نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 2

نظريه انفجار بزرگ

اثر دوپلر و نسبیت

پديده دوپلر در اصل براي تغييرات بسامد چشمه صوت در فيزيک کلاسيک مطرح گرديد. بر اساس اين اثر هرگاه ناظري نسبت به يک چشمه صوت در حرکت باشد، ناظر بسامدي غير از آنچه از چشمه گسيل مي شود دريافت مي کند. مثلا اگر يک آمبولانس با سرعت به طرف ما در حال حرکت باشد، صداي آژير آن به علت حرکت چشمه صوت، يک تغيير بسامد در موج ارسالي ايجاد مي شود، به نحوي که هرچه آمبولانس به ما نزديک تر شود، صداي آژير زيرتر(بسامد بيشتر) مي گردد و زماني که ماشين از کنار ما مي گذرد و دور مي شود صداي آژيري که به گوش ما مي رسد بم تر(بسامد کمتر) مي گردد. اين پديده را اثر دوپلر مي گويند که در مورد نور نيز صادق است. يعني هرگاه چشمه نور بطرف ناظر در حال حرکت باشد، بسامد نور دريافتي توسط ناظر تغيير مي کند، اگر ناظر و چشمه در حال دور شدن از يکديگر باشند، نور دريافتي به سمت سرخ جابه جا مي شود و اگر در حال نزديک شدن باشند، بسامد نور دريافتي جابه جايي به سمت آبي نشان مي دهد.

در اين پديده اگر ناظر به سمت چشمه نور يا چشمه نور به سمت ناظر حرکت کند يک جابه جايي به سمت آبي طيف نور ديده مي شود، رابطه زير:

که در آن  طول موج دريافتي و طول موجي است که چشمه نور ارسال مي کند. واضح است که در اين حالت طول موج دريافتي از طول موج ارسال شده کوتاه تر است.  اگر چشمه نور از ناظر يا ناظر از چشمه نور دور شود، با افزايش طول موج نور دريافتي يک انتقال به قرمز در طيف نشري يا جذبي آن چشمه ديده مي شود که طبق رابطه زير داده مي شود:

مثلا اگر سرعت دور شدن يک کهکشان از زمين باعث شود تاخط آبي طيف نشري هيدروژن آن به جاي ۴۳۴ نانومتر در ۶۰۰ نانومتر ثبت شود، آنگاه کهکشان با سرعت 0.31 سرعت نور، يعني با سرعت ۹۴ ميليون کيلومتر بر ثانيه در حال دور شدن  از ما مي باشد.

فرار کهکشان ها چگونه محاسبه مي شود؟

هنگامي که بحث فرار کهکشان ها يا انبساط جهان مطرح مي شود، اين سئوال پيش مي آيد که چگونه اين محاسبات انجام مي شود؟ با استفاده از اثر دوپلر مي توان فهميد که ناظر و چشمه صادر کننده نور نسبت به يکديگر ساکن هستند يا در حال نزديک يا دور شدن مي باشند. بنابراين هرگاه چشمه و ناظر نسبت به يکديگر حرکت کنند، جا به جايي بسامد نور دريافتي وجود خواهد داشت. فرض کنيد يک چشمه نوراني نسبت به ناظر در حال دور شدن است، در اين صورت طبق اثر دوپلر رابطه طول موج نور دريافتي و نور منتشر شده توسط چشمه از رابطه زير به دست مي آيد:

که در آن  طول موج دريافتي توسط ناظر و  طول موج منتشر شده توسط چشمه است و z جابه جايي طول موج نوري است. از روابط بالا نتيجه مي شود که اگر  z=0 باشد، ناظر و چشمه نسبت به يکديگر ساکن هستند، اگر z>0 باشد، از يکديگر دور مي شوند و اگر z<0 باشد، در حال نزديک شدن هستند. حال ناظري را در نظر بگيريد که روي زمين ساکن است و به مشاهده ي ستارگان مي پردازد. اين ناظر چگونه متوجه مي شود که ستاره در حال دور شدن از زمين است؟ اگر از قبل يعني زمان گذشته نور ستاره را دريافت کرده بود، اکنون با نوري که در حال حاظر دريافت مي کند، مقايسه مي کرد، متوجه مي شد که ستاره نسبت به زمين در حال حرکت است يا نه. اما همان طور که مي دانيم چنين چيزي وجود ندارد، يعني ما نمي دانيم در گذشته نور ستاره ي مورد نظر با چه طول موجي به زمين مي رسيد که حالا بتوانيم آنها را با يکديگر مقايسه کنيم. براي اين کار روش ساده اي وجود دارد.  دو اتم 1 و 2 را در نظر بگيريد که در يک دستگاه نسبت به ناظر در حرکت هستند. براي تابش اين دو اتم داريم:  

با تقسيم دو طرف روابط بالا بر يکديگر خواهيم داشت:

بنابراین نسبت طول موج هاي دو اتم 1 و 2 در يک دستگاه همواره ثابت است، يعني:

منحصر به فرد است. با توجه به منحصر به فرد بودن اين نسبت و با اندازه گيري طيف کهکشان ها يا ستاره ها متوجه مي شويم که دو طيف خاص 1 و 2 مربوط به دو اتم 1 و 2 است. اما را مي توان در آزمايشگاه روي زمين اندازه گرفت و از قرار دادن آنها در روابط مربوطه مي توان z را حساب کرد و در نتيجه با استفاده از مقدار جابه جايي طول موج نورهاي دريافتي، مي توان سرعت دور شدن کهکشان ها، يا به عبارت ديگر سرعت انبساط جهان را حساب کرد.

زمينه پيدايش نظريه انفجار بزرگ  

مشاهدات هابل نشان داد که کهکشان ها با سرعت V در حال دور شدن از ما هستند که از رابطه ي  V=HX به دست مي آيد که در آن H ثابت هابل وX  فاصله از زمين است. در واقع اين رابطه را براي هر نقطه از جهان مي توان بکار برد، زيرا هيچ نقطه ای یا جسمی به عنوان مرجع خاص در جهان وجود ندارد. در رابطه ي هابل X داراي مفهوم عميق کيهان شناختي است که نشان مي دهد هرچه فاصله کهکشاني بيشتر باشد، با سرعت بالاتري در حال دور شدن است. در رابطه هابل هر سه کميت، تابع زمان هستند، زيرا فاصله تابع زمان است و با تغيير فاصله سرعت نيز تغيير مي کند، به همين ترتيب ثابت هابل نيز تابع زمان است. يعني:

گسترش جهان نشان داد که اين انبساط مي بايد داراي مبدائي باشد. نظريه انفجار بزرگ برجسته ترين نظريه علمي است که تاکنون در مورد پيدايش جهان ارائه شده است. طبق اين نظريه جهانی که ما می بینیم 13.7 ميليارد سال پيش با انفجاري که تمام مواد تشکيل دهنده جهان را به همه سو پرتاب کرد، به وجود آمده است.

نقل از کتاب فیزیک از آغاز تا امروز

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 1

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 2

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 3

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 4

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 5

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 6

نوترینوی سترون کاندیدی برای ماده تاریک!

Reconsidering relativistic Newton's second law and its results

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات