بحران عمیقی که فیزیکدانان را مجبور به بازنگری قوانین بنیادین طبیعت می‌کند (قسمت اول)

☆ محققان دهه‌ها به شکلی بی‌ثمر به دنبال کشف ذرات بنیادی جدیدی بودند که به وسیله آن‌ها دلیل شکل کنونی طبیعت را توضیح داده و با حل بحران‌های موجود در زمینه طبیعی بودن آن را تفسیر کنند. شکست‌های متعدد فیزیکدانان منجر به این شد که آن‌ها یک فرض قدیمی و مهم را بازنگری کنند: چیزهای بزرگ از چیزهای کوچک‌تر تشکیل شده‌اند. نوشتار حاضر ترجمه مقاله‌ای به قلم ناتالی ولچور ((Natalie Wolchoverr) نویسنده و ویراستار ارشد وب‌سایت کوانتامگزین، درباره‌ی تلاش‌های انجام شده در این زمینه‌ی عمیق و بحث‌برانگیز است.

در سال ۲۰۱۶ این بحران به شکلی غیرقابل انکار بروز کرد و آن، زمانی بود که برخورد دهنده بزرگ ذرات ((Large Hadron Collider – LHCC) با وجود یک ارتقای اساسی نتوانست ذراتی را که موجودیت‌شان دهه‌هاست به شکل نظری اثبات شده‌است، آشکارسازی کند. این ذرات می‌توانستند معمایی را که به خاطر ذره معروف هیگز به وجود آمده‌ است حل  کنند. این معما که به مسئله سلسله‌ مراتبی معروف است به این موضوع می‌پردازد که چرا بوزون هیگز جرم بسیار کمی دارد (صدها میلیون میلیارد بار سبک‌تر از بالاترین مقیاس‌های انرژی موجود در طبیعت). با توجه به انرژی‌های بالاتر موجود در طبیعت، به نظر می‌رسد جرم بوزون هیگز به نحوی غیرطبیعی کاهش یافته است،

ذرات اضافی مورد انتظار می‌توانستند دلیل جرم کم هیگز را توضیح دهند و به این شکل معادلات فیزیکی را براساس گفته فیزیکدانان طبیعی کنند. اما پس از شکست LHCC، که سومین و  بزرگترین شتاب دهنده در جهت پیداکردن این ذرات است، به نظر می‌رسد منطق ما پیرامون ذات طبیعت و آنچه طبیعی می‌دانیم دچار ایراد و خطاست.

به گفته گارسیا گارسیا:
مسائل بنیادین مهم در واقع همان مسائلی هستند که به طبیعی بودن (naturalness) مربوط می‌شوند.


برخورد دهنده بزرگ ذرات در سرن یک کشف حیاتی و مهم داشته‌است. در سال ۲۰۱۲ این آزمایشگاه موفق به آشکارسازی بوزون هیگز شد. بوزون هیگز یک مسئله کلیدی و مهم برای مجموعه‌ای از معادلات ۵۰ ساله با اسم مدل استاندارد ذرات (The Standard Model) است که رفتار ۱۷ ذره بنیادی را توصیف و تشریح می‌کند.

زمانی که الکترون‌ها، کوارک‌ها و دیگر ذرات بنیادی با حرکت در میان این میدان با آن برهمکنش  می‌کنند، دارای جرم می‌شوند.

☆ در طی چند سال بعد فیزیکدانان به یک جواب سرراست رسیدند: ابرتقارن، یک فرضیه که باعث دوبرابر شدن ذرات بنیادی طبیعت می‌شود. ابرتقارن بیان می‌کند که به ازای هر بوزون یک همراه فرمیونی وجود دارد و برعکس. بوزون‌ها و فرمیون‌ها به ترتیب مقدار مثبت و منفی را به جرم هیگز اضافه می‌کنند. در نتیجه اگر این مقادیر همواره به صورت دوتایی و جفت وارد شوند، یکدیگر را خنثی می‌کنند.

☆ جست و جو برای همراه ابرمتقارن ذرات (که به عنوان ابرهمراه نیز شناخته می‌شوند) در دهه نود میلادی و به وسیله ساخت شتاب دهنده‌ بزرگ الکترون-پوزیترون آغاز شد. محققان فرض کردند که این ذرات، تنها اندکی سنگین‌تر از جفت‌های خود در مدل استاندارد ذرات هستند و نیاز به انرژی‌های بالاتری برای آشکارسازی دارند. بنابراین شروع به شتاب دادن ذرات تا سرعتی نزدیک به نور کرده، آن‌ها را به هم برخورد می‌دادند و در میان بقایای ناشی از خرد شدن ذرات به دنبال ابرهمراه‌های سنگین مورد نظر خود می‌گشتند.

با نگاهی دقیق‌تر به گذشته، به نظر می‌رسد این دو بحران طبیعی بودن نه یک بیماری، که علائمی از وجود مشکلی عمیق‌تر  هستند. به گفته گارسیا گارسیا

بسیار مفید است که در مورد ریشه‌های این دو مشکل بیش‌تر فکر کنیم. بحران سلسله مراتبی و ثابت کیهانشانسی به صورت جداگانه ظاهر شدند، زیرا ما برای پاسخ به سوالات خود از ابزارهای مختلفی استفاده می‌کنیم.
منبع: دیپ لوک
توسط محمد علی طائفی گرمه در ۰۱ فروردین ۱۴۰۱




🆔 @Physics3p

تعریفی که نسبیت از فضا-زمان به عنوان یک میدان دینامیک(پویا) دارد و توسط هندسه ریمانی توضیح داده می شود فقط در ابعاد بزرگتر از طول پلانک کاربرد دارد.

مطالعه ساختار فضا-زمان در مقیاس پلانک جزو مباحث گرانش کوانتومی است.

نسبیت عام توضیح می دهد که فضا-زمان یک میدان دینامیک است که تحت تاثیر جرم و انرژی خمیدگی پیدا می کند.

از طرفی گرانش کوانتومی توضیح می دهد که این میدان دینامیک، کوانتیزه شده است و خواص کوانتومی دارد.


🆔 @Physics3p

‍ چگونه گرانش کوانتومی درک ما از جهان را تغییر می دهد

☆ مکانیک کوانتومی در برابر نسبیت عام

در مکانیک کوانتوم، “زمان” یک مفهوم جهانی و مطلق می‌باشد. از طرف دیگر، نسبیت عام اینشتین می‌گوید که زمان یک پارامتر نسبی و دینامیک است که در واقع نتیجه‌ی حاصل از برهمکنش فضا- زمان و مواد با یکدیگر می‌باشد.

نسبیت عام می‌تواند خواص گرانشی اجسام بزرگ را در صورتیکه جرم کافی داشته باشند در حدی که خواص کوانتومی آنها قابل اغماض باشد، توصیف کند؛ و توسط مکانیک کوانتوم توضیح دقیق و شفافی در خصوص اتفاقاتی که در مقیاس‌های کوچک رخ می‌دهد ارائه می‌شود البته به شرطی که ذرات به اندازه‌ی کافی کوچک و ناچیز باشند که تاثیرات گرانشی آنها نزدیک به صفر باشد.

☆ حال سوال اصلی اینجاست: ما چگونه می‌توانیم مواردی را توصیف کنیم که بسیار سنگین و در عین حال بسیار کوچک می‌باشند؟

برای توصیف این پدیده‌ها چگونه می‌توان مفهوم مطلق زمان و نسبی بودن آن که توسط هرکدام از این نظریه‌ها بیان می‌شود را با یکدیگر وفق داد؟

☆ وفق دادن تفاوت‌ها

این گپ در فهم ما از فیزیک و چگونگی رخداد ِ برخی از رویدادها، چیزی است که تئوری گرانش کوانتومی احتمالا می‌تواند آن را توضیح دهد. پیشرفت شگرفی که تحت عنوان مطالعات گرانش کوانتوم آغاز شده است می‌تواند دیدی درخصوص اینکه چگونه می‌توان نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را مجددا حل کرد، به ما بدهد.

منبع: ترجمه: ندا حائری/ سایت علمی بیگ بنگ



🆔 @Physics3p

کرمودینامیک کوانتومی (QCD)

نظریه‌ای که در مدل استاندارد توصیف کننده برهمکنش قوی است، کرمودینامیک کوانتومی یا به اختصار QCD است. اگر چه کرمودینامیک کوانتومی به وسعت و دقت الکترودینامیک کوانتومی (نظریه کوانتومی برهمکنش الکترومغناطیسی) مورد تایید تجربی قرار نگرفته است، اما با حجم وسیعی از داده‌های تجربی در توافق چشمگیر می‌باشد.

کیو سی دی، همانند کیوای دی توصیف کننده برهمکنشی است که از طریق تبادل بوزون‌هایی با اسپین ۱ ایجاد میشود.

این بوزون‌های واسط که درمورد کیوای دی فوتون‌ها هستند، درمورد کیو سی دی، گلوئون نامیده می‌شوند.
هر دوی این نظریه‌ها از نوعی هستند که نظریه پیمانه‌ای نامیده‌ می‌شود.
نظریه پیمانه‌ای مبتنی بر وجود یک تقارن بنیادی به صورت موضعی هستند. علی‌رغم شباهت بنیادی این دو نظریه، تفاوت های مهمی بین آنها وجود دارد که در اینجا به شرح آن‌ها میپردازیم.

گلوئون ها که حامل های برهمکنش قوی می‌باشند، شبیه فوتون ها دارای بار الکتریکی صفر هستند، اما بر خلاف فوتون ها که با بار الکتریکی جفت شدگی دارند، گلوئون ها با بار رنگی جفتیده هستند. این امر بلافاصله به مستقل بودن برهم‌کنش قوی طعم می‌انجامد.

به عبارت دیگر، طعم های مختلق کوارکی دارای برهمکنش قوی یکسان هستند. اکنون میبینیم که دلیل این امر آن است که طعم های کوارکی متفاوت، هرکدام میتوانند دارای سه رنگ باشند که بار یکسانی با سایر طعم ها دارند. استقلال برهمکنش قوی از طعم، آشکارترین پی آمد خود را درمورد کوارک‌های u و d نشان می‌دهد که دارای جرم تقریبا یکسانی هستند.

این امر منجر به تقارن ایزواسپینی می شود. از جمله پی آمد‌های این مساله، تساوی تقریبی جرم پروتون و نوترون و حالت هایی با بار متفاوت چندگانه مثل پایون و کائون است. حالت رنگی دو کوارک تعویض می‌شود و گلوئون مبادله شده خود دارای بار رنگی است که مجموعا اصل پایستگی بار رنگی را اعمال میکنند.

همچنان کوارک ها میتوانند در سه حالت رنگی پدیدار باشند، گلوئون ها نیز میتوانند در هشت حالت رنگی وجود داشته باشند، اگر چه ما در اینجا نیازی به پراختن به جزییات این امر نداریم اولین چیزی که از بار رنگی غیر صفر گلوئون ها نتیجه می شود، این است که آنها نیز همانند کوارک های منفرد به صورت آزاد مشاهده نمی‌شوند و محصور میباشند.

نکته دوم آن است که به علت جفت شدگی گلوئون ها با ذراتی که دارای بدر رنگی هستند و از آنجا که گلوئون ها خود دارای بار رنگی هستند، گلوئون ها با گلوثونها نیز برهمکنش خواهند داشت. در نوع خود جفت شدگی گلوئون‌ها که معرف پایین ترین مرتبه در پراکندگی گلوئون - گلوئون می باشند.

اولین نمونه، فرآیند تبادل تک گلونونی است که شبیه به تبادل گلوئون در پراگندگی کوارک۔ کوارک است، نمودار دوم نیز مربوط به برهمکش نقطه ای (برد صفر است. اگر نیروهای ناشی از این دو برهمکنش جاذب و به اندازه کافی قوی باشند.

على الأصول میتوانند موجب پیدایش حالت های مقید دو گلوئونی یا بیشتر شوند. این یک حالت جدید و عجیب است که اصطلاحا گلوبال (توپ گلوئونی) نامیده می شود اگر چه برخی از آزمایشات ادعای مشاهده گلوبال ها را مطرح کرده اند. اما وجود خارجی این حالت هنوز مورد تردید است.

برهمکنش گلوئون۔ گلوئون. مشابهی در کیوای دی ندارد (فوتون ها با فوتونها مستقیما برهمکنش ندارند). این امر موجب تفاوت های اساسی بین خواص برهمکنشهای فوق با برهمکنش الکترومغناطیسی می گردد. این ویژگی ها شامل محصورشدگی رنگ و آزادی مجانبی میباشد.

مقصود از آزادی مجانبی آن است که برهمکش قوی در فاصه های کوتاه ضعیف تر میشود و برعکس، هر چه فاصله بین کوارک‌ها بیشتر باشد، برهمکنش قوی بین آنها قوی تر می شود. در این محدوده از برهمکنش قوی (فواصل زیاد).

نظریه بسیار پیچیده می شود و هنوز انجام محاسبات در نظریه به طور دقیق انجام نشده است به همین دلیل مجبوریم به نتایج محاسبات عددی اکتفا کنیم. این شیوه محاسبه، نظریه پیمانه ای در شبکه (Lattice gauge theory) نامیده میشود.

در این نوع شبیه سازی، محاسبات بر روی نقاط منفصل در یک شبکه سه بعدی انجام می شود. با کوچک کردن فاصله نقاط شبکه، این امیدواری وجود دارد که رفتار نظریه پیوسته با دقت مناسبی به دست آید.

این نوع محاسبات نیاز به کامپیوترهای بزرگ و پرسرعت دارند و به دست آوردن نتایح دقیق با توجه به تقریب هایی که به کار می رود، دشوار است. با این همه، در حال حاضر، بررسی پدیده محصورشدگی عمدتا متکی بر چنین محاسباتی است.

منبع : کتاب ذرات بنیادی مارتین

🆔 @physics3p

〰️ خطوط 21 سانتی متری هیدروژن خنثی

در مکان هایی که گاز بین ستاره ای سرد باشد، هیدروژن خنثی بوده و در حالت پایه است. این حالت پایه دارای دو تراز جدا از هم با اختلاف انرژی خیلی کم می باشد. دلیل این پدیده بر این پایه استوار است که پروتون و الکترون هر دو یک اسپین ذاتی دارند. چون الکترون و پروتون هر دو ذراتی باردار هستند، لذا حرکت اسپینی آنها یک میدان دو قطبی های مغناطیسی بوجود می آورند که آن را می توان با جمله ممان مغناطیسی مشخص کرد.

* ممان مغناطیسی یک ذره در حال چرخش به وسیله یک بردار نمایش داده می شود که متناسب با تکانه زاویه ای برداری آن ذره می باشد.

دو آرایش ممکن برای حالت پایه اتم هیدروژن خنثی وجود دارد: 1- بردار های ممان مغناطیسی پروتون و الکترون موازی و در یک امتداد هستند؛ چون این بردار ها جمع می شوند، یک حالت بالای انرژی مغناطیسی پدیدار می شود. 2- بردار های ممان مغناطیسی پروتون و الکترون مخالف یکدیگر باشند. در حالت اول، سیستم در انرژی مشخصا بالاتری نسبت به حالت مخالف قرار گرفته است که به عنوان اثر شکافتگی فوق ریز برای اتم هیدروژن در حالت پایه می نامیم.

یک گذار خود به خودی از یک حالت فوق ریز به حالت پایین تر می تواند همراه با تغییر جهت اسپین الکترون و گسیل یک فوتون بسیار کم انرژی اتفاق بیفتد. این گسیل تولید خط طیفی رادیویی 21 سانتی متری از هیدروژن خنثی را در بسامد 1.420406GHz می نماید.

وقتی اتم های هیدروژن در محیط بین ستاره ای برخورد کنند، معمولا الکترون هایشان را مبادله می کنند و این انتقال بر خوردی مهمترین روش در تغییر حالت فوق ریز این اتم ها می باشد. برای هر اتم هیدروژن بین ستاره ای مشخص، تغییر در هر یک از دو جهت در هر چهارصد سال فقط یک مرتبه رخ می دهد. به عبارت دیگر، یک اتم در حالت تحریک فوق ریز یک گذار خود به خودی به طرف پایین خواهد داشت که گسیل خط 21 سانتی متری کوانتومی را فقط یک بار در هر چند میلیون سال (به طور متوسط) به دنبال خواهد داشت، زیرا این گذار به شدت ممنوع است.

▫️ نمایه خط 21 سانتی متری اغلب چندین قله انتقال یافته دوپلری دارد و این نشان می دهد که گاز به جای داشتن یک توضیع یکنواخت در سراسر کهکشان، در مناطقی مشخص و مجزا مانند باز های مارپیچی، متمرکز شده است.

🔺منبع: کتاب نجوم و اخترفیزیک مقدماتی " زیلیک - گرگوری"

🆔@physics3p

#فیزیک_کوانتوم


تصویری ترسناک. دمای دو متر سطح کره زمین ( منبع ناسا)


🆔@physics3p

بحرانی عمیقی که فیزیکدانان را مجبور به بازنگری قوانین بنیادی طبیعت می‌کند(قسمت دوم)

☆ برخی منتقدان، طبیعی بودن را به عنوان یک ترجیح  زیبایی‌شناسی محض شناخته و رد می‌کنند. اما دیگران به زمانی اشاره می‌کنند که این استراتژی، حقایق پنهان و دقیقی از طبیعت را آشکار می‌کند.


☆ طبیعی بودن چه کاری می‌تواند انجام دهد؟

در سال ۱۹۷۴ میلادی یعنی چند سال پیش از ابداع واژه طبیعی بودن، ماری کاترین گیلارد (Mary K. Gaillard) و بن لی (Ben Lee) به وسیله همین استراتژی موفق به پیش‌بینی ذره‌ای شدند که تا آن زمان فرضی قلمداد می‌شد. این ذره که اکنون کوارک افسون (Charm Quark) نام دارد ظرف مدت چند ماه بعد از این پیش‌بینی، مشاهده شد.


☆ گرانش همه چیز را به هم می‌ریزد!

نظریه‌پردازان در دهه ۸۰ میلادی متوجه شدند که گرانش از قوانین تقلیل‌ گرایی پیروی نمی‌کند. اگر شما دو ذره را با سرعت کافی به هم برخورد دهید، انرژی حاصل در نقطه برخورد به قدری متراکم می‌شود که یک سیاهچاله به وجود می‌آید؛ یک  ناحیه با گرانش بسیار زیاد که امکان فرار هیچ ماده‌ای از آن وجود ندارد. حال اگر سرعت ذرات را از این هم بیش‌تر کنیم نتیجه یک سیاهچاله بزرگ‌تر می‌شود. در این حالت می‌بینیم که انرژی بیش‌تر سبب دسترسی به فواصل کم‌تر نمی‌شود؛ درست برعکس چیزی که قبلا مشاهده کرده‌ایم. پس هرچه ذرات را محکم‌تر به هم بزنید منطقه غیرقابل مشاهده (افق رویداد ساهچاله) بزرگ‌تر می‌شود. سیاهچاله‌ها و نظریه گرانش کوانتومی که شرایط درون آن‌ها را توصیف می‌کند، رابطه معمول بین انرژی‌های بالا و فواصل کوتاه را برعکس می‌کنند.

اگر میان دو حالت بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس تعاملی وجود داشته باشد، باعث جلوگیری از فاصله معمول میان این دو شده و کارایی نظریه میدان موثر را از بین می‌ببرد.

☆ ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس توانایی این را دارد که با کنار گذاشتن ساختار تقلیل‌گرایی در EFT، مسائل طبیعی بودن را حل کند.

تقلیل‌گرایی بیان می‌کند که فیزیک بزرگ‌مقیاس از فیزیک ریزمقیاس به وجود آمده‌است و نه برعکس ریزمقیاس نمی‌تواند از بزرگ‌مقیاس تاثیر بپذیرد و یا به وسیله آن توصیف شود.
منبع: دیپ لوک



🆔 @Physics3p

#فیزیک_کوانتوم


آینده ربات‌ها و تاثیر آنها بر زندگی انسانها را چگونه می‌بینید؟


🆔@physics3p

‍ ثابت کیهان شناسی چیست؟

احتمالاً ثابت کیهان شناسی نوعی شکل معما یا ماده است که در تقابل با گرانش عمل می کند و بسیاری از فیزیکدانان آن را معادل انرژی تاریک می دانند. هیچ کس واقعاً نمی داند که ثابت کیهان شناسی دقیقاً چیست، اما در معادلات کیهان شناسی برای سازگاری نظریه با مشاهدات ما از جهان به این الزام نیاز است.

انیشتین در سال ۱۹۱۵ به عنوان وسیله ای برای تعادل بخشی محاسبات در نظریه نسبیت عام خود، ثابت کیهانی را که او آن را “ثابت جهانی” نامید، ارائه داد. در آن زمان، فیزیکدانان معتقد بودند که جهان ایستا است – نه در حال انبساط است و نه در حال انقباض – اما اینشتین نشان می دهد که گرانش باعث می شود یکی یا دیگری را انجام دهد. بنابراین، برای انطباق با اجماع علمی، انیشتین یک فاکتور میانی را وارد كرد، كه با حرف یونانی لاندا مشخص می شود، و این كیهان را ثابت نگه می دارد.

با این حال کمی بیشتر از یک دهه بعد، ستاره شناس آمریکایی ادوین هابل متوجه شد که کهکشان ها در  واقع از ما دور می شوند و این نشان دهنده گسترش جهان است. انیشتین لاندا را “بزرگترین اشتباه” خود خواند.

یک توضیح بالقوه برای ثابت کیهان شناسی در حوزه فیزیک ذرات مدرن نهفته است. آزمایشات تأیید کرده است که فضای خالی توسط ذرات بیشماری مجازی که به طور مداوم در حال و خارج از وجود هستند نفوذ می کند.

منبع: آندرومدا مگ




🆔@physics3p

بحران عمیقی که فیزیکدانان را مجبور به بازنگری قوانین بنیادی طبیعت می‌کند (قسمت سوم)

در قسمت قبل ایده قدیمی تقلیل گرایی را بررسی کردیم و دیدیم که چگونه گرانش کوانتومی مانع از پایبندی طبیعت به این ایده می‌شود و در نتیجه ممکن است پاسخ به پرسش‌ها و راه‌حل بحران‌های موجود را بتوان در ادغام مقیاس‌ها به وسیله یک نظریه گرانش کوانتومی پیدا کرد.

☆ چگونه ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس می‌تواند طبیعی‌بودن را نجات دهد؟

دراپر و همکارانش روی حد CKN کار می‌کنند. محققان مذکور بر روی این سوال کار می‌کردند که اگر تعدادی ذره را درون یک جعبه قرار داده و آن را گرم کنیم، حداکثر تا چه میزان می‌توانیم انرژی ذرات را افزایش دهیم، پیش از این که جعبه تبدیل به یک سیاهچاله شود. محاسبات آن‌ها نشان داد که تعداد حالات پرانرژی که ذرات می‌توانند درون یک جعبه داشته باشند، پیش از آن که جعبه تبدیل به سیاهچاله شود، با سطح جعبه به توان سه چهارم متناسب است (به عبارتی هر جعبه تا پیش از سیاهچاله شدن فقط می‌تواند تعداد مشخصی ذره با انرژی بالا داشته باشد). نکته اینجاست که در این رابطه، سطح جعبه مهم است و نه حجم آن.

سپس آن‌ها فهمیدند که اگر همین حد (حد CKN) را بر روی کیهان اعمال کنند، بحران ثابت کیهانشناسی حل می‌شود. بر این اساس جهان قابل مشاهده مانند یک جعبه بزرگ است.

☆ دیگر محققان پاسخ به این پرسش را در یک نظریه خاص در حوزه گرانش کوانتومی دنبال می‌کنند: نظریه ریسمان. نظریه پردازان این حوزه استیون آبل (Steven Abel) و کیث دینس (Keith Dienes) نشان دادند که چگونه ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس در نظریه ریسمان می‌تواند به بحران‌های سلسله‌مراتبی و ثابت کیهانشناسی اشاره کند.

منبع: دیپ لوک



🆔@physics3p

پلاسمای کوارک - گلوئون

در مواد معمولی، کوارک ها درون هادرون‌ها محبوس می باشند مثلا، یک هسته ی اتمی را می توان به شکل حالت مقیدی از پروتون‌ ها و نوترون ها در نظر گرفت. با این حال، با افزایش چگالی انرژی، یک گذار فازی به حالتی رخ می دهد، که در آن ها هادرون های منفرد هویت‌شان را از دست داده، و کوارک ها و گلوئون‌ها برای حرکت در حجمی که در مقایسه با یک هادرون بزرگ است، آزاد می شوند.

محاسبات نظریهی پیمانه ای تقریب شبکه پیشنهاد می کند، این امر می تواند در یک چگالی انرژی از مرتبه 1GeV fm‐³ رخ دهد، یعنی حدود ۶ برابر چگالی انرژی در مرکز یک هسته ی سنگین، و حالت جدید حاصل شده از ماده یک پلاسمای کوارک - گلوئون نامیده می شود.

باور بر این است که، یک پلاسمای کوارک - گلوئون چند میکروثانیه بعد از انفجار بزرگ وجود داشته و امروزه نیز ممکن است در مرکز ستاره های نوترونی وجود داشته باشد.

یک پلاسمای کوارک - گلوئون، ممکن است در برخورد بین یون های سنگین، به شرط آن کهانرژی برخورد به حد کافی بزرگ باشد، ایجاد شود. گام‌های شکل گیری یک چنین پلاسمایی و به دنبال آن انبساط و سرد شدن هادرون های زیاد حاصل، به طور طرح وار نشان داده شده است.

برخوردهای انرژی - بالا، بین یون های سنگین، همراه با برخورد دهنده ی یون سنگین نسبیتی (RHIC) در آزمایشگاه ملی Brookhaven در CERN مورد مطالعه قرار گرفته اند. RHIC نوعی، دو باریک دوار - پر بندی از یون های طلای کاملا خالص را در یک انرژی بیشینه یGeV 200 بر هسته، با یکدیگر برخورد می دهد. یون ها به طور هم مرکز با هم برخورد داده می شوند (یعنی رودررو) و چندین هزار ذره در حالت نهایی تولید می شوند. مثالی از این رویداد در آشکارساز STAR دیده شده است.

سؤال کلیدی این است که آیا چگالی - انرژی در برخوردها، به منظور تولید یک پلاسمای کوارک ۔ گلوئون و به دنبال آن برای خنک کردن فازها، کافی است یا خیر؟ رهنمودهای زیادی برای پاسخ به این سؤال وجود دارد، که شامل فراوانی نسبی انواع ذرات حالت نهایی مختلف می باشد.

مثلا تعداد زیاد گلوئون ها در پلاسما به تکثير زوج های ^_ss ، از طریق هم جوشی گلوئونی ss_^ <--- gg ، و در نتیجه تولید ذرات شگفت در افزونی آن چه که از برخوردهای نوکلئون - نوکلئون در انرژی های بسیار بالا مورد انتظار است، منتهی می شود.

به عبارت دیگر تولید J/ψ سرکوب می شود، چرا که کوارک های C و ^_C تولید شده (هم چنین از هم جوشی گلوئون) توسط کوارک های زیادی از طعم های دیگر، تفکیک شده، و در عوض به توليد مزون های افسون، یعنی مزون های D، منتهی می شوند.

در عمل این استدلال ها به این که چه مدت کوارک ها در ناحیه مرکزی پلاسما باقی می مانند، بستگی داشته و این امر به بستگی‌های زاویه ای که مبانی آزمون های کامل تری را فراهم می کند، منتهی خواهد شد.

همه اندازه گیری های کنونی، با چگالی انرژی پیش بینی شده ای که در آن هادرونها شکل می گیرند، سازگار است حال آنکه چگالی گلوله آتشین اولیه، به طور قابل توجهی بالاتر است.

آزمایش های آتی در RHIC و LHC نقش تعیین کننده ای در درک ماهیت اصلی رهایش خواهند داشت. سؤال های پیش رو عبارتند از:

ماهیت ماده در بالاترین چگالی ها (آزمایش هایی در RHIC پیشنهاد می کنند که پلاسما بیشتر همانند یک مایع رفتار کند تا گاز)
چیست؟ ، تحت چه شرایطی یک پلاسمای کوارک - گلوئون ساخته می شود؟ و چه قوانینی تحول و گذار از این نوع ماده را مدیریت می کنند؟

منبع : کتاب فیزیک هسته‌ای و ذرات بنیادی

🆔️@physics3p

‍ بوزون هیگز

"بوزون هیگز (Higgs boson)، یا سازوکار BEH معروف به ذرّهٔ خدا، یک ذره بنیادی اولیه فرضی دارای جرم است که وجود آن توسط مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی پیش‌بینی شده است."

در مدلی که برای ذرات بنیادی داریم، ذرات بدون جرم فرض می‌شوند و بر اساس مکانیزمی که برای توضیح جرم ذرات توسط هیگز پیشنهاد شده، ذره‌ای وجود دارد که بقیه ذرات در برخورد با آن دارای جرم می‌شوند که این ذره به نام همین دانشمند - هیگز - خوانده می‌شود.

☆ پاول ساتر اخترفیزیکدان از دانشگاه اوهایو: صادقانه بوزون هیگز و نقش آن در کیهان به سادگی قابل شرح نیست، هر چند بوزون هیگز نقش مهمی در فیزیک مدرن ایفا می کند ولی بالا بردن آن در سطح “ذره خدا” یک مقداری زیاده روی می باشد و حتی مهمترین کار این ذره تولید جرم نیست.


بوزون واژه ایست که به یکی از دو نوع ذره در کیهان اشاره دارد.( دستۀ دیگر ذرات به یاد فیزیکدان انریکو فرمی، فرمیون نام دارد) در یک مفهوم ساده و ابتدایی می توانید فرمیونها را به عنوان قطعات سازندۀ کیهان (همانند الکترونها، پروتونها، کوارکها، نوترینوها و سایر دوستانشان) تصور کنید. در حالی که بوزونها نیروهای بین این ذرات هستند مانند فوتونها، گلوئونها و ….

☆ میدان رویاها

اما فیزیک ذرات مدرن واقعا در مورد خود ذرات نیست و این مورد دربارۀ بوزون هیگز نیز صادق است. از دیدگاه فیزیک امروزی، سنگ بنا و شالودۀ کیهان میدانها هستند و نه ذرات. میدان ساختاری است که در کل فضا- زمان گسترده شده و در نقاط مختلف فضا- زمان می تواند مقادیر مختلفی (بر اساس مجموع ذراتی که توسط یک ناظر در آن نقطه از فضا زمان قابل مشاهده است) داشته باشد. از این منظر با افزودن یا کاستن انرژی در یک نقطه از میدان می توان ذرات را به وجود آورد و یا از بین برد. به بیان ساده تر شما با ضربه زدن به یک میدان می توانید تعدادی ذره تولید کنید. یک ذرۀ منفرد در یک میدان چیزی نیست جز حداقل انرژی که میدان در آن نقطه می تواند داشته باشد.

☆ کیهان شکسته شده

کار شگفت انگیزی که میدان هیگز در کیهان انجام می دهد با یک سوال اساسی در فیزیک مدرن در ارتباط است. فیزیکدانان چهار نیرو در طبیعت مشاهده می کنند: نیروی الکترومغناطیس، نیروی هسته ای ضعیف، نیروی هسته ای قوی و گرانش. هر کدام از نیروها توسط ِ ذرۀ مرتبط با خودش حمل می شود: فوتون نیروی الکترومغناطیس را حمل می کند در حالیکه بوزونهای W و +Z و -Z نیروی هسته ای ضعیف را حمل می کنند.

منبع: سایت علمی بیگ بنگ



🆔@physics3p

🔸 میزر های مولکولی

برای نشر، لازم است مولکول‌ها توسط بعضی از ساز و کار ها به بالای حالت پایه خود تحریک شوند. برای مثال، خطوط OH از قسمت های روشن ناحیه HII (هیدروژن یونیزه) منتشر می شوند. تعدادی و نه همه منابع OH چند گسیل قوی H2O را نشان می دهند. نشر H2O با وقوع تغییرات شدت در دوره های تناوب ماه یا چند روز متغیر است. اگر چه تابش های OH نیز متغیرند، ولی خیلی کم نامنظم می باشند. علاوه بر این، در بعضی از نواحی HII چندین گروه از نواحی منتشر کننده ی OH وجود دارند که فقط در فواصل چند واحد نجومی از هم واقع می باشند.

نشر ها از این نواحی کوچک OH و H2O به مراتب بیش از آنی هستند که از تحریک حرارتی ناشی از برخورد ها انتظار می رفت که البته دما های بالاتر از 13^10 کلوین را نیاز خواهند داشت. تراز های انرژی مولکول ها ظاهرا دچار جمعیت معکوس می شوند، بدین معنی که مولکول های بیشتری در تراز های بالایی نسبت به تراز های پایینی قرار دارند؛ از این رو معادله بولتزمن نقض شده و تعادل حرارتی وجود ندارد. یک میزر (لیزر ریز موجی) از این عمل نتیجه می شود. بعضی ساز و کار ها (که چند نمونه از آنها پیشنهاد شده و هیچکدام پذیرفته نشده اند) مولکول ها را به مناسب ترین حالت فیزیکی، پمپ می کنند. اتم ها یا مولکول های یک گاز تا سطح انرژی خاصی تحریک شده و سپس به سطح انرژی پایین تری و با سرعت بیشتر از حد معمول باز می گردند.

فرایند میزر را با یک لیزر مولکولی سه ترازی فرضی توضیح می دهیم. یک مولکول در حالت پایه 1، به بالاترین سطح یعنی سطح 3 تحریک می شود که این این کار بوسیله برخورد با ذره دیگر یا جذب تابش صورت می گیرد. این فرآیند پمپ کردن یک میزر یا لیزر نامیده می شود.

عمل پمپ کردن، تعداد زیادی از مولکول ها را به تراز 2 انتقال می دهند (به علت پایدار بود سطح 2 نسبت به سطح 3). تصور کنید که یک فوتون با انرژی مساوی با اختلاف بین سطوح 1 و 2 به چنین مولکول های تحریک شده ای نزدیک شود. این مولکول از سطح 2 به سطح 1 سقوط نموده و فوتون دیگری تابش می کند که انرژی مساوی با انرژی فوتون اولیه داشته و در همان جهت حرکت می کند. میدان های الکترومغناطیسی فوتونی را گسیل می دارند که انرژی آن با انرژی فوتون ورودی برابر است. این فرآیند نشر القایی نامیده می شود. دو فوتون حاصل اکنون می توانند چهار مولکول دیگر را وادار به تابش کرده و جمعا 8 فوتون تولید کنند و به همین ترتیب.

🔺 منبع: کتاب نجوم و اختر فیزیک مقدماتی "زیلیک - گرگوری"

🆔@physics3p

چگونه می توانید ذرات بنیادی را تولید کنید؟

الکترونها و پروتونها مشکلی را به وجود نمی آورند؛ چون اجزای پایدار مواد معمولی هستند. برای توليد الكترون می توان یک قطعه فلز را گرم کرد تا الکترونها تا از آن خارج شوند. اگر باریکه ای از الکترون بخواهید، می توانید یک صفحه باردار مثبت را در حوالی فلز بگذارید تا آنها را جذب کند، و سوراخ کوچکی را در صفحه ایجاد کنید، الکترونهایی که از سوراخ عبور میکنند باريكه الکترونی را تولید می کنند. این تفنگ الکترونی جزء آغازین لامپهای تلویزیون یا اسیلوسکوپ یا شتابدهنده الكترون است.

برای تولید پروتون، هیدروژن را یونیده کنید (به عبارت دیگر الکترونها را از آن جدا سازید). در واقع، اگر از پروتون به عنوان هدف استفاده میکنید نگرانی در مورد الکترون ندارید؛ آنها به اندازهای سبک هستند که بر اثر برخورد سخت ذره فرودی از مسیر خارج می شوند.

بنابراین، یک محفظه هیدروژن اساسا یک محفظه پروتون است. برای ذرات غیرعادی تر سه چشمه اصلی وجود دارد: پرتوهای کیهانی، راکتورهای هسته ای و شتابدهنده های ذرات.

پرتوهای کیهانی زمین همراه در معرض بمباران با ذرات با انرژی بالا (اساس پروتونها) است که از فضای خارج می آیند. منشا از این ذرات یک معماست؛ اما وقتی آنها به اتمهای بالای جو برخورد میکنند رگباری از ذرات ثانوی را تولید میکنند (اغلب موئونها که مجال رسیدن به سطح زمین را دارند) که پیوسته بر سر ما می بارند.

پرتوهای کیهانی به عنوان چشمه ذرات بنیادی، دو حسن دارند:

اول آنکه آزادند و دیگر آنکه انرژی آنها می تواند بسیار زیاد باشد - خیلی بیشتر از آنچه بتوانیم در آزمایشگاه تولید کنیم. اما دو اشکال بزرگ نیز دارند: آهنگ برخورد آنها به هر آشکارسازی با اندازه ای معقول، بسیار کم است، و دیگر آنکه کاملا غیرقابل کنترل هستند.

بنابراین آزمایش با پرتوهای کیهانی به صبر و اقبال نیاز دارد. راکتورهای هسته ای وقتی هسته پرتوزایی فرو می پاشد، ذرات گوناگونی گسیل می شوند. نوترونها، نوترینوها و آنچه پرتوهای آلفا نامیده می شود (و در واقع ذره آلفا حالت مقید دو نوترون و دو پروتون است) پرتوهای بتا (الكترون یا پوزیترون) و پرتوهای گاما (فوتون). شتابدهنده های ذرات می توان کار را با الکترون یا پروتون شروع کرد و آنها را تا انرژیهای بالا شتاب داد و سپس آنها را به یک هدف کوبید.

با ترتیب ماهرانه و قراردادن جذب کننده ها و مغناطيسها میتوان ذرات باقیمانده ای را که می خواهیم بررسی کنیم جدا کرد. اکنون این امکان وجود دارد که باریکه های ثانویه پوزیترون و موئون، پیون، کائون و پاد پروتون را تولید و آنها را به طرف هدف دیگری هدایت کرد.

حتی ذرات پایدار - الکترونها، پروتونها، پوزیترونها و پاد پروتونها - را می توان به درون حلقه های ذخیره بزرگ هدایت کرد که در آنجا به کمک آهنرباهای بزرگ با سرعتی زیاد برای ساعتها بچرخند، سپس در زمان مورد نیاز آنها را استخراج و مورد استفاده قرار داد.

به طور کلی، برای تولید ذرات سنگین تر به انرژی برخورد بیشتری نیاز دارید. به همین دلیل، از نظر تاریخی ذرات سبکتر ابتدا کشف شدند و با گذشت زمان که شتابدهنده ها قوی تر شدند، ذرات سنگین و سنگین تر پیدا شدند.

در حال حاضر، سنگین ترین ذره شناخته شده Z است که جرم آن تقریبا ۱۰۰ برابر جرم پروتون است. معلوم شده است که اگر دو ذره با سرعت زیاد برخورد رودررو انجام دهند بر خلاف موردی که یک ذره به طرف ذره دیگر که هدف ثابتی است پرتاب می شود، ذرات انرژی زیادی به دست می آورند. (البته این کار هدف گیری بسیار بهتری را می طلبد!)

بنابراین، ذره ای در عبور اول برخورد نکند در دور بعدی می تواند امکان برخورد داشته باشد. در واقع برای الکترون و پوزیترون (یا پروتون و پاد پروتون) می توان از حلقه یکسانی استفاده کرد که در آن بارهای مثبت در یک جهت و بارهای منفی در جهت دیگر می چرخند.

اینکه چرا فیزیکدانان ذرات همیشه به دنبال انرژیهای بالاتر هستند علت دیگری نیز دارد به طور کلی، هر چه انرژی بیشتر باشد، دو ذره بیشتر به هم نزدیک می شوند. بنابراین، اگر بخواهید برهم کنش بسیار کوتاه برد را بررسی کنید به ذرات پرانرژی تر نیاز دارید.

به بیان مکانیک کوانتومی به ذره ای با تکانه p طول موج λ وابسته است که از فرمول دوبروی λ=h/p به دست می آید که در آن h ثابت پلانک است. در طول موجهای بزرگ (تكانه کوچک فقط می توانید ساختارهای نسبتا بزرگ را از هم تفکیک کنید؛ برای بررسی چیزهای بسیار کوچک به طول موجهای کوتاه تر و در نتیجه تكانه بزرگ نیاز داریم.

اگر بخواهید، می توانید این مسئله را نمودی از اصل عدم قطعیت( ΔxΔx ≥ h/4π ) بدانید - برای اینکه Δx کوچک شود، Δp باید بزرگ شود. به هر حال ملاحظه میکنید که نتیجه یکسان است:

برای بررسی فاصله های کوچک به انرژی بالا نیاز دارید.

منبع : فیزیک ذرات بنیادی

🆔️@physics3p

🔹حالت های مختلف نوشتاری معادله بولتزمن

🆔@physics3p

♦️ معادله بولتزمن

اتم های موجود در گاز، هنگام برخورد با یکدیگر یا انرژی از دست می دهند یا انرژی بدست می آورند. در نتیجه، توزیع سرعت اتم های برخوردی که با توزیع ماکسول بولتزمن توصیف می شود، توزیعی صریح از الکترون ها در میان اوربیتال های اتمی را بدست می دهد. این توزیع الکترون ها، از یک اصل بنیادی در مکانیک آماری پیروی می کند: احتمال اینکه الکترون ها مدار (اوربیتال) هایی با انرژی بالاتری را اشغال کنند کمتر از احتمال اشغال مدار هایی با انرژی پایین تر است.

فرض کنید Sa مجموعه ی معینی از اعداد کوانتومی با انرژی Ea باشد که سیستم مشخصی از ذرات را توصیف می کند. به همین ترتیب فرض کنید Sb، نشان دهنده ی مجموعه ی معینی از اعداد کوانتومی باشد که انرژی شان برابر Eb است. به عنوان مثال Ea= -13.6 ev؛ پایین ترین تراز اتم هیدروژن با Sa= { n=1 , l=0 , ml=0 , ms=1/2} را توصیف می کند که معرف یک تراز ویژه یا تراز معین با انرژی 13.6ev- است. بنابراین نسبت احتمال اینکه سیستم در تراز Sb باشد، P(sb)، به احتمال قرار گیری سیستم در تراز sa یعنی P(sa) باشد، توسط فرمول اول محاسبه می شود که در آن T دمای مشترک دو سیستم است.

در بسیاری از موارد به ازای سطوح انرژی سیستم واگن با انرژی های یکسان، بیش از یک تراز کوانتومی وجود دارد. به عبارت دیگر، اگر sa و sb تراز هایی واگن باشند حتی با شرط مخالف بودن دو تراز، می تواند Ea=Eb باشد.

▫️توجه داشته باشید که باید که در هنگام آمارگیری، احتمال هر یک از تراز های واگن را به صورت جداگانه محاسبه نماییم. برای محاسبه ی تعداد تراز هایی که انرژی معینی دارند، ga و gb را به ترتیب تعداد تراز هایی با انرژی Ea و Eb در نظر می گیریم. ga و gb را اصطلاحا وزن آماری سطوح انرژی می نامند. اکنون با دانستن این نکات می توانیم به معادله ی اصلاح شده ی شماره دو با استفاده از تراز های واگن دست بیابیم.

جو های ستاره ای انواع گوناگونی از اتم ها را شامل می شوند؛ بنابراین نسبت احتمالات غیر قابل تفکیک از تعداد نسبی اتم ها است. برای اتم های یک عنصر مشخص در یک تراز یونش خاص، نسبت تعداد اتم هایی که انرژی Eb دارند یعنی Nb، به تعداد اتم هایی که انرژی Ea دارند یعنی Na از معادله سوم بدست می آید.

🔺منبع: کتاب مقدمه ای بر اخترفیزیک نوین "بردلی کارول - دیل اوستلی"

🆔@physics3p

‍ ابر تقارن چیست (Supersymmetry)؟ – قسمت اول


می توان گفت مانع بزرگی که دانشمندان بدنبال دست یابی به نظریه همه چیز برای توضیح پدیده های جهان دارند، عدم یگانگی گرانش از طریق اتحاد فضا زمان در نسبیت عام با دنیای ریز کوانتومی است. عدم قطعیت ورنر هایزنبرگ، فضا – زمان را در سطح کوانتومی به هم ریخته می کند و اتحاد آن را با نسبیت عام دچار لغزش می کند.

☆ با وجود پیشروی نظریه ریسمان به عنوان نامزدی برای نظریه همه چیز، اندازه ریسمان ها برای دیده شدن در آزمایش های ذرات بسیار بسیار کوچک اند، اما جنبه هایی از نظریه ریسمان ممکن است با تکنولوژی های کنونی مورد بررسی قرار گیرد. یکی از پیش بینی های نظریه ریسمان این است که ما می توانیم در ترازهای انرژی بالا مدارکی مبنی بر وجود تقارنی بین ذراتی که نیرو را منتقل می کنند (بوزون ها) و ذراتی که ماده را تشکیل می دهند (فرمیون ها) مشاهده کنیم، این تقارن بین ماده و نیروها را ابرتقارن می نامند.

☆ تاریخچه ابر تقارن:

برای اولین بار توسط هیروناری میازاوا در سال ۱۹۶۶ پیشنهاد شد.
اولین نسخه واقعی ابرتقارن مدل استاندارد توسط پیر فایت در سال ۱۹۷۷ پیشنهاد شد و به (Minimal Supersymmetric Standard Model) معروف شده است.

☆ معنای تقارن:

تصور کنید میله ای ایستاده روی زمین گذاشته شده است، هیچ ترجیحی وجود ندارد که میله از کدام طرف بیافتد، می گوییم گرانشی که باعث افتادن آن می شود “متقارن” است. همه جهت ها به یک اندازه محتمل اند، اما وقتی میله می افتد از همه جهات نمی افتد؛ فقط از یک طرف می افتد! پس تقارن می شکند.

منبع: پویا فرخی/ سایت علمی بیگ بنگ



🆔@physics3p