مقدمه

حتماً در فيزيك دبيرستان با اين جمله حداقل يك بار مواجه شده ايد.

« طبق قانون بقاي انرژي ، در جهان ما انرژي نه خود به خود از بين مي رود و نه خود به خود به وجود مي آيد ، بلكه از صورتي به صورت ديگر تبديل مي شود . »

اين فرمول معروف فيزيك را نيز در كتابها و يا مقاله هاي متعدد ديده ايد :

كه يكي از اصل هاي خاص است كه بيان مي كند ماده هم صورتي از انرژي است و ما مي توانيم ماده را به انرژي و انرژي را به ماده تبديل كنيم و در اين ميان هيچ مقدار انرژي از بين نمي‌رود . ولي در چند دهه ي اخير در فيزيك ذره اي يا فيزيك كوانتوم نمونه هايي از نقض قانون بقاي انرژي در آشكار سازها و شتاب دهنده ها ديده شده است كه همواره مايه ي تعجب و شگفت بوده است حتماً با كمي دقت و ريزنگري مي توان فهميد كه نقض شدن يك قانون در يك علم به خاطر بقاي قانوني ديگر در آن علم است كه در آزمايش هاي متعدد ثابت شده است . البته اين نقض را نمي توان در طبيعت مشاهده كرد . شايد قبل از مطالعه كامل اين مقاله عنوان مقاله براي شما تعجب آور و غير قابل قبول باشد ولي اين حقيقتي است كه دانشمندان فيزيك ذره اي در آزمايش هاي متعدد با آن رو به رو مي شوند و مطالعات خود را با وجود اين احتمال ادامه مي دهند در اين مقاله به چند مورد از نمونه هاي نقض قانون بقاي انرژي در فيزيك كوانتوم  و كيهان شناسي اشاره خواهيم كرد تا بيشتر به اصل مطلب پي ببريد .

نقض قانون بقاي انرژي در تلاشي نوترون :

بر هم كنش هاي بين ذرات بنيادي تصادفاً رخ نمي دهد بلكه تابع مجموعه اي از اصول كلي به نام قوانين بقا مي باشد . يك فيزيكدان هنگامي مي گويد كميتي بقا دارد كه ضمن فرآيند فيزيكي خاصي تغيير نكند . يكي از اين اصول بقاي انرژي است . انرژي يك سيستم ايزوله تغيير نمي‌كند و ما از اين حقيقيت استفاده مي كنيم و  نشان مي دهيم كه يك ذره نمي تواند محصولات تلاشي سنگين تر از خودش توليد كند ، ولي انرژي جرمي محصولات تلاشي بزرگتر از انرژي جرمي ذره اصلي خواهد بود ، بدين معني كه انرژي كل سيستم ضمن تلاشي افزايش مي يابد ، اين رويداد نقض مستقيم قانون بقاي انرژي است و از اين رو در طبيعت رخ نمي‌دهد . اين مثال يك فايده كمي اصول بقا را نشان مي دهد . اين اصول به ما مي گويند كه چه واكنش هايي در طبيعت مي دهند و چرا از واكنش ها ( آنهايي كه اين قوانين را نقض مي‌كنند ) هرگز ديده نمي شوند .

يك قانون بقاي سيار مهم ديگر به نام بار الكتريكي حاكم است . اگر بار الكتريكي حاكم باشد : چنانچه بار الكتريكي ذراتي كه وارد يك واكنش مي شوند را با هم جمع كنيم و آن را با مجموع بار ذرات توليد شده مقايسه نمائيم . اين دو عدد بايد مساوي هم باشد . مثلاً تلاشي نوترون را مي توان با نمادهاي زير نشان داد :

كه در آن حرف يوناني    معرف پادنوترونيو است بار كل در آغاز صفر است زيرا نوترون از نظر الكتريكي خنثي است . بار كل در پايان برابر است با :

 و اين همانگونه است كه انتظار مي رفت . گر چه بقاي انرژي تلاشي نوترون به صورت مقابل را مجاز مي داند :

 ولي بقاي بار الكتريكي بار از وقوع آن ممانعت مي كند ، زيرا لازمه ي چنين واكنشي آن است كه بار كل سيستم ضمن تلاش از 0 به 1+ تغيير كند . يكي از راه هاي انديشيدن در مورد اين نتيجه چنين است كه منظور از اينكه مي گوئيم قانون بقاي بار تلاشي نوترون به شكل فوق را منع مي كند آن است كه زمان لازم جهت وقوع اين تلاشي بي نهايت است . بار نمونه چيزي است كه فيزيكدانان آن را تقارن دروني سيستم مي نامند . بار الكتريكي يك ذره با سرعت حركت آن يا چرخش حول محورش رابطه اي ندارد . اين يك كميت كاملاً مجزاست كه از مجموعه قوانين خاص خود پيروي مي كند . تا جايي كه مي دانيم بقاي بار قانوني دقيق و جهاني است و در هيچ جاي طبيعت يا هيچ نمونه نقضي بر آن مشاهده نشده است . با اين همه تقارن هاي دروني ديگري وجود دارد كه تا اين اندازه جهاني و عام نيست . اين قوانين به جاي آنكه مانعي در برابر واكنش خاص محسوب شوند . فقط ايجاب مي كنند كه آن واكنش بسيار كندتر از آنچه انتظار مي رود ، رخ مي دهد .

ابتدا بهتر است براي تفهيم بيشتر ، اصل عدم قطعيت را كاملاً بازگو كنيم :

براي آنكه وضعيت و سرعت بعدي ذره اي را پيش بيني كنيم بايد بتوانيم وضعيت و سرعت فعلي آن را به دقت اندازه بگيريم. بديهي است براي اندازه گيري بايد ذره را در پرتو نور مورد مطالعه قرار دهيم . برخي از امواج نور به وسيله ذره پراكنده خواهند شد و در نتيجه وضعيت ذره مشخص مي شود . اما دقت اندازه گيري وضعيت يك ذره بنا گزير از فاصله بين تاجهاي متوالي موج نور كمتر است در نتيجه براي تعيين دقيق وضعيت يك ذره بايد از نوري با طول موج كوتاه استفاده كرد . حال بنا بر فرضيه كوانتوم پلانك ، نمي توانيم هر قدر دلمان خواست مقدار نور را كم اختيار كنيم ؛ به دست كم بايد يك كوانتوم نور مصرف كنيم . اين كوانتوم ذره را متأثر خواهد كرد . از اين گذشته براي آنكه وضعيت ذره را هر چه دقيقتر اندازه بگيريم . بايد از نوري با طول موج كوتاهتر استفاده كنيم و بنابراين انرژي هر كوانتوم بيشتر مي شود . در نتيجه سرعت ذره بيشتر دستخوش تغيير مي شود . به ديگر سخن هر چه بكوشيم وضعيت ذره را دقيقتر اندازه گيري كنيم دقت اندازه گيري سرعت آن كمتر مي‌شود و بر عكس . هايزنبرگ در اصل عدم قطعيت خود نشان داد كه عدم قطعيت در تعيين وضعيت ذره ضربدر عدم قطعيت در سرعت آن ضربدر جرم ذره هرگز نمي تواند از ثابت پلانك كمتر شود . البته اين مطلب را مي توان به صورتي ديگر نيز بيان كرد كه چنانچه با انرژي يك سيستم را به دقت زياد بسنجيم ، به نحوي كه عدم قطعيت انرژي بسيار كوچك باشد ، عدم قطعيت در زمان بسيار بزرگ خواهد بود حقيقت را مي توانيد به صورت زير تجسم كنيم : به منظور تعيين دقيق انرژي ، بايد مدت زماني دراز سيستم را مشاهده كنيم . نتيجه چنين سنجش طويل المدتي . تعيين انرژي متوسط سيستم در طول آن مدت خواهد بود ولي غير ممكن است كه دقيقاً بگوييم در چه زماني سيستم داراي آن مقدار انرژي است ، بدين معني كه عدم قطعيت در زمان بايد بسيار بزرگ باشد .

اصل عدم قطعيت هايزنبرگ را به صورت فرمول هاي رياضي به صورت زير مي توان نوشت:

2

كه در فرمول 1   عدم قطعيت در انرژي و   عدم قطعيت در زمان است كه حاصل ضربشان بايد بسيار بزرگتر از عدد پلانك (h) باشند و در فرمول 2 نيز   عدم قطعيت در تعيين وضعيت هر ذره اي و   عدم قطعيت در سرعت آن و   جرم ذره است و در اين دو فرمول كه منظور مشتركي را بيان مي كنند h  ثابت پلانك است كه برابر 106/6 است . تا اينجا يك آشنايي مختصر با اصل عدم قطعيت هايزنبرگ بدست آورده ايم حال طبق اين اصل يك پديده ي نظري را كه توسط استيون هاوكينگ به نام تابش ها و كينگ بيان شده است را بررسي مي‌كنيم :

با توجه به اصل عدم قطعيت مكانيك كوانتوم ، احتمال هر رويدادي هميشه بزرگتر از صفر است يكي از نتايج منطقي آن اين است كه ما بپذيريم خلأ « فضاي تهي » واقعاً تهي نيست و فضاي تهي از ذرات مجازي انباشته شده است ، از ذرات ماده و انرژي و نه كاملاً حقيقي ، ذرات مجازي با اينكه حقيقي نيستند ، قوانين نشان مي دهند كه جهان در مقياس كوانتومي چگونه رفتار مي كند . براي مثال آنها براي توضيح كنش فوتون و و الكترون لازم هستند .

اگر ما فضا را خلأ فرض كنيم . راه درستي نرفته ايم ، در اينجا مي خواهيم علت آن را بيابيم . اصل عدم قطعيت به اين معني است كه ما هيچ گاه نمي توانيم با دقت كامل ، به طور همزمان ، مكان و سرعت چند ذره  را بدانيم . معناي آن از اين هم بيشتر است : ما هرگز نمي توانيم كميت يك ميدان (به عنوان مثال : ميدان گرانشي يا ميدان الكترومغناطيسي‌) و آهنگ تغييرات آن را همزمان ، با دقت كامل تعيين كنيم . هر قدر كميت ميدان را با دقت بيشتر بدانيم ، دقت ما در دانستن آهنگ تغييرات آن كاهش خواهد يافت و بالعكس ، همچون الاكلنگ . در نتيجه ، شدت يك ميدان هيچ وقت به صفر نمي رسد . صفر هم از نظر كميت و هم از نظر آهنگ تغييرات ميدان ، اندازه گيري بسيار دقيقي خواهد بود كه اصل عدم قطعيت ، آن را مجاز نمي داند . نمي توان فضاي خالي داشت ، مگر اينكه تمام ميدان ها دقيقاً صفر باشند . اگر صفر نباشد فضاي خالي وجود ندارد .

به جاي فضاي خالي كامل كه اغلب ما تصور مي كنيم در فضا هست ، مقدار حداقلي از عدم قطعيت ، اندكي ابهام يا نا معلومي به صورتي داريم كه نمي دانيم مقدار ميدان در فضاي خالي چيست . اين افت و خيز در مقدار ميدان ، اين لرزش اندك به سوي جوانب مثبت و منفي صفر را كه هرگز صفر نمي شود ، مي توان به طريق زير تصور كرد :

زوجهايي از ذرات – زوجهاي فوتون ها يا گراويتون ها – مدام ظاهر مي شوند . دو ذره به صورت يك جفت در مي‌آيند و سپس از هم جدا مي شوند . پس از فاصله بسيار كوتاه غير قابل تصوري ، آن دو ذره بار ديگر به هم مي‌رسند ، و يكديگر را منهدم مي كنند . حياتي كوتاه ولي پر ماجرا دارند . مكانيك كوانتومي به ما مي گويد كه اين واقعه هميشه و همه جا در فضاي خلأ روي مي دهد . ممكن است كه اينها ذرات واقعي كه بتوانيم وجود آنها را با يك آشكار ساز ذرات تشخيص دهيم ، ولي نبايد تصور كرد كه آنها ذرات خيالي هستند . حتي اگر آنها ذراتي مجازي باشند. مي توانيم آثار آنها را روي ذرات ديگر تشخيص دهيم . بعضي از اين زوجهاي ذرات ماده يا فرميون ها هستند . در اين حالت از ذرات زوج ، پاد ذره ديگري است . با فرض اينكه مقدار كلي انرژي در جهان ، هميشه ثابت و بدون تغيير است ، اين سؤال پيش مي آيد كه ما چگونه مي توانيم مسئله اين زوج تازه به وجود آمده را با اين اصل سازگار كنيم ؟ شايد بگوييم اين زوجها ، با وام گرفتن انرژي ، به طور بسيار موقتي به وجود آمده اند و آنها به هيچ وجه دايمي نيستند ولي بالاخره خود به خودي به وجود آمده اند و اين دقيقاً و منطبق با قانون بقاي انرژي نيست . مي گذريم و مطلب را ادامه مي دهيم : يكي از ذرات اين زوج انرژي مثبت و ديگري انرژي منفي دارد . تراز انرژي آنها برابر است و در آخر به مقدار انرژي كه در جهان وجود دارد . چيزي اضافه نشده است .

اسيتون ها و كينگ استدلال كرد كه زوج ذره هاي بسياري به طور غير منتظره در افق رويداد يك سياهچاله به وجود مي آيند و از بين مي روند بنابر تصور او ابتدا يك زوج از ذرات مجازي ظاهر مي شود . قبل از اينكه اين زوج به يكديگر برسند و يكديگر را منهدم كنند ، ذره اي كه انرژي منفي دارد از افق رويداد عبور كرده وارد سياهچاله مي‌شود ، آيا اين بدين معني است كه ذره با انرژي مثبت بايد همتاي بدبخت خود را ، با هدف برخورد و منهدم كردن دنبال كند ؟ نه ، ميدان جاذبه در افق رويداد يك سياهچاله به قدر كافي قوي است كه با ذرات مجازي ، حتي با ذرات بدبخت با انرژي منفي كار شگفت انگيزي مي كند . ميدان جاذبه مي تواند آنها را از « مجازي » به « واقعي » تبديل كند . اين تبديل ، تغيير قابل ملاحظه اي در زوج به وجود مي آورد . آنها ديگر مجبور نيستند با يكديگر برخورد كرده و يكديگر را منهدم كنند ، آنها مي توانند هر دو مدت بسيار طولاني تري ، جدا از هم وجود داشته باشند . البته ذره با انرژي مثبت نيز مي تواند در سياهچاله بيفتد ، ولي مجبور به چنين كاري نيست . او از مشاركت آزاد است ، مي تواند بگريزد ، براي يك مشاهده كننده از دور به نظر مي آيد كه از سياهچاله بيرون آمده است ، در حقيقت اين ذره ، نه از بيرون ، بلكه از نزديك سياهچاله مي آيد . در اين ضمن همتاي او انرژي منفي به سياهي وارد كرده است . تابشي كه به اين ترتيب از سياهچاله گسيل مي شود ، تابش هاوكينگ ناميده مي شود . تابش هاوكينگ اين معني را مي‌دهد كه يك سياهچاله مي تواند كوچك شده و در نهايت كاملاً از بين برود چيزي كه يك مفهوم واقعاً اساسي است‌.

اگر در آشنايي با تلاشي نوترون و همين طور تابش هاوكينگ دقت مي كرديد مي فهميديد كه قانون بقاي انرژي به گونه اي در آن ها نقض شده است هر چند كه در مورد وجود اين پديده در خود اين نظريات تبصره هايي آمده اما همان اصل مطلب را دچار تغيير چنداني نكرده است . پس نقض شدن قانون بقاي انرژي موضوعي نيست كه به راحتي از كنار آن گذشت و در آينده جاي دارد بيشتر در اين باره آزمايش و تحقيق شود .

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40