آمادگی دانشمندان برای آغاز جدیدترین جستجوی امواج گرانشی

بیگ بنگ: دور تازه ی جستجو برای یکی از پیچیده ترین معماهای کیهان در حال آغاز است. امواج گرانشی (Gravitational waves) را چین و شکن های بافت فضا-زمان می دانند که پس از رخدادی پرانرژی در ابعاد عظیم، ایجاد می شوند؛ مثلاً برخورد و ادغام دو سیاهچاله، یا مرگ ستاره ای غول آسا که به انفجار و انتشار انرژی غیر قابل تصور آن می انجامد.

به گزارش بیگ بنگ، چندی است جهت آشکارسازی آثار کوچک امواج گرانشی، حساسیت رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) افزایش یافته است. دو پایگاه ?‎LIGO? در لیوینگستون و هانفورد، شامل لوله هایی طویل و L شکل هستند. پرتوهای نوری از هر شاخه L ارسال، و به وسیله آینه بازگردانده می شوند. پس از برخورد مجدد این دو، داده های موجود در پرتوها بازسازی می شود.

وجود کوچکترین تغییر در پرتو برگشتی، نشان دهنده ی اثر امواج گرانشی بر نور می تواند باشد. بدلیل آنکه حتی ارتعاش اتم های آینه مزبور، می تواند سیگنال را متأثر سازد، نیاز است داده ها در آزمایشگاه مورد پالایش قرار گیرند تا سیگنال های امواج گرانشی را استخراج نمود. البته بدلیل وجود ارتعاشات در زمین، پروژه ای مشابه با نام ?‎LISA? در فضا برنامه ریزی شده بود که بدلیل کمبود بودجه در 2011 متوقف شد.

تصویری از پایگاه پروژه ی ?‎LIGO

کن استرین (Ken Strain)، استاد مؤسسه تحقیقات گرانشی گفت: « هر زمان که پنجره جدیدی به جهان باز می کنیم، اکتشافات حیرت انگیزی صورت می گیرد. این مثلاً در مورد اخترشناسی رادیویی صحت دارد، که بسرعت به کشف تپ اخترها (Pulsars) انجامید. ما در خصوص اخترشناسی امواج گرانشی نیز چنین انتظاری داریم.»

ترجمه: حامد احدی / سایت علمی بیگ بنگ

منبع: BBC , اطلاعات بیشتر: space

ریاضیدان الهام‌بخش «ذهن زیبا» در تصادف رانندگی درگذشت

بیگ بنگ: جان فوربز نش، ریاضیدان دانشگاه پرینستون و برنده جایزه نوبل اقتصاد که زندگی وی الهام‌بخش فیلم «ذهن زیبا» بود، روز شنبه (دوم خرداد) طی یک حادثه رانندگی به همراه همسرش در نیوجرسی درگذشت.

جان نش

به گزارش بیگ بنگ به نقل از ایسنا، جان نش 86 ساله و همسرش آلیسیا 82 ساله در تاکسی در خیابا‌های نیوجرسی در حال حرکت بود که راننده کنترل خود را از دست داده و با گارد ریل تصادف کرد. نش و همسرش که به نظر می رسد کمربند ایمنی نبسته بودند از خودرو به بیرون پرتاب شدند که این امر باعث مرگ آنها شد. جان نش که در سال 1994 موفق به دریافت جایزه نوبل اقتصاد شده بود به عنوان یک ریاضیدان ارشد در دانشگاه پرینستون کار می‌کرد.

داستان زندگی این دانشمند از جمله مبارزه وی با اسکیزوفرنی پارانوئید توسط راسل کرو، بازیگر آمریکا در فیلم «ذهن زیبا» در سال 2001 به نمایش درآمد که موفق به کسب چهار جایزه اسکار شد. چندی پیش جان نش به همراه لوئیز نیرنبرگ، ریاضیدان دانشگاه نیویورک برای دریافت جایزه ریاضی 500 هزار دلاری Abel به نروژ سفر کردند که برای کار آنها در زمینه معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی توسط آکادمی علوم و مقالات نروژ به آنها اعطا شد.

راسل کرو و جان نش

کریستوفر ایگروبر، رئیس دانشگاه پرینستون در بیانیه‌ای اعلام کرد: ما از خبر درگذشت نابهنگام جان نش و همسرش آلیسیا مبهوت و ناراحت شدیم. هر دو از اعصای بسیار ویژه جامعه دانشگاهی پرینستون بودند. دستاوردهای چشمگیر جان الهام‌بخش نسل‌های ریاضیدانان، اقتصاددانان و دانشمندانی شده که از کار درخشان و پیشگامانه وی در زمینه نظریه بازی تاثیر گرفته‌اند. همچنین داستان زندگی وی با آلیسیا، میلیون‌ها خواننده و علاقمندان به سینما را که از شجاعت آنها در مواجهه با چالش‌های دلهره‌آور شگفت‌زده شده بودند، تحت تاثیر قرار داد.

تصویری از جان نش و همسرش آلیسیا

جان نش در 13 ژوئن سال 1928 در بلوفیلد در ویرجینیای غربی از یک پدر مهندس برق و مادر معلم به دنیا آمد. وی در مقاله شرح حال خود برای کمیته نوبل از کنجکاوی خود در مورد مسائل ریاضی در نوجوانی گفته بود. دانشگاه هاروارد، نش را دعوت کرد تا به عنوان دانشجوی دکتری به دپارتمان ریاضی آن بپیوندد، وی به دلیل شرایط پیشنهادی بهتر دانشگاه پرینستون در سال 1948 به آنجا رفت. او تنها پس از دو سال توانست کار بر روی بازی‌های غیرمشارکتی را تکیمل کند که 40 سال بعد، جایزه نوبل را در اقتصاد برای وی به ارمغان آورد. ابتلای نش به بیماری اسکیزوفرنی پارانوئید در سال 1959 دستاوردهای زودهنگام وی را متوقف کرد.

سایت علمی بیگ بنگ / منابع بیشتر: theguardian , BBC

آیا بیگ بنگ واقعا رخ داده است؟

بیگ بنگ: امروزه بیشتر فیزیکدانان و کیهان‌شناسان بر این باورند که جهان ما با انفجاری بزرگ که به بیگ‌بنگ(big bang) موسوم است حدود 13?82 میلیارد سال پیش به وجود آمده و حتی بیش از این می‌توانند به ما بگویند که پس از زمان پلانک، یعنی زمانی حدود 10 به توان 44 – ثانیه پس از انفجار، لحظه‌ به‌ لحظه چه اتفاقاتی در کیهان رخ داده است.

پرسش اساسی اینجاست که کیهان شناسان چطور می توانند دریابند که چه اتفاقاتی در میلیاردها سال پیش رخ داده است؟ یعنی صحبت از اتفاقاتی کنند که حتی در آن زمان زمین خودمان هم هنوز شکل نگرفته بود. اگر جهان واقعا با انفجاری مهیب آغاز شده، آیا هنوز بقایا و آثاری از وقوع چنان انفجاری باقی مانده است؟ آیا شواهدی وجود دارد که ما را به وقوع این انفجار مهیب اولیه رهنمون سازد؟ به نظر می رسد طبیعت سرنخ هایی را در اختیار ما قرار داده است.

تنها ابزار ما برای شناخت فیزیکی این جهان نور است و هر اطلاع و شواهدی که از کیهان در دست داریم از طریق مشاهده نوری که از اجرام دوردست در طول موج های مختلف امواج الکترومغناطیس به ما رسیده، به دست آورده ایم. خوشبختانه نور در مقیاس کیهانی آن قدرها هم سریع نیست! نور اجرام بسیار دور میلیون ها سال و گاهی میلیاردها سال طول می کشد که به ما برسد. این یعنی وقتی به جرمی که چند میلیارد سال نوری با ما فاصله دارد نگاه می کنیم، در واقع در حال تماشای نمایی از کیهان در چند میلیارد سال پیش هستیم.

این قضیه از آن سو نیز صادق است: تصور کنید تمدن هوشمندی واقع در 65 میلیون سال نوری از ما در حال مشاهده زمین است. در این حالت آنها نمایی از زمین را می بینند که 65 میلیون سال پیش داشت. آنها به جای ما دایناسورها را می بینند که روی زمین پرسه می زنند! مشاهده دوردست ها در فضا معادل است با مشاهده تاریخ های گذشته در زمان و این یکی از مهم ترین سرنخ هایی است که طبیعت در اختیارمان قرار داده است. آیا چنین سرنخی می تواند به ما از لحظات اولیه عالم یعنی درست پس از بیگ بنگ چیزی بگوید؟ مشاهده چگونگی حرکت کهکشان ها می تواند اطلاعاتی از علت حرکت آنها در اختیارمان قرار دهد؟ تصور کنید مجموعه ای از چند تیله در حال دور شدن از یکدیگر هستند و شما لحظه ضربه به تیله ها را ندیده اید. آیا از جهت دور شدن تیله ها از یکدیگر می توان حدس زد که ضربه در کدام نقطه و در چه جهتی به تیله ها وارد شده است؟

آیا همه چیز محصول مشاهدات است؟

در کیهان شناسی همه چیز محصول مشاهدات صرف نیست. مشاهدات در واقع مواد خامی است که با کمک تفسیرمان از آنها و ریاضیات، مدلسازی کرده و نظریاتمان را بنا می نهیم. در بسیاری از مواقع مشاهدات حتی نقش ثانویه دارند. یعنی ما ابتدا فرض هایی را در نظر می گیریم و مدل هایی صرفا ریاضیاتی برای تبیین کیهان می سازیم و بعد با مدل هایمان پیش بینی های مشاهداتی انجام می دهیم؛ سپس اگر پیش بینی هایمان درست بود و از محک تجربه سربلند بیرون آمد، می پذیریم که فرض های اولیه مان نیز درست بوده است.

از کجا آمده ایم؟!

این شاید قدیمی ترین پرسش بشر باشد که هنوز هم جواب قطعی برای آن نیافته ایم. شاید کمتر پرسشی در تاریخ اندیشه بشری اینچنین وسیع فکر همه – از فلاسفه و شعرا تا فیزیکدانان و کیهان شناسان – را به خود مشغول کرده است. از سال 1964 به این سو که تابش زمینه کیهانی کشف شد، پاسخ بیشتر فیزیکدانان به این پرسش، آغاز جهان با انفجاری بزرگ بوده است. از سرعت کهکشان ها تا ابرهای گازی کهن برجای مانده از عالم اولیه همه حکایت روشنی از وقوع انفجاری بزرگ دارند.

تصویری از “رابرت ویلسون و آرنو پنزیاس” که با تلسکوپ رادیویی اولین بار تابش پس زمینه میکروموج کیهانی بیگ بنگ را کشف کردند.

یک کشف بزرگ، اما اتفاقی!

در سال 1964 رابرت ویلسون و آرنو پنزیاس به طور اتفاقی کشفی بزرگ و سرنوشت ساز در تاریخ کیهان شناسی انجام دادند. این دو، فیزیکدان و ستاره شناسی بودند که آسمان را در بخش امواج رادیویی و ریزموج ها مطالعه می کردند. آنها وقتی مشغول بررسی و ارزیابی ابزارهایشان بودند متوجه سیگنال ثابتی شدند که در همه جهت ها با شدت یکسانی قابل دریافت بود. آنها در حالی که می کوشیدند تا سیگنال های مزاحم پس زمینه را از سیگنال های دریافتی آنتن رادیویی خود حذف کنند، متوجه شدند که قادر به حذف این نویز نیستند و دریافتند که این نویز در تمام جهات به صورت یکسان دریافت می شود. این به آن معنی بود که این سیگنال می بایستی از ورای کهکشان آمده باشد، در غیر این صورت نمی توانست در تمام جهات آسمان به صورت یکسان دریافت شود. همگرایی شدید این سیگنال نیز نشان می داد که منبع این سیگنال در فاصله دوری از ما قرار دارد و در نتیجه این سیگنال در اوایل عمر جهان ایجاد شده است و چنان منبع قدرتمندی دارد که ما امروزه قادر به دریافت این سیگنال هستیم. چنین سیگنالی را چه منبعی می تواند تولید کند؟

اگر مثلا از سمت کهکشان خودمان تولید شود، باید در جهتی خاص با شدت قوی تری دریافت شود. اگر مربوط به اجرامی خارج از کهکشان ما بود نیز باید شدتش در جهات مختلف متفاوت می بود. زیرا می دانیم کیهان از هزاران خوشه های کهکشانی تشکیل شده است که فضاهای خالی بسیار وسیعی در بین این خوشه ها وجود دارد. بر این مبنا اگر ما جهت آنتن دریافت کننده را در سمت های مختلف بگیریم باید شدت دریافتمان تغییر کند. علی الاصول باید در راستاهایی که خوشه های کهکشانی وجود دارد شدت دریافت امواج بیشتر از جهت هایی باشد که فضاهایی تهی و خالی از ماده در کیهان است. اما در کمال تعجب پنزیاس و ویلسون موجی را یافته بودند که شدتش در همه جهات و در همه زمان ها یکسان بود. آنها دریافتند که چنین سیگنالی از زمانی در جهان می آید که توزیع ماده در سراسر کیهان یکسان بود. این یافته نشان می داد که جهان در زمان های دور ظاهری به کلی متفاوت از حالا داشت و این اولین شاهد قدرتمند برای آغاز جهان با انفجاری بزرگ بود.

این کشف تائید کننده پیش بینی های عمومی نظریاتی بود که وجود چنین تابشی را پیش بینی می کرد. این موضوع موازنه شواهد تجربی را به نفع نظریه ی بیگ بنگ تغییر داد و در سال 1978 برای این کشف به پنزیاس و ویلسون جایزه نوبل اهدا شد. اما باز هم این همه داستان نبود، کیهان شناسان برای مطالعه بیشتر و دقیق تر تابش ریزموج زمینه کیهانی کاوشگرهایی را به خارج از جو زمین فرستادند. در سال 1992 کاوشگر زمینه کیهانی (Cosmic Background Explorer) نشان داد که این تابش آن قدرها هم که پنزیاس و ویلسون تصور می کردند یکنواخت نیست. اطلاعات این کاوشگر نشان داد که عالم اولیه کاملا یکدست نبوده است. این یکنواخت نبودن و نوسانات در امواج زمینه کیهانی می تواند توضیحی برای ترکیب ذرات بنیادی با یکدیگر، شکل گیری عناصر سنگین تر در زمان های پس از بیگ بنگ و در نهایت شکل گیری ستاره ها و کهکشان ها باشد.

در سال 2009 تلسکوپ فضایی پلانک برای بررسی بازهم دقیق تر امواج زمینه کیهانی به فضا پرتاب شد و سال 2013 دقیق ترین نقشه ای را که از کیهان تاکنون داشته ایم به ما ارائه داد (تصویر کادر بالا). این نقشه نبود تقارن و ناهمسانگردی عجیبی را در تابش زمینه کیهانی آشکار کرد. یکی از اصول اولیه در مدل استاندارد کیهان شناسی همسانگرد بودن جهان در مقیاس های وسیع است. همسانگردی یعنی جهت مُرَجَّعی در فضا وجود ندارد و ساختار جهان در همه جهات فضایی یکسان است. کیهان شناسان هنوز به طور دقیق علت ناهمسانگردی مشاهده شده در نقشه مذکور را نمی دانند. هرچند که این ناهمسانگردی ها در تابش زمینه کیهانی چالشی بزرگ برای نظریه ی بیگ بنگ محسوب نمی شود اما به ما گوشزد می کند که هنوز راه درازی تا توضیح کامل شکل گیری کیهان در پیش داریم.

گذشته های دور و کهن ابرهای عظیم کیهانی

تلسکوپ های مدرنی که امروز در اختیار داریم، این توان را در اختیارمان قرار داده است که به دوردست ترین بخش های عالم نگاه کنیم؛ مناطقی با فاصله ای در حدود 13 میلیارد سال نوری و این یعنی زمان هایی نزدیک (در مقیاس های کیهانی) به بیگ بنگ. اگر بیگ بنگ واقعا رخ داده باشد، انتظار داریم در چنین فاصله هایی ابرهای عظیمی از گاز را مشاهده کنیم که هنوز فرصت کافی برای تبدیل شدن به ستاره ها و کهکشان ها را نیافته اند. ستاره شناسان بتازگی چنین ابرهای گازی را در فواصل 12 تا 13 میلیارد سال نوری یافته اند. هر چند این ابرهای عظیم در فواصل بسیار دوری از ما قرار گرفته است، اما با دریافت نور عبوری از آنها و استفاده از روش طیف سنجی، می توانیم بدانیم که این ابرها از چه عناصری تشکیل شده است.

همان طور که نظریه ی بیگ بنگ پیش بینی می کند عناصر سازنده این ابرهای کهن کیهانی بسیار متفاوت از عناصر سازنده کیهانی که امروز ما را در برگرفته است. اغلب عناصر شیمیایی موجود در جهان اطراف ما از عناصر آلی تشکیل دهنده بدن خودمان تا عناصر سازنده کره زمین، عناصری است که زمانی در دل ستاره ها به وجود آمده است. از آنجا که ابرهای کهن کیهانی را ما در زمانی مشاهده می کنیم (13 میلیارد سال پیش) که هنوز ستاره ای در کیهان شکل نگرفته است، انتظار می رود ابرهای مزبور خالی از عناصر سنگینی باشد که ستاره ها آنها را به وجود آورده است. در واقع این ابرها فقط باید شامل عناصر سبکی باشد که در لحظات اولیه عالم شکل گرفته است. حالا جالب است بدانید مشاهدات مطابق همین پیش بینی هاست! این ابرها فقط شامل عناصر سبکی مانند هیدروژن و هلیوم است، یعنی عناصری که پیش از شکل گیری ستاره ها در کیهان گسترش یافته بود.

اما سوال اساسی همچنان پابرجاست…

همه این حرف ها درباره پس از بیگ بنگ بود، اما چه چیزی به خود بیگ بنگ منجر شده است؟ عاملی که به انفجار بزرگ اولیه منجر شد هنوز یکی از بزرگ ترین معماهایی است که برترین ذهن های بشر را مشغول خود ساخته است. انفجاری در دل یک سیاهچاله عظیم، چرخه ای مداوم و ابدی از مرگ و حیات برای جهان، حبابی در یکی از جهان های چندگانه یا به قول استیون هاوکینگ هیچ علتی و فقط یک میدان کوانتومی اولیه! پاسخ هر چه باشد از طریق دانش امروزی مان قابل وصول نیست. زیرا روش شناسی علوم تجربی بر مبنای مشاهدات بنا شده است و ما تا امروز هیچ طریقی برای مشاهده یا کسب اطلاعاتی از لحظه وقوع خود بیگ بنگ نیافته ایم. در چنین اوضاعی هر پاسخی که برای این پرسش مهیا کنیم، بیش از آن که پاسخی علمی باشد به سمت گیری فلسفی ما وابسته است.

تصویر، فرا ژرف هابل ورژن 2014 نمونه‌ ای از قدیمی‌ترین کهکشان‌هایی است که بشر تاکنون دیده است؛ کهکشانهایی که کمی پس از دوران تاریک وجود داشتند، زمانی که تنها چند صد میلیون سال از بیگ بنگ گذشته بود.

جهان در حال انبساط است

وقتی با چشمان غیرمسلح به آسمان شب نگاه می کنیم، تقریبا تمام آنچه می بینیم ستاره های کهکشان خودمان، یعنی ستاره های کهکشان راه شیری است؛ اما اگر با تلسکوپ به آسمان نگاه کنیم ـ حتی با تلسکوپی کوچک ـ علاوه بر ستاره ها توده های ابری شکل دیگری در آسمان می بینیم. بعضی از اینها، کهکشان های دیگری هستند شبیه به کهکشان خودمان که بسیار دورتر از ستاره های کهکشان راه شیری از ما قرار گرفته اند و هر یک خود میلیاردها ستاره دارند. هرچقدر ابزار رصدی مان قدرتمند تر باشد تعداد بیشتری از این کهکشان ها می بینیم. در عکس بالا که تصویر فراژرف هابل نام دارد و فقط از ناحیه بسیار محدودی از آسمان تهیه شده، ده هزار کهکشان قابل شناسایی است! اغلب این کهکشان ها با سرعتی معادل صدها و گاهی هزاران کیلومتر در هر ثانیه در حال دور شدن از ما هستند. دور شدن کهکشان ها از ما یعنی جهان در حال انبساط است و جهان در حال انبساط یعنی ابعاد هستی در گذشته کوچک تر از حالا بوده است.

اگر در جهت گذشته به قدر کافی بر پیکان زمان پیش برویم به لحظه ای می رسیم که تمام مواد موجود در جهان در یک نقطه فشرده شده و از آن نقطه به سمت بیرون در حال گسترش است. آن لحظه، لحظه بیگ بنگ است. با محاسبه سرعت دور شدن کهکشان ها از ما حتی می توانیم تاریخ انفجار را که حدود 13?82 میلیارد سال پیش است محاسبه کنیم؛ اما از کجا می دانیم کهکشان ها در حال دور شدن از ما هستند؟ سرنخی که ما را به این موضوع رهنمون می سازد رنگ کهکشان هاست؛ کهکشان ها قرمزتر از آنچه باید باشند به نظر می رسند!

تابش زمینه کیهانی، بقایای یک انفجار مهیب

چشمانمان قادر به دیدن این تابش نیست، اما ابزارها و تلسکوپ هایی داریم که می توانند آنها را ثبت کنند. می دانید که چشم ما فقط قادر به شناسایی بخش کوچکی از نورهای موجود در جهان است. در حقیقت ما فقط می توانیم بخش مرئی طیف نور را ببینیم که طول موجی بین 400 نانومتر (رنگ بنفش) تا 700 نانومتر (رنگ قرمز) دارد. در حالی که محدوده وسیعی از نور گسیل شده در کیهان مانند امواج گاما، ایکس، فرابنفش، فروسرخ، ریزموج ها و امواج رادیویی برای چشم های ما بدون ابزار قابل مشاهده نیست. در واقع آنها طول موجی کوتاه تر یا بلندتر از محدوده امواجی دارند که چشم انسان توانایی تشخیص آنها را دارد.

پس از واقعه ی بیگ بنگ، درخشندگی شدیدی سراسر کیهان را مملو از تابش خود کرد و همین طور که جهان در حال گسترشِ ناشی از انفجار اولیه بود، طول موج بیشینه تابش در محدوده ریزموج ها (محدوده یک میلی متر تا یک متر) قرار گرفت. تلسکوپ هایی که در محدوده ریز موج به بررسی کیهان می پردازند می توانند چنین تابش کهنی را که مربوط به لحظات اولیه عالم است، رصد کنند. این تابش در همه جا و در هر جهتی از آسمان، در شب و روز قابل رویت است و به همین جهت به آن «تابش زمینه کیهانی» می گویند.

در عکس بالا کمربند کهکشان راه شیری را برفراز رصدخانه جنوبی اروپا مشاهده می کنید که آسمان را دربر گرفته است. توده نورانی که در مرکز تصویر مشاهده می شود، مرکز کهکشان خودمان است. ما در واقع منظره ای از کمان ستاره ای کهکشان خودمان در 27 هزار سال پیش را نگاه می کنیم، زیرا 27 هزار سال نوری از مرکز کهکشان راه شیری فاصله داریم. حال اگر ما به جاهای دورتری از عالم نگاه کنیم، آن قدر دور که به لحظات اولیه جهان نزدیک شویم، می توانیم از اوضاع جهان در لحظات اولیه آگاه شویم؟

چرا کهکشان ها قرمزتر از آنچه که باید باشند به نظر می رسند؟

تقریبا همگی ما با اثر داپلر در امواج صوتی آشناییم: آمبولانسی که آژیرکشان از ما دور می شود صدای آژیرش بم تر از حالتی که حرکتی ندارد به گوشمان می رسد. علت این رویداد کش آمدن امواج هنگامی است که منبع صوتی از شنونده دور می شود. به زبان فیزیکی منبع صوتی که از شنونده دور شود، صوتش با بسامد کمتر و طول موج بلندتر به گوش شنونده رسیده و در نتیجه شنونده صدا را بم تر از حالت عادی می شنود. داستان برای کهکشان ها نیز به همین صورت است.

تفاوت کهکشان ها با صدای آژیر آمبولانس این است که نور دریافتی از کهکشان ها در حقیقت نوعی از امواج الکترومغناطیسی است. در امواج صوتی طول موج بلندتر یعنی صدای بم تر؛ اما در امواج الکترومغناطیس طول موج بلندتر یعنی رنگ قرمزتر. همان طور که از بم تر شدن صدای آژیر به این نتیجه می رسیم که آمبولانس در حال دور شدن از ماست، از قرمزتر شدن رنگ یک کهکشان نیز به این نتیجه می رسیم که آن کهکشان در حال دور شدن از ماست. به این پدیده در فیزیک انتقال به سرخ یا قرمزگرایی می گوییم. هرچقدر سرعت دور شدن از ما بیشتر باشد مقدار انتقال به سرخ نیز بیشتر است.

سایت علمی بیگ بنگ / نویسنده: امیرحسن موسوی / جام‌جم

دور فرستی کوانتومی (Quantum Teleportation    )

اروین شرودینگر تنها فیزیکدانی نبود که پذیرقتن جنبه های نامعمول مکانیک کوانتومی برایش مشکل بود. آلبرت اینشتین، که شاید بزرگترین فیزیکدان قرن بیستم باشد، نشان داد که مکانیک کوانتومی از بعضی لحاظ نظریه ای نامطلوبی است. او همراه با دو همکارش، بوریس پودولسکی و ناتان روزن، آزمایشی تخیلی را مطرح کرد که فکر می کرد عیب این نظریه را نشان می دهد. ولی مانند آزمایش تخیلی شرودینگر، تمام کاری که اینشتین انجام داد برجسته کردن شگفتی این نظریه بود و مبنای ممکنی برای دورفرستی فراهم آورد، که به باریکه های به کار رفنه برای انتقال افراد و اشیا در فضا در مجموعه داستان علمی-تخیلی استار ترک شبیه بود.

این آزمایش تخیلی مستلزم مفهومی بود به نام درهم تنیدگی. در مکانیک کوانتومی، درهم تنیدگی به وضعیتی اطلاق می شود که درآن حالت های دو یا چند ذره، با آنکه ذرات ممکن است لز هم دور باشند، به شدت به یکدیگر مربوط اند. این وضعیت ها رخ می دهند چون حالت های نامعین ممکن است بیش از یک ذره را در بر گیرند، به گونه ای که بین حالت ها یا مسیرهای تک تک آن ها پیوند برقرار کند.

مثلا، هر الکترون یک جفت ممکن است از شکاف های متفاوت آزمایش دو-شکاف توصیف شده ی قبلی عبور کند. اگرچه مکانیک کوانتومی نمی تواند پیشاپیش بگوید که کدام الکترون، E1     یا E2    از کدام شکاف می گذرد، اگر اندازه گیری نشان دهد E1 از شکاف A می گذرد، آنگاه E2 باید از شکاف B بگذرد.

آنچه اینشتین را نگران می کرد این است که درهم تنیدگی درهر فاصله ای عمل می کند. حتی اگر ذرات مایل ها از هم فاصله داشته باشند، یا حتی اگر آن ها را در کهکشان های متفاوتی باشند، وقتی که اندازه گیری در مورد یکی انجام شود حالت های دیگری خود به خود تعیین می شود.

فرض کنید یک واکنش شیمیایی یا هسته ای دو الکترون ایجاد می کند که از یکدیگر دور می شوند، و ماهیت واکنش تولید الکترون های با اسپین های مخالف است، یک الکترون اسپین بالا و الکترون دیگر اسپین پایین دارد. مکانیک کوانتومی آزمایش را به صورت تصلدفی توصیف می کند.

دو الکترون و حالت هایشان مشخث اند، ولی پیشاپیش نمی توان تعیین کرد که کام الکترون اسپین بالا و کدام الکترون اسپین پایین دارد. اگر فیزیکدانی آزمایشی را روی یک الکترون اجرا و اسپین بالا را تعیین کند، آنگاه حالت نامعین سیستم، متشکل از دو الکترون، به یک حالت اسپین معین تبدیل می شود. یعنی حالت اسپین الکترون دیگر، که قبلا نامعین بود، اکنون با آنکه ممکن است خیلی دور باشد معین است.

این مطلب اینشتین را گیچ و سردرگم کرده بود زیرا افکار و نظریه های او نشان داد که هیچ اطلاعاتی نمی تواند سریع تر از سرعت نور حرکت کند، ولی دانشمندی می توانست حالت اسپین یکی از الکترون ها را با اندازه گیری تعیین کند که ممکن بود در سیاره ی دیگر یا حتی در کهکشان دوری انجام شده باشد.

با وجود بدگمانی های اینشتین، آزمایش های مشابه داستان جفت الکترون پیشگفته ثابت می کنند که این حادثه رخ می دهد. ولی نتایج نظریه های اینشتین را نقض نمی کنند زیرا این پدیده اطلاعات را منتقل نمی کند. اندازه گیری الکترون اول حالت دومی را تعیین می کند، اما راهی وجود ندارد که ناظر الکترون دوم بتواند از اندازه گیری رخ داده آگاه شود مگر اینکه از شخصی که آزمایش را انجام داده پیامی را که با وسیله ی متداولی مانند رادیو منتقل شده باشد، دریافت کند. حالت الکترون برای ناظر دوم هنوز نامعلوم است تا اینکه اندازه گیری انجام گیرد یا پیامی از ناظر اول دریافت شود.

اینکه درهم تنیدگی هیچ قانونی را نقض نمی کند، باز هم یکی از نتایج عجیب تر مکانیک کوانتومی به شمار می آید. اگر حالت اسپین الکترون دوم، همان طور که نظریه می طلبد، تا وقتی که مشاهده شود نامعین است. آنگاه به طریقی که بعد از آنکه کسی حالت الکترون اول را تعیین کرد حالت اسپین مناسب را اتخاذ کند. این اساس استدلال اینشتین بود، که مطلب شرودینگر درباره ی گربه را شبیه سازی می کند. اگر حالت الکترون دوم آمیزه ای از اسپین بالا و پایین باشد که تا زمان مشاهده معین نیست، آنگاه اندازه گیری ناظر اول به طریقی بر حالت الکترون دوم تاثیر می گذارد. اینشتین برای این مطلب توضیحی نداشت.

هیچ کس دیگر هم درگیری را به وسیله ی فیزیک کلاسیک توضیح نداد. با وجود این، فرآیند می تواند مفید باشد. اگرچه اطلاعات نمی تواند منتقل شود، از آن می توان نسخه برداری، و آن را با روشی به نام دورفرستی، از طریق فضا منتقل کرد.

نویسندگان داستان های علمی-تخیلی اصطلاح دورفرستی را قبلا ساخته بودند، البته تا قبل از مکانیک کوانتومی سازوکار عملی برای آن نداشتند. ایده ی آن روبش (اسکن) کردن یک جسم یا شخص در یک مکان و ایجاد یک نسخه ی کامل در مکان دیگری است. نسخه ی اصلی معمولا طی فرآیند از میان می رود، تنها چیزی که منتقل می شود ساختار، غیرقابل تشخیص از اصل گنجانده شده در نسخه ی تکثیر شده است. همان طور که در شکل نشان داده شده، دورفرست (teleporter) شبیه دستگاه دورنگار است، با این تفاوت که فرآیند روبش نسخه ی اصلی را از میان می برد.

درهم تنیدگی به دلیل کنش از دور که اینشتین را حیرت زده کرد، نقشی بازی می کند. آزمایشی متشکل از یک واکنش یا حادثه ای دیگر از ذرات درگیر را ایجاد می کند. با انجام دادن یک دسته آزمایش دقیق، ناظران در یک مکان حالت یک زیرمجموعه لز ذرات تعیین می کنند.

اندازه گیری ها به طریقی انجام می شوند که از حالت یکی از ذرات نسخه برداری می کنند. اندازه گیری، این حالت ذره را به دلیل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ برهم می زند، ولی ذرات درگیر اکنون در همان حالت اند. نسخه ی اصلی نابود می شود ولی نسخه ی بدل در مکان دیگری وجود دارد.

آزمایش های مربوط به فوتون ها تایید می کنند که دورفرستی کوانتومی می تواند رخ دهد. دانشمندان در دانشگاه واینا در اتریش فوتون را در 2004 در عرض رودخانه ای دانوب دورفرستی کردند. اگرچه در آزمایش های پیش تر در طول فاصله های کوتاه دورفرستی شده بودند، این نخستین بار بود که فرآیند در خارج از آزمایشگاه انجام می شد. یک کابل تار فیبرنوری در کف رودخانه حالت های بیت مانند (کیوبیت های) فوتون ها را به طرف دیگر منتقل می کرد.

آزمایش مهم دیگری در سال 2004 فرآیند را به اتم ها تعمیم داد. دانیل اف جیمز فیزیکدان از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس با گروهی از پژوهشگران در دانشگاه اینسبروک در اتریش، که به وسیله ی پروفسور دنیر بلات هدایت می شد، همکاری کرد. این دانشمندان به کمک یون های کلسیم، حالت های کوانتومی را در فقط تقریبا یک هزارم یک اینچ دورفرستی کردند، ولی این آزمایش قابل ملاحظه بود زیرا اتم ها از فوتون ها بسیار پیچیده ترند. بذای کنترل شرایط، پژوهشگران اتم ها را تا دماهای بسیار پایین سرد کرده، به کمک لیزرها حالت های آن ها را دستکاری کردند. هماندهی دقت تکثیر همیشه کامل نبود، ولی آزمایش نشان داد که هم ماده و هم نور را می توان دورفرستی کرد.

توانایی فعلی دورفرستی کوانتومی راه درازی را تا استار ترک پیش رو دارد، و فرستادن انسان به سیاره های دور در زمانی به این نزدیکی ها دور از ذهن است. انسان مجموعه ای به شدت پیچیده از اتم هاست و هماندهی کم تر از 100 درصد فاجعه به بار خواهد آورد. ولی مسئله یک مسئله ی مهندسی است. به برکت وجود مکانیک کوانتومی، قانونی در فیزیک وجود ندارد که از پیشرفت این فناوری در آینده جلوگیری کند.

فیزیک، در یک حرکت جسورانه، حجم زیادی از داستان های علمی-تخیلی را ناگهان به نظر عملی، یا حتی محتمل، ساخته است. اما شاید مهم تزین نتیجه ی مکانیک کوانتومی محدودیت های آن است. لاپلاس از جهان هستی رویایی داشت که با هر جزئیاتی قابل حدس بود، با دانستن اطلاعات کافی، هر رویدادی را می شد پیش بینی کرد.

مکانیک کوانتومی جهان هستی متفاوتی را آشکار می ساخت، که در آن احتمال نقش بازی می کرد. در زمان لاپلاس، بخت آزمایی فقط به نظر می رسید تصادفی باشد، مردم عقیده داشتند که نتیجه به دلیل کمبود اطلاعات قابل پیش بینی نبود.

ریاضیات و صدا

مفهوم های ریاضی در طی قرن ها موسیقی و امواج صوتی را تغییر داده و برگردانده اند. قدم زدن در داخل کلیسای سن پیتر در زیر گنبد آن در رم شما را قانع می کند که منحنی دیوارهای گنبد نجوای انسان را به شنونده ای در طرف دیگر آن می رساند.

تماشای یک تراژدی یونانی در آمفی تئاتری باستانی در اپیداروس نشان می دهد که طراحان آن باید ریاضیات آکوستیک را پیش از طراحی و بنا کردن این تئاتر روباز استثنایی مطالعه و تجربه کرده باشند.

تماشاگری که در دورترین ردیف نشسته است صدای انداختن سوزنی را در مرکز صحنه از سوی بازیگر می تواند به راحتی بشنود. از شکل های ویژه ی ریاضی در طرح بازتابنده هایی که به خاطر دو سهمی که مطابق شکل قرار گرفته اند، صدای تولید شده در یک کانون به سقف سهمی شکل برخورد می کند و پس از بازتاب به طور موازی به سقف روبرو در جایی برخورد می کند که به کانون دیگر انعکاس می یابد.

نمودار بالا طرح آمفی تئاتر باستانی یونانی در اپیداروس در یونان است. عکس زیر آمفی تئاتر را در امروز نشان می دهد. هم طرح و هم ساخت آن، اثر آکوستیک آن را افزایش می دهد.

یافتن بهترین نقطه ها برای ارسال و دریافت صدا اتفاقی نیست. صدا و آکوستیک مستقیما با شکل ها و مفهوم های ریاضی ارتباط دارند. جان فوریه ریاضیدان قرن نوزدهم نشان داده است که امواج صوتی خود توابع تناوبی ساده ی سینوسی اند.

او ثابت کرد که زیر و بمی، بلندی و کیفیت صدا به ترتیب به بسامد، دامنه و شکل این توابع سینوسی بستگی دارند.