08-18-2009, 07:06 PM
کیهان باز
جوابی در معادلات اینشتین در نسبیت عام که در آن چگالی جرم کیهان از چگالی بحرانی کمتر است.این چگالی بحرانی در ارتباط با ثابت هابل است واندازه آن احتمالا" 9.2 ضربدر ده بتوان منفی 27 در واحد کیلوگرم بر متر مکعب می باشد.اگر چگالی کیهان از چگالی بحرانی بیشتر باشد کیهان بسته خواهد بود.این معادلات نشان می دهد که کیهان تا ابد به انبساط خود ادامه خواهد داد.
در کیهان باز ،فضا-زمان دارای انحناءمنفی است.برروی یک کره ودر فضای- زمان با انحنای منفی ، قوانین هندسه مسطحه دیگر کاربرد ندارند.برای مثال جمع زوایای درونی یک مثلث از 180 درجه کمتر است ومساحت یک دایره فرضی از مجذور شعاع ضرب در عدد پی بیشتر است.کیهان به شکل یک هذلولی گون بوده و دارای سطح نامتناهی(Infinite)است.به طریق مشابه ، فضا –زمان با انحنای منفی نیز دارای حجم نامتناهی است.بر خلاف کیهان باز،یک کیهان بسته حجم متناهی دارد اما کرانه دار نیست ومرکز هم ندارد.
قانون هابل ایجاب می کند که کیهان به طور یکنواخت در انبساط باشد.در تمثیل رایج برای انبساط کیهان ، آنرا با یک گرده نان کشمشی مقایسه می کنند.با انبساط خمیر،شکل گرده ثابت می ماند در حالیکه فاصله بین کشمش ها افزایش می یابد.مثلا"دو کشمشی که قبلا" 2 سانتیمتر از هم فاصله داشتند پس از انبساط خمیر در 4 سانتیمتری هم می نشینند.دو کشمشی که در ابتدا 3 سانتیمتر فاصله داشتند حالا بعد از انبساط خمیر در 6 سانتیمتری هم می افتند.هر کشمشی ، کشمش دیگر را با سرعتی متناسب با فاصله اش،از خود واگرا می بیند.برای نقل این شباهت کافی است خمیر نان کشمشی را کیهان وکششمشها را کهکشان بینگارید(یک قسمت از این تشبیه دارای اشکال است و آن این است که کیهان فاقد جداره یا لبه است.برای تکمیل تشبیه باید کیهان را نان کشمشی ای بینگارید که بیکران است).توجه داشته باشید که کهکشانها نیستند که در فضا-زمان به گونه انفجار نارنجک منبسط می شوند.این خود فضا- زمان است که انبساط می یابد وکهکشانها را با خود می برد.
باید در نظر داشت گرچه اینجا بر روی زمین کهکشانهای دور دست را می بینیم که همگی دارند از ما دور می شوند ،اما این موضوع ایجاب نمی کند که زمین کانون انبساط باشد.نظر به اینکه گیتی به طور پیوسته در حال انبساط است ناظران هر کهکشان،کهکشانهای دیگر را از خود گریزنده می بینند.انبساط کیهان مرکز ندارد.
اگر انبساط کیهان را قبول داشته باشیم منطقی است که تصور کنیم زمانی کهکشانها به هم نزدیکتر وحتی در یک نقطه پیچیده بوده اند.این زمان در گذشته که کیهان از یک حالت چگالی بیشینه انبساط خود را آغاز نمود همان است که ما اکنون آنرا عمر کیهان می دانیم.اگر نیرویی دست اندر کار کاهش سرعت انبساط کیهان نبوده باشدیعنی سرعت انبساط ثابت باشد،آنگاه سرعت نسبی هر زوج کهکشانی ثابت می ماند وسن کیهان برابر با1/H می شود که در آن H ثابت هابل و تقریبا"برابر با 07/0 مگاپارسک بر میلیارد سال است .بر این حساب عمر کیهان 14 میلیارد سال خواهد بود.گفتنی است این مقدار با درنظر گرفتن عدم قطعیت در مقدار ثابت هابل بین 10 تا 20 میلیارد سال می باشد.نکته مهم: از آنجاییکه کیهان حاوی ماده است پس گرانش از سرعت انبساط می کاهد.با توجه به اینکه انبساط در گذشته سریع تر از اکنون بوده است دستیابی به حالت فعلی انبساط از آنچه مافرض کرده ایم کمتر زمان برده است.چون گرانش از سرعت انبساط کاسته است،سن کیهان کمتر از 1/H یا 14 میلیارد سال می باشد.
پرسش مهم:آیا کیهان تا ابد به انبساط خود ادامه خواهد داد؟پاسخ این سوال فقط به چگالی متوسط کیهان بستگی دارد.اگر چگالی از چگالی بحرانی کمتر باشد ،آن وقت سرعت انبساط هرگز به صفر نخواهد گرایید.در این معادلات زمان تا بینهایت در آینده امتداد خواهد داشت.
از آنجاییکه بدلیل وجود ماده تاریک، مقدار واقعی جرم کیهان را نمی دانیم مشخص کردن اینکه کیهان بسته است یا باز کار آسانی نیست.
آینده گیتی بر اساس کیهان باز
ستارگان در آینده نزدیک،همچون اکنون به شکل گیری ادامه میدهند.اما با شکل گیری هرنسل از ستارگان،ماده ی هرچه بیشتری از موجودی گیتی در بند پسمانده های ستاره ای مانند کوتوله سفید،ستاره نوترونی وسیاهچاله ها اسیر می شود.سرانجام تمامی گاز گیتی مصرف می شود ودیگر ستاره ای شکل نخواهد گرفت.
یک هزار میلیارد سال پس از انفجار بزرگ:
ستارگان می میرند.از آنجاکه کم جرمترین ستارگان از آخرین نسل پیدایش ستارگان عاقبت کوتوله ی سفید دارند،دیگر ستاره ی تواندار از همجوشی وجود ندارد.کهکشانها از کوتوله های سفید،ستارگان نوترونی وسیاهچاله ها مملو خواهند گشت وستارگان درخشان پرفروغ وجود نخواهد داشت.در نظر داشته باشید که کیهان بسته تنها یکصد میلیارد سال عمر می کند.
یک میلیون هزار میلیارد سال پس از انفجار بزرگ:
کهکشانها منحل می شوند.برخورد های بین ته مانده های ستاره ای درون کهکشانها 99 درصد کهکشان را به فضای میان کهکشانی می راند.یک درصد باقیمانده توسط سیاهچاله مرکزی کهکشانها بلعیده می شود.کهکشانها دیگر وجود ندارند زیرا پس مانده های ستاره ای به فضاپاشیده شده اند.مدت زیادی پس از آنکه کهکشانها پراکنده شدند،کیهان پایدار خواهد ماند.کوتوله های سفید،ستاره های نوترونی،سیاهچاله های ستاره ای ،سیاهچاله های ابر سنگین ،نوترینوها وفوتونها در کیهانی همیشه بسط یابنده پخش خواهند شد.
یک میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد سال پس از انفجار بزرگ:
پروتونها ونوترونها وا می پاشند.گرچه پروتونها را به عنوان ذرات پایدار می شناسیم(مگر آنکه با پادنوترون تصادف کنند) اما در مقیاسهای فوق العاده طولانی زمان در معرض تباهی قرار دارند.نیمه عمر پروتون بدلیل طولانی بودن قطعی نیست اما در حدود همان یک میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد سال است.پس از این زمان ،پروتونها ونوترونها به پوزیترون،الکترون وفوتونها وامی پاشند.در نتیجه کوتوله های سفید وستاره های نوترونی به ابرهای منبسط شونده الکترونها،پوزیترونها وفوتونها تجزیه می شوند.پس از تباهی پروتونها ونوترونها،کیهان تا مدتها خواهد آرمید.الکترونها،پوزیترونها،سیاهچاله های ستاره ای،سیاهچاله های ابرسنگین،نوترینوها وفوتونها در کیهانی همیشه بسط یابنده پخش خواهند شد.
یک صد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد سال پس از انفجار بزرگ:
همانطور که استیون هاوکینگ در کتاب تاریخچه زمان نوشته سیاهچاله ها آنقدر هم سیاه نیستند.طبق قوانین مکانیک کوانتم سیاهچاله ها می توانند ذرات وپاد ذرات را گسیل کنند.
اصل عدم قطعیت (Uncertainty principle) یکی از قواعد بنیادی مکانیک کوانتم است که بیان می کند که نمی شود هم از موقعیت وهم از سرعت یک ذره ی زیر اتمی اطلاع دقیق داشت.به بیان دیگر در گیتی عدم قطعیتی بنیادین حکم فرماست. داشتن دانش کامل از کیهان در مقیاس زیر اتمی محال است.یکی از ویژگیهای کیهان که غیر قطعی است چگالی انرژی فضااست.آنچه ما فضای تهی می پنداریم در واقع آکنده از اغتشاشات بسیار سریع وبسیار خرد انرژی است که در مقیاس ابعاد اتمی می جوشد وتلاطم می کند.اگر انرژی به بالا طغیان کند تشکیل خود به خودی یک زوج ذره-پادذره در محل طغیان میسر می گردد.ذره وپاد ذره تحت شرایط عادی کوتاه زمانی پس از تشکیل،یکدیگر را از بین می برند.اما در نظر بگیرید که چه خواهد شد اگر یک زوج ذره-پادذره از فضای تهی ،در فاصله بسیار نزدیکی از یک سیاهچاله به طور خودبخودی پدید آید.در این حالت امکان دارد که یکی از اعضای زوج ذره –پادذره به درون افق رویداد درغلتد.در حالیکه زوجش از جهت مقابل بگریزد وانرژی را همراه خود ببرد.از آنجاییکه این ذرات وپاد ذرات از سیاهچاله انرژی می دزدند،انرژی سیاهچاله رو به کاهش می گذارد.چون انرژی هم ارز جرم است،جرم سیاهچاله کم می شود.زمان لازم برای آنکه جرم سیاهچاله ای به صفر برسد بسیار طولانی است.این زمان برای سیاهچاله ای که جرم آغازینش برابر جرم خورشید است در حدود همان یک صد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد سال است.
عد ازگذشت ده بتوان صد سال پس از انفجار بزرگ:
سیاهچاله های ابر سنگین تبخیر می شوند.یرانجام پس از گذشت این مدت زمان بهت آور،سیاهچاله های ابرسنگین تبخیر می شوند.حالا گیتی حاوی الکترونها،پوزیترونها،فوتونها ونوترینوهاست (که تا آنجا که ما می دانیم هیچیک در معرض تباهی نیستند)چگالی گیتی آنقدر ناچیز است که الکترونها وپوزیترونها هرگز امکان برخورد با هم رانخواهند داشت.گیتی به کاهش پیوسته چگالی وکاهش دما ادامه می دهد.در آن زمان گیتی بسیار آرام وکسالت بار خواهد بود.
منبع :کتاب شناخت گیتی باربارا رایدن ترجمه افشین آزاد منش
جوابی در معادلات اینشتین در نسبیت عام که در آن چگالی جرم کیهان از چگالی بحرانی کمتر است.این چگالی بحرانی در ارتباط با ثابت هابل است واندازه آن احتمالا" 9.2 ضربدر ده بتوان منفی 27 در واحد کیلوگرم بر متر مکعب می باشد.اگر چگالی کیهان از چگالی بحرانی بیشتر باشد کیهان بسته خواهد بود.این معادلات نشان می دهد که کیهان تا ابد به انبساط خود ادامه خواهد داد.
در کیهان باز ،فضا-زمان دارای انحناءمنفی است.برروی یک کره ودر فضای- زمان با انحنای منفی ، قوانین هندسه مسطحه دیگر کاربرد ندارند.برای مثال جمع زوایای درونی یک مثلث از 180 درجه کمتر است ومساحت یک دایره فرضی از مجذور شعاع ضرب در عدد پی بیشتر است.کیهان به شکل یک هذلولی گون بوده و دارای سطح نامتناهی(Infinite)است.به طریق مشابه ، فضا –زمان با انحنای منفی نیز دارای حجم نامتناهی است.بر خلاف کیهان باز،یک کیهان بسته حجم متناهی دارد اما کرانه دار نیست ومرکز هم ندارد.
قانون هابل ایجاب می کند که کیهان به طور یکنواخت در انبساط باشد.در تمثیل رایج برای انبساط کیهان ، آنرا با یک گرده نان کشمشی مقایسه می کنند.با انبساط خمیر،شکل گرده ثابت می ماند در حالیکه فاصله بین کشمش ها افزایش می یابد.مثلا"دو کشمشی که قبلا" 2 سانتیمتر از هم فاصله داشتند پس از انبساط خمیر در 4 سانتیمتری هم می نشینند.دو کشمشی که در ابتدا 3 سانتیمتر فاصله داشتند حالا بعد از انبساط خمیر در 6 سانتیمتری هم می افتند.هر کشمشی ، کشمش دیگر را با سرعتی متناسب با فاصله اش،از خود واگرا می بیند.برای نقل این شباهت کافی است خمیر نان کشمشی را کیهان وکششمشها را کهکشان بینگارید(یک قسمت از این تشبیه دارای اشکال است و آن این است که کیهان فاقد جداره یا لبه است.برای تکمیل تشبیه باید کیهان را نان کشمشی ای بینگارید که بیکران است).توجه داشته باشید که کهکشانها نیستند که در فضا-زمان به گونه انفجار نارنجک منبسط می شوند.این خود فضا- زمان است که انبساط می یابد وکهکشانها را با خود می برد.
باید در نظر داشت گرچه اینجا بر روی زمین کهکشانهای دور دست را می بینیم که همگی دارند از ما دور می شوند ،اما این موضوع ایجاب نمی کند که زمین کانون انبساط باشد.نظر به اینکه گیتی به طور پیوسته در حال انبساط است ناظران هر کهکشان،کهکشانهای دیگر را از خود گریزنده می بینند.انبساط کیهان مرکز ندارد.
اگر انبساط کیهان را قبول داشته باشیم منطقی است که تصور کنیم زمانی کهکشانها به هم نزدیکتر وحتی در یک نقطه پیچیده بوده اند.این زمان در گذشته که کیهان از یک حالت چگالی بیشینه انبساط خود را آغاز نمود همان است که ما اکنون آنرا عمر کیهان می دانیم.اگر نیرویی دست اندر کار کاهش سرعت انبساط کیهان نبوده باشدیعنی سرعت انبساط ثابت باشد،آنگاه سرعت نسبی هر زوج کهکشانی ثابت می ماند وسن کیهان برابر با1/H می شود که در آن H ثابت هابل و تقریبا"برابر با 07/0 مگاپارسک بر میلیارد سال است .بر این حساب عمر کیهان 14 میلیارد سال خواهد بود.گفتنی است این مقدار با درنظر گرفتن عدم قطعیت در مقدار ثابت هابل بین 10 تا 20 میلیارد سال می باشد.نکته مهم: از آنجاییکه کیهان حاوی ماده است پس گرانش از سرعت انبساط می کاهد.با توجه به اینکه انبساط در گذشته سریع تر از اکنون بوده است دستیابی به حالت فعلی انبساط از آنچه مافرض کرده ایم کمتر زمان برده است.چون گرانش از سرعت انبساط کاسته است،سن کیهان کمتر از 1/H یا 14 میلیارد سال می باشد.
پرسش مهم:آیا کیهان تا ابد به انبساط خود ادامه خواهد داد؟پاسخ این سوال فقط به چگالی متوسط کیهان بستگی دارد.اگر چگالی از چگالی بحرانی کمتر باشد ،آن وقت سرعت انبساط هرگز به صفر نخواهد گرایید.در این معادلات زمان تا بینهایت در آینده امتداد خواهد داشت.
از آنجاییکه بدلیل وجود ماده تاریک، مقدار واقعی جرم کیهان را نمی دانیم مشخص کردن اینکه کیهان بسته است یا باز کار آسانی نیست.
آینده گیتی بر اساس کیهان باز
ستارگان در آینده نزدیک،همچون اکنون به شکل گیری ادامه میدهند.اما با شکل گیری هرنسل از ستارگان،ماده ی هرچه بیشتری از موجودی گیتی در بند پسمانده های ستاره ای مانند کوتوله سفید،ستاره نوترونی وسیاهچاله ها اسیر می شود.سرانجام تمامی گاز گیتی مصرف می شود ودیگر ستاره ای شکل نخواهد گرفت.
یک هزار میلیارد سال پس از انفجار بزرگ:
ستارگان می میرند.از آنجاکه کم جرمترین ستارگان از آخرین نسل پیدایش ستارگان عاقبت کوتوله ی سفید دارند،دیگر ستاره ی تواندار از همجوشی وجود ندارد.کهکشانها از کوتوله های سفید،ستارگان نوترونی وسیاهچاله ها مملو خواهند گشت وستارگان درخشان پرفروغ وجود نخواهد داشت.در نظر داشته باشید که کیهان بسته تنها یکصد میلیارد سال عمر می کند.
یک میلیون هزار میلیارد سال پس از انفجار بزرگ:
کهکشانها منحل می شوند.برخورد های بین ته مانده های ستاره ای درون کهکشانها 99 درصد کهکشان را به فضای میان کهکشانی می راند.یک درصد باقیمانده توسط سیاهچاله مرکزی کهکشانها بلعیده می شود.کهکشانها دیگر وجود ندارند زیرا پس مانده های ستاره ای به فضاپاشیده شده اند.مدت زیادی پس از آنکه کهکشانها پراکنده شدند،کیهان پایدار خواهد ماند.کوتوله های سفید،ستاره های نوترونی،سیاهچاله های ستاره ای ،سیاهچاله های ابر سنگین ،نوترینوها وفوتونها در کیهانی همیشه بسط یابنده پخش خواهند شد.
یک میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد سال پس از انفجار بزرگ:
پروتونها ونوترونها وا می پاشند.گرچه پروتونها را به عنوان ذرات پایدار می شناسیم(مگر آنکه با پادنوترون تصادف کنند) اما در مقیاسهای فوق العاده طولانی زمان در معرض تباهی قرار دارند.نیمه عمر پروتون بدلیل طولانی بودن قطعی نیست اما در حدود همان یک میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد سال است.پس از این زمان ،پروتونها ونوترونها به پوزیترون،الکترون وفوتونها وامی پاشند.در نتیجه کوتوله های سفید وستاره های نوترونی به ابرهای منبسط شونده الکترونها،پوزیترونها وفوتونها تجزیه می شوند.پس از تباهی پروتونها ونوترونها،کیهان تا مدتها خواهد آرمید.الکترونها،پوزیترونها،سیاهچاله های ستاره ای،سیاهچاله های ابرسنگین،نوترینوها وفوتونها در کیهانی همیشه بسط یابنده پخش خواهند شد.
یک صد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد سال پس از انفجار بزرگ:
همانطور که استیون هاوکینگ در کتاب تاریخچه زمان نوشته سیاهچاله ها آنقدر هم سیاه نیستند.طبق قوانین مکانیک کوانتم سیاهچاله ها می توانند ذرات وپاد ذرات را گسیل کنند.
اصل عدم قطعیت (Uncertainty principle) یکی از قواعد بنیادی مکانیک کوانتم است که بیان می کند که نمی شود هم از موقعیت وهم از سرعت یک ذره ی زیر اتمی اطلاع دقیق داشت.به بیان دیگر در گیتی عدم قطعیتی بنیادین حکم فرماست. داشتن دانش کامل از کیهان در مقیاس زیر اتمی محال است.یکی از ویژگیهای کیهان که غیر قطعی است چگالی انرژی فضااست.آنچه ما فضای تهی می پنداریم در واقع آکنده از اغتشاشات بسیار سریع وبسیار خرد انرژی است که در مقیاس ابعاد اتمی می جوشد وتلاطم می کند.اگر انرژی به بالا طغیان کند تشکیل خود به خودی یک زوج ذره-پادذره در محل طغیان میسر می گردد.ذره وپاد ذره تحت شرایط عادی کوتاه زمانی پس از تشکیل،یکدیگر را از بین می برند.اما در نظر بگیرید که چه خواهد شد اگر یک زوج ذره-پادذره از فضای تهی ،در فاصله بسیار نزدیکی از یک سیاهچاله به طور خودبخودی پدید آید.در این حالت امکان دارد که یکی از اعضای زوج ذره –پادذره به درون افق رویداد درغلتد.در حالیکه زوجش از جهت مقابل بگریزد وانرژی را همراه خود ببرد.از آنجاییکه این ذرات وپاد ذرات از سیاهچاله انرژی می دزدند،انرژی سیاهچاله رو به کاهش می گذارد.چون انرژی هم ارز جرم است،جرم سیاهچاله کم می شود.زمان لازم برای آنکه جرم سیاهچاله ای به صفر برسد بسیار طولانی است.این زمان برای سیاهچاله ای که جرم آغازینش برابر جرم خورشید است در حدود همان یک صد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد سال است.
عد ازگذشت ده بتوان صد سال پس از انفجار بزرگ:
سیاهچاله های ابر سنگین تبخیر می شوند.یرانجام پس از گذشت این مدت زمان بهت آور،سیاهچاله های ابرسنگین تبخیر می شوند.حالا گیتی حاوی الکترونها،پوزیترونها،فوتونها ونوترینوهاست (که تا آنجا که ما می دانیم هیچیک در معرض تباهی نیستند)چگالی گیتی آنقدر ناچیز است که الکترونها وپوزیترونها هرگز امکان برخورد با هم رانخواهند داشت.گیتی به کاهش پیوسته چگالی وکاهش دما ادامه می دهد.در آن زمان گیتی بسیار آرام وکسالت بار خواهد بود.
منبع :کتاب شناخت گیتی باربارا رایدن ترجمه افشین آزاد منش
هرکجا هستم باشم ، آسمان مال من است!