جهان تا کجا انبساط می یابد؟

آیا جهان مرز دارد؟ شاید، ولی لزومی ندارد. ممکن است که جهان حالتی انبساطی خود را حفظ کند و تمام فضا حالت وسیعتر شدن خود را ادامه بدهد. بدون این که ماهیت محکم و ریشه داری برای میزان بزرگی فضا باشد. جهان در تمام جهات به سوی بی نهایت میل می کند و یا ممکن است از ورای خود بسته شود، مانند نوار لاستیکی با سطح بالن که انحنا دارد.

در هر حالت، انبساط فقط به عنوان تجسمی است که از درون معنی دارد و خارج از آنچه دیده می شود، چیزی وجود ندارد.

امکان دارد جهان مرزی داشته باشد، اما باید دور باشدو در آن سوی قسمتی از جهان که ما می توانیم ببینیم. تاکنون نشانه ای از وجو مرز ندیده ایم یا واقعا هر تبدیل حقیقی از راه اشیا در جهان و پیرامونمان است. اگر انفجار بزرگ مانند منفجر کردن قطعه ای باشد که قطعات آن از یکدیگر دور می شوند، پس آنچه که ما می بینیم، درون انبساط حاصل از انفجار بزرگ نهفته است.

جهانی که می توانیم مشاهده کنیم، مرزی دارد که به علت محدودیت سنی آن، فقط می توانیم فاصله ی معینی از فضا را ببینیم. همچنان که در فضا کنکاش می کنیم، در حال مشاهده ی گذشته ی فضا در طول زمانی هستیم که نور آن فاصله را طی کرده است (دوثانیه تا ماه، حدود هشت دقیقه تا خورشید، سالها یا هزاران سال تا ستاره ای در کهکشان خودمان و حدود دو میلیون سال تا دورترین چیزی که می توانیم بدون تلسکوپ ببینیم فاصله ی زمانی وجود دارد)- (دورترین فاصله برای چشم غیر مسلح، کهکشان آندرومدا است).

بیشترین فاصله ای که با هر ئسیله ای می توانیم بر طبق اصول ارسال نور مشاهده کنیم، نشان می دهد که ما اندکی پس از انفجار بزرگ قرار داریم و این نور بوده که همراه با تاریخ، جهان را پیموده است.

ما هرگز دورتر از این را نمی توانیم ببینیم. یا به بیان دیگر ما برای دیدن مثلا حدود یک سال نوری باید یک سال در انتظار بمانیم. زیرا سن جهان که حدود 12 تا 15 بیلیون سال است، وافعیت انبساط جهان را تایید می کند. بیشترین فاصله ای که در حال حاضر مطابق اصول می توانیم ببینیم، کمتر از حدود 20 تا 30 بیلیون سال نوری است.

در این صورت جهانی که می توانیم ببینیم، مرزی دارد. ولی بیشتر از نوع زمان است تا مکان.

در حال حاضر در عمیق ترین تصاویر، شاهد شکل گیری دقیق تعداد زیادی از نزدیکترین کهکشان ها هستیم. شگفت نگیز این است که در خارج حجمی که می توانیم ببینیم، فضا همچون مکان های دیگر است.

دوگانگی موج- ذره

امواج و ذرات خواص اساسا متفاوتی دارند. ذره محدود (بسته ای از جرم و انرژی) و موج یک حرکت تناوبی است. توپ تنیس روی میز ذره مانند، ولی حرکت پس و پیش سیم های گیتار موج است. انرژی ذره محدود شده، ولی انرژی موج در حرکتی که خود موج را تشکیل می دهد پخش می شود.

توماس یانگ (1829-1773) فیزیکدان و پزشک انگلیسی، نشان داد که هنگامی که آزمایش دو شکاف را انجام می دهد نور موج است. هنگامی که نور از دو شکاف یک دیوار می گذشت و به یک پرده می تابید، به جای دو لکه ای نور، یک رشته نوارهای روشن و تاریک، مطابق شکل صفحه ی بعد، به وجود می آمد.

اگر نور از ذرات تشکیل می شد، ظهور دو لکه انتظار می رفت، ذرات از هر شکاف می گذشتند و دو قسمت جداگانه ی پرده را روشن می کردند. آنچه یانگ به آن پی برد این بود که نورهای گذرنده از شکاف ها پخش می شوند، و همانند امواج، با یکدیگر تداخل می کنند. درجایی که یک اوج (بالاترین نقطه) موج یا حضیض (پایین ترین نقطه) موج دیگری هم ردیف می شود، دو موج یکدیگر را حذف می کنند و یک لکه ی تاریک ظاهر می شود، که این مطلب وجود نوارهای تاریک را توضیح می داد، نور نمی توانست متشکل از ذرات باشد چون راهی وجود ندارد که ذرات بتواندد با هم ترکیب شوند و روشنایی صفر ایجاد کنند. دانشمندان آزمایش یانگ را به عنوان دلیلی برای این در نظر گرفتند که تابش الکترومغناطیسی یک موج الکترومغناطیسی است.

اما اینشتین می خواست شق دیگری را در نظر بگیرد. او مفهوم فوتون ها را برای تشریح اثر فوتوالکتریکی به کار برد، که در آن فلزات هنگامی که با نور رو به رو می شدند الکترون ها را گسیل می کردند.

اثر فوتوالکتریک این توضیح را نقض می کرد زیرا به نظر نمی رسید فلز هنگامی که الکترون ها را گسیل می کند انرژی موج را جذب می کند. تابش یک نور روشن با بسامد پایین برای مدت زیادی هیچ الکترونی را بیرون نمی راند، ولی هنگامی که بسامد نور از بسامد خاصی بیشتر می شد، فلز بیرون راندن آن ها را آغاز می کرد.

اینشتین نشان داد که فلز بسته های مجزای نور(فوتون ها) را جذب می کند که انرژی آن ها به بسامد بستگی داشت(هر چه بسامد بیشتر بود، انرژی بیشتر بود) این وضع چگونه پیش می آمد؟ او به درستی فرض کرد که تثر فوتوالکتریک هنگامی رخ می دهد که فوتون با انرژی کافی برای آزادسازی یک الکترون به فلز برخورد کند.

فوتون های اینشتین فیزیکدانان را در وضعیت دشواری قرار داد. آیا نور موج است یا ذره؟ نور نمی تواند هر دو باشد، ولی این دقیقا چیزی است که به نظر می رسد باشد، و حتی فوتون ها به نظر می رسد که یک « بسامد » که خاصیتی از موج است، دارد. هنگام انجام دادن آزمایش دوشکاف یانگ با استفاده از منابع ضعیف نور به گونه ای که درهر لحظه فقط یک فوتون بگذرد، پرده لکه هایی از نور را نشان می دهد که نمایشگر وجود فوتون ها هستند، ولی با گذشت زمان الگوهای روشن و تاریک پدیدار می شوند چنانکه گویی فوتون ها با خودشان تداخل می کنند!

چیستی زمان (قسمت دهم)

این فرضیه (مکانیک آماری بولتزمن) ما را به یک مسئله مواجه می کند:
توضیح بولتزمن از رفتار ترمودینامیک فقط براساس مکانیک نیوتونی و کمی ریاضییات است. ولی این توضیح از رفتار ذره ای نسبت به وارونگی زمان نامتغیر است. هیچ چیز در آن چه گفته شد جهت آنچه (( آینده )) می نامیم را نشان نمی دهد.

پارادوکس لوشمیت
در واقع ظاهرا می توانیم استدلال مان را به عقب برگردانیم.
از استدلال به اینجا می رسیم که در یک حالت غیر محتمل در زمان حال (مثلا ظرف گاز را به تازگی باز کرده ایم) حالت های اولیه تر (همانند حالت های بعدتر) حالت های ممکن تری هستند.
با آشنایی از حالت های ممکن با آنتروپی بالا، می فهمیم که بولتزمن در توضیحات خود می گوید که آنتروپی پیش از باز شدن ظرف گاز بالاتر بود.
فرضیه بولتزمن می گوید:
نه نتها آنتروپی به سوی آینده بیشتر می شود، بلکه آنتروپی به سوی گذشته نیز بیشتر می شود!
اگر چنین باشد، پس حرارت باید در جهت گذشته نیز از گرم به سرد برود!
ولی این موضوع خلاف تجربه و آشکارا اشتباه است. حال ما رسما با یک مسئله روبرو شده ایم.
نام آن پارادوکس برگشت پذیری لوشمیت است.
جوزف لوشمیت استاد بولتزمن بوده که اشاره به نتیجه مشابهی با یک از تلاشهای اولیه بولتزمن در توضیح پیکان زمان داشته است.

راجرز پنروز ریاضیدان و فیزیکدان مسئله لوشمیت را چنین مطرح می کند:
مکانیک آماری بولتزمن پیشگویی کرده که آنتروپی در هر دو جهت افزایش می یابد. در حالی که بنابر تجربه فقط در یک جهت افزایش می یابد. (( آن را جهت آینده می نامیم ))
پاسخ بولتزمن شگفت آور و زیرکانه بود:
هرچند انحراف عمده از تعادل بسیار ناممکن می نماید، پس از زمان کافی روی خواهند داد.
در بازی دو جعبه و 20 توپ، ما سرانجام به آرایش (( آنتروپی پایین )) مانند 5 توپ در جعبه A و 15 توپ در جعبه B خواهیم رسید. فقط باید مدت درازی صبر کنیم.
وقتی از تمامی محتوای عالم می گوییم که در آن اعداد بزرگ تر از 20 وجود دارد. باید مدت طولانی تری صبر کنیم.
ولی در یک مدت زمان نامشخص، بالاخره باید منتظر باشیم نواسانات آنتروپی پایین نیز روی دهد.
قشیه تکان دهنده بولتزمن این بود که تمام عالمی که می بینیم صرفا یک انحراف آنتروپی پایین است در جهانی بسیار بسیار پیرتر!
موجودات در این چنین جهانی، در هر سوی منحنی که باشند، تعریف کننده آینده اند و آینده جهت آنتروپی رو به افزایش است.

چیستی زمان (قسمت نهم)

مکانیک آماری
لرد کلوین، جیمز کلرک مکسول، لودویگ بولتزمن، و ویلارد گیبز از بوجود آورندگان مکانیک آماری هستند.
این فرضیه با نوسانات جددای از ارزش های ترمودینامیکی در سیستم های بسیار کوچک اثبات شده است.
بینش اصلی در توضیح مکانیک آماری قانون دوم را به سادگی می توان تصویر کرد.
تصور کنید دو جعبه داریم:
A و B و 20 توپ بیلیارد که از 1 تا 20 شماره گذاری شده اند.
به تعداد زیاد راه هایی که می توانیم این توپ ها را بین این دو جعبه تقسیم کنیم فکر کنید.
می توانیم هر 20 تا را در A بگذاریم و B خالی بماند.
یا می توانیم 1،3،7،20 را در A و بقیه را در B بگذاریم و یا...

نامتقارن آماری
این عدم تقارن جالب ابتدا به نظر بولتزمن رسید.
راه تقسیم توپ ها بطور مساوی در دو جعبه بیشتر است تا بطور نامساوی.
به عنوان مثال:
تنها در یک راه می توانیم همه توپ ها را در A بگذاریم و B خالی بماند. ولی به 15000 روش می توان پنج تا را در A و پانزده تا را در B گذاشت.
و به 180000 روش دیگر می توان ده تا را در A و ده تا را در B گذاشت!
اگر احتمال هر کدام از آرایش های 10-10، 9-11، یا 11-9 قرار بگیرند و به احتمال خیلی خیلی کم ( 0.000001 ) ممکناست در آرایش های 0-20 یا 20-0 قرار بگیرند.
و احتمال اینکه توپ ها در سلسله مراحلی از توزیع 10-10 به توزیع 0-20 برسند تقریبا صفر است.

اما در مورد گازها که می تواند در هر کدام ار جعبه ها باشند. نیوتن به ما می گوید که حتی اگر دیواره های میان دو جعبه برداشته شود. گاز می تواند به طور کامل در یک جعبه بماند.
در واقع بسیار ناممکن است.
یک گاز قابل مشاهده معمولی مثل مورد بالا 20 ذره ندارد، بلکه بیش از 10 به توان 23 ذره دارد. احتمال اینکه ذرات بطور مساوی میان دو جعبه منتشر شوند بسیار بالاست.
بدبن ترتیب بولتزمن به این نتیجه رسید که قانون دوم ترمودینامیک به طور قطع تایید شده است ولی فقط با احتمال بالا درست است. و انتشار گاز در ظرف محتوی آن ممکن ترین رفتار است.
آنتروپی معیار اندازه گیری احتمال یک حالت است. حالت های خیلی ممکن، مانند آرایش 10-10 توپ ها، آنتروپی بالا دارند، در حالی که آریش های 20-0 آنتروپی پایین دارند.
قانون دوم جدید می گوید :
همان طور که حالتی با زمان تغییر می کند، احتمال اینکه آنتروپی آن بالا بالا رود بیشتر است تا اینکه حتما آنتروپی آن بالا رود.
درک این مهم یکی از بزرگترین موفقیت های علم در قرن نوزدهم بود.

چیستی زمان (قسمت هشتم)

فرآیند های خودانگیخته:
ترمودینامیک غالبا با پدیده های نامتقارن سروکار دارد. گرما در یک سیستم بسته به طور خودانگیخته از گرم به سرد می رود. هرگز از سرد به گرم نمی رود( مگر با صرف انرژی) گاز به طور خودانگیخته منقبض نمی شود. به همین شکل در یک سیستم بسته در حرارت عادی اتاق تکه های یخ خودانگیخته ذوب می شوند و آب جمع شده هرگز به یخ تبدیل نمی شود.

قانون آنتروپی ( درگاشت) :
برای توضیح همه این فرآیندهای ناکتقارن ترمودینامیک یک قانون دارد.
قانون دوم ترمودینامیک:
که بر اساس فعالیت سادی کارنو فیزیکدان و مهندس نظامی قرن هجدهم نوشته شده است. این قانون را به روش های مختلف بیان کرده اند ولی سرانجام رودولف کلاسیوس فیزیکدان آلمانی آن را به این شکل بیان می کند:
درگاشت یک سیستم بسته همیشه با زمان افزایش می یابد.
آنتروپی خاصیتی است در همه اجسام.
نکته مهم آن است که وقتی فرآیندهای نامتقارن در ترتیبی که ما آنها را می یابیم به کار می افتد آنتروپی یا درگاشت افزایش می یابد. و اگر در موقعیت عکس قرار گیرد آنتروپی کاهش می یابد. که این نیز تعریفی دیگر از تجربه زمان است.