پیروزی نهایی گرانش

یک ستاره ی نوترونی در برابر فشار عظیم گرانش در برابر فشرده شدن مقاومت می کند . اما اگر باقیمانده ی هسته پس از انفجار بیش 3 برابر خورشید جرم داشته باشد ، آنگاه دیگر شرایط کاملا" متفاوت می شود . در این شرایط حتی نوترون ها از فشار بی وقفه ی گرانش نمی توانند در امان باشند . نوترون ها در بی خبری هم چنان فشرده می شوند و هسته ی ستاره در زیر بار گرانش در فضای خودش از پای در می آید و از شکل می افتد و در این صورت جرمی بسیار ترسناک می شود . یک فرم تاریک که در قلب ستاره ها قرار داشته است و حال بی وقفه حرکت می کند و از فضای اطراف خود مواد را می مکد و آن را به درخشش وا می دارد . این اجسام گرسنه همان سیاهچاله ها هستند که در آنها گرانش به پیروزی نهایی رسیده است . هر چیز که به محدوده ی جادویی آن وارد شود برایش بازگشتی نخواهد و نخواهد توانست تا بگریزد و سرانجام آین جسم قورت داده می شود .

فشردگی عظیم

سرنوشت نهایی یک ستاره به جرمش وابسته است . خورشید ما در نیمه ی عمر است ، یعنی حدود 5 میلیارد از سن خود را سپری کرده است و برای بقایای حیات به میزان پنج میلیارد سال دیگر سوخت دارد . اما در زمان های دور واقع در آینده پس از اتمام سوخت خود لایه ی بیرونی خود را به بیرون خواهد انداخت . بدین ترتیب گرانش هسته را به شدت فشرده می سازد و تا حدی این کار را انجام می دهد و به جایی می رسد که توانایی ادامه ی ادامه ی آن را ندارد . در این صورت جرمی پدید می آید که کوتوله سفید نامیده می شود . باقی مانده ی هسته یکصد هازار برابر از زمین فشرده تر است .

بیشتر ستاره های عظیم سریع تر سوخت خود را می سوزانند و در نتیجه عمران آنها نیز کوتاه تر از حد انتظار خواهد بود . یک ستاره به جرم ده برابر خورشید ممکن است تنها میلیون ها سال عمر کند و زندگی آن به میلیارد سال نمی رسد . چنانکه فروریختن آن آغاز شود ماده ی موجود در آن زیر فشار گرانش له می شود . در این حالت هسته در حدود 50 میلیارد درجه حرارت دارد ، در چنین حرارتی هسته تنها چند ثانیه واکنش می دهد و سپس به سبک سوپر نوا منفجر می شود .

سوپرنوا نوعی انفجار عظیم کیهانی است . در پی این واقعه ی کیهانی مقدار زیادی ماده به محیط میان ستاره ای دمیده می شود . در این گونه ستاره ها واقعا" از درون متلاشی می شوند و پی از آن اتم های هسته در زیر بار گرانش به هم می ریزند و الکترون های آنها به پروتون ها متصل می شوند و تولید ذره ی زیر اتمی دیگری به نام نوترون می نمایند . در نتیجه ستاره نوترونی پدید می آید که جرمش حدود 5/1 برابر خورشید است ولی این جرم عظیم تنها در در یک کره فشرده شده که ضخامت این سر تا آن سرش تنها 20 کیلو متر است .

دانشمندان ثابت کرده اند که ستاره های نوترونی واقعا" وجود دارند ، زیرا آنها سیگنال های خاصی را از خود ساتع می کنند درست همانند هشدار فانوس دریایی به ساحل . یک ستاره ی نوترونی امواجی خیره کننده ساتع می کنند ؛ این امواج توسط میدان مغناطیسی عظیمش که بیش از یک ترلیون برابر از میدان مغناطیسی زمین قوی تر است تولید می شود . این چنین ستاره های نوترونی را پالسار می خوانند . همچنین ستاره شناسان با دریافت این امواج از فضای تاریک دیگر تردیدی از وجود آنها را در خود راه نمی دهند .

تولد ستاره

برای فهم مقیاس بزرگ در جهان ما باید به مقیاس های بسیار کوچک را درک کنیم . با باز کردن زندگی یک ستاره ما می توانیم زاده شدن یک سیاهچاله را به خوبی درک کنیم .

ستاره ها زمانی پدید می آیند که ابری فوق العاده بزرگ از غبارهای کیهانی و هیدروژن در زیر بار گرانش خود فشرده شوند . در این صورت گرانش به همراه افزایش چگالی فزونی می یابد و بدین ترتیب فضا – زمان خمیده و خمیده تر می شود . پس مدتی گاز هیروژن در هسته متراکم می شود و در این تراکم شدید اتم ها با یک دیگر برخورد می کنند و دمای آن ها رفته رفته افزایش می یابد . زمانی که دمای هسته به 10 میلیون درجه رسید ، پروتون های هیدروژن در پی واکنش های زنجیره ای هم جوشی هسته ای به هلیوم تبدیل می شوند . در هنگام این واکنش ها مقداری از جرم نا پدید می شود که تبدیل به انرژی و امواج الکترومغناطیسی همچون نور می شوند . در این صورت یک جسم که همچون یک لامپ غول پیکر کیهانی است پدید آمده است و این آغاز زندگی یک ستاره است . هر ستاره ای که ما در آسمان مشاهده می کنیم در هسته اش واکنش های عظیم هم جوشی رخ داده است تا این نور تولید شود و به ما برسد . هنگامی که ستاره همانند خورشید درخشان و نورانی می شود ، گرانش آن سعی می کند تا ستاره را هم چنان منقبض کند و در خود فرو کشد . اما واکنش های عظیم هسته ای که در هسته ی ستاره انجام می شوند انرژی عظیمی تولید می کند و همین انرژی از در هم کشیده شدن ستاره و فروریختن آن جلوگیری می کند. زمانی که ستاره مورد نظر(بسته به جرمش) سوخت خود را در چند میلیون یا چند میلیارد سال مصرف کرد و تمام هیدروژن ها به هلیوم تبدیل شدند ستاره وارد مرحله ی جدید زندگی خود می شود در این هنگام ستاره سعی می کند تا هلیوم تولید شده را به عناصر سنگین تر همانند آهن تبدیل کند ولی این واکنش ها چندان انرژی زیادی را تولید نمی کنند تا با گرانش به مقابله بپردازد . سر انجام پس از مدتی گرانش پیروز می شود و این پایان زندگی یک ستاره است . در این هنگام ستاره نسبت به جرمش می تواند به سه حالت 1- کوتوله سفید 2- ستاره نوترونی 3- سیاهچاله تبدیل شود .

جهان حفره ها

سیاهچاله ، این اجرام نادر و عجیب ، را می توان نتیجه ی تفکرات جوان باهوش آلمانی که در سال 1919 در دفتر ثبت اختراعات سوئیس مشغول به کار بود دانست . آلبرت اینشتن در سال 1919 تئوری نسبیت عام خود را که انقلابی عظیم در فیزیک نوین بود را ارائه کرد . آلبرت اینشتن پی برده بود که جهان اساسا" در مکان های متفاوت نسبت به قوانین نیوتن قابل توضیح نیست . او گفت که سه بعد از فضا نمی توانند به صورت مجزا از بعد چهارم یعنی زمان باشند . او گفت که این ها با هم پیوسته هستند و آنها فضا – زمان نامید . این ساختار همانند یک ساختار نامرئی است که در واقع وجود دارد . او گفت که فضا نمی تواند مطلق باشد ، بلکه پیوسته است . این بافت فضا زمانی می تواند خمیده شود و یا اینکه پیچ و تاب پیدا کند .

این بافت که می تواند جالب باشد فقط در صورتی می تواند مسطح و صاف باشد که هیچ چیز در روی آن وجود نداشته باشد . اگر جسمی جرم دار در روی آن وجود داشته باشد گرانش نیز وجود دارد ؛ و هر جا که گرانش وجود داشته باشد این بافت فضا – زمان خمیده می شود . این خمیدگی این بافت برای اجرام حکم می کند که چگونه حرکت کنند ، در واقع می گوید که گرداگرد این فضا – زمان خمیده به سیر و سفر بپردازند . همانطور که در بخش گرانش گفتیم گرانش در تئوری نسبیت عام اثر هندسی جرم بر فضا ی اطراف خود است . اگر بخواهیم کمی ساده تر توضیح دهیم همین خمیدگی عامل ایجاد گرانش است .

اینشتین برای تصور این واقعیت فرض کرد که کاغذی دارد و آن کاغذ را ساختار فضا – زمان فرض کرد . او جسمی سنگین را در روی آن ماغذ قرار داد ( آن جسم را خورشید در نظر گرفت ) و دید که در ساختار کاغذ خمیدگی و فرو رفتگی ایجاد شده است . او گفت که این فضا زمان خمیده گرانشی تولید می کند که هرچه این خمیدگی بیشتر باشد گرانش نیز قوی تر خواهد بود . سرانجام در جهان اجرامی وجود دارند که این خمیدگی را به نهایت خود می رسانند و تمام مسیرها را به سوی خود خم می کنند و این اجرام حقیقتا" سیاهچاله های کیهانی هستند .

ستاره های تاریک

در سال 1784 جان میشل دانشمند بزرگ ولی فراموش شده ی قرن 18 که کشیش نیز بود ؛ ( در تاریخ علم دانشمندان بزرگی مشاهده می شوند که بدون اقتضا به شغل شان کارهای فوق العاده کرده اند ؛ مثلا همین آقای میشل که مطالعاتش چندان مناسبتی با شغلش نداشت ) از سرعت گریز بعضی از اجرام تعجب کرد ( سرعت گریز حداقل سرعتی است که نیاز است تا از سطح یک سیاره یا یک ستاره جدا شویم ، در واقع سرعتی است که یتوانیم از گرانش آن فرار کنیم ) ؛ او می دانست که گرانش یک جسم به جرمش بستگی دارد ، همچنین این موضوع را می دانست که سرعت نور بسیار زیاد است ولی با این حال متناهی است . او از این موضوع تعجی کرد که خورشید با این جرم باز هم قادر نیست نور را در سطح خود نگه دارد و نور از سطح آن می گریزد ( می دانیم که سرعت نور 299792 کیلومتر بر ثانیه است که آن را 300000 کیلو متر بر ثانیه فرض می کنند و از این سرعت تقریبی بیشتر استفاده می کنند ) . میشل پاسخ به این صورت استنباط کرد که اگر خورشید در همین اندازه بود ولی جرمش 500 برابر بود نور نمی توانست از سطح خورشید بگریزد زیرا در این صورت گرانش آن بسیار می شد . چند سال بعد ریاضدان بزرگ فرانسوی لاپلاس به طور مستقل تنیجه را به طور یکسان شرح داد و بدین ترتیب مفهوم ستاره تاریک زاده شد .

مختصری از داستان گرانش

مفهوم گرانش : این نیروی نامرئی که بر زندگی ما مسلط است و ما را بروی زمین نگاه می دارد . این نیرو برای مدتها طولانی انسان های بزرگ را کشفش به مبارزه طلبیده است . حتی روزی که گالیله در بالای برج پیزا که کج است به مشاهده می پراداخت این سؤال برایش پیش آمد که چرا اجسام به سوی پائین سقوط می کنند . گالیله تعجب کرد که چرا اجرام سنگین و اجرام سبک با یک زمان یکسان به سطح زمین می رسند . همچنین از این موضوع که چرا سیارات در راهشان به حرکت می پردازند حیرت کرد . زمانی که کشفیات خود را در مورد سیارات بیان کرد او را به این جرم که در قوانین کلیسا بدعت گذاری کرده است دستگیر کردند و در دادگاه های خود محکوم کردند . این که چرا آنها این کار را کردند بحثی کاملا" مجزا است که در این مقال نمی گنجد . او سرانجام در سال 1642 در فلورانس زمانی که سعی می کرد که نشان دهد گرانش عامل این امر است درگذشت .

در یک کریسمس چارچوب گرانش به دست دانشمند بزرگ سر ایزاک نیوتن نهاده شد . او با 28 ماه اندیشه ی پیاپی توانست حساب دیفرانسیل و انتگرال را کشف کند . سپس طبیعت نور را مورد مو شکافی قرار داد و با این تلاش ها توانست قوانین حرکت سیارات را وضع کند . هرچند که امروزه مکانیک کلاسیک که بیشتر قوانین آن به وسیله نیوتن وضع شده بود تا حد زیادی از فیزیک کنار رفته است . زیرا بعضی از کمیت ها همانند نور و جرم را مطلق می دانست و با این گونه روابط بعضی از پدیده ها قابل شرح نبودند . و سر انجام یک روز وقتی که در حال استراحت بود و فنجان چای را می نوشید مشاهده کرد که از درخت به زمین افتاد ؛ در این هنگام رشته افکاراتش قطع شد و در زمینه ی گرانش به فکر فرو رفت .

در ذهنش این سؤال ها تداعی می شد که چرا سیب به طور مستقیم سقوط کرد ؟ آیا آن می خواهد به مرکز زمین رود ، جایی که کانون نیروی گرانش است . با این افکارات به این مووضع پی برد که هر یک از سیارات و حتی خود خورشید دارای گرانش هستند ؛ او گفت که در بین هر دو جسم دارای جرم در عالم گرانش وجود دارد در واقع او گفت که هر جسم دارای جرم گرانش دارد . هم چنین او گفت که هر چه جرم جسم بیشتر باشد گرانش آن بیشتر است . بنابراین به این سؤال پاسخ داده شد که چرا سیارات به دور خورشید می چرخند .

در پایان آلبرت اینشتن در سال 1919 با ارائه ی تئوری نسبیت عام خود که در آن از معادلات بسیار پیچیده ریاضی استفاده کرده بود گفت که گرانش اثر هندسی جرم بر فضا اطراف خود است . به این ترتیب برای نخستین نظریه ای کامل گرانش را شرح داد .

گرانش مهلک

یک سیاهچاله یک جسم متناقض کیهانی است . یک ستاره تاریک ، یک جسم کاملا" نا مرئی ، یک زندان برای نور . این جسم یک مرز دارد که هر چیز وارد آن شود بازگشتی نخواهد داشت ، ما این مرز را افق رویداد می خوانیم . یک کره که هر چیز وارد آن شود برای ابدیت اسیر آن می شود ، مکانی که دیگر امکان فرار از آن نیست . جایی که در آن سطح جامد وجود ندارد . در این هنگام هر چیز حتی نور مکیده می شود و فقط یک گردات ژرف گرانشی مشاهده می شود ، این اجرام بسیار بی رحم هستند و هرجیز را که به طرفشان بیاید جذب می کنند ، در واقع آن جسم را برای همیشه از آمدش پشیمان می کند . ما از مرکز که تکینگی خوانده می شود اطلاعات چندانی نداریم ولی می دانیم که در آنجا گرانشی مهلک حکم فرما است .

چهره ی این اجرام همیشه مخفی و پوشیده است . تکینگی آنها همیشه به صورت نقطه ای است که نیروی گرانش فوق العاده ای در آن متمرکز شده است . همه ی اجرام و امواج الکترومغناطیسی و انرژی که در سیاهچاله فروافتاده اند در نقطه ای فوق العاده کوچک و فوق العاده چگال فشرده شده اند و گرانشی نا متناهی ایجاد می کنند . سیاهچاله ها عموما" گازهای میان ستاره را حریصانه قورت می دهند . فضا از وجود این اجرام متلاطم است و هم چنین زمان از جود آنها فشرده می شود تا اینکه متوقف شود . چون نور نمی تواند از افق رویداد سیاهچاله عبور کند ما آن مکان را لبه جهان فرض می کنیم

شاید در آن سوی آن فضایی عمیق پنهان شده باشد ، شاید این فضا آن حد بزرگ باشد که برای انسان قابل تصور نباشد . انسان از گذشته می دانسته که زمین کروی بوده و به عبارت بهتر مسطح نبوده و در واقع خمیده می باشد ، به عبارت دیگر کره ای است که لبه ندارد . ما از روی آن نمی افتیم زیرا نیروی سحرآمیز گرانش هرکس و هرچیزی را محافظت می کند تا به سطح سیارات دیگر نیافتد .

پس از آنکه آلبرت اینشتن و نسبیت او پا به عرصه نهادند به این موضوع پرداخته شد که فضا خودش خمیده است. حالا ما می دانیم که سفر به دریای بیکران فضا که ما به آن جهان می گوئیم در واقع به مکانی ژرف و عمیق است و اگر مسافری بدون اطلاع به آن سفر کند ممکن است به داخلی اجرامی فوق العاده عظیم سقوط کند و زندگی را برای همیشه وداع گوید و با یک ریسک جانش را از دست بدهد . او به درونی افقی کاملا" مخفی سقوط می کند و ما هنوز به طور کامل نمی دانیم که برایش چه پیش می آید این افق وحشتناک متعلق به سیاهچاله است .

دکتر مارک دیکسون از رصدخانه ملی نجوم نوری تاکسون که در واقع خود بازرس اصلی این مشاهدات است گفت : این تصاویر اسپیتزر که جنبه مافوق عمیقی دارند دیدن اجرام را در فضا و زمان کاملا" آسان کرده است .

جاهایی که بیشتر فاصله های کهکشانی کاذب است . از این گذشته ما اجرامی را به عینه مشاهده می کنیم که عملا" نامرئی هستند . اما تلسکوپ پرتوی ایکس چاندرا و تلسکوپ فضایی هابل از پیش در مورد وجود این اجرام اشاره هایی کرده اند .

هفت جرم یافت شده توسط اسپیتزر ممکن است عضو جمعیت مفقودی از سیاهچاله های فوق سنگین باشد که فوق العاده نیرومند و نورانی هستند و در هسته کهکشان های اکتیو نزدیک ما قرار دارند . این یافته ها کاملا" با حساسیت پرتوی ایکس کشف شده اند . یعنی در واقع پرتوی ایکس عمیق ترین منابع یافته شده است . این یافته ها توسط داده های سه تلسکوپ بزرگ ناسا یعنی تلسکوپ فضایی چاندرا و تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ فضایی اسپیتزر به دست آمده اند . هریک از این رصدخانه های فضایی در طول موج خاصی به مشاهده می پردازند . چاندرا در طول موج پرتو ایکس به کاوش می پردازد و هابل در طول موج طیف مرئی کار می کند ، همچنین اسپیتزر در طول موج فروسرخ به مطالعه می پردازد . این تلسکوپ ها اطلاعات زیادی از هریک از ابزار های خود به ارمغان می آورند . همهی این تلسکوپ فاصله ای بیش از 13 میلیارد سال نوری را در جهان رؤیت کرده اند . همه ی آنها تکه ای از آسمان جنوبی که بیشتر از 10000 کهکشان دارد را در طرحی هماهنگ مورد بررسی قرار داده اند . این پروژه به طرح تلسکوپ های بزرگ پیمایش منابع عمیق که اختصارا" GOODS می خوانند معروف است.

تصاویر چاندرا بیش از 200 منبع پرتو ایکس را کشف کرده است و دانشمندان بر این باورند که آنها سیاهچاله فوق سنگین در مرکز کهکشان های جوان هستند . این اشعه ی ایکس حاصل فروافتادن گازهای میان ستاره ای بسیار داغ در سیاهچاله هستند . دوربین پیشرفته هابل به بررسی کهکشان هایی می پردازد که تقریبا" در گرداگرد آنها منابع اشعه ی ایکس سیاهچاله ای وجود دارد . هرچند که هفت منبع پرتو ایکس اسرار آمیز باقی مانده در کهکشان های نوری وجود نداشت . دکتر آنتون کوکموئر از موسسه تلسکوپ های فضایی بالتیمور گفت یافته های این منابع سه احتمال چشمگیر برای منشأشان دارد . ممکن است کهکشان های دور این سیاهچاله ها در ابری ضخیم از غبار پنهان باشند که تمام نور را جذب می کند یا اینکه ممکن از حاوی تعداد زیادی ستاره ی سرخ بسیار پیر باشند یا اینکه تعدادی فاصله ی زیادی از سیاهچاله های مشاهده شده داشته باشند ، شاید در حدود 13 میلیارد سال نوری . در مورد تمام نورشان به طول موج های بسیار بلند فروسرخ تغییر مکان می دهد البته به همراه انبساط جهان . دانشمندان مشتاقانه منتظر هستند که تصویر های اسپیتزر معماهای آنها را حل کند. زیرا اسپیتزر در طول موج فروسرخ رصد می کند و این صد برابر بلند تر از تحقیقات هابل در طول موج خود است . این امکان هم وجود دارد که اسپیتزر بتواند به طرز دیگری اجرام نامرئی را مشاهده کند . به راستی نخستین تصاویر اسپیتزر از این اجرام که در این سالها کسب شده است ، در واقع خبرچینی فروسرخ از نور ساطع شده گروه کهکشان هایی است که سیاهچاله های اطراف آن پرتو ایکس تولید می کنند .

سه کهکشان کوکموئر در پرتو فروسرخ بی اندازه قرمز و نورانی هستند . داده های اسپیتزر با تصویر های جدیدی که در طول موج فروسرخ از تلسکوپ های رصدخانه ی جنوبی اروپا گرفته شده ، نشان می دهند که کهکشان های دور این سیاهچاله ها می توانند توسط غبار تیره باشند . تعداد دیگری از این اجرام هرچند رنگ های کاملا" متفاوت دارند ، حتی بیشتر چشمگیر نیز هستند . دکتر دیکسون گفت : رنگ آنها ممکن است با فاصله های بیشتر این اجرام سازگار باشد . هشدار دیگری می گوید که ممکن است مشاهدات اسپیتزر در سال های بعد ما را در تأئید نوع دیگری از این اجرام کمک کند . تابش کهکشان های پیر در فروسرخ : دکتر هوجینگ یان از موسسه تکنولوژی واقع در کالیفرنیا گفت : در دیگر داده های یکسان اسپیتزر 17 کهکشان غیر عادی که در میدان های فوق عمیق هابل مشاهده شده اند مورد بررسی قرار می گیرد . این تکه کوچک از آسمان در منطقه ی GOODS به تازگی هدف تصویرهای نوری هابل با دوربین پیشرفته اش بوده است . تصاویر نوری میدان عمیق در مارچ 2004 انتشار یافتند که پنج برابر ضعیف تر از منطقه ی GOODS هابل بودند . با این وجود اسپیتزر دو تا از هفده تا را برگزید که در نور مرئی کاملا" نامرئی بودند . در صورتی که بقیه کمی مشخص هستند . یان کهکشان هایی را جستجو می کند که دائما" در طول موج های بلند نورانی اند و به نظر می آید که از خویشاوندان خویش فاصله بیشتری دارند بنابراین ما آنها را اجرام بی اندازه سرخ می خوانیم . این تشخیص های جدید اسپیتزر از این اجرام فاصله های کاذب دورتری را در زمان نمایان می سازد زمانی که جهان تنها دو میلیارد سال سن داشت . یان گفت : این اجرام می توانند باقیمانده نخستین ستارگان باشند که در نخستین فرم کهکشان ها پای به صحنه گذاشتند . بیشتر کهکشان هایی که ما امروز مشاهده می کنیم ستاره هایشان به تدریج دوره زمانی طولانی را گذرانده اند . اما این هفده جرم به نظر می آید که شاید متعلق به قبل از زمان باشند و یا اینکه تقریبا" هم سن جهان باشند . یان گفت : شاید اگر ما آنها را به صورت مستقیم می دیدیم به این موضوع می رسیدیم که فرزند نخستین ستاره ها هستند . مشاهدات عمیق تر اسپیتزر در طول موج های بلند تر که طرح سال های بعد آن است تصمیم دارد تا بداند که آیا این اجرام قرمز هستند زیرا که پیر هستند و یا اینکه قرمز هستند زیرا نوع جدیدی از ستاره های اکتیو اند که در غبار مفقود شده اند . سیاهچاله ها در اختفا : با استفاده از داده های هابل و چاندرا تیم مگ آری پیشنهاد می کند که تجمع سیاهچاله های مخفی در طول موج مرئی حتی در نزدیک ترین جای جهان است . این سیاهچاله های مخفی تا مدتی قبل در فاصله های دور برخلاف تئوری های مشاهده جستجو می شدند . آنها گم بودند زیرا داده های پرتوی مرئی تیره و تار است درست شبیه کهکشان های معمولی و کم نور . آری گفت : با داده های جدید اسپیتزر در این زمینه اجرام فاصله دار به راحتی مرئی هستند . حساسیت زیاد دوربین فروسرخ اسپیتزر آن را چاندرا ملحق می کند . این بدان معنا است که حالا جستجوی همه ی سیاهچاله هایی که توسط بلعیدن گاز انرژی خود را به دست می آورند ممکن است . تیم آری به توسط رصدخانه به شمارش سیاهچال های فوق سنگینی می پردازد که در دو تا پنج میلیارد سال بعد از بیگ بنگ پدید آمدند . بیشتر این هسته های فعال کهکشانی در غبار پنهان هستند که در واقع نور و کمی پرتو ایکس را جذب کرده و در عوض مقداری پرتو فروسرخ پرقدرت ساطع می کنند . اسپیتزر به تحقیق در منطقه ی GOODS پرداخته جایی که شاید سه چهارم هسته ی کهکشان های به راستی تیره و تار بوده است .

در نسبیت فضا-زمان کمیتی پیوسته است که با نگرش گسستگی مکانیک کوانتوم نامانوس است. بهمین دلیل تلاش زیادی برای سازگار کردن این دو نظریه بزرگ فیزیک مدرن انجام شده و نظریه های متفاوتی از جمله نظریه ریسمانها مطرح شده تا نسبیت و مکانیک کوانتوم را با یکدیگر ترکیب کند. شالوده ی اینگونه نظریه ها بر اساس کوانتومی بودن گرانش شکل گرفته اند. از جمله این نظریه ها، نظریه سی.پی.اچ. است که گرانش را کوانتومی در نظر گرفته است. در اینجا تلاش می شود بوسیله یک رابطه کمی یک کوانتوم گرانش را تعریف کنم:

می دانیم که

dp/dt=F

این تعریف قبول دارد که جرم قابل تغییر است چون

d(mv)/dt= (v.dm/dt)+(m.dv/dt) (1)

که در حالت خاص یا در سرعتهای پایین(نسبت به سرعت نور) بصورت کلاسیکی

F=ma

تبدیل می شود. حال اجازه دهید رابطه ی

d(mv)/dt= (v.dm/dt)+(m.dv/dt)

را با نگرش کوانتومی مورد توجه قرار دهیم. کمترین زمان قابل تصور، زمان پلانک است برابر با

T_planck=5.39x10^-44 sec

حال در رابطه ی (1) فرض کنیم

dt=T_planck

که آن را با

T_p

نشان می دهیم. از طرفی در مکانیک کوانتوم اندازه حرکت کوانتیده است و تغییرات آن را نیز کوانتومی در نظر می گیریم. پس

dp

یعنی یک کوانتوم اندازه حرکت که آنرا با

p_q

نشان می دهیم. و اگر یک کوانتوم نیروی گرانشی را نیز با

F_g

نشان دهیم، برای تعریف یک کوانتوم گرانش یا همان گراویتون خواهیم داشت:

F_g.T_p=p_q

و بدین وسیله می توان یک کوانتوم گرانش که همان گراویتون می باشد را تعریف کرد.

اين به معنا است ؟

دوگانگي تي چيزي منحصر به فرد در فيزيك ريسمان ها است ، آن چيزي است كه از عهده ي ذرات خارج است و قادر به انجام آن نيستند ، زيرا يك ذره نمي تواند همانند يك ريسمان گرداگرد يك دايره خميده شود . اگر واقعا" تئوري ريسمان نظريه ي درستي در طبيعت است بايد بر سطح هاي عميق نيز دلالت كند . مقياس هاي فاصله اي كوچك در فيزيك به صورت مستقل اصلاح نشده اند ، اما همانند يك سيال است كه وابسته به تحقيق ما و استفاده از اندازه ها است ، اين ها است كه حالت تحقيق را مشخص مي سارد .

در قسمت ديگر كه دوگانگي اس است به ما مي آموزد كه حد نيروي پيوندي در ريسمان ها مي تواند در حدهاي ضعيف براي ريسمان هاي مختلف محاسبه شود . اما اين نتيجه اي عاقلانه براي مكانيك كوانتوم گرانشي است ؛ زيرا همانطور كه مي دانيم در تئوري آلبرت اينشتن آمده است اجرام با بزرگي زياد بروي فضا – زمان اطراف خود تأثير مي گذارند و آن را خميده مي كنند .

اين مقاله اي مختصر در زمينه ي نظريه ي ريسمان بود ، زيرا همانطور كه مي دانيم تئوري ريسمان پيچيده است و جابراي بحث در آن باقي است و مي توانيم چندين ده صفحه آن را به تفسير گذاريم . انشا الله به ياري خداوند وتعال ، سعي داريم كه در مقالاتي ديگر ، مباحث گفته نشده ي تئوري ريسمان را هر چند مختصر توضيح دهيم .

ريسمان ها و پيوند ضعيف

ثابت اتصال و پيوند چيست ؟

اين يكي از اعدادي است كه در مورد چگونگي نيرو و كنش متقابل سخن مي گويد . براي مثال : ثابت نيوتن ثابت پيوند براي نيروي گرانش است . اگر ميزان ثابت كنوني نيوتن دوبرابر بود سپس ما گرانش را در سطح زمين دو برابر احساس مي كرديم و همچنين از زمين گرانش ماه و خورشيد نيز دو برابر احساس مي شد و غيره . يك ثابت پيوندي بزرگتر بدان معنا است كه آن نيرو قوي تر است و ثابت پيوندي ضعيف تر بدان معنا است كه نيروي مورد نظر ضعيف تر است .

هر نيرويي داراي ثابت پيوندي است . براي مثال در نيروي الكترومغناطيسي ثابت پيوندي با مربع با الكتريكي متناسب است . زماني كه فيزيكدان ها رفتار كوانتوم هاي الكترومغناطيسي را مورد مطالعه قرار دادند ، آنها كاملا" قادر نبودند تا تمام تئوري ها را حل كنند . بنابراين مقداري از قوانين روبه روي خود را مي شكستند تا به توانند معادلات را حل كنند و هر جايي كه شكسته مي شد راه را براي حل موضوعات بعدي و ثابت هاي پيوندي باز مي كرد . در انرژي هاي عادي در الكترو مغناطيس ثابت پيوند كوچك است و بنابراين اولين قسمت اندكي شكسته شده تقريب خوبي براي پاسخ واقعي بود . اما اگر ثابت پيوند زياد باشد متودهاي محاسبه نيز زير پا گذاشته مي شود و قسمت هاي كوچك نيز بي ارزش مي شوند . اين موضوع در تئوري ريسمان نيز قابل رخ دادن است . تئوري هاي ريسمان داراي ثابت پيوندي هستند . اما با تئوري ذرات تفاوت دارد . در تئوري ريسمان ثابت تنها يك عدد نيست و به نوع نوسان ريسمان وابسته است كه آن را كندي مي خوانند . مبادله ميدان كندي از تبادل ثابت هاي پيوندي بسيار بزرگ ياكوچك كم مي شود .

اين تقارن دوگانگي اس S – duality خوانده مي شود . اگر دو تئوري ريسمان توسط دوگانگي اس به هم وابسته باشند در اين صورت ثابت پيوندي يكي ضعيف خواهد بود ديگر در مقابله با آن ثابت پيوندي قوي خواهد داشت . بايد توجه داشت كه تئوري با نيروي پيوندي نمي تواند مفهومي از بسط آن در سري هاي ديگر باشد . و اما تئوري با نيروي پيوندي ضعيف اين امكان را دارد . بنابراين اگر دو تئوري در دوگانگي اس به هم وابسته اند ما بايد تئوري ضعيف را درك كنيم و اگر در فهم اين موضوع كاملا" موفق باشيم مي توان گفت كه تئوري ريسمان را كاملا" فهميده ايد . اين در واقع ضرب المثلي در بين فيزيكدان ها است .

تئوري هاي ابرريسمان وابسته به دوگانگي اس عبارتند از : نوع I با تئوري ابر ريسمان (heterotic SO(32) ) و تئوري ابر ريسمان IIB با خودش .

فاصله هاي كم و زياد

تقارن دوگانه كه استعداد هاي پيچيده و مبهمي براي تشخيص مقياس فاصله هاي زياد و كم مي خواهد دو گانگي تي T – duality خوانده مي شود . و از حدود ابعاد اضافه در تئوري ابر ريسمان كه حدود شش تا است مي آيد .

فرض كنيد ما در فضا – زمان 10 بعدي هستيم كه بدين معنا است كه 9 بعدي فضايي و يك بعد زماني دارد . گرفتن يكي از اين نه بعد فضايي دايره اي به شعاع R مي سازد . كه در جهت براي فاصله L=2p R گرفته مي شود . شما در دور اين دايره حركت مي كنيد و به جايي كه از آنجا حركت خود را آغاز كرده ايد باز مي گرديد .

يك ذره كه دور اين دايره به سفر مي پردازد داراي مقدار حركتي خواهد بود كه گرداگرد اين دايره است كه به مجموع انؤزي ذره كمك مي كند . اما موضوع در رابطه با يك ريسمان كاملا" تفاوت دارد . زيرا در سفر ، ريسمان مي تواند دور دايره را خميده كند . عدد زماني پيچيدن اين ريسمان به دور دايره عدد پيچ در پيچ خوانده مي شود .

حال مورد عجيب در مورد تئوري ريسمان اين است كه اين مقدار و اين نوع پيچش مي تواند تعويض شود . ما ميزان اين طول را با تغيير شعاع دايره با مقدار

L(st)^2/R

تغيير مي دهيم ، در حالي كه Lst طول ريسمان است . اگر R از طول ريمان خيلي كوچكتر باشد سپس مقدار

L(st)^2/R

بسيار بزرگ خواهد شد ؛ بنابراين مقدار مبادله و نوع پيچش ريسمان تبادل يك مقياس فاصله اي بزرگ با يك مقياس فاصله اي زياد است .

اين نوع از دوگانگي دوگانگي تي T – duality خوانده مي شود . دوگانگي تي به تئوري هاي ابرريسمان نوع هاي IIA و IIB است . اين بدان معنا است كه اگر اين دو تئوري در روي يك دايره فشرده شوند ، سويچ مقدار و نوع پيچش و سويچ مقياس فاصله اي با تأثير دو تئوري بروي يكديگر تغيير مي كند .

بنابراين دوگانگي تي در مقياس هاي مختلف داراي تفاوت است . مثلا" در مقياس هاي فاصله اي بسيار بزرگ براي مقدار كم در ريسمان ها است و نوع پيچش براي ريسمان با مقياس هاي بسيار كوچك . حال همه ي اين گفته تفسير جالبي از اين است كه فيزيك چگونه بعد از كپلر و نيوتون در جريان بوده و توسعه يافته است .

بنابراين گرانش از كجا مي آيد ؟

اگر ريسمان ها در فضا – زماني كه توسط ريسمان هاي ديگر محصور است سفر كنند ، سپس طيف نوسان يك ذره با 2 اسپين و جرم صفر را شامل مي شود ، در اين صورت ذره گراويتون خواهد بود كه حامل نيروي گرانشي است .

جايي كه گراويتون وجود دارد بايد گرانش نيز وجود داشته باشد . گرانش در كجاي تئوري ريسمان جاي دارد ؟

ريسمان ها و هندسه فضا – زمان

تئوري كلاسيك از هندسه فضا زمان كه ما به آن گرانش مي گوئيم به معادلات آلبرت اينشتن دانشمند بزرگ آلماني الاصل بستگي دارد كه در آن خميدگي فضا – زمان به توزيع ماده و انرژي در آن بستگي دارد . اما معادلات اينشتين در تئوري ريسمان چگونه مطرح شده اند ؟

اگر يك ريسمان در فضا – زمان خميده به سفر بپردازد ، سپس ريسمان هم با اين خميدگي متناسب مي شود همچون يك ريسمان تكثير يافته . و اين سازگار با مكانيك كوانتوم و معدلات اينشتين در مورد خميده شدن فضا – زمان است . حال اين امري واقعي است ! اين نتيجه اي متقاعد كنند براي مطرح كنندگان تئوري ريسمان بود . تنهاذ تئوري ريسمان از فيزيك فضا – زمان خميده گرانش را پيش بيني نمي كند ، اما مي گويد كه معادلات اينشتن از فضا – زمان خميده در تكثير ريسمان ها اطاعت مي كنند .

آيا فضا – زمان بنيادي است ؟

رابطه ي پيچيده اي بين تئوري ريسمان و فضا – زمان وجود دارد . تئوري ريسمان از اين معادلات اينشتين به طور كامل اطاعت نمي كند . در تئوري ريسمان سري هاي زيادي براي اصلاح تئوري گرانش وجود دارد . در شرايط پائين تر از نرمال اگر ما فقط به مقياس بزرگتر از ريسمان ها نگاه كنيم اين فواصل قابل ملاحضه نيست . اما اگر مقياس فاصله اي كم باشد اين اصلاح ها بزرگتر مي شوند تا از معادلات اينشتين براي توصيف نتيجه بزرگتر نشوند .

در حقيقت زماني كه سطح اين اصلاحات بزرگتر شود هندسه فضا – زماني براي تضمين توصيف نتيجه وجود ندارد . در واقع معادلات براي محاسبه ي فضا – زمان غير ممكن مي شود . اما چيزي كه در اين تئوري در فاصله هاي زياد نمايان گر مي شود پيوندي ضعيف است . اين عقيده اي با درگيري هاي بزرگ فلسفي است .

ريسمان ها و گرانش

اگر تئوري ريسمان همان تئوري گرانش است چظور مي توانيم را با تئوري گرانش اينشتين مقايسه كنيم ؛ چه رابطه اي بين هندسه ي فضا – زمان و تئوري ريسمان وجود دارد .

ساده ترين نوع براي تصور سفر يك ريسمان در فضا – زمان تخت d بعدي ، به معناي سفر از يك سوي فضا به سوي ديگر آن است در صورتي كه صداي تيك تيك زمان به گوش مي رسد . يك ريسمان يك جسم يك بعدي است ، اين بدان معنا است كه اگر تو بخواهي در طول يك ريسمان سفر كني فقط مي تواني به جلو و عقب روي و اين امكان وجود ندارد كه به يك سو يا بالا و يا پائين بروي . يك ريسمان مي تواند به يك سو مثلا" بالا و پائين در فضا – زمان حركت كند . اگر چه يك ريسمان همچنين مي تواند گردادگرد فضا – زمان حركت كند . آنها در يك سطح از فضا زمان كشيده مي شوند و همانند جارويي عمل مي كنند كه به آن ريسمان ورد شيت ( كلمه ي ورد شيت يك واژه ي انگليسي است كه به صورت worldsheet است اين كلمه معادلي صريحي در فارسي ندارد ولي اگر بخواهيم معادلي براي آن بيابيم مي توانيم بگوئيم صفحه يا ورقه جهاني ) كه در واقع دو بعد از سطح و يك بعد از فضا و يك بعد از زمان است .

ريسمان ورد شيت يك كليد براي تمام فيزيك ريسمان ها است . يك ريسمان نوسان مي كند و از ميان چهار بعد فضا – زمان سفر مي كند . اين نوسان ها مي توانند در دو بعد ريسمان ورد شيت نمايان گر شوند كه همچون منظره ي اين نوسان ها در دو بعد در تئوري كوانتوم گرانشي است . در واقع بايد اين نوسان هاي ايجاد شده با مكانيك كوانتوم و تئوري نسبيت خاص هماهنگ باشند . تعداد ابعاد فضا – زماني در تئوري ريسمان براي نيروها كه همان تئوري بوزونيك است به 26 تا محدود مي شود و 10 بهد از آن در تئوري بوزونيك ، فرميونيك كه همان ابر ريسمان است مشترك است .