نظريه هاى فيزيك به چالش كشيده مى شوند

با كشفيات اخير ماهواره اى WMAP

نظريه هاى فيزيك به چالش كشيده مى شوند

تابش هاى پراكنده شده حرارتى از اجسام به طور خلاصه «تابش جسم سياه» (Black Body Radiation) ناميده مى شود. پيش از اين، ۲ بار در جهت دهى دانش بشر از طبيعت و كيهان به كمك ما آمده بود. به تازگى به نظر مى رسد كه بررسى دوباره و دقيق طيف تابش زمينه كيهانى مى تواند يكى ديگر از راز هاى عالم را براى ما آشكار كند كه به درك عميق تر ما از كيهان مى انجامد.
• فاجعه فرابنفش
حدود ۱۲۰ سال پيش تمام جنبه هاى فيزيك كلاسيك شناخته شده بود. در قرن هفدهم «سر آيزاك نيوتون» مكانيك كلاسيك را صورت بندى كرده بود كه در قرن بعد با كارهاى گاووس، هاميلتون، لاگرانژ و ديگران قوام يافت. اوج قدرت مكانيك كلاسيك را مى توان كشف اورانوس و نپتون از روى آشفتگى هاى مدار زحل دانست كه عظمت اين شاخه از فيزيك را نشان مى دهد. در اواخر قرن نوزدهم «جيمز ماكسول» الكتروديناميك كلاسيك را به صورت امروزى آن تدوين كرد و با كارهاى گيبس و بولترمان در همان زمان ها، مكانيك آمارى به بالاترين حد توان خود در توصيف پديده ها رسيد. كار تا جايى پيش رفت كه لاپلاس رياضيدان فرانسوى در دهه هاى پايانى قرن نوزدهم ادعا كرد كه ديگر چيز مهمى براى كشف وجود ندارد و كار فيزيك تنها بهتر كردن تعريف ها است. در چنين زمانى بود كه توجه دانشمندان به يك پديده ساده جلب شده بود؛ تابش جسم سياه.
وقتى يك سوزن را روى آتش اجاق گاز مى گيريم، در اثر حرارت ابتدا به رنگ قرمز تيره درمى آيد. اين رنگ به تدريج در اثر گرم شدن، روشن تر شده و به سمت نارنجى مى رود. اگر حرارت به حد كافى زياد باشد، به رنگ آبى روشن و سرانجام سفيد درمى آيد. به اين پديده ساده روزمره تابش جسم سياه مى گويند. البته سوزن يك جسم سياه ايده آل نيست زيرا گرما را به هدر مى دهد اما مى توان با به وجود آوردن يك محفظه از جنس كربن خالص و ايجاد يك سوراخ كوچك در آن يك جسم سياه تقريباً ايده آل داشت. در حقيقت سوزن در دماى معمولى هم اين تابش را دارد اما چون فركانس آن در محدوده زيرقرمز (IR) است با چشم معمولى قابل ديدن نيست.
نكته قابل توجه در اين پديده اين بود كه وقتى انرژى درونى اين جسم سياه با روش هاى مكانيك آمارى و الكتروديناميك كلاسيك محاسبه مى شد، مقدار بى نهايت به دست مى آمد. واضح است كه انرژى درونى يك تكه سوزن گرم شده بى نهايت نيست وگرنه مى توان از آن به عنوان منبع لايزال انرژى استفاده كرد. به اين وضعيت پيش آمده در آن زمان در فيزيك، فاجعه فرابنفش مى گويند.
پس از شكست تمام طرح هاى كلاسيك براى توجيه اين پديده، يكى از بزرگ ترين دانشمندان آن زمان و بنيانگذار مكتب نوين فيزيك آلمان «ماكس پلانك» در ،۱۹۰۰ از روى طيف به دست آمده از آزمايش معادله اى براى توجيه اين پديده به دست آورد. به چنين معادلاتى كه بدون پيش فرض خاص و از روى آزمايش به دست مى آيند، «پديده شناسى» (Phenomenlogg) مى گويند اما كمتر از ۲ ماه بعد خود پلانك توانست يك توصيه علمى اما غيرمتعارف به دست آورد و با در نظر گرفتن اينكه طيف انرژى پيوسته نيست بلكه از مقادير (كوانتاها) جداگانه كه ضريبى صحيح از يك عدد ثابت (ثابت پلانك h) و فركانس است،اين پديده را توضيح دهد.
كشفيات پلانك در ابتدا مورد موافقت عموم و حتى خود پلانك قرار نگرفت اما وقتى چند سال بعد در ،۱۹۰۵ آلبرت اينشتين فيزيكدان بزرگ يهودى براى توجيه پديده فتوالكتريك (گسيل الكترون از سطح فلزى كه تحت تابش نور است) از كوانتا هاى پلانك استفاده كرد، راه براى پذيرش اين كوانتوم ها آسان تر شد. اما ربع قرن طول كشيد تا سرانجام مكانيك كوانتومى نوين توسط هايزنبرگ و شرودينگر كشف شد. كوچك بودن فوق العاده ثابت پلانك باعث مى شود كه اثرات كوانتومى در زندگى روزمره به سادگى ديده نشوند.
• مدل كيهان و تابش جسم سياه
در دهه دوم قرن بيستم وقتى مكانيك كوانتومى در حال تدوين بود، در جبهه ديگرى از فيزيك، اينشتين در حال تدوين تئورى اى براى توجيه پديده هاى گرانشى بود كه نسبيت عام نام گرفت. اين كار در ۱۹۱۶ به پايان رسيد و در كسوف ۱۹۱۹ در قطب جنوب توسط دانشمندان انگليسى، نسبت عام تاييد شد.
اينشتين با توجه به پيش فرض هاى فلسفى و ذهنى خود مى خواست مدلى از جهان را ارائه دهد كه كيهان را در حالتى ايستا نشان دهد اما فيزيكدان روسى، الكساندر فريدمان مخالف نظر اينشتين بود. وى با كمك لمارتى، رابرتسون و واكر در چارچوب نسبيت عام مدلى براى عالم طراحى كردند كه در آن جهان در حال انبساط بود اگر جهان هميشه در حال انبساط باشد. پس از يك نقطه اوليه شروع كرده است. به همين دليل اسم اين مدل را انفجار بزرگ (Big Bang) گذاشتند؛ انفجار نقطه اى كه جرم و انرژى بسيار زيادى در آن متمركز شده بود. كشفيات ادوين هابل به تاييد اين نظر كمك شايانى كرد.
جرج گاهوا (كه به اشتباه گاموف خوانده مى شود) در ۱۹۴۰ با استفاده از مكانيك كوانتومى نشان داد كه اگر مدل Big Bang درست باشد، تابش ناشى از انفجار بزرگ همانند طيف جسم سياه خواهد بود در اين صورت پس از گذشت زمان حدود ۱۵ ميليارد سال از انفجار بزرگ (كه از كشفيات نجومى به دست آمده است) دماى اين تابش به حدود ۴ كلوين رسيده است.
در سال ،۱۹۶۵ نيزياس و ويلسون دو مهندس برق جوان آزمايشگاه بل كه آنتى راديويى براى رديابى فركانس هاى راديويى فرازمينى طراحى كرده بودند، ناخواسته تابشى را كشف كردند كه در تمام جهات دنيا در حال پخش بود و دمايى در حدود ۷/۲ كلوين داشت. با اعلام اين خبر و تاييد اينكه، اين همان تابش جسم سياه باقى مانده از انفجار آغازين است كه تقريباً هيچ شكى در درستى نظريه Big Bang وجود ندارد اين بار نيز تابش جسم سياه به كمك آمد تا درك ما از طبيعت را بيشتر كند.
• تابش زمينه كيهانى
طيف تابش جسم سياه ناشى از انفجار اوليه، به طور خاص «تابش ميكروموج زمينه كيهانى» (CMB) ناميده مى شود. تلاش براى شناخت بهتر اين طيف همچنان ادامه دارد. در نوامبر ،۱۹۸۹ ناسا ماهواره اى به نام «كاوشگر تابش زمينه» با نام اختصارى COBE به فضا فرستاد كه وظيفه آن ثبت دقيق اين تابش بود. فعاليت هاى COBE بسيار درخشان بودند. عمر دقيق ۷/۱۳ ميليارد سال براى كيهان به دست آمد. همچنين دماى تابش زمينه را ۷۲۵/۲ كلوين نشان داد. COBE نقشه اى از شدت تابش زمينه تهيه كرد كه تا حدودى عجيب به نظر مى رسيد.
• همگنى فضا
توصيف طبيعت براساس تقارن هاى موجود در آن انجام مى گيرد. يكى از اين تقارن ها همگنى فضا است كه منجر به اصل پايستگى اندازه حركت خطى مى شود. به نظر مى رسد كه بعد از انفجار بزرگ، جرم و انرژى به طور همگن در تمام فضا پخش شده اند. البته واضح است كه كاملاً اين طور نيست يعنى جايى مثل مركز ستارگان يا حتى سطح زمين، بسيار چگال تر از فضاى بين كهكشان ها است كه عملاً خالى است. اما اگر در مقياس بزرگ به جهان نگاه كنيم، آنگاه مى توان با تقريب خوبى، جهان را همگن فرض كرد. البته آشفتگى هاى كوانتومى در لحظات اوليه پس از Big Bang باعث تشكيل ستارگان و كهكشان ها شده است. اين آشفتگى هاى كوانتومى كه از روى طيف تابش زمينه توسط COBE ضبط شده بود، به دست آمد. اما چيز عجيبى كه توجه همه را جلب كرد اين بود كه پس از حذف اثرات ناشى از حركت زمين و منظومه شمسى و كهكشان راه شيرى، باز هم به نظر مى رسيد كه فركانس ماكزيمم شدت تابش، در يك جهت خاص با بقيه جهات متفاوت است. به عبارت بهتر يك جهت ارجحى مى توان در فضا داشت و دستگاه لختى كه در اين جهت حركت كند بر بقيه دستگاه هاى لخت مرجح است. چنين چيزى، تمام شالوده تئورى نسبيت خاص اينشتين كه پيش از اين بارها در شتاب دهنده ها و ذرات كيهانى تاييد شده بود را زير سئوال مى برد.
• كشفيات اخير
پس از نتيجه عجيب COBE، عده اى از كيهان شناسان اين نتيجه را به خطاى آزمايش و ايراد دستگاه مربوط دانستند. ناسا ماهواره اى جديد و به روز به نام (Wilkinson Microwave Anistropy probe) WMAP را در ژوئن ۲۰۰۱ به فضا فرستاد تا با دقت بيشترى اين قضيه را تحقيق كند. برخلاف COBE كه ماهواره اى زمين گرد بود، WMAP به دور خورشيد مى چرخيد. اين ماهواره در فوريه ۲۰۰۳ به مدار خود رسيد و WMAP هم كمك شايانى به علم كرد و مى كند. نتايج يك سال اخير دريافتى توسط آن نشان مى دهد كه جهان از ۴ درصد جرم و انرژى معمولى شناخته شده و ۲۳ درصد جرم نامعلوم (تاريك) و ۷۳ درصد انرژى نامعلوم (تاريك) تشكيل شده است.
اما در هفته گذشته ۲ اخترشناس آمريكايى «ديويد لارسن» و «بنيامين ونولت» از دانشگاه ايلينويز كه در حال بررسى داده هاى يك سال اول مخابره شده توسط WMAP بودند، ادعا كردند كه تفاوت هاى مشاهده شده در توزيع گاووسى ماده و انرژى در طيف تابش زمينه نشان از تاييد ادعاى COBE مى كند. چنين ادعايى بسيار تكان دهنده است. بنابراين پژوهشگران در گام اول، آن را به خطاى آزمايش و نقص در دستگاه مربوط مى كنند. اما اگر واقعاً طبيعت چهره اى جديد از خود به نمايش گذاشته باشد، هيچ كدام از قوى ترين تئورى هاى علمى در حال حاضر قادر به توضيح آن نخواهند بود. آنگاه بايد باز هم مثل سال هاى نخستين قرن بيستم منتظر باشيم تا تئورى جديدى ساخته شود و درك ما را از دنيا باز هم بيشتر از قبل كند. اين بار نيز «طيف جسم سياه» به كمك ما آمده است.
مهدى صارمى فر
روزنامه شرق