موج گرانشي چيست ؟

[moji5]

الف - برسي موج گرانشي از ديدگاه فيزيك كلاسيك:

اگر طبق شكل فوق ، مركز جاذبه‌ سنگيني همچون خورشيد را در نقطه C در نظر بگيريم و با دامنه‌اي كوتاه و فركانسي ( تواتري ) نسبتا زياد در امتداد يك خط مستقيم ( فلش‌هاي سبز رنگ ) شروع به نوسان كند ، بديهي است كه انرژي اين نوسانات به صورت موجهايي به تمامي اجرام حاضر در ميدان جاذبه‌ خورشيد انتقال مي‌يابد كه انرژي آن بستگي به فاصله‌ از خورشيد و ساير پارامترها دارد منجمله بسامد نوسان خورشيد . در اين وضعيت ، ميدان گرانش خورشيد زمينه و محيط انتقال يا انتشار موج خواهد بود . اگر ميدان گرانش خورشيد را به صورت بردارهايي فرض كنيم ، بردار عمود بر امتداد نوسانات خورشيد به صورت عرضي ( منحني قرمز رنگ ) و بردار هم سو با امتداد نوسانات ( خطوط آبي رنگ ) به صورت طولي مواج ميشوند . اين امواج را موج گرانشي تعريف مي‌كنيم و استفاده از اين واژه در اين مبحث قراردادي و اختياري است و در مباحث ديگر ، اين واژه مي‌تواند تعاريف ديگر و معني خاص خودش را داشته باشد . البته تصور ظهور اين پديده نوسانات خورشيد براي ما كه بر روي سياره زمين مقيم هستيم بسيار هولناك است ، چرا كه سياره زمين در اين نوسانات خورشيد با بالاترين سطح زلزله به لرزه در خواهد آمد و در نهايت تكه تكه و خرد خواهد شد . اين امواج براي اجرام صلب همچون جامدات بسيار خرد كننده و شكننده است ولي گازها انعطاف نسبتا بيشتري در مقابل امواج گرانشي دارند ، البته با تشديد و تمركز موج گرانشي ، ميتواند تاثيرات بسيار مخربي نيز بر گازها داشته باشد.


ب - برسي موج گرانشي از ديدگاه نسبيت :
ايده امواج گرانشي در نسبيت الهام گرفته از توليد امواج الكترومغناطيسي توسط چرخش الكترونها در يك اتم است . در تعاليم نسبيت نيرويي به نام گرانش وجود ندارد و به جاي آن نظريه انحناي فضا - زمان ارايه شده است . به طور مثال خورشيد فضا - زمان پيرامون خود را انحنا داده و سيارات در اين مسيرهاي منحني به دور خورشيد مي‌چرخند . چرخش سيارات به دور خورشيد اين انحناي فضا - زمان را مواج مي‌كند همانند سنگي كه در آب سقوط كند و سطح آن را موج دار كند و اين موجها امواج گرانشي ناميده ميشوند كه طبق اين نظريه با سرعت نور منتشر ميشوند . اما اين نظريه را ميتوان چنين اصلاح كرد كه اگر چنين باشد در اين صورت سيارات به مرور زمان انرژي خود را به صورت امواج گرانشي تابش كرده و در نهايت ميبايست به طرف خورشيد سقوط كنند ، ولي لازمه توليد و انتشار امواج گرانشي توسط سيارات اين است كه همانند الكترونها در ترازهاي برانگيخته نوسان داشته باشند . يعني فاصله آنها ميبايست با خورشيد يا سرعت آنها روي مدار چرخش تغيير و نوسان داشته باشد تا امواج گرانشي توليد و منتشر شوند .


پ - برسي موج گرانشي از ديدگاه مكانيك كوانتومي :
ابتدا بايد بدانيم كه ميدان هيگز چيست ؟
ميدان هيگز نوع جديدي از ميدان فرض ميشود كه طبق تعريف ، تمام عالم را فرا گرفته است و چنين تصور ميشود كه جرم تمامي ذرات بنيادي و ... در برهمكنش آنها با اين ميدان حاصل ميشود . يعني ميدان هيگز انرژي جنبشي حاصل از نوسانات يا حركات سريع ذرات را تبديل به جرم آنها مي‌كند . به بيان ساده ، ميدان هيگز يك مبدل انرژي به جرم است كه منشاء انديشه و تئوري آن نظريه‌ نسبيت است . همانطور كه فوتون ، ذره‌ يا بوزون الكترومغناطيس فرض ميشود ، ذره‌اي به نام بوزون هيگز نيز ذره‌ ميدان هيگز در نظر گرفته ميشود كه البته تا به امروز بوزون هيگز در هيچ آشكار سازي مشاهده نشده و صرفا تئوري است . به طور مثال براي اينكه به جرمي معادل يك كيلوگرم در حالت سكون ، شتابي برابر يك متر بر مجذور ثانيه بدهيم نياز به يك نيوتن نيرو داريم و اين ميدان هيگز است كه در مقابل شتاب جرم مقاومت مي‌كند و اين نيرو صرف خنثي كردن مقاومت ميدان هيگز در مقابل شتاب ميشود و در نهايت اين نيرو يا انرژي به جرم شي افزوده ميشود .
طبق يك نظريه‌ ديگر چون ماهيت نور را ذره‌اي و از جنس فوتون ميدانند ، پس ميدان گرانش نيز متشكل از ذراتي به نام گراويتون خواهد بود . سرعت انتشار گراويتون را با در نظر گرفتن مفاهيم نسبيت ، معادل سرعت نور تصور مي‌كنند ، هرچند كه سرعت برقراري و انفصال ميادين گرانشي در عالم تقريبا آني و بلادرنگ حدس زده ميشود كه نظريه‌ نسبيت آن را رد كرده است و اين تئوري با نظريه‌ نسبيت كه گرانش را انحناي فضا - زمان مي‌داند ، سازگاري ندارد . انيشتين خود مثال جالبي زده است ، وي گفته است : " نور فاصله خورشيد تا زمين را تقريبا در هشت دقيقه طي مي‌كند . فرض كنيم خورشيد در يك لحظه معدوم گردد . اثر گرانشي آن ، همان لحظه از روي زمين برداشته مي‌شود و زمين از مسير خود منحرف مي‌شود ، در حالي كه نور تا هشت دقيقه ديگر ، همچنان به زمين مي‌رسد " آنچه كه روي مي‌دهد اين است كه خورشيد ديده ميشود ، در حالي كه وجود خارجي ندارد و اثر گرانشي آن نيز از بين رفته است . و اين مثال خود دليل قانع كننده‌اي است كه چون سرعت انفصال ميدان گرانشي آني است پس سرعت تشكيل و انتشار آن نيز آني خواهد بود ، يعني موضوعي كه با اصول اوليه نسبيت در تناقض است ولي واقعيت فيزيكي دارد . بوزون گراويتون نيز تا به امروز در هيچ آشكار سازي مشاهده نشده است و صرفا فرضيه است . به طور خلاصه نظر نسبيت در مورد گرانش انحناي فضا - زمان است ولي مكانيك كوانتومي خاصيت ذره‌اي براي گرانش قائل شده است كه اين دو نظريه با هم سازگاري ندارند .
در يك سيستم سياه‌چاله‌اي اكثرا دو پارامتر جرم و گرانش در حال افزايش است ، براي اينكه گرانش تابعي از جرم است ولي هاوكينگ نظر ديگري دارد ، "سياه‌چاله‌ها به مرور زمان تبخير ميشوند ( جرم از دست ميدهند ) " كه البته ممكن است شرايط براي سياه‌چاله‌ها متفاوت باشد و آنها رفتارهاي مختلف و غير قابل پيش بيني داشته باشند ولي در كل ، جرم اكثر سياه‌چاله‌ها رو به افزايش است مخصوصا در هسته‌ يا پيرامون هسته كهكشانها ، و از طرفي طبق نظريه‌ مكانيك كوانتومي ، امواج الكترومغناطيس حاصل نوسانات الكترون‌ها در لايه‌ها و زير لايه هاي ( ترازهاي انرژي ) اتم‌هاست و چون هسته‌ عناصر نيز داراي نوسانات مشابهي هستند و رفتار آنها نيز كوانتومي محسوب ميشود ، پس هسته‌ها نيز مي‌توانند امواج الكترومغناطيس منجمله گاماي پر انرژي توليد نمايند . البته تواتر در داخل هسته اتم‌ها با دامنه نوساناتي كوتاه‌تر و با فركانسهاي بيشتري است ، هرچند كه ميدانيم با بالا رفتن فركانس موج الكترومغناطيس ، انرژي و قدرت نفوذ آن هم افزايش مي‌يابد .
اينك ميتوان دريافت كه با توجه به قطر بسيار كوچك نوترون‌ها و دامنه حركتي يا نوساني بسيار محدودي كه ميتوانند داشته باشند ، در زمان ادغام يا تركيب نوترون‌ها چه امواجي با فركانس بسيار بسيار زياد و طول موج بسيار بسيار كوتاهي توليد خواهد شد ، يعني پر انرژي‌ترين امواجي كه ميتوانيم در ذهن خود تجسم كنيم ، كه البته ماهيت آنها از جنس الكترومغناطيس است منتها به صورت طولي منتشر خواهند شد و نه مثل نور كه موج عرضي است كه اين امواج گرانشي را ميتوانيم حتي ذرات فرضي گراويتون با جرم و انرژي مشخص در نظر بگيريم . دليل اين مسئله اين است كه شروع يك چنين واكنش هسته‌اي قوي ميتواند كل پيكره‌ي يك سياه‌چاله را با فركانس بسيار بالا به لرزه درآورد و در نتيجه تمامي اجرام سماوي پيرامون سياه‌چاله به لرزه در خواهند آمد ، اما شروع اين لرزشهاي شديد ميتواند در كل ميدان هيگز منتشره در سرتاسر عالم اثر داشته باشد و انرژي اين لرزه‌ها را به ساير ذرات بنيادي و اجرام سماوي كيهان منتقل كند ، اين اثر را ميتوانيم اثر متقابل جرم ذرات بر ميدان هيگز تعريف كنيم ، زيرا در اين نظريه جرم ذرات متناسب با شدت ميدان هيگز ضرب در شدت برهمكنش است ، يعني همانطور كه ميدان هيگز باعث بوجود آمدن جرم ذرات ميشود و در آنها تاثير دارد ، تغيير ناگهاني جرم ذرات نيز ميتواند بر ميدان هيگز اثر كند ، حتي تغيير تكانه‌هاي سريع و شديد ذرات در فضا نيز در ميدان هيگز موثر است . اين دقيقا به معني به هم خوردن تعادل اجرام سماوي در كل عالم به علت تغيير در جرم حالت سكون آنهاست ، در مراحل ابتدايي شروع اين واكنش در يك سياه‌چاله يك شوك خفيف به ميدان هيگز وارد ميشود كه اجرام سماوي در كل عالم احساس سبك و سنگين شدن خفيفي را خواهند داشت و در مراحل تشديد واكنش ، ستارگان به علت از دست دادن تعادل فيزيكي ، با سرعت به كام سياه‌چاله‌هاي ديگر فرو ميروند و با رسيدن سياه‌چاله‌ها به جرم بحراني خود ، واكنشهاي جديد نوتروني در تمامي نقاط هستي شروع ميشود ، و دليل آن اين است كه تمامي اجرام سماوي مخصوصا سياه‌چاله‌ها از طريق اين ميدان فرضي هيگز به همديگر مربوط ميشوند و همگي آنها جرم خود را مديون اين ميدان يكپارچه هستند كه ميتوان اين پديده را انقلاب دوم ستارگان نوتروني ناميد . نكته مهم اينكه انرژي حاصل از ادغام نوترون‌ها نمي‌تواند به صورت امواج الكترومغناطيس عرضي ( نور ) باشد ، چرا كه اين امواج قدرت خروج و فرار از ميدان جاذبه يك سياه‌چاله معمولي را نخواهند داشت و نيرو و فشار گرانشي بسيار قوي در داخل سياه‌چاله اجازه توليد امواج الكترومغناطيس عرضي را نخواهد داد و اگر مقداري از امواج الكترومغناطيس عرضي هم توليد شود ، در همان بطن سياه‌چاله باقي خواهد ماند و باعث وارد كردن شوك به كل جرم سياه‌چاله خواهد شد . اصولا سرعت انتشار امواج گرانشي ( الكترومغناطيسي طولي ) خيلي بيشتر از سرعت امواج الكترومغناطيسي عرضي است و دليل آن وجود ميدان قوي گرانشي پيرامون سياه چاله است كه اگر اينطور نبود گرانش سياه چاله هرگز نميتوانست خارج از جرم نوتروني پديدار شود ، يعني همانطور كه هيچ روشنايي محسوسي پيرامون سياه چاله‌ها قابل رويت نيست و به اين دليل نام آنها را سياه چاله گذارده‌اند . نكته بسيار مهم ديگر اينكه چنين به نظر ميرسد كه اگر سرعت انتشار امواج گرانشي در عالم آني نباشد ولي بسيار زياد خواهد بود و خبر روي داد انفجار اولين سياه‌چاله در عرض چندين هزار سال به تمام نقاط عالم سرايت مي كند ، البته بسته به اينكه اين انفجار در كجاي عالم روي دهد . در حقيقت انرژي و قدرت نفوذ آن به واسطه فركانس بسيار بسيار بالا افزايش چشم گيري خواهد داشت و دليل اين پديده‌ها از ديدگاه مكانيك كوانتوم اين است كه در فضاي دور از ماده و غبار كيهاني ، يعني آنجايي كه هيچ نشانه‌اي از ماده مشاهده نمي‌شود ، گرانش و به بياني ديگر كوانتومهاي حامل نيروي گرانش ، يعني گراويتونها حضوري انكار ناپذير دارند ، يعني در هر نقطه‌اي از فضا آثار گرانشي وجود دارد كه تعداد زيادي گراويتون وجود خواهد داشت ، امواج گرانشي را ميتوانيم موج گرانش حامل يا نوسان دهنده‌ ذرات فرضي گراويتون يا ساير ذرات بدانيم كه با سرعت سرسام آوري در فضا در حال گسترش است كه هر كجا با ماده و پاد ماده تصادمي داشته باشد آن را منهدم ميكند . تراكم سياه‌چاله‌ها در مراكز كهكشانها بيشتر از مكانهاي ديگر عالم حدس زده ميشود ، يعني در مكاني كه تراكم ستارگان نيز زياد است ، اين مسئله بدين معني است كه جرم بسيار زيادي در كنار سياه‌چاله‌ها فراهم و مهياي انفجار گرانشي شده است ، واكنش هسته‌اي از نوع چهارم از مراكز كهكشانها شروع ميشود و بسيار سريع گسترش مي‌يابد و كل جرم كهكشان را فرو ميريزد و به كهكشانهاي ديگر نيز سرايت مي‌كند . شواهد تجربي وجود دارد كه نشان ميدهد كه گرانش تحت شرايطي ميتواند انرژي الكترومغناطيس توليد كند هر چند كه اين پديده اين نظريه را تقويت ميكند كه نيروهاي گرانشي و الكترومغناطيسي مبدا واحدي دارند يا بهتر است بگوييم از نيروي واحدي نشات ميگيرند ، ولي اين احتمال وجود دارد كه در زمان شروع واكنش در يك سياه‌چاله ، در خارج از آن امواج الكترومغناطيس پر قدرتي همچون اشعه ايكس يا پرتوهاي گاما نيز توليد و گسترش يابد .
معادلات ميدان نسبيت عام نشان ميدهد كه چگالي تا بينهايت قابل افزايش است و به همين ترتيب حجم مي‌تواند تا صفر هم كاهش يابد ولي قبول اين مسئله بسيار دشوار است براي اينكه ماده بدون حجم موجوديت فيزيكي و حتي تعريف فيزيكي ندارد ، زيرا يكي از خصوصيات و تعاريف ماده اشغال فضاست ، جرم بدون اشغال فضا بي معني و تعريف نشده است . تحت هر شرايطي ماده ميبايست موجوديت خود را حفظ و اعلام كند و اين موجوديت در داشتن حجم و اشغال فضاست . در واقع هر جسمي قبل از آنكه حجمش به صفر برسد منفجر مي‌شود و علت آن را ميتوانيم چنين بيان كنيم كه ماده در گذشتن از مرز بقا به طرف فنا مجبور است جرم خود را به انرژي تبديل كند و تغيير حالت و فرم دهد و بعد از اينكه جرمش نابود و صفر شد حجمش به صفر برسد و فاني شود كه اين مسئله يكي از نقاط ضعف نظريه نسبيت است .
اصولا چون چگالي حاصل تقسيم جرم بر حجم است و با افزايش جرم كلي يك سياه‌چاله ، نيروي فشار گرانشي درون آن افزايش مي‌يابد و چگالي در مركز سياه‌چاله به طرف بينهايت و حجم به طرف صفر ميل ميكند ، انفجار در داخل سياه‌چاله‌ها اجتناب ناپذير بوده و هيچ راه ممكني براي جلوگيري از آن موجود نمي‌باشد و هستي در نهايت به پايان عمر خود خواهد رسيد .
بعضي از كيهان شناسان بر اين باور هستند كه در سياه چاله ها ، نوكلئونها ( نوترونها و پروتونها ) به علت فشار و تراكم خيلي زياد به كواركها تجزيه شده و در واقع ستارگان نوتروني به ستارگان كواركي تبديل ميشوند . با توجه به اينكه تركيبات بيش از سه كوارك بشدت ناپايدار است و تشكيل ذره اي به اين بزرگي ( شكل زير ) با اين همه كوارك ، بعيد و دور از انتظار به نظر ميرسد ، از طرفي تجزيه نوكلئونها به كواركها نيز انرژي فوق‌العاده زيادي مي‌خواهد كه بعيد به نظر ميرسد انفجار ابر نو اختري بتواند آن انرژي را تامين كند . به هر حال امكان تركيب و يا ادغام كواركها نيز دور از ذهن نيست و بعيد هم به نظر نمي رسد كه اينبار اين واكنش ( تركيب و يا ادغام ) كوارك با كوارك ميتواند انرژي توليد امواج گرانشي و انهدام كيهان را برآورده كند . بهترين گزينه تركيب و ادغام يك كوارك بالا با يك كوارك پايين است چون همانطور كه مي‌دانيم يك پروتون از دو كوارك بالا و يك كوارك پايين تشكيل يافته و يك نوترون از دو كوارك پايين و يك كوارك بالا تشكيل شده است و چنين به نظر ميرسد كه در هنگام انفجار ابر نو اختران و تشكيل ستارگان نوتروني و روند افزايش جرم آنها و تشكيل سياه چاله و ........... اين ذرات به وفور در آنها موجود و به كواركهاي بالا و پايين به تعداد مساوي تجزيه شوند .