نظریه های فیزیک به چالش کشیده می شوند

تابش های پراكنده شده حرارتی از اجسام به طور خلاصه «تابش جسم سیاه» (Black Body Radiation)
نامیده می شود. پیش از این، ۲ بار در جهت دهی دانش بشر از طبیعت و كیهان به كمك ما آمده بود. به تازگی به نظر می رسد كه بررسی دوباره و دقیق طیف تابش زمینه كیهانی می تواند یكی دیگر از راز های عالم را برای ما آشكار كند كه به درك عمیق تر ما از كیهان می انجامد
فاجعه فرابنفش
حدود ۱۲۰ سال پیش تمام جنبه های فیزیك كلاسیك شناخته شده بود. در قرن هفدهم «سر آیزاك نیوتون» مكانیك كلاسیك را صورت بندی كرده بود كه در قرن بعد با كارهای گاووس، هامیلتون، لاگرانژ و دیگران قوام یافت. اوج قدرت مكانیك كلاسیك را می توان كشف اورانوس و نپتون از روی آشفتگی های مدار زحل دانست كه عظمت این شاخه از فیزیك را نشان می دهد. در اواخر قرن نوزدهم «جیمز ماكسول» الكترودینامیك كلاسیك را به صورت امروزی آن تدوین كرد و با كارهای گیبس و بولترمان در همان زمان ها، مكانیك آماری به بالاترین حد توان خود در توصیف پدیده ها رسید. كار تا جایی پیش رفت كه لاپلاس ریاضیدان فرانسوی در دهه های پایانی قرن نوزدهم ادعا كرد كه دیگر چیز مهمی برای كشف وجود ندارد و كار فیزیك تنها بهتر كردن تعریف ها است. در چنین زمانی بود كه توجه دانشمندان به یك پدیده ساده جلب شده بود؛ تابش جسم سیاه وقتی یك سوزن را روی آتش اجاق گاز می گیریم، در اثر حرارت ابتدا به رنگ قرمز تیره درمی آید. این رنگ به تدریج در اثر گرم شدن، روشن تر شده و به سمت نارنجی می رود. اگر حرارت به حد كافی زیاد باشد، به رنگ آبی روشن و سرانجام سفید درمی آید. به این پدیده ساده روزمره تابش جسم سیاه می گویند. البته سوزن یك جسم سیاه ایده آل نیست زیرا گرما را به هدر می دهد اما می توان با به وجود آوردن یك محفظه از جنس كربن خالص و ایجاد یك سوراخ كوچك در آن یك جسم سیاه تقریباً ایده آل داشت. در حقیقت سوزن در دمای معمولی هم این تابش را دارد اما چون فركانس آن در محدوده زیرقرمز
(IR)است با چشم معمولی قابل دیدن نیست .نكته قابل توجه در این پدیده این بود كه وقتی انرژی درونی این جسم سیاه با روش های مكانیك آماری و الكترودینامیك كلاسیك محاسبه می شد، مقدار بی نهایت به دست می آمد. واضح است كه انرژی درونی یك تكه سوزن گرم شده بی نهایت نیست وگرنه می توان از آن به عنوان منبع لایزال انرژی استفاده كرد. به این وضعیت پیش آمده در آن زمان در فیزیك، فاجعه فرابنفش می گویند.پس از شكست تمام طرح های كلاسیك برای توجیه این پدیده، یكی از بزرگ ترین دانشمندان آن زمان و بنیانگذار مكتب نوین فیزیك آلمان «ماكس پلانك» در ،۱۹۰۰ از روی طیف به دست آمده از آزمایش معادله ای برای توجیه این پدیده به دست آورد. به چنین معادلاتی كه بدون پیش فرض خاص و از روی آزمایش به دست می آیند، «پدیده شناسی» (Phenomenlogg)می گویند اما كمتر از ۲ ماه بعد خود پلانك توانست یك توصیه علمی اما غیرمتعارف به دست آورد و با در نظر گرفتن اینكه طیف انرژی پیوسته نیست بلكه از مقادیر (كوانتاها) جداگانه كه ضریبی صحیح از یك عدد ثابت (ثابت پلانك h) و فركانس است،این پدیده را توضیح دهد.كشفیات پلانك در ابتدا مورد موافقت عموم و حتی خود پلانك قرار نگرفت اما وقتی چند سال بعد در ،۱۹۰۵ آلبرت اینشتین فیزیكدان بزرگ یهودی برای توجیه پدیده فتوالكتریك (گسیل الكترون از سطح فلزی كه تحت تابش نور است) از كوانتا های پلانك استفاده كرد، راه برای پذیرش این كوانتوم ها آسان تر شد. اما ربع قرن طول كشید تا سرانجام مكانیك كوانتومی نوین توسط هایزنبرگ و شرودینگر كشف شد. كوچك بودن فوق العاده ثابت پلانك باعث می شود كه اثرات كوانتومی در زندگی روزمره به سادگی دیده نشوند.
مدل كیهان و تابش جسم سیاه
در دهه دوم قرن بیستم وقتی مكانیك كوانتومی در حال تدوین بود، در جبهه دیگری از فیزیك، اینشتین در حال تدوین تئوری ای برای توجیه پدیده های گرانشی بود كه نسبیت عام نام گرفت. این كار در ۱۹۱۶ به پایان رسید و در كسوف ۱۹۱۹ در قطب جنوب توسط دانشمندان انگلیسی، نسبت عام تایید شد.
اینشتین با توجه به پیش فرض های فلسفی و ذهنی خود می خواست مدلی از جهان را ارائه دهد كه كیهان را در حالتی ایستا نشان دهد اما فیزیكدان روسی، الكساندر فریدمان مخالف نظر اینشتین بود. وی با كمك لمارتی، رابرتسون و واكر در چارچوب نسبیت عام مدلی برای عالم طراحی كردند كه در آن جهان در حال انبساط بود اگر جهان همیشه در حال انبساط باشد. پس از یك نقطه اولیه شروع كرده است. به همین دلیل اسم این مدل را انفجار بزرگ (Big Bang)گذاشتند؛ انفجار نقطه ای كه جرم و انرژی بسیار زیادی در آن متمركز شده بود. كشفیات ادوین هابل به تایید این نظر كمك شایانی كردجرج گاهوا (كه به اشتباه گاموف خوانده می شود) در ۱۹۴۰ با استفاده از مكانیك كوانتومی نشان داد كه اگر مدل Big Bangدرست باشد، تابش ناشی از انفجار بزرگ همانند طیف جسم سیاه خواهد بود در این صورت پس از گذشت زمان حدود ۱۵ میلیارد سال از انفجار بزرگ (كه از كشفیات نجومی به دست آمده است) دمای این تابش به حدود ۴ كلوین رسیده است.در سال ،۱۹۶۵ نیزیاس و ویلسون دو مهندس برق جوان آزمایشگاه بل كه آنتی رادیویی برای ردیابی فركانس های رادیویی فرازمینی طراحی كرده بودند، ناخواسته تابشی را كشف كردند كه در تمام جهات دنیا در حال پخش بود و دمایی در حدود ۷/۲ كلوین داشت. با اعلام این خبر و تایید اینكه، این همان تابش جسم سیاه باقی مانده از انفجار آغازین است كه تقریباً هیچ شكی در درستی نظریهBig Bang وجود ندارد این بار نیز تابش جسم سیاه به كمك آمد تا درك ما از طبیعت را بیشتر كندتابش زمینه كیهانی
طیف تابش جسم سیاه ناشی از انفجار اولیه، به طور خاص «تابش میكروموج زمینه كیهانی» (CMB) نامیده می شود. تلاش برای شناخت بهتر این طیف همچنان ادامه دارد. در نوامبر ،۱۹۸۹ ناسا ماهواره ای به نام «كاوشگر تابش زمینه» با نام اختصاری COBEبه فضا فرستاد كه وظیفه آن ثبت دقیق این تابش بود. فعالیت های COBEبسیار درخشان بودند. عمر دقیق ۷/۱۳ میلیارد سال برای كیهان به دست آمد. همچنین دمای تابش زمینه را ۷۲۵/۲ كلوین نشان دادCOBE نقشه ای از شدت تابش زمینه تهیه كرد كه تا حدودی عجیب به نظر می رسید
همگنی فضا
توصیف طبیعت براساس تقارن های موجود در آن انجام می گیرد. یكی از این تقارن ها همگنی فضا است كه منجر به اصل پایستگی اندازه حركت خطی می شود. به نظر می رسد كه بعد از انفجار بزرگ، جرم و انرژی به طور همگن در تمام فضا پخش شده اند. البته واضح است كه كاملاً این طور نیست یعنی جایی مثل مركز ستارگان یا حتی سطح زمین، بسیار چگال تر از فضای بین كهكشان ها است كه عملاً خالی است. اما اگر در مقیاس بزرگ به جهان نگاه كنیم، آنگاه می توان با تقریب خوبی، جهان را همگن فرض كرد. البته آشفتگی های كوانتومی در لحظات اولیه پس از Big Bangباعث تشكیل ستارگان و كهكشان ها شده است. این آشفتگی های كوانتومی كه از روی طیف تابش زمینه توسط COBEضبط شده بود، به دست آمد. اما چیز عجیبی كه توجه همه را جلب كرد این بود كه پس از حذف اثرات ناشی از حركت زمین و منظومه شمسی و كهكشان راه شیری، باز هم به نظر می رسید كه فركانس ماكزیمم شدت تابش، در یك جهت خاص با بقیه جهات متفاوت است. به عبارت بهتر یك جهت ارجحی می توان در فضا داشت و دستگاه لختی كه در این جهت حركت كند بر بقیه دستگاه های لخت مرجح است. چنین چیزی، تمام شالوده تئوری نسبیت خاص اینشتین كه پیش از این بارها در شتاب دهنده ها و ذرات كیهانی تایید شده بود را زیر سئوال می برد
كشفیات اخیرپس از نتیجه عجیب COBE،عده ای از كیهان شناسان این نتیجه را به خطای آزمایش و ایراد دستگاه مربوط دانستند. ناسا ماهواره ای جدید و به روز به نام (Wilkinson Microwave Anistropy probe) WMAP را در ژوئن ۲۰۰۱ به فضا فرستاد تا با دقت بیشتری این قضیه را تحقیق كند. برخلاف COBEكه ماهواره ای زمین گرد بودWMAPبه دور خورشید می چرخید. این ماهواره در فوریه ۲۰۰۳ به مدار خود رسید و WMAPهم كمك شایانی به علم كرد و می كند. نتایج یك سال اخیر دریافتی توسط آن نشان می دهد كه جهان از ۴ درصد جرم و انرژی معمولی شناخته شده و ۲۳ درصد جرم نامعلوم (تاریك) و ۷۳ درصد انرژی نامعلوم (تاریك) تشكیل شده است .اما در هفته گذشته ۲ اخترشناس آمریكایی «دیوید لارسن» و «بنیامین ونولت» از دانشگاه ایلینویز كه در حال بررسی داده های یك سال اول مخابره شده توسط WMAPبودند، ادعا كردند كه تفاوت های مشاهده شده در توزیع گاووسی ماده و انرژی در طیف تابش زمینه نشان از تایید ادعایCOBE می كند. چنین ادعایی بسیار تكان دهنده است. بنابراین پژوهشگران در گام اول، آن را به خطای آزمایش و نقص در دستگاه مربوط می كنند. اما اگر واقعاً طبیعت چهره ای جدید از خود به نمایش گذاشته باشد، هیچ كدام از قوی ترین تئوری های علمی در حال حاضر قادر به توضیح آن نخواهند بود. آنگاه باید باز هم مثل سال های نخستین قرن بیستم منتظر باشیم تا تئوری جدیدی ساخته شود و درك ما را از دنیا باز هم بیشتر از قبل كند. این بار نیز «طیف جسم سیاه» به كمك ما آمده است.

نویسنده : مهدی صارمی فر
منبع: پارس اسکای