پایان نامه سیر تحول ستارگان در حوزه علم فیزیک

اختصاصی از اینو دیدی پایان نامه سیر تحول ستارگان در حوزه علم فیزیک دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت) تعداد صفحه:256

مقدمه

جهان چگونه آغاز شد؟ چنین رویدادی را چگونه می توان تصور کرد؟ امروز بیشتر دانشمندان بر این عقیده اند که قراین خوبی وجود دارد که نشان می دهد گذشتة جهان بسیار متفاوت بوده است و همة مادة جهان از انفجاری عظیم نشأت کرده و جهان از آن پس پیوسته انبساط یافته است.

در خیال ، زمان را تا انفجار بزرگ به عقب می بریم و چون به اندازة‌ کافی به عقب باز گردیم ـ یعنی به زمانی پیش از پیدایش کهکشانها که جهان بسی کوچکتر از حال بود ـ آنچه می بینیم گاز سوزانی از اتمها و فوقونها یعنی ذرات نور است . چون باز هم به عقب رویم، جهان همچنان انقباض می یابد، ذرات گاز به یکدیگر نزدیکتر و در نتیجه برانگیخته تر می شوند و دمایشان افزایش پیدا می کند. هر چه بیشتر به عقب رویم، گاز داغتر و سوزانتر می شود[1]. با افزایش دمای گاز، هر چیز به ذرات تشکیل دهنده اش « ذوب » می شود. اتمها به الکترونها و هسته ها «ذوب[2]» می شوند ؛ هسته ها به پروتونها و نوترونهای سازندة خود تجزیه می شوند و چون دما باز هم افزایش یابد پروتونها و نوترونها به کوارکها و گلوئونهایی تجزیه می شوند که آنها را تشکیل داده اند . جهان در بیشترین دمای ممکن متشکل است از آتشگوی آغازینی از همة ذرات بنیادی. امروزه مطالعة جهان آغازین عبارتست از ساختن مدلهایی ریاضی برای این آتشگوی بر اساس نظریه های جدید ذرات کوانتومی ( ذرات بنیادی ). وقتی که در سال 1964 آرنو پنزیاس و رابرت ویلسن در آزمایشگاههای بل در نیوجرزی، اشعة میکروموجی باقیمانده از انفجار بزرگ را کشف کردند ، این نظریه سخت تقویت شد. به دنبال این تأیید تجربی، فیزیکدانان و اختر فیزیکدانان نظری با اطمینان به انجام محاسبات پیچیدة خواص انفجار آغازین پرداختند. آنان با استفاده از قوانین شناخته شدة فیزیک هسته ای محاسبه کردند که چگونه ممکن است عنصرهای شیمیایی ـ هسته های اتمی ـ از آتشگوی آغازینی متشکل از پروتونها و نوترونها بوجود آمده باشد؛ و از روی این محاسبات، فراوانی نسبی عناصر سبک نظیر ئیدروژن، هلیوم و دوتریوم را پیش بینی کردند . این پیش بینی ها دقیقاً با فراوانیهائی که امروزه مشاهده می شود, وفق می دهد . فکر انفجار بزرگ[3] از برکت این پیش بینیهای موفقیت بار اعتبار زیادی کسب کرد بطوری که در اوایل دهة 1970 بر نظریه های دیگر مربوط به پیدایش جهان چیره شد. چیزی که به «مدل متعارف انفجار بزرگ سوزان» معروف شده است نشان دهندة‌ توافق نظر عمومی جدیدی است دربارة وضع جهان آغازین. فرضیة اصلی « مدل متعارف » آن است که جهان سوزان اولیه به سرعت و بطرزی یکنواخت، در حالیکه دما بطور یکنواخت کاهش پیدا می کرد، انبساط یافت.

هر نظریة موفق معمولاً دیدگاهی تازه را می گشاید و مسائل جدیدی را بهمراه می آورد؛ نظریة انفجار بزرگ نیز از این قاعده مستثنی نیست. دو مسألة چالش طلبی که این نظریه مطرح می کند عبارتند از «مسأله علیت» و«مسأله تخت بودن فضا».

مسأله علیت این است که جهان به اندازه ای بزرگ است که نواحی بسیار دور از هم آن نمی توانند با یکدیگر مرتبط باشند، یعنی بطور فیزیکی با هم به کنش متقابل بپردازند، حتی اگر چنین ارتباطی با سرعت نور ـ بیشترین سرعت ممکن ـ انجام گیرد. اگر جهان 10 تا 15 بیلیون سال پیش (بیشتر تخمینها در این حدودند) بوجود آمده باشد، نور یا هر نوع وسیلة ارتباط دیگر در این مدت نمی تواند مسافت بین دو کهکشان را که فرضاً بیست میلیون سال نوری ـ رقمی بزرگتر از سن جهان ـ از هم فاصله دارند بپیماید. و اگر قسمتهای مختلف جهان مرئی کنونی نتوانند با هم کنش متقابل داشته باشند، پس چرا این قدر به هم شبیهند؟ منظور از شباهت این است: در هر امتداد که بنگریم می بینیم که دمای زمینة میکروموجی یکی است و به هر جا که نگاه کنیم کهکشانهایی را می بینیم که با وجود تفاوتهای اندک، اساساً مانند یکدیگرند.

دومین مشکل مدل متعارف انفجار بزرگ، یعنی مسأله تخت بودن فضا، این است که چرا در زمان حاضر فضای جهان در مقیاسهای بزرگ تا این حد تخت و مسطح است. بنا بر نظریة نسبیت عمومی[4] اینشتاین، فضا می تواند خم شود، و این نکته را آزمایش در همسایگی خورشید تأیید کرده است. اما در پهنه های وسیعتر، مانند فضای میان کهکشانها، انحنای فضایی بقدری کم است که آن را نمی توان ردیابی کرد. حتی در مقیاس مجموعه های کهکشانی نیز فضا را می توان به تقریب خوب یک فضای تخت اقلیدسی عادی دانست. ولی بنابر افکار متداول در فیزیک نظری و کیهانشناسی، تخت بودن فضا چیزی است فوق العاده نامحتمل و در نتیجه فهم علت آن دشوار است. بسیار محتملتر آن است که جهان چنان پیچ و تاب یابد و فضایی چنان خمیده را بوجود آورد که به آنچه دیده می شود شباهتی نداشته باشد .

اینها مسائلی نیست که مایة‌ نگرانی بیشتر مردم شود، اما اسباب ناراحتی اخترفیزیکدان و کیهانشناس را فراهم می آورد . آلن گوث، فیزیکدانی نظری ، که اکنون در ام . آی . تی است ، به سال 1981 در نظریه ای که آن را «جهان متورم» نامید ، پاسخی برای این سؤالها پیشنهاد کرد. نظریة گوث را به حق می توان اولین اندیشة نو کیهانشناسی در چند دهة اخیر دانست .

بنا بر نظریة گوث، تکامل جهان آغازین ـکه گهگاه جهان رویانی نیز نامیده می شودـ انبساطی یکنواخت در گازی سوزان و متشکل از ذرات، نبود. بلکه حالت جهان، در حالیکه هنوز آتشگویی بود، دستخوش تغییر و تحولی بنیادی شد، تحولی که یک تغییر حالت [5] نامیده می شود. بعد از این تغییر حالت بود که جهان، در حالت متعارفی انفجار بزرگ سوزان، با انبساطی نسبتاً یکنواخت قرار گرفت. اما پیش از این تغییر حالت، جهان در حالتی بود کاملاً متفاوت موسوم به «حالت متورم » . جهان در این دوران تورم ، دچار انبساطی عظیم شد .

اگر وجود حالت متورم را در زمانی که دمای جهان یک میلیون بیلیون درجة کلوین بود بپذیریم، می توانیم مسألة علیت را به صورت زیر حل کنیم . در حالت متورم همة نواحی جهان مرئی کنونی ، حتی کهکشانهایی که اکنون 20 میلیون سال نوری از هم فاصله دارند ، می توانستند از طریق علایم نوری با هم مرتبط باشند . البته جهان در آن زما مانند امروز نبود . کهکشانها وجود نداشتند ، ولی افت و خیزهای کوچکی که در این گاز ذرات وجود داشت بر یکدیگر اثر می کردند و همین افت و خیزها بودند که رشد کردند و کهکشانها را بوجود آوردند . پس از تغییر حالت مفروض گوث پیوند این افت و خیزها با یکدیگر از هم گسست و دیگر ارتباط آنها با هم از دوردست به ما می رسد ، آن افت و خیزهای ـ که اکنون کهکشان شده اند ـ‌ با ما تماس حاصل می کنند .

وجود یک حالت متورم در گذشته این نکته را نیز توضیح می دهد که چرا در حال حاضر هندسة بزرگ مقیاس جهان اینقدر تخت است . نظریة متعارف انفجار بزرگ ، شرایطی را در جهان آغازین فرض می کند که تختی کنونی جهان عملاً ناممکن بنظر می رسد . اما فرض تورم گوث، پیوند میان روال کنونی جهان و شرایط اولیه ای را که برای جهان در نظر می گیریم ، از میان برمی دارد . مطابق نظر گوث هر قدر هم که در یک مدل ، جهان آغازین ـ ففط یک میلیونیم ثانیة پس از آغاز ـ « به دقت تنظیم شود » . حاصل نهایی جهانی است از لحاظ فضایی تخت ، مشروط بر آنکه در ابتدا تورم بزرگ اقتصادی توسل جست ، تورمی نه ده برابر ، بلکه بیلیونها برابر . در این صورت دیگر فرقی نمی کند که مردم در آغاز تورم غنی بوده اند یا فقیر . پول همه بی ارزش می شود و هر کس بی چون و چرا ورشکسته است .

گرچه فرض جهان متورم گوث مسائل علیت و تخت بودن فضا را حل کرد ، ولی خود مانند نظریة انفجار بزرگ[6] گرفتار مسأله ایست ( که گوث هم از آن اطلاع دارد ) . این مسأله به جزئیات تغییر حالت مربوط می شود . یعنی به آن دگرگونی شدیدی که برای حالت آتشگوی فرض می شود ، یا به عبارت دیگر به چگونگی گذر جهان از حالت متورم به حالت نامتعارف انفجار بزرگ . آنچه واقع شد این است که تغییر حالت از طریق تکوین و تشکیل حبابهاصورت گرفت .

کتری پر از آبی را روی اجاقی داغ تصور کنید . با گرم شدن آب ، حبابهای بخار در کتری تشکیل می شود و پس از چندی آب شروع به جوشیدن می کند . گذر از مایع به گاز تغییر حالتی نظیر تغییر حالت گوث است . در داخل حباب یک حالت وجود دارد ( حالت بخار در مورد آب و « حالت انفجار بزرگ » در مورد جهان ) و در بیرون حباب حالتی دیگر ( حالت مایع در مورد آب و « حالت متورم » در فرضیه گوث ) . با تشکیل حبابهای حالت انفجار بزرگ در حالت متورم ، این حبابها با یکدیگر برخورد می کنند و دیری نمی گذرد که حالت درون حباب ـ حالت انفجار بزرگ ـ سرتاسر فضا را فرا می گیرد ، درست مانند موقعی که بگذاریم آب بجوشد و سرانجام تماماً تبدیل به بخار شود . اما این برداشت از تغییر حالت موجب درد سر گوث شد . اگر جهان کنونی حاصل آن همه برخوردهای قهرآمیز حبابهای اولیه بشمار رود، باید بسی ناهمگنتر از آنچه مشاهده می شود باشد . بنابراین مدل گوث به ظاهر ناموفق است .

آ. لینده فیزیکدان شوروی و دو فیزیکدان آمریکایی به نامهای آندر آس آلبرخت و پاول اشتاینهارت از دانشگاه پنسیلوانیا به نجات این مدل کمر بستند . آنان نشان دادند که اگر حالت متورم بقدر کافی دوام آورد ، برخوردهای مزاحم و چندگانة حبابها صورت نخواهد پذیرفت و تنها یک حباب بزرگ تنها از حالت انفجار بزرگ در داخل حالت متورم بجا خواهد ماند . اگر حرف این نظریه دانان درست باشد، جهان ما آن یک حباب بزرگ است و ما اکنون در داخل آن زندگی می کنیم .

با آنکه نظریه گوث مسائل علیت و تخت بودن فضا را حل می کند ، ولی سؤال بنیادی تر همچنان باقی است . پیش از حالت تورم چه بود ؟ این سؤال ما را به پرسشی باز می گرداند که در آغاز کردیم : این روند چگونه آغاز شد ؟ و این سؤالی است که ذهن افراد عادی را هم می آزارد . دانشمندان به تازگی در آن چنگ انداخته اند و سناریویی که ارائه شده این است : جهان ، یعنی آتشگوی انفجار بزرگ ، از هیچ ـ یعنی از یک خلاء ـ نشأت کرد . چگونه چنین چیزی ممکن است؟

برای پاسخ دادن به این سؤال نخست باید دید که فیزیکدانان از هیچ ـ یعنی از خلاء ـ چه برداشتی دارند . مطابق نظریه های جدید ، خلاء همان هیچ نیست بلکه آکنده از ذراتی کوانتومی است که میان بود و نبود نوسان می کنند . این ذرات خرد ، در کسری از ثانیه بوجود می آیند و بی درنگ یکدیگر را نابود می کنند و چیزی بجا نمی گذارند . خلاء به این معنی مانند سطح اقیانوس است . چون از نزدیک نظر شود پر از موج است ، ولی از فاصله ای دورتر ، مثلاً از فراز یک هواپیمای جت ، صاف و بی حرکت می نماید . همینطور هر خلاء چون از دور دیده شود یکدست و تهی به چشم می آید ، اما چون از نزدیک و با وسایل خاص بازرسی شود آکنده از ذرات ریز کوانتومی به نظر خواهد رسید .

یک راه ممکن برای پیدایش جهان از خلاء این است که یکی از امواج اقیانوس خلاء ، بجای آنکه به هیچی و نابودی فرو افتد ، پیوسته رشد کند . برخی از فیزیکدانان نظری بر این باورند که این امر در صورتی امکانپذیر خواهد بود که گرانش به حساب آید . گرانش به صورت تقویت کنندة آن موجی عمل می کند که در آغاز بسیار خرد است ، و آن را تا حد آتشگوی تمام عیاری رشد می دهد که می تواند به جهانی در حالت متورم تبدیل شود.

1 کیهانشناسان معمولاً سن جهان آغازین را بر حسب ثانیه نمی سنجند ، بلکه بر حسب دما بیان می کنند ؛ زیرا دما برای درک وقایعی که در جهان آغازین روی می دهد ، پارامتری است از نظر فیزیکی با معنی و مهم .