آیا انرژی کیهان نشست می کند؟
انرژی کل باید پایدار باشد. این اصلی است که تمام دانشجویان فیزیک آن را به عنوان یک قانون بنیادی می آموزند. امّا مشکل اینجاست که این قانون در کل کیهان کارایی ندارد.
این مقاله با منبع : ساینتیفیک آمریکن نویسنده : تامارام دیومیس و به ترجمه : محمد حسین ذو فقاری، حسین زمانی فر در شمارهء 588 مجلهء دانشمند آورده شده است یه سر زدم سایت دانشمند نبود یه سرچ هم زدم تو موتور های جستجو گر ؛دیدم این یک تحقیق دست اول به زبان فارسی روی نت می تونه باشه و ارزش داره یک قسمت هاییش رو اینجا بیارم.
[...]در یافتیم که فوتون هایی که در یک جهان ِ در حال انبساط سیر می کنند ظاهراً انرژی از دست می دهند. ماده چطور ؟ آیا آن هم انرژی از دست می دهد ؟ در بررسی حرکت مادّه در کیهان دو نوع حرکت مختلف را شناسایی می کنیم. در نوع اوّل یک جسم می تواند تنها همراه با جریان کلی انبساط کیهان از دیگر اجسام فاصله بگیرد، دقیقاً مانند نقاط کشیده شده روی یک بادکنک در حال باد شدن است از یکدیگر دور می شوند. در کیهان شناسی چنین حرکتی حرکت همراه (
Comoving) نامیده می شود. امّا در نوع دوم یک جسم می تواند علاوه بر حرکت ناشی از انبساط، خودش هم حرکت داشته باشد .این نوع دوّم حرکت اختصاصی (
Pesuliar) نامیده می شود و زمانی اتفاق می افتد که چیزی توسط تاثیرات موضعی همچون کشش جاذبه ای یک کهکشان مجاور یا نیروی پیش رانش یک راکت، از جریان یکدست انبساط بیرون جدا می شود. کهکشان ها همیشه حداقل کمی حرکت خاصّه دارند اما برای کهکشان های دور - که نسبت به کهکشان های نزدیک سریع تر دور می شوند - سرعت خاصه در مقابل مقایسه با سرعت دور شدنشان ناچیز است.
در بزرگ ترین مقیاس ها ، توزیع کهکشان ها یکنواخت است . لذا تاثیرات محلی ناچیز بوده و کهکشان ها به ناچار دارای حرکت همراه هستند. آن ها می توانند همچون نقاط روی بادکنک تلقی شوند یعنی الگوی انبساط بافت فضا هستند.
یک چارچوب مرجع ِ دارای حرکت همراه همچون چارچوبی که توسط کهکشان ها تعریف می شود، بسیار سودمند است. به طور مثال یک توافق عمومی برای اندازه گیری زمان بدست می دهد. لذا در هر کهکشان که پیوسته دارای حرکت همراه است، همه در این مورد که انفجار بزرگ چند مدت پیش روی داده است، اتفاق نظر دارند. اگر یک مسافر بین کهکشانی، میلیارد ها سال نوری به حالت شناور حرکت کند از تعداد زیادی از این کهکشان های نشانگر (
Flag - Post Galaxy)گذر خواهد کرد. اما به این دلیل که کیهان در حال انبساط است ، الگوها ازیکدیگر دور شده و به نظر می رسد که مسافر ما نسبت به هر کهکشان که از آن عبور می کند [نسبت به قبلی]کندتر و کندتر حرکت می کند و سرعتش کاهش می یابد. در نگاه اوّل این رفتار ها خیلی متفاوت به نظر می رسند اما در عین شگفتی مکانیک کوانتومی این دو را پیوند میدهد.
در مکانیک کوانتومی دربارهء ماده ذرات دارای جرم، ویژگی های موج گونه نیز دارند. "لوئیس دوبروی" فیزیکدان فرانسوی کشف کرد هرچه اندازه حرکت یک ذره بیشتر باشد طول موج مربوط به آن کوتاه تر و انرژی آن بیشتر است . او با این کشف، جایزه نوبل سال 1929 را از آن خود کرد. ذرات ماده می توانند با داشتن جرم یا سرعت زیاد (یا هردوی این ها) تکانه زیادی کسب کنند. این ویژگی برای مثال شرح می دهد که چرا یک توپ بیسبال وقتی که از دستکش پرتاب کننده اش در بازی جدا می شود، حرکتی موج گونه را به نمایش نمی گذارد؟ توپ های بیسبال در طیف های کوانتومی بسیار سنگین هستند و در لیگ های بین المللی توپ های پرسرعتی(با سرعت استادارد 145 کیلومتر بر ساعت) که به طرف توپ زن پرتاب می شود دارای طول موجی معادل
است که هیچ نیازی نیست که توپ زنی که نوبت اوست نگران آن باشد. از سوی دیگر الکترونی که با همان سرعت حرکت می کند. دارای طول موجی برابر 18 میکرون است . این مقدار کم چندین برابر بزرگ تر از یک توپ بیسبال است و اگر به رفتار الکترون ها مربوط باشد، بسیار قابل توجّه می شود.
با اندازه گیری مقدار سرعت نسبی که ذرّات پرجرم هنگام عبور از کنار همسایه های در حال دور شدن از دست می دهند، متوجه می شوید که طول موج دوبروی ذرات دقیقا با همان نسبتی که طول موج فوتون ها زیاد می شود، افزایش می یابد. به همین دلیل به نظر می رسد که ماده و نور در ارتباط با اتلاف انرژی در کیهان در حال انبساط، دقیقاً یک رفتار را بروز می دهند و در هر دو حالت این طور به نظر می رسد که قانون بقای انرژی نقض می شود در مورد ماده تناقض این است که ما سرعت ها را در چاچوب های مرجع متفاوتی(نسبت به کهکشان های دور شونده) اندازه می گیریم، خواهیم دید شرایط مشابهی نیز برای فوتون وجود دارد.
محاسبه گران کیهان شناسی برای بررسی میزان از دست دادن انرژی کیهان ، ممکن است تلاش کنند به جای متمرکز شدن بر یک شیء در یک زمان خاص ، برای انرژی کیهان را اندازه بگیرند. درمرحله نخست ممکن است کل انرژی موجود در جرم ِ مادهء درون کیهان را از معادله معروف انیشتن بدست آورند. سپس انرژی جنبشی را که مربوط به حرکات منحصر به فرد مادّه است به آن بیافزایند. برای برآیند گیری باید انرژی نور را هم به حساب آورند و سپس به محاسبهء انرژی در همه میدان های گرانشی اطراف سیارات، ستاره ها و کهکشان ها و همزمان محاسبه انرژی پیوند های شیمیایی و انرژی هسته ای اتم ها بپردازند(صوت و گرما همان حرکات مادّه هستند و قبلاً محاسبه شده اند).
نخستین مشکلی که با آن مواجه می شوند این است که کیهان احتمالاً بینهایت بزرگ است و مقادیر نامتنهای از ماده و انرژی را در خود دارد. پس محاسبه گران ممکن است برای سهولت یک غشای خیالی به دور منطقه ای از فضا بکشند و انرژی درون آن را جمع بزنند. سپس اجازه می دهند که غشاء همچون کیهان انبساط یابد، به این منظور که کهکشان های دارای حرکت همراه درون غشا باقی بمانند. ماده و نور می توانند به غشا وارد یا از آن خارج شوند، ولی چون جهان همگن است به همان اندازه ای که وارد می شود از آن خارج و در نتیجه مقادیر داخل پوسته کاملاً ثابت می مانند. محاسبگران می دانند که همهءجهان می تواند توسط مجموعه ای از این چنین حجم هایی ساخته شود. اگر قراراست انرژی در کیهان دست نخورده ثابت باقی بماند. محاسبه ها برای مادّه که حالتی غیر فعال و آرام دارد و همراه با جریان انبساطی جهان می رود، آسان تر است. در این وضعیت انرژی ماده از جرم آن ناشی می شود و چون هیچ مادّه ای از پوسته وارد و یا خارج نمی شود، نتیجه می گیریم که مادّه ثابت باقی می ماند. ولی این موارد برای نور اندکی پیچیده تر است. پیش تر خواندیم برای مادّه ای که سرعت خاصه دارد اگرچه تعداد فوتون ها یا ذرّات مادّه در غشا تغییر نمی کنند با گذشت زمان انرژی فوتون کم می شود. با کاهش انرژی جنبشی مادّه ای که حرکت خاصه دارد، انرژی کل پوسته نیز کاهش می یابد. اگر محاسبه گران، انرژی تاریک را که عامل شتاب گیری انبساط کیهانی است به شمار می آورند، وضعیت از این هم پیچیده تر می شد. ویژگی های انرژی تاریک هنوز در هاله ای از ابهام است ولی به نظر می رسد انرژی تاری با انبساط کیهان رقیق تر نمی شود. با افزایش حجم مربوط به غشا انرژی آن نیز از طریق یک انرژی اضافی که منشاء آن معلوم نیست،افزایش می یابد. ممکن است تصور شود افزایش انرژی تاریک تلفات شکل های دیگر انرژی را جبران می کند، ولی اینگونه نیست. حتی اگر انرژی تاریک را منظور کنیم ، باز انرژی کل درون پوسته پایسته نمی ماند. محاسبه گران چگونه می توانند این انرژی درحال تغییر را با قضیه نوتر آشتی دهند ؟ بر اساس نظریه نسبیّت عام انرژی و ماده به فضا انحنا می دهند و با حرکت این ماده یا انرژی(یا پراکنده شدن آن در یک فضای گسترش یابنده شده)شکل فضا نیز تغییر می کند. این اثر گذاری ها در زندگی روزمره ما بسیار ناچیز است، ولی در مقیاس های کیهانی می توانند قابل توجه باشند.
انعطاف پذیری فضا بر این امر دلالت می کند که رفتار جهان تقارن زمانی ندارد. ساده ترین راه برای تجسم بهتر این حقیقت، مرور دوباره توپ بیلیارد است. اگر ما چندین فیلم از یک قسمت از فیلمی را که در حال اجرا بر روی یک میز بیلیارد با هندسه متغیر است را از یک زاویه خاص میبینیم. هر فیلم به گونه ای متفاوت از دیگران دیده تقارن زمان شکسته خواهد شد و شما می توانید بگویید فیلم در چه زمانی و با چه ترتیبی گرفته شده است.
بدین ترتیب ما اصول پیوستگی خود را محدود کرده ایم؛ وقتی زمان و فضا ناپایدار باشند؛ تقارن زمانی از بین می رود و لزوی ندارد قانون بقای انرژی ادامه داشته باشد.
به هر حال حتی اگر انحنا تغییری نکند برایند گیری انرژی کیهان تمرینی بیهوده است.دید خداگونه محاسبه گران به هیچ ناظری در کیهان وابسته نیست، له ویژه اینکه آن ها انرژی کهکشان های دارای حرکت همراه را نسبت به یکدیگر به حساب نمی آورند. پس برای آن ها کهکشان ها هیچ انرژی جنبشی نخواهند داشت. مسئله دیگر امواج گرانشی مربوط به کشش متقابل کهکشان ها است. یک مشکل شناخته شده در نسبیت عام این است که در این نظریه همیشه نمی توان انرژی گرانشی را با روشی که برای کیهان(به عنوان یک کل) به کار رود تعریف کرد.
بدین گونه انرژی کل جهان نه پایسته است نه ناپایسته: تنها غیر قابل تعریف است.از سویی دیگر اگر نظر بُت گونه را کنار بگذاریم و به جای آن بر یک ذرّه در یک زمان متمرکز شویم به این نتیجه می رسیم که آنچه بیشتر کیهان شناسان به آن اعتقاد دارند راه طبیعی تری برای فکر کردن درباره سفر یک فوتون از یک کهکشان دور دست است. در این تفسیر فوتون در نهایت انرژی از دست نمی دهد. نکته اینجاست که به تشبیه ما در بادکنک منبسط شونده، با وجود مفید بودنش در به تفسیر کشیدن، باید به دیدهء تردید نگریسته شود. فضای تهی واقعیت فیزیکی ندارد. در زمانی که کهکشان ها از هم فاصله می گیرند ما آزادیم این حرکت نسبی را "انبساط فضا" یا "حرکت از میان فضا" در نظر بگیریم. تفاوت اصلی در معنی شناسی واژه ها است.[...]
عرفان-93-