در ادامه مبحث اصل تبادل انرژی کوانتومی توسط لایه‌ها و زیر لایه‌ها در اتم‌ها، فاجعه فرابنفش چیست؟ قانون تابش کوانتومی یک‌چهارم - سه‌چهارم در این مبحث سعی می‌کنیم که تعداد کوانتوم‌های تابش شده توسط جسم سیاه نسبت به طول‌موج و دمای آن را محاسبه کنیم.
روش کار:
تابع شدت تابش جسم سیاه پلانک را تقسیم بر کوانتوم‌های انرژی می‌کنیم. در بند یک این تابع به دست می‌آید که بیانگر تعداد کوانتوم‌های تابش شده در طول‌موج‌ها و حرارت‌های مختلف است. ورودی تابع، دما بر حسب کلوین و طول‌موج مدنظر است و خروجی تابع تعداد کوانتوم‌های تابش شده است. تمامی ثابت‌های ریاضی و فیزیکی را برابر یک قرار داده و به تابع کلی منحنی دست پیدا می‌کنیم بند دو. مشتق تابه را به دست آورده و بیشینه منحنی را محاسبه می‌کنیم بند 3 و 4 و 5. تابع در مقدار M بیشینه است. مساحت زیر نمودار از صفر تا M مقداری معادل 0.503 و مساحت زیر نمودار از M تا بی‌نهایت مقداری معادل 1.9 دارد.
این اصل یا قانون به این معنی است که یک اتم ملتهب که جذب انرژی کرده و دمای آن بالا رفته و در محیط پیرامونی به تعادل حرارتی پایداری رسیده است، تمایل دارد که 3.7 برابر تابش خود را توسط کوانتوم‌های کم‌انرژی انجام دهد. یعنی تعداد کوانتوم‌های تابش شده کم‌انرژی 3.7 برابر بیشتر از کوانتوم‌های تابش شده پر انرژی است و معنی دیگر آن اینکه کوانتوم‌های تابشی با انرژی بالا در کیهان همواره تبدیل به کوانتوم‌های تابشی با انرژی پایین می‌شوند. یعنی همواره از تعداد کوانتوم‌های تابشی با انرژی بالا کاسته شده و به تعداد کوانتوم‌های تابشی با انرژی پایین افزوده می‌شود و این نسبت یک به 3.7 تقریباً چهار برابر است. یعنی کیهان همانند یک خردکن عمل می‌کند و تابش‌های پر انرژی را تبدیل به تابش‌های کم‌انرژی می‌کند که ما آنها را به‌عنوان امواج پس‌زمینه کیهان شناسایی می‌کنیم. یعنی امواج رادیویی (ماکروویو) موجود در کیهان هیچ ربطی به نظریه نادرست انفجار بزرگ ندارند. آنها می‌توانند از اتم‌ها و مولکول‌های سرد تابیده یا بازتابیده شده باشند که با محیط پیرامون به تعادل حرارتی پایداری رسیده‌اند.
به طور مثال یک کوانتوم تابش پر انرژی گاما ساطع شده از یک کوازار در نهایت جذب یک اتم یا همان سیستم کوانتومی شده و باعث بالارفتن دمای آن می‌شود. اینک این اتم سعی می‌کند تا دمای محیط سرد شده و انرژی از دست دهد و این انرژی مازاد به‌صورت تابش گسیل شده و توسط اتم‌های دیگر جذب می‌شود. این تبادل انرژی مابین اتم‌ها چنان سریع است که بعد از مدت‌زمان کوتاهی تبدیل به تابش پس‌زمینه کیهان می‌شود.
ناهمسان‌گردی
ناهمسان‌گردی بستگی یک خصوصیت به جهت‌گیری آن را در فضا می‌گویند. با دقت در نقشه به‌دست‌آمده از ماهواره پلانک مشاهده می‌کنیم که امواج پس‌زمینه کیهانی دارای افت‌وخیزهایی هستند که این افت‌وخیزها موسوم به ناهمسان‌گردی هستند. ناهمسان‌گردی در این امواج در نتیجه اختلالات چگالی ماده و دما در کیهان است که از مهم‌ترین ویژگی‌های این امواج هستند.
بیشینه طول‌موج در بَسامد 160 گیگاهرتز معادل 0.00187 متر یا 1.87 میلیمتر و دما 1.54 درجه کلوین محاسبه می‌شود. تابع U چگالی تابش درون کاواک در واحد حجم و تابع E چگالی تابش در سطح کاواک در واحد مساحت است.
Cy یک سال نوری به متر.
Ru شعاع کیهان از هر طرف.
Vu حجم کیهان.
Ub کل انرژی تابش پس‌زمینه کیهان.
M_ub معادل جرمی این انرژی سرگردان.
n_sun معادل جرمی این انرژی جاری به تعداد جرم خورشید.
n_g معادل جرمی این انرژی جاری به تعداد جرم راه کهکشان، اگر فرض کنیم کیهان با سرعت نور درحال‌توسعه است.
dVu مقدار افزایش حجم این انبساط در عرض 10 سال است.
dEu حداکثر میزان انرژی تولید شده توسط ستارگان در کیهان است تا اینکه دمای کیهان افزایش پیدا نکند (دمای کیهان ثابت بماند).
dM_ub معادل جرمی این انرژی در طول مدت 10 سال است.
dsum_m معادل جرمی این انرژی به تعداد جرم خورشید است.
dE_sun مقدار انرژی تابشی خورشید در 10 سال است.
dn_sun حداکثر تعداد ستارگان مشابه خورشید در حال فعالیت در کل کیهان است تا دمای آن بالا نرفته و ثابت بماند.
dn_g حداکثر تعداد کهکشان‌های مشابه راه شیری در حال فعالیت در کل کیهان است تا دمای آن بالا نرفته و همیشه ثابت بماند.
یعنی رقم 7.8 میلیارد که رقم بسیار کمی است و اینک این سؤال بسیار مهم مطرح می‌شود که مازاد این انرژی چه می‌شود؟ چون توسعه و یا انبساط کیهان هرگز نمی‌تواند باعث ثابت ماندن میزان چگالی انرژی تابشی و دما در خود شود!
جواب ساده است. این انرژی فوق‌العاده عظیم اگر در کیهان باقی‌مانده و سرگردان و جاری شود، دمای کیهان به‌تدریج بالا رفته و فاجعه‌آمیز است. این انرژی مازاد به طور مرموزی مفقود و تبدیل به چیز دیگری می‌شود که بهترین کاندیدا روح است؛ یعنی خداوند این مقدار انرژی اضافی را جذب و تبدیل به روح می‌کند تا دمای کیهان ثابت بماند.
در حقیقت کیهان یک کاواک منبسط‌شونده است با این تفاوت که داخل کاواک خلأ فرض می‌شود و تابش‌ها توسط محیط کاواک منعکس، بازتابش یا جذب می‌شوند؛ ولی درست است که داخل کیهان خلأ است؛ ولی تابش‌های داخل آن توسط اجرام سماوی و گازها و... منعکس، جذب و بازتابش می‌شوند.
هر کجای کیهان چگالی و تراکم ماده زیاد باشد، چگالی و شدت تابش زیاد شده و مسلماً دما نیز افزایش پیدا می‌کند که دیسک راه کهکشان شیری در افق، به‌صورت کمربند و نوار حرارتی مشاهده می‌شود و این امواج نسبتاً تازه هستند و هیچ ربطی به تابش‌های بسیار کهن مربوط به نظریه انفجار بزرگ هم ندارند؛ یعنی همین‌الان در داخل کهکشان‌ها در حال تولید، انتشار و بازتابش هستند.
و این تفاوت که طیف یا دما سنجی کیهانی در داخل کاواک صورت می‌گیرد و نه در خارج کاواک (تحلیل تابش از سطح بیرونی کاواک) و به این دلیل چنین به نظر می‌رسد که ما از فاصله دوری از جسم سیاه قرار گرفته‌ایم. چون شدت تابش اندازه‌گیری شده خیلی کمتر از شدت تابش در سطح کاواک است.
Mega Jansky (10–26W/m2/Hz) per steradian
1 Jansky = 10-26 Joules s-1 m-2 = 10-26 Watts m-2
اگر شعاع کاواک یک متر بوده باشد چنین به نظر می‌رسد که ما در فاصله 631 متری اقدام به طیف یا دما سنجی کرده‌ایم. درحالی‌که چنین نیست؛ بلکه ما کلاً در داخل کاواک قرار گرفته‌ایم.
لکه سرد در نقشه امواج زمینه کیهانی
در داده‌های ماهواره پلانک مسئله تقریباً غیرعادی توجه کیهان‌شناسان را به خود جلب کرده است. در این نقشه گویی از قسمتی در آسمان علائم ضعیفی دریافت شده است که کیهان‌شناسان آن را لکه سرد نامیدند. در تصویر زیر این قسمت با دایره سیاه در پایین قسمت راست تصویر نشان‌داده‌شده است.
برای وجود این منطقه نظریه‌های مختلفی ارائه شده است که یکی از آنها تلاش برای ارتباط با موضوع "جهانهای موازی" است. دانشمندان بر این نظر هستند که لکه سرد شاید فضایی بسیار بزرگ و پر از جهانهای مختلف باشد. به باور ما انرژی تولید شده در داخل کیهان در این مناطق مفقود و ناپدید می‌شود؛ یعنی به بیان ساده این مناطق درست مثل تابش گیر و خنک‌کننده عمل کرده و باعث جلوگیری از افزایش دمای کیهان می‌شوند.
مقایسه تابش زمینه کیهانی و تصویر رادیویی. در هر دو، ناحیه‌ای با تابش کم‌انرژی دیده می‌شود .
به‌تازگی دانشمندان دانشگاه مینسوتا مقاله‌ای در نشریه «استروفيزيكال» (Astrophysical Journal) منتشر كردند و توضیح دادند که حبابی خالی از هر چیز را در کیهان کشف کرده‌اند. خالی از هرگونه ماده مانند کهکشان، سحابی، سیاه‌چاله و حتی خالی از ماده تاریک .
در این بررسی که در آن از «آرایه عظیم تلسکوپ‌های راديويي» (VLA) استفاده شد ، دانشمندان به اختلاف دمایی اندکی در محدوده خاصی از پس‌زمینه کیهانی برخوردند . VLA قادر است اختلاف دمایی در حدود یک میلیونیم درجه سانتیگراد را آشکار کند .
فاصله این حباب خالی از ما نزدیک به یک میلیارد سال نوری است. برخورد با چنین بخش‌های «خالی» چندان دور از انتظار نبود؛ اما ابعاد این حباب خیلی بزرگ است. چنان عظیم که در هیچ‌یک از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، مشابه آن پیش‌بینی نمی‌شد و این باعث شگفتی همگان شده است.
مقایسه تابش زمینه کیهانی و تصویر رادیویی. در هر دو، ناحیه‌ای با تابش کم‌انرژی دیده می‌شود .
این یافته‌ها در پروژه «بررسی تمام آسمان» با آرایه عظیم VLA در قالب طرح NVSS به‌دست‌آمده است . در این بررسی، دانشمندان به‌صورت اتفاقی به کم‌شدن معنادار تعداد کهکشان‌های واقع در منطقه‌ای از صورت فلکی «نهر» برخوردند .
با بررسی این ناحیه به‌وسیله ماهواره WMAP در سال ۲۰۰۴ در طول‌موج پس‌زمینه کیهانی، این نتیجه به دست آمد که بخشی کم‌انرژی منطبق بر آنچه VLA يافته بود در آن منطقه قرار دارد. به این دلیل نام این منطقه را «لکه سرد » ( WMAP cold spot ) گذاشته‌اند . به نظر می‌رسد عامل اختلاف سطح انرژی در پس‌زمینه کیهانی در این منطقه، نبود ماده باشد . "
چرا پر کاه را در چشم برادرت می‌بینی، اما تیر چوب را در چشم خودت نمی‌بینی؟ قصص متی / فصل ۷ منسوب به مسیح
در حقیقت نظریه‌پردازان انفجار بزرگ، انرژی تابشی این انفجار (پر کاه) را می‌بینند؛ ولی قادر به دیدن انرژی تابشی 13.5 میلیاردساله توسط بیش از 2000 میلیارد کهکشان و کوازار نیستند (تیر چوبی). درست مثل‌اینکه ما انفجار یک پالایشگاه را رویت کنیم؛ ولی متوجه مقدار انرژی تولید شده توسط یک نیروگاه در نیم‌قرن نشویم.
آیا نظاره نکرده‌ای به‌سوی سرورت [که] چگونه پهن کرد (گسترش داد) سایه (تاریکی) [را] و اگر می‌خواست حتماً قرار می‌داد آن را ساکنی (بدون حرکتی، همیشگی و دایمی) ، سپس قرار دادیم خورشید را برای آن دلیلی (علت و برهانی، هدایت و توجیهی، روشنایی) ۴۵
سپس قبض کنیم آن را به‌سوی خودمان، قبضی راحتی (گرفتن سهلی) ۴۶ فرقان
نظریه انفجار بزرگ یک طرز فکر نادرست از پیش‌بینی نادرست جورج لماتیره یک کشیش ارمنی (نصرانی) بلژیکی است که قصد داشت با نظریه ماتریالیسم (کمونیسم) یعنی ازلی و ابدی بودن کیهان مقابله و مبارزه کند.
تعریف دقیق جسم سیاه:
جسم سیاه یک اتم (سیستم کوانتومی) کامل در شرایط ایدئال است که در تمامی ترازهای انرژی و طول‌موج‌ها و بَسامدها توان جذب و انتشار را دارد.
دما چیست؟
دما هرچه که باشد برای خود جسم سیاه تعریف می‌شود و نه برای تابش آن. ما با طیف‌سنجی از دمای جسم سیاه مطلع می‌شویم. دما برای یک الکترون معنی ندارد. برای یک الکترون سرعت، تکانه، انرژی جنبشی، جرم نسبیتی و... معنی دارد. دما برای یک فوتون هم هیچ معنی ندارد. آنچه که مفهوم دارد انرژی کوانتومی است که به بَسامد و طول‌موج آن مربوط می‌شود.
بزرگ‌ترین خطای فاحش طرف‌داران نظریه انفجار بزرگ در چیست؟
دما را به خود تابش نسبت می‌دهند و نه به جسم سیاه. به طور مثال می‌گویند که دمای کیهان (فضا - زمان منبسط شوند) x درجه کلوین است. چون فضا - زمان جرم ندارد و یک سیستم کوانتومی نیست، پس جذب و تابشی هم ندارد، پس جسم سیاه هم نیست. در نتیجه دما برای فضا - زمان هیچ مفهوم و تعریفی ندارد. پس فضا - زمان توان سردوگرم شدن را ندارد. اینجا بحث کنش و واکنش تابش با ماده در میان است. در نتیجه دمای کیهان به فضا - زمان مربوط نمی‌شود حتی خود تابش؛ بلکه به ماده موجود در داخل آن مربوط می‌شوند من‌جمله گاز هیدروژن، هلیم و سایر عناصر جدول مندلیف، حتی ماده سوخته یا ذرات اولیه و... دما با انرژی رابطه دارد؛ ولی این دو تعاریف جداگانه‌ای دارند. تابش باعث بالارفتن دما در ماده می‌شود؛ ولی خودش هیچ دمایی ندارد؛ چون برایش تعریف نشده است. یک ماده گرم به‌واسطه تابش می‌تواند دمای یک ماده سرد را بالا ببرد و خودش سرد شود. مرز تعریف برای سرما و گرما برای انسان دمای بدنش یا همان 37.2 درجه سلسیوس است. همان‌طور که می‌دانیم برای‌آنکه دمای m کیلوگرم از جسمی با گرمای ویژه C را به‌اندازه ΔӨ تغییر دهیم، Q ژول انرژی گرمایی لازم است. از تعریف گرمای ویژه داریم:
به‌عبارت‌دیگر:
که دراین‌رابطه Q (انرژی) بر حسب ژول، m (جرم) بر حسب کیلوگرم، C (گرمای ویژه) بر حسب ژول بر کیلوگرم بر درجه سلسیوس و ΔӨ (تغییر دما) بر حسب درجه سلسیوس است. اینک برای محاسبه انرژی پتانسیل حرارتی جسم، از رابطه زیر استفاده می‌کنیم:
که در رابطه فوق UQ انرژی پتانسیل حرارتی بر حسب ژول، m (جرم) بر حسب کیلوگرم، C (گرمای ویژه) بر حسب ژول بر کیلوگرم بر درجه سلسیوس و Ө دما بر حسب درجه کلوین است. به طور مثال یک کیلوگرم فولاد با گرمای ویژه 500 ژول بر کیلوگرم بر درجه سلسیوس و حرارت 37 درجه سلسیوس (37+273=310 درجه کلوین):
کیلوژول انرژی حرارتی ذخیره شده در خود دارد که اگر از آن گرفته شود، دمای آن صفر مطلق خواهد شد.
محمدرضا طباطبایی ۱۴۰۲/۰۵/۰۹
