تحقیق فیزیک : سیر تحول ستارگان در حوزه علم فیزیک 225 صفحه مصور


 دانلود  تحقیق فیزیک : سیر تحول ستارگان در حوزه علم فیزیک 225 صفحه  با فرمت ورد (دانلود متن کامل پایان نامه) – مصور

فصل اول

 

پیش از انفجار بزرگ

 

جهان چگونه آغاز شد؟ چنین رویدادی را چگونه می توان تصور كرد؟ امروز بیشتر دانشمندان بر این عقیده اند كه قراین خوبی وجود دارد كه نشان می دهد گذشتة جهان بسیار متفاوت بوده است و همة مادة جهان از انفجاری عظیم نشأت كرده و جهان از آن پس پیوسته انبساط یافته است.

در خیال ، زمان را تا انفجار بزرگ به عقب می بریم و چون به اندازة‌ كافی به عقب باز گردیم ـ یعنی به زمانی پیش از پیدایش كهكشانها كه جهان بسی كوچكتر از حال بود ـ آنچه می بینیم گاز سوزانی از اتمها و فوقونها یعنی ذرات نور است . چون باز هم به عقب رویم، جهان همچنان انقباض می یابد، ذرات گاز به یكدیگر نزدیكتر و در نتیجه برانگیخته تر می شوند و دمایشان افزایش پیدا می كند. هر چه بیشتر به عقب رویم، گاز داغتر و سوزانتر می شود[1]. با افزایش دمای گاز، هر چیز به ذرات تشكیل دهنده اش « ذوب » می شود. اتمها به الكترونها و هسته ها «ذوب[2]» می شوند ؛ هسته ها به پروتونها و نوترونهای سازندة خود تجزیه می شوند و چون دما باز هم افزایش یابد پروتونها و نوترونها به كواركها و گلوئونهایی تجزیه می شوند كه آنها را تشكیل داده اند . جهان در بیشترین دمای ممكن متشكل است از آتشگوی آغازینی از همة ذرات بنیادی. امروزه مطالعة جهان آغازین عبارتست از ساختن مدلهایی ریاضی برای این آتشگوی بر اساس نظریه های جدید ذرات كوانتومی ( ذرات بنیادی ). وقتی كه در سال 1964 آرنو پنزیاس و رابرت ویلسن در آزمایشگاههای بل در نیوجرزی، اشعة میكروموجی باقیمانده از انفجار بزرگ را كشف كردند ، این نظریه سخت تقویت شد. به دنبال این تأیید تجربی، فیزیكدانان و اختر فیزیكدانان نظری با اطمینان به انجام محاسبات پیچیدة خواص انفجار آغازین پرداختند. آنان با استفاده از قوانین شناخته شدة فیزیك هسته ای محاسبه كردند كه چگونه ممكن است عنصرهای شیمیایی ـ هسته های اتمی ـ از آتشگوی آغازینی متشكل از پروتونها و نوترونها بوجود آمده باشد؛ و از روی این محاسبات، فراوانی نسبی عناصر سبك نظیر ئیدروژن، هلیوم و دوتریوم را پیش بینی كردند . این پیش بینی ها دقیقاً با فراوانیهائی كه امروزه مشاهده می شود, وفق می دهد . فكر انفجار بزرگ[3] از بركت این پیش بینیهای موفقیت بار اعتبار زیادی كسب كرد بطوری كه در اوایل دهة 1970 بر نظریه های دیگر مربوط به پیدایش جهان چیره شد. چیزی كه به «مدل متعارف انفجار بزرگ سوزان» معروف شده است نشان دهندة‌ توافق نظر عمومی جدیدی است دربارة وضع جهان آغازین. فرضیة اصلی « مدل متعارف » آن است كه جهان سوزان اولیه به سرعت و بطرزی یكنواخت، در حالیكه دما بطور یكنواخت كاهش پیدا می كرد، انبساط یافت.

هر نظریة موفق معمولاً دیدگاهی تازه را می گشاید و مسائل جدیدی را بهمراه می آورد؛ نظریة انفجار بزرگ نیز از این قاعده مستثنی نیست. دو مسألة چالش طلبی كه این نظریه مطرح می كند عبارتند از «مسأله علیت» و«مسأله تخت بودن فضا».

مسأله علیت این است كه جهان به اندازه ای بزرگ است كه نواحی بسیار دور از هم آن نمی توانند با یكدیگر مرتبط باشند، یعنی بطور فیزیكی با هم به كنش متقابل بپردازند، حتی اگر چنین ارتباطی با سرعت نور ـ بیشترین سرعت ممكن ـ انجام گیرد. اگر جهان 10 تا 15 بیلیون سال پیش (بیشتر تخمینها در این حدودند) بوجود آمده باشد، نور یا هر نوع وسیلة ارتباط دیگر در این مدت نمی تواند مسافت بین دو كهكشان را كه فرضاً بیست میلیون سال نوری ـ رقمی بزرگتر از سن جهان ـ از هم فاصله دارند بپیماید. و اگر قسمتهای مختلف جهان مرئی كنونی نتوانند با هم كنش متقابل داشته باشند، پس چرا این قدر به هم شبیهند؟ منظور از شباهت این است: در هر امتداد كه بنگریم می بینیم كه دمای زمینة میكروموجی یكی است و به هر جا كه نگاه كنیم كهكشانهایی را می بینیم كه با وجود تفاوتهای اندك، اساساً مانند یكدیگرند.

دومین مشكل مدل متعارف انفجار بزرگ، یعنی مسأله تخت بودن فضا، این است كه چرا در زمان حاضر فضای جهان در مقیاسهای بزرگ تا این حد تخت و مسطح است. بنا بر نظریة نسبیت عمومی[4] اینشتاین، فضا می تواند خم شود، و این نكته را آزمایش در همسایگی خورشید تأیید كرده است. اما در پهنه های وسیعتر، مانند فضای میان كهكشانها، انحنای فضایی بقدری كم است كه آن را نمی توان ردیابی كرد. حتی در مقیاس مجموعه های كهكشانی نیز فضا را می توان به تقریب خوب یك فضای تخت اقلیدسی عادی دانست. ولی بنابر افكار متداول در فیزیك نظری و كیهانشناسی، تخت بودن فضا چیزی است فوق العاده نامحتمل و در نتیجه فهم علت آن دشوار است. بسیار محتملتر آن است كه جهان چنان پیچ و تاب یابد و فضایی چنان خمیده را بوجود آورد كه به آنچه دیده می شود شباهتی نداشته باشد .

اینها مسائلی نیست كه مایة‌ نگرانی بیشتر مردم شود، اما اسباب ناراحتی اخترفیزیكدان و كیهانشناس را فراهم می آورد . آلن گوث، فیزیكدانی نظری ، كه اكنون در ام . آی . تی است ، به سال 1981 در نظریه ای كه آن را «جهان متورم» نامید ، پاسخی برای این سؤالها پیشنهاد كرد. نظریة گوث را به حق می توان اولین اندیشة نو كیهانشناسی در چند دهة اخیر دانست .

بنا بر نظریة گوث، تكامل جهان آغازین ـكه گهگاه جهان رویانی نیز نامیده می شودـ انبساطی یكنواخت در گازی سوزان و متشكل از ذرات، نبود. بلكه حالت جهان، در حالیكه هنوز آتشگویی بود، دستخوش تغییر و تحولی بنیادی شد، تحولی كه یك تغییر حالت [5] نامیده می شود. بعد از این تغییر حالت بود كه جهان، در حالت متعارفی انفجار بزرگ سوزان، با انبساطی نسبتاً یكنواخت قرار گرفت. اما پیش از این تغییر حالت، جهان در حالتی بود كاملاً متفاوت موسوم به «حالت متورم » . جهان در این دوران تورم ، دچار انبساطی عظیم شد .

اگر وجود حالت متورم را در زمانی كه دمای جهان یك میلیون بیلیون درجة كلوین بود بپذیریم، می توانیم مسألة علیت را به صورت زیر حل كنیم . در حالت متورم همة نواحی جهان مرئی كنونی ، حتی كهكشانهایی كه اكنون 20 میلیون سال نوری از هم فاصله دارند ، می توانستند از طریق علایم نوری با هم مرتبط باشند . البته جهان در آن زما مانند امروز نبود . كهكشانها وجود نداشتند ، ولی افت و خیزهای كوچكی كه در این گاز ذرات وجود داشت بر یكدیگر اثر می كردند و همین افت و خیزها بودند كه رشد كردند و كهكشانها را بوجود آوردند . پس از تغییر حالت مفروض گوث پیوند این افت و خیزها با یكدیگر از هم گسست و دیگر ارتباط آنها با هم از دوردست به ما می رسد ، آن افت و خیزهای ـ كه اكنون كهكشان شده اند ـ‌ با ما تماس حاصل می كنند .

وجود یك حالت متورم در گذشته این نكته را نیز توضیح می دهد كه چرا در حال حاضر هندسة بزرگ مقیاس جهان اینقدر تخت است . نظریة متعارف انفجار بزرگ ، شرایطی را در جهان آغازین فرض می كند كه تختی كنونی جهان عملاً ناممكن بنظر می رسد . اما فرض تورم گوث، پیوند میان روال كنونی جهان و شرایط اولیه ای را كه برای جهان در نظر می گیریم ، از میان برمی دارد . مطابق نظر گوث هر قدر هم كه در یك مدل ، جهان آغازین ـ ففط یك میلیونیم ثانیة پس از آغاز ـ « به دقت تنظیم شود » . حاصل نهایی جهانی است از لحاظ فضایی تخت ، مشروط بر آنكه در ابتدا تورم بزرگ اقتصادی توسل جست ، تورمی نه ده برابر ، بلكه بیلیونها برابر . در این صورت دیگر فرقی نمی كند كه مردم در آغاز تورم غنی بوده اند یا فقیر . پول همه بی ارزش می شود و هر كس بی چون و چرا ورشكسته است .

گرچه فرض جهان متورم گوث مسائل علیت و تخت بودن فضا را حل كرد ، ولی خود مانند نظریة انفجار بزرگ[6] گرفتار مسأله ایست ( كه گوث هم از آن اطلاع دارد ) . این مسأله به جزئیات تغییر حالت مربوط می شود . یعنی به آن دگرگونی شدیدی كه برای حالت آتشگوی فرض می شود ، یا به عبارت دیگر به چگونگی گذر جهان از حالت متورم به حالت نامتعارف انفجار بزرگ . آنچه واقع شد این است كه تغییر حالت از طریق تكوین و تشكیل حبابهاصورت گرفت .

كتری پر از آبی را روی اجاقی داغ تصور كنید . با گرم شدن آب ، حبابهای بخار در كتری تشكیل می شود و پس از چندی آب شروع به جوشیدن می كند . گذر از مایع به گاز تغییر حالتی نظیر تغییر حالت گوث است . در داخل حباب یك حالت وجود دارد ( حالت بخار در مورد آب و « حالت انفجار بزرگ » در مورد جهان ) و در بیرون حباب حالتی دیگر ( حالت مایع در مورد آب و « حالت متورم » در فرضیه گوث ) . با تشكیل حبابهای حالت انفجار بزرگ در حالت متورم ، این حبابها با یكدیگر برخورد می كنند و دیری نمی گذرد كه حالت درون حباب ـ حالت انفجار بزرگ ـ سرتاسر فضا را فرا می گیرد ، درست مانند موقعی كه بگذاریم آب بجوشد و سرانجام تماماً تبدیل به بخار شود . اما این برداشت از تغییر حالت موجب درد سر گوث شد . اگر جهان كنونی حاصل آن همه برخوردهای قهرآمیز حبابهای اولیه بشمار رود، باید بسی ناهمگنتر از آنچه مشاهده می شود باشد . بنابراین مدل گوث به ظاهر ناموفق است .

آ. لینده فیزیكدان شوروی و دو فیزیكدان آمریكایی به نامهای آندر آس آلبرخت و پاول اشتاینهارت از دانشگاه پنسیلوانیا به نجات این مدل كمر بستند . آنان نشان دادند كه اگر حالت متورم بقدر كافی دوام آورد ، برخوردهای مزاحم و چندگانة حبابها صورت نخواهد پذیرفت و تنها یك حباب بزرگ تنها از حالت انفجار بزرگ در داخل حالت متورم بجا خواهد ماند . اگر حرف این نظریه دانان درست باشد، جهان ما آن یك حباب بزرگ است و ما اكنون در داخل آن زندگی می كنیم .

با آنكه نظریه گوث مسائل علیت و تخت بودن فضا را حل می كند ، ولی سؤال بنیادی تر همچنان باقی است . پیش از حالت تورم چه بود ؟ این سؤال ما را به پرسشی باز می گرداند كه در آغاز كردیم : این روند چگونه آغاز شد ؟ و این سؤالی است كه ذهن افراد عادی را هم می آزارد . دانشمندان به تازگی در آن چنگ انداخته اند و سناریویی كه ارائه شده این است : جهان ، یعنی آتشگوی انفجار بزرگ ، از هیچ ـ یعنی از یك خلاء ـ نشأت كرد . چگونه چنین چیزی ممكن است؟

برای پاسخ دادن به این سؤال نخست باید دید كه فیزیكدانان از هیچ ـ یعنی از خلاء ـ چه برداشتی دارند . مطابق نظریه های جدید ، خلاء همان هیچ نیست بلكه آكنده از ذراتی كوانتومی است كه میان بود و نبود نوسان می كنند . این ذرات خرد ، در كسری از ثانیه بوجود می آیند و بی درنگ یكدیگر را نابود می كنند و چیزی بجا نمی گذارند . خلاء به این معنی مانند سطح اقیانوس است . چون از نزدیك نظر شود پر از موج است ، ولی از فاصله ای دورتر ، مثلاً از فراز یك هواپیمای جت ، صاف و بی حركت می نماید . همینطور هر خلاء چون از دور دیده شود یكدست و تهی به چشم می آید ، اما چون از نزدیك و با وسایل خاص بازرسی شود آكنده از ذرات ریز كوانتومی به نظر خواهد رسید .

یك راه ممكن برای پیدایش جهان از خلاء این است كه یكی از امواج اقیانوس خلاء ، بجای آنكه به هیچی و نابودی فرو افتد ، پیوسته رشد كند . برخی از فیزیكدانان نظری بر این باورند كه این امر در صورتی امكانپذیر خواهد بود كه گرانش به حساب آید . گرانش به صورت تقویت كنندة آن موجی عمل می كند كه در آغاز بسیار خرد است ، و آن را تا حد آتشگوی تمام عیاری رشد می دهد كه می تواند به جهانی در حالت متورم تبدیل شود.

تبیین محتمل دیگری از آفرینش جهان از یك خلاء این است كه « خلاء » اولیة‌ جهان ناپایدار بوده است . مطابق این حدس ، خلاء اولیه ، خلائی واقعی ـ یعنی پائینترین حالت انرژی ـ نبود بلكه      « خلائی دروغین » ‌بود . قوانین نظریة كوانتومی ایجاب می كند كه چنین خلاء دروغینی به خلائی راستین تلاشی یابد ـ تلاشی قهرآمیزی كه با ایجاد ذره های بسیار همراه است . بدین طریق تلاشی[7] یك خلاء دروغین منشأ جهان را ـ منشأ آتشگوی آغازین را كه هر چیز دیگر از آن پدید آمد ـ توضیح می دهد .

چنین اندیشه هایی دربارة منشأ جهان ، بی اندازه نظر پردازانه اند و فعلاً هیچ راهی نیست كه صحت و سقم آنها را باز نماید . احتمالاً باید آنها را حدس و گمان خواند . ولی حدسهایی معقول كه چارچوب فیزیك كنونی ما آنها را مجاز می شمارد ، و فیزیكدانان و اختر فیزیكدانان نظری بسیاری پشتیبانشان هستند . از سوی دیگر بعضی از دانشمندان بر این نظرند كه ما هرگز به پاسخ این قبیل سؤالهای نهایی دست نخواهیم یافت و چنین استدلال می كنند كه چون آغاز عالم ، رویدادی مشاهده ناپذیر است پس در حوزة علم تجربی نمی گنجند . برخی دیگر معتقدند كه در آغاز فضا و زمان چنان آكنده از پیچ و تاب بود كه دسترسی به قوانین مبین این رویداد میسر نیست . شاید مفهوم قانون فیزیكی خود در اینجا بی معنی شود .

برخی این نظرها را ناپخته و بدبینانه می دانند . هنوز خیلی زود است كه دربارة توانایی آدمی به درك منشأ جهان نظر نهایی را اعلام كنیم . فیزیك معاصر امكاناتی را در برابر فهمیدن می گشاید كه در گذشته به تصور هم نمی گنجد . برخی دیگر معتقدند كه در آغاز فضا و زمان چنان آكنده از پیچ و تاب بود كه دسترسی به قوانین مبین این رویداد میسر نیست . شاید مفهوم قانون فیزیكی خود در اینجا بی معنی شود .

 

 

 

ساختمان بزرگ مقیاس جهان

 

میان ما و كهكشانهایی كه ساخت بزرگ مقیاس جهان را رقم می زنند میلیونها سال نوری فاصله است . حال دیگر امری بدیهی است كه كهكشانها منظومه هایی ستاره ای در بیرون راه كهكشان هستند ؛ ولی اندكی بیش از پنجاه سال پیش مطلب پیش پا افتادة امروز ، موضوع بحث و جدل بود. در سال 1924 ادوین هابل[8] ، با استفاده از تلسكوپ 5/2 متری جدید مونت ویلسن در مطالعة ستارگان متغیر فیفاوسی كهكشان امراه المسلسله و سایر كهكشانهای نزدیك ، به این مناقشه خاتمه بخشید . درخشندگی مطلق ( ذاتی ) یك قیفاوسی تابعی از دورة‌ تناوب آن است . از روی اندازه گیری دورة تناوب و شار انرژیی كه از این ستاره بر زمین می تابد ، برآوردی از فاصلة آن بدست می آید . هابل این روش را بكار برد و نشان داد كه فاصلة‌ ما از امراه المسلسه تقریباً ده برابر قطر كهكشان ما است .

او برای آنكه این نقشه را تا فواصلی بسط دهد كه قیفاوسها قابل تشخیص نیستند ، به جستجوی اجرامی برآمد كه پراكندگی اندكی در توزیع درخشندگی مطلق داشتند . پرنورترین ستارة ابرغول در یك كهكشان و پنجمین كهكشان از حیث روشنی در یك مجموعة‌ كهكشانی ، « شمعهای معیار» ی بودند كه هابل بكار برد تا راه خود را تا فاصلة 800 مگاپارسك[9] ( در درجه بندی جدید ) بگشاید .ناحیه ای به این شعاع بر 7 10 * 2 كهكشان متوسط مشتمل می شود و وسعت آن تقریباً 15 درصد شعاع جهان قابل رؤیت است !

اگر كهكشانها توزیعی تصادفی می بود ، باید یك یا دو كهكشان در هر 100 مگاپارسك مكعب وجود می داشت .این توزیع را در آسمان برای كهكشانهایی كه از 100 مگاپارسك به ما نزدیكترند نشان می دهد . ناحیة مركزی مجموعة سنبله مثال برجسته ایست از غیرتصادفی بودن یا كلوخه مانند بودن توزیع كهكشانها در مقیاسهایی كمتر از چند مگا پارسك . بعضی از كهكشانها ، دوتایی های كم و بیش منفردی را تشكیل می دهند ؛ برخی دیگر در اجتماعات كوچكی ، چون گروه محلی كه كهكشان ما و امراه المسلسله اعضای اصلی آنند ، جای دارند ؛ و بعضی دیگر اعای مجموعه هایی غنی ( وسیع و چگال ) هستند كه ممكن است هزاران كهكشان داشته باشند

سلسله مراتب پیوسته ای از ساختواره ها ، از كهكشانها و گروهها گرفته تا مجموعه های كهكشانی و مجموعه های مجموعه های كهكشانی ، وجود دارد. شعاع ناحیة مرئی روشن یك كهكشان متوسط ، نظیر كهكشان ما ، بین 20 تا 30 كیلو پارسك است . ناحیة مركزی یك مجموعة غنی كهكشانی ، معمولاً شعاعی در حدود نیم مگاپارسك دارد و مطالعات اخیر نشان داده است كه نواحی بیرونی آن می تواند تا 10 الی 20 مگاپارسك ادامه یابد . پژوهشهای آماری اخیر همچنین مجموعه هایی از مجموعه های كهكشانی را آشكار ساخته است كه بطور متوسط از دو یا سه مجموعة كهكشانی غنی تشكیل می شوند . در این دامنة وسیع اندازه ها ـ از 30 كیلو پارسك تا ده ها مگاپارسك ـ ظاهراً ارجحیتی برای مقیاس خاصی برای تجمع وجود ندارد همة مرزهای میان گروهها ، گروههای گروهها ، مجموعه ها و مجموعه های مجموعه ها صرفاً اختیاری و من عندی است . اگر به مقیاسهای باز هم بزرگتر روی آوریم و نواحیی از جهان را با هم بسنجیم كه حجمی در حدود یك میلیون مگا پارسك مكعب یا بیشتر دارند ، شمارة كهكشانها در یك نمونه چندان تفاوتی با شمارة نمونة دیگر ندارد . چون نسبت به این مقیاسهای صد مگا پارسكی ، كه هنوز نسبت به اندازه‌ جهان مرئی كوچكند ، متوسط بگیریم دیده می شود كه توزیع كهكشانها به وجه قابل ملاحظه ای یكنواخت است . هر گاه بگوئیم كه در این مقیاسهای بزرگ ، جهان همگن ـ یعنی از هر نقطه ای كه نظر شود ، ظاهری یكسان دارد ـ و تكروند ـ یعنی در همة امتدادها یكسان می نماید ـ‌ است ، تقریب خوبی خواهد بود . تكوین و تحول ساختواره های بزرگ مقیاس ، از كهكشانها تا مجموعه های مجموعه های كهكشانی ، به كیهانشناسی مربوط می شود.

 

1 كیهانشناسان معمولاً سن جهان آغازین را بر حسب ثانیه نمی سنجند ، بلكه بر حسب دما بیان می كنند ؛ زیرا دما برای درك وقایعی كه در جهان آغازین روی می دهد ، پارامتری است از نظر فیزیكی با معنی و مهم .

2Melt

[3] Big Bang

[4] General relatively

[5] فاز

[6] big bang

[7] decay

[8] E. Hubble

[9] ] یك پارسك pc برابر 26/3 سال نوری و برابر 18 10 * 86 / 3 سانتیمتر است . 1 مگا پارسك یك میلیون پارسك است . [

 

دانلود پایان نامه با فرمت ورد

 

تحقیق فیزیک:  سیر تحول ستارگان در حوزه علم فیزیک 225 ص

فایل ها برای اینکه حجم آنها پایینتر شود وراحتتر دانلود شوند با فرمت rar فشرده شده اند

برای دریافت پسورد فایل اینجا کلیک کنید.

 

 

مطالب مشابه را هم ببینید
فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید !
سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه ، تحقیق ، پروژه و مقالات دانشگاهی در رشته های مختلف است. مطالب مشابه را هم ببینید یا اینکه برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید