نیروهای اساسی و امواج گرانشی

مقدمه
گرانش یکی از چهار نیروی اساسی طبیعت است که ماهیت عمل آن نظیر سایر نیروها است، با این تفاوت که بسیار ضعیف تر از آنها است .برای توضیح امواج گرانشی ناگزیر باید سایر نیروها را مورد دقت و بررسی قرار داد و با توجه به نحوه ی عملکرد آنها به توضیح عملکرد گرانش پرداخت .بنابراین در این نوشته نیز این نکته رعایت شده است تا درک امواج گرانشی را با تجارب و واقعیتهای شهودی همراه سازد. بر این اساس توجه به نظریه ی ذرات تبادلی برای شناخت و توضیح امواج گرانشی ضروری است.
نیرو
از نظر لغوی نیرو مفاهیم مختلفی دارد و در هیچ فرهنگی کلمه ی نیرو به صورتی جامع تعریف نشده است. شاید این امر به آن دلیل باشد که نیرو تعریف پذیر نیست اگر به آنچه که معمولاً نیرو نامیده می شود، دقت کنیم، از کثرت آن دچار شگفتی خواهیم شد. این کثرت نیروها نباید ما را به بیراهه بکشد. یکی از ویژگیهای علم آن است که کثرت را وحدت بخشد و در عین حال از وحدت بتواند موارد خاص و مختلف را نتیجه بگیرد. ما در اینجا به نیروهایی می پردازیم که در فیزیک به عنوان نیروهای اساسی شناخته می شوند و از اصطلاح برهم کنش برای آنها استفاده می شود و سایر نیروهایی که با آنها سروکار داریم ناشی از نیروهای اساسی طبیعت است .در طبیعت چهار نیروی اساسی شناخته شده که عبارتند از گرانش نخستین نیرویی که به طور جدی مورد توجه قرار گرفت گرانش است. طبق قانون جهانی گرانش که نیوتن کاشف آن است، هرگاه دو جسم درفاصله ای از یکدیگر قرار گیرند، نیرویی برهم وارد می کنند که با حاصلضرب جرم دو جسم متناسب و با مجذور فاصله نسبت عکس دارد. این نیرو خاصیت ذاتی ماده است و تجربه نشان داده مستقل از خواص فیزیکی، شیمیایی و محیطی همواره اعمال می گردد. برد این نیرو بینهایت است. دوباره به آن بر می گردیم نیروی الكترومغناطیسی دو جسم که دارای بار الکتریکی باشند بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. کولن تحت تاثیر قانون جهانی گرانش نیوتن مقدار نیرویی را که اجسام باردار بر یکدیگر وارد می کنند به طور ریاضی بیان کرد که طبق آن این مقدار با حاصلضرب بارها متناسب و با مجذور فاصله نسبت عکس دارد. کولن پس از ارائه قانون الکتریکی خود، در صدد تهیه قانونی برای نیروی مغناطیسی برآمد. کولن برای نیروی مغناطیسی فرمولی مشابه با نیروی الکتریکی به دست آورد که مورد توجه فیزیکدانان واقع نشد. اما پس از کشف ارتباط متقابل میدانهای الکتریکی و مغناطیسی، مشخص شد که این دو میدان مستقل از هم نیستند که آن را نیروی الکترومغناطیسی می نامند. برد این نیرو نیز بینهایت است
نیروی پر قدرت كوارك
نیروی قوی هسته ای كه نیروی رنگ نیز نامیده می شود از جدا شدن بیش از حد كواركهای هسته از یكدیگر و یا حتی از پرت شدن آنها به خارج جلوگیری می كند. نیروی پر قدرت كوارك یا نیروق قوی از طریق ذرات مبادله كننده یا به اصطلاح گلوئون ها انتقال می یابدكه بین كواركها در پرواز هستند این نیرو مانند چسب پیوستگی بین كواركها را تضمین میكند. نیروی هسته ای كه پروتونها و نوترونها را در هسته اتم به هم پیوسته نگاه می دارد در واقع نیروی بنیادی نیست بلكه نیرویی است كه از نیروی رنگ كواركها(یعنی قویترین نیرویی كه به آن اشاره شد) به دست می آید. برد این نیرو بسیار کوتاه است و در خارج از ساختمان اتم بی اثر است
نیروی ضعیف
بسیاری از ذرات نسبت به هیچ یك از دو نیروی یاد شده در بالا یعنی نیروی قوی كوارك و نیروی الكترو مغناطیسی واكنش نشان نمی دهند از آن میان ذراتی هستند كه فاقد بار الكتریكی و رنگ هستند برای این گونه ذرات یك نیروی بنیادی دیگر وجود دارد كه در فاصله های خیلی خیلی كم كارگر است.
یکسان سازی نیروها
بسیاری از فیزیکدانان ازجمله فارادی و پلانک اعتقاد داشتند نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی تشابه بسیار زیادی به یکدیگر دارند و احتمالاً رابطه ی مشابهی نظیر آنچه که بین نیروهای الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد، بین گرانش و نیروی الکترومغناطیسی وجود دارد. آلبرت اینشتین نیز تلاش بسیار كرد كه این دو نیرو را در یك نیروی اولیه خلاصه كند. اما موفق نشد. البته در زمان اینشتین نیروهای مهم و مطرح همین دو نیروی گرانشی و الکترومغناطیسی بود.امروز فیزیكدانها موفق شده اند نشان دهنده كه در درجه حرارتها و انرژیهای بسیار بالا تفاوت بین نیروی الكتروو مغناطیسی و نیروی ضعیف از بین می رود و امكان دارد كه در در جه حرارتها و انرژی ذره ای خیلی بالاتر تفاوت بین نیروی قوی و نیروی ضعیف و همچنین تفاوت بین "لپتونها " و "كواراكها " نیز از بین برود به گونه ای كه فقط یك ذره اولیه و یك نیروی اولیه وجود داشته باشد چنین روابطی را حتی با بزرگترین شتابدهنده ها نیز نمی توان برقراركرد ولی "فرضیه وحدت نیروها " احتمالاَ می توانسته مدت بسیار كوتاهی پس از "انفجار اولیه " وجود داشته باشد یعنی زمانی كه هنوز تمام كیهان به صورت یك گو ی آتشین فوق فشرده و دارای بار انرژی عظیمی بوده است در قلمرو كوچكترین ها هنوز مطالب قابل پژوهش زیادی وجود دارد . مثلا فیزیكدانهای قرن ۲۱ می توانند این پرسش را مطرح كنند كه آیا كواركها و الكترونها هم از ذرات كوچكتری ساخته شده اند؟
ذرات تبادلی
نخستین گام برای توجیه نیروهای هسته ای قوی در سال ۱۹۳۲ توسط هایزنبرگ برداشته شد. وی نظر داد که پروتونها به وسیله ی نیروهای تبادلی در کنار یکدیگر قرار می گیرند. به این ترتیب می توان تصور کرد که دو ذره، به تبادل ذره ی سوم می پردازند و ذره ی تبادلی دو ذره را به سوی هم می راند. طبق نظریه هایزنبرگ، همه ی نیروهای جاذبه و دافعه نتیجه ی ذرات تبادلی هستند. به شکلهای پائین صفحه مراجعه کنید.در مورد جاذبه و دافعه ی الکترومغناطیسی، ذره ی تبادلی فوتون است. لازم به ذکر است که فیزیکدانان به وجود دو نوع فوتون اعتقاد دارند، یکی فوتونهای حقیقی که قابل مشاهده هستند و دیگری فوتونهای مجازی است که نمی توان آنها را مشاهده کرد. فوتون مجازی نیز با سرعت نور حرکت می کند. فوتونهای مجازی نتیجه ی اصل عدم قطعیت هستند.انرژی و اندازه حرکت هر یک از الکترون های واکنش کننده در اثر تبادل فوتون تغییر می کند. غیر قابل مشاهده بودن فوتون مجازی امکان عدم بقای انرژی و اندازه حرکت را در طول بازه ی زمانی بین گسیل و در آشامیدن فوتون فراهم می کند. اصل عدم قطعیت انرژی فرض شده را که توسط آن بقای انرژی نقض می شود به مقدار زیر محدود می کندdE=h/dtکه در آن
dtبرابر است با بازه ی زمانی بین گسیل و در آشامیدن فوتون مجازی است.
امواج گرانشی
نظریه ی نسبیت عام که گرانش را به منزله ی انحنای فضا-زمان چهار بعدی مطرح می کند، انواعی از پدیده های غیر عادی را پیش بینی می کند. بنابر نسبیت عام هر جسمی که جرم داشته باشد موجب می گردد که فضای اطراف آن خمیده شود. هر زمان که این جسم حرکت کند، این انحنا با صورت بندی جدید ماده متناسب می گردد. این تنظیم فضا-زمان با وضعیت متغییر مکانی ماده موجب می شود که امواج گرانشی با سرعت نور در فضا منتشر شود. در نتیجه هر جسم متحرکی از خود تشعشعات گرانشی منتشر می کند.امواج گرانشی نسبت به سایر نیروها فوق العاده ضعیف است. برای مشاهده ی ضعیف بودن امواج گرانشی نسبت به امواج الکترومغناطیسی کافیست قانون گرانش و قانون کلون را برای دو الکترون بکار برید. خواهید دید که امواج الکترومغناطیسی تقریباً ده بتوان چهل مرتبه از امواج گرانشی قوی تر است
وقتی امواج الکترومغناطیسی به ماده برخورد می کنند، فقط ذرات باردار را تکان می دهند. ولی امواج گرانشی موجب می شوند که تمام ذرات ماده تحت تاثیر قرار گیرند.همچنین به دلیل آنکه امواج الکترومغناطیسی بسیار قوی تر از امواج گرانشی است (تقریباً ده بتوان چهل بار) هنگام عبور امواج به همین نسبت نیز ذراتی که در مسیر آنها هستند تحت تاثیر قرار می گیرند در دهه ی ۱۹۶۰ ژوزف وبر از دانشگاه مریلند ترتیبی داد تا امواج گرانشی را آشکار سازد. آنتنی که وبر برای آشکار ساختن امواج گرانشی ساخت استوانه ای آلومینیمی بود به قطر ۶۰ سانتیمتر و طول ۱.۵ متر که وزن آن بیش از یک تن بود. این استوانه توسط سیمی که در وسط آن آن به دور استوانه پیچیده شده بود در یک محفظه ی خلا به طور معلق قرار داشت. همچنین این محفظه به وسیله سیستمی از کمک فنرها از جهان خارج جدا شده بود. وقتی یک موج گرانشی از درون استوانه عبور می کرد فشارهایی به وجود می آورد. وبر برای آشکار کردن نوسانات حاصل، تعدادی کریستال پیزوالکتریک بر روی سطح استوانه نصب کرد. این کریستالها نوسانات را به جریانهای الکتریکی ضعیفی مبدل می کنند. سپس این جریانها تقویت و ثبت می شوندیک چنین استوانه ی آلومینیمی به دلیل وجود تاثیرات گرمایی همواره در حال نوسان خواهد بود. برای غلبه بر این مشکل صافیهایی الکترونیکی در سیستم نصب شده تا تمام نوسانات را به استثنای بزرگترین آنها حذف کند. علاوه بر این وبر دو عدد از این آنتنها را یکی در دانشگاه مریلند در نزدیکی واشنگتن و دیگری را در آزمایشگاه ملی ارگون خارج از شیکاگو نصب کرد. این دو آنتن بوسیله خطوط تلفن به نحوی به هم وصل بودند که نوسانات بزرگ آنی که در هر دو ایستگاه رخ می داد، به سرعت ثبت می کردند در سال ۱۹۶۹ وبر با اعلام این خبر که امواج گرانشی را به طور موفقیت آمیزی آشکار کرده فیزیکدانان را متحیر کرد. هر روزه حداقل یک نوسان بزرگ ثبت می شد و نشان می داد که یک موج گرانشی به زمین برخورد می کند. بااین وجود بسیاری از دانشمندان نسبت به درستی نتایج آزمایش وبر مشکوک هستند. هرچند که هیچ کس نتوانسته نشان دهد که کدام قسمت از نتایج آزمایش وبر نادرست است.اشکالات امواج گرانشی در نسبیت عام
همچنانکه می دانیم در نسبیت عام گرانش اثر هندسی ماده بر فضای اطرافش است و آنرا فضا-زمان می نامند که کمیتی پیوسته است. باحرکت جسم میزان انحنای فضا نیز تغییر می کند. اگر فرض کنیم که امواج گرانشی نیز کمیتی پیوسته است آنگاه با مکانیک کوانتوم ناسازگار خواهد بود. یعنی از چهار نیروی اساسی سه تای آنها کوانتومی و یکی پیوسته است. اگر فرض کنیم که امواج گرانشی نیز کوانتومی است که در این صورت فضا-زمان با امواج گرانشی که نسبیت خود بانی است ناسازگار خواهد بود. تنها راه حل ممکن این است که فضا-زمان نیز کوانتومی باشد و این همان چیزی است که نظریه ی سی. پی. اچ. بر آن تاکید دارد. در نظریه سی. پی. اچ. گرانش کوانتومی است
نظریه سی. پی. اچ. و امواج گرانشی
در نظریه سی. پی. اچ. امواج گرانشی همواره در اطراف اجسام وجود دارد و این امواج ناشی از تبادل سی. پی. اچ. بین اجسام است. با توجه به هم ارزی نیرو و انرژی که نظریه سی. پی. اچ. مطرح کرده برای تبادل ذرات بین اجسام که نیروی گرانش را حمل می کنند نیازی به نقض قانون بقای انرژی نیز نمی باشیم
برای توضح بیشتر در این مورد نخست سی. پی. اچ. را تعریف کرده و گرانش را از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بیان و آنگاه دو باره به این بحث خواهم پرداخت. در نظریه سی. پی. اچ. نیرو و انرژی قابل تبدیل به یکدیگر هستند. همچنین با توجه به نسبیت که در آن جرم و انرژی هم ارزند، بنابر این، نیرو، انرژی و جرم هم ارز می باشند. و می توان نتیجه گرفت که نیرو، انرژی و جرم سه جلوه (ظاهر) متفاوت از یک ذره واحد و بنیادی هستد و ما باید تصورات خود را در مورد نیرو، انرژی و جرم تغییر دهیم.
تعریف CPH
فرض کنیم یک ذره با جرم ثابت m وجود دارد که با مقدار سرعت ثابت Vc نسبت به تمام دستگاه های لخت حرکت می کند (شکل ۲). و Vc>c, c is speed of lightبنابراین سی. پی. اچ. دارای اندازه حرکت خطی برابر mVc است.
CPH اصل
Principle of CPH
سی. پی. اچ. یک ذره بنیادی با جرم ثابت است که با مقدار سرعت ثابت حرکت می کند. این ذره دارای لختی دورانی است. در هر واکنش بین این ذره با سایر ذرات یا نیروها در مقدار سرعت آن تغییری داده نمی شود، بطوریکه :gradVc=۰ in all inertial frames and any space
CPH is a particle with constant mass m and moves with constant speed VcExplainبا توجه به شکل ۲ این ذره دارای اندازه حرکت P=mVc .است همچنین دارای لختی دورانی I است.
Momentum of Inertia Iهنگامیکه نیروی خارجی بر آن اعمال شود، قسمتی از سرعت انتقالی آن به سرعت دورانی (یا بالعکس ) تبدیل می شود، بطوریکه در مقدار Vc تغییری داده نمی شود. یعنی اندازه حرکت خطی آن به اندازه حرکت دورانی و بالعکس تبدیل می شود. بنابراین مجموع انرژی انتقالی و انرژی دورانی آن نیز همواره ثابت است. تنها انرژی انتقالی آن به انرژی دورانی و بالعکس تبدیل می شود هنگامیکه سی. پی. اچ. دارای حرکت دورانی حول محوری که از مرکز جرم آن می گذرد است، یعنی زمانیکه سی. پی. اچ. دارای Spin است، آن را گراویتون می نامیم. شکل ۳ When CPH has Spin it is calls GRAVITON
هنگامیکه گراویتون روی یک ذره/جسم کار انجام می دهد، گراویتون ناپدید شده و به انرژی جسم تبدیل می شود. زیرا این امر قابل توجیه نیست که نیرو تولید انرژی کند و هیچ تغییری در آن ایجاد نشود تمام تلاشها برای پیدا کردن یک نیروی اساسی واحد در طبیعت به این دلیل بی نتیجه بوده است که فیزیکدانان هیچ توجهی به تغییرات نیرو نداشته اند. در حقیقت نیرو و انرژی قابل تبدیل به یکدیگرند. یعنی نیرو به انرژی تبدیل می شود و انرژی نیز به نیرو تبدیل می شود.همچنین یک گراویتون روی گراویتون دیگر کار انحام می دهد، اما نتیحه ی این کار تغییر انرژی جنبشی به انرژی دورانی است .هنگامیکه گراویتون ها در کنار یکدیگر قرار می گیرند (ادغام می شوند) همان جلوه ای را از خود بروز می دهند که ما آن را انرژی می نامیم
شکل۴ نشان می دهد که دو گراویتون در فاصله r یکدیگر را حس کرده و جذب می کنند. اما چون مقدار سرعت آنها ثابت است، حرکت انتقالی آنها به حرکت دورانی Spin تبدیل می شود.همچنین فوتون دارای اسپین است. بنابراین هنگامیکه فوتون با سرعت نور حرکت می کند، گرایتون هایی که فوتون را تشکیل داده اند دارای حرکتهای زیر می باشندحرکت انتقالی برابر سرعت نور، زیرا فوتون با سرعت نور منتقل می شود و اجزای تشکیل دهنده آن نیز الزاماً با همین سرعت منتقل می شوندحرکت دورانی (اسپین)، زیرا طبق اصل سی. پی. اچ. مقدار سرعت سی. پی. اچ. بیشتر از سرعت نور است و هنگامیه سی. پی. اچ. ها با یکدیگر ادغام می شوند و سایر ذرات را تشکیل می دهند، مقداری از سرعت انتقالی آنها به اسپین تبدیل می شودو حرکت ناشی از اسپین فوتون، زیرا گراویتون ها در ساختمان فوتون هستند و از حرکت اسپینی فوتون سهم می برند. شکل ۵نظریه سی. پی. اچ. برای اولین بار هم ارزی نیرو و انرژی را مطرح کرده است. این نظریه با مطرح کردن یک اصل ساده و بنیادی به توجیه پدیده ها می پردازدgradVc=۰ in all inertial frames and any spaceاین نظریه یک زیر بنای کاری بسیار ساده را برای توجیه پدیده ها تشکیل می دهد. طبق این نظریه تمام ذرات بنیادی،نیروهای اساسی، انرژی و جرم (ماده و پاد ماده) از ذره ی واحدی تشیل می شوندنیروی گرانش محض است CPH در حقیقت CPH یک زیر کوانتوم هستی در طبیعت است
گرانش Gravity
در نظریه سی. پی. اچ. ، گرانش یک جریان است. این جریان دائمی بین تمام ذرات و اجسام وجود دارد. به عنوان مثال به زمین و ماه توجه کنید. زمین دارای میدان گرانشی است. یک میدان گرانشی از تعداد متنابهی سی. پی. اچ. (گراویتون) تشکیل شده است. پس میدان گرانشی زمین نیز از تعداد بیشماری سی. پی. اچ تشکیل شده است که در اطراف زمین در حرکت هستندفرض کنیم زمین منزوی است. یعنی هیچ کنش و واکنشی بین زمین و سایر اجسام وجود ندارد. در این صورت همه ی سی. پی. اچ. هایی که به زمین می رسند، جذب آن شده و از نیروهای موجود در آنجا اطاعت می کننداما همچنان که می دانیم زمین منزوی نیست و با سایر احسام کنش متقابل داردنگاهی به زمین و ماه بیندازید. در اینجا دو میدان وجود دارد، یکی میدان گرانشی زمین و دیگری میدان گرانشی ماه. هنگامیکه یک گراویتون به زمین می رسد، گراویتون دیگری زمین را ترک می کند و به دلیل آنکه دارای یک زیر کوانتوم گرانشی است، زمین را به دنبال خود می کشد. تا جاییکه زمین از حوزه عمل این زیر کوانتوم گرانشی خارج شود. مانند یک توپ که جدار خارجی آن را با چسب مایع آغشته کرده باشیم. هنگامیه می خواهیم آن را از زمین جدا کنیم، زمین را به دنبال خود می کشد.امواج گرانشی از سی. پی. اچ. ها تشکیل می شود.همچنانکه در بالا بیان شد، میدان گرانشی در اطراف اجسام به این دلیل وجود دارد که اجسام همواره با یکدیگر در حال تبادل سی. پی. اچ. هستند. در شکل ۷ یک گراویتون از جسم ۱ به جسم ۲ می رسد و جسم ۲ با ارسال یگ گراویتون به طرف ۱ واکنش نشان می دهد. جسم ۱ نیز به محض دریافت گراویتون از جسم ۲ با ارسال گراویتون دیگری به طرف جسم ۲ تغییر مسیر می دهد.حال ۳ جسم را در نظر بگیرید که چگونه با تبادل گراویتون در ارتباط با یکدیگر هستند. فضا توسطCPH خمیده می شودهمچنانکه می دانیم فرکانس فوتون در میدان گرانشی تغییر می کند. هنگامیکه گرانش روی فوتون کار انجام می دهد، انرژی و فرکانس فوتون افزایش می یابد. در صورتیکه کار منفی باشد، انرژی و فرانس فوتون کاهش می یابد. هنگام جابجایی به سمت سرخ گرانش کار منفی است. و هنگام جابجایی به سوی آبی کار مثبت است .هنگامیکه فوتون در حال فرار از میدان گرانشی است، جابجایی به سمت سرخ است و هنگام سقوط در میدان گرانشی، جابجایی به سمت آبی است. اگر نور در فضایی عبور کند که در آنجا میدان گرانشی وجود نداشته باشد، مسیر آن خط مستقیم است .حال فرض کنید نور از میدان گرانشی یک جسم چگال عبور می کند، گرانش روی آن کار انجام می دهد. اگر فاصله بین فوتون و جسم کم شود، نور به سمت آبی جابجا می شود و هنگامیکه فاصله افزایش می یابد، جابجایی به سمت سرخ است.همچنانکه در بالا بیان شد، فضای اطراف اجسام دارای انحنا است و این انحنا به دلیل وجود سی. پی. اچ. است. بنابراین میزان انحنای فضا به چگالی سی. پی. اچ. در فضا بستگی دارد. با حرکت جسم، چگالی سی. پی. اچ. در فضا تغییر می کند و فضا انحنای جدید خود را با سی. پی. اچ. های موجود در هر لحظه تنظیم می کند. بنابراین فضا-زمان کمیتی کوانتومی است که به این ترتیب ناسازگاری فضا-زمان با مکانیک کوانتوم بر طرف خواهد شدحال به این موضوع توجه کنید که گراویتون هایی که از ماه یا خورشید یا سایر اجسام به زمین می رسند، در هر لحظه به تعداد زیادی وارد می شوند و فشار زیادی به زمین وارد می کنند و موجب انقباض زمین می شوند. زمین نیز به همان میزان گراویتون متصاعد می کند و بدین ترتیب منبسط می شود. در واقع زمین و سایر اجسام مانند یک کره ی نواسانگر عمل می کند و دائماً در حال ارتعاش هستند. این نوسانات موجب تولید و انتشار امواج گرانشی در فضا می شود.

حسین جوادی