متن سخنرانی در همایش فیزیک دانشگاه امیر کبیر - نوزدهم آذر هشتاد و چهار
ضمن خوش آمد گویی به حضار محترم، از جناب آقای دکتر نورآذر و برگزار کنندگان محترم این همایش سپاس گزارم. همچنین جا دارد با درود به شاد روان دکتر محمود حسابی، یاد ایشان را در سال جهانی فیزیک زنده نگاه داریم
پیش زمینه
بحث اصلی این همایش ساختمان فوتون و اثر متقابل فوتون و گرانش است. اثر گرانش بر روی فوتون پدیده ای است که قبل از انیشتین مورد توجه فیریکدانان نبود. ساختمان فوتون نیز برای اولین بار در نظریه سی. پی. اچ. مورد بررسی قرار گرفته است هرچند کارهای انیشتین را که در نسبیت تجلی یافت، نمی توان به نور خلاصه کرد، اما شالوده ی اندیشه های وی نور و خواص و رفتار آن بود. دیدگاه انیشتین نسبت به نور از چنان اهمیتی برخوردار است که برخی از فیزیکدانان مبداء مکانیک کوانتوم را توجیه پدیده ی فوتوالکتریک توسط وی می دانند. انیشتین نشان داد که مسیر نور در میدان گرانشی منحنی است. اما در اینجا حالت دیگری از اثر گرانش بر نور مورد توجه است که تحت عنوان جابجایی بسمت سرخ یا آبی گرانش مطرح می شود. سپس خواهیم دید که این اثر می تواند ما را به واقعیتی عمیق در مورد وابستگی نور و گرانش رهنمون شود که در نظریه سی. پی. اچ. بار رنگ و مغناطیس - رنگ نام گرفته است
وابستگی نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی
در اوائل قرن نوزدهم میلادی که فیزیکدانان متوجه وابستگی نیروهای الکتریکی و مغناطیسی شدند، توجه یه گرانش و وابستگی آن به نیروی الکترومغناطیسی نیز مطرح شد. فیزیکدانان بزرگی چون فارادی و پلانک به این مسئله اشاره کرده اند. اینشتین نیز قریب به سی سال برای اتحاد نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی تلاش کرد. با اینکه تلاش اینشتین بی نتیجه بود، اما وی نخستین کسی است از اثر گرانش روی امواج الکترومغناطیسی (و در حالت خاص نور) روشی قابل بررسی ارائه کرد وی با ارائه ی اصل هم ارزی در نسبیت عام توجه فیزیکدانان را به انحنای مسیر پرتوهای نوری در میدان گرانشی جلب کرد که برای نخستین بار در سال هزارو نهصد و نوزده هنگام کسوف خورشید مشاهده شد. همچنین طبق نسبیت عام هرگاه فوتون در یک میدان گرانشی سقوط کند، فرکانس و در نتیجه انرژی آن افزایش می یابد که آن را جابجایی بسمت آبی می نامند. عکس این پدیده نیز صادق است، یعنی هرگاه نور در حال فرار از یک میدان گرانشی باشد، فرکانس آن کاهش می یابد که آن را جابجایی بسمت سرخ گرانش می نامند
اهمیت توجه به ساختمان فوتون
ارتباط و اطلاعات ما از اجسام فرازمینی اعم ماه و خورشید که جزئی از منظومه ی شمسی هستند تا ستارگان و کهکشانها تنها از دو طریق امکان پذیر است. یکی آثار گرانشی این اجرام و دومی نوری که از آنها به ما می رسد. گرانش را نخستین بار نیوتن تحت عنوان قانون جهانی گرانش فرمول بندی کرد و در نسبیت عام تحت عنوان فضا-زمان تکمیل گردید. و نور پدیده ای است که محدوده ی مکانیک کوانتوم مورد بررسی قرار می گیرد . آنچه در این زمینه مورد توجه و پذیرش فیزیکدانان قرار گرفته این است که به گفته ی دیراک فوتون یک ذره ی بنیادی است که نمی توان به ساختمان آن پرداخت. و تنها چیزی که در این اختر فیزیک و کیهان شناختی مورد توجه و بررسی قرار گرفته، اثر دوپلری نور و جابجایی بسمت سرخ گرانش است. مشاهدات هابل نشان داد نوری که از کهکشانها به ما می رسد، جابجایی بسمت سرخ از خود نشان می دهد. وی با توجه به اثر دوپلر نشان داد که کهکشانها در حال دور شدن از ما هستند و هرچه فاصله ی آنها از زمین بیشتر باشد، با سرعت بیشتری در حال فرار هستند. این مشاهدات فیزیکدانان را به ارائه ی نظریه انبساط فضا و بیگ بنگ رهنمون گردید. در اواخر قرن بیستم مشاهدات کیهانی نشان داد که انبساط جهان دارای شتاب است و در نتیجه مسئله ی انرژی تاریک مطرح گردید که هنوز از رموز حل نشده ی فیزیک است اگر همانطور که دیراک تصریح کرده، فوتون را بدون ساختمان در نظر بگیریم، راهی نداریم بجز اینکه تنها با استفاده از اثر دوپلر مشاهدات خود را در مورد کهکشانها را مورد بررسی و نتیجه گیری قرار دهیم. اما می توانیم با فاینمن همصدا و برای گرفتن نتیجه ی بهتر با اندیشه ای متفاوت مشاهدات خود را بررسی کنیم و به نتایج جدیدی دست یابیم که ما را در درک بهتری از جهان یاری کند
زمانی می توانیم به درستی اطلاعات دریافتی باور داشته باشیم که یقین داشته باشیم که علائم حامل اطلاعات دستخوش در طول مسیر دچار هیچگونه تغییری نشده باشند آیا حقیقتاً خود فوتون بدون هیچ اثر خارجی در یک سفر میلیاردها سالی دستخوش هیچگونه تغییری نمی شود؟ آیا فوتونهای دریافتی از یک کهکشان دور است، همانی است که کهکشان را ترک کرده است؟ بنابراین بدون شناخت ساختمان فوتون، نمی توان به صحت اطلاعات دریافتی اعتماد داشت در اینجا ساختمان فوتون مورد بررسی قرار می گیرد و دوستان علاقه مند می توانند برای مطالعه ی بیشتر به مقالات زیر مراجعه فرمایند
نگاهی جدید به تابش زمینه ی کیهانی و شتاب جهان
آيا ما انتقال به قرمز را بطور كامل فهميده ايم؟
تاثیر گرانش بر انرژی الکترومغناطیسی
طبق پيشگويي نسبيت هرگاه فوتونی در ميدان گرانشي سقوط كند، فركانس و در نتيجه انرژي آن افزايش مي يابد كه آن را جابجايي به سمت آبي مي گويند. عكس اين حالت نيز صادق است، يعني هنگاميكه نور در حال ترك (فرار) از يك ميدان گرانشي است، فركانس و در نتيجه انرژي آن كاهش مي يابد كه جابجايي به سمت سرخ گرانش نامیده می شود و براي آن رابطه زير ارائه شده است
علامت جمع مربوط به سقوط (جابجایی بسمت آبی) و علامت منفی مربور به صعود فوتون (جابجایی بسمت سرخ) گرانش است
اين پيشگويي براي مدتها قابل آزمايش نبود تا آنكه موسبوئر در سال 1958 نشان داد كه يك بلور در بعضي شرايط مي تواند دسته اشعه اي گاما با طول موج كاملاَ معيني توليد كند. اشعه ي گاما با چنين طول موجي را مي توان با بلوري مشابه بلوري كه آن را توليد كرده است جذب كرد. اگر طول موج اشعه ي گاما فقط مختصري با طول موج اشعه ای كه توسط بلور توليد مي شود تفاوت داشته باشد، به وسيله آن جذب نخواهد شد. اين پديده را اثر موسبوئر می نامند
آزمایش پوند و ربکا
یک فوتون دارای جرمی برابر m=h
n/c2 است. بنابراین وزن این فوتون در میدان گرانشی زمین برابر خواهد شد با mg=(hn/c2)g فرض کنیم فوتون در سقوط قائم بطرف زمین به فاصله y سقوط کند. در اینصورت طبق قانون بقای انرژی خواهیم داشت hn'=hn+mgy=hn+(hn/c2)gy n'=(1+gy/c2)n تغییر نسبی فرکانس یعنی Dn/n=(n'-n)/n=gy/c2 با توجه به مقدار شدت گرانش در سطح زمین و سرعت نور، این تغییر نسبی بسیار کوچک خواهد شد. با این وجود پوند و ربکا در سال 1960 تونستند این پیشگویی را با استفاده از برج 22.5 متری جفرسون در دانشگاه هاروارد اثبات کنند. سالهاي بعد، این آزمایش با دقت بیشتری انجام شد که درستي پيشگويي نسبيت را تاييد كرد.
نگاهی جدید به فوتون در یک میدان گرانشی
حال فوتونی را در نظر بگیرید که در یک میدان گرانشی در حال سقوط است. اگر تنها به آنچه که نسبیت در این مورد پیشگویی کرده بسنده کنیم، به عقیده ی فاینمن به همان نتیجه های متداول خواهیم رسید. فاینمن می گوید " اگر همواره مانند گذشته بينديشيد، هميشه همان چيزهايی را به‌دست مي‌آوريد كه تا بحال كسب كرده‌ايد"
. بنابراین اگر خواهان یک نتیجه ی متفاوت هستیم، باید اندیشه ی خود را تغییر دهیم کاری که نیروی گرانش روی فوتون انجام می دهد، تنها به معنی ساده ی افزایش انرژی آن نیست، بلکه مفاهیم عمیق تری در ورای آن نهفته است. اگر این پدیده را بخواهیم از دیدگاه نظریه میدان کوانتومی نگاه کنیم، باید بپذیریم که گراویتونها در ساختمان فوتون نفوذ کرده و علاوه بر افزایش انرژی آن، موجب افزایش شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن نیز می شوند. اما با توجه به خواصی که مکانیک کوانتوم برای گراویتونها قائل است، این پدیده قابل توجیه نیست. بلکه باید در مفاهیم بنیادی مکانیک کوانتوم تجدید نظر کنیم و از ماورای مکانیک کوانتوم این پدیده را مورد بررسی قرار دهیم. زیرا در مکانیک کوانتوم به گفته ی دیراک الکترون و فوتون نقاط مادی هستند که نمی توان ساختمان آنها را مورد کنکاش و بررسی قرار داد
امواج الکترومغناطیس، بار - رنگ و مغناطیس-رنگ Electromagnetic waves and color charge/magnet
اجازه دهید یک نگاه جدید به رفتار امواج الکترومغناطیسی در میدان گرانشی بیندازیم، این نگرش می تواند در حل این معما مفید واقع شود. همچنانکه می دانیم یک موج الترومغناطیسی از دو میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم تشکیل شده است
همچنانکه نسبیت عام پیشگویی کرده و شواهد تجربی نشان می دهد، فرکانس و در نتیجه انرژی فوتون در میدان گرانشی تغییر می کند هنگامیکه یک فوتون در میدان گرانشی سقوط می کند، فرکانس آن افزایش می یابد در این حالت چه اتفاقی می افتد؟ در مجموع می توان گفت نیروی گرانش روی فوتون کار انجام می دهد. با توجه به رابطه
W=DE=Dmc2
یک قسمت از کار انجام شده توسط فوتون به انرژی الکتریکی و قسمت دیگر آن به انرژی مغناطیسی تبدیل می شود
برای این پدیده در فیزیک نظری تا بحال توضیحی ارائه نشده است. بنابراین در اینجا می خواهم این پدیده را با توجه به نظریه. سی. پی. اچ. توضیح دهم
نظریه سی. پی. اچ. . ساختمان فوتون
تعریف
CPH
فرض کنیم یک ذره با جرم ثابت m وجود دارد که با مقدار سرعت ثابت Vc نسبت به تمام دستگاه های لخت حرکت می کند. و Vc>c, c is speed of light
بنابراین سی. پی. اچ. دارای اندازه حرکت خطی برابر mVc است
توجه شود که در اینجا برای سی. پی. اچ. از کلمه ی ذره استفاده شده است، منظور از ذره همان نقطه ی مادی نیست و در فرارسی کلمه ای که گویای مفهوم سی. پی. اچ. باشد ندیدم. بهمین دلیل از ذره استفاده شد
اصل CPH Principle of CPH
سی. پی. اچ. یک ذره بنیادی با جرم ثابت است که با مقدار سرعت ثابت حرکت می کند. این ذره داری لختی دورانی است. در هر واکنش بین این ذره با سایر ذرات یا نیروها در مقدار سرعت آن تغییری داده نمی شود، بطوریکه
gradVc=0 in all inertial frames and any space
هنگامیکه نیروی خارجی بر آن اعمال شود، قسمتی از سرعت انتقالی آن به سرعت دورانی (یا بالعکس ) تبدیل می شود، بطوریکه در مقدار Vc تغییری داده نمی شود. یعنی اندازه حرکت خطی آن به اندازه حرکت دورانی و بالعکس تبدیل می شود. بنابراین مجموع انرژی انتقالی و انرژی دورانی آن نیز همواره ثابت است. تنها انرژی انتقالی آن به انرژی دورانی و بالعکس تبدیل می شود هنگامیکه سی. پی. اچ. دارای حرت دورانی حول محوری که از مرز جرم آن می گذرد است، یعنی زمانیکه سی. پی. اچ. دارای Spin است، آن را گراویتون می نامیم When CPH has Spin It calls Graviton
هنگامیکه گراویتون روی یک ذره/جسم کار انجام می دهد، گروایتون ناپدید شده و به انرژی جسم تبدیل می شود. زیرا این امر قابل توجیه نیست که نیرو تولید انرژی کند و هیچ تغییری در آن ایجاد نشود تمام تلاشها برای پیدا کردن یک نیروی اساسی واحد در طبیعت به این دلیل بی نتیجه بوده است که فیزیکدانان هیچ توجهی به تغییرات نیرو نداشته اند. در حقیقت نیرو و انرژی قابل تبدیل به یکدیگرند. یعنی نیرو به انرژی تبدیل می شود و انرژی نیز به نیرو تبدیل می شود.همچنین یک گراویتون روی گراویتون دیگر کار انحام می دهد، اما نتیحه ی این کار تغییر انرژی جنبشی به انرژی دورانی است . هنگامیکه گراویتون ها در کنار یکدیگر قرار می گیرند (ادغام می شوند) همان جلوه ای را از خود بروز می دهند که ما آن را انرژی می نامیم. شکل زیر نشان می دهد که دو سی. پی. اچ. با در فاصله r , یکدیگر را حس کرده و یکدیگر را جذب می کنند. اما چون مقدار سرعت آنها ثابت است، حرکت انتقالی آنها به حرکت دورانی Spin تبدیل می شود
یک فوتون از تعدادی گراویتون تشکیل می شود که دارای Spin هستند
همچنین فوتون دارای اسپین است. بنابراین هنگامیکه فوتون با سرعت نور حرکت می کند، گرایتون هایی که فوتون را تشکیل داده اند دارای حرکتهای زیر می باشند
حرکت انتقالی برابر سرعت نور، زیرا فوتون با سرعت نور منتقل می شود و اجزای تشکیل دهنده آن نیز الزاماً با همین سرعت منتقل می شوند
حرکت دورانی (اسپین)، زیرا طبق اصل سی. پی. اچ. مقدار سرعت سی. پی. اچ. بیشتر از سرعت نور است و هنگامیه سی. پی. اچ. ها با یکدیگر ادغام می شوند و سایر ذرات را تشکیل می دهند، مقداری از سرعت انتقالی آنها به اسپین تبدیل می شود
و حرکت ناشی از اسپین فوتون، زیرا گراویتون ها در ساختمان فوتون هستند و از حرکت اسپینی فوتون سهم می برند
با توجه به نظریه سی. پی. اچ. ، یک فوتون شامل تعدادی سی. پی. اچ. است که همراه فوتون با سرعت نور حرکت می کنند. اگر اندازه حرکت خطی هر سی. پی. اچ. در ساختمان فوتون را برابر p=mc
در نظر بگیریم و فرض کنیم یک فوتون از تعداد n سی. پی. اچ. تشکیل شده ، آنگاه برای فوتون داریم p=nmc
هنگامیه فوتون با یک الکترون برخورد می کند، تعدادی (یا همه ی ) سی. پی. اچ. های خود را از دست می دهد. این سی. پی. اچ. ها وارد ساختمان الکترون می شوند
د
ر پدیده فوتوالکتریک تمام سی. پی. اچ. های فوتون وارد ساختمان الکترون می شوند.
در اثر کامپتون تعدادی از سی. پی. اچ. های فوتون وارد ساختمان الکترون می شوند
حالا می توانیم به این سئوال جواب دهیم که چرا فوتون در حالت سکون قابل مشاهده نیست. زیرا فوتون از گراویتونها تشکیل می شود و گراویتونها با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت می کنند و هنگامیکه فوتون واپاشیده می شود، به اچزای خود، یعنی گراویتونها تبدیل می شود. اصولا فوتون قبل از آنکه بخواهد به حالت سکون در آید، واپاشیده می شود
بار-رنگ و مغناطیس-رنگ
هنگامیکه یک سی. پی. اچ. وجود سی. پی. اچ. دیگری را احساس می کند، آنها دارای اسپین می شوند که گراویتون نامیده می شود. یک گراویتون نظیر نیروی الکتریکی رفتار می کند و گراویتون دیگر نظیر نیروی مغناطیسی رفتار می کند، بهمین دلیل میدانهای الکتریکی و مغناطیسی ظاهر می شود هنگامیکه سی. پی. اچ. دارای اسپین است، بصورت بار-رنگ یا مغناطیس-رنگ ظاهر می شود. در واقع گراویتون به دلیل آنکه دارای اسپین است به یکی از دو صورت بار-رنگ یا مغناطیس-رنگ وجود دارد سی. پی. اچ. ها هنگامی یکدیگر را حس می کنند که با یکدیگر تماس بگیرند (برخورد کنند که در اینصورت به دلیل اسپین یکدیگر را می رانند) یا در فاصله بسیار کمی از یکدیگر باشند نظیر فاصله ای به اندازه ی طول پلانک که تقریباً برابر است با ( Plank Length that is equal 1.6x10-35 m)
در چنین حالتی بار-رنگ/مغناطیس رنگ آنها روی یکدیگر اثر کرده و با هم ترکیب می شوند
معادله بار-رنگ و مغناطیس - رنگ
فرض کنیم دو سی. پی. اچ. با سرعت خطی
Vc حرکت می کنند که یکدیگر ار احساس می کنند. آنها یکدیگر را جذب می کنند و با توجه به gradVc=0 آنها دارای اسپین خواهند شد و می توان نوشت
gradVc=0 =>
axi+ayj+azk=0, that ax is accelerating on x axes, ay is accelerating on y axes, az is accelerating on z axes and i, j and k are unit vectors.
یعنی مجموع شتاب ها روی سه محور برابر صفر است فرض کنیم که سی پی. اچ. روی محور x حرکت انتقالی دارد. اما سرعت امواج الکترومغناطیسی برابر c نسبت به دستگاه لخت می باشد بنابراین مقدار سرعت آن تنها روی محور های y and z تغییر می کند و شتاب روی محور x صفر است، یعنی ax=0 تنها شتاب روی دو محور دیگر خواهد داشت بطوریکه ay+az=0 هنگامیکه ay=0 => az is maximum. And ay is maximum=> az=0
لازم به ذکر است که سی. پی. اچ. ها در ساختمان فوتون (یا هر ذره ی دیگری) با یکدیکر در کنش متقابل هستند و این کنش ها موجب می شود که دائم اسپین آنها تغییر کند. اما سرعت خطی آنها تابع نیروی خارجی موجود در محیط است. بهمین دلیل سرعت امواج الکترومغناطیسی برابر c است. هنگامیکه سی. پی. اچ. ها در کنش با هم قرار گرفتند، یکی از آنها به بار - رنگ تبدیل می شود و برای آن می توان نوشت
Ec=EcmCosw(t-x/c),
که در آن Ec مقدار بار-رنگ است و Ecm مقدار ماکزیمم بار-رنگ است برای سی. پی. اچ. دیگر که به مغناطیس-رنگ تبدیل می شود می توان نوشت
Bc=BcmCosw(t-x/c)
که در آن Bc مقدار مغناطیس-رنگ است و Bcm
مقدار ماکزیمم مغناطیس - رنگ است و برای تعدادی سی. پی. اچ. اختیاری داریم
E=nEcmCosw(t-x/c) B=mBcmCosw(t-x/c)
هنگامیکه یک فوتون در حال سقوط در یک میدان گرانشی است، تعداد n , m افزایش می یابد. بنابراین شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی یعنی E and B افزایش می یابد. و این به معنی آن است که تعدادی سی. پی. اچ. وارد ساختمان فوتون می شوند.
گرانش Gravity
در نظریه سی. پی. اچ. ، گرانش یک جریان است. این جریان دائمی بین تمام ذرات و اجسام وجود دارد. به عنوان مثال به زمین و ماه توجه کنید زمین دارای میدان گرانش است. یک میدان گرانشی از تعداد متنابهی سی. پی. اچ. (گراویتون) تشکیل شده است. پس میدان گرانشی زمین نیز از تعداد بیشماری سی. پی. اچ تشکیل شده است که در اطراف زمین در حرکت هستند
نگاهی به زمین و ماه بیندازید. در اینجا دو میدان وجود دارد، یکی میدان گرانشی زمین و دیگری میدان گرانشی ماه.
هنگامیکه یک گراویتون به زمین می رسد، گراویتون دیگری زمین را ترک می کند و به دلیل آنکه دارای یک زیر کوانتوم بار-رنگ یا مغناطیس رنگ است، زمین را به دنبال خود می کشد. تا جاییکه زمین از حوزه عمل این زیر کوانتوم میدان خارج شود دقیقاً نظیر گلوئون ها (گلوئون به معنی چسب است) که موجب کشیده شدن کوارکها به طرف یکدیگر می شود
با تشکر
حسین جوادی