فهرست مندرجاتمکانیک و ترمودینامیک
نقض قانون بقای انرژی
- نقض قانون بقای انرژی در تلاشی نوترون
- نقض قانون بقای انرژی در اصل عدم قطعیت و تأبش هاوكینگ
- يادداشت‌ها
- پی‌نوشت‌ها
- جُستارهای وابسته
- سرچشمه‌ها
[قبل] [بعد]
مقدمه: حتماً در فیزیك دبیرستان با این جمله حداقل یك بار مواجه شده‌اید: «طبق قانون بقای انرژی، در جهان ما انرژی نه خودبه‌خود از بین می‌رود و نه خودبه‌خود به‌وجود می‌آید، بلكه از صورتی به‌صورت دیگر تبدیل می‌شود.» این فرمول معروف فیزیك را نیز در كتاب‌ها و یا مقاله‌های متعدد دیده‌اید. E=mc2 كه یكی از اصل‌های خاص است كه بیان می‌كند ماده هم‌صورتی از انرژی است و ما می‌توانیم ماده را به انرژی و انرژی را به ماده تبدیل كنیم و در این میان هیچ مقدار انرژی از بین نمی‌رود. ولی در چند دهه‌ی اخیر در فیزیك ذره‌ای یا فیزیك كوانتوم نمونه‌هایی از نقض قانون بقای انرژی در آشكار سازها و شتاب‌دهنده‌ها دیده شده است كه همواره مایه‌ی تعجب و شگفتی بوده است. حتماً با كمی دقت و ریزنگری می‌توان فهمید كه نقض‌شدن یك قانون در یك علم به‌خاطر بقای قانونی دیگر در آن علم است كه در آزمایش‌های متعدد ثابت شده است. البته این نقض را نمی‌توان در طبیعت مشاهده كرد. شاید قبل از مطالعه كامل این مقاله عنوان مقاله برای شما تعجب‌آور و غیر قابل قبول باشد ولی این حقیقتی است كه دانشمندان فیزیك ذره‌ای در آزمایش‌های متعدد با آن روبه‌رو می‌شوند و مطالعات خود را با وجود این احتمال ادامه می‌دهند در این مقاله به‌چند مورد از نمونه‌های نقض قانون بقای انرژی در فیزیك كوانتوم و كیهان‌شناسی اشاره خواهیم كرد تا بیشتر به اصل مطلب پی ببرید.
[↑] نقض قانون بقای انرژی در تلاشی نوترون
بر هم كنش‌های بین ذرات بنیادی تصادفاً رخ نمی‌دهد بلكه تابع مجموعه‌ای از اصول كلی به‌نام قوانین بقا می‌باشد. یك فیزیكدان هنگامی می‌گوید كمیتی بقا دارد كه ضمن فرآیند فیزیكی خاصی تغییر نكند. یكی از این اصول بقای انرژی است. انرژی یك سیستم ایزوله تغییر نمی‌كند و ما از این حقیقیت استفاده می‌كنیم و نشان می‌دهیم كه یك ذره نمی‌تواند محصولات تلاشی سنگین‌تر از خودش تولید كند، ولی انرژی جرمی محصولات تلاشی بزرگ‌تر از انرژی جرمی ذره اصلی خواهد بود، بدین معنی كه انرژی كل سیستم ضمن تلاشی افزایش می‌یابد، این رویداد نقض مستقیم قانون بقای انرژی است و از این‌رو در طبیعت رخ نمی‌دهد. این مثال یك فایده كمی اصول بقا را نشان می‌دهد. این اصول به ما می‌گویند كه چه واكنش‌هایی در طبیعت می‌دهند و چرا از واكنش‌ها (آن‌هایی كه این قوانین را نقض می‌كنند) هرگز دیده نمی‌شوند.
یك قانون بقای سیار مهم دیگر به‌نام بار الكتریكی حاكم است. اگر بار الكتریكی حاكم باشد: چنانچه بار الكتریكی ذراتی كه وارد یك واكنش می‌شوند را با هم جمع كنیم و آن را با مجموع بار ذرات تولیدشده مقایسه نماییم. این دو عدد باید مساوی هم باشد. مثلاً تلاشی نوترون را می‌توان با نمادهای زیر نشان داد:
كه در آن حرف یونانی ‾γ معرف پادنوترونیو است بار كل در آغاز صفر است زیرا نوترون از نظر الكتریكی خنثی است. بار كل در پایان برابر است با:
و این همان‌گونه است كه انتظار می‌رفت. گرچه بقای انرژی تلاشی نوترون به‌صورت مقابل را مجاز می‌داند:
ولی بقای بار الكتریكی بار از وقوع آن ممانعت می‌كند، زیرا لازمه‌ی چنین واكنشی آن است كه بار كل سیستم ضمن تلاش از 0 به +1 تغییر كند.
یكی از راه‌های اندیشیدن در مورد این نتیجه چنین است كه منظور از این‌كه می‌گوییم قانون بقای بار تلاشی نوترون به‌شكل فوق را منع می‌كند آن است كه زمان لازم جهت وقوع این تلاشی بی‌نهایت است. بار نمونه چیزی است كه فیزیكدانان آن را تقارن درونی سیستم می‌نامند. بار الكتریكی یك ذره با سرعت حركت آن یا چرخش حول محورش رابطه‌ای ندارد. این یك كمیت كاملاً مجزاست كه از مجموعه قوانین خاص خود پیروی می‌كند. تا جایی‌كه می‌دانیم بقای بار قانونی دقیق و جهانی است و در هیچ‌جای طبیعت یا هیچ نمونه نقضی بر آن مشاهده نشده است. با این همه تقارن‌های درونی دیگری وجود دارد كه تا این اندازه جهانی و عام نیست. این قوانین به‌جای آن‌كه مانعی در برابر واكنش خاص محسوب شوند. فقط ایجاب می‌كنند كه آن واكنش بسیار كندتر از آنچه انتظار می‌رود، رخ می‌دهد.
[↑] نقض قانون بقای انرژی در اصل عدم قطعیت و تأبش هاوكینگ
ابتدا بهتر است برای تفهیم بیشتر، اصل عدم قطعیت را كاملاً بازگو كنیم:
برای آن‌كه وضعیت و سرعت بعدی ذره‌ای را پیش‌بینی كنیم باید بتوانیم وضعیت و سرعت فعلی آن را به دقت اندازه بگیریم. بدیهی است برای اندازه‌گیری باید ذره را در پرتو نور مورد مطالعه قرار دهیم. برخی از امواج نور به‌وسیله ذره پراكنده خواهند شد و در نتیجه وضعیت ذره مشخص می‌شود. اما دقت اندازه‌گیری وضعیت یك ذره به‌ناگزیر از فاصله بین تاج‌های متوالی موج نور كمتر است در نتیجه برای تعیین دقیق وضعیت یك ذره باید از نوری با طول موج كوتاه استفاده كرد. حال بنا بر فرضیه كوانتوم پلانك، نمی‌توانیم هر قدر دلمان خواست مقدار نور را كم اختیار كنیم؛ به‌دست كم باید یك كوانتوم نور مصرف كنیم. این كوانتوم ذره را متأثر خواهد كرد. از این گذشته برای آن‌كه وضعیت ذره را هر چه دقیق‌تر اندازه بگیریم. باید از نوری با طول موج كوتاه‌تر استفاده كنیم و بنابراین انرژی هر كوانتوم بیشتر می‌شود. در نتیجه سرعت ذره بیشتر دستخوش تغییر می‌شود. به دیگر سخن هر چه بكوشیم وضعیت ذره را دقیق‌تر اندازه‌گیری كنیم دقت اندازه‌گیری سرعت آن كمتر می‌شود و بر عكس هایزنبرگ در اصل عدم قطعیت خود نشان داد كه عدم قطعیت در تعیین وضعیت ذره ضربدر عدم قطعیت در سرعت آن ضربدر جرم ذره هرگز نمی‌تواند از ثابت پلانك كمتر شود. البته این مطلب را می‌توان به‌صورتی دیگر نیز بیان كرد كه چنانچه با انرژی یك سیستم را به‌دقت زیاد بسنجیم، به‌نحوی كه عدم قطعیت انرژی بسیار كوچك باشد، عدم قطعیت در زمان بسیار بزرگ خواهد بود حقیقت را می‌توانید به‌صورت زیر تجسم كنیم: به‌منظور تعیین دقیق انرژی، باید مدت زمانی دراز سیستم را مشاهده كنیم. نتیجه چنین سنجش طویل‌المدتی. تعیین انرژی متوسط سیستم در طول آن مدت خواهد بود ولی غیر ممكن است كه دقیقاً بگوییم در چه زمانی سیستم دارای آن مقدار انرژی است، بدین معنی كه عدم قطعیت در زمان باید بسیار بزرگ باشد.
اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را به‌صورت فرمول‌های ریاضی به‌صورت زیر می‌توان نوشت:
ΔL0 x ΔV0 x m0 ≥ h (2)
كه در فرمول ۱ ΔE عدم قطعیت در انرژی و Δt عدم قطعیت در زمان است كه حاصل‌ضرب‌شان باید بسیار بزرگ‌تر از عدد پلانك h باشند و در فرمول ٢ نیز ΔL0 عدم قطعیت در تعیین وضعیت هر ذره‌ای و ΔV0 عدم قطعیت در سرعت آن و m0 جرم ذره است و در این دو فرمول كه منظور مشتركی را بیان می‌كنند. h=6.6x10-24 ثابت پلانك است.
تا این‌جا یك آشنایی مختصر با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به‌دست آورده‌ایم حال طبق این اصل یك پدیده‌ی نظری را كه توسط استیون هاوكینگ به‌نام تابش هاوكینگ بیان شده است را بررسی می‌كنیم.
با توجه به اصل عدم قطعیت مكانیك كوانتوم، احتمال هر رویدادی همیشه بزرگ‌تر از صفر است یكی از نتایج منطقی آن این است كه ما بپذیریم خلأ «فضای تهی» واقعاً تهی نیست و فضای تهی از ذرات مجازی انباشته شده است، از ذرات ماده و انرژی و نه كاملاً حقیقی، ذرات مجازی با این‌كه حقیقی نیستند، قوانین نشان می‌دهند كه جهان در مقیاس كوانتومی چگونه رفتار می‌كند. برای مثال آن‌ها برای توضیح كنش فوتون و و الكترون لازم هستند.
اگر ما فضا را خلأ فرض كنیم. راه درستی نرفته‌ایم، در این‌جا می‌خواهیم علت آن را بیابیم. اصل عدم قطعیت به این معنی است كه ما هیچ‌گاه نمی‌توانیم با دقت كامل، به‌طور همزمان، مكان و سرعت چند ذره را بدانیم. معنای آن از این هم بیشتر است: ما هرگز نمی‌توانیم كمیت یك میدان (به‌عنوان مثال: میدان گرانشی یا میدان الكترومغناطیسی) و آهنگ تغییرات آن را همزمان، با دقت كامل تعیین كنیم. هر قدر كمیت میدان را با دقت بیشتر بدانیم، دقت ما در دانستن آهنگ تغییرات آن كاهش خواهد یافت و بالعكس، همچون الاكلنگ. در نتیجه، شدت یك میدان هیچ وقت به صفر نمی‌رسد. صفر هم از نظر كمیت و هم از نظر آهنگ تغییرات میدان، اندازه‌گیری بسیار دقیقی خواهد بود كه اصل عدم قطعیت، آن را مجاز نمی‌داند. نمی‌توان فضای خالی داشت، مگر این‌كه تمام میدان‌ها دقیقاً صفر باشند. اگر صفر نباشد فضای خالی وجود ندارد.
به‌جای فضای خالی كامل كه اغلب ما تصور می‌كنیم در فضا هست، مقدار حداقلی از عدم قطعیت، اندكی ابهام یا نا معلومی به‌صورتی داریم كه نمی‌دانیم مقدار میدان در فضای خالی چیست. این افت‌وخیز در مقدار میدان، این لرزش اندك به‌سوی جوانب مثبت و منفی صفر را كه هرگز صفر نمی‌شود، می‌توان به‌طریق زیر تصور كرد:
زوج‌هایی از ذرات «زوج‌های فوتون‌ها یا گراویتون‌ها» مدام ظاهر می‌شوند. دو ذره به‌صورت یك جفت در می‌آیند و سپس از هم جدا می‌شوند. پس از فاصله بسیار كوتاه غیر قابل تصوری، آن دو ذره بار دیگر به‌هم می‌رسند، و یكدیگر را منهدم می‌كنند. حیاتی كوتاه ولی پر ماجرا دارند. مكانیك كوانتومی به ما می‌گوید كه این واقعه همیشه و همه‌جا در فضای خلأ روی می‌دهد. ممكن است كه این‌ها ذرات واقعی كه بتوانیم وجود آن‌ها را با یك آشكارساز ذرات تشخیص دهیم، ولی نباید تصور كرد كه آن‌ها ذرات خیالی هستند. حتی اگر آن‌ها ذراتی مجازی باشند. می‌توانیم آثار آن‌ها را روی ذرات دیگر تشخیص دهیم. بعضی از این زوج‌های ذرات ماده یا فرمیون‌ها هستند. در این حالت از ذرات زوج، پاد ذره دیگری است. با فرض این‌كه مقدار كلی انرژی در جهان، همیشه ثابت و بدون تغییر است، این سؤال پیش می‌آید كه ما چگونه می‌توانیم مسئله این زوج تازه به‌وجود آمده را با این اصل سازگار كنیم؟ شاید بگوییم این زوج‌ها، با وام گرفتن انرژی، به‌طور بسیار موقتی به‌وجود آمده‌اند و آن‌ها به‌هیچ‌وجه دایمی نیستند ولی بالاخره خودبه‌خودی به‌وجود آمده‌اند و این دقیقاً و منطبق با قانون بقای انرژی نیست. می‌گذریم و مطلب را ادامه می‌دهیم: یكی از ذرات این زوج انرژی مثبت و دیگری انرژی منفی دارد. تراز انرژی آن‌ها برابر است و در آخر به مقدار انرژی كه در جهان وجود دارد. چیزی اضافه نشده است.
اسیتون هاوكینگ استدلال كرد كه زوج ذره‌های بسیاری به‌طور غیر منتظره در افق رویداد یك سیاه‌چاله به‌وجود می‌آیند و از بین می‌روند بنابر تصور او ابتدا یك زوج از ذرات مجازی ظاهر می‌شود. قبل از این‌كه این زوج به یكدیگر برسند و یكدیگر را منهدم كنند، ذره‌ای كه انرژی منفی دارد از افق رویداد عبور كرده وارد سیاه‌چاله می‌شود، آیا این بدین معنی است كه ذره با انرژی مثبت باید همتای بدبخت خود را، با هدف برخورد و منهدم كردن دنبال كند؟ نه، میدان جاذبه در افق رویداد یك سیاه‌چاله به‌قدر كافی قوی است كه با ذرات مجازی، حتی با ذرات بدبخت با انرژی منفی كار شگفت‌انگیزی می‌كند. میدان جاذبه می‌تواند آن‌ها را از «مجازی» به «واقعی» تبدیل كند. این تبدیل، تغییر قابل ملاحظه‌ای در زوج به‌وجود می‌آورد. آن‌ها دیگر مجبور نیستند با یكدیگر برخورد كرده و یكدیگر را منهدم كنند، آن‌ها می‌توانند هر دو مدت بسیار طولانی‌تری، جدا از هم وجود داشته باشند. البته ذره با انرژی مثبت نیز می‌تواند در سیاه‌چاله بیفتد، ولی مجبور به‌چنین كاری نیست. او از مشاركت آزاد است، می‌تواند بگریزد، برای یك مشاهده كننده از دور به نظر می‌آید كه از سیاه‌چاله بیرون آمده است، در حقیقت این ذره، نه از بیرون، بلكه از نزدیك سیاه‌چاله می‌آید. در این ضمن همتای او انرژی منفی به سیاهی وارد كرده است. تابشی كه به این ترتیب از سیاه‌چاله گسیل می‌شود، تابش هاوكینگ نامیده می‌شود. تابش هاوكینگ این معنی را می‌دهد كه یك سیاه‌چاله می‌تواند كوچك شده و در نهایت كاملاً از بین برود چیزی كه یك مفهوم واقعاً اساسی است.
اگر در آشنایی با تلاشی نوترون و همین‌طور تابش هاوكینگ دقت می‌كردید می‌فهمیدید كه قانون بقای انرژی به گونه‌ای در آن‌ها نقض شده است هر چند كه در مورد وجود این پدیده در خود این نظریات تبصره‌هایی آمده اما همان اصل مطلب را دچار تغییر چندانی نكرده است. پس نقض‌شدن قانون بقای انرژی موضوعی نیست كه به‌راحتی از كنار آن گذشت و در آینده جای دارد بیشتر در این باره آزمایش و تحقیق شود.[٢]
[↑] يادداشت‌ها
يادداشت ۱: اين مقاله برای دانشنامهی آريانا توسط مهدیزاده کابلی ارسال شده است.
[↑] پی‌نوشت‌ها
[۱]- آقای حسین جوادی، در سایت نظریه سی پی اچ توضیح می‌دهد: مدتی پیش این مقاله از طریق ایمیل به‌دست من رسید ولی نام فرستنده مشخص نبود. چند بار نام نویسنده را جویا شدم ولی پاسخی دریافت نکردم. چون مطلب بسیار جالبی است، دریغم آمد دوستان را در جریان قرار ندهم. این‌طور که دوست عزیز آقای محمدرضا عظیمی گفتند، این مقاله را آقای مسعود آموزگار ارسال کرده‌اند.
[٢]- مسعود آموزگار، نقض قانون بقای انرژی، سایت نظریه سی پی اچ
[↑] جُستارهای وابسته
□
□
□
[↑] سرچشمه‌ها
□ سایت نظریه سی پی اچ (CPH Theory)
