تبليغاتX
N.P.Y.R
New Physics Young Researchers
 ويژگي های بيوگاز ‏

ويژگي و چگونگي توليد بيوگاز ‏

بيوگاز به نام گاز مرداب نيز شهرت يافته با تركيبي از متان ‏(CH4)‏ و دي اكسيدكربن ‏(CO2)‏ و بوي ‏قابل تشخيص مانند تخم مرغ گنديده . سبك تر از هوا مي باشد و طبق مطالعات انجام گرفته در هندوستان آناليز ‏بيوگاز در جدول زير ذكر گرديده كه ميزان درصد گاز متان آن بستگي به دماي هاضم داشته و هر چه دماي هاضم ‏پايين تر باشد درصد متان آن بيشتر و ارزش حرارتي بالاتري دارد ولي ميزان گاز توليد شده كمتر است . بيوگاز ها ‏به دو دسته زير تقسيم مي شوند.‏
‏1.‏ بيوگازهاي با بار آلي ورودي زياد
‏2.‏ بيوگازهايي با بار آلي ورودي کم
دستگاهاي فوق داراي تفاوتهايي در ميزان گاز توليدي، زمان ماند و نحوه راهبري مي باشند.‏

جدول تركيبات بيوگاز

نام گاز

فرمول

درصد تركيب

متان

CH4

55 تا 65%

گازكربنيك

CO2

35 تا 45%

نيتروژن (ازت)

N2

0 تا 3%

هيدروژن

H2

0 تا 1%

اكسيژن

O2

0 تا 1%

هيدروژن سولفوره

H2S

0 تا 1%

دماي احتراق بيوگاز حدود 700 درجه سانتيگراد (دماي احتراق گازوئيل 350 درجه سانتيگراد و نفت و پروپان ‏‏500 درجه سانتيگراد ) و دماي شعله حاصل از آن 870 درجه سانتيگراد است . بيوگاز مانند ساير سوخت هاي ‏گاز قابل احتراق بوده و با نسبت 1- 20 با هوا مخلوط شده و سرعت اشتغال آن بالا مي باشد . ارزش حرارتي آن ‏در حدود 6 كيلووات ساعت بر مترمكعب است (يعني برابر ارزش حرارتي نيم ليتر سوخت گازوئيل) كه در جداول ‏بعدي خواص بيوگاز نسبت به گازهاي سوختي و ساير سوختها مقايسه شده است . فشار لازم و مطلوب براي ‏پخت و پز با بيوگاز بين 5 تا 20 سانتيمتر ستون آب مي باشد . ارزش حرارتي متان خالص در حدود 9000 کيلو ‏کالري بر متر مکعب مي باشد.‏

|+| نوشته شده توسط آریا فرمانی-شیمی فیزیک در سه شنبه بیست و چهارم اردیبهشت 1387  |
 

واکنشهاي شيميايي و بيولوژيکي بيوگاز

مرحله اول:‏
در طي اين مرحله مواد آلي پيچيده با وزن ملکولي زياد مانند پروتئين، سلولز و کربوهيدراتها به ملکولهاي ساده ‏تري همچون اسيدهاي آمينه، منوساکاريد و اسيدهاي چرب تبديل
مي شوند.‏
مرحله دوم:‏
در طي اين مرحله ترکيبات مونومري با وزن ملکولي کم به ترکيبات واسطه مانند پروپيانات، بوتيرات، فورمات ‏و متانول تبديل مي شوند.‏
مرحله سوم:‏
باکتريهاي استوژنيک تمام ترکيبات فوق را به اسيد استيک، هيدروژن و دي اکسيد کربن تبديل مي کنند.‏
مرحله چهارم:‏
تمام ترکيبات مرحله قبل به متان تبديل مي شوند.‏

کليه مراحل فوق توسط باکتريهاي بي هوازي اختياري به انجام مي رسد به غير از مرحله چهارم که توسط ‏باکتريهاي بي هوازي مطلق انجام مي گيرد.‏
نسبت کربن به ازت در مواد ورودي به راکتور مهم مي باشد که اين نسبت بايستي در حدود 30 – 40 به يک ‏در نظر گرفته شود.‏
به خاطر حساسيت بالاي باکتري هاي متان ساز به ‏
PH‏ بايستي ‏PH‏ را در حدود 5/7 الي 7/7 نگهداشت ‏که براي اين عمل مي توان ميزان قليائيت را در حدود 1500 تا 7500 ميلي گرم در ليتر کربنات کلسيم حفظ ‏کرد تا ظرفيت تامپوني خوبي در راکتور ايجاد گردد. در صورتي که ‏PH
‏ به کمتر از 5/5 برسد باکتريهاي متان ‏ساز غير فعال مي گردند.‏
ميزان گاز توليدي در حدود 5/0 الي 75/0 متر مکعب به ازاي هر کيلوگرم جامدات فعال هضم شده مي باشد. ‏بطور معمول ميزان بار گزاري راکتور بيوگاز در حدود 6/0 الي 6 کيلوگرم به ازاي هر متر مکعب از فضاي ‏راکتور مي باشد.‏

|+| نوشته شده توسط آریا فرمانی-شیمی فیزیک در دوشنبه بیست و سوم اردیبهشت 1387  |
 مختصري بر نظريه تار يا ابر ريسمان
گرانش كوانتومي(مختصري بر نظريه تار يا ابر ريسمان)
گرانش كوانتومي(مختصري بر نظريه تار يا ابر ريسمان)
در ابتدای قرن بیستم دو نظریه ی مهم در فیزیک پایه گذاری شد، مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت. بر خلاف موفقیت های فراوانی که هر کدام از این نظریه ها به طور جداگانه بدست آوردند، با یکدیگر ناسازگار به نظر می رسیدند. این تناقض در قلب فیزیک نظری همچنان یکی از جنجالی ترین مطالب علم است.
 

در ابتداي قرن بيستم دو نظريه ي مهم در فيزيك پايه گذاري شد، مكانيك كوانتومي و نظريه نسبيت. بر خلاف موفقيت هاي فراواني كه هر كدام از اين نظريه ها به طور جداگانه بدست آوردند، با يكديگر ناسازگار به نظر مي رسيدند. اين تناقض در قلب فيزيك نظري همچنان يكي از جنجالي ترين مطالب علم است.

نظريه نسبيت عام در محاسبه ي دقيق گرانش موفق عمل مي كند. اگر در ميدان گرانش، مكانيك كوانتومي را به كار بگيريم، به گرانش كوانتومي دست مي يابيم. در نگاه اول ساختن نظريه گرانش كوانتومي مشكل تر از نظريه ي الكترو ديناميك كوانتومي به نظر نمي رسيد. الكترو ديناميك كوانتومي نيم قرن پيش ابداع شد. اساس QED يا همان الكترو ديناميك كوانتومي توصيف نيروهاي الكترو مغناطيسي بر حسب تبادل ذراتي است كه آنها را فوتون مي ناميم. به عبارت ديگر فوتون كوانتاي ميدان الكترومغناطيس است. اين فوتون ها گسيل شده و بلافاصله جذب مي شوند. در نتيجه گسيل و جذب فوتون ها انرژي و تكانه ذرات ثابت نمي ماند. بنابر اين دافعه ي الكتروستاتيك بين دو الكترون را مي توان در نتيجه ي گسيل فوتون از يك الكترون و جذب آن توسط الكترون ديگر دانست.

به طور مشابه مي توان جاذبه ي گرانشي بين دو جسم را در نتيجه ي تبادل گراويتون ، يعني كوانتاي ميدان گرانشي ، دانست. اين واقيعت كه تا كنون گراويتون توسط هيچ وسيله اي آشكار نشده است، چندان تعجب آور نيست، چون نيروي گرانشي بسيار ضعيف تر از نيروهاي مغناطيسي و الكتريكي است. ثابت مي شود كه تبادل گراويتون بين جرم هاي نقطه اي باعث ايجاد ميدان گرانشي با قانون معروف عكس مجذور فاصله مي شود.

 

اما هنگامي كه فرآيند هاي پيچيده تر ، كه در آنها تعداد زيادي گراويتون وجود دارند، در نظر گرفته مي شود مشكلي به وجود مي آيد. يك فرق مهم بين ميدان گرانشي و الكترومغناطيسي وجود دارد. ميدان گرانشي غير خطي است. اين غير خطي بودن از آنجا ناشي مي شود كه ميدان گرانشي شامل انرژي است و اين انرژي داراي معادل جرم است كه ميان ان جرم ها مجددا نيروي گرانشي وجود دارد. به زبان كوانتومي اين مطلب بر اين نكته دلالت دارد كه گراويتون ها با گراويتون هاي ديگر اندركنش مي كنند، در حالي كه فوتون ها با بارهاي الكتريكي و جريان ها اندركنش دارند و با هيچ فوتون ديگري اندركنش ندارند. چون بين گراويتون ها اندركنش وجود دارد مي توان گفت كه ذرات مادي با شبكه ي پيچيده اي از گراويتون ها احاطه شده است كه حلقه هاي بسته اي را تشكيل مي دهند، مانند يك درخت پر از شاخ و برگ.

در نظريه ميدان كوانتومي حلقه هاي بسته نشانه ي درد سر مي باشند و موجب توليد جواب هاي بي نهايت در محاسبه ي فرآيند هاي فيزيكي مي شوند.در QED  اين مسئله هنگامي به وجود مي آيد كه يك الكترون فوتوني را گسيل و مجددا جذب كند. بي نهايت هاي بدست آمده را با يك روش رياضي با نام «باز بهنجارش» بر طرف مي كنند. اگر اين روش به درستي به كار گرفته شود، جواب هاي قابل قبولي به دست مي آيد.چون در QED  جواب هاي بي نهايت را مي توان با اين روش مشخص برداشت به ان يك نظريه ي «باز بهنجار پذير» مي گويند. روش ياد شده مجمو عه اي از اعمال رياضي است كه براي برداشتن بي نهايت ها كافي است.

متاسفانه هنگامي كه مكانيك كوانتومي را در نسبيت عام به كار مي گيريم چنين روشي وجود ندارد. بنابر اين در اين حالت نظريه بازبهنجار نا پذير است. هر فرآيند شامل حلقه هاي بسته ي بيشتر و بيشتري از گراويتون ها خواهد بود كه موجب جملات بي نهايت بيشتري مي شوند . وجود اين جملات بي نهايت باعث مي شود نظريه گرانش كوانتومي براي بررسي اكثر پديده هاي طبيعي بي استفاده شود و اين فكر را بوجود آورد كه چيزي اساسا در نظريه ي نسبيت عام يا مكانيك كوانتومي و يا هردو غلط است.

در چند دهه ي گذشته تلاش هاي زيادي براي گريز از بازبهنجارناپذيري در گرانش كوانتومي شده است.  برجسته ترين آنها نظريه « تار» يا « ابر ريسمان» است. اين نظريه بر اين فرض بنا شده است كه كوچكترين چيزي كه دنياي فيزيكي از آن ساخته شده است ذرات نيستند، بلكه تارهايي مي باشند كه 20^10 بار كوچكتر از هسته ي اتم هستند.مدهاي ارتعاشي مختلف اين تارها را مي توان به ذرات گوناگوني مانند الكترون ها ، كوارك ها، نوتريون ها، فوتون ها، گراويتون ها و ديگر ذرات نسبت داد. بين تار ها مانند ذرات اندركنش وجود دارد، اما وقتي فرآيندهايي كه شامل حلقه هاي بسته باشند مورد امتحان قرا گيرند، جواب هايي كه بدست مي آيند ديگر بي نهايت نيست.

مقياس انرژي ها در نظريه تار از مرتبه ي (بخوانيد گيگا الكترون ولت) 19^10Gev است. اين انرژي 17^10 بار بيشتر از انرژي است كه در حال حاظر بزرگترين شتاب دهنده هاي ذرات مي توانند توليد كنند.بنابر اين به نظر مي رسد كه مشاهده ي ساختار ريسماني ماده غير ممكن باشد. فيزيك دانان نظري اميد دارند كه در حد انرژي هاي كمتر و قابل دسترس بتوانند نظريه هاي فيزيكي آشنا تر مانند نسبيت عام، الكترومغناطيس،نيروهاي ضعيف و قوي هسته اي و ذرات بنيادي آشنا را به عنوان تقريبي از نظريه تار بيرون بكشند. بنابر اين نظريه ابر ريسمان يك توصيف پذيرفته شده از گرانش كوانتومي نيست، بلكه تلاشي براي وحدت نيرو ها و ذرات بنيادي است كه آلبرت انبشتين آرزوي تحقق آن را داشت.

متاسفانه تا كنون نظريه تار واحدي وجود ندارد و همچنين حد پايين انرژي واحدي نيز برآورده نشده است.

براي مدت ها اين مسئله مانند يك مانع بزرگ مي نمود اما در سال هاي اخير يك راهكار رياضي مجرد با نام « نظريه ي M» ساخته شده است و معلوم شده است كه اين نظريه، نظريات ابر ريسمان كوناگون را در بر مي گيرد.

هنوز زود است كه گفته شود نظريه ي M  در نهايت بين گرانش و كوانتوم آشتي ايجاد كند ، ولي اگر اين نظريه مطابق انتظارات باشد مي بايست واقعيت هاي بنيادي دنياي فيزيك را توضيح دهد. به عنوان مثال فضا- زمان چهار بعدي مي باسيت از نظريه بيرون آيد ، بدون آنكه خودمان آن را به نظريه بيفزاييم. نيروها و ذرات طبيعت نيز مي بايست بر اساس خواص كليدي شان مانند قدرت اندركنش ها و جرم هايشان توضيح داده شوند. به هر صورت تا زماني كه نتوان در حد انرژي شتاب دهنده هاي موجود نظريه M را مورد امتحان قرار داد، اين نظريه در حد يك تمرين زيباي رياضي باقي خواهد ماند.

نويسنده: دكتر داوود افشار

منبع :http://physicsshokuhi.parsibox.com

|+| نوشته شده توسط بابک محرابی- فیزیک کوانتمی در دوشنبه بیست و سوم اردیبهشت 1387  |
 ابهام در تئوري هاوكينگ !
ابهام در تئوري هاوكينگ !



در ساده‌ترين توضيح ، طبق تابش هاوكينگ انرژي توليد شده در خلاء در افق رويداد سياه‌چاله‌ها كه نتيجه اصل عدم قطعيت است ، موجب توليد ذرات و پاد ذرات مي‌شود . يكي از اين ذرات به داخل سياه‌چاله سقوط مي‌كند و ديگري قبل از آنكه توسط سياه‌چاله جذب شود ، فرار ميكند در نتيجه اين فرايند ، مشاهده ميشود كه سياه‌چاله در حال تابش ذرات است . به بيان ديگر ميتوان چنين استنباط نمود كه در خارج سياه‌چاله يك زوج ( مثلا الكترون - پوزيترون ) توليد مي‌شود ، پوزيترون به درون سياه‌چاله سقوط ميكند و معادل جرم خود از سياه چاله را نابود و در كل تبديل به انرژي ميشوند و دومي ( الكترون ) مي‌گريزد .



ايرادهاي اين نظريه چيست ؟

1- همانطور كه ميدانيم اين نظريه و بسياري از نظريات ديگر بر پايه بعضي از اصول و مفاهيم نسبيت بنا نهاده شده‌اند . با فرض اينكه رابطه هم ارزي جرم و انرژي نسبيت درست و جهان شمول باشد ، درست است كه مقداري از جرم سياه‌چاله طي اين فرايند نابود ميشود ولي انرژي فرايند نمي‌تواند از ميدان گرانشي سياه‌چاله بگريزد و مجبور است كه در آن محبوس شود و چون جرم با انرژي هم ارز است ، پس كاهشي در جرم كلي سياه‌چاله مشهود نخواهد بود ، بلكه جرم كلي سياه چاله به دليل ورود ماده خارجي و افزايش انرژي همواره رو به فزوني خواهد گذاشت ، براي اينكه وجود ذرات با جرم و انرژي منفي پيشگويي معادله ديراك بود كه فقط در قسمت وجود ذرات با بار قرينه ( پاد ) براي ذرات با بار طبيعي درست از آب در‌آمد و تا به امروز چيزي به نام ذرات با جرم و انرژي منفي توجيه علمي و فيزيكي ( آزمايشگاهي ) پيدا نكرده است . اين فرايند جذب پاد ذرات توسط سياه چاله تا جايي ادامه مي‌يابد كه گرانش سياه چاله به علت انهدام تدريجي ماده بدنه آن كم شده و انرژي محبوس توان فرار و گريز را داشته باشد . يعني سياه‌چاله در نهايت منفجر ميشود و مقدار بسيار زيادي از انرژي به صورت امواج الكترومغناطيس را آزاد مي‌كند كه تا به امروز چنين چيزي مشاهده و گزارش نشده است . اگر اين نظريه حقيقت داشت ، جهان مدتها پيش به پايان خود رسيده بود . پس ميتوان نتيجه گرفت كه سياه چاله‌ها طبق اين نظريه توان تبخير تدريجي را ندارند ، براي اينكه اين پديده براي دوام و استمرار كيهان مخاطره آميز است . اين اشكال از اينجا ناشي ميشود كه نسبيت مشخص نكرده است كه انرژي با ماده هم ارز است و يا اينكه مساوي و برابر ، يعني مشخص نيست كه آيا انرژي خود جرم دارد و يا بعد اينكه تبديل به ماده شود داراي جرم خواهد بود و برعكس . و اين مسئله خود يكي از نقاط ضعف نسبيت است كه همواره در معادلات فيزيكي نيز وارد ميشود ، به طور مثال ميتوان قائل شدن جرم نسبيتي براي فوتون و اندازه گيري مقدار آن و آنهم با اجرام و انرژي‌هاي مختلف را نام برد كه يكي از بارزترين نمونه‌ها است .

2- همانطور كه در مبحث ( وارونگي ميادين الكتريكي ، توجيهي جديد براي توليد زوج ماده - پاد ماده . بر خلاف انتظار ما ، ماده - پاد ماده يكديگر را نابود نمي‌كنند ! ) توضيح داده شد ماده - پاد ماده همديگر را نابود نمي‌كنند بلكه پاد ماده بعد از برطرف شدن وارونگي ميدانش ، مجددا به ماده تبديل شده و در نهايت زوج ماده تشكيل ميشود . پس ميتوان نتيجه گرفت كه در اين صورت نه تنها از جرم سياه چاله كاسته نخواهد شد بلكه همواره به جرم آن نيز افزوده ميشود .

3 - اما ايراد بسيار مهم اينكه همانطور كه در مبحث ( توجيه خصوصيات و رفتارهاي عجيب و دوگانه سياه چاله‌ها و ستارگان نوتروني ) توضيح داده شد ، بعلت سرعت زاويه‌اي ( دوران ) اين اجرام ، شكل آنها كاملا به صورت كره نيست و چيزي شبيه تورس است . به علت وجود و حضور پروتونها در بدنه اين سياه‌چاله‌ها ، اين اجرام به شدت باردار بوده و بار الكتريكي آنها از نوع مثبت است . چون اين اجرام سماوي نيز اسپين دارند پس ميادين گرانشي و الكتريكي پيرامون آنها دوران پيدا كرده و ساختار كلي يك جرم نوتروني به صورت زير خواهد بود !

تصوير

شكل فوق نماي پرسپكتيو جرم دوار نوتروني را نشان ميدهد ، مارپيچ‌هاي بنفش رنگ كه جهت تاب خوردن آنها هم جهت با دوران ميدان الكتريكي است ، مسير ورود ( سقوط ) ذرات باردار منفي به داخل جرم نوتروني و همچنين خروج ( پرتاب ) ذرات باردار مثبت را نشان ميدهد ، براي اينكه ما به صورت قراردادي امتداد نيروها و يا بردارهاي ميدان الكتريكي مثبت را از داخل به خارج ميدان در نظر مي‌گيريم . براي واضح بودن رسم ، فقط يك سطح از سه ميدان گرانشي ، الكتريكي و مغناطيسي رسم شده است و ميتوانيم شكل فوق را در تمامي ابعاد توسعه دهيم . در حقيقت چنين به نظر ميرسد كه يك جرم نوتروني باردار دوار براي ذرات باردار همانند يك شتاب دهنده فوق‌العاده قوي نجومي عمل ميكند و يك ابر جت مكش و پرتاب ذرات باردار در فضاست ، ولي يك جرم نوتروني براي نوترونها صرفا جذب كننده به نظر ميرسد ، و علت آن اين است كه قدرت ميدان الكتريكي و مغناطيسي يك جرم نوتروني باردار به مراتب بيشتر از قدرت ميدان گرانشي آن است و در اين حالت بخصوص ، گرانش جرم نوتروني نمي‌تواند آنچنان بر ذرات باردار تاثير گذار باشد ، بلكه در نهايت اين ميدان الكترومغناطيسي جرم نوتروني است كه ميتواند براي ذرات باردار تاثير گذار و تصميم گيرنده باشد . يك جرم نوتروني دوار ، همچون شتاب دهنده مغناطيسي ( مداري يا چرخشي ) به ذرات باردار انرژي و شتاب مي‌دهد .

ناسا با همكاري جمعي از دانشمندان ايتاليايي با استفاده از داده‌هاي ارسالي فضا پيماي "سويفت" براي اولين بار توانست نوع موادي كه از سياه چاله‌ها به خارج از آن پرتاب مي شوند را مشخص كند . مواد موجود در اين فورانهاي سياه چاله‌اي عموما در كوازارها و ساير اجرام سماوي نيز ديده مي شوند . اين مواد اغلب با سرعت نور به خارج پرتاب مي شوند . اين تيم تحقيقاتي موفق به گشودن معمايي شده است كه پيشينه آن به دهه هفتاد ميلادي بر مي گردد .

فورانهاي مواد سياه چاله‌اي عموما مرزهاي كهكشانها را براي صدها هزار سال نوري در مي نوردند . دانشمندان اكنون همگي بر اين ايده اتفاق نظر دارند كه مواد فوراني يا بايد از الكترون و پوزيترون تشكيل شده باشند و يا از الكترون و پروتون . البته اطلاعات حاصله از فضا پيماي "سويفت" شواهدي دال بر وجود پروتون در اين مواد را دارد . اين تيم در مسير تحقيقات خود به فوتونهايي برخورد كرده است كه پس از رسيدن به حداكثر10 keV دچار افت انرژي مي شوند اين همان فوتونهاي اشعه ايكس است كه تا 10 keV به اوج انرژي خود مي رسند و سپس افت مي كنند . اين كشف وجود زوجهاي الكترون - پوزيترون را رد مي كند . اطلاعات حاصله از فضا پيماي "سويفت" كاملا درست است و توجيه نظري دارد ، اجرام نوتروني ، پروتونها ( ذرات مثبت ) را پرتاب و دفع ولي الكترونها ( ذرات منفي ) را جذب مي كنند و علت آن در بالا و مبحث مورد نظر كاملا توضيح داده شده است ، پس طبق تئوري هاوكينگ اگر در افق رويداد يك سياه چاله ذرات و پاد ذرات ( الكترونها و پوزيترونها ) توليد شوند ، الكترون به داخل سياه‌چاله مكيده شده و بعد از تركيب با پروتون تبديل به نوترون ميشوند و بر جرم سياه چاله افزوده ميشود و پوزيترون در كنار پروتونهاي مثبت به بيرون سياه چاله پرتاب ميشود براي اينكه پوزيترون همانند پروتون بار مثبت دارد و هر چند كه پوزيتروني در اين تابشها مشاهده نشده است و ميتوان به اين نتيجه كلي رسيد كه در افق رويداد سياه چاله‌ها اصلا ذرات و پاد ذرات توليد نمي‌شوند . با توجه به اينكه اين تيم در مسير تحقيقات خود به فوتونهايي برخورد كرده است كه پس از رسيدن به حداكثر10 keV دچار افت انرژي مي شوند و اين همان فوتونهاي اشعه ايكس است كه تا 10 keV به اوج انرژي خود مي رسند و سپس افت مي كنند . اين كشف وجود زوجهاي الكترون - پوزيترون را رد مي كند براي اينكه طبق تعاريف فعلي توليد و واپاشي زوج توام با انتشار اشعه گاما صورت مي‌گيرد و اصولا تابش گاما در پيرامون سياه چاله‌ها به طور دائمي و پيوسته ديده نميشود ، بلكه پرتوهاي گاما به صورت نادر و لحظه‌اي ثبت شده‌اند ، آنهم به علت انفجار يك ستاره و تبديل آن به سياه‌چاله و يا ورود حجم قابل توجهي از مواد به داخل يك سياه چاله . از همه مهمتر تا كنون اين پرتوهاي پيش‌بيني شده نظريه هاوكينگ پيرامون سياه‌چاله‌ها كشف نشده‌اند و نمي‌توان مدركي براي تاييد اين تئوري ارايه نمود ، بلكه مشاهدات بيشتر در رد اين نظريه است ، براي اينكه پيرامون يك جرم نوتروني ميدان الكترومغناطيسي و گرانشي فوق‌العاده قوي حاكم شده است كه ميتوانيم به راحتي از انرژي نوسان خلاء يا انرژي نقطه صفر صرف نظر كرده و حتي آن را از ياد به بريم براي اينكه چگالي اين انرژي در مقابل شدت ميدان گرانشي و الكترومغناطيس سياه چاله همانند هيچ در مقابل بينهايت است . با فرض اينكه طبق اين نظريه در افق رويداد يك سياه چاله زوج پروتون - پاد پروتون هم توليد شوند و پروتون توسط سياه چاله به بيرون پرتاب شده و پاد پروتون به داخل سياه چاله جذب شود ، بعد از مدت كوتاهي وارونگي ميدان پاد پروتون برطرف شده و آن نيز به شدت به طرف بيرون رانده و پرتاب خواهد شد ، يعني همان چيزي كه فضا پيماي سويفت دريافت كرده است و اگر اينگونه هم نباشد به جمع پروتونهاي بدنه سياه چاله ملحق خواهد شد .
 
برگرفته از تالارهای گفتمان هوپا
 
|+| نوشته شده توسط بابک محرابی- فیزیک کوانتمی در دوشنبه بیست و سوم اردیبهشت 1387  |
 شش حالت از ماده كشف شده!

شش حالت از ماده كشف شده!
1-
جامد
2-
مايع
3-
گاز
4-
پلاسما
5-
حالت چگاليده بوزاينشتين
6-
حالت چگال فرميوني

|+| نوشته شده توسط بابک محرابی- فیزیک کوانتمی در جمعه بیستم اردیبهشت 1387  |
 ورود استیون هاوکینگ به تهران
قرار است استاد فیزیک جهان در رابطه با تحقیق درباره نظریه وحدت ( نظریه ریسمان یا نظريه ام ) همراه

با ديگر فيزيك دانان جهان در بهار ۱۳۸۷ به تهران بيايد .

|+| نوشته شده توسط در پنجشنبه یکم فروردین 1387  |
 نظریه ریسمان

ادامه مطلب
|+| نوشته شده توسط در یکشنبه نوزدهم اسفند 1386  |
 بر همکنشها - نیروهای اساسی

 

بر همکنشها - نیروهای اساسی 

 

 

برهمکنش قوی

فیزیکدانان که هنوز از موفقیت تئوری الکتروضعیف دچار گیجی بودند، توجه خود را به حل نیروی قوی معطوف نمودند
منشا تئوری واکنش قوی به سال 1935 برمی‌گردد وقتی که فیزیکدان ژاپنی «هیدکی یوکاوا» پیشنهاد داد که پروتونها و نوترونها توسط یک نیروی جدید که توسط مبادله ذراتی به نام «پی مزون» خلق می‌شود در هسته اتم با یکدیگر نگه داشته می‌شوند
در دهه‌های 1950 و 1960 فیزیکدانان از شکننده‌های اتم در آزمایشگاه‌ها موفق به کشف صدها نوع از ذرات واکنش قوی که «هادرون»ها نامیده می‌شوند شدند(که شامل هم مزون و هم دیگر ذرات واکنش قوی مانند پروتون و نوترون می‌باشند
هیچکس نمی‌توانست بیان نماید چرا دنیایی که تا دهه 1930 بوضوح ساده بنظر می‌رسید به یکباره اینچنین پیچیده شد. زمانی تصور می‌شد که کل کائنات از چهار ذره و دو نیرو (الکترون، پروتون، نوترون، نوترینو، نور و گرانش) ساخته شده، اما فیزیکدانان با سیلی از هادرون‌های جدید که در آزمایشگاهها کشف شدند مواجه گردیدند. یک تئوری جدید نیاز بود تا به این هرج و مرج سر و سامان بدهد
در آن زمان «اپنهایمر» به شوخی گفت که "جایزه نوبل باید به فیزیکدانی داده شود که امسال یک ذره جدیدی را کشف نکرده باشد". تا سال 1984 بیش از دویست ذره جدید کشف شد
فیزیکدانان همانند «مندلیف» که تقریبا در یک قرن پیش قانون‌مندی عناصر طبیعت و تنظیم آنها در «جدول مندلیف» را انجام داد، شروع به جستجو برای تقارنی کردند که با آن بتوان همه هادرون‌ها را طبقه‌بندی کرد. در اوایل دهه 1960 «گل‌مان» نشان داد که می‌توان هادرون‌ها را در یک الگوی هشت‌تائی گروه‌بندی کرد. او همانند مندلیف توانست وجود و حتی خواص ذراتی را که تا آن زمان کشف نشده بودند، پیش‌گویی کند. اما اگر این الگو، قابل مقایسه با جدول مندلیف بود، در آن چه چیزهایی جای الکترون‌ها و پروتون‌ها را می‌توانستند بگیرند؟
بعدها کشف شد که این الگو به خاطر وجود ذرات زیرهسته‌ای که به آنها لقب کوارک دادند، بوجود می‌آید. در حقیقت با ترکیب سه نوع کوارک می‌توانستند تمام ذراتی که در آزمایشگاهها تولید می‌شدند را توصیف کنند

در کل شش نوع کوارک وجود دارد که دو تا دو تا شناخته می‌شوند


Up/down , charm/strange, top/bottom

بار الکتریکی کوارکها به صورت کسری می‌باشد، مثلا 3/1 و 3/2 ، هادرونها ازکوارکها تشکیل شده اند اگر چه کوارکها دارای بارهای الکتریکی کسری میباشند ولی هادرونی که از ترکیب آنها بدست میاید دارای بار الکتریکی صحیح ایست. کوارکها علاوه بر بار الکتریکی حامل یک نوع بار دیگر به نام «بار رنگی» نیز می‌باشند. نیروی مابین ذرات دارای بار رنگی خیلی قوی است ؛ به همین دلیل است که این نیرو نیروی قوی نامیده میگردد. ذرات حامل این نیروی قوی که بین کوارکها رد و بدل می‌شود، «گلئون»ها نام دارند. بار رنگی نسبت به بارالکترومغناطیسی دارای ماهیت متفاوتی است، گلوئون‌ها خودشان نیز دارای بار رنگی هستند که این امر موجب شگفتی بیشتر آنها می‌گردد زیرا برعکس فوتونها که ذرات حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند می‌باشند، فوتونها با وجود اینکه حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند ولی خودشان فاقد بارالکتریکی می‌باشند. از طرفی هادرون‌ها که از کوارکها تشکیل می‌شوند فاقد بار رنگی می‌باشند و از نظر بار رنگی خنثی هستند، به همین دلیل است که ما اثرات این نیروی قوی را فقط در بین هادرونها می‌بینیم. تئوری‌ای که این نیرو را توضیح میداد، «کرومودینامیک کوانتوم» نام داشت.
در سال 1974 ، «شلدون گلاشو» و «هوارد جرجی» تئوری‌ای پیشنهاد کردند که طی آن نیروی قوی با الکتروضعیف متحد می‌شد و آنرا «تئوری وحدت بزرگ» (گات) نامیدند.
این تئوری پیشگویی می‌کند که کوارک می‌تواند تبدیل به الکترون شود. این همچنین بدان معنا است که پروتون میتواند به الکترون تبدیل شود. زیرا پروتون از سه کوارک تشکیل شده است
هرچند تئوری گات پیشرفتی قابل توجه را در اتحاد نیروی الکتروضعیف با نیروی قوی عرضه می‌کرد ولی از لحاظ تئوری همچنان ناقص بود. بطور مثال این تئوری نمیتواند بیان کند که چرا سه کپی فامیل‌های ذرات (خانواده‌های الکترون، میون و تائو) وجود دارند. بعلاوه ثابتهای قراردادی زیادی در تئوری وجود داشت

علیرغم مشکلات تئوری گات، فیزیکدانان هنوز معتقد بودند که ممکن است تئوری‌ای برای وحدت گرانش وجود داشته باشد

 

الکتروضعیف

در 1971 یک تئوری جدید میدان کوانتوم وارد صحنه شد که می‌توانست نیروی هسته‌ای ضعیف و الکترومغناطیس را با هم متحد کند. برای اولین بار از زمان ماکسول یعنی تقریبا صد سال، نیروهای طبیعت قدمی دیگر به طرف وحدت برداشتند. یکبار دیگر اسرار معما تقارن مقیاس بود.
واکنشهای ضعیف مربوط به رفتار الکترونها و شرکای آنها بنام نوترینوها می‌باشد. از تمام ذرات کائنات، نوترینو شاید نادرترین آنها باشد، زیرا شدیدا فرّار می‌باشد. نوترینو، بار و احتمالا جرم ندارد و بسیار بسیار سخت آشکار می‌باشد
در سال 1933 فیزیکدان بزرگ ایتالیایی انریکو فرمی، اولین تئوری جامع از این ذرات فرّار که نوترینو (ذرات کوچک خنثی به زبان ایتالیایی) نامید، به طبع رساند
تجارب در ارتباط با نوترینوها بسیار مشکل بود زیرا نوترینوها خیلی نافذند و از حضورشان هیچ ردی به جا نمی‌گذارند. در حقیقت آنها می‌توانند بسهولت به داخل کره زمین رخنه نمایند و از طرف دیگر زمین خارج شوند. در واقع اگر تمام منظومه شمسی پر از سرب سخت بود، بعضی از نوترینوها قادر بودند حتی به آن حصار مستحکم نیز رخنه نمایند
وجود نوترینو نهایتا در سال 1953 در یک تجربه بسیار مشکل در حین مطالعه تشعشعات فراوان خلق شده توسط رآکتور هسته‌ای تائید شد
از زمان کشف، سالها مخترعین سعی نمودند تا به استفاده‌های عملی نوترینو فکر نمایند. بیشتر این افراد جسور مایل بودند تا یک «تلسکوپ نوترینو» بسازند. با این تلسکوپ ما می‌توانیم مستقیما در داخل صدها کیلومتر صخره‌های سخت جستجو کنیم، هر کس اهدافی نظیر این برای تلسکوپ پیش‌بینی می‌کرد. ایده تلسکوپ نوترینو مسلما بسیار خوب است، اما یک مانع وجود دارد: از کجا ما می‌توانیم فیلم عکاسی پیدا نمائیم که بتواند نوترینو را متوقف کند؟ هر ذره‌ای که بتواند به تریلیونها تن صخره رسوخ نماید براحتی می‌تواند به فیلم عکاسی هم نفوذ کند.
پیشنهاد دیگر خلق یک «بمب نوترینو» بود.فیزیکدان هانیز پاجلز می‌نویسد که این یک اسلحه مطلوب صلح‌طلب می‌باشد. مانند یک بمب که می‌توند براحتی جانشین بمب هسته‌ای مرسوم باشد؛ این بمب با سر و صدا منفجر شده و منطقه مورد هدف را با سیلی عظیم از نوترینو‌ها بمباران می‌کند، بعد از اینکه همه را ترساند، نوترینوها بدون هیچ صدمه‌ای از میان همه چیز عبور می‌کنند
علاوه بر نوترینو، اسرار واکنشهای ضعیف با کشف ذرات جدید مانند میون، عمیقتر شد. قبلا در سال 1937 وقتی که این ذره در عکسبرداری اشعه کیهانی کشف شد، بنظر درست شبیه الکترون می‌آمد اما بیش از دویست بار سنگین‌تر از آن بود. برای تمام مقاصد آن ذره درست یک الکترون سنگین بود. فیزیکدانان در سال 1962 با استفاده از شکافنده اتم نشان دادند که میون همچنین شریک مجزای خودش، نوترینوی میون را دارد. در سال

1978

 بار دیگر یک جفت برای الکترون کشف شد ولی اینبار سه‌هزار و پانصد بار سنگین‌تر بود و «تائو» نام گرفت با شریک مجزای خودش بنام نوترینوی تائو
فیزیکدانان حدس زدند که نیروی بین الکترونها و نوترونها توسط تبادل یکسری جدید ذرات به نام ذرات

W

 به جای

Weak

 ایجاد می‌شود

در اینجا هم تئوری درست با دیاگرامهایی شبیه دیاگرامهای فاینمن قابل توصیف بود، به جای جفت الکترون-پوزیترون، کافیست که الکترون-نوترینو را جایگزین کنیم و به جای فوتونها ، ذرات دبلیو بگذاریم
مشکل اینجا بود که تئوری با استفاده از تقارن مقیاس قابل بهنجارش نبود و تئوری با بینهایت‌ها درگیر بود. تا سالها فیزیکدانان درگیر آن بودند
تئوری یانگ-مایلز محتوی یک تقارن ریاضی جدید بود که به «واینبرگ» و «سالم» اجازه داد تا نیروهای ضعیف و الکترومغناطیس را به همان وضع با هم متحد کنند
فیزیکدانها بطور قوی باور کرده بودند که نیروهای ضعیف بصورت نزدیکی به نیروهای الکترومغناطیسی مربوط هستند، سرانجام آنها کشف کردند که در فواصل بسیارکوتاه ( درحدود 10 به قوه 18- متر ) قدرت برهمکنش ضعیف قابل برابری با برهمکنش الکترومغناطیسی است، به عبارت دیگر در سی برابر آن  فاصله قدرت برهمکنش ضعیف يك ده‌هزارم ( سه برابر ده به توان منفي هفده) برهمکنش الکترومغناطیسی است، درفواصل مثلا برای کوارکهای داخل یک پروتون یا نوترون ( ده به قوه منفي پانزده ) ، نیرو حتی از آنهم ضعیف‌تر است
فیزیکدانها نتیجه گرفته اند که درحقیقت نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف اساسا قدرتهای یکسانی دارند , این به این دلیل است که قدرت برهمکنش به طور قوی به دوعامل جرم ذرات حامل نیرو و فاصله برهمکنش بستگی دارد ، تفاوت مابین قدرتهای مشاهده شده آنها از تفاوت بزرگ در جرم ذرات

W

 و

Z

 که بسیار پرجرم هستند و فوتونها که تا آنجا که ما می دانیم فاقد جرم هستند ناشی می گردد

به مجرد اینکه نسبیت خاص بر پایه‌های تئوری و مشاهدات استوار شد ، فیزیکدانان دریافتند که معادله شرودینگر در مکانیک کوانتومی تحت تبدیلات لورنتس ناوردا نیست. بنابراین مکانیک کوانتومی که با موفقیت در دهه 1920 توسعه داده شده بود ، درباره توصیف رفتار ذراتی که نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کردند پاسخگو نبود
مشکل آنجا بود که معادله شرودینگر نسبت به زمان از درجه اول و نسبت به مختصات فضایی از درجه دو بود. معادله کلین-گوردون نسبت به هر دو آنها یعنی فضا و زمان از درجه دو بود و راه‌ حلی برای ذرات با اسپین صفر بود



دیراک ریشه دوم معادله کلین-گوردون را با استفاده از ماتریسی به نام "ماتریس گاما" بوجود آورد و راه حلی شد برای ذرات با اسپین

½ 

 

اما مشکل مکانیک کوانتومی نسبیتی آن بود که معادلات دیراک و کلین-گوردون در تفسیر تولید و نابودی ذرات از فضای تهی ، خلا ، ناتوان بودند
یافته‌های بیشتر با "الکترودینامیک کوانتوم" آغاز شد که بوسیله فاینمن، شرودینگر و توموناگا در دهه 1940 پایه‌گذاری شد
در تئوری میدان کوانتوم رفتار و خواص ذرات بنیادین توسط یک‌ سری دیاگرامها به نام دیاگرامهای فاینمن قابل محاسبه هستند که به دقت تولید و نابودی ذرات را شرح می‌دهند. مجموعه دیاگرامهای فاینمن برای تفرق دو الکترون به مانند شکل زیر است.

خطهای راست سیاه نمایانگر الکترونها هستند و خطهای موجی سبز نمایانگر فوتون و هر حلقه نشاندهنده تولید یک الکترون و پوزیترون از یک فوتون می‌باشد که یکدیگر را نابود می‌کنند و یک فوتون خلق می‌کنند. محاسبه کامل دامنه تفرق، جمع روی همه حالتهای ممکن برای فوتونها، الکترونها، پوزیترونها و سایر ذرات بود.
محاسبات حلقه‌های کوانتومی با یک مشکل بزرگ روبرو بود؛ به منظور محاسبه درست برای فرایند‌ها در حلقه‌ها، باید از یکی روی همه مقادیر تکانه‌های ممکن از صفر تا بینهایت انتگرال گرفته شود، اما این انتگرالها برای یک ذره با اسپین

 j

 در

D

 بعد تقریبا به شکل زیر بود

اگر مقدار

4j+D-8

 " منفی باشد، انتگرال برای تکانه بینهایت (یا طول موج صفر، بر اساس فرمول دوبروی) خوش رفتار خواهد بود. اگر این طول مقدار صفر یا مثبت باشد، جواب انتگرال بینهایت میشود و نظریه‌ای که درست می‌نمود به نظر غیرقابل درک می‌رسید چون فقط جوابهای بینهایت به ما می‌داد.
جهانی که ما می‌بینیم چهار بعد دارد و یک فوتون اسپین 1 دارد، پس در مورد تفرق الکترون-الکترون این انتگرال همچنان جواب بینهایت‌می‌داد، اما جواب انتگرال به کندی به سمت بینهایت میل می‌کرد و در این مورد به نظر می‌رسید که تئوری می‌تواند بهنجارش شود به صورتی که بینهایت‌ها به تعداد کمی پارامتر تبدیل می‌شوند، مانند جرم و بار الکترون
الکترودینامیک یک تئوری است که دو پارامتر دارد، بار و جرم الکترون. معادلات ماکسول علاوه بر نسبیت خاص، تقارن دیگری دارد به نام تقارن مقیاس، که به فاینمن اجازه داد تا سری بزرگی از دیاگرامها را گروه نماید تا پی برد که او می‌تواند براحتی بار و جرم الکترون را برای جذب و از بین بردن بینهایتها دوباره معین نماید
رویهم رفته این بدان معنا بود که جرم و بار الکترون بطور ضروری جهت شروع، بینهایت فرض می‌شد. ولی آنها بینهایتهایی را که از دیاگرامها پدیدار می‌شدند را محدود می‌کردند و به کلام دیگر قانونمند می‌کردند.
در واقع می‌خواست کاری شبیه به " بینهایت منهای بینهایت مساوی صفر " انجام دهد، و تئوری اوتقریبا به خوبی کار میکرد.
الکترودینامیک کوانتوم یک تئوری قابل بهنجارش بود و در دهه 1940 به عنوان راه حل کوانتوم نسبیتی به آن توجه شد. اما دیگر ذرات شناخته شده که حامل نیروها بودند مانند هسته‌ای ضعیف که باعث رادیواکتیویته بود، هسته‌ای قوی که پروتونها و نوترونها را در هسته در کنار هم نگه می‌داشت و گرانش که ما را روی زمین نگه می‌داشت به این زودی توسط تئوریهای فیزیک تسخیر نشدند
در دهه 1960 فیزیک ذرات به منظور توصیف نیروی هسته‌ای قوی به مفهومی به نام مدل تشدید دوگانه دست یافت. این مدل هیچگاه در توصیف ذرات آنچنان موفق نبود، ولی در دهه 1970 فهمیده شد که مدل دوگانه در واقع نظریه‌ای کوانتومی برای ریسمانهای مرتعش نسبیتی است و رفتارهای ریاضی عجیبی از خود نشان می‌دهد، در نتیجه مدل دوگانه به عنوان " تئوری ریسمان " نامیده شد
اما نظریه دیگری که در ابتدای قرن بیستم بوجود آمد ، بار دیگر فیزیکدانان را متعجب ساخت و آن ثابت بودن سرعت نور مستقل از هر ناظری بود. این یک نتیجه مهیج و جالب از آزمایشات " مایکلسون " و " مورلی " بود ؛ اما چگونه می شد آنرا بوسیله فیزیک توجیه کرد. انیشتین با یک نظریه ساده و قدرتمند به نام نسبیت خاص آنرا حل کرد. انیشتین  یک هندسه خیالی از سیستم مقیاس بیان کرد . سیستم مقیاس معروفی که اغلب استفاده می شد ، از قانون فیثاغورث پیروی میکردکه در سه بعد به این شکل بود 

این فرمول خاصیت ویژه ای داشت و آن اینکه تحت دوران ناوردا بود. یعنی اینکه طول خط با چرخش در فضا تغییر نمیکرد . در نسبیت خاص این مقیاس بسط داده شد و زمان را نیز شامل شد ، با یک علامت منفی عجیب که فضای چهار بعدی مینکوفسکی

نامیده میشود

 

درست مانند سیستم فیثاغورث این رابطه هم تحت چرخش ثابت بود
ولی در این رابطه جدید یک چیز جالب دیگر نیز وجود داشت و تحت نوعی چرخش فضا-زمان به نام تبدیلات لورنتس نیز ناوردا بود. و این تبدیلات به ما میگویند که دو ناظر مختلف با سرعتهای ثابت نسبت به یکدیگر ، جهان را چگونه مشاهده میکنند و همچنین به ما می گوید که سرعت نور همیشه ثابت است
انیشتین بعد از آن به سراغ قانون جهانی گرانش نیوتون رفت  ؛ در فرمول نیوتون ، نیروی گرانش بین دو جرم 

m1 , m2

  با مجذور فاصله بین آنها رابطه زیر را دارد

GN

 ثابت نیوتون نامیده میشود

  میباشد
قانون نیوتون در تشریح حرکت سیارات به دور خورشید و ماه به دور زمین موفق بود و بسادگی قابل توسعه در تئوری میدان کلاسیک در سیستم های پیوسته بود. اگرچه در آن هیچ توضیحی در مورد تغییر یافتن میدان گرانش در زمان وجود نداشت. بخصوص که مفهوم جدیدی که از نسبیت خاص بدست آمده بود یعنی " هیچ چیزی نمیتواند سریعتر از نور حرکت کند " را نمیتوانست توجیه کند
انیشتین با یک قدم جسورانه به درکی جدید از شاخه ای از ریاضیات به نام " هندسه نااقلیدوسی " رسید که در آن قانون فیثاغورث تعمیم داده شد تا سیستم مقیاسی که وابسته به فضا-زمان بود را با ضریبی در بر می گرفت

 

 

نیشتین نتیجه گرفت که " برای تدوین قوانین عمومی طبیعت همه دستگاههای مختصات گاوسی اساسا هم ارزند " و آنرا نسبیت عمومی نامید
در این تئوری جدید ، فضا-زمان میتوانست مانند یک توپ خمیده شود. خمیدگی تابعی از

gab

 و مشتق اول و دوم آن است . در معادله انیشتین

 

 

خمیدگی فضا-زمان ( که با

Rµν

 و

R

 جایگزین شده ) بوسیله انرژی و تکانه

Tµν

 کل ماده در فضا-زمان مانند سیارات ، ستاره ها

 غبار بین ستاره ای ، گازها ، سیاه چاله ها و ... تعیین میشود
 

منبع: مراکز سازمان ملی پرورش استعدادهای درخشان ایران

|+| نوشته شده توسط پژوهشگران جوان فیزیک نوین در پنجشنبه شانزدهم اسفند 1386  |
 ابعاد جهان
 

آیا شما در یک جهان ۳ بعدی زنگی میکنید؟

 

اگر پاسخ شما مثبت است كاملا در اشتباهيد!!!!

 

مغز انسان طي ساليان ساليان ساليان سال(!!!) قادر به درك سه بعد از فضا شده است. اما آيا فضا سه بعدي است؟ يا چهار بعدي؟ يا شايد اصلا يك بعد است؟؟؟؟

 

 

پاسخ اين سوال در زمان انيشتين اين بود:

 

ما در فضاي ۴ بعدي زندگي ميكنيم كه از سه بعد فضا و يك بعد زمان تشكيل شده است. هر ماده اي داراي جرم قدرت خم كردن اين ابعاد را دارد كه از اثرات اين خم شدن گرانش است.

اما آيا جهان واقعا ۴ بعديست؟؟؟

پاسخ اين سوال را نظريه ي ريسمان ميدهد كه به طور مفصل در آينده بحث خواهد شد.

 

                                             بابك محرابى

|+| نوشته شده توسط پژوهشگران جوان فیزیک نوین در پنجشنبه شانزدهم اسفند 1386  |
 
 
بالا