تعریف سی. پی. اچ. و ویژگیهای آن
مقدمه:
پس از فرمول بندی مکانیک کلاسیک توسط نیوتن، گرایش به تجارب آزمایشگاهی و مشاهدات نجومی روز به روز بیشتر شد. فیزیکدانان با اشتیاق در دو زمینه، یکی توجیه رفتار اجسام بزرگ آسمانی و دیگری شناخت پدیده های بسیار کوچک (که بعدها زیر اتمی نامیده شدند)، تلاش روز افزونی را آغاز کردند. هرچه دقت در مشاهدات نجومی بیشتر می شد و هر قدر ذرات مورد آزمایش کوچکتر می شدند، نارسایی مکانیک نیوتنی بیشتر خود نمایی می کرد. بطوریکه در سالهای پایانی قرن نوزدهم، لزوم بازنگری در فیزیک کلاسیک (قوانین نیوتن و الکترومغناطیس) کاملاً مشهود بود. مکانیک کوانتوم و مکانیک نسبیتی (فیزیک مدرن) پاسخی به نیاز زمان خود در جهت تکامل دانش بودند.
در قرن بیستم آموزش و پژوهش از نظر کمی و کیفی پیشرفت شگفت انگیزی داشت. علاوه بر آن بودجه های پژوهشی رشد نجومی کرد. از یک سو، تلسکوپ ها اعماق کهکشانهای دور دست را بتصویر کشیدند و از سویی دیگر شتاب دهنده ها، اسرار درون هسته ی اتم را نمایان ساختند و فیزیکدانان با سئوالات جدیدتر، عمیقتر و بیشتری مواجه شدند.
جهان چگونه آغاز شد و قبل از بیگ بنگ چگونه بود؟ دلیل شتاب جهان و ماهیت انرژی تاریک چیست؟ وجود ماده تاریک را چگونه می توان توجیه کرد؟ اهم سئوالات کیهان شناختی است.
در زمینه ذرات زیر اتمی، بسیاری از فیزیک دانان به دنبال نظریه ای هستند که هر چهار نیرو را بوسیله یک ابرنیرو توجیه کند. نیرویی که خودش را به گونه های مختلف نشان می دهد و نیز موجب یگانگی فرمیون ها و بوزون ها در یک خانواده می شود. فیزیکدانان این نظریه را نظریه یگانگی نام داده اند. گرانش را می توان در مقیاسهای بسیار کوچک، حتی تا سطح کوانتومی نیز مورد توجه قرار داد. در حقیقت، اگر ما به گرانش در این سطح توجه نکنیم، هرگز نمی توانیم به یگانگی آن با سه نیروی دیگر دست یابیم. و پاسخ این سئوال را بیابیم که نیروها در دماهاى بسیار بالا- درست لحظاتى بعد از انفجار بزرگ (big bang)- چگونه بوده اند؟ سئوالات بی جواب بسیاری مطرح است که برخی از فیزیکدانان پاسخ آنها را در ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت عام می دانند. در اینجا از بیان سئوالات زیادی که در این زمینه وجود دارد خود داری می شود و در فرصت های مناسب مطرح و از دیدگاه سی. پی. اچ. پاسخ داده خواهد شد.
اما در اینجا ضمن تعدیل هامیلتونی اصل سی. پی. اچ. را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده و تلاش می شود برخی اصول موضوعه فیزیک و قوانین بقا از آن نتیجه گیری شود. علاوه بر آن برخی از مفاهیم بنیادی نظیر فضتا-زمان و ماهیت فیزیکی زمان تشریح می گردد. آنگاه نحوه ی تولید انرژی در فضا بررسی خواهد شد. این نحوه برخورد با فیزیک می تواند نگاه و درک بنیادی فیزیک را تغییر دهد و دانش فیزیک را مملموس تر کرده و با نگرش شهودی به پدیده ها آموزش و درک آن را ساده تر کند.
زمینه پیدایش نظریه سی. پی. اچ.
نظریه سی. پی. اچ. بر اساس یکسری زیر ساخت منطقی نطقی و مشاهدات زیربنای تجربی بمنظور هم ارز سازی نیرو و انرژی ارائه شده است. با این وجود مدعی یکسان سازی نیروها نیست، اما زمینه مناسبی برای اتحاد نیروها فراهم می آورد. در نظریه سی. پی. اچ.، با توجه به هم ارز سازی نیرو و انرژی، فرمیونها و بوزونها نه تنها از یک خانواده اند، بلکه فرمیونها تولید کننده بوزونها، و بوزونها نیز به نوبه خود فرمیونها را تولید می کنند. این نگرش الزاما تعریف باستانی انرژی را تغییر خواهد و از ساختمان فوتون تصویری روشن ارائه می کند. در این نظریه، حرارت چیزی جز حرکت نیست، در یک محفظه ی بسته، هر ذره ای که سریعتر است، داغتر است. پس حرارت دادن، به معنی افزایش سرعت ذرات تشکیل دهنده ی سیستم است.
سی. پی. اچ. چیست؟
سی. پی. اچ. یا CPH مخفف Creative Particles of Higgs است که به زبان فارسی می توان تحت عنوان "آفرینش ذرات جرم دار توسط میدان هیگز" مطرح کرد. انتخاب کلمه ذره به این دلیل است که در فارسی و در انگلیسی کلمه ی دیگری یافت نشد که بتوان جایگزین آن کرد. اما باید توجه داشت که ذره در اینجا بهیچوجه بیان کننده ی شکل این موجود فیزیکی نیست. سی. پی. اچ. یک مقدار بسیار کم و ثابت انرژی است که از نظر حجم محدود و حامل یکی از میدانهای الکتریکی، مغناطیسی و یا گرانشی است. بعبارت دیگر میدانهای الکتریکی، مغناطیسی و گرانشی را تعدادی سی. پی. اچ. ایجاد می کنند و شدت این میدان تابع چگالی سی. پی. اچ. های بوجود آورنده آنها است.
میدانهای الکتریکی توسط تعدادی سی. پی. اچ. ایجاد می شوند.
میدانهای مغناطیسی از تعدادی سی. پی. اچ. تشکیل می شوند.
سی. پی. اچ. حامل حامل نیروی گرانش است، پس میدانهای گرانشی را نیز سی. پی. اچ. ها ایجاد می کنند.
برای مطالعه نحوه تولید میدانها توسط سی. پی. اچ. به مکانیزم تولید ذرات باردار توسط بوزون هیگز مراجعه کنید.
تعریف سی. پی. اچ.
فیریکدانان بزرگی همچون هاوکینگ تاکید می کنند که فضای خالی، خالی نیست. علاوه بر آن همه نظریه هاى امروزى به طور ضمنى بیان مى کنند که جهان باید حتى در خالى ترین مناطق آن شامل تراکم شدید انرژى باشد. قسمتی از فضا (دور از اجسام) را مورد توجه قرار داده و با استفاده از رابطه پلانک و رابطه جرم_انرژی انیشتین، جرم (انرژی) سی. پی. اچ. تعریف می شود. جرم فوتون در حالت کلی برابر است با:
جرم فوتون از رابطه ی بالا به دست می آید
جرم سی. پی. اچ. مستقیماً از روی جرم فوتون تعریف می شود.
جرم سی. پی. اچ. کمتر از جرم هر فوتونی است. برای به دست آوردن سرعت سی. پی. اچ. توجه به این نکته ضروری است که فوتون دارای اسپین است و با سرعت خطی c نسبت به دستگاه های لخت حرکت می کند. بنابراین فوتون دارای دو حرکت انتقالی و حرکت دورانی (Spin) است.
فوتون دارای دو حرکت انتقالی و اسپینی است.
اگر فوتون را بصورت کره تصور کنیم که بدور خود در حال دوران است، لذا می توان اسپین آن را نیز به صورت سرعت خطی نشان داد. زیرا برای یک نقطه روی سطح این کره ی فرضی می توان نوشت که در آن v سرعت خطی، r شعاع و سرعت زاویه ای است. لذا فوتون دارای دو نوع اندازه حرکت خطی و اندازه حرکت اسپینی است. بهمین ترتیب دارای دو نوع انرژی جنبشی و انرژی اسپینی است. اما در اینجا فعلاً سرعت آن مورد نظر است.
با توجه به رابطه (2)، سی. پی. اچ. نیز که از روی فوتون تعریف شده، دارای سرعت خطی برابر c (در دستگاه لخت) و سرعت اسپینی است که اگر سرعت اسپینی آن را با Vs نشان دهیم، می توان سرعت کل سی. پی. را برابر سرعت خطی در نظر گرفت و با VCPH نشان داد، کاملاً واضح است که c<VCPH>.
بنابراین سی. پی. اچ. ذره ای است به جرم mCPH که با سرعت VCPH نسبت به دستگاه لخت حرکت می کند. (شکل زیر)
در شکل بالا سی. پی. اچ. در دو حالت یکی بدون اسپین و دیگری با اسپین ترسیم شده است.
همچنان که در شکل بالا نشان داده شده است، هنگامیکه سی. پی. اچ. دارای اسپین است، گراویتون نامیده می شود. گراویتون حامل نیروی گرانش است. ممکن است این سئوال مطرح شود که چرا با استفاده از فوتون، سی. پی. اچ. را تعریف کردیم و بدون هیچ توضیحی آن را به گراویتون ربط دادیم؟
سی. پی. اچ. و گراویتون
سی. پی. اچ. طبق رابطه (2) یک مقدار کوچک انرژی تعریف شد. طبق پیشگویی نسبیت عام هرگاه فوتونی در میدان گرانشی سقوط کند، فرکانس و در نتیجه انرژی آن افزایش می یابد که جابجایی به سمت آبی نامیده می شود. عکس این حالت نیز صادق است، یعنی هنگامیکه نور در حال ترک (فرار) از یک میدان گرانشی است، فرکانس و در نتیجه انرژی آن کاهش می یابد که جابجایی به سمت سرخ گرانش نامیده می شود و برای آن رابطه زیر ارائه شده است.
علامت جمع مربوط به سقوط و علامت منفی مربور به صعود فوتون در میدان گرانشی است
این پیشگویی نسبیت برای مدتها قابل آزمایش نبود تا آنکه موسبوئر در سال 1958 نشان داد که یک بلور در بعضی شرایط می تواند دسته اشعه ای گاما با طول موج کاملاَ معینی تولید کند. اشعه ی گاما با چنین طول موجی را می توان با بلوری مشابه بلوری که آن را تولید کرده، جذب کرد. اگر طول موج اشعه ی گاما فقط مختصری با طول موج اشعه ای که توسط بلور تولید می شود تفاوت داشته باشد، به وسیله آن جذب نخواهد شد. در سال 1960 پوند و ربکا طی آزمایشی درستی آن را ثابت کردند و پیشگویی نسبیت در مورد اثر گرانش بر روی فرکانس فوتون تایید شد. برای توضیحات بیشتر به زیربنای تجربی مراجعه کنید.
افزایش انرژی فوتون هنگام سقوط در میدان گرانشی، ناشی از کاری است که گرانش روی فوتون انجام می دهد. کاری که نیروی گرانش روی فوتون انجام می دهد، تنها به معنی ساده ی افزایش انرژی آن نیست، بلکه مفاهیم عمیق تری در این پدیده 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، موجب افزایش شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن نیز می شوند.
بر اساس توضیحات بالا سی. پی. اچ. ذره ای با جرم ثابت m است که با سرعت VCPH نسبت به دستگاه لخت حرکت می کند، بطوریکه:
توجه به این دو نکته مهم است که جرم و مقدار سرعت در مورد سی. پی. اچ. ثابت است.
علاوه بر آن هنگامیکه سی. پی. اچ. دارای اسپین است، گراویتون نامیده می شود.
از آنجاییکه سی. پی. اچ. جزء سازنده ی فوتون است و با توجه به رابطه ی هم ارزِی جرم- انرژی و تولید و واپاشی زوج ذره – پاد ذره، بنابراین سی. پی. اچ. سنگ بنای اولیه همه ی ذرات، اجسام است و بطور کلی همه چیز در جهان از سی. پی. اچ. ساخته شده است. حتی میدانهای گرانشی و الکترومغناطیسی را نیز سی. پی. اچ. شکل می دهد.
اساس نظریه سی. پی. اچ.
حال با توجه به تعریف بالا که در مورد سی. پی. اچ. داده شد، اصل سی. پی. اچ. Principle of CPH بیان می شود. بنابراین نظریه سی. پی. اچ. بر اساس یک تعریف و یک اصل موضوع مطرح شده است. سپس خواهیم دید که چگونه سایر اصول فیزیک و قوانین بقا را از آن می توان نتجه گرفت. متعاقب آن مفهوم زمان و توضیح فیزیکی فضا- زمان بیان خواهد شد. نظریه سی. پی. اچ. ابزار قدرتمندی که در شرایط امروز می تواند کل ساختمان فیزیکی جهان و همه ی پدیده ها را توجیه کند. علاوه بر آن نظریه سی. پی. اچ. فیزیک برای درک شهودی پدیده های فیزیکی ابزار بسیار قدرتمندی است. اما ذکر این نکته نیز ضروری است که نظریه سی. پی. اچ. مانند همه ی نظریه های علمی بدون ابهام و اشکال نمی باشد. همیمن اشکالات و ابهامات است که زمینه تحقیقات آتی را فراهم می سازد تا علم سیر تکاملی خود را طی کند.
CPH اصل
سی. پی. اچ. یک ذره بنیادی با جرم ثابت است که همواره با مقدار سرعت ثابت VCPH>c نسبت به دستگاه لخت حرکت می کند. این ذره دارای لختی دورانی است. تحت هر شرایطی در جرم و مقدار سرعت آن تغییری داده نمی شود،(نسبت به دستگاه لخت) بطوریکه:
gradVCPH=0 in all inertial frames and any space
توجه: در شرایط مختلف فیزیکی تنها قسمتی از سرعت انتقالی آن به سرعت دورانی (یا بالعکس ) تبدیل می شود، بطوریکه در مقدار VCPH هیچگونه 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.
مجموع انرژی انتقالی و اسپینی سی. پی. اچ. همواره مقدار ثابتی است.
بنابراین هر سی. پی. اچ. دارای دو نوع انرژی انتقالی و انرژی اسپینی می باشد. از جمله در ساختمان فوتون، فرض کنیم یک فوتون از تعداد n سی. پی. اچ. تشکیل شده باشد، در اینصورت سی. پی. اچ. های تشکیل دهنده ی آن دارای سه نوع حرکت و در نتیجه دارای سه نوع انرژی هستند (شکل زیر) که مجموع این سه انرژی برابر مقدار ثابتی است. برای توضیح بیشر به مکانیزم تولید ذرات باردار توسط بوزون هیگز مراجعه کنید.
ساختمان فوتون: سی. پی. اچ. دارای سه نوع حرکت است، با سرعت c همراه فوتون، اسپین فوتون و اسپین خود سی. پی. اچ.
بنابراین در حالت کلی سی. پی. اچ. دارای دو نوع انرژی است، یکی انرژی جنبشی و دیگری انرژی اسپینی. این فصل را با جمع بندی خواص سی. پی. اچ. پایان می دهیم و در فصل بعد با استفاده از این خواص بررسی پدیده ها انجام خواهد شد.
1- جرم سی. پی. اچ. :
2- سرعت سی. پی. اچ. :
3 – اندازه حرکت سی. پی. اچ. :
4 – انرژی سی. پی. اچ. :
نظریه سی. پی. اچ. و زمان
مقدمه:
زمان یکی از پیچیده ترین کمیتهایی است که همواره ذهن همگان را بخود مشغول داشته و دانشمندان و فلاسفه بسیاری تلاش کرده اند ماهیت آن را شناسایی و تبیین کنند. در این مورد اندیشه های ملا صدرا عمق و غنای خاصی دارد. شاید دلیل کنجکاوی و حساسیت انسان نسبت به زمان ناشی از عمر کوتاه وی و آرزوی برخورداری از یک زندگانی جاوید باشد. همین کنجکاوی و حساسیت موجب پیدایش سئوالات بسیاری در مورد زمان شده که اساسی ترین آنها را می توان در سئالات زیر خلاص کرد:
1 – ماهیت زمان چیست؟
2 – آغاز و پایان جهان چگونه است؟
3- آیا می توان حرکت زمان را کندتر یا تندتر کرد؟
4- آیا می توان گذشته را بازسازی کرد؟
5 – چرا جهت زمان از گذشته به آینده است؟
هدف این فصل پاسخ فیزیکی به سئوالات بالا با استفاده از نظریه سی. پی. اچ. است. بنابراین نخست زمان را از نقطه نظر مکانیک کلاسیک مطرح کرده و سپس دیدگاه نسبیت تشریح می شود و سرانجام با توجه به نظریه سی. پی. اچ. زمان مورد بررسی قرار می گیرد. توجه به این نکته ضروری است که این بررسی با توجه به ویژگیهای سی. پی. اچ. است که در جدول ضمیمه (پائین صفحه) منعکس شده انجام می شود.
ساعت چیست؟
ساعت ابزاری است که تکرار پدیده ای خاص را نشان می دهد. زمین یک ساعت است، زیرا دائماً تکرار طلوع و غروب خورشید را نشان می دهد. قلب انسان نیز یک ساعت است، زیرا ضربانش پدیده ای تکراری است. اما برخی ساعتها منظم تر از برخی دیگر هستند. در مقام مقایسه زمین از قلب منظم تر است. زیرا با دویدن یا بیماری آهنگ ضربان قلب تغییر می کند. بنابراین زمین و قلب را نمی توان دو ساعت یکسان دانست، زیرا گاهی فاصله ی دو طلوع خورشید با تعداد x ضربان قلب و گاهی با تعداد y ضربان قلب اتفاق می افتد.
زمان از نظر نیوتن
زمان مطلق، واقعی و دقیق؛ مقدم به ذات و فقط وابسته و فرمانبردار طبیعت خویش است. منحصر به فرد است. همواره با توجه به طبیعت خود عمل میکند و هیچگونه تماسی با خارج از نهاد خود ندارد. عاری از حرکت است و ضرورتاً تغییرناپذیر. گذشت دقیق زمان مطلق، در بازه مطلقی رخ میدهد که هیچ تغییری بر موجودیت اجرام و اجسام صورت نمی پذیرد. بنابراین سنجش آن فقط با توجه به نهاد خودش ممکن است. در نقطه مقابل زمان نسبی، آشکار و متعارف قرار دارد که نسبت به موارد خارج از طبیعت خود حساس می باشد. منحصر بفرد نیست و با ابزار اطرافش سنجیده می شود. توسط عنصر حرکت مورد تحلیل قرار میگیرد و از آنجایی که در بازه می تواند قرار گیرد، درک آن مشهود است. دو ساعت، یک ماه، سه سال و غیره درک ما را از زمان نشان میدهد. از آنجا که قادر به تصور موردی ساکن در بعد زمان نیستیم، به واسطه عنصر جنبش به تغییر و حرکت اشراف پیدا میکنیم و بدین وسیله به گذشت زمان نسبی آگاهی پیدا میکنیم. زمان مطلق فرای درک ما و غیر قابل سنجش با ابزار اندازه گیری ما (و هر ابزار اندازه گیری نسبی دیگری) است. زمان مطلق فقط و فقط با مطلق اندازه گرفته می شود. "مطلق" ها می توانند جزیی از طبیعت مطلق باشند. از آنجایی که ما شناخت عملی از "مطلق" نداریم نمی توانیم مفهوم آن را حلاجی کنیم. بخشی از مشکل در نسبی بودن خود ما و درک ما است. مثلا میگویم: "حدود یک ساعت پیش بود که او رفت." از کجا میدانیم؟ از آنجا که او دیگر اینجا نیست. الان در جای دیگری است. به واسطه حس تغییر می فهمیم که فاصله زمانی لحظه ای که او ما را ترک کرد تا بدین لحظه بنا بر واحد و پایه استاندارد زمانی که بدان عمل میکنیم، مثلاً حدود 3600 ثانیه (این واحد نیز مقدم به ذات نمی باشد) شده است. اما این مبنا موجودیت عملی ندارد. یک قرارداد است مابین ما. میگویم پس حدود یک ساعت پیش بود که او رفت. این "یک ساعت" کاملاً نسبی است و منعکس کننده درک ما از گذر زمان است.
همچنانکه در سطور بالا ترسیم شد، در مکانیک کلاسیک زمان مطلق است. مطلق بودن زمان از نظر تجربی به این صورت است که هرگاه تعدادی ساعت یکسان داشته باشیم و این ساعتها را در یک لحظه خاص همزمان کنیم، مستقل از حرکت و تغییر مکان و… برای همیشه همزمانی آنها برقرار خواهد بود. بنابراین هر کوششی برای کند کردن گذشت زمان بیهوده خواهد بود. و زمان مستقل از اشیاء و پدیده های فیزیکی، حرکتی یکنواخت از گذشته به آینده دارد. بعبارت دیگر جهان دارای ساعتی است که با آهنگ ثابت تیک تاک می کند.
نیوتن و فضا
فضای مطلق، مقدم به ذات خود، بدون نیاز به عاملی خارجی همواره مشابه و بدون حرکت (تغییر) باقی می ماند. در عوض فضای نسبی، بعدی تغییرپذیر و یا میزانی برای سنجش فضای مطلق است. حواس ما با موقعیتشان نسبت به اشیاء همواره در حال تخمین و گمانه زنی هستند. نتیجه این سنجش با اجسام پیرامون است که ما آن را، عامیانه، ابعادی از فضای حرکت پذیر می دانیم. آن چیزهایی که ما به واسطه آنها "تغییر" را متوجه می شویم قادر به فهم "تغییر" در بعد مطلق نیستند. پس میگویم؛ فضای مطلق تغییرناپذیر است. ممکن است که فضای مطلق در نهاد خود تغییرپذیر باشد اما مطمناً نه به مفهوم "تغییر" که در نسبیت از آن نام میبریم. به بیان دیگر می توان چنین نیز گفت که فضای مطلق و نسبی در شکل و حجم یکسان هستند اما در مبنای عددی یکسان نمی باشند. زمانی که به فضای مطلق فکر میکنیم، اعداد ابزاری هستند خارجی. بنابراین توان سنجش در بعد مطلق را ندارند. یک تونل زیرزمینی و یا پلی هوایی را تصور کنید. فضای مطلق و نسبی که از تصور این دو در مغز ما شکل میگیرد یکسان و هم حجم است. اما به مجردی که میخواهیم آنها را حل و فصل کنیم، نسبتشان با سطح زمین را در نظر میگیریم. امتدادشان را با اعداد و ارقام می سنجیم. در یک کلام، مدام ابزاری خارجی نسبت به ذات مطلق می آفرینیم که تصویر قابل لمس گردد. در اینجا ما تصویری نسبی را در مغزمان ردیابی میکنیم و نه مطلق.
بنابراین از نظر نیوتن، زمان مطلق و فضا نیز مطلق و مستقل از یکدیگرند. ز یک نظر می توان به نیوتن حق داد که فضا و زمان را مطلق بداند. زیرا در مکانیک کلاسیک سرعت نامتناهی پذیرفته شده بود و انتقال علائم و آثار گرانشی بصورت آنی منتشر شوند. هرچند بسیاری از فیزیکدانان از جمله لایبنیتز باور نیوتن نیوتن را در مورد زمان قبول نداشتند، اما ایشان نیز نمی توانستند دلیل فیزیکی ارائه دهند که چرا زمان مطلق نیست یا آنکه بینش بهتری جایگزین آن کنند. نیوتن چنین تصور می کرد که جهان یک ساعت دارد، اما لایبنیتز جهان را ساعت می پنداشت. در هر صورت هیچکدام از این دیدگاه ها از پشتوانه ی دلایل فیزیکی برخوردار نبودند. تا آنکه سرانجام انیشتین با نفی سرعت نامتناهی توانست سرعت نور را بعنوان حد سرعت ها مطرح کنند و با استفاده از آن همزمانی ساعتها را در دستگاه های مختلف به چالش بکشد و ثابت کند که زمان نه تنها مطلق نیست، بلکه از یک دستگاه به دستگاه دیگر تغییر می کند.
نسبیت و زمان
طبق نسبیت سرعت باعث کند شدن گذر زمان می شود، یعنی زمانی که ناظر ساکن اندازه می گیرد، طولانی تر از زمان اندازه گیری شده توسط ناظری است که با سرعت از او دور می شود. در نسبیت همزمانی رویدادها بستگی به دستگاه مختصاتی دارد که ناظر همزمانی را بررسی می کند. زمانی که شخصی می گوید من هر روز راس ساعت دوازده شب می خوابم، منظورش این است که دو رویداد خوابیدن او و قرارگرفتن عقربه ساعت روی عدد دوازده بطور همزمان روی می دهند. اما مسئله اصلی این است که این دو رویداد که در یک چارچوب همزمان هستند، در چارچوب دیگری که نسبت به چارچوب اول در حال حرکت است، همزمان به نظر نمی آیند، هر چند هر دو چارچوب لخت باشند. بنابراین زمان، کمیتی مطلق نبوده و به سرعت چارچوب مرجع بستگی دارد. این پدیده قبلاً در فصل 26 انقباض طول یا منقبض شدن فضا مورد بررسی قرار گرفت، نتیجه ی آن رابطه ی زیر است: قطاری را در نظر بگیرید که با سرعت ثابت v در جرکت است. ناظری که در ایستگاه ساکن است، از نظر وی ساعت درون قطار کندتر از زمانی که در ایستگاه متوقف بوده کار می کند. اگر زمان را در ایستگاه T و در قطار t در نظر بگیریم، آنگاه خواهیم داشت:
ناظر ساکن در ایستگاه مشاهده می کند که ساعت درون قطار کندتر کار می کند.
بنابراین از دید ناظر ساکن، ساعت درون قطار کندتر از ساعت وی کار می کند. البته در سرعتهای معمولی مشاهده ی کند شدن ساعت متحرک محسوس نیست، در در سرعتهای قابل مقایسه با سرعت نور قابل توجه است.
ساعت متحرک کندتر کار می کند.
چون سرعت یک کمیت نسبی است، هر دو ناظر (ساکن روی زمین و سرنشین سفینه) هر یک ساعت دیگری را کندتر می بیند. این امر به مسئله ی پارادوکس دو قلوها تبدیل شده که در اینجا مورد بحث قرار نمی گیرد. اما آزمایشهای انجام شده در مورد مومزونها که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، اثبات شده است.
زمان در نسبیت عام
همچنانکه در نسبیت عام مورد بحث قرار گرفت، نسبیت عام به بررسی دستگاه های شتاب دار می پردازد. میدان گرانشی نیز یک دستگاه شتابدار است. در دستگاه های شتابدار فضا خمیده است، زیرا مسیر نور هنگام عبور از یک میدان گرانشی منحنی است که تحت عنوان فضا – زمان مطرح می شود. لذا فضا-زمان خمیده است و هرچه خمیدگی بیشتر باشد، ساعت کندتر کار می کند. یعنی در میدان گرانشی قوی تر، ساعت کندتر است.
انبساط زمان در میدان گرانشی
طبق نظریه نسبیت عام، ساعتی که در یک میدان گرانشی قوی تر قرار دارد، کندتر از ساعتی کار می کند که در میدان گرانشی ضعیف تر قرار دارد. بعنوان مثال در سطح سیاره ای به جرم M و شعاع R ساعت کندتر از ساعتی کار می کند که در ارتفاع h از سطح سیاره قرار دارد بطوریکه رابطه زیر بر قزاز است:
شدت میدان گرانشی موجب کندتر شدن ساعت می شود.
که در آن G ثابت جهانی گرانش، c سرعت نور است.
ساعتی که در ارتفاع قرار دارد، تندتر کار می کند.
زمان ویژه
زمان ویژه زمانی است که ناظری که در فضا – زمان حرکت می کند، بوسیله ساعت خود اندازه گیری می کند. زمان ویژه در نسبیت عام اهمیت زیادی دارد، زیرا آثار انبساط زمان را ناظر توسط آن می تواند در موقعیت های مختلف و در مسیر های متفاوتی که در فضا – زمان طی می کند، بسنجد. فرض کنیم ناظری مسیر p را در فضا – زمان طی می کند برابر باشد، در این صورت زمان ویژه ناظر از انتگرال زیر به دست می آید:
که در آن اندازه زمانی است که در مسافت کوتاه dp اندازه گیری شده است که از رابطه زیر به دست می آید:
که در آن زیر رادیکال طول ژئودزیک مسیر ناظر در فضا – زمان نسبیت عام است. که اگر آن را با استفاده از فضا – زمان مینکوفسکی بیان کنیم بصورت زیر خواهد شد (سبیت عام را ببینید):
دیسک دوار
از آنجاییکه چارچوبهای شتاب دار به در نسبیت عام مورد بررسی قرار می گیرند، لذا می توان دیسک دوار را یک چارچوب شتابدار در نظر گرفت و رویدادها از جمله مسئله ی زمان را در آن مورد بررسی قرار داد. دیسک چرخانی را در نظر بگیرید که با سرعت دورانی در حال چرخش حول محوری است که از مرکز آن می گذرد. یک ناظر در حال چرخیدن به دور ناظر دیگری است. زمان ویژه ناظر دوار را می توان از رابطه زیر به دست آورد.
که نشان می دهد زمان ناظر چرخان کمتر از زمان ناظر ثابت است.
اگر بجای که معادل سرعت خطی v است، v قرار دهیم، همان رابطه (1) به دست خواهد آمد.
در نسبیت (چه در نسبیت خاص و چه در نسبیت عام)، زمان از یک دستگاه به دستگاه دیگر یا یک مکان به مکان دیگر تغییر می کند. در نسبیت خاص زمان تابع سرعت و در نسبیت عام تابع شتاب دستگاه است. در هر صوردت دو مسئله در اینجا قابل توجه و جمعبندی است:
1 – افزایش سرعت خطی v موجب کند شدن زمان می شود. این کاهش تا جایی ادامه می یابد که اگر سرعت v بسمت سرعت نور میل کند، زمان کاملاً متوقف مب شود.
2 – افزایش شتاب گرانشی یا شدت میدان گرانش موجب کند شدن زمان می شود. اگر در رابطه
زیر رادیکال صفر شود، آنگاه زمان کاملاً متوقف می شود.
حال به بررسی پدیده ی آهنگ ساعتها از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. می پردازیم.
نظریه سی. پی. اچ. و زمان
در نظریه سی. پی. اچ. همه ی ذرات/اجسام از سی. پی. اچ. تشکیل شده است. بنابراین برای بررسی آهنگ یک ساعت باید دید که سی. پی. اچ. های سازنده ی آن در شرایط مختلف فیزیکی چگونه رفتار می کنند. قبل از هرچیز به این مسئله باید توجه داشت که سی. پی. اچ. همواره با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت می کنند، یعنی:
سی. پی. اچ. همواره با مقدار سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت می کند.
بنابراین گذشت زمان شامل سی. پی. اچ. نمی شود. بعبارت دیگر زمان بر سی. پی. اچ. نمی گذرد. نه تغییر میکند و نه نابود می شود. این نتیجه ی دور از انتظاری نیست، زیرا طبق قانون بقای جرم-انرژی نیز، چیزی نابود نمی شود. تنها در اینجا باید نیرو را نیز به آن افزود.
رابطه ی (3 بالا) نشان می دهد که مجموع سرعت اسپینی و انتقالی سی. پی. اچ. همواره ثابت است. طبق اصل سی. پی. اچ. نیز تمام سرعت سی. پی. اچ. از انتقالی به اسپینی یا بالعکس قابل تبدیل است. در این تغییر سرعت ها است که بر اثر خواص بار-رنگی سی. پی. اچ. ها ایجاد می شود، ذرات مختلف بوجود می آیند که با سرعتی کمتر از سرعت سی. پی. اچ. حرکت می کنند و زمان بر آنها می گذرد. بعبارت دیگر همه ذرات (بجز سی. پی. اچ.) حتی فوتونها نیز مشمول گذر زمان هستند. برخی ذرات عمر بیشتری دارند و برخی دیگر، عمری کوتاه تر دارند، اما همه ی آنها سرانجام متلاشی می شوند.
زمان در نسبیت خاص و سی. پی. اچ.
طبق رابطه (1) هرگاه سرعت دستگاه v افزایش یابد، ساعت درون آن نیز کندتر می شود. بنابراین سرعت سیستم (یا ذرات) با سی. پی. اچ. قابل مقایسه است. جسم ساکنی را در نظر بگیرید که ساعت متصل به آن با آهنگ خاصی حرکت می کند. سرعت آن را افزایش می دهیم، هرچه مقدار این سرعت به سرعت سی. پی. اچ. نزدیکتر شود، ساعت کندتر می شود. هنگامیکه سرعت آن به سرعت نور برسد (فوتونها)، تقریباً زمان برای آن بسمت صفر می کند، اما متوقف نمی شود. بهمین دلیل فوتونها نیز واپاشیده می شوند (تولید زوج را بخاطر آورید.).
زمان در نسبیت عام و سی. پی. اچ.
در نسبیت عام، ساعتی که در میدان گرانشی قوی تر قرار دارد، کندتر از ساعتی که در میدان گرانشی ضعیف تر قرار دارد، کار می کند. از طرف دیگر در نظریه سی. پی. اچ.، هرچه چگالی گراویتون بیشتر باشد، بار – رنگها بیشتر بر هم اثر می کنند و مانع تبدیل سرعت اسپینی سی. پی. اچ. ها به سرعت خطی می شوند. بهمین دلیل مانع از انتشار سی. پی. اچ. ها (کوانتومهای انرژی) در فضا می شوند. یعنی از در مقابل حرکت ساعتها، ممانعت ایجاد می شود. لذا در سطح زمین، ساعت کندتر از بالای کوه کار می کند.
حال اگر گذشت زمان در نسبیت عام و نسبیت خاص را تواماً در نظر بگیریم متوجه خواهیم شد که زمان (برای ذرات و اجسام) از دو طریق قابل انبساط است، یکی افزایش سرعت انتقالی، بطوریکه هرچه سرعت انتقالی بیشتر و به سرعت سی. پی. اچ. نزدیکتر شود، و دیگری تبدیل سرعت انتقالی به اسپین. بنابراین زمان تابع اسپین است، یعنی:
T=T(s, v)
رابطه بالا از دو طریق بیشینه می شود. یکی زمانیکه v بسمت VCPH میل کند، و دیگری هنگامیکه S افزایش یابد. توجه شود که در اینجا از نظر تغییر آهنگ ساعتها چیزی به نسبیت افزوده نمی شود، فقط ماهیت فیزیکی و دلیل شهودی کند شدن یا تند شدن ساعتها بیان می شود. اما مطلب مهمی که می توان به نسبیت افزود توضیح زمان است که در نسبیت به آن توجه نشده است.
ماهیت زمان
در نظریه سی. پی. اچ. همه ی ذرات از سی. پی. اچ. تشکیل می شود(شکل زیر).
سی. پی. اچ. به انرژی و انرژی به ماده و پاد ماده تبدیل می شوند.
سی. پی. اچ. ها بر اثر خاصیت بار-رنگی که دارند، بیکدیگر گشتاور وارد می کنند و اسپین می گیرند. با هم ترکیب شده و کوانتومهای انرژی پدید می آیند و ساعت درست می شود. این ساعت (کوانتوم انرژی) متلاشی می شود (تولید زوج ذره – پاد ذره) و ساعتهای جدید بوجود می آیند. بنابراین هر ذره یا جسمی در طبیعت یک ساعت است. در لحظه ای خاص تولید می شود و تعدادی تیک تاک انجام می دهد و دوباره به سی. پی. اچ. یا ذرات دیگر واپاشیده می شود. یعنی هر چیزی در جهان (حتی جهان قابل رویت) یک ساعت است.
لذا از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.، جهان انباشته از ساعت ها است، یعنی فقط ساعت وجود دارد. لذا ناظر تنها ساعتها را می بیند و آهنگ حرکت ساعتها را. بنابراین زمان بیان یا نام آهنگ تیک تاک ساعت ها است و بنفسه بیان کننده هیچ کمیت خاصی نیست. بعبارتی صریح و روشن، زمان تنها یک نام است و موجودیت دیگری ندارد. زمان نام پدیده ی خاصی است که در طبیعت روی می دهد و آن تیک تاک ساعت است، مانند نامی که به حرکت خاصی مثلاً حرکت دورانی یا پردابه می دهیم.
بنابراین در جهان فقط ساعتها وجود دارند و رابطه ساعتها با یکدیگر و زمان تنها بیان کننده ی نوعی حرکت یا ارتباط بین پدیده ها با یکدیگر است. از این دیدگاه همچنانکه زمان بر سی. پی. اچ. ها نمی گذرد، هستی نیز فاقد زمان است، یعنی لحظه ی از عمر کل هستی نمی گذرد، پس لحظه ی آفرینش هم اکنون است. اما هر چیزی در نظام هستی، یک ساعت است. در لحظه ای خاص شکل می گیرد و پس از آنکه یکسری حرکت انجام داد، از حرکت باز می ماند و ساعتی دیگر بوجود می آید.
لذا فضا- زمان یعنی جرم و کنشی که با محیط دارد. با در نظر گرفتن هم ارزی جرم و انرژی، می توانیم بگوییم فضا-زمان چیزی بجز انرژی نیست. اما اگر بخواهیم دقیقتر بیان کنیم، باید گفت که در نظریه سی. پی. اچ.، فضا – زمان یعنی توده های سی. پی. اچ. و کنش آنها با یکدیگر.
حال می توانیم سئوالات مطرح شده در آغاز این متن را بررسی کنیم.
1 – ماهیت زمان چیست؟
همچنانکه در سطور بالا بیان شد، زمان هیچگونه موجودیت فیزیکی ندارد، تنها نام یا اصطلاحی است که برای حرکت یا آهنگ ساعت ها بکار می رود.
2 – آغاز و پایان جهان چگونه است؟
اگر منظور از جهان کل نظام هستی است، جهان هیچ آغاز و پایانی ندارد، نه از نظر زمانی و نه از نظر مکانی. اما جهان قابل مشاهده، مانند همه ی ساعت ها، لحظه ای تشکیل شده و پس از تعدادی تیک تاک، فرو میریزد یا واپاشیده می شود. مانند منظومه شمسی یا ستارگان.
3- آیا می توان حرکت زمان را کندتر یا تندتر کرد؟
اگر به جای زمان، ساعت بگذاریم، می توان حرکت آن را کندتر یا تندتر کرد. تنها مشکل شناخت مکانیزم عمل و فناوری است. یعنی تا جایی می توان آهنگ ساعت ها را کند کرد که تیک تاک آنها بسمت صفر میل کند، اما نمی توان مانع از تیک تاک آنها شد. یعنی ساعت ها نمی توان از کار انداخت بطوریکه ماهیت ساعت بودن خود را حفظ کنند، اما می توان سرعتشان را کم یا زیاد کرد.
4- آیا می توان گذشته را بازسازی کرد؟
هیچ دلیل منطقی و فیزیکی وجود ندارد که نتوان گذشته با بازسازی کرد. تنها مشکل در شناخت ویژگیهای گذشته و مکانیزم بازسازی است.
5 – چرا جهت زمان از گذشته به آینده است؟
چون ما با ساعت ها سر و کار داریم، و ساعت ها نیز آغازی دارند، چنین تصور می کنیم که زمان تنها یک جهت و آنهم از گذشته به آینده دارد. در حالیکه اصولاً زمان موجودیتی ندارد که سو داشته باشد. ولی اگر منظور از زمان همان حرکت ساعت ها باشد، می توان گذشته ی آنها را بازسازی کرد، در اینصورت نمی توان گفت که زمان فقط یکسو دارد.
بار – رنگها فضا را خمیده می کنند
مقدمه:
یکی از مهمترین دستاوردهای نسبیت عام انحنای فضا – زمان بود. اینشتین در سال 1915 با ارائه نسبیت عام، نسبیت خاص را از دستگاه های لخت به دستگاه های شتابدار تعمیم داد. نتیجه ی مستقیم این تعمیم پیشگویی انحنای فضا بود. در این نوشته نخست سعی می شود انحنای فضا توضیح داده شود و سپس خواهیم دید که نظریه سی. پی. اچ. چگونه انحنای فضا را توجیح می کند. اما قبل از آن یادآوردی برخی مفاهیم ضروری است.
اینشیتن تلاش کرد ساختار هندسی فضا را بصورت معادلات ریاضی بیان کند. بهمین دلیل از هندسه ی نااقلیدسی ریمان (هندسه ی بیضوی) بهره گرفت و معادلات میدان را ارائه کرد. در اینجا سه نکته بسیار مهم قابل توجه است:
1 – معادلات میدان نظریه نسبیت به صراحت از اصل هم ارزی نتیجه نمی شود، بلکه ساده ترین معادلاتی است که با نسبیت توافق دارد.
2 – توضیح فیزیکی برای انحراف مسیر نور در میدان گرانشی ارائه نشده است. هرچند بحث دستگاه ها نیز یک روش فیزیکی برای توضیح پدیده ها است، اما اینکه میدان گرانشی چه تاثیر بر روی فوتون می گذارد که مسیر پرتو نوری خمیده می شود، مسئله ی دیگری است که نسبیت در مورد آن سکوت کرده است.
3- فضا-زمان در نسبیت کمیتی پیوسته است. در حالیکه تغییر انرژی و اصولاً تولید انرژی کوانتومی است. لذا با فضا-زمان پیوسته نمی توان تغییرات گسسته ی انرژی فوتون را توجیح کرد.
بنابراین در ادامه تلاش می شود توجیه فیزیکی انحنای فضا با توجه به ساختمان فوتون بررسی گردد.
سطوح هم پتانسیل
یک میدان را در نظر بگیرید. بسته به اینکه شما چه میدانی را در نظر گرفته اید و کدام ویژگی را برای این میدان تعریف کرده اید، تمام نفاطی از فضا را که دارای این ویژگی و برابر هستند، سطح هم پتانسیل می گوییم. به عنوان مثال؛ فرض کنیم در یک اطاق بخاری روشن و در حال انتشار گرما است. هرچه به بخاری نزدیکتر شویم، دما بیشتر خواهد شد. تمام نقاط اطاق که دارای درجه حرارت یکسانی (مثلاً 20 درجه) هستند، تشکیل یک سطح هم پتانسیل در این میدان حرارتی می دهند.
حال میدان گرانشی را در نظر بگیرید. شدت گرانش از نقطه ای به نقطه دیگر در این میدان احتمالاً تغییر می کند. اما نقاطی در این میدان وجود دارند که از نظر شدت میدان گرانشی برابرند، مجموعه همه ی این نقاط را سطح هم پتانسیل می گوییم. شکل زیر
در شکل بالا فرض شده که جسم کاملاً کروی است. این جسم در فضای اطراف خود میدان گرانشی ایجاد کرده و با توجه به رابطه ی
g=GM/r2
تمام نقاطی از فضا که بر روی یک کره بمرکز مشترک جسم و آن کره قرار دارند، دارای پتانسیل گرانشی برابر هستند و تشکیل یک سطح هم پتانسیل می دهند. در این شکل کره بنفش (که در شکل بصورت دایره نشان داده شده است) یک سطح هم پتانسیل است که شدت گرانش در تمام نقاط واقع بر این سطح فرضی، برابرند.
بهمین ترتیب کره های سبز، قزمز… همه تشکیل یک سطح هم پتانسیل گرانشی می دهند. بدیهی است که پتانسیل این کرات با هم برابر نیستند، اما هرکدام یک سطح هم پتانسیل گرانشی را شکل می دهند.
حال به سقوط و صعود فوتون در میدان گرانشی توجه کنید. همچنانکه که در فصول گذشته بطور مفصل بحث شد، هرگاه فوتون در یک میدان گرانشی سقوط کند، انرژی آن افزایش می یابد که جابجایی بسمت آبی گرانش نامیده می شود. و هنگام صعود انرژی آن کاهش می یابد که جابجایی بسمت سرخ است. در شکل بالا عبور فوتون از سطوح مختلف پتانسیل گرانشی موجب تغییر فرکانس (انرژی) آن می شود. با کاهش فصله از جسم، جابجایی بسمت آبی و با افزایش فاصله جابجایی بسمت سرخ است.
حال باید ببینیم این پدیده را همراه با انحنای فضا چگونه می توان با نظریه سی. پی. اچ. توجیه کرد.
انحنای فضا از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
فرض کنیم یک فوتون از فضای بسیار دور نسبت به یک جسم، وارد میدان گرانشی آن می شود. همانطور که می دانیم فوتون با سرعت نور و روی خط مستقیم حرکت می کند و فاصله را بصورت حاصلضرب سرعت در زمان نسبت به دستگاه لخت طی می کند. شکل زیر
مسیر نور در فضا و دور از میدان گرانشی از دید ناظر لخت
هرچند که نمی توان فضای تهی آرمانی، یعنی جایی که میدان گرانشی وجود نداشته باشد یافت، اما فرض می کنیم گرانش جنان ضعیف است که اثر قابل توجهی بر روی نور ندارد.
حال این پرتو نوری وارد میدان گرانشی می شود. تحت تاثیر میدان گرانشی قرار می گیرد و مانند یک ذره ی جرم دار در میدان گرانشی رفتار می کند. زیرا فوتون دارای انرژی و جرم و اندازه حرکت است که از رابطه ی زیر به دست می آید.
در غیاب میدان گرانشی، همه مقادیر بالا وابسته به فوتون ثابت می ماند. اما در میدان گرانشی تغییر می کند و این تغییرات تابع شدت میدان گرانشی یا عبور از یک سطح هم پتانسیل به سطح هم پتانسیل دیگر است.
طبق نظریه سی. پی. اچ.، میدان گرانشی از بار-رنگها تشکیل می شود که با ورد بار-رنگ به ساختمان فوتون انرژی آن افزایش می یابد و با خروج بار-رنگ، انرژی فوتون کاهش می یابد. از طرف دیگر بار-رنگها نیز دارای تکانه و انرژی جنبشی هستند و هنگام ورود بار-رنگ به ساختمان فوتون، تکانه ی آن نیز موثر است و تکانه ی فوتون را تغییر می دهد که با توجه به طول موج دوبروی بسادگی قابل توضیح است. زیرا با ورود بار-رنگ به ساختمان فوتون و افزایش انرژی فوتون، فرکانس آن نیز افزایش می یابد و در نتیجه طول موج کاهش یافته و بنابراین تکانه نیز طبق رابطه بالا افزایش می یابد.
از طرف دیگر تغییر تکانه با نیروی وارد شده متناسب است. لذا با توجه به جهت حرکت بار-رنگها، جهت نیروی وارد بر فوتون نیز مشخص می شود. شکل زیر
هنگامیکه فوتون وارد میدان گرانشی می شود، تحت تاثیر بار-رنگها قرار می گیرد. جهت حرکت تمام بار-رنگها بطرف جسم عامل میدان گرانشی است. بنابراین با توجه به موقعیت مکانی فوتون و جهت حرکت بار-رنگ Aورودی می توان مسیر جدید فوتون را مشخص کرد. در نقطه
فوتون با اولین بار-رنگ کنش خواهد داشت. جهت حرکت فوتون با محور افقی هم جهت است و جهت حرکت بار- M رنگ بطرف مرکز جسم
است. در همین نقطه جهت حرکت فوتون تغییر می کند و در راستای محور عمودی منحرف می شود. در نقاط بعدی نیز بهمین ترتیب مسیر حرکت فوتون دائماً تغییر می کند و بصورت منحنی در می آید.
کنش بار-رنگ و فوتون
حال فوتونی را در نظر بگیریم که با یک بار-رنگ کنش دارد و بار-رنگ وارد ساختمان فوتون می شود. به جهت حرکت بار-رنگ و فوتون دقت کنید. شکل زیر
با ورود بار-رنگ به ساختمان فوتون، یک فوتون جدید خواهیم داشت با انرژی جدید، جهت حرکت جدید و اندازه حرکت جدید. بایستی توجه داشت که در این فرایند تمام قوانین بقا محفوظ می مانند. با این نگرش بخوبی واضح است که چرا مسیر نور در میدان گرانشی خمیده است. حال با توجه به خمیدگی مسیر نور می توانیم این مسیر را بصورت یک حرکت دو بعدی و منحنی شکل در نظر بگیریم و آن را با توجه به شرایط محیطی مورد بررسی قرار دهیم.
انحنای منحنی دو بعدی
فرض کنیم متحرکی در صفحه دارای حرکت منحنی شکل است. مسیر حرکت این متحرک را می توان بصورت کلی زیر نشان داد.
توابعی پارامتری از متغییر دیگری هستند
x, y
در اینصورت انحنای منحنی در هر نقطه ی دلخواه واقع بر آن از رابطه ی زیر به دست می آید:
مسیر نور در میدان گرانشی را می توان یک منحنی در فضای دو بعدی در نظر گرفت و با توجه به شدت میدان گرانشی انحنای آن را بر حسب زمان به دست آورد. اما این کار چندان ساده ای نیست.
مشکلات تعیین انحنای فضا
برای تعیین انحنای منحنی مسیر نور (یا انحنای فضا) در میدان گرانشی سه مشکل اساسی وجود دارد:
1 – زمان کمیتی مطلق نیست. بنابراین معادله مسیر که خود تابع زمان است، باید با توجه به تاثیر گرانش بر زمان مورد توجه قرار گیرد. در نظریه سی. پی. اچ.، زمان تابع نیروهای خارجی است و اصولاً زمان به دلیل وجود نیروهای خارجی پدید می آید. اما فعلاً برای اجتناب از اطاله ی کلام وارد چگونگی آن نمی شویم و به نگرش نسبیت به زمان در میدان گرانشی توجه می کنیم.
در نسبیت، زمان تابع پتانسیل گرانشی است و هرچه شدت گرانشی بیشتر باشد، ساعت کندتر کار می کند. فرض کنیم یک ساعت در سطح زمین قرار داشته باشد و ساعت دیگری در بالای جو (مثلاً در یک ایستگاه فضایی)، چون شدت گرانشی در سطح زمین بیشتر از بالای جو است، ساعت ساکن روی زمین کندتر از ساعت بالای جو کار خواهد کرد. اصولاً می توان اختلاف آهنگ ساعت ها را از روی اختلاف پتانسیل تعریف کرد. به رابطه ی زیر توجه کنید:
بنابراین با سقوط فوتون و کاهش ارتفاع آن نسبت به سطح جسم، آهنگ زمان در محل حرکت فوتون کاهش می یابد و نمی توان در رابطه ی ct زمان را مانند دستگاه لخت در نظر گرفت.
2 – با تغییر سطح پتانسیل (شدت میدان گرانشی)، با در نظر گرفتن رابطه ی زمان (شکل بالا) ضریب تبدیل زمانها از دید ناظر ساکن بر سطح جسم (یا هر ناظر دیگری) نیز تغییر می کند، زیرا فاصله تغییر می کند که در آهنگ ساعت موثر است.
3 – جهت حرکت فوتون (پرتو نوری) دائماً در حال تغییر است. تغییر جهت حرکت و تغییر شدت میدان گرانشی تواماً موجب می شود حرکت فوتون روی هر دو محور افقی و قائم، حرکتی با شتاب متغییر باشد. لذا خواهیم داشت:
x=f(t, r, q) , y=g(t, r, q)
لذا معادله ی حرکت روی هر دو محور شتابدار، با شتاب متغییر است. شتاب گرانش را در هر نقطه از مسیر می توان بصورت:
g=GM/r2
در نظر گرفت. تنها باید مولفه های افقی و عمودی آن را جدا کرد. اما زاویه نیروی وارد بر فوتون هرچند در محاسات نقش مهمی دارد، اما یک کمیت اساسی مربوط به فضای مورد مطالعه نیست. ولی زمان و گرانش، چزء غیر قابل تفکیک از ویژگیهای فضا هستند. لذا ما بطور کلی در فضای پنچ بعدی بسر می بریم. بهیچ وجه نمی توانیم هیچ یک از دو کمیت زمان و نیرو را نادیده بگیریم. لذا در حالت کلی باید پنج بعد را در معادلات منظور داشت، سه بعد برای فضای تهی، یک بعد برای نیرو و یک بعد نیز برای زمان. و هر تابعی که بخواهد مسیر حرکت را بطور واقعی مورد بررسی قرار دهد، الزاماً باید بشکل توابع پنج بعدی فرمول بندی شود، یعنی:
(x, y, z, f, t)
ما در این مورد خاص حرکت را تنها در دو بعد در نظر می گیریم و باید معادلات را بصورت:
(x, y, f, t)
فرمولبندی کنیم. همچنین در مورد مسیر که کمیتی پیوسته است، تاثیری در ویژگی گسستگی فضا-نیرو-زمان نخواهد داشت. واقعیت این است که فضای مادی خود گسسته است. زیرا ما با رفتار ذرات و ویژگی آنها و کنش مقابل بین آنها سروکار داریم. اصولاً فضای بدون ماده چیز قابل تصوری نیست و هر برداشتی از فضا به نوعی با مفاهیم مادی در هم می آمیزد. ماده به هر شکلی که ظاهر شود، خود از کوانتومها یا زیر کوانتومها و یا ترکیبی از آنها تشکیل می شود. بنابراین بررسی فضای فیزیکی با نگرش ریاضی به مختضات فضایی تفاوت کلی دارد. و فضای فیزیکی کوانتیده است.
معادلات حرکت نور در میدان گرانشی
فوتونی را در نظر بگیرید که در میدان گرانشی با بار-رنگها (گراویتونها یا گرانش) در کنش متقابل است. (شکل زیر) بار-رنگها با اندازه ی حرکتی که دارند وارد ساختمان فوتون می شوند و اندازه حرکت فوتون تغییر می کند.
در حالت کلی تغییر سرعت مترادف است با اعمال نیرو و تغییر اندازه ی حرکت. ورود بار-رنگ به ساختمان فوتون طول موج و در نتیجه اندازه ی حرکت آنرا تغییر می دهد. تغییر اندازه ی حرکت در حالت کلی روی هر دو محور انجام می گیرد. تغییر اندازه ی حرکت فوتون می تواند هم از نظر مقدار سرعت باشد و هم از نظر جهت سرعت. اما در اینجا تغییر مقدار سرعت مد نظر نیست و تنها از نظر تغییر جهت سرعت مورد مورد بررسی قرار می گیرد.
در مدت زمان کوتاهی که بار-رنگ وارد ساختمان فوتون می شود، مجموعه ی فوتون و بار-رنگ دارای شتاب هستند. این شتاب، تابع شدت میدان گرانشی است، زیرا چگالی بار-رنگ ها تعیین کننده ی شدت میدان گرانشی در هر نقطه از فضا است.
با توجه به نمودار بالا و تغییر اندازه حرکت و انرژی فوتون می توان معادلات مربوطه را به دست آورد.
فرض کنیم فوتون با جرم و اندازه حرکت P1 , m1
: در مسیر خود با تعداد n بار-رنگ کنش دارد. جرم و اندازه حرکت هر بار-رنگ برابر است با
pi , m
بار-رنگها همگی دارای جرم برابر ولی اندازه ی حرکت متفاوت هستند. زیرا اندازه ی حرکت کمیتی برداری است. کنش بین فوتون و بار-رنگها را در صفحه و روی دو محور در نظر می گیریم. شکل زیر
همجنانکه در روابط بالا نشان داده شده اندازه ی حرکت فوتون روی هر دو محور تغییر می کند. محور افقی x را طوری انتخاب می کنیم ناظر و چشمه نور (ستاره ای که نور از آن آمده) روی آن قرار داشته باشند. شکل زیر
کنش بار-رنگها و فوتون موجب تغییر مسیر پرتو نوری شده و مسیر حرکت را خمیده می کند. اما بررسی تغییرات اندازه ی حرکت روی محور افقی حاوی نکات بسیار ظریف و مهمی است. زیرا این تغییرات می تواند جهت انتقال نور را وارونه کرده و حتی موجب سقوط فوتون در جسم شود. به شکل زیر توجه کنید:
نور در یک میدان گرانشی شدید
چند منطقه در مسیر پرتو نوری در شکل انتخاب شده و بررسی می شوند.
A
نور تقریباً بطور عمودی بر سطح جسم حرکت میکند. اما جون بطور کامل عمود نیست، بطور آزاد سقوط نمی کنند. اما جهت حرکت آنها بگونه ای است که وارد سطح پتانسیل گرانشی 1 شده و مانند سیاره ای بدور جسم به گردش در می آیند. منطقه D
اندازه حرکت و در نتیجه سرعتی که در جهت محور افقی x دارند، مانع از سقوط کامل بدورن جسم است.
B
پرتوهایی که در این منطقه حرکت می کنند، در سطح پتانسیل 1 و 2 در حرکتند، بعضی از این پرتوها (فوتونها) بسطح پتانیل 1 سقوط می کنند و بدور جسم می چرخند. اما برخی دیگر از این پرتوها بر اثر تغییر اندازه ی حرکت افقی در جهت مخالف حرکت اولیه برگشت داده شده و میدان گرانشی جسم را ترک می کنند.
C
در این منطقه تنها مسیر پرتوها تغییر می کند و میدان گرانشی را ترک می کنند.
بطور کلی آنچه که در اینجا حائز اهمیت است، توجه به اندازه حرکت افقی فوتونهای فرودی و اندازه حرکت بار-رنگها است. به شکل زیر توجه کنید:
اندازه حرکت فوتونها در جهت محور افقی تغییر می کند تا جاییکه به مقدار ثابتی برسد
و سپس مانند سیاره بدور جسم بگردش در می آیند.
فوتون بسرعت اندازه حرکت افقی و قائم خود را از دست می دهد و سقوط می کند
محاسبه ی انحنای فضا
یکبار دیگر رابطه ی انحنای منحی را در نظر بگیرید:
با توجه به مطالب بخش قبل، حرکت پرتو نوری در میدان گرانشی روی هر دو محور شتابدار است. بنابراین اگر شتاب روی دو محور مشخص گردد، می توان با انتگرال گیری، سرعت را نیز به دست آورد. همچنانکه در رابطه بالا مشخص شده، برای محاسبه انحنای مسیر پرتو نوری به مشتق اول و دوم نیاز داریم. مشتق اول سرعت و مشتق دوم شتاب است. لذا اگر شتاب را داشته باشیم، در هر نقطه از مسیر می توان انحنای مسیر نور را حساب کرد.
اما شتاب تابعی سه نتغییره از فاصله، زاویه و زمان یعنی:
(r, q , t)
است که در روابط:
باید منظور گردند. در حالیکه اگر از معادلات مربوط به اندازه ی حرکت استفاده کنیم، بسیار زودتر و ساده تر به نتیجه خواهیم رسید. زیرا در روابط:
گر شدت میدان گرانشی را داشته باشیم (یا برای اجسام چگال فرض کنیم) و با مقایسه آن با شدت میدان گرانشی اجسام شناخته شده نظیر زمین، ماه و خورشید، می توانیم بخوبی نتایج مورد نظر را به دست آوریم. تنها کافیست شدت میدان گرانشی را با چگالی بار-رنگ در ارتباط قرار دهیم.
معماهای فیزیک و نظریه سی. پی. اچ
مقدمه:
گوردن کانه Gordon Kane نظریه پرداز فیزیک ذرات و استاد فیزیک در دانشگاه میشیگان که کارهاى او روى آزمایش و گسترش مدل استاندارد فیزیک ذرات متمرکز است، ده سئوال بی جواب فیزیک را در www.sciam.com منتشر کرده است. برای مطالعه متن کامل سئوالات گوردن کانه به فصل 72: آن سوى مدل استاندارد مراجعه فرمایید. در این فصل سئوالات یاد شده از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بررسی می شود. اما قبل از آن انرژی و انرژی گرمایی با استفاده از نظریه سی. پی. اچ. توضیح داده می شود.
فضا-زمان چگونه انرژی تولید می کند؟
Zero point energy (ZPE)
یک کوانتوم انرژی از تعداد زیادی سی. پی. اچ. تشکیل می شود. سی. پی. اچ. ها روی یکدیگر کار انجام می دهند و انرژی تولید می کنند. البته این رویداد هنگامی رخ می دهد که چگالی گرانش بالا است. شکل زیر
با توجه به اندازه ی فوتون گاما می توان چگالی سی. پی. اچ. را در ساختمان فوتون به دست آورد. قطر یک الکترون تقریباً بربر 18- 10 متر است. یک فوتون گاما در تولید زوج، یک الکترون و یک پوزیترون تولید می کند. فرض کنیم حجم یک فوتون گاما تقریباً دو برابر حجم الکترون باشد.
کوانتومهای انرژی از تعدادی سی. پی. اچ. تشکیل می شوند
هرچه تعداد سی. پی. اچ. در ساختمان فوتون بیشتر باشد، انرژی فوتون نیز بیشتر است.
فرض کنیم چگالی سی. پی. اچ. در ساختمان فوتون به صورت زیر باشد.
De(cph)=n per m3
فضا از گراویتون انباشته است. گراویتون ها روی یکدیگر کنش دارند و خواص بار -رنگی آنها باعث انباشته شدن سی. پی. اچ. ها می شود و امواج الکترومغناطیسی تولید می کنند. هنگامی گراویتون ها به انرژی تبدیل می شوند که چگالی آنها به مقدار زیر برسد:
De(cph)=n per m3
بنابراین انتگرال روی فضا از چگالی صفر تا چگالی فوتون، پروژه تولید انرژی الکترومغناطیسی توسط گرانش یا انرژی نقطه صفر است.
انتگرال فضا نسبت به چگالی سی. پی. اچ. انرژی نقطه صفر یا ZPE انرژی است.
باید توجه داشت که فرایند تولید انرژی در فضا مستقل از وجود گرانش یا سی. پی. اچ. نیست. بالا رفتن شدت گرانش بمعنی افزایش چگالی سی. پی. اچ. و تسریع روند تولید انرژی است. اما در فضای بین ستارگان که چگالی سی. پی. اچ. پائین است، روند تولید انرژی، اما با سرعت کمتری وجود دارد.
انرژی گرمایی از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
در نظریه سی. پی. اچ.، انرژی همان ماده است و تنها تفاوت آنها در اختلاف سرعت انتقالی آنها است. به توجه به خواص سی. پی. و هامیلتونی سی. پی. اچ. ECPH=T+S درجه حرارت یک سیستم تابع T یعنی انرژی انتقالی سی. پی. اچ. های تشکیل دهنده آن است.
تبدیل انرژی اسپینی به انرژی انتقالی سی. پی. اچ. های یک سیستم گرما زا است.
اگر شعله های یک گاز در حال اشتعال را در نظر بگیریم، بسادگی می تواند فرایند گرما زایی تبدیل انرژی اسپینی به انرژی انتقالی سی. پی. اچ. ها را توجیه کند. در شکل زیر گاز مشتعل انواع طول موجهای انرژی الکترومغناطیسی را تولید می کند.
گاز مشتعل: در سمت راست کوانتومهای تولید شده حاصل از اشتعال گاز
نسبت به سمت چپ تعداد بیشتری سی. پی. اچ. دارند.
از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. کمیتی را که ما بعنوان انرژی معرفی می کنیم، همان ماده است که با سرعت انتقالی حد c در دستگاه لخت حرکت می کند. و ماده چیزی جز انرژی نیست که با سرعت v<c منتقل می شود. نسبت به یک دستگاه لخت مقدار v بین صفر و c یعنی قابل تغییر است. هرگاه v=c گردد، ماده به انرژی تبدیل شده است.
فرایند گرماگیر
سیستمی را در نظر بگیرید که شامل دو اتم A و B است. اگر به این سیستم مقدار q کالری انرژی داده شود، اتمها با هم ترکیب شده و به مولکول C تبدیل می شوند. فرض کنیم اتم A و B بترتیب شامل n1 و n2 سی. پی. اچ. هستند. در این سیستم (نسبت به یک دستگاه لخت) اتمهای A و B بترتیب با سرعتهای v1 و v2 حرکت می کنند. بنابراین داریم:
سرعتها بصورت برداری منظور شده اند.
فرض کنیم مقدار q کالری انرژی از تعداد k سی. پی. اچ. تشکیل شده باشد. این مقدار انرژی حرارتی با سرعت c وارد سیستم می شود و خواهیم داشت:
سی. پی. اچ. های موجود در انرژی حرارتی با سرعت انتقالی c حرکت می کنند.
که در آن P(s)s تغییرات اندازه حرکت اسپینی سی. پی. اچ. های سیستم ناشی از فرایند ترکیب است. حال اگر تعداد بیشتری سی. پی. اچ. (انرژی بیشتری) به سیستم داده شود، در اینصورت مابقی انرژی موجب افزایش سرعت مولکول تولید شده می شود. در فرایندهای گرماده، تعدادی سی. پی. اچ. آزاد می شود که با سرعت نور حرکت می کنند.
اگر فرایند بالا را برای یک ظرف محتوی گاز در نظر بگیریم که در آن ترکیب یا تجزیه ای انجام نشود، در اینصورت اندازه حرکت سی. پی. اچ. های موجود در انرژی حرارتی موجب می شود مولکولهای گاز با سرعت بیشتری حرکت کنند. احساس ما از گرما ناشی از سرعت انتقالی گاز است. در واقع اصطلاح داغی یا سردی نامی است که ما برای سرعتهای انتقالای بیشتر و کمتر بکار می بریم.
بعنوان مثال یک کپسول محتوی گاز مایع را در نظر بگیرید که در آن n تا سی. پی. اچ. موجود است. هنگام اشتعال گاز تعدادی از سی. پی. اچ. ها با سرعت c آزاد می شوند و بصورت انرژی حرارتی ظاهر می شوند. فرض کنیم این تعداد مولکول موجود در گاز (n) با سرعت متوسط v حرکت می کنند. بر اثر حرارت تعداد k' k سی. پی. اچ. وارد محفظه محتوی گاز شود، با فرض اینکه تغییر اسپینی نداشته باشیم، در اینصورت خواهیم داشت:
واضح است که سرعت نهایی از سرعت اولیه بیشتر است و هرچه تعداد بیشتری سی. پی. اچ. به سیستم وارد شود، سرعت نهایی نیز بیشتر خواهد شد. یعنی اندازه حرکت خطی سیستم بیشتر می شود و نیروی وارد بر جدار ظرف افزایش می یابد.
حال با استفاده از بحث بالا در مورد انرژی حرارتی، می توان نارسایی فیزیک نظری را دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. بررسی کرد. اینکه دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. تا چه اندازه توان بر طرف کردن مشکلات فیزیک نظری را دارد، چیزی است که بایستی صاحبنظران قضاوت کنند و روند تکامل این نظریه و گذشت زمان مشخص خواهد کرد. بنابراین در اینجا پس از بیان مشکل، دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. در مورد مشکل ذکر شده بیان می شود.
ده معمای گوردن کانه و دیدگاه نظریه سی. پی. اچ.
1 – همه نظریه هاى امروزى به طور ضمنى بیان مى کنند که جهان باید حتى در خالى ترین مناطق آن شامل تراکم شدید انرژى باشد. اثرات گرانشى این پدیده که آن را انرژى خلا مى نامند، یا مى بایست جهان را مدت ها پیش درهم تنیده باشد یا باعث گسترش آن به مقدارى بسیار بیش از اندازه کنونى شده باشد. مدل استاندارد نمى تواند براى فهمیدن این نکته که مسئله ثابت کیهان شناسى نامیده مى شود، کمکى کند.
دیدگاه سی. پی. اچ.
نحوه ی تولید انرژی در فضا در آغاز این نوشته بیان شد. آنچنان که در بالا اشاره شد و نظریه سی. پی. اچ. تصریح می کند، گراویتونها دارای جرم هستند و اندازه حرکت خاص خود را حمل می کنند. برای تعیین مقدار ثابت کیهان شناسی لازم است که دیدگاه خود را در مورد نیرو و انرژی تغییر دهیم. بدون پذیرش هم ارزی نیرو و انرژی هیچ یک از مشکلات کیهان شناختی قابل حل نمی باشد. از دیدگاه سی. پی. اچ.، هرچند که خلاء انرژی تولید می کند، اما این تولید نوعی تبدیل است نه آفرینش. انرژی گرانشی به انرژی الکترومغناطیسی تبدیل می شود و در کل انرژی موجود در جهان اثری ندارد. لذا ثابت کیهان شناسی باید مورد بررسی مجدد قرار گیرد.
2 – مدت هاى دراز بر این گمان بوده اند که انبساط عالم بسیار آهسته است، چون مواد تشکیل دهنده جهان تحت جاذبه گرانشى یکدیگر هستند. در حال حاضر ما مى دانیم که گسترش جهان شتاب دار است و آنچه که باعث این شتاب است (و انرژى تاریک نام دارد) در فیزیک مدل استاندارد جایى ندارد.
دیدگاه سی. پی. اچ.
همه ی اطلاعات ما در مورد کیهان از طریق امواج الکترومغناطیسی (فوتونها) بما می رسد. در واقع تنها منبع خبری ما فوتونها هستند. زمانی می توانیم به دانش خود در مورد کیهان اطمینان کنیم که اطلاعات کاملی در مورد فوتون و ساختمان آن داشته باشیم. انبساط و شتاب جهان را بایستی با در نظر گرفتن اینکه "آیا در یک سفر میلیادرها سالی از کهشانی دور دست تا زمین، فوتون تحت تاثیر عوامل درونی (برخورد اسینی سی. پی. اچ. ها) هیچگونه تغییری نمی کند؟ "
علاوه بر آن با در نظر گرفتن اینکه همه ی اجسام از سی. پی. اچ. تشکیل شده اند و انرژی سی. پی. اچ. ها ثابت است و تنها انرژی انتقالی آنها به انرژی اسپینی (و بالعکس) تبدیل می شود، یعنی:
باید اثر انفجارات ستاره ای را که طی آن مقادیر متنابهی انرژی اسپینی به انرژی انتقالی تبدیل می شود نیز در نظر گرفت. باید دید فشار ناشی از این تغییرات بر سیستم (جهان قابل رویت) چقدر است؟
3 – دلایل بسیار خوبى وجود دارد که در اولین کسرهاى ثانیه از انفجار بزرگ، جهان در مرحله انبساط بسیار سریعى به نام مرحله تورم قرار داشته است. میدان هایى که مى توانسته اند تورم را ایجاد کنند در محدوده مدل استاندارد قرار نمى گیرند.
دیدگاه سی. پی. اچ.
با توجه به تعریف سی. پی. اچ. و در نظر گرفتن اینکه VCPH>c در آغاز بیگ بنگ سرعت حد c نبوده است.
4 – اگر جهان با انفجار بزرگ یعنى انفجار مقدار عظیمى انرژى آغاز شده باشد، باید سهم ماده و پادماده در آن مساوى مى بود. اما ستاره ها و سحابى ها از پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها تشکیل شده اند و نه پادذرات آنها. این ناتقارنى در ماده با مدل استاندارد قابل توجیه نیست.
دیدگاه سی. پی. اچ.
در نظریه بیگ بنگ دو مسئله باید در نظر گرفته شود، یکی اینکه انرژی نیز دارای حجم است (فصل 82: تابع زمان و قضیه کار انرژی ) و دلیل بیگ بنگ چه بوده است؟ دوم اینکه در فرایند تبدیل انرژی به ماده تساوی تعداد بار-رنگهای مثبت و منفی مهم است، نه جرم ذرات تولید شده که تابع مکانیزم میدان هیگز است.
5 – حدود سه چهارم جهان ماده تاریک سرد و غیرقابل مشاهده است که خارج از قلمرو ذرات مدل استاندارد قرار دارد.
دیدگاه سی. پی. اچ.
در اینکه مدل استاندارد نیاز به بررسی مجدد دارد، شکی نیست. اما دلیل ما در مورد وجود ماده تاریک و مقدار آن جهان ناشی از نظریه های قدیمی در مورد گرانش (قانون جهانی گرانش نیوتن و نسبیت عام انیشتین) است. بدون ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت عام ما نمی توانیم در مورد جهان نظر قطعی بدهیم.
اما ترکیب نسبیت عام و مکانیک کوانتوم هم زمانی امکان پذیر است که هم ارزی نیرو و انرژی را بپذیریم و سپس هر چهار نظریه مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم، نسبیت و نظریه هیگز را همزمان مورد بررسی قرار دهیم و این چهار نظریه را با هم ترکیب کنیم. منظور از همزمانی در اینجا این است که هنگام بررسی یک پدیده اگر با شتاب سرو کار داریم از قاونون دوم نیوتن استفاده کنیم، و چنانچه این شتاب موجب تغییر سرعت می شود بایستی تغییرات جرم را که نسبیت تصریح می کند نیز منظور کنیم. چون کسب جرم توسط ذرات به نظریه هیگز مربوط می شود، باید مکانیزم تغییر جرم را با در نظر گرفتن نظریه هیگز بررسی کنیم. و در نهایت در این تغییرات با کوانتومها رو به رو هستیم. بنابراین توجه به دو مورد حائز اهمیت است، یکی هم ارزی نیرو و انرژی و دیگری بررسی همزمان چهار نظریه فیزیک نظری.
6- در مدل استاندارد برهم کنش با میدان هیگز (که به بوزون هیگز مربوط مى شود) باعث جرم دار شدن ذرات مى شود. مدل استاندارد نمى تواند ساختار بسیار خاص برهم کنش هیگز را توضیح دهد.
دیدگاه سی. پی. اچ.
پاسخ این مورد را می توان در مکانیزم میدان هیگز مشاهده کرد.
7- تصحیحات کوانتومى به وضوح براى بوزون هیگز جرم بزرگى را محاسبه مى کنند که نتیجه آن جرم بسیار زیاد براى همه ذرات است. مدل استاندارد نمى تواند از چنین مشکلى اجتناب کند و در نتیجه مشکلات مفهومى مهمى را به وجود مى آورد.
دیدگاه سی. پی. اچ.
مکانیزم هیگز باید بر مبنای کوچکرین مقدار ممکن انرژی بنا کرد.
چیزی که در مکانیک کوانتوم برای جرم بوزون هیگز محاسبه می کنند، در واقع بوزون هیگز واقعی نیست، بلکه ترکیبی از سه بار- رنگ منفی، بار- رنگ مثبت و مغناطیس رنگ است. بوزون هیگز کمترین جرم ممکن در طبیعت را دارد.
8 – مدل استاندارد نمى تواند گرانش را دربر گیرد، زیرا ساخت این نیرو با سه نیروى دیگر یکسان نیست.
دیدگاه سی. پی. اچ.
گرانش خواص الکتریکی و مغناطیسی نشان می دهد. بنابراین بایستی قبل از توضیح گرانش کوانتومی الکترومغناطیس و گرانش را با هم ترکیب کرد. فصل 83: معادلات الکترومغناطیس و میدان گرانشی
9- مقدار جرم کوارک ها و لپتون ها (مثل الکترون نوترینوها) را نمى توان به وسیله مدل استاندارد توجیه کرد.
دیدگاه سی. پی. اچ.
بایستی با در نظر گرفتن هم ارزی نیرو و انرژی مدل جدیدی جایگزین مدل استاندارد کرد.
10 – مدل استاندارد داراى سه فرآیند تولید ذرات است. جهان پیرامون ما فقط از ذرات فرآیند اول پر شده و این فرآیند خودش به تنهایى یک نظریه سازگار ایجاد مى کند. مدل استاندارد هر سه فرآیند را توصیف مى کند، اما نمى تواند توضیح دهد چرا بیشتر از یک فرآیند وجود دارد.
دیدگاه سی. پی. اچ.
پاسخ را تنها می توان در هم ارزی نیرو و انرژی جستجو کرد. این دیدگاه می تواند ما را به وحدت نیروها رهنمون شود. علاوه بر آن هم ارزی نیرو و انرژی بما نشان خواهد داد که چگونه فرمیونها تولید کننده ی بوزون هستند و بوزونها به نوبه خود فرمیونها را تولید می کنند.
توضیح گوردن کانه:
در توضیح این مسائل لازم به ذکر است، وقتى که مى گویم مدل استاندارد نمى تواند پدیده اى را توجیه کند، منظورم این نیست که نظریه تاکنون نتوانسته است آن را توجیه کند، ولى روزى خواهد توانست. بلکه مدل استاندارد بسیار مقید است و هرگز نخواهد توانست پدیده هاى فهرست شده بالا را توضیح دهد. تفسیرهاى محتملى وجود دارد. یکى از دلایلى که توسعه به نظریه ابرتقارن را براى بسیارى از فیزیکدان ها جذاب مى کند، این است که این نظریه مى تواند توضیحى را براى موارد بالا، غیر از مورد دوم و سه تاى آخر ارائه دهد. نظریه ریسمان (که در آن ذرات به جاى موجودات نقطه اى، موجودات یک بعدى بسیار کوچک هستند) سه تاى آخر را توضیح مى دهد. نگاه کنید به پدیده هایى که مدل استاندارد قادر به توضیح آنها نیست، راهنماهایى براى چگونگى توسعه این مدل هستند. اینکه مدل استاندارد نمى تواند به سئوالاتى جواب بدهد، چندان عجیب نیست. هر نظریه موفقى در علم تعداد پاسخ به پرسش ها را افزایش مى دهد ولى هنوز سئوالات بدون پاسخى هم وجود دارند. گذشته از این، بالا رفتن آگاهى سئوالات جدیدى پدید مى آورد که قبلاً قابل بیان نبودند، اما تعداد پرسش هاى بنیادى پاسخ داده نشده کاهش مى یابد.
توضیح سی. پی. اچ. :
مدل استاندارد و تئوری بیگ بنگ از نظریه های بسیار خوب و موفق هستند. این نظریه ها نیز مانند همه ی نظریه های علمی در روند تاریخ علم نارسایی و مشکلات خود را بروز دادند. لذا نیاز به جایگزین نظریه ی کامل تری دارند. نظریه سی. پی. اچ. بسیار ساده و شهودی است. علاوه بر آن با هم ارز سازی نیرو و انرژی می تواند مرزهای ناشناخته به روی ما بگشاید و مفاهیم جدیدی در مورد فضا – زمان و بطورکلی از جهان ارائه می دهد. نظریه سی. پی. اچ. در توجیه طبیعت فیزیکی اجسام، ابزار بسیار قدرتمندی است که می تواند کل دیدگاه های فلسفی و علمی بشریت را دگرگون کند. نظریه سی. پی. نیز مانند همه ی نظریه ها دارای اشکالات و ابهامات خاص خود است که زمینه ی پژوهشهای آتی را فراهم می کند.