دانلود مقاله چگونه نسبیت و کوانتوم سازگار می شوند

اختصاصی از اینو دیدی دانلود مقاله چگونه نسبیت و کوانتوم سازگار می شوند دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

مقدمه
از اوائل قرن بیستم دو نظریه ی بزرگ نسبیت و مکانیک کوانتوم، برای پاسخگویی به مشکلاتی که فیزیک کلاسیک با آنها دست بگریبان بود، پا به عرصه وجود نهادند. جالب این است که هر دو نظریه تقریباً همزمان مطرح شدند و سیر تکاملی خود را طی کردند. نخست نسبیت خاص در سال 1905 تنها در محدوده ی دستگاه های لخت بکار گرفته شد و در سال 1915 تحت عنوان نسبیت عام به دستگاه های شتابدار تسری یافت. مکانیک کوانتوم قدیم در سال 1900 با طرح کوانتومی بودن انرژی اظهار شد و در دهه ی 1920 سیر تکاملی خود را پیمود
همواره این سئوال مطرح بود که آیا این دو نظریه بزرگ را می توان با یکدیگر ترکیب کرد؟
دیراک توانست نسبیت خاص و مکانیک کوانتوم را بصورت مکانیک کوانتوم نسبیتی با هم ادغام کند. به دنبال آن سئوال این بود که چگونه می توان مکانیک کوانتوم و نسبیت عام را با هم ترکیب کرد؟
نظریه نسبیت عام اینشتین نظریه‌ای در باره جرم‌های آسمانی بزرگ مثل ستارگان، سیارات و کهکشان‌هاست که برای توضیح گرانش در این سطوح بسیار خوب است
مکانیک کوانتومی نظریه‌ای است که نیروهای طبیعت را مانند پیام‌هایی می‌داند که بین فرمیون‌ها (ذرات ماده) رد و بدل می‌شوند. مکانیک کوانتومی در توضیح اشیاء، در سطوح بسیار ریز خیلی موفق بوده بوده است
هاوکینگ می گوید " یک راه برای ترکیب این دو نظریه بزرگ قرن بیستم در یک نظریه واحد آن است که گرانش را همانطور که در مورد نیروهای دیگر با موفقیت به آن عمل می‌کنیم، مانند پیام ذرات در نظر بگیریم. یک راه دیگر بازنگری نظریه نسبیت عام اینشتین در پرتو نظریه عدم قطعیت است
با آنکه نسبیت و مکانیک کوانوتم هر دو با در توجیه پدیده های حوزه ی خود، از توانایی خوبی برخوردارند، اما تسری برخی مفاهیم از مکانیک کلاسیک به فیزیک مدرن مانع از ترکیب این دو نظریه بزرگ هستند. بهمین دلیل نظریه سی. پی. اچ. تصریح می کند که مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم و نسبیت را بایستی تواما و همزمان مورد بررسی مجدد قرار داد. علاوه بر آن چنین بررسی مجددی تا زمانیکه نظریه هیگز نیز مورد توجه قرار نگیرد راه به جایی نخواهد برد. بهمین دلیل باید از مشکلات مکانیک کلاسیک شروع کنیم و ببینیم که آیا این مشکلات در نسبیت و مکانیک کوانتوم بر طرف شده یا نه؟
مشکلات قوانین نیوتن
هنگامیکه نیوتن قوانین حرکت و قانون جهانی جاذبه را ارائه کرد، این قوانین از نظر منطقی با اشکالات جدی همراه بود. قانون دوم نیوتن تا سرعتهای نامتناهی را پیشگویی می کرد که با تجربه سازگار نیست. قانون دوم به صورت

F=ma

ارائه شده است که طبق آن نیروی وارد شده به جسم می تواند تا بی نهایت سرعت آن افزایش دهد. این امر با مشاهدات تجربی قابل تطبیق نیست. مشکل بعدی کنش از راه دور بود. یعنی اثر نیروی جاذبه با سرعت نامتناهی منتقل می شد. تاثیر از راه دور همواره مورد انتقاد قرار قرار داشت.
اما مهمترین مشکل قوانین نیوتن در قانون جهانی جاذبه وی بود و خود نیوتن نیز متوجه آن شده بود.
نیوتن دریافت که بر اثر قانون جاذبه او، ستارکان باید یکدیگر را جذب کنند و بنابراین اصلاً به نظر نمی رسد که ساکن باشند. نیوتن در سال 1692 طی نامه ای به ریچارد بنتلی نوشت "که اکر تعداد ستارگان جهان بینهایت نباشد، و این ستارگان در ناحیه ای از فضا پراکنده باشند، همگی به یکدیگر برخورد خواهند کرد. اما اکر تعداد نامحدودی ستاره در فضای بیکران به طور کمابش یکسان پراکنده باشند، نقطه مرکزی در کار نخواهد بود تا همه بسوی آن کشیده شوند و بنابراین جهان در هم نخواهد ریخت."
این برداشت نیز با یک اشکال اساسی مواجه شد. بنظر سیلیجر طبق نظریه نیوتن تعداد خطوط نیرو که از بینهایت آمده و به یک جسم می رسد با جرم آن جسم متناسب است. حال اکر جهان نامتناهی باشد و همه ی اجسام با جسم مزبور در کنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بینهایت خواهد شد.
مشکل بعدی قانون جاذبه نیوتن این است که طبق این قانون یک جسم به طور نامحدود می تواند سایر اجسام را جذب کرده و رشد کند، یعنی جرم یک جسم می تواند تا بینهایت افزایش یابد. این نیز با تجربه تطبیق نمی کند، زیرا وجود جسمی با جرم بینهایت مشاهده نشده است.
مشکل بعدی قوانین نیوتن در مورد دستکاه مرجع مطلق بود. همچنان که می دانیم حرکت یک جسم نسبی است، وقتی سخن از جسم در حال حرکت است، نخست باید دید نسبت به چه جسمی یا در واقع در کدام چارچوب در حرکت است. دستگاه های مقایسه ای در فیزیک دارای اهمیت بسیاری هستند. قوانین نیوتن نسبت به دستگاه مطلق مطرح شده بود. یعنی در جهان یک چارچوب مرجع مطلق وجود داشت که حرکت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ی اجسام در این چارچوب مطلق که آن را "اتر" می نامیدند در حرکت بودند. یعنی ناظر می توانست از حرکت نسبی دو جسم سخن صحبت کند یا می توانست حرکت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد.
براین اساس مایکلسون تصمیم داشت سرعت زمین را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. مایکلسون یک دستگاه تداخل سنج اختراع کرد و در سال 1880 تلاش کرد طی یک آزمایش سرعت مطلق زمین را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. نتیجه آزمایش منفی بود. (برای بحث کامل در این مورد به کتابهای فیزیک بنیادی مراجعه کنید.) با آنکه آزمایش بارها و بارها تکرار شد، اما نتیجه منفی بود. هرچند مایکلسون از این آزمایش نتیجه ی مورد نظرش به دست نیاورد، اما به خاطر اختراع دستگاه تداخل سنج خود، بعدها برنده جایزه نوبل شد.
نسبیت خاص
برای توجیه علت شکست آزمایش مایکلسون نظریه های بسیاری ارائه شد تا سرانجام اینشتین در سال 1905 نسبیت خاص را مطرح کرد. نسبیت خاص شامل دو اصل زیر است:
1- قوانین فیزیک در تمام دستگاه های لخت یکسان است و هیچ دستگاه مرجع مطلقی در جهان وجود ندارد.
2- سرعت نور در فضای تهی و در تمام دستگاه های لخت ثابت است.
در نسبیت سرعت نور، حد سرعت ها است، یعنی هیچ جسمی نمی تواند با سرعت نور حرکت کند یا به آن برسد.
نتیجه این بود که قانون دوم نیوتن باید تصحیح می شد. طبق نسبیت جرم جسم تابع سرعت آن است، یعنی با افزایش سرعت، جرم نیز افزایش می یابد وهر جسمی که بخواهد با سرعت نور حرکت کند باید دارای جرم بینهایت باشد. لذا قانون دوم نیوتن بصورت زیر تصیح شد.
F=dp/dt=d(mv)/dt=vdm/dt+mdv/dt
m=m0/(1-v^2/c^2)^1/2
بنابر این جرم تابع سرعت است و با افزایش سرعت، جرم نیز افزایش می یابد. هنگامیکه سرعت جسم به سمت سرعت نور میل کند، جرم به سمت بینهایت میل خواهد کرد و عملاً هیچ نیرویی نمی تواند به آن شتاب دهد.
از طرف دیگر طبق نسبیت جرم و انرژی هم ارز هستند، یعنی جرم جسم را می توان بصورت محتوای انرژی آن مورد ارزیابی قرار داد. بنابراین انرژی دارای جرم است. اما در نسبیت نور از کوانتومهای انرژی تشکیل می شود که آن را فوتون می نامند و با سرعت نور حرکت می کند. این سئوال مطرح شد که اکر انرژی دارای جرم است و فوتون نیز حامل انرژی است که با سرعت نور حرکت می کند، پس چرا جرم آن بینهایت نیست؟
پاسخ نسبیت به این سئوال این بود که جرم حالت سکون فوتون صفر است. در حالیکه رابطه ی جرم نسبیتی در مورد جرم حالت سکون غیر صفر بر قرار است. لذا در نسبیت با دو نوع ذرات سروکار داریم، ذراتی که دارای جرم حالت سکون غیر صفر هستند نظیر الکترون وذراتی که دارای جرم حالت سکون صفر هستند مانند فوتون. در نسبیت تنها ذراتی می توانند با سرعت نور حرکت کنند که جرم حالت سکون آنها صفر باشد.
مشکل نسبیت خاص در این است که جرم نسبیتی آن (جرم بینهایت) مانند سرعت بینهایت در مکانیک کلاسیک با تجربه تطبیق نمی کند. یعنی هیچ نمونه ی تجربی که با جرم بینهایت نسبیت تطبیق کند وجود ندارد
علاوه بر آن در نسبیت و حتی در مکانیک کوانتوم توضیحی وجود ندارد که نحوه ی تولید فوتون را با سرعت نور توضیح بدهد. و چرا فوتون در حالت سکون یافت نمی شود. آیا فوتون از ذرات دیگری تشکیل شده است؟ اگر جواب منفی است این سئوال مطرح می شود که فوتون های مختلف با یکدیگر چه اختلافی دارند؟ در حالیکه همه ی فوتون ها با انرژی متفاوت با سرعت نور حرکت می کنند. آزمایش نشان داده است که فوتون در برخورد با سایر ذرات قسمتی از انرژی خود را از دست می دهد. حال این سئوال مطرح می شود که فرض کنیم فوتون شامل ذرات دیگری نیست، این را باید توضیح داد وقتی قسمتی از آن جدا می شود و باز هم دارای همان خواص اولیه است ولی با انرژی کمتر؟ یعنی فوتون قابل تقسیم است، هر ذره ی قابل تقسیمی باید شامل زیر ذره باشد.
واقعیت این است که فوتون در شرایط نور تولید می شود و اجزای تشکیل دهنده آن نیز بایستی با همان سرعت نور حرکت کنند و حالت سکون فوتون یعنی تجزیه ی آن به اجزای تشکیل دهنده اش
از طرفی می دانیم جرم و انرژی هم ارز هستند، آیا این منطقی است که می توان سرعت جرم را تغییر داد اما سرعت انرژی ثابت است؟
نسبیت عام:

نسبیت خاص دارای یک محدودیت اساسی بود. این محدودیت ناشی از آن بود که رویدادهای فیزیکی را در دستگاه های لخت مورد بررسی قرار می داد، در حالیکه در جهان واقعی دستگاه ها شتاب دار هستند. هرچند می توان در بر رسی برخی رویداد ها به دستگاه های لخت بسنده کرد، اما این دستگاه ها برای بررسی تمام رویدادها ناتوان هستند.
اینشتین در سال 1915 نسبیت عام را ارائه کرد و نسبیت خاص به عنوان حالت خاصی از نسبیت عام در آمد.
نسبیت عام بر اساس اصل هم ارزی تدوین شد.
اصل هم ارزی:
قوانین فیزیک در یک میدان جاذبه یکنواخت و در یک دستگاه که با شتاب ثابت حرکت می کند، یکسان هستند.
به عنوان: فرض کنیم یک دستگاه مقایسه ای با شتاب ثابت در حرکت است. مشاهدات در این دستگاه نظیر مشاهدات در یک میدان گرانشی یکنواخت است در صورتی که شدت میدان گرانشی برابر شتاب دستگاه باشد، یعنی:
a=g

باشد، در این صورت مشاهدات یکسان خواهد بود.
مهمترین دستاورد نسبیت عام توجیه مدار عطارد بود. بررسی های نجومی نشان داده بود که نقطه حضیض عطارد جابه جا می شود. بیش ار یکصد سال بود که فیزیکدانان متوجه ان شده بودند، اما نمی توانستند با قوانین نیوتن توجیه کنند. اما نسبیت عام توانست أن را توجیه کند.
بنا بر نسبیت، گرانش اثر هندسی جرم بر فضای اطراف خود است. که فضا-زمان نامیده می شود. یعنی جرم فضای اطراف خود را خمیده می کند و مسیر نور در اطراف آن خط مستقیم نیست، بلکه منحنی است.
در سال 1919 انحنای فضا را اهنگام کسوب کامل خورشید با نوری که از طرف ستاره ی مورد نظری به سوی زمین در حرکت بود و از کنار خورشید می گذشت مورد تحقیق قرار دادند که با پیشگویی نسبیت تطبیق می کرد. این موفقیت بسیار بزرگی برای نسبیت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسی و خواص توپولوژیک فضا بررسی واقعیت های فیزیکی را به حاشیه راند. مضافاً اینکه گرانش را از فهرست نیروهای اساسی طبیعت در فیزیک نظری حذف کرد.
مشکلات اساسی نسبیت را می توان به صورت زیر فهرست کرد:
1- مشکل نسبیت با مکانیک کوانتوم- مکانیک کوانتوم ساختار ریز و کوانتومی کمیت ها و واکنش متقابل آنها را مورد بررسی قرار می دهد. به عبارت دیگر نگرش مکانیک کوانتوم بر مبنای کوانتومی شکل گرفته است. در این زمینه تا جایی پیش رفته که حتی اندازه حرکت و برخی دیگر از کمیتها را کوانتومی معرفی می کند. این نتایج بر مبنای یکسری شواهد تجربی مطرح شده و قابل پذیرش است. علاوه بر آن تلاشهای زیادی انجام می شود پدیده های بزرگ جهان را با قوانین شناخته شده در مکانیک کوانتوم توجیه کنند. حال به نسبیت توجه کنید که فضا-زمان را پیوسته در نظر می گیرد. بنابراین نسبیت با مکانیک کوانتوم ناسازگار است. تلاشهای زیادی انجام شده تا به طریقی یک همانگی منطقی و قابل قبول بین نسبیت و مکانیک کوانتوم ایحاد شود. در این مورد کارهای دیراک شایان توجه است که مکانیک کوانتوم نسبیتی را پایه گذاری کرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبیت عام موفقیت چندانی نصیب فیزیکدانان نشده است.
2- پیچیدگی و عدم وجود تفاهم در نسبیت- پیچیدگی نسبیت موجب شده که تفاهم منطقی بین فیزیکدانان در مورد نتایج و پیشگویی های نسبیت وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر نسبیت شدیداً قابل تفسیر است. این تفاسیرگاهی چنان متناقض هستند که حتی فیزیکدان بزرگی نظیر استفان هاوکینگ نظر خود را تغییر داد. البته این براداشتهای متفاوت از نسبیت ناشی از گذشت زمان نیست، بلکه از آغاز حتی برای خود اینشتین که نسبیت را مطرح کرد وجود داشت. به عنوان مثال: اینشتین از سال 1917 شروع به تدوین یک نظریه قابل تعمیم به عالم کرد. وی با مشکلات حل نشدنی ریاضی برخورد کرد. به همین دلیل در معادلات گرانش عبارت مشهور " پارامتر عالم " را وارد کرد. ملاحظات وی در این موضوع بر دو فرضیه مبتنی بود.
1- ماده دارای چگالی متوسطی در فضاست که در همه جا ثابت و مخالف صفر است.
2- بزرگی " شعاع " فضا به زمان بستگی ندارد.
در سال 1922 فریدمان نشان داد که اگر از فرضیه دوم چشم پوشی شود، می توان فرضیه اول را حفظ کرد بی آنکه در معادلات به پارامتر عالم نیازی باشد. فریدمان بر این اساس یک معادله ی دیفرانسیل به صورت زیر ارائه کرد:
(dR/dt)^2 - C/R+K=0
در واقع سالها قبل از کشف هابل در مورد انبساط فضا، فریدمان دقیقاً کشفیات او را پیش بینی کرده بود. معادله ی فریدمان معادله ی اصلی کیهان شناخت نیوتنی است و بدون تغییر در نظریه نسبیت عام نیز صادق است. اینشتین بر همه نتایج به دست آمده توسط فریدمان اعتراض کرد و مقاله ای نیز در این باب انتشار داد. سپس حقایق را در فرضیه فریدمان دید و با شجاعت کم نظیری طی نامه ای که برای سردبیر مجله آلمانی فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف کرد.
بیشتر مشکلات نسبیت ناشی از خواصی است که که به علت وجود ماده برای فضا قایل می شوند. که در آن هندسه جای فیزیک را می گیرد. زمانی پوانکاره گفته بود که اگر مشاهدات ما نشان دهد که فضا نااقلیدسی است، فیزیکدانان می توانند فضای اقلیدسی را قبول کرده و نیروهای جدیدی وارد نظریه های خود کنند. اما نسبیت چنین نکرد و ماهیت پدیده های فیزیکی را به دست فراموشی سپرد. هرچند پدیده های فیزیکی را بدون ابزار محاسباتی، اعم از جبری و هندسی نمی توان توجیه کرد، اما فیزیک نه هندسه است و نه جبر، فیزیک، فیزیک است وبس!!!
3- مشکل گرانش نیوتنی در نسبیت همچنان باقی است- در نسبیت فضا-زمان دارای انحناست. هرچه ماده بیشتر و چگالتر باشد، انحنای فضا بیشتر است. سئوال این است که این انحنای فضا تا کجا می انجامد؟ در نسبیت انحنای فضا می تواند چنان تابیده شود که حجم به صفر برسد. برای آنکه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد که حجم به صفر برسد، باید جرم به سمت بی نهایت میل کند. یعنی نسبیت نتوانست مشکل قانون گرانش را در مورد تراکم ماده در فضا حل کند، علاوه بر آن بر مشکل افزود. زیرا قانون نیوتن می پذیرد که ماده تا بی نهایت می تواند متمرکز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نیست. اما نسبیت علاوه بر آن که می پذیرد ماده می تواند تا بی نهایت متراکم شود، پیشگویی می کند که حجم آن نیز به صفر می رسد.
چه باید کرد؟
لازم است قبل از ادامه ی بحث اشاره ی کوتاهی به هیگز داشته باشیم
بوزون هیگز
در دهه های اخیر فیزیکدانان یک مدل تحت عنوان مدل استاندارد را ارائه کردند تا یک چوب بست نظری برای فهم ذرات بنیادی و نیروهای طبیعت فراهم آورند. مهمترین ذره در این مدل، یک ذره ی فرضی موجود در همه ی میدانهای کوانتومی است که نشان می دهد سایر ذرات چگونه جرم به دست می آورند. در واقع این میدان پاسخ می دهد که همه ی ذرات در حالت کلی چگونه جرم به دست می آورند. این میدان، میدان هگز
Higgs field
خوانده می شود. نتیجه ی منطقی دوگانگی موج - ذره این است که همه ی میدانهای کوانتومی دارای یک ذره ی بنیادی باشند که با میدان در آمیخته است. این ذره که با همه ی میدانها در آمیخته و موجب کسب جرم توسط سایر ذرات می شود، هیگز بوزون Higgs boson نامیده می شود
راه حل
برای رسیدن به یک راه حل اساسی که بتواند مشکلات عمده ی فیزیک معاصر را بر طرف سازد، راه های مختلفی وجود که به نتایج متفاوت و گاهی ناسازگار می انجامد. نظریه های مختلفی که در این زمینه مطرح شده اند، بخوبی نشان می دهند که نگرش بانیان آنها بر اساس دو گانگی بین بوزونها و فرمیونها شکل گرفته است. سئوال اساسی این است که آیا حقیقتاً بوزون و فرمیون دو موجود کاملاً متفاوت از یکدیگرند؟ در نظریه ریسمانها، ریسمان به عنوان یک بسته فوق العاده کوچک انرژی تلقی می شود که با پیوستن آنها به یکدیگر و با ارتعاشات مختلف آنها سایر ذرات نمود پیدا می کنند. در نظریه هیگر بوزون به دنبال ذره ای هستند که موجب ایجاد یا افزایش جرم می شود. اگر این مسئله ی هیگز بوزون را با دقت بیشتری بررسی کنیم شاید بتوانیم به نتایج جالب توجه تری برسیم
اجازه بدهید تصورات خود را از بوزون و فرمیون یا به عبارت دیگر از جرم - انرژی و نیرو تغییر دهیم. در فیزیک مدرن جرم و انرژی دو تلقی مختلف از یک کمیت واحد هستند. جرم هر ذره را می توان با محتویات انرژی آن اندازه گرفت و همچنین انرژی یک ذره را می توان با جرم آن هم ارز دانست. لذا در فیزیک معاصر ما با دو کمیت بیشتر سروکار نداریم، انرژی و نیرو
اگر رابطه ی نیرو و انرژی را با دید متفاوتی مورد بحث قرار دهیم، می توانیم به نتایج جالب توجهی برسیم. نیرو به عنوان انرژی در واحد طول مطرح می شود که برای آن رابطهی زیر داده شده است
F=-dU/dx => du= - Fdx
حال ذره ای را در نظر بگیرید که انرژی آن در حال تغییر است. این تغییرات را از دو جهت می توان مورد توجه قرار داد. یکی از جهت افزایش و دیگری از جهت کاهش. از نظر افزایش نسبیت برای آن محدودیتی قائل نشده است و طبق رابطه ی جرم نسبیتی، جرم آن تا بینهایت قابل افزایش است. اما از جهت کاهش طبیعت خود برای آن محدودیت قائل شده و آن این است که ذره تمام انرژی خود یا به عبارت دیگر، جرم - انرژی خود را از دست بدهد
ذره ای را در نظر بگیرید که در یک میدان دارای شتاب منفی است. اگر فاصله به اندازه ی کافی بزرگ و میدان بسیار قوی باشد، آیا انرژی آن به صفر خواهد رسید؟ چنین آزمایشی برای اجسام مثلاً یک فطعه فلز چندان قابل تصور نیست، اما برای یک کوانتوم انرژی( فوتون) به خوبی قابل درک است. زیرا در نسبیت فوتون نمی تواند از یک سیاه چاله بگریزد. این پدیده را چگونه می توان توجیه کرد؟ یکبار دیگر به رابطه نیرو - انرژی بر گردیم
F=-dU/dx => du= - Fdx
در رابطه ی بالا انرزِ و فاصله تغییر می کنند، اما نیرو ثابت است. اگر نیرو یعنی Fیک کمیت ثابت و تغییر ناپذیر است، چگونه می توان هگز بوزون را توجیه کرد؟ یعنی واقعاً این کاهش یا افزایش جرم چگونه امکان پذیر است. متاسفانه این دیدگاه از مکانیک کلاسیک به نسبیت تسری یافت و هیچگونه بخثی در این زمینه مطرح نشد. اگر بخواهیم با همان نگرش کلاسیکی مشکلات فیزیک و ناسازگاری نسبیت و مکانیک کوانتوم را بر طرف سازیم، راه به جایی نخواهیم برد، همچنانکه تا به حال این چنین بوده است
اشکال بعدی که مانع رسیدن به یک نتیجه ی قابل توجه می شود این است فیزیکدانان به مشکلات به گونه ای پراکنده برخورد می کنند. هیگز بوزون مسیر خود را می پیماید، مکانیک کوانتوم می خواهد مشکلات فیزیک را در چاچوب قوانین کوانتومی حل کند، و مهمتر از همه اینکه مکانیک کلاسیک تقریباً به فراموشی سپرده شده است. همه اینها هر کدام نگرشی خاص به جهان دارند و عمومیت ندارند. ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت زمانی امکان پذیر است که نگرش هیگز بوزون همراه با مکانیک کلاسیک نیز در این ترکیب منظور گردد
هر کدام از این تئوری ها قسمتی از قوانین حاکم بر طبیعت را نشان می دهند. اگر در یک نگرش همه جانبه این قسمتهای مختلف را که با تجربه تایید شده اند توام در نظر بگیریم می توانیم به یک فیزیک یا یک نظریه برای همه چیز برسیم
از کجا شروع کنیم؟
1 -با روند تکامل نظریه ها پیش می رویم. نخست مکانیک کلاسیک را در نظر می گیریم و به مورد خاص آن قانون دوم نیوتن توجه می کنیم، این قانون را با جرم نسبیتی یعنی m=m0/(1-v2/ c2)1/2 , E=mc2 و نظریه هیگز بوزون می توان ترکیب کرد. اگر ذره/جسمی تحت تاثیر نیرو جرمش تغییر می کند، این تغییر جرم ناشی از این است که بوزون (نیرو) تبدیل به انرژی می شود. البته این روند جهت معکوس نیز دارد، یعنی در روند عکس با کاهش سرعت، انرژی به نیرو یا بوزون تبدیل می شود
2 -در مورد قضیه کار انرژی W=DE برخوردی دوگانه وجود دارد. قسمت کار آن را با مکانیک کلاسیک مد نظر قرار می دهند و کار را کمیتی پیوسته در نظر می گیرند، در حالیکه با انرژی آن برخوردی کوانتومی دارند. در واقع بایستی هر دو طرف رابطه را با دید کوانتومی در نظر گرفت. در این مورد مثالهای زیادی می توان ارائه داد که با این برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. اگر این مورد را بکار بندیم مشکل ارتباط فرمیونها و بوزونها بر طرف خواهد شد
3 -اگر بپذیریم که کار کوانتومی است، الزاماً به این نتیجه خواهیم رسید که نیرو بطور کلی و از جمله گرانش نیز کوانتومی است. مفهوم صریح و در عین حال ساده آن این است که فضا - زمان کوانتومی است. با نگرش کوانتومی به گرانش یا به تعبیر نسبیت فضا - زمان، مکانیک کوانتوم و نسبیت با یکدیگر ترکیب خواهند شد. تنها موردی که در این جا باید متذکر شد این است که کوانتومی بودن فضا - زمان می تواند انحنای آن را نیز نتیجه دهد
کار نیوتن،صورت بندی حرکت به طور کلی بود.قانون دوم نیوتن که اساسی ترین قانون در فیزیک کلاسیک به شمار می آید،می گوید:”اگر بر جسمی نیرو وارد شود،آن جسم شتابی پیدا می کند که متناسب با نیرو و در جهت نیرو باشد.(f=m.a) ” نیوتن قانون سومی را هم کشف کرد که ثابت می کند”هر عملی را عکس العملی است مساوی با آن و در جهت مخالف آن”یعنی برای هر کنشی همواره یک واکنش مساوی با آن اما در جهت عکس آن وجود دارد.اما گذشته از این همه،قانونی که تحول عظیمی در دنیای علم مکانیک ایجاد کرد،قانون جاذبه عمومی نیوتن بود.طبق این قانون،”هر گاه دو جسم به جرم های m1 و m2 به فاصله d از هم قرار گیرند،با نیروی f یکدیگر را جذب می کنند .این نیرو (f) با حاصل ضرب m1 و m2 متناسب است و با مجذور فاصله d2 نسبت عکس خواهد داشت.به عبارت دیگر، f=G در این معادله ،G مقدار ثابت جهانی جاذبه عمومی است که اندازه آن G=6/67x10-11 است.”
این چهار قانون،روی هم رفته سیستم یکپارچه ای را بوجود می آورند که بر مبنای آن می توان همه سیستم های مکانیکی،ماکروسکوپی را مورد بررسی قرار داد و حالت های آن را پیش بینی کرد.در این سیستم علمی ،دیگر هیچ تفاوتی بین محاسبه ی حرکت نوسانی یک آونگ ساده و گردش یک سیاره در مدار خود به دور خورشید وجود ندارد.قوانین نیوتن در زمینه های بسیار وسیعی از مسائل علمی و مهندسی به کار می رود.در یک کلام،امروزه هر آنچه که در مهندسی عمران و سایر شاخه های مهندسی راه و ساختمان،اساس و پایه ی اصلی محاسبات را تشکیل می دهد به قوانین نیوتن بازمی گردد.
قوانین نیوتن
قانون اول:
(اینرسی-لختی):اگر بر جسمی هیچ نیرویی وارد نگردد جسم همواره حالت سکون یا حرکت خود را بر روی خط راست حفظ میکند
شکل زیر نشان می دهد که اگر نیروی کشش طناب Tنبود گلوله به حرکت خود در خط راست ادامه میداد

قانون دوم نیوتن:
هر گاه بریک جسم نیرو یا نیروهایی وارد گردد جسم شتاب(a )میگیرد که این شتاب متناسب وهم جهت با ان نیرو ویا نیروها خواهد بود
مثال زیرحضور قانون دوم نیوتن را در پرواز هواپیما بخوبی نشان می دهد

قانون سوم نیوتن:
برای هر عملی عکس العملی وجود دارد هم اداره ودر خلاف جهت ان

د ینامیک
قا نون گرانش نیوتن: هرگاه دوجسم در فاصله rازیکدیگر قرار گیرند بین انها نیروی گرانشیFبوجود می اید

سینماتیک (حرکتشناسی)
مخا طبان :دانش اموزان راهنمایی و دبیرستان
تعریف سرعت متوسط: به نسبت جابجایی متحرک به مد ت زمان جابجایی سرعت متوسط گویند
در شکل گرافیکی زیر مقدار سرعت متوسط ۲۵مایل بر ساعت است واحد یا یکای سرعت متوسط در دستگاه متریک(SI) متر بر ثانیه است

انواع حرکتها:
حرکت متحرک بر روی خط راست بطور کلی به دو دسته تقسیم می شود۱- حرکت یکنواخت۲-حرکت شتابدار
۱-حرکت یکنواخت:حرکتی است که متحرک مسافتهای متوالی و مساوی را در زمانهای مساوی ومتوالی طی میکند
مثال:متحرکی مطابق شکل از مبدا مختصات در حال حرکت است و۵۰ متر را در ۵ ثانیه طی میکند نمودار
مکان زمان متحرک را رسم کنید؟
p
نمودار سرعت زمان برای متحرک زیر در حرکت یکنواخت:

حرکت شتابدار: به دودسته است۱-حرکت شتابدار تند شونده۲- حرکت شتابدار کند شونده
متال برای حرکت شتابدار تند شونده:ونمودار مکان زمان ان

مثال:در شکل زیر سه اتومبیل در حرکت هستند اتومبیل ابی وقرمز رفته رفته سرعتشان زیاد تر می شودکه نوع حرکتشان تند شونده است ولی سرعت اتومبیل سبز تابت می ماند که نوع حرکت ان یکنواخت است شتاب یا تغییرات سرعت اتومبیل ابی رنگ بیشتر از اتومبیل قرمز رنگ است و همانطور که دیده می شود از هر دو اتومبیل سبقت می گیرد

مقایسه نمودار مکان زمان سه اتومبیل فوق نشان میدهد که اولا چون هر سه متحرک در جهت مثبت محور افقی در حرکتند شیب هر سه نمودار صعودی است میدانیم که شیب نمودار مکان زمان در هر لحظه نشان دهنده سرعت لحظه ای متحرک است وچون سرعت اتومبیل ابی(A) بیشتر از اتومبیلB,C است شیب نمودار مکان زمان ان بیشتر استوجون اتومبیل سبز رنگ دارای حرکت یکنواخت یعنی سرعت ثابت است بنابراین مقدار شیب ان در هر لحظه ثابت است
نمودار سرعت زمان برای حرکت شتابدار زیر:

بردارها
جمع بردارها(برایند) به روش چند ضلعی : در این روش اگربا مقیاس یکسان بردارها را به ترتیب به د نبا ل یکد یگر رسم کنیم بردار برایند برداری است که ابتدا یش روی مبدا بردار اول و انتهایش روی انتهای بردار اخرخواهد بود.
مثال: متحرکی مطا بق مختصات زیر بترتیب در سه موقعیت مکانی قرار میگیرد با رسم شکل اولا)موقعیت متحرک را در محورهای مختصا ت نشا ن دهید ثانیا)بردار جابجایی متحرک را برای هر تغییر مکان نشان دهید ثالثا)بردار برایند جابجایی متحرک رانشان داده وبزرگی ان را محاسبه کنید؟
,بزرگی بردار برا یند
dx=x3-x1, dy=y3-y1, dz=z3-z1
نکات ریا ضی:
dx = (x3 - x2 + x2 - x1) = (x3 - x2) + (x2 - x1
dy = (y3 - y2 + y2 - y1) = (y3 - y2) + (y2 - y1
dz = (z3 - z2 + z2 - z1) = (z3 - z2) + (z2 - z1,
dx=d1x+d2x, dy=d1y+d2y, dz=d1z+d2z.
فیزیک نظری مشکلات و راه حل ها
روش استقرایی و دیفرانسیلی:

جهان بینی علمی در فیزیک نظری با کارهای گالیله آغاز شد. هرچند که تلاشهای گالیله زیربنای فیزیک را تشکیل داد، اما این تلاشها ریشه در نگرشهای جدید به پدیده های فیزیکی داشت که مهمترین آنها را می توان در آثار برونو و کپلر مشاهده کرد. برونو به طرز ماهرانه ای در آثار خود تشریح کرد که همه ی ستارگان جهان نظیر خورشید هستند. کپلر با ارائه سه قانون خود نشان داد که حرکت سیارات قانونمند است و یک نظم منطقی در حرکت، دوره تناوب و مسیر آنها وجود دارد.
گالیله آزمایشهای زیادی انجام داد تا بتواند حرکت اجسام را در یکسری قوانین کلی خلاصه کند. در این میان آزمایش سطح شیبدار گالیله از همه مشهورتر است. اما نمی توان تاثیر نگرش گالیله را در پیشرفت علم به این آزمایشها خلاصه کرد. در حقیقت گالیله نوعی نگرش منطقی به پدیده های فیزیکی داشت که تا آن زمان بی سابقه بود. این نگرش زیربنای روش استقرایی را در فیزیک تشکیل داد و بتدریج به سایر علوم گسترش یافت.
هرچند آزمایشهای گالیله از نظر کمی و کیفی با آزمایشهای امروزی قابل مقایسه نیست، اما آزمایشهای بسیار پیچیده و پیشرفته امروزی نیز از همان قاعده ی نگرش استقرایی گالیله پیروی می کنند. به این ترتیب گالیله زیر ساخت فیزیک را ایجاد کرد و نحوه ی برخورد علمی با طبیعت را نشان داد. اما نتیجه ی این تلاشها به صورت تشریحی بیان می شد.
سالها بعد نیوتن نتایج به دست آمده توسط گالیله را فرمول بندی و در قالب یکسری معادلات ریاضی ارائه کرد و ساختار فیزیک کلاسیک را مدون ساخت. قانون جهانی گرانش نیوتن دست آورد بزرگی بود. نیوتن برای توجیه پدیده های فیزیکی " نگرش دیفرانسیلی" را جایگزین روش انتگرالی کرد. در روش انتگرالی همواره نتایج مورد نظر است. در حالیکه در نگرش دیفرانسیلی تحلیل روند رسیدن به نتایج مورد بحث قرار می گیرد و جواب های خاص را می توان از ان به دست اورد. به عنوان مثال قوانین کپلر را با قانون جهانی گرانش نیوتن مقایسه کنید. در قوانین کپلر نمی توان دوره ی گردش یک سیاره را از روی دوره ی گردش سیاره ی دیگر استخراج کرد. علاوه بر آن هر سه قانون کپلر مستقل از هم هستند. در حالیکه در قانون نیوتن می توان دوره گردش همه ی سیارات به دور خورشید را به دست آورد.
بنابراین می توان گفت گالیله روش استقرایی را به وجود آورد و نیوتن روش دیفرانسیلی را ابداع کرد. لذا تاثیر تلاشهای گالیله و نیوتن در پیشرفت علوم ممتاز و غیر قابل انکار و در عین حال بی نظیر است.
مشکلات قوانین نیوتن
هنگامیکه نیوتن قوانین حرکت و قانون جهانی جاذبه را ارائه کرد، این قوانین از نظر منطقی با اشکالات جدی همراه بود. قانون دوم نیوتن تا سرعتهای نامتناهی را پیشگویی می کرد که با تجربه سازگار نیست. قانون دوم به صورت F=ma ارائه شده است که طبق آن نیروی وارد شده به جسم می تواند تا بی نهایت سرعت آن افزایش دهد. این امر با مشاهدات تجربی قابل تطبیق نیست. مشکل بعدی کنش از راه دور بود. یعنی اثر نیروی جاذبه با سرعت نامتناهی منتقل می شد. تاثیر از راه دور همواره مورد انتقاد قرار قرار داشت.
اما مهمترین مشکل قوانین نیوتن در قانون جهانی جاذبه وی بود و خود نیوتن نیز متوجه آن شده بود.

نیوتن دریافت که بر اثر قانون جاذبه او، ستارکان باید یکدیگر را جذب کنند و بنابراین اصلاً به نظر نمی رسد که ساکن باشند. نیوتن در سال 1692 طی نامه ای به ریچارد بنتلی نوشت "که اکر تعداد ستارگان جهان بینهایت نباشد، و این ستارگان در ناحیه ای از فضا پراکنده باشند، همگی به یکدیگر برخورد خواهند کرد. اما اکر تعداد نامحدودی ستاره در فضای بیکران به طور کمابش یکسان پراکنده باشند، نقطه مرکزی در کار نخواهد بود تا همه بسوی آن کشیده شوند و بنابراین جهان در هم نخواهد ریخت."
این برداشت نیز با یک اشکال اساسی مواجه شد. بنظر سیلیجر طبق نظریه نیوتن تعداد خطوط نیرو که از بینهایت آمده و به یک جسم می رسد با جرم آن جسم متناسب است. حال اکر جهان نامتناهی باشد و همه ی اجسام با جسم مزبور در کنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بینهایت خواهد شد.
مشکل بعدی قانون جاذبه نیوتن این است که طبق این قانون یک جسم به طور نامحدود می تواند سایر اجسام را جذب کرده و رشد کند، یعنی جرم یک جسم می تواند تا بینهایت افزایش یابد. این نیز با تجربه تطبیق نمی کند، زیرا وجود جسمی با جرم بینهایت مشاهده نشده است.
مشکل بعدی قوانین نیوتن در مورد دستکاه مرجع مطلق بود. همچنان که می دانیم حرکت یک جسم نسبی است، وقتی سخن از جسم در حال حرکت است، نخست باید دید نسبت به چه جسمی یا در واقع در کدام چارچوب در حرکت است. دستگاه های مقایسه ای در فیزیک دارای اهمیت بسیاری هستند. قوانین نیوتن نسبت به دستگاه مطلق مطرح شده بود. یعنی در جهان یک چارچوب مرجع مطلق وجود داشت که حرکت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ی اجسام در این چارچوب مطلق که آن را "اتر" می نامیدند در حرکت بودند. یعنی ناظر می توانست از حرکت نسبی دو جسم سخن صحبت کند یا می توانست حرکت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد.
براین اساس مایکلسون تصمیم داشت سرعت زمین را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. مایکلسون یک دستگاه تداخل سنج اختراع کرد و در سال 1880 تلاش کرد طی یک آزمایش سرعت مطلق زمین را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. نتیجه آزمایش منفی بود. (برای بحث کامل در این مورد به کتابهای فیزیک بنیادی مراجعه کنید.) با آنکه آزمایش بارها و بارها تکرار شد، اما نتیجه منفی بود. هرچند مایکلسون از این آزمایش نتیجه ی مورد نظرش به دست نیاورد، اما به خاطر اختراع دستگاه تداخل سنج خود، بعدها برنده جایزه نوبل شد.
نسبیت خاص
برای توجیه علت شکست آزمایش مایکلسون نظریه های بسیاری ارائه شد تا سرانجام اینشتین در سال 1905 نسبیت خاص را مطرح کرد. نسبیت خاص شامل دو اصل زیر است:
1 - قوانین فیزیک در تمام دستگاه های لخت یکسان است و هیچ دستگاه مرجع مطلقی در جهان وجود ندارد.
2 - سرعت نور در فضای تهی و در تمام دستگاه های لخت ثابت است.
در نسبیت سرعت نور، حد سرعت ها است، یعنی هیچ جسمی نمی تواند با سرعت نور حرکت کند یا به آن برسد.
نتیجه این بود که قانون دوم نیوتن باید تصحیح می شد. طبق نسبیت جرم جسم تابع سرعت آن است، یعنی با افزایش سرعت، جرم نیز افزایش می یابد وهر جسمی که بخواهد با سرعت نور حرکت کند باید دارای جرم بینهایت باشد. لذا قانون دوم نیوتن بصورت زیر تصیح شد.

F=dp/dt=d(mv)/dt=vdm/dt+mdv/dt

m=m0/(1-v^2/c^2)^1/2
بنابر این جرم تابع سرعت است و با افزایش سرعت، جرم نیز افزایش می یابد. هنگامیکه سرعت جسم به سمت سرعت نور میل کند، جرم به سمت بینهایت میل خواهد کرد و عملاً هیچ نیرویی نمی تواند به آن شتاب دهد.
از طرف دیگر طبق نسبیت جرم و انرژی هم ارز هستند، یعنی جرم جسم را می توان بصورت محتوای انرژی آن مورد ارزیابی قرار داد. بنابراین انرژی دارای جرم است. اما در نسبیت نور از کوانتومهای انرژی تشکیل می شود که آن را فوتون می نامند و با سرعت نور حرکت می کند. این سئوال مطرح شد که اکر انرژی دارای جرم است و فوتون نیز حامل انرژی است که با سرعت نور حرکت می کند، پس چرا جرم آن بینهایت نیست؟
پاسخ نسبیت به این سئوال این بود که جرم حالت سکون فوتون صفر است. در حالیکه رابطه ی جرم نسبیتی در مورد جرم حالت سکون غیر صفر بر قرار است. لذا در نسبیت با دو نوع ذرات سروکار داریم، ذراتی که دارای جرم حالت سکون غیر صفر هستند نظیر الکترون وذراتی که دارای جرم حالت سکون صفر هستند مانند فوتون. در نسبیت تنها ذراتی می توانند با سرعت نور حرکت کنند که جرم حالت سکون آنها صفر باشد.
مشکل نسبیت خاص در این است که جرم نسبیتی آن (جرم بینهایت) مانند سرعت بینهایت در مکانیک کلاسیک با تجربه تطبیق نمی کند. یعنی هیچ نمونه ی تجربی که با جرم بینهایت نسبیت تطبیق کند وجود ندارد.
علاوه بر آن در نسبیت و حتی در مکانیک کوانتوم توضیحی وجود ندارد که نحوه ی تولید فوتون را با سرعت نور توضیح بدهد. و چرا فوتون در حالت سکون یافت نمی شود. آیا فوتون از ذرات دیگری تشکیل شده است؟ اگر جواب منفی است این سئوال مطرح می شود که فوتون های مختلف با یک دیگر چه اختلافی دارند؟ در حالیکه همه ی فوتون ها با انرژی متفاوت با سرعت نور حرکت می کنند. آزمایش نشان داده است که فوتون در برخورد با سایر ذرات قسمتی از انرژی خود را از دست می دهد. حال این سئوال مطرح می شود که فرض کنیم فوتون شامل ذرات دیگری نیست، این را باید توضیح داد وقتی قسمتی از آن جدا می شود و باز هم دارای همان خواص اولیه است ولی با انرژی کمتر؟ یعنی فوتون قابل تقسیم است، هر ذره ی قابل تقسیمی باید شامل زیر ذره باشد.
واقعیت این است که فوتون در شرایط نور تولید می شود و اجزای تشکیل دهنده آن نیز بایستی با همان سرعت نور حرکت کنند و حالت سکون فوتون یعنی تجزیه ی آن به اجزای تشکیل دهنده اش.
از طرفی می دانیم جرم و انرژی هم ارز هستند، آیا این منطقی است که می توان سرعت جرم را تغییر داد اما سرعت انرژی ثابت است؟
نسبیت عام:
نسبیت خاص دارای یک محدودیت اساسی بود. این محدودیت ناشی از آن بود که رویدادهای فیزیکی را در دستگاه های لخت مورد بررسی قرار می داد، در حالیکه در جهان واقعی دستگاه ها شتاب دار هستند. هرچند می توان در بر رسی برخی رویداد ها به دستگاه های لخت بسنده کرد، اما این دستگاه ها برای بررسی تمام رویدادها ناتوان هستند.

اینشتین در سال 1915 نسبیت عام را ارائه کرد و نسبیت خاص به عنوان حالت خاصی از نسبیت عام در آمد.
نسبیت عام بر اساس اصل هم ارزی تدوین شد.
اصل هم ارزی:

قوانین فیزیک در یک میدان جاذبه یکنواخت و در یک دستگاه که با شتاب ثابت حرکت می کند، یکسان هستند.
به عنوان: فرض کنیم یک دستگاه مقایسه ای با شتاب ثابت در حرکت است. مشاهدات در این دستگاه نظیر مشاهدات در یک میدان گرانشی یکنواخت است در صورتی که شدت میدان گرانشی برابر شتاب دستگاه باشد، یعنی:

a=g

نتیجه: مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم و نسبیت را باید همزمان مورد بررسی مجدد قرار داد و این کاری است که:
Theory of CPH آن را انجام داده است.
فیزیک و فلسفه
فیزیک علمی است که روابط ریاضی یک پدیده را که خاصیت تکرار داشته باشد بصورت یک قانون بیان می کند هر چند ممکن است تعاریف متفاوتی از فیزیک ارائه داد ولی مهم آن است که علم فیزیک در مورد روابط بین اشیاء مادی بحث می کند.
ابتدای فلسفه فیزیک
فلسفه ، این دانش در پی توضیح اصل پدیده هاست هر چند در تعریف فلسفه بزرگان زیادی اظهار نظر کرده اند می توان این تعریف هگل را ذکر کرد(فلسفه تحقیق ا

دانلود با لینک مستقیم

دانلود مقاله چگونه نسبیت و کوانتوم سازگار می شوند

اینو دیدی

پیوندها

دسته‌ها

ابر برجسب

جدیدترین یادداشت‌ها

بایگانی

جستجو

دانلود مقاله چگونه نسبیت و کوانتوم سازگار می شوند