مقدمه:

پس از فرمول بندي مكانيك كلاسيك توسط نيوتن، گرايش به تجارب آزمايشگاهي و مشاهدات نجومي روز به روز بيشتر شد. فيزيكدانان با اشتياق در دو زمينه، يكي توجيه رفتار اجسام بزرگ آسماني و ديگري شناخت پديده هاي بسيار كوچك (كه بعدها زير اتمي ناميده شدند)، تلاش روز افزوني را آغاز كردند. هرچه دقت در مشاهدات نجومي بيشتر مي شد و هر قدر ذرات مورد آزمايش كوچكتر مي شدند، نارسايي مكانيك نيوتني بيشتر خود نمايي مي كرد. بطوريكه در سالهاي پاياني قرن نوزدهم، لزوم بازنگري در فيزيك كلاسيك (قوانين نيوتن و الكترومغناطيس) كاملاً مشهود بود. مكانيك كوانتوم و مكانيك نسبيتي (فيزيك مدرن) پاسخي به نياز زمان خود در جهت تكامل دانش بودند.

در قرن بيستم آموزش و پژوهش از نظر كمي و كيفي پيشرفت شگفت انگيزي داشت. علاوه بر آن بودجه هاي پژوهشي رشد نجومي كرد. از يك سو، تلسكوپ ها اعماق كهكشانهاي دور دست را بتصوير كشيدند و از سويي ديگر شتاب دهنده ها، اسرار درون هسته ي اتم را نمايان ساختند و فيزيكدانان با سئوالات جديدتر، عميقتر و بيشتري مواجه شدند. 

جهان چگونه آغاز شد و قبل از بيگ بنگ چگونه بود؟ دليل شتاب جهان و ماهيت انرژي تاريك چيست؟ وجود ماده تاريك را چگونه مي توان توجيه كرد؟ اهم سئوالات كيهان شناختي است.

در زمينه ذرات زير اتمي، بسياري از فيزيك‌دانان به دنبال نظريه‌اي هستند كه هر چهار نيرو را بوسيله يك ابرنيرو توجيه كند. نيرويي كه خودش را به‌گونه‌هاي مختلف نشان مي‌دهد و نيز موجب يگانگي فرميون‌ها و بوزون‌ها در يك خانواده مي‌شود. فيزيكدانان اين نظريه را نظريه يگانگي نام داده اند. گرانش را مي‌توان در مقياسهاي بسيار كوچك، حتي تا سطح كوانتومي نيز مورد توجه قرار داد. در حقيقت، اگر ما به گرانش در اين سطح توجه نكنيم، هرگز نمي‌توانيم به يگانگي آن با سه نيروي ديگر دست يابيم.  و پاسخ اين سئوال را بيابيم كه نيروها در دماهاى بسيار بالا- درست لحظاتى بعد از انفجار بزرگ (big bang)-  چگونه بوده اند؟ سئوالات بي جواب بسياري مطرح است كه برخي از فيزيكدانان پاسخ آنها را در تركيب مكانيك كوانتوم و نسبيت عام مي دانند. در اينجا از بيان سئوالات زيادي كه در اين زمينه وجود دارد خود داري مي شود و در فرصت هاي مناسب مطرح و از ديدگاه سي. پي. اچ. پاسخ داده خواهد شد. 

اما در اينجا ضمن تعديل هاميلتوني اصل سي. پي. اچ. را مورد تجزيه و تحليل قرار داده و تلاش مي شود برخي اصول موضوعه فيزيك و قوانين بقا از آن نتيجه گيري شود. علاوه بر آن برخي از مفاهيم بنيادي نظير فضتا-زمان و ماهيت فيزيكي زمان تشريح مي گردد. آنگاه نحوه ي توليد انرژي در فضا بررسي خواهد شد. اين نحوه برخورد با فيزيك مي تواند نگاه و درك بنيادي فيزيك را تغيير دهد و دانش فيزيك را مملموس تر كرده و با نگرش شهودي به پديده ها آموزش و درك آن را ساده تر كند. اين فصل و فصول مربوط به نظريه سي. پي. اچ. هر روز بازگري خواهد شد تا نارسايي هاي بيان و تشريح نظريه روز به روز كاملتر گردد. دوستان عزيز و علاقهمند مي توانند ضمن توجه به اين روش، برداشت ها خود را از نظريه سي. پي. اچ. و پياده سازي اين نظريه در بخش هاي مختلف فيزيك ارسال دارند تا در صورت تاييد در سايت منتشر گردد. در هر صورت اظهار نظر و ذكر نارسايي ها با آغوش باز پذيرفته مي شود.

زمينه پيدايش نظريه سي. پي. اچ.

نظريه سي. پي. اچ. بر اساس يكسري زير ساخت منطقي  نطقي و مشاهدات زيربناي تجربي بمنظور هم ارز سازي نيرو و انرژي ارائه شده است. با اين وجود مدعي يكسان سازي نيروها نيست، اما زمينه مناسبي براي اتحاد نيروها فراهم مي آورد. در نظريه سي. پي. اچ.، با توجه به هم ارز سازي نيرو و انرژي، فرميونها و بوزونها نه تنها از يك خانواده اند، بلكه فرميونها توليد كننده بوزونها، و بوزونها نيز به نوبه خود فرميونها را توليد مي كنند. اين نگرش الزاما تعريف باستاني انرژي را تغيير خواهد و از ساختمان فوتون تصويري روشن ارائه مي كند. در اين نظريه، حرارت چيزي جز حركت نيست، در يك محفظه ي بسته، هر ذره اي كه سريعتر است، داغتر است. پس حرارت دادن، به معني افزايش سرعت ذرات تشكيل دهنده ي سيستم است.

سي. پي. اچ. چيست؟

سي. پي. اچ. يا CPH  مخفف  Creative Particles of Higgs است كه به زبان فارسي مي توان تحت عنوان "آفرينش ذرات جرم دار توسط ميدان هيگز" مطرح كرد. انتخاب كلمه ذره به اين دليل است كه در فارسي و در انگليسي كلمه ي ديگري يافت نشد كه بتوان جايگزين آن كرد. اما بايد توجه داشت كه ذره در اينجا بهيچوجه بيان كننده ي شكل اين موجود فيزيكي نيست. سي. پي. اچ. يك مقدار بسيار كم و ثابت انرژي است كه از نظر حجم محدود و حامل يكي از ميدانهاي الكتريكي، مغناطيسي و يا گرانشي است. بعبارت ديگر ميدانهاي الكتريكي، مغناطيسي و گرانشي را تعدادي سي. پي. اچ. ايجاد مي كنند و شدت اين ميدان تابع چگالي سي. پي. اچ. هاي بوجود آورنده آنها است.

ميدانهاي الكتريكي توسط تعدادي سي. پي. اچ. ايجاد مي شوند.

ميدانهاي مغناطيسي از تعدادي سي. پي. اچ. تشكيل مي شوند.

سي. پي. اچ. حامل حامل نيروي گرانش است، پس ميدانهاي گرانشي را نيز سي. پي. اچ. ها ايجاد مي كنند.

براي مطالعه نحوه توليد ميدانها توسط سي. پي. اچ. به مكانيزم توليد ذرات باردار توسط بوزون هيگز مراجعه كنيد.

تعريف سي. پي. اچ.

فيريكدانان بزرگي همچون هاوكينگ تاكيد مي كنند كه فضاي خالي، خالي نيست. علاوه بر آن همه نظريه هاى امروزى به طور ضمنى بيان مى كنند كه جهان بايد حتى در خالى ترين مناطق آن شامل تراكم شديد انرژى باشد. قسمتي از فضا (دور از اجسام) را مورد توجه قرار داده و با استفاده از رابطه پلانك و رابطه جرم_انرژي انيشتين، جرم (انرژي) سي. پي. اچ. تعريف مي شود. جرم فوتون در حالت كلي برابر است با:

جرم فوتون از رابطه ي بالا به دست مي آيد

جرم سي. پي. اچ. مستقيماً از روي جرم فوتون تعريف مي شود.

جرم سي. پي. اچ. كمتر از جرم هر فوتوني است. براي به دست آوردن سرعت سي. پي. اچ. توجه به اين نكته ضروري است كه فوتون داراي اسپين است و با سرعت خطي c نسبت به دستگاه هاي لخت حركت مي كند. بنابراين فوتون داراي دو حركت انتقالي و حركت دوراني (Spin) است.  

فوتون داراي دو حركت انتقالي و اسپيني است.

اگر فوتون را بصورت كره تصور كنيم كه بدور خود در حال دوران است، لذا مي توان اسپين آن را نيز به صورت سرعت خطي نشان داد. زيرا براي يك نقطه روي سطح اين كره ي فرضي مي توان نوشت كه در آن v سرعت خطي، r شعاع و سرعت زاويه اي است. لذا فوتون داراي دو نوع اندازه حركت خطي و اندازه حركت اسپيني است. بهمين ترتيب داراي دو نوع انرژي جنبشي و انرژي اسپيني است. اما در اينجا فعلاً سرعت آن مورد نظر است.

با توجه به رابطه (2)، سي. پي. اچ. نيز كه از روي فوتون تعريف شده، داراي سرعت خطي برابر c (در دستگاه لخت) و سرعت اسپيني است كه اگر سرعت اسپيني آن را با V_s نشان دهيم، مي توان سرعت كل سي. پي. را برابر سرعت خطي در نظر گرفت و با V_CPH نشان داد، كاملاً واضح است كه c<V_CPH>.  

بنابراين سي. پي. اچ. ذره اي است به جرم m_CPH كه با سرعت V_CPH  نسبت به دستگاه لخت حركت مي كند. (شكل زير)

در شكل بالا سي. پي. اچ. در دو حالت يكي بدون اسپين و ديگري با اسپين ترسيم شده است.

  همچنان كه در شكل بالا نشان داده شده است، هنگاميكه سي. پي. اچ. داراي اسپين است، گراويتون ناميده مي شود. گراويتون حامل نيروي گرانش است. ممكن است اين سئوال مطرح شود كه چرا با استفاده از فوتون، سي. پي. اچ. را تعريف كرديم و بدون هيچ توضيحي آن را به گراويتون ربط داديم؟

سي. پي. اچ. و گراويتون

سي. پي. اچ. طبق رابطه (2) يك مقدار كوچك انرژي تعريف شد. طبق پيشگويي نسبيت عام هرگاه فوتوني در ميدان گرانشي سقوط كند، فركانس و در نتيجه انرژي آن افزايش مي يابد كه جابجايي به سمت آبي ناميده مي شود. عكس اين حالت نيز صادق است، يعني هنگاميكه نور در حال ترك (فرار) از يك ميدان گرانشي است، فركانس و در نتيجه انرژي آن كاهش مي يابد كه جابجايي به سمت سرخ گرانش ناميده مي شود و براي آن رابطه زير ارائه شده است.

علامت جمع مربوط به سقوط و علامت منفي مربور به صعود فوتون در ميدان گرانشي است

 اين پيشگويي نسبيت براي مدتها قابل آزمايش نبود تا آنكه موسبوئر در سال 1958 نشان داد كه يك بلور در بعضي شرايط مي تواند دسته اشعه اي گاما با طول موج كاملاَ معيني توليد كند. اشعه ي گاما با چنين طول موجي را مي توان با بلوري مشابه بلوري كه آن را توليد كرده، جذب كرد. اگر طول موج اشعه ي گاما فقط مختصري با طول موج اشعه اي كه توسط بلور توليد مي شود تفاوت داشته باشد، به وسيله آن جذب نخواهد شد. در سال 1960 پوند و ربكا طي آزمايشي درستي آن را ثابت كردند و پيشگويي نسبيت در مورد اثر گرانش بر روي فركانس فوتون تاييد شد. براي توضيحات بيشتر به زيربناي تجربي مراجعه كنيد.

افزايش انرژي فوتون هنگام سقوط در ميدان گرانشي، ناشي از كاري است كه گرانش روي فوتون انجام مي دهد.  كاري كه نيروي گرانش روي فوتون انجام مي دهد، تنها به معني ساده ي افزايش انرژي آن نيست، بلكه مفاهيم عميق تري در اين پديده نهفته است. اگر اين پديده را بخواهيم از ديدگاه نظريه ميدان كوانتومي نگاه كنيم، بايد بپذيريم كه گراويتونها در ساختمان فوتون نفوذ كرده و علاوه بر افزايش انرژي، موجب افزايش شدت ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي آن نيز مي شوند.

بر اساس توضيحات بالا سي. پي. اچ. ذره اي با جرم ثابت m است كه با سرعت V_CPH نسبت به دستگاه لخت حركت مي كند، بطوريكه:

توجه به اين دو نكته مهم است كه جرم و مقدار سرعت در مورد سي. پي. اچ. ثابت است.

علاوه بر آن هنگاميكه سي. پي. اچ. داراي اسپين است، گراويتون ناميده مي شود.

از آنجاييكه سي. پي. اچ. جزء سازنده ي فوتون است و با توجه به رابطه ي هم ارزِي جرم- انرژي و توليد و واپاشي زوج ذره - پاد ذره، بنابراين سي. پي. اچ. سنگ بناي اوليه همه ي ذرات، اجسام است و بطور كلي همه چيز در جهان از سي. پي. اچ. ساخته شده است. حتي ميدانهاي گرانشي و الكترومغناطيسي را نيز سي. پي. اچ. شكل مي دهد.

اساس نظريه سي. پي. اچ.

حال با توجه به تعريف بالا كه در مورد سي. پي. اچ. داده شد، اصل سي. پي. اچ. Principle of CPH بيان مي شود. بنابراين نظريه سي. پي. اچ. بر اساس يك تعريف و يك اصل موضوع مطرح شده است. سپس خواهيم ديد كه چگونه ساير اصول فيزيك و قوانين بقا را از آن مي توان نتجه گرفت. متعاقب آن مفهوم زمان و توضيح فيزيكي فضا- زمان بيان خواهد شد. نظريه سي. پي. اچ. ابزار قدرتمندي كه در شرايط امروز مي تواند كل ساختمان فيزيكي جهان و همه ي پديده ها را توجيه كند. علاوه بر آن نظريه سي. پي. اچ. فيزيك براي درك شهودي پديده هاي فيزيكي ابزار بسيار قدرتمندي است. اما ذكر اين نكته نيز ضروري است كه نظريه سي. پي. اچ. مانند همه ي نظريه هاي علمي بدون ابهام و اشكال نمي باشد. هميمن اشكالات و ابهامات است كه زمينه تحقيقات آتي را فراهم مي سازد تا علم سير تكاملي خود را طي كند.

CPH اصل

سي. پي. اچ. يك ذره بنيادي با جرم ثابت است كه همواره با مقدار سرعت ثابت V_CPH>c  نسبت به دستگاه لخت حركت مي كند. اين ذره داراي لختي دوراني است. تحت هر شرايطي در جرم و مقدار سرعت آن تغييري داده نمي شود،(نسبت به دستگاه لخت) بطوريكه:

gradV_CPH=0 in all inertial frames and any space

توجه: در شرايط مختلف فيزيكي تنها قسمتي از سرعت انتقالي آن به سرعت دوراني (يا بالعكس ) تبديل مي شود، بطوريكه در مقدار V_CPH هيچگونه تغييري داده نمي شود. يعني اندازه حركت خطي آن به اندازه حركت دوراني و بالعكس تبديل مي شود. بنابراين مجموع انرژي انتقالي و انرژي دوراني آن نيز همواره ثابت است. تنها انرژي انتقالي آن به انرژي دوراني و بالعكس تبديل مي شود.  

مجموع انرژي انتقالي و اسپيني سي. پي. اچ. همواره مقدار ثابتي است.

بنابراين هر سي. پي. اچ. داراي دو نوع انرژي انتقالي و انرژي اسپيني مي باشد. از جمله در ساختمان فوتون، فرض كنيم يك فوتون از تعداد n سي. پي. اچ. تشكيل شده باشد، در اينصورت سي. پي. اچ. هاي تشكيل دهنده ي آن داراي سه نوع حركت و در نتيجه داراي سه نوع انرژي هستند (شكل زير) كه مجموع اين سه انرژي برابر مقدار ثابتي است. براي توضيح بيشر به مكانيزم توليد ذرات باردار توسط بوزون هيگز مراجعه كنيد.

ساختمان فوتون: سي. پي. اچ. داراي سه نوع حركت است، با سرعت c همراه فوتون، اسپين فوتون و اسپين خود سي. پي. اچ.

بنابراين در حالت كلي سي. پي. اچ. داراي دو نوع انرژي است، يكي انرژي جنبشي و ديگري انرژي اسپيني. اين فصل را با جمع بندي خواص سي. پي. اچ. پايان مي دهيم و در فصل بعد با استفاده از اين خواص بررسي پديده ها انجام خواهد شد.

1- جرم سي. پي. اچ. :

2- سرعت سي. پي. اچ. :

3 - اندازه حركت سي. پي. اچ. :

4 - انرژي سي. پي. اچ. :

در فصول بعدي تلاش مي شود قوانين و معادلات فيزيك از اصل سي. پي. اچ. به دست آيد.