گسترده و در عين حال بسيار پيچيده است. گستردگي دانش اختر فيزيك از آنجا ناشي مي شود كه ساختمان جهان را به عنوان يك كل مورد نظر و بررسي قرار مي دهد و در عين حال بايد ارتباط بين تمام اجزاي جهان را توضيح دهد. جهان چگونه پديد آمد و سرانجامش چه خواهد شد؟ آيا جهان به آنچه كه قابل مشاهده است خلاصه مي شود؟ آيا اختراع ابزارهاي جديد افق ديد ما را گسترش خواهد داد؟ در ماوراي آنچه كه مي بينيم چه چيزي وجود دارد؟ آنچه كه براي ما قابل مشاهده نيست چه تاثيري بر جهان ما دارد؟ دانش بشر تا آنجا پيشرفته كه مي تواند عمر ستارگان را با تقريب بسيار خوبي محاسبه كند. آيا انسان مي تواند عمر جهان را نيز به عنوان يك واحد حساب كند؟ آيا قوانيني كه ما در زمين كشف مي كنيم قابل تعميم به همه ي جهان است؟ آيا كهكشانها و كوسارها از همين قوانيني تبعيت مي كنند كه زمين و خورشيد را به يكديگر پيوند مي دهد؟

هزاران سئوال ديگر مي توان مطرح كرد كه تلاش براي يافتن پاسخ آنها به جز پيچيده كردن مسائل حاصلي نخواهد داشت. تا زمانيكه دليلي يافت نشده كه قوانين شناخته شده بر كل جهان حاكم نبيست نبايد به صحت اين قوانين ترديد كرد. اما همين قوانين شناخته شده نيز براي ما با ابهام همراه است. دانش انسان براي شناختن جهان به مكانيك كوانتوم و نسبيت محدود مي شود كه خود با يكديگر ناسازگارند. با اين وجود بسياري از رموز جهان را براي بشر گشوده اند. آنچه كه از جهان براي ما خبر مي آورد به امواج الكترومفناطيسي خلاصه مي شود كه تحت عنوان اشعه ي كيهاني شناخته مي شوند. امواج الكترومغناطيسي طيف بسيار گسترده اي است كه بخش ناچيزي از آن نور معمولي است. در دهه هاي اخير دانش اختر فيزيك به بررسي امواجي مي پردازد كه در اوائل قرن بيستم براي فيزيكدانان قابل تصور نبود و به همين ترتيب افق هاي تازه اي در مقابل انسان گشوده است. هر سئوالي كه به پاسخ مي رسد، سئوالات جديدي با خود همراه دارد كه نشان مي دهد اين تلاش نقطه ي پاياني نخواهد داشت.

مشكلات اختر فيزيك

1- مشكل نسبيت با مكانيك كوانتوم- مكانيك كوانتوم ساختار ريز و كوانتومي كميت ها و واكنش متقابل آنها را مورد بررسي قرار مي دهد. به عبارت ديگر نگرش مكانيك كوانتوم بر مبناي كوانتومي شكل گرفته است. در اين زمينه تا جايي پيش رفته كه حتي اندازه حركت و برخي ديگر از كميتها را كوانتومي معرفي مي كند. اين نتايج بر مبناي يكسري شواهد تجربي مطرح شده و قابل پذيرش است. علاوه بر آن تلاشهاي زيادي انجام مي شود پديده هاي بزرگ جهان را با قوانين شناخته شده در مكانيك كوانتوم توجيه كنند. حال به نسبيت توجه كنيد كه فضا-زمان را پيوسته در نظر مي گيرد. بنابراين نسبيت با مكانيك كوانتوم ناسازگار است. تلاشهاي زيادي انجام شده تا به طريقي يك همانگي منطقي و قابل قبول بين نسبيت و مكانيك كوانتوم ايحاد شود. در اين مورد كارهاي ديراك شايان توجه است كه مكانيك كوانتوم نسبيتي را پايه گذاري كرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبيت عام موفقيت چنداني نصيب فيزيكدانان نشده است.

2- پيچيدگي و عدم وجود تفاهم در نسبيت- پيچيدگي نسبيت موجب شده كه تفاهم منطقي بين فيزيكدانان در مورد نتايج و پيشگويي هاي نسبيت وجود نداشته باشد. به عبارت ديگر نسبيت شديداً قابل تفسير است. اين تفاسيرگاهي چنان متناقض هستند كه حتي فيزيكدان بزرگي نظير استفان هاوكينگ نظر خود را تغيير داد. البته اين براداشتهاي متفاوت از نسبيت ناشي از گذشت زمان نيست، بلكه از آغاز حتي براي خود اينشتين كه نسبيت را مطرح كرد وجود داشت. به عنوان مثال: اينشتين از سال 1917 شروع به تدوين يك نظريه قابل تعميم به عالم كرد. وي با مشكلات حل نشدني رياضي برخورد كرد. به همين دليل در معادلات گرانش عبارت مشهور " پارامتر عالم " را وارد كرد. ملاحظات وي در اين موضوع بر دو فرضيه مبتني بود. 1- ماده داراي چگالي متوسطي در فضاست كه در همه جا ثابت و مخالف صفر است. 2- بزرگي " شعاع " فضا به زمان بستگي ندارد. در سال 1922 فريدمان نشان داد كه اگر از فرضيه دوم چشم پوشي شود، مي توان فرضيه اول را حفظ كرد بي آنكه در معادلات به پارامتر عالم نيازي باشد. فريدمان بر اين اساس يك معادله ي ديفرانسيل به صورت زير ارائه كرد:

dR/dt)^2 - C/R+K=0

در واقع سالها قبل از كشف هابل در مورد انبساط فضا، فريدمان دقيقاً كشفيات او را پيش بيني كرده بود. معادله ي فريدمان معادله ي اصلي كيهان شناخت نيوتني است و بدون تغيير در نظريه نسبيت عام نيز صادق است. اينشتين بر همه نتايج به دست آمده توسط فريدمان اعتراض كرد و مقاله اي نيز در اين باب انتشار داد. سپس حقايق را در فرضيه فريدمان ديد و با شجاعت كم نظيري طي نامه اي كه براي سردبير مجله آلماني فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف كرد. بيشتر مشكلات نسبيت ناشي از خواصي است كه كه به علت وجود ماده براي فضا قايل مي شوند. كه در آن هندسه جاي فيزيك را مي گيرد. زماني پوانكاره گفته بود كه اگر مشاهدات ما نشان دهد كه فضا نااقليدسي است، فيزيكدانان مي توانند فضاي اقليدسي را قبول كرده و نيروهاي جديدي وارد نظريه هاي خود كنند. اما نسبيت چنين نكرد و ماهيت پديده هاي فيزيكي را به دست فراموشي سپرد. هرچند پديده هاي فيزيكي را بدون ابزار محاسباتي، اعم از جبري و هندسي نمي توان توجيه كرد، اما فيزيك نه هندسه است و نه جبر، فيزيك، فيزيك است وبس!!!

3- مشكل گرانش نيوتني در نسبيت همچنان باقي است- در نسبيت فضا-زمان داراي انحناست. هرچه ماده بيشتر و چگالتر باشد، انحناي فضا بيشتر است. سئوال اين است كه اين انحناي فضا تا كجا مي انجامد؟ در نسبيت انحناي فضا مي تواند چنان تابيده شود كه حجم به صفر برسد. براي آنكه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد كه حجم به صفر برسد، بايد جرم به سمت بي نهايت ميل كند. يعني نسبيت نتوانست مشكل قانون گرانش را در مورد تراكم ماده در فضا حل كند، علاوه بر آن بر مشكل افزود. زيرا قانون نيوتن مي پذيرد كه ماده تا بي نهايت مي تواند متمركز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نيست. اما نسبيت علاوه بر آن كه مي پذيرد ماده مي تواند تا بي نهايت متراكم شود، پيشگويي مي كند كه حجم آن نيز به صفر مي رسد

چه بايد كرد؟

1- مشاهدات تجربي نشان مي دهد كه قانون جهاني گرانش نيوتن (يا حجم صفر نسبيت) بايد مجدداً مورد بررسي قرار گيرد.

2- قانون دوم نيوتن نياز به برسي مجدد دارد، اما نه به گونه كه افزايش جرم (انرژي) را تا بي نهايت بپذيرد. جرم-انرژي بينهايت در نسبيت مانند سرعت بي نهايت در مكانيك نيوتني غير واقعي و با مشاهدات تجربي ناسازگار است.

3- ساختار هندسي فضا تابع چگالي ماده است كه از نيروي گرانش آن ايجاد مي شود. به عبارت ديگر اين نيروي گرانش است كه ساختار هندسي فضا را شكل مي دهد، نه شكل هندسي فضا موجب ايجاد پديده اي مي شود كه ما آن را گرانش مي ناميم. در واقع گرانش نه تنها يك نيروي اساسي است، بلكه منشاء توليد انرژي است.

4- در ساختار كلان حهان همان قانوني حاكم است كه در كوچكترين واحدهاي كميت هاي طبيعت حاكم است. يعني قوانين جهان ميكروسكپي را مي توان به جهان ماكروسكپي تعميم داد.

منبع: علميران