المپياد جهاني فيزيك
 پيوندهاي المپياد فيزيك
 
 نظريه‌ي ريسمان (زنگ تفريح شماره‌ي 66)
نظريه‌ي ريسمان (زنگ تفريح شماره‌ي 66)زنگ تفريح فيزيك
نظريه‌‌ي وحدت از ابتدا تاكنون

نظريه‌ي ريسمان 
نيوتن تا آينشتاين و فيزيك قرن 21








چكيده
اهداف آموزشي
  اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي – دانش
    - «دانش امور جزوي» > «دانش امور اصطلاح»
    - «دانش امور جزوي» > «دانش واقعيت‌هاي مشخص 
  اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي - توانايي‌ها و مهارت‌هاي ذهني
    
- «فهميدن» > «ترجمه» > «درون‌يابي»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تفسير»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تحليل» > تحليل عناصر
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تركيب»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «درون‌يابي»
  اهداف آموزشي در حوزه‌ي عاطفي
    - «دريافت كردن (توجه)» > «آگاهي»
  نتايج مورد نظر 
    - آشنايي با نظريه‌ي وحدت
    - آشنايي با گرانش كوانتمي
    - تاريخچه‌ي وحدت نيروها
    
 محتواي آموزشي
    - GPS 
    - نسبيت عام
    - مكانيك كوانتم
    - اصل عدم قطعيت
    - گرانش در ابعاد كوانتمي

 

وحدت نيروها

براي فهم اساس و اهداف نظريه‌ي ريسمان، نگاهي به گذشته بسيار مفيد است. ببينيم كه چگونه فيزيك از زمان نيوتن تا به امروز پيشرفت كرده است. يك عقيده از دوران نيوتن تا الان همچنان به قوت خود باقي مانده است: وحدت نيروها؛ تلاش براي توضيح روشن پديده هاي مختلف با يك مفهوم واحد ممكن است اولين مثالي باشد كه خود «نيوتن» به سال 1686 در كتاب «اصول» آورده است: توصيف حركت سيارات در منظومه‌ي شمسي، حركت ماه به دور زمين و نيرويي كه ما را بر روي زمين نگه داشته است. همگي يك ريشه دارند: گرانش. ما امروز آن را كاملا درست مي دانيم در حالي فيزيك پيش از نيوتن رابطه‌ي بين سقوط يك سيب و مدار ماه را كاملا شگفت و دور از واقعيت مي‌دانست.

حدود 180 سال بعد از نيوتن كليد بعدي وحدت توسط رياضي- فيزيكدان اسكاتلندي «جيمز كلرك ماكسول» به تبع رسيد. او نشان داد كه الكتروستاتيك و مغناطيس در نگاه اول شايد به هم ريطي نداشته باشند! ولي هردو صرفا جنبه هاي متفاوتي از يك قانون و واقعيت فيزيكي به نام الكترومغناطيس هستند. «ماكسول» طي كشف اين يكي از جنبه‌هاي امواج الكترومغناطيس،‌يعني موجي بودن نور جنبه‌ي ديگر را نيز بدون آن‌كه خود بداند توضيح داده بود.



 

200 سال بعد به سال 1984، «عبدالسلام» (پاكستان) و «استيون واينبرگ» (آمريكا) و «گلاشو» (آمريكا) نشان دادند (در عكس‌ها به ترتيب از چپ به راست) كه نيروي الكترومغناطيس و هسته‌اي ضعيف كه باعث واپاشي راديواكتيو مي‌شوند،‌ هردو به يك دقيقاً صورت‌هاي متفاوتي از يك نيروي واحد هستند كه امروز آن را «الكتروضعيف» مي‌ناميم. اين مسأله ما را به‌سوي 3 نيروي بنيادي طبيعت رهنمون مي‌سازد: گرانش‌، الكتروضعيف و هسته‌اي قوي (كه نيرو‌هاي درون هسته يعني پروتون‌ها را نشان مي‌دهد).






وحدت ماده

درباره‌ي نيروها گفتيم ولي درباره‌ي ماده و ارتباطش با اين نيروها چه مي توانيم بگوييم؟ بسياري از باورهاي باستاني براين بودند كه ماده و حقيقت آن از تعداد محدودي عنصر ساخته شده است (براي مثال مشهورترين دسته بندي ارسطويي است: آب، خاك، هوا و آتش). فيزيك نوين اين عقيده را تصديق مي‌كند. منتهي نه با موادي كه «ارسطو» نام مي‌برد. آزمايش‌هاي انجام شده در شتاب‌دهنده‌هاي ذرات در «سرن» نشان داده شده است كه 12 عنصر ساختار پايه‌ي ماده را تشكيل مي‌دهند. اين‌ها را به عنوان ذرات بنيادي مي‌شناسيم. هر آن چيزي كه ما در هر آزمايشي بخواهيم ببينيم همان ماده‌اي است كه در اين‌جا يا ستارگان دوردست، ماده از آن تشكيل شده است. با 3 نيرو و 12 عنصر بنيادي شناخته شده‌، مي توان همه‌ي عالم،‌ و ماده و ديناميك آن را توضيح داد. اين خود جالب است ولي ما دو داريم كار بهتر و اساسي‌تري در وحدت اين 3 نيرو انجام دهيم.

 

روند پيشرفت انرژي‌‌ها در طول زمان از انفجار بزرگ تاكنون. با گذشت

زمان انرژي عالم به دليل تورم آن كاهش مي‌يابد، و در نتيجه ذرات

بنيادي و سپس مولكول‌ها مواد سنگين شكل مي‌گيرند. گرانش در همان

زمان اوليه‌ از بقيه‌ي نيروها جدا مي‌شود؛‌ اين در حالي است كه هسته‌اي

قوي و ضعيف و الكترومغناطيس كمي بعد (نسبت به سن عالم) از يكديگر

جدا مي‌شوند.  

 

به همين دليل نظريه‌‌ي ريسمان شكل مي‌گيرد. تلاشي براي وحدت كامل‌تر. براي فهم بهتر آن مجبوريم داستان ديگري تعريف كنيم.

 

گرانش كوانتمي
در فيزيك قرن 20 دو پيشرفت غيرمنتظره انجام مي‌شود: نظريه‌ي «نسبيت عام» آينشتاين و مكانيك كوانتمي.

نسبيت عام يك وحدت را درون خود جواب داده است: فضا و زمان كه شكل‌هاي مختلف يك چيز هستند (فضا- زمان)‌. اجسام بزرگ هم‌چون ستارگان و سيارات مي‌توانند فضا- زمان را منحرف كنند. و گرانشي كه ما توصيف مي‌كنيم به عنوان يك نيروي كشنده يا جاذب در واقع اثر اين خمش است. درست مانند يك توپ كه بر روي پارچه‌اي فرورفتگي ايجاد خواهد كرد. بنابراين يك جسم بزرگ مثل يك ستاره يا سياره فضا را خم مي‌كند و باعث مي‌شود اجسام نزديك جذب آن شوند.

پيش‌بيني‌هايي كه توسط نسبيت عام انجام مي‌شوند، به طور قابل ملاحظه‌اي دقيق هستند. در حقيقت ما نسبيت عام را بدون اين‌كه مطلع باشيم مي‌آزماييم: GPS كه امروزه راه اصلي مكان يابي و نقشه برداري مداري از زمين است، با خطايي حدود 5 متر در سال كار مي‌كنند؛‌ در حالي كه اگر نسبيت درست يا دقيق نبود اين خطا به 50 متر در روز مي رسيد.




پيشرفت غيرمنتظره‌ي ديگر در قرن 20 كوانتم بود. هسته‌ي اصلي اين نظريه آماري و تصادفي بودن جهان در ابعاد ريز را نشان مي‌دهد. شايد «اصل عدم قطعيت هايزنبرگ» معروف‌ترين مثال باشد. اين اصل بيان مي‌كند كه وقتي يك ذره‌ي متحرك را مي‌بينيد (مثلا گردش يك الكترون كه دور هسته در اتم)، نمي‌توانيد موقعيت و تكانه‌ي آن را همزمان با دقتي برابر به‌دست آوريد (چند شماره‌ي آينده به اصل عدم قطعيت باز مي‌گرديم).



ورنر هايزنبرگ در حين تدريس «روش‌هاي رياضي در فيزيك»

 


شايد بتوانيد مكان يك جسم را در مقياس كوچك با دقتي بسيار به‌دست آوريد. ولي يقيناً دقت تكانه‌ي آن به همين ميزان كاهش مي‌يابد. ولي منظور اين نيست كه چيز زيادي از تكانه نمي‌دانيد؛‌ در اين صورت دستگاه اندازه‌گيري شما نادرست عمل مي‌كند. در آن موقعيتي كه اندازه‌گيري مي‌كنيد، واقعاً تكانه مقدار معيني ندارد ولي مي‌توان مقادير فوق را كه تكانه مي‌تواند بگيرد با احتمال دقيقي به‌دست آورد. به ‌طور خلاصه با احتمال سرو كار داريم. اين احتمال وقتي ظاهر مي‌شود كه ما ذرات را در ابعاد كوچك نگاه مي‌كنيم. هرچه وارد ابعاد كوچك‌تر بشويم، از ديد دستگاه اندازه‌گيري رويدادهاي تصادفي يا احتمالاتي بيش‌تري اتفاق مي‌افتد.

اين‌كه احتمال يكي از بنيادي‌ترين رفتارهاي طبيعت است،‌ ديدگاهي انقلابي است. قبلاً فيزيكدانان بر آن بودند كه چنين نيست و همه چيز به طور مطلق قابل اندازه‌گيري است. ولي در مكانيك كوانتمي به اين نتيجه رسيديم كه احتمال نقش اساسي در اندازه‌گيري‌ها بازي مي كند. امروزه مي‌دانيم كه رفتار ماده به ابعاد آن (اندازه) بستگي دارد. پس در مقياس‌هاي كوچك احتمال بر عالم حكم‌فرماست.


 

در مقياس كوچك چه اتفاقي برا ي فضا – زمان مي‌افتد؟

نظريه‌ي موفق كوانتم در آزمايش‌هاي متعددي آزموده شده: ليزر، ميكروچيپ‌ها، تلفن همراه و MP3 و تمامي ابزار الكترونيكي مشابه اين‌ها.

ولي اگر ما نسبيت را با كوانتم تركيب كنيم چه اتفاقي مي‌افتد؟ اولين بار پل ديراك نسبيت خاص را وارد نظريه‌ي كوانتم مي‌كند. يعني ذراتي كه با سرعت نسبيتي در حركت هستند. براي اين‌كه بحث ملموس‌تر باشد از اختر فيزيك بايد مثالي بزنيم. وقتي به عالم دور و بر خود نگاه مي‌كنيم ذرات پر انرژي را مي‌بينيم كه با سرعت‌هاي بسيار زياد در حال حركت هستند. ستارگان نوتروني،‌ انفجارهاي ستاره‌اي (نواخترها)، بادهاي خورشيدي،‌ پرتوهاي كيهاني، عالم اوليه،‌ سياه‌چاله‌ها و غيره از اين دست هستند كه ذرات با سرعت‌هايي بسيار بالا در حركت بوده يا پرتاب مي‌شوند.

از ديد نسبيت، فضا - زمان چيزي است كه مي‌تواند منبسط شود و يا خميده شود. كوانتم مي‌گويد در مقياس‌هاي كوچك احتمال وجود دارد. اگر هردو را با هم در نظر بگيريم، فضا - زمان هم در ابعاد كوچك شامل احتمال مي شود. يعني انقباض و انبساط و كشش هم احتمالاتي خواهند بود. كششي كه ممكن است تا جدا شدن بخشي از فضا – زمان همراه باشد! اين را در عمل مطمئن نيستيم.

ولي فضا - زمان را داريم در ابعاد بزرگ مي‌بينيم در حالي كه كوانتم هم مانند نسبيت به‌خوبي آزموده شده! آيا ممكن است يكي از اين‌ها غلط باشند؟ آيا در جايي آن‌هم در ابعاد كوچك، فضا- زمان بر اثر كشش از خودش جدا مي‌شود؟

آنچه از ديدگاه‌هاي قبلي ما برايمان باقي مانده اين‌است كه طبيعت از بلوك‌هاي غيرقابل تقسيمي ساخته شده است. ولي اين ممكن است ضرورتاً صحيح نباشد.

 

 

 

 

 

منابع مفيد

 

1. جز‌‌ء و كُل، ورنر هايزنبرگ. در اين كتاب هايزنبرگ يكي از واضعان مكانيك كوانتمي و روش ماتريسي،‌ خاطرات خود را در دوران جنگ جهاني و بعد از آن نقل مي‌كند. بحث‌هايي كه با آينشتاين،‌ بوهر، ولفگانگ پأولي و ديگران داشته براي درك برخي مفاهيم كوانتم و درك بيش‌تر روش‌هاي علمي و ذهنيت‌هاي دانشمندان در حين كشف قوانين طبيعت بسيار جالب است.

2. نجوم ديناميكي، اريكسون. كتابي است جامع درباره ي مفاهيم پايه‌اي نجوم. اين كتاب براي مطالعه‌  و آشنايي بيش‌تر با  بحث عالم تورمي مفيد است (فصل‌هاي آخر).

3. تاريخچه‌ي زمان، استيون هاوكينگ. هر چند كتاب هاي عامه فهم را راه مناسبي براي درك مفاهيم فيزيك و كلاً علم نمي‌دانم،‌ ولي توضيحات بيش‌تري در اين كتاب آمده، كه توسط يكي بزرگان فيزيك نظري امروز نوشته شده است.  

4. سرنوشت جهان، اريك چيسون. كتابي باز هم عامه  فهم ولي زيبا و نه چندان قطور درباره‌ي كيهان‌شناسي.

5. فيزيك نوين،‌ كنت كرين،‌ دانشمند هسته‌اي كار و يكي مؤلفين بزرگ كتاب‌هاي فيزيك پايه و تخصصي. اين كتاب را براي درك علمي و نه چندان مشكل مفاهيم مذكور مطالعه كرده و البته با گرايش‌هاي ديگر فيزيك نيز تا حدودي آشنا شويد. بخصوص چند فصل اول كه از معرفي نسبيت خاص و انرژي‌ها شروع مي‌شود و در ادامه به مفاهيم كوانتم مي‌پردازد.

«پس از اتمام اين مطلب در شماره‌ي آينده فهرستي از منابع مفيد اينترنتي نيز در اختيار علاقه‌مندان قرار خواهد گرفت.» 

1387/1/5لينک مستقيم

نظر شما پس از تاييد در سايت قرار داده خواهد شد
نام :
پست الکترونيکي :
صفحه شخصي :
نظر:
تاییدانصراف
 
 المپياد فيزيك

 

     

 

 

صفحه‌ي اصلي

     

 

راهنماي سايت

     

 

 

آموزش

     

 

بانك سوال

     

 

 

مسابقه

     

 

 

زنگ تفريح

     

 

 

مصاحبه و گزارش

     

 

 

معرفي كتاب

     

 

 

مشاوره

     

 

 

پرسش‌و‌پاسخ‌علمي

     

 

اخبار

 

فعاليت‌هاي علمي

 سايت‌هاي المپياد فيزيك
 بازديدها
كاربران غيرعضو آنلاينكاربران غيرعضو آنلاين:  1578
 كاربران عضو آنلاين:  0
  کل كاربران آنلاين:  1578