فیزیک برای زندگی

نظریه نسبیت خاص اینشتین سرعت نور را ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه تعیین کرده‌است، اما اکنون گروهی از دانشمندان جسور درجستجوی این احتمال هستند که شاید این محدودیت سرعت کیهانی قابل تغییر باشد. براساس گزارش لایو‌ساینس،‌ سرعت نور سرعتی ثابت است،‌ دست کم در تمامی کتابها و متون علمی اینگونه نوشته‌ شده‌است. اما تعدادی از دانشمندان درحال بررسی این احتمال هستند که این ثابت، قابل تغییر است و این تغییر تحت تاثیر طبیعت خلاء در فضا رخ می‌دهد.

مفهوم سرعت نور، که شتابی ثابت را طی زمان برای نور در نظر می‌گیرد، در زمینه‌های مختلفی از قبیل کیهان‌شناسی و نجوم مفاهیم گسترده‌تری دارد. برای مثال درزمان محاسبه ثابت ریز‌ساختار یا همان آلفا، که قدرت نیروی الکترومغناطیسی را تعریف می‌کند، سرعت نور افزایش پیدا می‌کند. نوسان سرعت نور می‌تواند قدرت پیوند‌های مولکولی را تغییر دهد.

سرعت نور ناثابت می‌تواند به این معنی باشد که تخمین‌هایی که از ابعاد جهان برآورد شده‌،‌ نادرست هستند و البته نمی‌تواند به این معنی باشد که انسان قادر است با سرعتی بالاتر از نور سفر کند. دو مقاله جدیدی که در مجله European Physics منتشر شده‌اند، تلاش دارند از ویژگی‌های کوانتومی فضا به سرعت نور برسند. در این دو مقاله تکنیک‌های متفاوتی برای محاسبه سرعت نور استفاده شده،‌ اما ایده اصلی آنها احتمال تغییر کردن سرعت نور تحت تاثیر نحوه تعامل ذرات بنیادین با تشعشعات کیهانی است. در این مقاله‌ها فضا، خالی درنظر گرفته نشده‌است،‌بلکه مملو از ترکیبی از ذرات مجازی درنظر گرفته شده که در کسری از ثانیه به‌وجود آمده و نابود می‌شوند.

در مقاله اول که توسط محققان دانشگاه پاریس ارائه شده، این ذرات بنیادین مجازی ذراتی مانند کوارک‌ها درنظر گرفته‌ شده‌اند،‌ذراتی که همواره با نسخه ضد‌ماده‌ای خود جفت می‌شوند و در نتیجه به سرعت ایجاد شده و پس از برخورد با ضد‌ماده خود نابود می‌شوند. به گفته محققان فوتون‌های نوری توسط این ذرات جذب شده و بازتابیده می‌شوند که انرژی این ذرات و بار الکتریکی آنها می‌تواند برروی سرعت نور اثرگذار باشد، حتی اگر این اثر کمتر از ۰٫۰۵ فمتوثانیه باشد، فمتو‌ثانیه برابر یک میلیونیوم از یک میلیاردوم ثانیه است.

در مقاله دوم که توسط موسسه ماکس‌پلانک ارائه شده،‌تعداد ذرات مجازی بنیادین عامل تغییر در سرعت نور اعلام شده‌اند. در این مطالعه تعداد این ذرات که از بار الکتریکی نیز برخوردارند ۱۰۰ گونه اعلام شده‌است،‌ درحالی که در مدل استاندارد این ذرات ۹ گونه شناسایی شده‌اند. بار این ذرات متناسب با میزان بار، منجر به ایجاد مقاومت امپدانس،‌ نوعی مقاومت در برابر جریان الکتریکی،‌ می‌شود. مقاومت امپدانس نیز خود به میزان گذر‌دهی خلاء یا میزان مقاومت خلاء در برابر میدان‌های الکتریکی و میزان نفوذ میدان‌های مغناطیسی در آن بستگی دارد. از آنجایی که امواج نوری ترکیبی از امواج الکتریکی و مغناطیسی هستند،‌تغییر در میزان این امواج می‌تواند سرعت نور را دچار نوسان کند. برخی از دانشمندان تکنیک‌های محاسباتی استفاده‌شده در این دو مقاله را زیر سوال برده‌اند و براین باورند از تکنیک‌های نامتناسبی برای انجام محاسبات در این دو مقاله استفاده‌شده است. همجنین تعداد ذرات بنیادین مجازی که در مقاله دوم از آنها یاد شده،‌ توسط برخی از دانشمندان مورد انتقاد قرار گرفته‌است.

عریف واقعی نور چیست؟

تعریف دقیقی برای نور نداریم، جسم شناخته شده یا مدل مشخص که شبیه آن باشد وجود ندارد. ولی لازم نیست فهم هر چیز بر شباهت مبتنی باشد. نظریه الکترومغناطیسی و نظریه کوانتومی باهم ایجاد یک نظریه نامتناقض و بدون ابهام می‌کنند که تمام پدیده‌های نوری را می‌کنند. نظریه ماکسول درباره انتشار نور بحث می‌کند در حالی که نظریه کوانتومی برهمکنش نور و ماده یا جذب و نشر آن را شرح می‌دهد ازآمیختن این دو نظریه ، نظریه جامعی که کوانتوم الکترودینامیک نام دارد، شکل می‌گیرد. چون نظریه‌های الکترومغناطیسی و کوانتومی علاوه بر پدیده‌های مربوط به تابش بسیاری از پدیده‌های دیگر را نیز تشریح می‌کنند منصفانه می‌توان فرض کرد که مشاهدات تجربی امروز را لااقل در قالب ریاضی جوابگو است. طبیعت نور کاملا شناخته شده است،
ماهیت های نور:۱-ماهیت ذر‌ه‌ای ۲-ماهیت موجی ۳- ماهیت الکترومغناطیس ۴-ماهیت کوانتومی نور۵-نظریه مکملی ، اما باز هم این پرسش هست که واقعیت نور چیست؟

آیا نور جرم دارد یا خیر؟

نور موج ذره است، یعنی بسته به انتخاب شما می تواند بصورت ذره ای یا موجی توصیف شود. در هیچ کدام از این دوحالت « جرم سکون » بعنوان یکی از ویژگی های ذرات سازنده جهان برای نور وجود ندارد. اما می توان گفت نور، « جرم نسبی » مثبت دارد. یعنی می توان انرژی نور را به تکانه و در نتیجه جرم معادل آن مرتبط کرد. می دانیم جرم و انرژی صورتهایی از هم هستند. جرم سکون ( همان چیزی که شما با ترازو اندازه می گیرید ) برای ذرات نور برابر صفر است، همانطور که مثلا بار الکتریکی هم ندارند، به همین خاطر هم نور با سرعت نور حرکت می کند. از دید یک ناظر لخت ( که حرکت شناب دار ندارد ) ذره ای که جرم سکون مثبت داشته باشد، با افزایش سرعتش، دچار افزایش جرم می شود و این افزایش جرم باعث می شود به نیروی بیشتری برای شتاب بیشتر نیاز داشته باشد. ذره ای که جرم سکون دارد در سرعت هایی نزدیک به سرعت نور، جرمش به بی نهایت میل می کند و به همین دلیل به نیرو و زمان بی نهایت برای رسیدن به سرعت نور نیاز خواهد داشت و به همین دلیل هرگز نمی تواند با سرعت نور حرکت کند. اگر هم فکر می کنید منحرف شدن نور در میدان جاذبه بخاطر جرم داشتن نور است، در اشتباهید علت خم شدن نور در میدان جاذبه ، خمیدن شدن فضا زمانی است که نور هم درون آن حرکت می کند و علت حبس شدن نور در سیاه چاله ها بخاطر خمیده شدن فضا زمان در افق رویداد سیاه چاله تا حدی است که هر مسیری کاملا به سمت تکینگی سیاه چاله بسته می شود.

خواص نور و نحوه تولید :

سرعت نور در محیطهای مختلف متفاوت است که بیشترین آن در خلاء و یا بطور تقریبی در هوا است، در داخل ماده به پارامترهای متفاوتی بر حسب حالت و خواص الکترومغناطیسی ماده وابسته است. بوسیله کاواک جسم سیاه می‌توان تمام ناحیه طول موجی نور را تولید نمود. در طبیعت در طول موجهای مختلف مشاهده شده اما مشهورترین آن نور سفید است که یک نور مرکبی از سایر طول موجها می‌باشد. تک طول موجها آنرا بوسیله لامپهای تخلیه الکتریکی که معرف طیفهای اتمی موادی هستند که داخلشان تعبیه شده می‌توان تولید کرد.
درباره ماهیت نور سه نظریه قالب وجود دارد که نظریات دیگر زیر مجموعه ای از آن میباشند ؛ نظریه نخست دیدگاه کلاسیک و سنتی نیوتن درباره نور است که نور را متشکل از ذراتی با جرم و وزنی مشخص بنام فوتون معرفی میکرد و انتشار نور در امتداد یک خط مستقیم را یکی از دلایل ذره ای بودن آن میدانست ، دیدگاه دوم نظریه موجی بودن نور است که پایه های اصلی آن بوسیله یانگ و فرنل پی ریزی شد آنها تلاش میکردند با اشاره به پدیده هایی مانند تداخل و پراش و قطبش نور ثابت کنند که نور خاصیت موجی دارد ، اما اشکال کار در این بود که نور هم خاصیت ذره ای و هم خاصیت موجی بودن را از خود نشان میداد ، پس موج سوم نور شناخت در قرن بیستم شروع شد ، در این موج سوم که انیشتین نیز از طرفدارانش بود میخواستند ثابت کنند که نور از بسته های انرژی به نام کوانتوم تشکیل شده است که دارای خاصیت ذره ای و موجی به صورت توام هستند و جرم و وزن و فرکانس دارند .
با پذیرفتن دیدگاه سوم درباره نور سعی میکنم آنرا کاملتر نمایم و بخشهای ناگفته اش را روشنتر نمایم، در این دیدگاه مطابق نظریه مکس پلانک هر کوانتوم نور با انرژی ( e=hv) انتشار می یابد که –h- یک ثابت جهانی بوده و مقدار آن برابر است با( JS 6/6256×۱۰̄⁻³⁴=h ) و ( v ) نیز فرکانس کوانتوم نور میباشد ، مشخص است که هر چقدر فرکانس بیشتر باشد مقدار انرژی کوانتوم نیز بیشتر میشود ، این کوانتومها میتوانند مطابق دیدگاه پلانک با ضرایب مشخصی به الکترونهای اتم برخورد کرده و آنها را به مدارهایی بالاتر صعود بدهند ، از سوی دیگر در دیدگاه موجی نور گفته میشود که نور ترکیبی از امواج الکتریکی E و مغناطیسی B میباشد ،در دیدگاه من امواج الکتریکی و مغناطیسی نور که با سرعت ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه حرکت میکنند ،در بازه های زمانی و مکانی مشخص در یکدیگر به گونه عمود تداخل میکنند ، در این نقاط تداخل امواج که لحظه ای و گذراست ، ذره یا همان فوتون متولد میشود ، اما این ذره ناپایدار است و با حرکت امواج EوB ذره ناپدید و از نو در بازه زمانی و مکانی دیگری ظاهر میشود ، پس نورهمواره در حال تبدیل موج به ذره و ذره به موج میباشد ، این فوتونهاکه دارای جرم لختی یعنی جرم در حال حرکت میباشند و در سکون وجود ندارند جرمشان قابل اندازه گیری میباشد و جرم این فوتونها همان جرم بنیادی جهان است که مقدار آن ربطی به فرکانس نور نیز ندارد در واقع فرمول پلانک ( e=hv) کاملا درست میباشد ، تنها برداشت ما از آن است که اشتباه میباشد ، بر خلاف تصور همگان ما به (e=hv)نمیتوانیم مفهوم بسته ای بودن و کوانتومی بودن بدهیم و آنرا به صورت ذره تصور کنیم ، زیرا همانطور که میدانیم (v=⅟t ) و (t e=h ) میشود پس ( e ) به زمان تناوب ( t ) نیز بستگی دارد پس (e=hv) نمیتواند یک کوانتوم و یا یک ذره باشد چرا که یک ذره و یا یک کوانتوم در یک لحظه به الکترون برخورد میکند و آنرا به مدار بالاتر گسیل میدارد و نیازی به زمان تناوب (t ) ندارد و اگر الکترون با کوانتوم ( e=hv) میخواست به مدار بالاتر صعود کند مطابق فرمول (t e=h⁄ ) به یک ثانیه وقت نیاز داشت تا انرژی کوانتوم را دریافت کرده و به مدار بالاتر برود و این با مفهوم بسته ای بودن نور در تضاد است ، در حقیقت آنچه را که ما میتوانیم به عنوان یک کوانتوم ثابت در نظر بگیریم (e=h)میباشد که یک مفهوم ثابت و جهانی است و آنچه که الکترون را از مدار خود حرکت میدهد نه ( e=hv) میباشد و نه (e=h) ، بلکه الکترون برای گسیل به مدار بالاتر نیاز به انرژی (e=nhv) دارد که( n) میتواند یک عدد درست و یا یک عدد کسری باشد ( ½́∙⅓∙⅔⅕∙⅗ …. ) ، این مقدار انرژی ( e=nhv) برای گسیل الکترون به مدار بالاتر در مدارهای مختلف اتم تفاوت میکند و ثابت نیست و الکترون در زمان ( t ) به مدار بالاتر جهش پیدا میکند ، این زمان بستگی به فرکانس موج دارد هر چه فرکانس موج بیشتر باشد زمان t ،( زمان گسیل الکترون به مدار بالاتر ) کوتاه تر خواهد بود ، فرکانس نور در واقع تعداد فوتونها یی میباشد که در یک ثانیه منتشر شده و میتوانند به الکترون برخورد کنند و آنرا به مدار بالاتر در اتم بفرستند جرم و انرژی همه این فوتونها در همه امواج گوناگون نوریکسان و ثابت بوده و قابل اندازه گیری میباشد ، از نگاهی دیگر میتوانیم بگوئیم که ( e=hv) هنگامی میتواند به عنوان یک کوانتوم شناخته شود که ( v=1 ) باشد در این صورت ( e=h) را میتوانیم به عنوان یک کوانتوم ثابت در نظر بگیریم که از تر کیب یک میدان الکتریکی E و یک میدان مغناطیسیB ( عمود بر هم ) بوجود آمده است ، و به زمان تناوب ( t ) نیزبستگی ندارد و لذا میتوانیم آنرا به عنوان یک ذره و یا بسته انرژی بدون زمان در نظر بگیریم .
(e=h) همانطور که پلانک آنرا به دست آورده است یک مقدار ثابت و جهانی است و کوچکترین مقدار انرژی شناخته شده جهان میباشد ، ما میتوانیم مقادیر دیگر انرژی را بر اساس آن و به عنوان مضرب درستی از آن تعیین کنیم ، ، جرم این کوانتوم ثابت و جهانی ( یا فوتون )که در حقیقت جرم بنیادی جهان نیز میباشد مطابق رابطه انیشتین (e=mc²)بدینگونه بدست می آید :
با فرض: v=1 داریم : e=h پس e=mc²=h
پس جرم یک فوتون که از ترکیب میدان الکتریکی- Bو E- بدست می آید و جرم بنیادی جهان نیز میباشد برابر است با :
M=h⁄c² kg ⁵⁹ ۷۷ × ۱۰ ⁻۷۳۶۱۷۷۷ =۱۰¹⁶۹×÷ M=6/6256×۱۰̄⁻³⁴

به تازگی آزمایشی را مجدداً انجام داده‌اند٬ که در آن به کمک میون به جای الکترون٬ شعاع پروتون را اندازه‌گیری کردند و مقدار آن را کمتر از مقداری که پیشتر برای آن در نظر می‌گرفتند به‌دست آوردند. کاهش اندازه پروتون در آزمایش‌هایی که بر مبنای اتم هیدروژن و میون است می‌تواند احتمالی برای وجود یک فیزیک جدید باشد.

تنها در فیزیک، چند کوادریلیون از یک متر (نام دیگری برای مبنای فمتو متر یا 10-15 متر) عاملی برای هیجان و دلواپسی است. طبق یافته‌ی اندازه‌گیری جدید٬ پروتون حدود 4 درصد کوچک‌تر از چیزی است که آزمایش‌های پیشین پیشنهاد می‌دهند.  مطالعه چاپ شده در 25 ژانویه در یکی از شماره‌های مجله Science، فیزیکدانان را به طور محتاطانه خوش‌بین کرده است که این اختلاف بین آزمایش‌ها منجر به کشف ذرات و نیرو‌های جدید می‌شود.

کارل کارلسون (Carl Carlson)٬ فیزیک‌دان نظری در کالج ویلیام و مری در ویلیامزبرگ٬ وا٬ می‌گوید: «سیخونک در اثر‌های کوچکی که نمی‌توان آن‌ها را توضیح داد می‌تواند به عنوان راهی برای گره‌گشایی از بخش‌های بزرگتر فیزیک باشد». او که در این مطالعه حضور ندارد اضافه می‌کند که: «این مورد خاص بسیار قابل توجه است».

برای سال‌ها فیزیک‌دانان از دو روش غیر مستقیم برای اندازه‌گیری شعاع پروتون استفاده می‌کردند. (متاسفانه چیزی مشابه یک خط‌کش زیر اتمی برای اندازه‌گیری شعاع وجود ندارد). آن‌ها می‌توانند یک پرتوی الکترونی را به سمت پروتون‌ها شلیک کنند و مقدار انحراف ذرات فرودی را اندازه گیری کنند. برای روش جایگزین، فیزیک‌دانان می‌توانند رفتار الکترون‌ها را در اتم هیدروژن مطالعه کنند. آن‌ها لیزر را به اتم می‌تابانند و این باعث می‌شود الکترون به تراز انرژی بالاتر که ناپایدار است برود، زمانی‌که الکترون به حالت انرژی پایین‌تر برمی‌گردد٬ پرتوی ایکس ساطع می‌کند که فرکانس آن به اندازه پروتون وابسته است. هر دو روش پیشنهاد می‌دهند که شعاع پروتون حدود 0.88 فمتومتر یا 0.88 کوادریلینیوم متر است.

هیچ شکی در آن اندازه‌گیری‌ها تا سال 2010 وجود نداشت، در آن سال آلدو آنتوگنینی (Aldo Antognini) در ETH زوریخ  و تیمش روشی جدید را برای اندازه‌گیری اندازه پروتون بکار بردند: آن‌ها همچنان از اتم هیدروژن استفاده کردند، اما به جای الکترون از میون استفاده کردند. میون‌ها ذراتی شبیه الکترون‌اند با این تفاوت که 200 برابر سنگین ترند. این سنگینی اضافه‌ی میون٬ برهمکنش آن‌ها را با پروتون افزایش می‌دهد و این باعث می‌شود که رفتار آن‌ها بیشتر به اندازه پروتون وابسته باشد. پس از اندازه‌گیری پرتوی ایکس ساطع شده از جابه‌جایی میون بین تراز‌های انرژی٬ تیم آنتوگنینی مقاله‌ای را در Nature چاپ کردند و در آن شعاع پروتون را 0.84 فمتومتر اعلام کردند، حدود 4 درصد کمتر از تخمین های قبلی(SN 7/31/10, p. 7).

اکنون، دو و نیم سال بعد، این تیم٬ سیستم با محتوای هیدروژن-میون را مجدداً بررسی کردند و فرکانس‌های پرتوی ایکس ناشی از جابه‌جایی دو سطح انرژی را اندازه‌گیری کردند. هر دو تابش به نتیجه‌ی مشابه برای اندازه پروتون رسیدند. در این نتیجه‌ها٬ پروتون کوچک‌تر است. در مطالعه‌ی جدید امکان خطاهای سیستماتیک مشخص را حذف کردند و عدم قطعیت اندازه گیری را نیز تا 40 درصد کاهش دادند.

آنتوگنینی می‌گوید: «این نشان می‌دهد که آزمایش ما سازگار است و اشتباهی در آن نبوده است».

کارلسون با این نظر موافق است. اگرچه او می‌گوید که فیزیک‌دانان هنوز ممکن است از یک خطا در هر دو آزمایش‌های میون و الکترون صرف نظر کنند. پژوهش‌گران بر حسب مورد٬ جزئیات هر آزمایش را به امید مقدار سازگار با اندازه پروتون جستجو می‌کنند.

هنوز کارلسون به عنوان یک نظریه پرداز نمی‌تواند کمکی کند اما از امکان این‌که یک فیزیک جدید٬ نه خطای انسانی٬ منجر به اختلاف در اندازه‌گیری اندازه در آزمایش‌ها شده است٬ حمایت می‌کند. طبق مدل استاندارد ذرات، الکترون و میون تنها در جرم متفاوت‌اند اما کارلسون و دیگر نظریه پردازان امکان وجود ذره کشف نشده که تنها با میون بر همکنش کند را پیش‌بینی می‌کنند. او می‌گوید که این ذره قطعاً چیزها را با یکدیگر مخلوط می‌کند.

پژوهش‌گران به شدت نیازمند کشف فیزیک جدیدند. این به این علت است که با وجود اینکه مدل استاندار بسیاری از چیزهایی که در زندگی روزمره می‌بینیم را توصیف می‌کند، در توصیف پدیده‌هایی مثل گرانش در مقیاس‌های کوچک و جهان در حال انبساط سریع ناامید کننده است.

بهترین محک برای ایده‌ی نظریه پردازان در دو تا سه سال آینده مشخص می‌شود، زمانی‌که هنوز فیزیک‌دانان امیدوارند روش مستقلی برای اندازه‌گیری اندازه‌ی پروتون معرفی کنند. جان آرینگتون (‌‌John Arrington)، فیزیک‌‌دان آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینویز  کمک می‌کند تا پرتوی میون را که به پروتون می‌تابد را ارتقاء دهد. اگر آزمایش مشابه به نتیجه‌ی یکسان برای نمونه‌ی میونی هیدروژن برسد، طبق گفته‌ی آرینگتون٬ به احتمال زیاد فیزیک جدیدی در کار است. این احتمال به گفته‌ی او بیشترین احتمال جالب توجه است.