یک حقیقت عجیب که احتمالاً نمی‌دانستید – جرم هیدروژن، از مجموع جرم‌های پروتون و الکترونی که ذرات تشکیل‌دهنده‌ی آن هستند، کمتر است. نه تنها هیدروژن، بلکه جرم تمام عناصر جدول تناوبی از مجموع اجزاء سازنده خود کمتر است.
حالا یک چالش ذهنی دیگر: اگر دو جسم، که اجزاء سازندشان تا اتم‌هایشان یکسان باشد داشته باشیم، این دو جسم به احتمال زیاد اجرام متفاوت خواهند داشت. چرا؟ پاسخ تمام این سوالات، در دل مشهورترین ر*اب*طه‌ی فیزیک است: E=mc^2
همانطور که در ویدیو میبینیم، جرم چیزی که از اجزای کوچک‌تری تشکیل شده، با مجموع اجرام آن اجزاء برابر نیست. اگر می‌خواهید از جرم حقیقی ماده سر درآورید، باید به نوع کنار هم قرار گرفتن اجزاء، و حرکت این اجزاء در شی بزرگتر توجه کنید. به عنوان مثال، اگر به اینشتین دو ساعت دقیق می‌دادید –و منظور من از دقیق در حد اتمی است – اما فقط یکی از این دو ساعت کار کند، اینشتین به شما میگوید ساعتی که کار میکند، جرم بیشتری نسبت به ساعتی که کار نمیکند دارد. دلیل این امر چیست؟
تمام انرژی جنبشی حرکت عقربه، انرژی پتانسیل فنرها، و اصطکاک چرخ‌دنده‌ها، براساس قانون E=mc^2 باعث افزایش جرم میشوند. اما در همین حین که تمام تمرکزتان را روی عبارت “انرژی پتانسیل برابر است با جرم اضافه” معطوف کرده‌اید، داستان کمتر بودن جرم هیدروژن از اجزای سازنده‌اش را به خاطر آورید. ظاهراً، انرژی پتانسیل میتواند منفی هم باشد. اما چطور ممکن است؟ آنطور که در ویدیو توضیح داده میشود، فاصله‌ی بسیار ناچیز پروتون و الکترون در اتم هیدروژن باعث کاهش انرژی پتانسیل، حتی تا زیر صفر و مقادیر منفی میشود:
البته از گردش الکترون به دور پروتون، انرژی جنبشی تولید میشود، اما حتی این انرژی برای برگرداندن مجموع به صفر کافی نیست. این گزاره درباره‌ی تک تک عناصر جدول تناوبی نیز صادق است. اما اگر خیلی ریز شویم و به جمع جرم‌های اجزاء سازنده‌ی پروتون و الکترون، یعنی کوارک بنگریم، چطور؟ و اگر طبق مدل‌های فیزیکی، خود کوارک‌ها از ذرات بنیادی‌تر تشکیل نشده‌اند، اصلاً کوارک‌ها جرمشان را از کجا می‌آورند؟ نترسید، ویدیوی بالا از PBS Space Time پاسخ تمام این سوالات را میدهد، و شما را قدردان معادله‌ای میکند که در دل خود، تمام این مسائل را پوشش داده است. هرچقدر بگوییم کم است. ممنونیم آلبرت اینشتین عزیز. انجمن تک رمان
قانون علمی چیست؟ به طور کلی، یک قانون علمی شرح یا توصیفی از یک پدیده‌ی مشاهده شده است. این قانون، راجع به چرایی، ماهیت یا خالق آن پدیده توضیحی نمیدهد. توضیح و شرح پدیده‌ی مورد نظر یک “نظریه علمی” است.
در معادله‌ی گرانش (که توسط آیزاک نیوتن مطرح شده) نیروی گرانش میان دو جسم با افزایش جرم هر یک از دو جسم افزایش، و با افزایش فاصله‌ی میان آن دو کاهش می‌یابد.
به گزارش بیگ بنگ، اینکه یک نظریۀ علمی با شواهد کافی، به یک قانون مبدل میشود، تصوری است غلط. پیتر کاپینگر، دانشیار زیست‌شناسی و مهندسی پزشکی در مؤسسه‌ی فنی رز-هالمن میگوید: « در علم، قوانین نقطه‌ی شروع هستند. از آنجاست که دانشمندان شروع به پرسش میکنند. “چرا و چگونه؟”»
نظریه علمی در مقابل قانون علمی
قوانین و نظریه های علمی‌ای که با شواهد تجربی کافی همراهند، نزد اکثر دانشمندان با احترام خاصی پذیرفته میشود. هر دو به متحد ساختن یک زمینه‌ی علمی کمک می کنند. با این حال، قوانین و نظریه ها، و همچنین فرضیه‌ها، بخش‌های مجزایی از روش‌های علمی به شمار میروند. در مطالب منتشر شده توسط دانشگاه کالیفرنیا میخوانیم: «فرضیات، نظریه ها و قوانین، بیشتر به سیب، پرتقال و کام‌کوات شبیه‌اند: هیچ یک نمیتواند رشد کند و به دیگری تبدیل شود. حتی اگر به‌قدر کافی از آب و کود استفاده شود.» طبق مطالب دانشگاه ایالتی کنساو، یک فرضیه، بیانی محدود از یک پدیده است. یک نظریه علمی، شرحی عمیق‌تر از پدیده میباشد. یک قانون علمی اعلامیه یا بیانی از یک پدیده‌ی مشهود یا مفهوم واحد میباشد.
کاپینگر در مصابحه با Live Science گفت: «در علم چهار مفهوم عمده وجود دارد : اصل‌ها، فرضیات، قوانین و نظریه ها. قوانین توصیف‌هایی – اغلب به زبان ریاضی – از یک پدیده‌ی طبیعی‌اند؛ به عنوان مثال، قانون جاذبه‌ی نیوتن یا قانون جورشدن مستقل ژن‌ها از مندل. کار این قوانین صرفاً بیان توصیفی است از مشاهده، و نه توضیحی از چگونگی و چرایی آنها.»
کاپینگر خاطر نشان کرد که قانون جاذبه توسط نیوتن در قرن هفدهم کشف شد. این قانون، توصیف ریاضی‌ای از نحوه‌ی تقابل دو جسم در جهان روی یکدیگر است. به هر حال، قانون جاذبه‌ی نیوتن راجع به ماهیت و طرز کار جاذبه توضیحی نمیدهد. سه قرن پس از کشف این قانون، که آلبرت اینشتین نظریۀ نسبیت خود را به ظهور رساند، دانشمندان شروع به درک چیستی و چرایی گرانش کردند. او میگوید: «قوانین نیوتن برای دانشمندان کارآمدند چرا که اخترفیزیکدانان از این قانون کهنه‌کار برای نشاندن ربات‌هایشان روی مریخ استفاده می کنند. اما در قانون گرانش، توضیحی راجع به ماهیت یا طرز کار گرانش داده نمی شود. به طور مشابه، قانون جورشدن مستقل ژن‌های مندل، صرفاً حرف از انتقال صفات از والد و فرزند میزند و نه از چیستی و چرایی آن.»
یک مثال دیگر که تفاوت میان تئوری و قانون علمی را تبیین میکند، مورد گرگور مندل است. مندل فهمید که دو صفت ژنتیکی به طور کاملاً مستقل از یکدیگر در فرزندان مختلف ظاهر میشوند. کاپینگر در این‌باره گفت: «با این وجود، مندل چیزی از DNA و کروموزوم‌ها نمیدانست. یک قرن طول کشید تا دانشمندان DNA و کروموزوم (توضیح علمی قانون مندل) را کشف کردند. پس از این کشف بود که دانشمندانی چون توماس هانت مورگان، با مطالعه روی مگس سرکه، به وسیله‌ی وراثت کروموزومی موفق به توضیح‌دادن قانون جورشدن مستقل ژن‌ها شد. تا به امروز هنوز هم این توضیح علمی (نظریه) پذیرفته شده‌ای از ژنتیک مندل است.»
قوانین و ریاضیات
بسیاری از قوانین علمی را میتوان در یک تساوی ریاضیاتی بیان کرد. به عنوان مثال، قانون جاذبه‌ی نیوتن به شرح زیر است:
Fg = G (m1 ∙ m2) / d2
که در آن، Fg بیانگر نیروی جاذبه، G ثابت گرانش کیهانی (که قابل اندازه‌‌گیری است)، m1 و m2 جرم دو جسم و d فاصله‌ی میان آن دو میباشد. (براساس صفحات آموزشی دانشگاه ایالتی اوهایو). مثالی دیگر که در آن تأثیر ریاضیات بر قوانین علمی را میبینیم، قوانین احتمال است. دکتر سیلویا واسرتهایل-اسمولر، استاد کالج دانشکده پزشکی آلبرت اینشتین میگوید: «قانون علمی مورد علاقه‌ی من این است که ما در یک جهان تصادفی زندگی میکنیم و نه مشخص. با ارقام بزرگ، احتمال همیشه درست میگوید. همیشه ما برنده‌ایم!»
او ادامه میدهد: «ما قادر به محاسبه‌ی احتمال میزان وقوع یک واقعه هستیم و میتوانیم میزان اطمینان خاطرمان از حدسی که زده‌ایم را مشخص کنیم، اما با این وجود همیشه مصالحه‌ای میان دقت و اطمینان وجود خواهد داشت. این موضوع را تحت عنوان بازه‌ی اطمینان میشناسیم. به عنوان مثال، میتوانیم ۹۵ درصد مطمئن باشیم که مطلوب ما در یک بازه‌ی مشخصی قرار دارد، و از طرفی میتوانیم ۹۹ درصد مطمئن باشیم که مطلوب مد نظر ما در بازه‌ای بزرگتر قرار دارد. دقیقاً مثل خود زندگی، باید بپذیریم که یک مصالحه‌ای در کار است.»
آیا قوانین تغییر هم می کنند؟
اینکه یک ایده تبدیل به یک قانون بشود، دلیل نمی شود که با تحقیقات علمی آینده امکان تغییر درآن وجود ندارد. استفاده از کلمه‌ی “قانون” بین دانشمندان با استفاده از این کلمه میان عوام متفاوت است. اکثر مردم وقتی از قانون می گویند، از چیزی مطلق سخن میگویند. یک قانون علمی بسیار منعطف‌پذیر‌تر است. یک قانون علمی میتواند موارد استثناء داشته باشد، به کلی رد شود و یا در طی زمان تکمیل شود.(براساس صفحات آموزشی دانشگاه کالیفرنیا).
کاپینگر میگوید: «دانشمند خوب دانشمندی است که دائما از خود بپرسد “چطوری میتوانم به خود ثابت کنم که در اشتباهم؟”» او میگوید: «در مواردی مثل قانون جاذبه یا قانون جورشدن مستقل ژن‌ها، آزمون‌های پی‌در‌پی باعث “پیچ خوردن” این قوانین شدند. موارد استثناء پیدا شدند. به عنوان مثال، قانون گرانش نیوتن در سطح کوانتومی (زیر-اتمی) فرو می ریزد. قانون جورشدن مستقل ژن‌های مندل، برای مواردی که صفات روی یک کروموزوم پیوند خورده‌اند، درست کار نمی کند. انجمن تک رمان
سحابی چیست و چگونه شکل می گیرد؟ نگاه کردن به سحابی‌ها براستی با احساس شگرفی همراه است. نام “nebulae” از لاتین کلمه‌ی ابر آمده اما سحابی‌ها صرفاً ابرهای حجیمی از غبار، گ*از هلیوم و هیدروژن، و پلاسما نیستند. آنها بیشتر خانه‌ی دوران کودکی ستارگان‌اند – منظور محل تولد ستارگان است. برای قرن‌ها، کهکشهان‌های دور با این ابرهای حجیم اشتباه گرفته می شد. متأسفانه این تعریف و توضیح از سحابی‌ها، نیز بسیار سطحی است و ماهیت اصلیشان را بیان نمی کند. از پروسه‌ی ایجاد شدنشان گرفته تا نقششان در تولد ستاره‌ها و سیارات، و تنوعشان، سحابی‌ها همیشه برای بشر رمزآلود و کشف نشده بوده‌اند.
نمایی از گرد و غبار سحابی عقاب
به گزارش بیگ بنگ، مدتی است که دانشمندان و ستارهشناسان دریافته‌اند که فضای دوردست، خلأ مطلق هم نیست. در حقیقت این فضاها از گ*از و غباری تشکیل شده‌اند که تحت عنوان محیط میان‌ستاره‌ای(ISM) شناخته می شوند. حدودا ۹۹ درصد این محیط از گ*از ساخته‌شده، که ۷۵ درصد این گ*از هیدروژن و ۲۵ درصد دیگر از گ*از هلیوم میباشد.
بخشی از این گازهای میان‌ستاره‌ای از اتم‌ها و مولکول‌های خنثی ساخته‌شده، درحالی که بخش‌های باردار (پلاسما)، مثل یون و الکترون‌ها نیز در این گ*از وجود دارند. این گ*از بشدت رقیق است و غلظتی حدود یک اتم در هر سانتیمترمکعب دارد. درمقابل، چگالی اتمسفر زمین حدوداً ۳۰ کوینتیلیون (ده به توان ۱۸) مولکول در هر سانتیمترمکعب در سطح دریا میباشد. اگرچه گ*از میان‌ستاره‌ای بسیار پراکنده است، ولی در فواصل طولانی میان ستاره‌ها، جرمش افزایش می‌یابد. و گاهی نیروی گرانشی بین اجرام این ابرها به قدری میرسد که ذرات را جمع کند و ستاره‌ها و سیارات را شکل دهد.
شکل‌گیری سحابی‌ها
اساساً سحابی‌ها با رمبش گرانشی بخش‌های مختلف مواد میان‌ستاره‌ای شکل میگیرند. گرانش متقابل باعث ایجاد توده‌ای از مواد شده که به مرور زمان سنگین و سنگین‌تر میشود. براساس این گفته‌ها، ستاره‌ها احتمالاً در دل مواد درهم‌رونده شکل میگیرند که تشعشعات فرابنفش حاصل از یونش باعث شفاف شدن گ*از محیط اطراف با طول‌موج قابل رؤیت میشود.
اکثر سحابی‌ها اندازه‌ی بزرگی دارند و قطرشان به صدها سال نوری هم میرسد. اگرچه تراکم سحابی‌ها از محیط‌های اطرافشان کمتر است، با این وجود محیط‌های خلأ روی زمین از سحابی‌ها متراکم‌ترند. در حقیقت، یک ابرسحابی که از نظر اندازه با زمین یکی است، به اندازه تنها چند کیلوگرم جرم خواهد داشت.
طبقهبندی سحابی‌ها
اجرام آسمانی‌ای که سحابی نامیده شده‌اند، در چهار دسته‌ی اصلی جای میگیرند. اکثر آنها در رده‌ی سحابی‌های نشری قرار میگیرند، بدین معنی که مرزهای مشخصی ندارند. میتوان آنها را براساس رفتارشان با نورمرئی به دو دسته‌ی دیگر تقسیم‌بندی کرد- “سحابی نشری” و “سحابی بازتابی”. سحابی‌های نشری آنهایی هستند که از گازهای یونیزه شده، تشعشعات طیفی خطی منتشر میکنند و اکثر اوقات تحت عنوان منطقه اچ ۲ از آنها یاد میشود چرا که بخش‌های زیادی از آنها از هیدروژن یونیزه‌شده ساخته شده است. در مقابل، سحابی بازتابی نور چشمگیری از خود منعکس نمیکند اما با این وجود بخاطر ن*زد*یک*ی با ستاره‌ها همچنان پرنور است.
تصویری از انواع سحابی های سیاره نما، تاریک، نشری، بازتابی و ابر نواختری.
همچنین دسته‌ای تحت عنوان سحابی تاریک وجود دارد. ابرهای کدر و ماتی که تشعشعات قابل رؤیت ندارند و نه تنها توسط ستاره‌ها هم روشن نمیگردند بلکه مانع رسیدن نور اجرام درخشنده‌ی پشتشان به ما نیز می شوند. مشابه سحابی‌های نشری و بازتابی، سحابی‌های تاریک هم منبع تشعشعات مادون قرمز میباشند که بطور عمده این تشعشعات به‌دلیل حضور گرد و خاک درونشان میباشد.
برخی سحابی‌ها بدلیل انفجار ابرنواخترها پدید می‌آیند، و از این رو دسته‌ی آنها سحابی‌های بازمانده ابر نواختر نامگذاری شده است. در این موارد ستاره‌های کوتاه عمر دچار یک انفجار داخلی در هسته‌هایشان شده و لایه‌های بیرونی خود را پو*ست‌اندازی میکنند. انفجار مذکور، باقی‌مانده‌ای به شکل جسمی متراکم، یعنی ستاره‌ی نوترونی به‌جای میگذارد – همچنین ابری از گ*از و گرد و غبار که توسط انرژی انفجار یونیزه میشود.
شکلی دیگر از سحابی‌ها تحت عنوان سحابی سیاره‌نما شناخته میشود که از ورود یک ستاره کم‌جرم به مراحل آخر عمرش حاصل میگردد. در این سناریو، ستاره‌ها به غول سرخ تبدیل شده و لایه‌های بیرونی خود را به‌سبب تشعشعات هلیومی داخلشان از دست میدهند. زمانی که ستاره بقدر کافی جرم از دست داد، دمایش افزایش یافته و نور اشعه‌ی فرابنفشی ساطع میکند که باعث یونش تمام مواد اطرافش، که خودش کمی قبل‌تر از دست داده بود میشود. این شاخه که خود شامل زیرشاخه‌ای دیگر به اسم سحابی پیش-سیاره‌نما(PPN) میشود، شامل جرمی نجومیست که بخشی کوتاه از عمرش را در ستاره‌ای در حال شکل‌گیری میگذراند. این یک فاز سریع و زودگذر است که شامل اواخر شاخه‌ی عظیم مجانبی(LAGB) و بدنبالش سحابی سیاره‌نماست.
چهار دستۀ مختلف از سحابی سیاره نما
در بازه‌ی شاخه عظیم مجانبی، ستاره بخشی از جرم خود را به‌صورت پوسته‌ی قرص پیرا-ستاره‌ای از گ*از هیدروژن از دست میدهد. وقتی این مرحله به پایان رسید، ستاره وارد فاز سحابی پیش-سیاره‌نما شده، که در این مرحله توسط یک ستاره‌ی مرکزی انرژی یافته و در نتیجه شروع به تشعشع مادون قرمز می کند و تبدیل به یک سحابی بازتابی می شود. مرحله‌ی سحابی پیش-سیاره‌نما تاجایی ادامه می‌یابد که دمای ستاره به ۳۰۰۰۰ کلوین برسد، که در این مرحله به اندازه‌ی کافی برای یونیزه کردن گازهای اطرافش گرم شده است.
تاریخ مشاهدات سحابی‌ها
بسیاری از اجرام سحابی‌شکل توسط ستارهشناسان در عهد گذشته و قرون وسطی مشاهده شده بودند. اولین مشاهده‌ی مکتوب در سال ۱۵۰ میلادی توسط بطلمیوس صورت گرفت که او در کتابش “المجسطی” آورده که متوجه حضور ۵ ستاره شده که شبیه به سحابی هستند. او همچنین متوجه ناحیه‌ای پرنور میان صور فلکی خرس بزرگ (دُبّ اکبر) و برج اسد شد که با هیچ یک از ستاره‌های دیگر مرتبط نبود.
در کتاب صورالکواکب، نوشته شده در سال ۹۶۴ میلادی، ستاره‌شناس ایرانی عبدالرحمان صوفی رازی اولین مشاهده از یک سحابی واقعی را انجام می دهد. عبدالرحمان صوفی، “ابری کوچک” در بخشی از آسمان شب که امروزه میدانیم محل قرارگیری کهکشان آندرومدا است، مشاهده نمود. او همچنین اجرام سحابی دیگری مثل امیکرون بادبان و کولیندر ۳۹۹ را دسته‌بندی و مکتوب کرد.
عبدالرحمان صوفی رازی منجم ایرانی اولین مشاهده از یک سحابی واقعی را به ثبت رساند
در ۴ جولای سال ۱۰۵۴، ابرنواختری که سحابی خرچنگ را پدید آورد، برای ستارهشناسان روی زمین قابل مشاهده بود و مشاهداتی مکتوب از سوی منجمان چینی و عرب نیز یافت شده است. البته براساس نقل قول‌هایی، تمدن‌های دیگر موفق به مشاهده‌ی این ابرنواختر شده بودند، اما سند مکتوبی از این مشاهدات در دست نیست.
در قرن ۱۷ پیشرفت تلسکوپ‌ها منجر به مشاهده‌ی اولین سحابی شد. داستان از ۱۶۱۰ شروع می شود جایی که نیکولاس کلود فابری دی پیرسک، ستاره‌شناس فرانسوی مشاهدات خود از سحابی شکارچی را ثبت و ضبط نمود. در ۱۶۱۸ نیز ستاره‌شناس سوئیسی، یوهان باپتیست کایسات نیز موفق به مشاهده‌ی این سحابی گردید. و در سال ۱۶۵۹، کریستیان هویگنس اولین مطالعات دقیق را روی این سحابی انجام داد.
با رسیدن قرن ۱۸، شمار سحابی‌های کشف شده شروع به افزایش کرد و ستارهشناسان شروع به تنظیم لیستی از آنها نمودند. در سال ۱۷۱۵، “ادموند هالی” لیستی از ۶ سحابی منتشر نمود – M11, M13, M22, M31, M42 و خوشه کروی امگا قنطورس (NGC 5139) – او نام این سحابی‌ها را در کتابش “گزارشی از چند سحابی و نقاطی شفاف مثل ابرها در میان ستاره‌ها که اخیراً به کمک تلسکوپ کشف گردید” آورده است.
در سال ۱۷۴۶ ژان فلیپ دو شزو لیستی از ۲۰ سحابی ثبت نمود که ۸ تا از آنها تا پیش از آن زمان هنوز کشف نشده بودند. بین سال‌های ۱۷۵۱ و ۱۷۵۳ نیکولاس-لوئی دو لاکای فهرستی از ۴۲ سحابی را منتشر نمود که از روی دماغه امید نیک مشاهده کرده بود. اکثر این سحابی‌ها نیز جدید بودند. در ۱۷۸۱ شارل مسیه فهرستی شامل ۱۰۳ سحابی ارائه کرد (که امروزه تحت عنوان اجرام مسیه شناخته میشوند) اگرچه بعد مشخص شد برخی از آنها کهکشان و دنباله‌دارها بودند.
تصویری از سحابی مسیه ۲۰
شمار سحابی‌های مشاهده و فهرست شده به لطف تلاش‌های ویلیام هرشل و خواهرش کارولاین بسیار گسترش یافت. در سال ۱۷۸۶ آن دو “فهرست ۱۰۰۰ سحابی و خوشه‌های ستاره‌ای جدید”شان را منتشر نمودند، آنها در سال‌های ۱۷۸۶ و ۱۸۰۲ ادامه‌‌ی فهرست را نیز منتشر نمودند. در آن زمان، هرشل معتقد بود که این سحابی‌ها خوشه‌های ستاره‌ای حل نشده‌ای بودند، دیدگاهی که البته او در سال ۱۷۹۰ پس از مشاهده‌ی احاطه‌ی یک ستاره بدست سحابی اصلاح کرد.
در سال ۱۸۶۴ ویلیام هاگینز ستاره‌شناس انگلیسی شروع به دسته‌بندی سحابی‌ها براساس طیف آنها نمود. تقریباً یک‌سوم آنها طیف تشعشعات یک گ*از خاص را داشتند (سحابی‌های نشری)، در حالی که دیگر سحابی‌ها از جمله سحابی سیاره نما طیفی پیوسته، مرتبط و وابسته به جرم ستاره‌ها نمایش میدادند. در سال ۱۹۱۲ ستاره‌شناس امریکایی وستو اسلیفر زیر رده‌ی اصلی سحابی بازتابی را پس از مشاهده‌ی یکی بودن طیف سحابی محیط خوشه‌ی پروین با طیف خود خوشه‌ی پروین، به رده‌های سحابی‌ها اضافه نمود. در سال ۱۹۲۲ و در میان مباحثات میان دانشمندان درباره‌ی طبیعت سحابی مارپیچی و اندازه‌ی کیهان، آشکار شده بود که بسیاری از سحابی‌های مشاهده شده در اصل کهکشان‌های مارپیچی بسیار دور بوده‌اند.
در همان سال، ادوین هابل اعلام کرد که تمام سحابی‌ها به نوعی با ستاره‌ها در ارتباطند و روشنایی آنها از نور ستاره‌ها تأمین می شود. از آن پس، تعداد سحابی‌های حقیقی (نه آنهایی که دراصل خوشه‌های ستاره‌ای و کهکشان‌های دور بودند) رشد چشمگیری داشته، و طبقهبندی سحابی‌ها به لطف پیشرفت تجهیزات مشاهده‌ای و طیف‌بینی تا حد زیادی اصلاح گردیده است. بطور خلاصه، سحابی‌ها نه تنها نقاط شروع تکامل ستاره‌ها هستند بلکه نقطه‌ی اتمامش نیز میباشند. و از بین تمام اجرام فضایی که کهکشان و کیهان ما را پر کرده‌اند، ابرها و اجرام سحابی های فراوانی یافت خواهند شد که منتظر است تا نسل جدیدی از ستاره‌ها را متولد کنند! انجمن تک رمان
تلسکوپ هابل چگونه کار می کند؟ در سال ۱۹۴۶ میلادی، متخصص اختر فیزیک، دکتر لیمن اسپیتزر، ایدۀ ساخت یک تلسکوپ فضایی را مطرح کرد، این ایده در حالی مطرح شد که بشر هنوز یک راکت هم به خارج از جو پرتاب نکرده بود! دکتر اسپیتزر گفته بود یک تلسکوپ فضایی، به دلیل بیرون بودن از جو زمین، عکس های به مراتب با کیفیت تر و دقیق تری می تواند بگیرد.
دکتر لیمن اسپیتزر
به گزارش بیگ بنگ به نقل ایساتیس، با شروع فعالیت های فضایی آمریکا در دهه های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی، اسپیتزر پیشنهاد ساخت این تلسکوپ را به کنگره و ناسا ارائه کرد و در سال ۱۹۷۵، آژانس فضایی اروپا( ESA ) و ناسا تصمیم به کار بر روی این ایده، گرفتند! در سال ۱۹۷۷ میلادی بودجه ی ساخت این تلسکوپ توسط کنگرۀ آمریکا تامین شد و ناسا، شرکت لاکهید مارتین را پیمانکار ساخت و جمع آوری و تست آن کرد.
نام این تلسکوپ هابل گذاشته شد. این نام، بر گرفته از نام ستاره شناس معروف آمریکایی، «ادوین هابل» گرفته شد چرا که مشاهدات او، انبساط جهان را تایید کرده و شواهدی بر نظریه بیگ بنگ بود. پس از یک تاخیر طولانی مدت که به خاطر حادثۀ انفجار شاتل فضایی چلنجر در سال ۱۹۸۶ رخ داد، سرانجام تلسکوپ فضایی هابل در ۲۴ آوریل ۱۹۹۰، سوار بر شاتل فضایی دیسکاوری از جو زمین خارج شده و در مدار مستقر شد. از زمانی که این تلسکوپ در مدار زمین جای گرفت، اطلاعات بسیار زیادی در مورد عمر جهان، سیاهچاله ها، زمان مرگ ستاره ها و … به بشر داد!
تصویری از تلسکوپ فضایی هابل
اما تلسکوپ هابل چگونه کار می کند؟
تلسکوپ هابل در مدار ۵۶۹ کیلومتری زمین با سرعت ۸ کیلومتر بر ثانیه در حال گردش به دور سیاره ما است. این یعنی با این سرعت، کل طول ایالات متحده را فقط در کمتر از ۱۰ دقیقه طی می کند! در حین همین سفر، آینه اصلی موجود در آن نور را به طور مستقیم به داخل ابزارهای متعدد علمی درونش هدایت میکند. هابل یک تلسکوپ از نوع بازتابنده ی کاسگرین است. نور با بازتاب از آینه اولیه یا اصلی تلسکوپ، به آینه دوم منتقل می شود. آینۀ دوم نیز این نور بازتاب شده را دوباره به سمت آینۀ اصلی منعکس میکند. نوری که دوباره توسط آینه دوم برگشت داده شده از داخل حفره ای که در مرکز آینۀ اول وجود دارد گذشته و به حسگرهای تشخیص آن می رسد!
بیشتر مردم به اشتباه فکر می کنند که میزان قدرت یک تلسکوپ به قدرت بزرگ نمایی آن بستگی دارد. در حقیقت قدرت یک تلسکوپ به میزان نوری که می تواند دریافت کند مربوط می شود! هر چه قدر آینۀ تلسکوپ بزرگ تر باشد، میزان نور بیشتری را جذب می کند. قطر تلسکوپ هابل ۲٫۵ متر است که در مقایسه با تلسکوپ های روی زمین با قطری تا حدود ۱۰ متر خیلی کوچک به نظر می رسد. با این حال تلسکوپ هابل از تلسکوپ های زمینی قدرتمندتر است. زیرا نبود جو زمین در فضا باعث واضح تر شدن تصاویر ثبت شده می گردد.
زمانی که نور توسط دو آینۀ تعبیه شده در تلسکوپ هابل به حفره ی وسط آینۀ اصلی منتقل شد، ابزارهای موجود در آن دست به کار می شوند. هر کدام از این ابزارها، جهان را به گونه ی متفاوتی به تصویر می کشند. دوربین WFC3 همانطور که از نامش پیداست ۳ نوع طیف نور را دریافت می کند. طیف نورهای نزدیک به فرابنفش، طیف نورهای مرئی و طیف نورهای نزدیک به مادون قرمز، البته نه به صورت همزمان! رزولوشین یا وضوح تصویر این دوربین، از دیگر ابزارهای علمی به کار برده شده در هابل بسیار بالاتر است. این دوربین که یکی از جدیدترین ابزارهای هابل است، برای مطالعه ی ماده و انرژی تاریک، شکل گیری ستاره های نوظهور و کشف کهشکان های بسیار دور کاربرد دارد!
نحوه ی کارکرد اجزای داخلی تلسکوپ فضایی هابل
یکی دیگر از ابزارهای جدید استفاده شده در هابل، طیف نگار کیهانی یا COS است. این طیف نگار فقط برای نور های فرابنفش تعبیه شده است و مانند یک منشور عمل می کند. طول موج های دریافت شده از ستارگان، سیارات، کهشکان ها و … مانند اثر انگشت برای هر عنصر منحصر به فرد بوده و به ما اطلاعات مفیدی در ر*اب*طه با حرارت، چگالی و ترکیبات آنها به ما می دهند. افزوده شدن ابزار طیف نگار کیهانی برای علم بشر بسیار مفید بود، چرا که به هابل قدرتی تا ۷۰ برابر بیشتر برای مشاهدۀ اجسام کم نور در دور دست ها داد.
ابزار دیگری که درون هابل قرار گرفته است، دوربین نقشه برداری ACS است که برای دریافت نورهای مرئی و مطالعه ی فعالیت های ابتدایی کیهان به کار برده می شود. از این دوربین برای مطالعه ی مادۀ تاریک، اجسام بسیار دور، سیاره های بزرگ و تکامل خوشه های کهکشانی استفاده می شود. دوربین نقشه بردار در سال ۲۰۰۷ به خاطر یک اتصال کوتاه الکتریکی از کار افتاد اما در چهارمین ماموریت تعمیراتی در ماه می سال ۲۰۰۹ تعمیر شد.
دیگر ابزار استفاده شده در هابل، تصویرگر طیف نگار تلسکوپ فضایی یا STIS است که طیف های فرابنفش، مرئی و طیف های نوری نزدیک به مادون قرمز را دریافت می کند. این ابزار برای شکار سیاهچاله ها کاربرد دارد! در حالی که COS نورهای بسیار کوچک و ضعیف دور دست مثل ستاره ها و اختروش را تجزیه و تحلیل می کند، از طیف نگار برای تحلیل اجرام بزرگ تری همچون کهکشان ها استفاده می شود. این طیف نگار نیز در سال ۲۰۰۴ به دلیل نقص فنی از کار افتاد که در همان ماموریت تعمیراتی چهارم، تعمیر شد.
حسگرها و سنسورهای موجود در تلسکوپ هابل
دیگر ابزار استفاده شده در تلسکوپ هابل NICMOS است که به عنوان یک حسگر حرارتی عمل می کند. این حسگر به هابل این امکان را می دهد تا اشیاء مخفی مانده در میان گرد و غبار بین ستاره ای مثل مکان تشکیل ستاره ها را پیدا کند. در آخر، حسگرهای هدایتی یا FGS هستند که با قفل شدن بر روی ستاره های راهنما یا اصلی، جهت تلسکوپ هابل را نسبت به آنها تعیین کرده و هابل را در مسیر درستی که باید باشد نگاه می دارند.
همچنین از این حسگرها برای تعیین فاصلۀ میان دو ستاره و حرکت نسبی آنها نیز می توان استفاده کرد. نیرویی که به این حسگرها اجازه کار می دهد تماما از طریق صفحات خورشیدی تعبیه شده در اطرف تلسکوپ هابل و با تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به برق تامین می شود. همچنین، قسمتی از این الکتریسیتۀ تولید شده، در باتری های آن ذخیره شده تا زمانی که در سایه ی زمین قرار میگیرد از کار نیافتد!
اندازۀ تلسکوپ هابل در کنار جانشین جدیدش تلسکوپ فضایی جیمز وب
اما تلسکوپ هابل تا چه زمانی کار خواهد کرد؟ این تلسکوپ ۲۶ سالۀ ناسا تاکنون ۵ بار تعمیر شده و از آخرین تعمییرش در سال ۲۰۰۹، هشت سال می گذرد. به گفتۀ محققان ناسا، تلسکوپ هابل باید در سال ۲۰۱۵ از کار می افتاد اما خوشبختانه، این یار دیرین ناسا هنوز در حال خدمت به علم بشریت است! به گفتۀ پائول هرتز، مدیر ماموریت های فضایی ناسا، تلسکوپ هابل تا زمانی که از کار بیافتد قابل استفاده بوده و ناسا از آن استفاده می کند. این امکان وجود دارد که تلسکوپ هابل تا بعد از سال ۲۰۱۸ هم که جانشینش تلسکوپ فضایی جیمز وب به فضا ارسال می شود، قادر به کار کردن باشد! انجمن تک رمان
آیا جهان مرکز دارد؟ نظریه بیگ بنگ، در حال حاضر بهترین توضیح برای چگونگی پیداش جهان است. رویدادی که همه چیز را به وجود آورد، از تمامی مواد موجود گرفته تا زمان و حتی خود فضا. بیگ بنگ باعث تورم و انبساط جهان شده است. در واقع در رویداد بیگ بنگ، انرژی به فضا منتشر نشده است، بلکه این خود فضاست که به سرعت در حال گسترش است. این ممکن است کمی گیج کننده باشد، اما شاید دو قیاسی که در ادامه توضیح میدهیم به درک این موضوع کمک کند.
به گزارش بیگ بنگ، اولین قیاس، مثال معروف بادکنک است. اگر همین الان یک بادکنک در دست داشته باشید این قیاس را بهتر درک می کنید. سعی کنید با کمک یک خودکار روی پو*ست بادکنک نقطه های کوچکی با فواصل مساوی بکشید. این نقطه ها در واقع همان کهکشان ها هستند. (این را در نظر بگیرید که باید بادکنک را بدون مرکز در نظر بگیرید) سطح بادکنک همان فضا-زمان است.
در چنین سطحی شما به هر اندازه که بخواهید می توانید حرکت کنید اما به انتهایش نرسید. این موضوع را در نظر داشته باشید که فضای موجود بر روی سطح بادکنک را باید دو بعدی در نظر بگیرید و فرض بر این است که نقاط روی بادکنک ارتفاع ندارند. در عوض انبساط واقعی جهان نسخه ای سه بعدی از این قیاس است. نکته اینجاست که، وقتی باکنک را باد میکنید، به نظر می رسد تمامی نقاط روی بادکنک در حال دور شدن از هم هستند، اما این نقاط خودشان حرکت نمی کنند؛ بلکه این سطح در حال انبساطِ بادکنک است که دارد آنها را از یکدیگر دور می کند.
این اشتباه است که فکر کنیم کهکشان ها در حال دور شدن از یکدیگر هستند، در واقع این خود فضاست که دارد بزرگ می شود و به این طریق موجب دور شدن کهکشان ها از یکدیگر می گردد. این قیاس همچنین توضیح می دهد که چگونه می شود که ما در هر نقطه ای از جهان هم که باشیم، وقتی به کهکشان های دور دستمان بنگریم، احساس می کنیم که همه چیز در همه جهات در حال دور شدن از ماست و هر چه این کهکشان ها از ما دور تر باشند، سرعت دور شدنشان هم از ما بیشتر به نظر می رسد. حال به دلخواه خود یک نقطه روی بادکنک انتخاب کرده و نامی بر روی این کهکشان فرضی خود بگذارید سپس چیزهایی که توضیح دادیم را مورد آزمایش قرار دهید.
قیاس دوم، مثال قایق شناور در اقیانوس است. وقتی سرنشینان قایق به اطراف نگاه می کنند دور تا دور خود، خط افقی از اقیانوس را می بینند، آیا این خط افق در واقع لبه اقیانوس است؟ نه، احتمالا نه. همچنین به نظر می رسد که آنها دقیقا در مرکز اقیانوس هستند، این در حالی است که حتی وقتی قایق چند کیلومتر حرکت کند باز سرنشینان قایق خود را در مرکز اقیانوس می بینند.
جهان قابل مشاهده
اگرچه جهان بدون لبه است، و ممکن است بی نهایت باشد، اما ما در کیهان شناسی مفهوم دیگری هم به نام جهان قابل مشاهده داریم. در واقع جهان قابل مشاهده منطقه ای کروی به مرکزیت «خود ماست»، شعاع این کره برابر است با فاصله ای که نور از زمان بیگ بنگ تاکنون می توانسته طی کند. افق دیدی که ما از همه اشیاء جهان (ستارگان، سحابی ها و …) داریم مساویست با فاصله ای که نور میتواند به اندازه سن جهان (یعنی نزدیک به ۱۳.۷ میلیارد سال) طی کند و به ما برسد.
نمایی هنری از شعاع جهان قابل مشاهده
البته فاصله ی واقعی جهان قابل مشاهده به اندازه ی ۴۶ میلیارد سال نوری و این هم به دلیل خاصیت انبساطی و تورم سریع فضا در دوران ابتدایی کیهان بوده(البته بعد از دوران تورم سریع کیهان در ابتدای تولدش که سرعتی بیشتر از نور داشت این سرعت رفته رفته کاهش یافت) و همین باعث شده با گسترش فضا در این مدت بدون اینکه قوانین نسبیت درباره سرعت نور نقض شود، نور فاصله ی بیشتری را طی کند و به ما برسد.(برای اطلاعات بیشتر این مقاله را مطالعه کنید: چگونه اندازۀ کیهان می تواند از سنش بیشتر باشد؟)
ستاره شناس فقید، ادوین هابل، اولین کسی بود که ثابت کرد جهان در حال انبساط است. او در سال ۱۹۲۹ نشان داد که کهکشان هایی که از ما دورتر هستند نسبت به آنهایی که نزدیک ترند با سرعت بیشتری دور می شوند. این اصل در حال حاضر تحت عنوان «قانون هابل» شناخته می شود و نرخ انبساط جهان به «ثابت هابل» مشهور است. در پایان می توان گفت اینکه بگوییم هیچ مرکزی برای جهان وجود ندارد، با درک فعلی ما سازگاری بیشتری دارد. با این حال در این حبابی که ما آن را جهان قابل مشاهده نامیده ایم (که همچنان هم در حال انبساط است) ما دقیقا در مرکز قرار داریم. انجمن تک رمان
کهکشان ها چگونه شکل می گیرند؟ بزرگترین ساختارها در جهان، میلیاردها یا حتی تریلیون‌ها ستاره را با نیروی گرانشی ِ عظیم خود محصور کرده اند. گرد و غبار کیهانی، ابرهای عظیمی از گ*از، و همچنین سیارات و دیگر اجرامی که ممکن است دور ستاره‌ها بچرخند، کهکشان‌ها را پر میکنند.
تصویری از کهکشان مارپیچی NGC 1672
به گزارش بیگ بنگ، کهکشان‌ها حدودا ۱۴ میلیارد سال پیش، از یک نقطه‌ی د*اغ غیر قابل تصور متراکم بسیار کوچک، پدید آمده اند. طبق نظریه‌ی بیگ بنگ، این تکینگی، تمام جهان بود. این کیهان نو پا با قدرتی زیاد انبساط پیدا کرد، خنک شد و در این فرآیند هر چه بیشتر گسترش یافت. اگر تکه‌ای کاغذ مچاله‌ای را تصور کنید که وقتی آن را باز کنید نقشه‌ای عظیم میشود، آن وقت مدلی بسیار ابتدایی از آنچه اتفاق افتاده را دارید.
پس از بیگ بنگ، جهان نخستین متشکل از تنها تابش و ذرات زیر اتمی بود. این تابش و ذرات زیر اتمی چگونه به بیش از صدها میلیارد کهکشان، تکامل یافتند؟ دانشمندان دو نوع نظریه دارند که هر دوی آنها به اثرات گرانشی رُمبش(متلاشی شدن) گ*از در کهکشان های اولیه، وابسته است. نخست، “نظریه پایین به بالا ” وجود دارد، که در آن گ*از، درون توده هایی به اندازه ی میلیون ها خورشید( که شروع کوچکی برای چیزی به اندازه کهکشان است) متراکم و رُمبیده شدند. این توده ها پس از آنکه با هم ترکیب شدند، کهکشان ها را تشکیل دادند.
اما طبق نظریه “بالا به پایین” توده های حاصل هر کدام به اندازه ی کهکشان های متعدد بودند که برعکس به کهکشان های مستقل تقسیم شدند. این نظریه چگونگی تشکیل ِ کهکشان ها در خوشه ها را توضیح می دهد. در هر حال توده های حاصلِ رمبیده شده درون کهکشان های نخستین از ماده تاریک و گ*از هیدروژن تشکیل شدند. در حالی که ماده تاریک مانند یک هاله بیرونی اطراف ِ کهکشان های اولیه را احاطه کرده، هیدروژن به سمت مرکزشان سقوط کرد.
کهکشان های نخستین کیهان رنگ سبز از خود منتشر می کردند
براساس یافته‌های جدید محققان کهکشان‌ها در اوایل تشکیل جهان در حدود ۱۱ میلیارد سال قبل نور سبز رنگی از خود منتشر می کردند. این نور سبز رنگ کهکشان های نخستین از اتم های اکسیژن شکل می گیرد که دو الکترون خود را از دست داده اند. به گفته محققان ستارگان در آن زمان از فعال ترین ستاره های کنونی هم د*اغ تر بوده اند.
ستاره شناسان دو نوع اصلی ِ کهکشان ها را شناسایی کرده اند: کهکشان ِ بیضوی و مارپیچی. این تفاوت ها در شکل کهکشان ها، بر اساس یک نظریه مربوط به شکل گیری ستارگان آنها میباشد. وقتی ابرهای گازی شکل به هم برخورد و با هم ترکیب می شوند، ستاره ها شکل میگیرند. اگر ستاره های کهکشان های نخستین تمامأ در یک لحظه شکل بگیرند، پس از آن کهکشان بالغ شکل ضرورتأ شکل بیضی کهکشان ِ اولیه را نگه می دارد و یک کهکشان “بیضوی” به وجود می آید.
یک نمونه از کهکشان های بزرگ بیضوی شکل
کهکشان های مارپیچی زمانی شکل می گیرند که درون کهکشان ِ اولیه ستاره ها با فواصل زمانی مختلف به وجود آیند. در این رویداد گ*از بین ستارگان ِ در حال گسترش به رمبش خود ادامه می دهد و در نتیجه اختلاف گرانش ستاره ها، گرد و غبار و گ*از درون کهکشان، کار را کمی دشوار می کند؛ این جنب و جوش همه چیز را به حرکت دیسک وار وادار کرده و اختلاف های اضافی گرانش باعث به وجود آمدن بازوهای مارپیچی می شود. تغییرات اضافی هم با برخورد و ادغام کهکشان ها به وقوع می پیوندد. ستاره شناسان بر این باورند که ترکیب دو کهکشان همیشه یک کهکشان بیضوی شکل به وجود می آورد. به گفته ی محققان احتمالا کهکشان راه شیری تاکنون با کهکشان بزرگ دیگری ترکیب نشده است در حالی که کهکشان هایی مشاهده شده اند که در مرکز خوشه های کهکشانی به احتمال زیاد نتیجه نوعی ترکیب و ادغام کیهانی هستند. انجمن تک رمان
آیا کیهان لبه دارد؟ بیگ بنگ: می دانیم که کیهان در حال انبساط است، اما سوال اینجاست این انبساط درون چه چیزی رخ می دهد؟ به عبارت دیگر، بیرون از کیهان ما چیست که جهان ما دائما درون آن رشد می کند. نکته ظریف دیگر این است که وقتی از عبارت «بیرون از کیهان» استفاده می کنیم، به طور غیر مستقیم داریم می گوییم که کیهان در جایی دارای لبه است. (یعنی مرزی بین درون و بیرون جهان) اما این موضوع همه چیز را پیچیده می کند، چون دانشمندان صراحتا مطمئن هستند که هیچ خروجی ای به بیرون از کیهان وجود ندارد.
تصویر هابل از خوشه ی کروی (NGC 6397) که در فاصله ی ۷۲۰۰ سال نوری از ما قرار گرفته است. تخمین زده می شود این خوشه ی کروی ۱۳.۵ میلیارد سال عمر داشته باشد، یعنی کمی پس از بیگ بنگ تشکیل شده است.
به گزارش بیگ بنگ، فرض کنید از شما بپرسند: «جایی را سراغ دارید که از آنجا بتوانید جهان را از نمای بیرونی ببینید؟» مثل این که از پنجره ی اتاقتان، نمای خارجی یک ساختمان را به نظاره بنشینید. جواب این سوال «احتمالا خیر» است. رابرت مک نیس، استادیار فیزیک دانشگاه لویولا شیکاگو، می گوید یکی از دلایل پاسخ منفی سوال مورد نظر «اصل کیهان شناختی» است. این اصل به ما می گوید توزیع مواد در کیهان به گونه ای است، که ما از هر زاویه و جهتی به جهان نگاه کنیم، میزان توزیع مواد تقریبا یکنواخت است. در واقع از نظر علمی، کیهان ایزوتروپیک(Isotropic) یا همسانگرد است.
اصل کیهان شناختی از این ایده که می گوید قوانین فیزیکی در همه جای کیهان یکسانند نشات می گیرد. مک نیس گفت: « در کیهان ناهمسانی های بسیار زیادی وجود دارد. مثلا وجود توده های بزرگی از مواد، مانند ستارگان، کهکشان ها، خوشه های کهکشانی و غیره. اینها نمونه هایی برای عدم یکنواختی ماده در جهان هستند. اما وقتی در مقیاس های عظیم، کیهان را مورد بررسی قرار می دهیم موضوع کمی تغییر می کند، در واقع در مقیاس های کلان بخشی از جهان را نمیتوانیم پیدا کنیم که از نظر توزیع ماده با بخش های کلان دیگر تفاوت ِ قابل توجهی داشته باشد.» این یعنی اینکه کیهان ما هیچ لبه ای ندارد. و جایی نیست که بتوان به آنجا پایان جهان گفت، جایی که بتوانیم از آن عبور کرده و از بیرون جهانمان را به نظاره بنشینیم.
این موضوع را معمولا به کمک یک مثال توضیح می دهند. فرض کنید جهان هستی به شکل یک بادکنک کروی شکل است که مورچه ای روی آن قرار گرفته، مورچه مورد نظر در هر جهت و سمتی که بخواهد می تواند حرکت کند ولی هرگز به لبه ی انتهایی بادکنک نمی رسد، او پس از مدتی حرکت کردن بالاخره به جای اول خود می برمیگردد. نکته جالب اینجاست که سطح دو بعدی بادکنک هیچ مرکزی هم ندارد یعنی هیچ نقطه ای نیست که مورچه با دور شدن از آنجا به انتهای پو*ست بادکنک برسد، سطح بادکنک اصلا انتهایی ندارد و مورچه ی داستان ما هرگز به چنین جایی نخواهد رسید. جهان ما یک نسخه سه بعدی از پو*ست بادکنک است.
تصویری هنری از لحظه ی تورم کیهان که رشد و گسترش دائم آن را به مرور نشان می دهد. جهان بادکنکی
اما جهان چطور میتواند منبسط شود وقتی لبه یا پایانی ندارد؟ دوباره برمیگردیم به مثال بادکنک، اگر مقداری درون بادکنک بدمیم، بادکنک بزرگتر می شود و مورچه احساس می کند که چیزهایی که روی سطح بادکنک می بیند دارند از او دور می شوند. هرچه این فاصله بیشتر باشد، سرعت دور شدن آن شئ هم بیشتر می شود. اما نکته جالب اینجاست که هیچ فرقی نمی کند مورچه کجای پو*ست بادکنک باشد، آهنگ دور شدن اشیاء روی بادکنک ثابت است. اگر بتوانیم معادله ی آهنگ دور شدن اشیاء روی بادکنک را محاسبه کنیم، مورچه در هر نقطه ای از سطح بادکنک قرار بگیرد، این معادله برای دور شدن اشیاء اطرافش جواب می دهد.
با این حال، بادکنک ها در درون یک فضای سه بعدی بزرگ می شوند. مشکل اینجاست که این مثال به طور کامل تمام سوالات را جواب نمی دهد. در واقع این تعریف فقط به ما می گوید که محتویات درون جهان چگونه هستند، و از محتویات خارج از جهان چیزی به ما نمی گوید. فیزیکدان استیون هاوکینگ، در این باره می گوید، این سوال از اساس بی معناست، مثل این می ماند که بپرسیم شمالِ قطب شمال کجاست؟ دلیل اینکه کهکشان ها بدون اینکه حرکت کنند از یکدیگر دور می شوند این است که خود فضا در حال بزرگ شدن است. بنابراین موجودات فرازمینی هم اگر مانند انسان ها به کهکشان های دیگر بنگرند، احساس می کنند که همه کهکشان ها در همه جهات در حال دور شدن از آنها هستند و فقط کهکشان خودشان است که ثابت است.
از آنجا که فضا در حال گسترش است، به نظر می رسد بدون اینکه قوانین نسبیت نقض شود(که می گوید هیچ چیز نمی تواند با سرعتی بالاتر از سرعت نور در خلاء حرکت کند) بعضی از کهکشان ها ممکن است با سرعتی بالاتر از سرعت نور از ما در حال دور شدن هستند. مک نیس در این باره میگوید، با اینکه کیهان ما فقط ۱۳.۸ میلیارد سال پیش آغاز شده اما، اندازه ی جهان قابل مشاهده شعاعی حدود ۴۶ میلیارد سال نوری و قطری به میزان ۹۳ میلیارد سال نوری دارد. در واقع جهان قابل مشاهده با توجه به مجموعه محدودیت هایی تعریف می شود که برای اندازه ای که انسان ها از کیهان موجود می توانند ببینید وجود دارد. هر چیزی خارج از شعاع ۴۶ میلیارد سال نوری، برای زمینی ها هرگز قابل رؤیت نخواهد بود. به این دلیل که فاصله بین اشیاء موجود در جهان آنقدر زیاد می شود که سرعت دور شدن اشیاء از سرعت رسیدن پرتوهای نوری به زمین بیشتر می شود.
نمایی هنری از شعاع جهان قابل مشاهده
موضوعی که این بحث را د*اغ تر می کند، این است که نرخ انبساط در جهان در ابتدا یکنواخت نبوده است. برای کسری از ثانیه پس از بیگ بنگ، دوره ای از انبساط بسیار سریع وجود داشته که به آن دوره ی تورم کیهانی می گویند، طی این مرحله کیهان ما بسیار سریع تر آنچه که الان وجود دارد منبسط شده است. دلیل اینکه مناطقی از فضا قابل مشاهده نیستند همین است. در واقع با پذیرفتن نظریه تورم، برآورد می شود که کل جهان ۱۰ به توان ۲۳ برابر بزرگتر از ۴۶ میلیارد سال نوری ای است که انسان می تواند مشاهده کند. بنابراین ما بخش بسیار بزرگی از کیهان را هرگز نخواهیم دید.
آیا فضا بی نهایت است؟
مک گفت این موضوع که جهان در فضای بی نهایت به وجود آمده است یا نه، هنوز به عنوان یک سوال بی جواب باقی مانده است. از طرفی ممکن است کیهان ما در درون جهانی با یک بعد اضافه تر قرار گرفته باشد، همانطور که یک کره با سطح دو بعدی (چیزی شبیه به بادکنک) در جهان سه بعدی قرار می گیرد. توضیح دیگری که در این زمینه وجود دارد فرضیه پیدایش جهان از هیچ (به کمک نوسانات کوانتومی) است، در این باره همانطور که هاوکینگ و جیمز هارتل توضیح داده اند، گفته می شود که در آغاز جهان، زمان و فضا قابلیت تبدیل به یکدیگر را داشتند. با پذیرفتن این فرضیه هم، هنوز این سوال که جهان از کجا آمده و خارج از جهان چه چیزی وجود دارد، بی معنی است.
تصویری هنری از کل جهان قابل مشاهده با مرکزیت سامانه خورشیدی براساس نقشه‌های لگاریتمی جهان
مک گفت دانشمندان در حال تلاشند که بفهمند آیا کیهان واقعا شبیه یک کره است و اگر ما در یک جهت از جهان به اندازه کافی حرکت کنیم در نهایت می توانیم به محل اول خود برگردیم؟! او ادامه داد: «ما دائما بخش های مختلف کیهان را تحت نظر قرار می دهیم تا بتوانیم مدارک و شواهدی پیدا کنیم که قرار گرفتن جهان سه بعدی مان درون فضایی چهار بعدی را تایید کند.»(جهان به طور کلی دارای چهار بعد است، که انسان ها با سه بعد فضا و یک بعد زمان در تعامل هستند، اما مفهومی که ما درباره اش حرف می زنیم در واقع دارد از بعد چهارم فضایی صحبت می کند.)
اگر ستاره شناسان موفق شوند، دو مکان در دو طرف مقابل آسمان پیدا کنند که کاملا شبیه به هم باشند، نشانه ای قوی بر این فرضیه خواهد بود که جهان منحنی و کروی شکل است. اگرچه با وجود چنین کشفی باز هم هیچ تضمینی بر درستی فرضیه وجود ندارد. هرچند برخی نظریه های کیهان شناختی همچون نظریه ریسمان ها، وجود ابعاد بیشتر را پیش بینی کرده اند، اما در همه آنها ابعاد اضافی بسیار کوچک هستند، در حالی که ما برای فرضیه کروی بودن جهان، نیاز به یک بعد بسیار بزرگ داریم. در انتها می توان گفت که اگر پایانی برای کیهان وجود داشته باشد، ممکن است انسان هرگز قادر نباشد که آن را ببینید و این امکان نیز وجود دارد تا شکل جهان به صورتی باشد (اشاره به کروی بودن جهان) که مرزی بین پایان و آغاز جهان نتوان یافت. انجمن تک رمان
آیا دانشمندان می توانند در زمین، ستاره بسازند؟ در مرکز منظومه شمسی ما یک تولید کننده ی اتمی بسیار بزرگ قرار دارد. زمین به طور متوسط فاصله ای ۱۴۹.۶ میلیون کیلومتر را گرد این جرم سماوی بزرگ طی می کند. آنچه ما خورشید می نامیم اش یک ستاره است. خورشید انرژی لازم برای حیات ما را فراهم میکند. اما آیا دانشمندان می توانند نمونه ی کوچک شده ی آن را در زمین بسازند؟
به گزارش بیگ بنگ، بحث بر سر امکان این نیست. چون که هم اکنون این کار انجام شده است. اگر به ستاره ها به عنوان ماشین آمیزش اتمی نگاه کنیم، نوع بشر مشابه آن را بر روی کره ی خاکی ساخته است. اما این اکتشافات محدودیت هایی نیز دارد. ستاره های مصنوعی دانشمندان اندک بوده و نهایتا تا چند ثانیه باقی می مانند. برای فهم نحوه ی ساخت ستاره توسط دانشمندان، باید دانست از چه چیزی ساخته شده و واکنش آن چگونه شکل می گیرد؟ خورشید از ۷۵ درصد هیدروژن و ۲۴ درصد هلیوم ساخته شده است. عناصر سنگین تر ترکیب نهایی جرم خورشید را مشخص می کنند. مرکز خورشید به شدت گرم است، دمای موجود در آن بیش از ۱۵ میلیون کلوین است.
در این دمای فوق العاده د*اغ اتم های هیدروژن به قدری انرژی جذب می کنند که با یکدیگر واکنش تشکیل می دهند. این موضوع بسیار مهم است. هسته ی اتم هیدروژن از یک پروتون تشکیل شده است. برای واکنش دو پروتون به انرژی لازم جهت فائق آمدن بر نیروی الکترومغناطیسی نیاز است. به این دلیل است که پروتون ها دارای بار مثبت هستند. اگر با آهن ربا آشنایی داشته باشید؛ میدانید که قطب های مشابه یکدیگر را دفع می کنند. اما اگر انرژی لازم موجود باشد می توان دو پروتون را به واکنش وا داشت.
بعد از این آمیزش آنچه باقی می ماند، دوتریم- ایزوتوپ هیدروژن- است. هیدروژن اتمی متشکل از یک پروتون و یک نوترون است. واکنش آن با هیدروژن هلیوم ۳ را تولید می کند. حاصل واکنش دو هلیوم ۳ با یکدیگر، هلیوم ۴ و دو هیدروژن است. اگر کل پروسه ی واکنش را تجزیه کنیم، به نتیجه قطعی می رسیم که چهار اتم هیدروژن برای ساختن هلیوم ۴ واکنش تشکیل میدهند. اینجا همان جایی است که انرژی وارد میدان می شود. هلیوم ۴ از مجموع چهار اتم هیدروژن جرم کمتری دارد. پس این جرم اضافه به کجا می رود؟ تبدیل به انرژی می شود. و طبق معادله ی معروف اینشتین، انرژی برابر با جرم شیئ ضربدر مربع سرعت نور است. این بدان معنی است که جرم ریزترین ذره معادل مقدار زیادی انرژی است.
پس دانشمندان چگونه می توانند ستاره بسازند؟
تولید انرژی ای که بتواند بر نیروی الکترومغناطیسی فائق آید دشوار است اما ایالات متحده در یک نوامبر ۱۹۵۲ توانست این کار را انجام دهد. یعنی همان زمان که بزرگترین بمب هیدروژنی جهان، اوی مایک، بر جزیره ی الوگلاب فرو افتاد. این بمب ها دارای دو نوع بود. نوع اول شکافت هسته ای بود. شکافت هسته ای مرحله ی تقسیم هسته ها است. همان نوع از بمب ها که ایالات متحده برای پایان جنگ جهانی دوم بر ناکازاکی و هیروشیما فروریخت. شکافت هسته ای در بمب ایومایک برای ایجاد انرژی لازم جهت تولید هلیوم از واکنش دو اتم هیدروژن( فائق آمدن بر نیروی الکترومغناطیسی) لازم بود. گرمای حاصل از انفجار آغازین از غشای اصلی بمب به ظرف حاوی دوتریم مایع منتقل شد. میله ی پلوتونیوم داخل ظرف به عنوان احتراق واکنش عمل کرد.
اندازه ی انفجار معادل ۱۰.۴ مگاتن بود و تمام جزیره را از بین برد و چاله هایی به عمق نزدیک ۵۰ متر و به عرض ۱.۹ کیلومتر بر جای گذاشت(منبع: موسسۀ بروکینگ). برای لحظه ای گذرا، انسان قدرت ستارگان را تحت الشعاع قرار داد تا سلاح وحشتناک بسازد. عصر بمب هیدروژنی آغاز شده بود. آزمایشگاه های سراسر جهان اکنون در پی یافتن راهی برای کنترل برهم کنش به عنوان منبع انرژی، هستند. اگر دانشمندان بتوانند واکنش های پایدار و قابل کنترل بسازند؛ قادر به تولید مقادیر عظیم انرژی به اندازه ی میلیون ها سال خواهند بود. با کمبود انرژی مواجه نیستیم- هیدروژن فراوان است و اقیانوس ها مقادیر زیاد دوتریم در خود دارند.
اما رسیدن به نقطه ای که بتوان برهم کنش اتم ها را تحت کنترل در آورد به سالها تحقیق و میلیاردها دلار منابع نیاز خواهد داشت. مقدار انرژی لازم برای آغاز برهم کنش همراه با گرمای بسیار زیاد حاصل از واکنش، ساختن تجهیزات مناسب را دشوار می کند. برخی دانشمندان در پی لیزرهایی به عنوان ابزاری برای رو کردن پدیدۀ برهم کنش هستند. بعضی دیگر به دنبال گزینه های دیگری با پلاسما– حالت چهارم ماده، هستند. اما تا کنون کسی نتوانسته است پرده از این راز بردازد. بنابراین ما میتوانیم در کره ی خاکی ستاره بسازیم- حداقل برای مدت کوتاهی. اما هنوز تا طولانی کردن عمر این ستاره و کنترل انرژی مهیب آن، فاصله داریم. انجمن تک رمان
ستاره‌های بسیار پُرجرم در پایان عمرشان به ابرنواختر تبدیل میشوند. پس از انفجار ابرنواختری، اگر آنچه که باقی‌مانده است، جرمش از حدود ۳ برابر جرم خورشید بیشتر باشد؛ جسمی آنقدر فشرده و چگال است که حتی نور هم نمیتواند از گرانش آن فرار کند. به همین علت آنها راسیاهچاله نامیده‌اند. اما همه‌ی سیاهچاله‌ها بازمانده‌ی ستاره‌های پرجرم نیستند. در ابتدای تشکیل کیهان که چگالی بسیار زیاد بوده است، اَبَرسیاهچاله‌هایی پرجرم تشکیل شده‌اند که در مرکز کهکشان‌های مارپیچی چنین سیاهچاله‌هایی دیده میشوند.
برای مثال اخترشناسان سیاه‌چاله‌ای را در مرکز کهکشانی بسیار دوردست در فاصله‌ی حدود ۱۲.۵ میلیارد سال نوری یافته‌اند که بیش از ۱۰ میلیارد برابر خورشید جرم دارد. این سیاه‌چاله‌ی پُرجرم چنان دوردست است که تصور میشود در دورانی دیده میشود که عالم فقط ۶ درصد سنّ فعلی‌اش را داشته است: هنگامی که جهان برای نخستین بار، نور ستاره‌ها و کهکشان‌ها را به خود می‌دید. سیاهچاله‌ها به خودی خود رؤیت‌پذیر نیستند چون هیچ پرتویی نمی‌توانست از آنها خارج شود اما میتوان آنها را آشکار کرد.
سیاهچاله، ستاره‌ها و قرص گ*از و غبار اطراف خود را می‌بلعد. این اجرام با سرعت در حرکتی مارپیچی به مرز سیاهچاله نزدیک میشوند، جایی‌که به افق رویداد نزدیک است و پس از آن کشش گرانشی چنان زیاد است که حتی نور هم نمیتواند بگریزد. در ن*زد*یک*ی افق رویداد یا همان مزر سیاهچاله، نیروی کشندی شدید است و فرو ریزش مواد به درون سیاهچاله، انرژی چرخشی گرانشی بسیار قوی‌ای تولید میکند که حتی از همجوشی‌های هسته‌ای نیز قوی‌تر است.
در واقع این نیروگاه‌های عظیم گرانشی، توانمندترین سرچشمه‌های شناخته شده‌ی انرژی در جهان‌اند. فرو ریزش عظیم مواد انرژی زیادی در سیاهچاله تولید میکند. سیاهچاله برای حفظ وضعیت خود در یک حالت پایدار، ناگزیر است انرژی درونی‌اش را کاهش دهد. این برون‌داد انرژی به صورت فوران‌هایی از ذرات پُرشتاب که از سیاهچاله خارج می‌گردند، دیده میشود. در واقع سیاهچاله نمیتواند تمام مواد در حال سقوط را یک‌جا ببلعد. بخشی از مواد در ن*زد*یک*ی افق رویداد از سیاهچاله انرژی میگیرند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور به صورت فوران‌هایی که جت هم نامیده میشوند، از دو سوی مرکز سطح قرص برافزایشی (صفحه‌ای که در آن مواد خرد شده در اثر نیروهای گرانش و کشندی به دور سیاهچاله می‌گردند) به فضا پرتاب میشوند.
اگر یک سر باریکه ذرات در امتداد خط دید ما باشد اخترشناسان این جرم را «بلازار» می‌نامند. این جرم، تابش شدیدی در تمام طیف‌های الکترومغناطیس دارد اما تابش آنها در طول‌موج گاما بسیار شدید است. یکی از دلایل جست‌و‌جوی بلازار‌ها این است که پس از شناسایی آنها میتوان منابع پرتوی گامای دیگر مثل ستاره‌های نوترونی را در کهکشان خودمان تمیز داد. مهم‌تر از آن، بلازار‌ها اطلاعات مفیدی از دوران اولیه‌ی تشکیل کهکشان‌ها یعنی زمان نوزادی عالم به ما میدهند. انجمن تک رمان
درون سیاهچاله چه روی می دهد؟ ستاره ی کاملی را تصور کنید که به درون یک تکینگی گرانشی سیاهچاله فرو می افتد. چیزی با جرم فوق العاده زیاد و حجم اندک، که حتی نور از کشش آن نمی تواند فرار کند. چیز عجیبی نیست که این پدیده ها تعجب ما را جلب کرده اند…
به گزارش بیگ بنگ، نام “سیاهچاله” به نظر می رسد که گمراه کننده بوده است و تصاویری هم که چاه گرانشی سیاهچاله را به تصویر می کشند مفید واقع نشده اند. بسیاری از مردم تصور می کنند که سیاهچاله ها دروازه های باشکوهی به جهان یا بُعدی دیگر هستند و آنها را به دنیای ماجراجویی با اشخاصی که در داخل لباس های فلزی عجیب و غریب می درخشند، رهنمون می سازند. خب اگر به داخل سیاهچاله بپرید از کجا سر در می آورید؟ در آن سو چه چیزی وجود دارد؟ آن اشخاص شما را به کجا می برند؟
سیاهچاله در واقع جایی ” نمی رود”. اصلا “چاله” ای به معنای واقعی وجود ندارد. آنها دوایر سیاه سنگینی هستند که با محدوده ی گرانشی غیرقابل تصور در فضا وجود دارند. با اشیایی که به رنگ سیاه هستند، آشنا هستیم، مانند آسفالت یا پیراهن مشکی که روزی آن را پوشیده ایم. رنگ سیاهچاله ها از آن چیزی ما تصور می کنیم متفاوت است. آنها سیاه هستند چون که حتی نور، سریع ترین پدیده در جهان، نتوانسته است از گرانش باورنکردنی آنها جان سالم به در برد. اجازه دهید بحث را با به کار بردن کمی تشبیهات ادامه دهیم. تصور کنید که فیلی را بر دوش دارید؛ بهتر است حتی تصور کنید که ب*دن فیل را مانند یک لباس پوشیده اید. اکنون از روی مبل بلند شوید و راه بروید. این همان حالتی است که اگر جاذبه ی زمین پنجاه برابر شود؛ روی می دهد. اگر جاذبه ی محیط اطراف مبل شما تا نزدیک سطح ضعیف ترین مقدار ممکن ِ گرانش در یک سیاهچاله افزایش می یافت؛ میلیاردها برابر قوی تر از وزن آن فیلی می شد که داخلش گیر افتاده اید.
حال اگر سوار بر اژدهای فضایی خود به درون به داخل سیاهچاله بپرید در حالی که لباس های آهنین پوشیده اید و سپر و شمشیر مسخره ی نوری بر دست دارید؛ بلافاصله توسط آن نیروهای وحشتناک مکش که ب*دن شما را به جریان های اتم تجزیه می کند، تغییر شکل می دهد و سپس بخشی از جرم سیاهچاله خواهید شد. پس الان روشن شد که شما جایی نمی روید؛ فقط مقداری به جرم سیاهچاله اضافه می کنید. همانند فکر کردن در مورد مکان سحرانگیز بعد از پریدن به درون ماشین پرس مواد زباله می ماند. تجربه ای که بعد از پریدن به سیاهچاله خواهید داشت، چیزی شبیه فرو رفتن استخوان شکسته در ب*دن و سپس تغییر شکل ِ اتمی خواهد بود. این قسمت ِ کابوس مانند ِ ماجرا است…
به این دلیل که زمان در حوالی افق رویداد سیاهچاله منحرف می شود، افرادی که از جهان خارج نظاره گر هستند شاهد سقوط آهسته ی شما به طرف سیاهچاله خواهند بود. در عالم فرضیات، در نظر کسانی که از خارج شاهد سقوط شما هستند بی نهایت زمان برای جذب کامل شما به سیاهچاله نیاز است. حتی فوتون هایی که بازتاب دهنده ی فرم جدید ب*دن شما هستند تا جایی انبساط خواهند یافت که سرخ تر و سرخ تر شوید و سرانجام تدریجا رنگ ببازید.
اکنون که از شرح جهان بعد از پریدن به سیاهچاله فارغ شدیم؛ اجازه دهید تا موضوع را روشن کنیم. گرانش ِ سیاهچاله را تصور کنید. هر چیز جرم دار باعث اعوجاج فضا-زمان می شود. با افزایش جرم این انحراف بیشتر خواهد بود… و سیاهچاله ها بیشترین اعوجاج را در جهان نسبت به پدیده های دیگر، پدید می آورند. نور در محدوده ی فضا-زمان در یک خط مستقیم حرکت می کند، حتی وقتی که این محدوده در درون ِ سیاهچاله دگرگون شده باشد. وقتی که به داخل افق رویداد سیاهچاله وارد می شوید، تمام راه ها به نقطه ی تکینگی ختم می شود؛ حتی یک فوتون نور که از این نقطه فرار میکند.
خیلی بد است؛ اما خبر خوب این است که مرگی سریع و دردناک برای شما و سفینه فضایی تان رغم خواهد خورد. بنابراین اگر برنامه ای برای سفر به سیاهچاله داشتید، شدیدا توصیه می شود که تجدید نظر کنید. این راه مناسبی برای سفر به نقطه ی دیگر در جهان یا ارتقا به سطح هوشیاری بالاتر نیست. چیزی در آن سو جز مرگ و تجزیه شدن به اتم هایتان وجود ندارد. اگر می خواهید از این طریق به بُعد دیگری فرار کنید؛ به جای این سفر مرگبار، خواندن یک کتاب خوب و علمی را به شما توصیه می کنیم. انجمن تک رمان
