فیزیک کلاسیک؟
در قسمت قبل گفتیم که حتی پدیدههایی که با فیزیک کلاسیک توصیف میشوند نیز به فیزیک مدرن مربوط هستند و مثالی از الکترومغناطیس زدیم که در آن یک ناظر دور شدن بار آزمون از سیم حامل جریان را معلول نیروی مغناطیسی میدانست و ناظر دیگر آن را به نیروی الکتریکی نسبت میداد. با وجود اینکه الکترومغناطیس و مدارهای الکتریکی در حیطه فیزیک کلاسیک هستند، اینها از نتایج نسبیت خاص و انقباض طول بود.
در این قسمت به نحوه انتقال انرژی در مدارهای الکتریکی پرداخته شده.
احتمالاً میدانید که جریان الکتریکی چیزی جز حرکت الکترونها در مدار الکتریکی (سیم) نیست. و از آنجا که وسایلتان مانند لامپهای خانه با برق کار میکنند و انرژی مصرفی خود را اینگونه تأمین میکنند، ممکن است این تصور برایتان ایجاد شود که الکترونهای در حال حرکت در مدار، انرژی را با خود حمل میکنند و انرژی مورد نیاز لامپ منزلتان را به آن میرسانند.
اما اگر انرژی توسط الکترونها حمل میشود، پس جریان AC چگونه انرژی انتقال میدهد؟
جریانهای الکتریکی به دو نوع AC و DC تقسیم میشوند. در جریان DC (مستقیم)، جهت جریان همواره به یک سمت است و این یعنی الکترونها همواره در یک جهت حرکت میکنند. اما در جریان AC (متناوب)، جهت جریان دائماً عوض میشود و این یعنی الکترونها به جای حرکت متداوم به یک سمت، مدام در مدار عقب و جلو میروند (تصویر شماره 1).
برای سادهتر شدن موضوع، ابتدا به انتقال انرژی در DC میپردازیم و سپس به سراغ AC میرویم. قبل از هر چیز باید دو مفهوم “جریان الکتریکی” و “جریان انرژی” را تعریف کنیم.
جریان الکتریکی: شارش بارهای مثبت.
بله، بار مثبت (به لطف بنجامین فرانکلین)! در سال 1748 فرانکلین دو چیز در مورد الکتریسیته گفت.
1- کهربا پس از مالش داده شدن، “بار منفی” خواهد داشت.
2- جریان الکتریکی، شارش “بار مثبت” است.
سپس حدود یک و نیم قرن بعد، در سال 1897، جوزف تامسون الکترون را کشف کرد و ما متوجه شدیم که مشکلی داریم. میتوانستیم یکی از دو موردی که توسط فرانکلین بیان شده بود را تصحیح کنیم، اما نکردیم و در عوض مشکل را دو برابر کردیم!
نام گذاری بارها را همانطور که فرانکلین گفته بود (یعنی “منفی” برای الکترون) نگه داشتیم و با وجود اینکه میدانیم این الکترونها با بار منفی هستند که در مدار شارش میکنند، تظاهر میکنیم که بار مثبت در حال شارش در جهت خلاف حرکت الکترونها است.
چارهای نیست، جریان الکتریکی شارش بارهای مثبت است و آن را با یکای “آمپر A” اندازهگیری میکنیم:
I=Δq/Δt
I: شدت جریان الکتریکی
Δq: مقدار بار مثبت عبور کرده از یک نقطه مدار
Δt: مدت زمان
از سوی دیگر، جریان انرژی با استفاده از “توان” قابل توصیف است. توان نشان دهنده این است که انرژی چقدر سریع مصرف میشود و یکای آن “وات W” است:
P=Δu/Δt
P: توان
Δu: مقدار انرژی مصرف شده
Δt: مدت زمان
از آنجا که جریان الکتریکی و ولتاژ، به ترتیب “بار بر زمان” و “انرژی بر بار” هستند، پس توان در واقع حاصل ضرب شدت جریان الکتریکی در ولتاژ است:
I=Δq/Δt
V=u/q
⇒ IV=Δu/Δt=P ⇒P=IV
اما سؤال اصلی ما درباره جهت بود، نه مقدار. معادله P=IV هیچ اطلاعاتی در مورد جهت به ما نمیدهد.
آیا انرژی توسط الکترونها در طول مدار حمل نمیشود؟ و جهت جریان با جهت توان یکی نیست؟
سؤال اول “بله” و سؤال دوم “خیر”. الکترونها انرژی دارند، زیرا همه چیز انرژی دارد. اما این انرژی، انرژیای نیست که لامپ منزل شما از آن تغذیه میکند.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
در قسمت قبل گفتیم که حتی پدیدههایی که با فیزیک کلاسیک توصیف میشوند نیز به فیزیک مدرن مربوط هستند و مثالی از الکترومغناطیس زدیم که در آن یک ناظر دور شدن بار آزمون از سیم حامل جریان را معلول نیروی مغناطیسی میدانست و ناظر دیگر آن را به نیروی الکتریکی نسبت میداد. با وجود اینکه الکترومغناطیس و مدارهای الکتریکی در حیطه فیزیک کلاسیک هستند، اینها از نتایج نسبیت خاص و انقباض طول بود.
در این قسمت به نحوه انتقال انرژی در مدارهای الکتریکی پرداخته شده.
احتمالاً میدانید که جریان الکتریکی چیزی جز حرکت الکترونها در مدار الکتریکی (سیم) نیست. و از آنجا که وسایلتان مانند لامپهای خانه با برق کار میکنند و انرژی مصرفی خود را اینگونه تأمین میکنند، ممکن است این تصور برایتان ایجاد شود که الکترونهای در حال حرکت در مدار، انرژی را با خود حمل میکنند و انرژی مورد نیاز لامپ منزلتان را به آن میرسانند.
اما اگر انرژی توسط الکترونها حمل میشود، پس جریان AC چگونه انرژی انتقال میدهد؟
جریانهای الکتریکی به دو نوع AC و DC تقسیم میشوند. در جریان DC (مستقیم)، جهت جریان همواره به یک سمت است و این یعنی الکترونها همواره در یک جهت حرکت میکنند. اما در جریان AC (متناوب)، جهت جریان دائماً عوض میشود و این یعنی الکترونها به جای حرکت متداوم به یک سمت، مدام در مدار عقب و جلو میروند (تصویر شماره 1).
برای سادهتر شدن موضوع، ابتدا به انتقال انرژی در DC میپردازیم و سپس به سراغ AC میرویم. قبل از هر چیز باید دو مفهوم “جریان الکتریکی” و “جریان انرژی” را تعریف کنیم.
جریان الکتریکی: شارش بارهای مثبت.
بله، بار مثبت (به لطف بنجامین فرانکلین)! در سال 1748 فرانکلین دو چیز در مورد الکتریسیته گفت.
1- کهربا پس از مالش داده شدن، “بار منفی” خواهد داشت.
2- جریان الکتریکی، شارش “بار مثبت” است.
سپس حدود یک و نیم قرن بعد، در سال 1897، جوزف تامسون الکترون را کشف کرد و ما متوجه شدیم که مشکلی داریم. میتوانستیم یکی از دو موردی که توسط فرانکلین بیان شده بود را تصحیح کنیم، اما نکردیم و در عوض مشکل را دو برابر کردیم!
نام گذاری بارها را همانطور که فرانکلین گفته بود (یعنی “منفی” برای الکترون) نگه داشتیم و با وجود اینکه میدانیم این الکترونها با بار منفی هستند که در مدار شارش میکنند، تظاهر میکنیم که بار مثبت در حال شارش در جهت خلاف حرکت الکترونها است.
چارهای نیست، جریان الکتریکی شارش بارهای مثبت است و آن را با یکای “آمپر A” اندازهگیری میکنیم:
I=Δq/Δt
I: شدت جریان الکتریکی
Δq: مقدار بار مثبت عبور کرده از یک نقطه مدار
Δt: مدت زمان
از سوی دیگر، جریان انرژی با استفاده از “توان” قابل توصیف است. توان نشان دهنده این است که انرژی چقدر سریع مصرف میشود و یکای آن “وات W” است:
P=Δu/Δt
P: توان
Δu: مقدار انرژی مصرف شده
Δt: مدت زمان
از آنجا که جریان الکتریکی و ولتاژ، به ترتیب “بار بر زمان” و “انرژی بر بار” هستند، پس توان در واقع حاصل ضرب شدت جریان الکتریکی در ولتاژ است:
I=Δq/Δt
V=u/q
⇒ IV=Δu/Δt=P ⇒P=IV
اما سؤال اصلی ما درباره جهت بود، نه مقدار. معادله P=IV هیچ اطلاعاتی در مورد جهت به ما نمیدهد.
آیا انرژی توسط الکترونها در طول مدار حمل نمیشود؟ و جهت جریان با جهت توان یکی نیست؟
سؤال اول “بله” و سؤال دوم “خیر”. الکترونها انرژی دارند، زیرا همه چیز انرژی دارد. اما این انرژی، انرژیای نیست که لامپ منزل شما از آن تغذیه میکند.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
فرض کنید این لامپ را با استفاده از یک باتری ساده روشن کردهایم. قطب مثبت این باتری، انرژی بیشتر نسبت به قطب منفی آن دارد؛ بنابراین اگر دو سر باتری را با یک سیم به هم وصل کنیم و بدین گونه مسیری برای بارها فراهم کنیم، آنها از این مسیر برای حرکت از جای پر انرژیتر (سر مثبت باتری) به جای کم انرژیتر (سر منفی) استفاده میکنند. این همان جریان الکتریکی است.
میدانیم که انرژی باتری با گذشت زمان در حالی که لامپ نور و گرما از خود ساطع میکند، کاهش پیدا میکند. بنابراین انرژی به گونهای از باتری به لامپ منتقل شده است. و این “جریان انرژی” با چیزی به نام “Poynting Vector” توصیف میشود و این یک اشتباه املایی نیست! واژه “Poyntig” از فعل ”Pointing” (به معنای “اشاره کردن”) نمیآید؛ بلکه به افتخار فیزیکدان انگلیسی، “John Henry Poynting” اینگونه نام گذاری شده است. اما کار این بردار (بردار پوینتیگ) واقعاً “اشاره کردن” به جهت جریان انرژی است.
S = 1/μ₀ E × B
S: مقدار انرژی جریان یافته در یک مساحت در هر ثانیه
μ₀: ضریب تراوایی خلأ
E: میدان الکتریکی
B: میدان مغناطیسی
در این معادله، S و E و B کمیتهای برداری (جهتدار) هستند.
یک باتری را میتوان به شکل دو بار نا هم نام برابر دید که میدان الکتریکی را تحت تأثیر قرار میدهند (تصویر شماره 2). اما طبق بردار پوینتیگ، هیچ انرژیای جریان نخواهد یافت زیرا میدان مغناطیسی (B) صفر است. این یعنی باتری به طور خود به خودی انرژی از دست نخواهد داد و باید حتماً به چیزی وصل شود.
دوباره میدان الکتریکی اطراف باتری را ببینید (تصویر شماره 3). اگر سیمی که لامپ در وسطش قرار دارد را به دو سر باتری وصل کنیم، میدان الکتریکی باتری از سیم هدایت خواهد شد (تصویر شماره 4). اکنون میدان الکتریکی در مدار به اندازهای قوی است که میتواند به بارهای الکتریکی نیرو وارد کند و باعث حرکت کردن بارها در مدار بشود و یک جریان الکتریکی در مدار ایجاد شود. و حالا چون بارهای الکتریکی در حال حرکت هستند، میدان مغناطیسی هم ایجاد میشود (تصویر شماره 5).
اکنون ما یک میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی داریم که بر اساس بردار پوینتینگ، باعث ایجاد جریان انرژی میشود. در معادله بردار پوینتینگ، علامت ضرب بین E و B به این معناست که جهت جریان انرژی باید عمود بر جهت هر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی باشد. جهت حرکت بارها، با جهت میدان الکتریکی یکی است و این یعنی طبق بردار پوینتینگ، جریان انرژی نمیتواند هم جهت با حرکت بارها در مدار باشد!
بیایید روی طول کوچکی از مدار تمرکز کنیم و جهت میدان الکتریکی و جهت میدان مغناطیسی را بررسی کنیم (تصویر شماره 6) و سپس جهتی را پیدا کنیم که عمود بر هر دوی آنها باشد (تصویر شماره 7).
بله درست میبینید، انرژی از میدانی در “خارج از سیم”، وارد آن میشود! احتمالاً دیگر هرگز به مدارهای الکتریکی مثل قبل نگاه نمیکنید...
بالاتر گفته بودیم که “انرژی به گونهای از باتری به لامپ منتقل شده است” و این موضوع که انرژی مصرفی لامپ، از باتری میآید درست است؛ اما این اتفاق غیرمستقیم رخ میدهد!
در درون باتری، جهت میدان الکتریکی بر خلاف جهت آن در مدار است، اما میدان مغناطیسی به همان جهت است. پس اگر به باتری همان گونه که به سیم نگاه کردیم، نگاه کنیم، میبینیم جریان انرژی از باتری خارج و به میدان وارد میشود (تصویر شماره 8).
مقدار انرژیای که مدار و لامپ از میدان دریافت میکنند، به همان اندازهای است که باتری انرژی به میدان میدهد. پس جریان انرژی در این مدار، بیشتر این شکلی است (تصویر شماره 9) تا شکلی که قبلاً تصور میکردید.
حتی مهم نیست DC باشد یا AC؛ با جریان متناوب، بارها در مدار فقط عقب و جلو میشوند زیرا جهت میدان الکتریکی دائماً عوض میشود و در نتیجه جهت میدان مغناطیسی هم دائماً تغییر میکند. وقتی جهت E عوض شود و جهت B هم عوض شود، این دو اثر یکدیگر را خنثی میکنند و جهت S ثابت باقی میماند (تصویر شماره 10 و 11).
انرژی چگونه در مدارهای الکتریکی منتقل میشود؟
انرژیای که باعث میشود یک مدار کار کند، از میدان اطراف مدار میآید. یک منبع انرژی مانند باتری، فقط همان مقدار انرژی را به میدان باز میگرداند تا قانون بقای انرژی نقض نشود. و کاری که جریان الکتریکی میکند، فراهم کردن شرایط مورد نیاز برای جریان یافتن انرژی است.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
میدانیم که انرژی باتری با گذشت زمان در حالی که لامپ نور و گرما از خود ساطع میکند، کاهش پیدا میکند. بنابراین انرژی به گونهای از باتری به لامپ منتقل شده است. و این “جریان انرژی” با چیزی به نام “Poynting Vector” توصیف میشود و این یک اشتباه املایی نیست! واژه “Poyntig” از فعل ”Pointing” (به معنای “اشاره کردن”) نمیآید؛ بلکه به افتخار فیزیکدان انگلیسی، “John Henry Poynting” اینگونه نام گذاری شده است. اما کار این بردار (بردار پوینتیگ) واقعاً “اشاره کردن” به جهت جریان انرژی است.
S = 1/μ₀ E × B
S: مقدار انرژی جریان یافته در یک مساحت در هر ثانیه
μ₀: ضریب تراوایی خلأ
E: میدان الکتریکی
B: میدان مغناطیسی
در این معادله، S و E و B کمیتهای برداری (جهتدار) هستند.
یک باتری را میتوان به شکل دو بار نا هم نام برابر دید که میدان الکتریکی را تحت تأثیر قرار میدهند (تصویر شماره 2). اما طبق بردار پوینتیگ، هیچ انرژیای جریان نخواهد یافت زیرا میدان مغناطیسی (B) صفر است. این یعنی باتری به طور خود به خودی انرژی از دست نخواهد داد و باید حتماً به چیزی وصل شود.
دوباره میدان الکتریکی اطراف باتری را ببینید (تصویر شماره 3). اگر سیمی که لامپ در وسطش قرار دارد را به دو سر باتری وصل کنیم، میدان الکتریکی باتری از سیم هدایت خواهد شد (تصویر شماره 4). اکنون میدان الکتریکی در مدار به اندازهای قوی است که میتواند به بارهای الکتریکی نیرو وارد کند و باعث حرکت کردن بارها در مدار بشود و یک جریان الکتریکی در مدار ایجاد شود. و حالا چون بارهای الکتریکی در حال حرکت هستند، میدان مغناطیسی هم ایجاد میشود (تصویر شماره 5).
اکنون ما یک میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی داریم که بر اساس بردار پوینتینگ، باعث ایجاد جریان انرژی میشود. در معادله بردار پوینتینگ، علامت ضرب بین E و B به این معناست که جهت جریان انرژی باید عمود بر جهت هر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی باشد. جهت حرکت بارها، با جهت میدان الکتریکی یکی است و این یعنی طبق بردار پوینتینگ، جریان انرژی نمیتواند هم جهت با حرکت بارها در مدار باشد!
بیایید روی طول کوچکی از مدار تمرکز کنیم و جهت میدان الکتریکی و جهت میدان مغناطیسی را بررسی کنیم (تصویر شماره 6) و سپس جهتی را پیدا کنیم که عمود بر هر دوی آنها باشد (تصویر شماره 7).
بله درست میبینید، انرژی از میدانی در “خارج از سیم”، وارد آن میشود! احتمالاً دیگر هرگز به مدارهای الکتریکی مثل قبل نگاه نمیکنید...
بالاتر گفته بودیم که “انرژی به گونهای از باتری به لامپ منتقل شده است” و این موضوع که انرژی مصرفی لامپ، از باتری میآید درست است؛ اما این اتفاق غیرمستقیم رخ میدهد!
در درون باتری، جهت میدان الکتریکی بر خلاف جهت آن در مدار است، اما میدان مغناطیسی به همان جهت است. پس اگر به باتری همان گونه که به سیم نگاه کردیم، نگاه کنیم، میبینیم جریان انرژی از باتری خارج و به میدان وارد میشود (تصویر شماره 8).
مقدار انرژیای که مدار و لامپ از میدان دریافت میکنند، به همان اندازهای است که باتری انرژی به میدان میدهد. پس جریان انرژی در این مدار، بیشتر این شکلی است (تصویر شماره 9) تا شکلی که قبلاً تصور میکردید.
حتی مهم نیست DC باشد یا AC؛ با جریان متناوب، بارها در مدار فقط عقب و جلو میشوند زیرا جهت میدان الکتریکی دائماً عوض میشود و در نتیجه جهت میدان مغناطیسی هم دائماً تغییر میکند. وقتی جهت E عوض شود و جهت B هم عوض شود، این دو اثر یکدیگر را خنثی میکنند و جهت S ثابت باقی میماند (تصویر شماره 10 و 11).
انرژی چگونه در مدارهای الکتریکی منتقل میشود؟
انرژیای که باعث میشود یک مدار کار کند، از میدان اطراف مدار میآید. یک منبع انرژی مانند باتری، فقط همان مقدار انرژی را به میدان باز میگرداند تا قانون بقای انرژی نقض نشود. و کاری که جریان الکتریکی میکند، فراهم کردن شرایط مورد نیاز برای جریان یافتن انرژی است.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
تصویر شماره 2
باتری را میتوان دو بار هم نام با مقدار برابر در نظر گرفت که میدان الکتریکی را تحت تأثیر قرار میدهند.
@Cosmos_language
باتری را میتوان دو بار هم نام با مقدار برابر در نظر گرفت که میدان الکتریکی را تحت تأثیر قرار میدهند.
@Cosmos_language
This media is not supported in your browser
VIEW IN TELEGRAM
تصویر شماره 4
با متصل کردن دو سر باتری به مدار، میدان الکتریکی باتری از درون مدار هدایت میشود.
@Cosmos_language
با متصل کردن دو سر باتری به مدار، میدان الکتریکی باتری از درون مدار هدایت میشود.
@Cosmos_language
This media is not supported in your browser
VIEW IN TELEGRAM
تصویر شماره 5
خطوط آبی: میدان الکتریکی
نقاط متحرک قرمز: بارهای مثبت
نقطههای نارنجی: میدان مغناطیسی (برونسو)
ضربدرهای نارنجی: میدان مغناطیسی (درونسو)
@Cosmos_language
خطوط آبی: میدان الکتریکی
نقاط متحرک قرمز: بارهای مثبت
نقطههای نارنجی: میدان مغناطیسی (برونسو)
ضربدرهای نارنجی: میدان مغناطیسی (درونسو)
@Cosmos_language
تصویر شماره 7
بردار آبی: جهت میدان الکتریکی (قوی در سیم و ضعیف در اطراف سیم).
بردار نارنجی: جهت میدان مغناطیسی (ضعیف در سیم و قوی در اطراف سیم).
بردار سبز: جهت جریان انرژی که بر اساس “بردار پوینتینگ”، باید عمود بر هر دو بردار آبی و نارنجی باشد.
@Cosmos_language
بردار آبی: جهت میدان الکتریکی (قوی در سیم و ضعیف در اطراف سیم).
بردار نارنجی: جهت میدان مغناطیسی (ضعیف در سیم و قوی در اطراف سیم).
بردار سبز: جهت جریان انرژی که بر اساس “بردار پوینتینگ”، باید عمود بر هر دو بردار آبی و نارنجی باشد.
@Cosmos_language
This media is not supported in your browser
VIEW IN TELEGRAM
تصویر شماره 8
جهت جریان انرژی در باتری
بردار آبی: جهت میدان الکتریکی.
بردار نارنجی: جهت میدان مغناطیسی.
بردار سبز: جهت جریان انرژی که از باتری خارج و به میدان وارد میشود.
@Cosmos_language
جهت جریان انرژی در باتری
بردار آبی: جهت میدان الکتریکی.
بردار نارنجی: جهت میدان مغناطیسی.
بردار سبز: جهت جریان انرژی که از باتری خارج و به میدان وارد میشود.
@Cosmos_language
This media is not supported in your browser
VIEW IN TELEGRAM
تصویر شماره 11
جهت جریان انرژی در AC هم به همان شکل است. از ژنراتور وارد میدان میشود و از میدان وارد مدار.
@Cosmos_language
جهت جریان انرژی در AC هم به همان شکل است. از ژنراتور وارد میدان میشود و از میدان وارد مدار.
@Cosmos_language
❗️خبر مهم❗️
یک پنتاکوارک جدید کشف شد!
کوارکها اولین بار، برای توضیح ذرات تازه کشف شده در تابش کیهانی و آزمایشهای برخورد دهنده در اواسط قرن بیستم، پیشنهاد شدند. این لیست بلند ذرات، باعث سردرگمی فیزیکدانان شده بود تا اینکه ماری گلمن در سال 1960 با پیشبینی وجود گروه جدیدی از ذرات بنیادی، این مشکل را حل کرد. فیزیکدانان موفق به اثبات این حقیقت شدند که این لیست بلند ذرات ظاهراً بنیادی، در واقع از ذرات واقعاً بنیادی کوچکتری به نام کوارک ساخته شدهاند. به ذرات مرکبی که از به هم پیوستن این کوارکها (و پادکوارکها) به وجود میآیند، “هادرون” گفته میشود. هادرونها به دو گروه “باریون” و “مِزون” تقسیم میشوند که باریونها از سه کوارک و مزونها از یک کوارک و یک پادکوارک تشکیل شدهاند.
مدتها بود که باریونها و مزونها تنها هادرونهای شناخته شده بودند و ترکیبهای دیگر پیشبینی شده توسط گلمن، مثل “تِتراکوارک” (دو کوارک و دو پادکوارک) و “پِنتاکوارک” (چهار کوارک و یک پادکوارک)، در هیچ آزمایشی مشاهده نشده بودند و وجودشان اثبات نشده بود.
در سال 2014 که یکی از چهار آزمایش بزرگ LHC انجام شد، گزارش شد که ذرهی ⁺Z(4430) یک تتراکوارک است؛ و این باعث شد تلاش برای یافتن هادرونهای جدید، بیشتر شود. پس از آن در سال 2015، LHC از کشف نخستین پنتاکوارک خبر داد که نشان از اضافه شدن گروه جدیدی به خانواده هادرونها بود. این کار با استفاده از مقدار قابل توجهی از دادههای جدید ثبت شده در طول دومین راه اندازی LHC انجام شد.
وقتی محققان اولین ذره پنج کوارکی اصلی کشف شده در سال 2015 را بررسی کردند، متوجه شدند که آن پنتاکوارک در واقع دو پنتاکوارک جدا بودند که آنقدر جرمهایشان شبیه هم بود که به صورت یک تک ذره به نظر میرسیدند. حالا LHCb یک پنتاکوارک سوم با جرمی کمی کمتر از دو مورد قبلی پیدا کرده است. هر سه پنتاکوارک کشف شده از یک کوارک پایین، دو کوارک بالا، یک کوارک افسون و یک پادکوارک افسون ساخته شده بودند.
منبع:
CERN
پست(های) مرتبط:
کشف ذره ⁺⁺Ξcc
دنیای درون اتم
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
یک پنتاکوارک جدید کشف شد!
کوارکها اولین بار، برای توضیح ذرات تازه کشف شده در تابش کیهانی و آزمایشهای برخورد دهنده در اواسط قرن بیستم، پیشنهاد شدند. این لیست بلند ذرات، باعث سردرگمی فیزیکدانان شده بود تا اینکه ماری گلمن در سال 1960 با پیشبینی وجود گروه جدیدی از ذرات بنیادی، این مشکل را حل کرد. فیزیکدانان موفق به اثبات این حقیقت شدند که این لیست بلند ذرات ظاهراً بنیادی، در واقع از ذرات واقعاً بنیادی کوچکتری به نام کوارک ساخته شدهاند. به ذرات مرکبی که از به هم پیوستن این کوارکها (و پادکوارکها) به وجود میآیند، “هادرون” گفته میشود. هادرونها به دو گروه “باریون” و “مِزون” تقسیم میشوند که باریونها از سه کوارک و مزونها از یک کوارک و یک پادکوارک تشکیل شدهاند.
مدتها بود که باریونها و مزونها تنها هادرونهای شناخته شده بودند و ترکیبهای دیگر پیشبینی شده توسط گلمن، مثل “تِتراکوارک” (دو کوارک و دو پادکوارک) و “پِنتاکوارک” (چهار کوارک و یک پادکوارک)، در هیچ آزمایشی مشاهده نشده بودند و وجودشان اثبات نشده بود.
در سال 2014 که یکی از چهار آزمایش بزرگ LHC انجام شد، گزارش شد که ذرهی ⁺Z(4430) یک تتراکوارک است؛ و این باعث شد تلاش برای یافتن هادرونهای جدید، بیشتر شود. پس از آن در سال 2015، LHC از کشف نخستین پنتاکوارک خبر داد که نشان از اضافه شدن گروه جدیدی به خانواده هادرونها بود. این کار با استفاده از مقدار قابل توجهی از دادههای جدید ثبت شده در طول دومین راه اندازی LHC انجام شد.
وقتی محققان اولین ذره پنج کوارکی اصلی کشف شده در سال 2015 را بررسی کردند، متوجه شدند که آن پنتاکوارک در واقع دو پنتاکوارک جدا بودند که آنقدر جرمهایشان شبیه هم بود که به صورت یک تک ذره به نظر میرسیدند. حالا LHCb یک پنتاکوارک سوم با جرمی کمی کمتر از دو مورد قبلی پیدا کرده است. هر سه پنتاکوارک کشف شده از یک کوارک پایین، دو کوارک بالا، یک کوارک افسون و یک پادکوارک افسون ساخته شده بودند.
منبع:
CERN
پست(های) مرتبط:
کشف ذره ⁺⁺Ξcc
دنیای درون اتم
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
اولین تصویر واقعی از یک سیاهچاله
سالهاست که نظریه نسبیت عام، وجود سیاهچالهها را پیشبینی کرده است و آنقدر که دانشمندان عمرشان را صرف مطالعه این اجسام کردند، تقریباً فراموش کرده بودیم که تاکنون یک سیاهچاله را ندیدهایم!
این عکس که سیاهچاله مرکز کهکشان M87 را نشان میدهد، اولین اثبات تجربی مستقیم از وجود سیاهچالههاست که طی تلاشهای دانشمندان در پروژه افق رویداد ثبت شده است.
پروژه افق رویداد از تکنیکی به نام “تداخل سنجی رادیویی” استفاده کرد و با به هم پیوند دادن تلسکوپهای رادیویی در سر تا سر کره زمین، تلسکوپی به بزرگی سیاره زمین ساخت و این تصویر را به دست آورد.
چطور با وجود سیاه بودن سیاهچالهها، میتوان آنها را دید؟
ما سیاهچاله را ندیدیم! سیاهچاله آن دایره سیاه رنگ وسط تصویر است که دیده نمیشود. نوری که اطراف این دایره سیاه را فراگرفته، از درون افق رویداد نمیآید بلکه خیلی به افق رویداد نزدیک بوده است. بیشتر این نور از ذرات بسیار داغ اطراف سیاهچاله ساطع میشود که در فاصلهای بین 5 تا 20 برابر شعاع شوارتزشیلد هستند که 1000 برابر نسبت به مشاهدات قبلی به سیاهچاله نزدیکتر هستند. و بخشی از این نور هم در واقع از اجسامی که پشت سیاهچاله هستند میآید و ممکن است بعضی از فوتونها ابتدا یک یا چند دور به دور سیاهچاله بچرخند و سپس به سمت ما بیایند.
چرا قسمت پایین نورانیتر است؟
این یکی از پیشبینیهای نسبیت خاص است و به اثر داپلر مربوط میشود. ذرات داغی که در قرص برافزایشی در حال چرخش به دور سیاهچاله هستند، در پایین افق رویداد به سمت تلسکوپ ما حرکت میکنند و در بالای افق رویداد، از تلسکوپ ما دور میشوند و اثر داپلر باعث میشود در پایین افق رویداد فرکانس بالاتری را مشاهده کنیم.
چرا مشاهده در طیف رادیویی انجام شد؟
دو دلیل برای این موضوع وجود دارد. اول آنکه سیاهچالهها در این طیف درخشانتر از سایر طیفها هستند و دوم اینکه تکنولوژی امروز برای طول موجهای کوتاهتر محدودیت ایجاد کرد. برای تکنیک تداخل سنجی رادیویی، هر چه طول موج کمتر باشد، رزولوشن زاویهای بهتر خواهد بود. اگر میشد در طیف مرئی یا X که طول موجوهای بسیار کوتاه دارند این اندازهگیری را انجام داد، عالی بود. اما تکنولوژی امروز مانع این کار شد و برای گرفتن بهترین نتیجه با تکنولوژی امروز، و در نظر گرفتن درخشندگی سیاهچالهها در طیفها مختلف، بهترین طول موج ممکن، چیزی حدود 1mm (فرکانس 230GHz) بود.
اگر طول موج کمتر به معنای رزولوشن بالاتر است، چطور با طول موجی به بزرگی یک میلیمتر به رزولوشن مطلوب رسیدیم؟
طول موج یک میلیمتر، طول موج زیادی برای نور محسوب میشود و این یعنی رزولوشن کمتر. اما علاوه بر کاهش طول موج اندازهگیری، راه دیگری هم برای افزایش رزولوشن وجود دارد و آن افزایش قطر دهانه تلسکوپ است. با به هم پیوستن چندین تلسکوپ رادیویی در سر تا سر زمین، توانستیم تلسکوپی با قطر مؤثر 8000 کیلومتر تولید کنیم. هر کدام از این تلسکوپها به تنهایی رزولوشن زاویهای به اندازه تقریباً 1 ثانیه قوسی به دست میدهند، اما مجموع آنها در کنار هم میتوانند حدود 50000 برابر رزولوشن را بهبود دهند.
چرا این کار دشوار است؟
سختی کار اینجاست که قطر مؤثر به اندازه سیاره اما مساحت مؤثر بسیار کمتر است. تلسکوپ افق رویداد که قطر مؤثر آن 8000 کیلومتر است، از چند آنتن رادیویی کوچک ساخته شده است که افق رویداد را شبیه به آینه بسیار بزرگی میکند که ما فقط تکههای کوچکی از این آینه بزرگ را در اختیار داریم و این یعنی تصویر ناقصی ثبت میکنیم. البته چرخش زمین به دور خودش کمی به ما کمک میکند اما کافی نیست. با استفاده از دادههای ناقص و الگوریتمهای پیچیده تصویر از دادهها استخراج میشود.
به علاوه اینکه تلسکوپ ALMA نقش کلیدیای ایفا کرد. ALMA متشکل از 50 آنتن رادیویی هر کدام به قطر 12 متر است در حالی که سایر ایستگاهها تنها یک با تعداد اندکی آنتن داشتند.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
سالهاست که نظریه نسبیت عام، وجود سیاهچالهها را پیشبینی کرده است و آنقدر که دانشمندان عمرشان را صرف مطالعه این اجسام کردند، تقریباً فراموش کرده بودیم که تاکنون یک سیاهچاله را ندیدهایم!
این عکس که سیاهچاله مرکز کهکشان M87 را نشان میدهد، اولین اثبات تجربی مستقیم از وجود سیاهچالههاست که طی تلاشهای دانشمندان در پروژه افق رویداد ثبت شده است.
پروژه افق رویداد از تکنیکی به نام “تداخل سنجی رادیویی” استفاده کرد و با به هم پیوند دادن تلسکوپهای رادیویی در سر تا سر کره زمین، تلسکوپی به بزرگی سیاره زمین ساخت و این تصویر را به دست آورد.
چطور با وجود سیاه بودن سیاهچالهها، میتوان آنها را دید؟
ما سیاهچاله را ندیدیم! سیاهچاله آن دایره سیاه رنگ وسط تصویر است که دیده نمیشود. نوری که اطراف این دایره سیاه را فراگرفته، از درون افق رویداد نمیآید بلکه خیلی به افق رویداد نزدیک بوده است. بیشتر این نور از ذرات بسیار داغ اطراف سیاهچاله ساطع میشود که در فاصلهای بین 5 تا 20 برابر شعاع شوارتزشیلد هستند که 1000 برابر نسبت به مشاهدات قبلی به سیاهچاله نزدیکتر هستند. و بخشی از این نور هم در واقع از اجسامی که پشت سیاهچاله هستند میآید و ممکن است بعضی از فوتونها ابتدا یک یا چند دور به دور سیاهچاله بچرخند و سپس به سمت ما بیایند.
چرا قسمت پایین نورانیتر است؟
این یکی از پیشبینیهای نسبیت خاص است و به اثر داپلر مربوط میشود. ذرات داغی که در قرص برافزایشی در حال چرخش به دور سیاهچاله هستند، در پایین افق رویداد به سمت تلسکوپ ما حرکت میکنند و در بالای افق رویداد، از تلسکوپ ما دور میشوند و اثر داپلر باعث میشود در پایین افق رویداد فرکانس بالاتری را مشاهده کنیم.
چرا مشاهده در طیف رادیویی انجام شد؟
دو دلیل برای این موضوع وجود دارد. اول آنکه سیاهچالهها در این طیف درخشانتر از سایر طیفها هستند و دوم اینکه تکنولوژی امروز برای طول موجهای کوتاهتر محدودیت ایجاد کرد. برای تکنیک تداخل سنجی رادیویی، هر چه طول موج کمتر باشد، رزولوشن زاویهای بهتر خواهد بود. اگر میشد در طیف مرئی یا X که طول موجوهای بسیار کوتاه دارند این اندازهگیری را انجام داد، عالی بود. اما تکنولوژی امروز مانع این کار شد و برای گرفتن بهترین نتیجه با تکنولوژی امروز، و در نظر گرفتن درخشندگی سیاهچالهها در طیفها مختلف، بهترین طول موج ممکن، چیزی حدود 1mm (فرکانس 230GHz) بود.
اگر طول موج کمتر به معنای رزولوشن بالاتر است، چطور با طول موجی به بزرگی یک میلیمتر به رزولوشن مطلوب رسیدیم؟
طول موج یک میلیمتر، طول موج زیادی برای نور محسوب میشود و این یعنی رزولوشن کمتر. اما علاوه بر کاهش طول موج اندازهگیری، راه دیگری هم برای افزایش رزولوشن وجود دارد و آن افزایش قطر دهانه تلسکوپ است. با به هم پیوستن چندین تلسکوپ رادیویی در سر تا سر زمین، توانستیم تلسکوپی با قطر مؤثر 8000 کیلومتر تولید کنیم. هر کدام از این تلسکوپها به تنهایی رزولوشن زاویهای به اندازه تقریباً 1 ثانیه قوسی به دست میدهند، اما مجموع آنها در کنار هم میتوانند حدود 50000 برابر رزولوشن را بهبود دهند.
چرا این کار دشوار است؟
سختی کار اینجاست که قطر مؤثر به اندازه سیاره اما مساحت مؤثر بسیار کمتر است. تلسکوپ افق رویداد که قطر مؤثر آن 8000 کیلومتر است، از چند آنتن رادیویی کوچک ساخته شده است که افق رویداد را شبیه به آینه بسیار بزرگی میکند که ما فقط تکههای کوچکی از این آینه بزرگ را در اختیار داریم و این یعنی تصویر ناقصی ثبت میکنیم. البته چرخش زمین به دور خودش کمی به ما کمک میکند اما کافی نیست. با استفاده از دادههای ناقص و الگوریتمهای پیچیده تصویر از دادهها استخراج میشود.
به علاوه اینکه تلسکوپ ALMA نقش کلیدیای ایفا کرد. ALMA متشکل از 50 آنتن رادیویی هر کدام به قطر 12 متر است در حالی که سایر ایستگاهها تنها یک با تعداد اندکی آنتن داشتند.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
دادهها چگونه ثبت و پردازش شدند؟
در هر کدام از ایستگاههای رصدی، بانکی از دیسکهای سخت افزاری برای ذخیره اطلاعات وجود داشت. هر یک از این بانکها از 4 الی 8 ثبت کننده و هر ثبت کننده از 8 هارد درایو 8 ترابایتی تشکیل شده بود. دیتاهایی که آنتنها ثبت میکردند، با نرخ 8 گیگابایت بر ثانیه مستقیماً روی این دیسکهای سخت افزاری ذخیره میشد. و در عرض 5 روز، تمامی دیسکها پر میشدند و هر ایستگاه صدها ترابایت دیتا ذخیره کرده بود. حجم دیتاها آنقدر زیاد بود که حتی نمیشد از طریق اینترنت آنها را به مرکز پردازش فرستاد و باید تمام دیسکهای سخت افزاری با هواپیما منتقل میشدند. بعضی از ایستگاههای رصدی در مناطقی مثل گرینلد یا قطب جنوب قرار داشتند که در این صورت محققان باید ماهها صبر میکردند تا در قطب جنوب تابستان شود و بتوانند دیسکها را منتقل کنند زیرا امکان ترک قطب جنوب در زمستان به هیچ عنوان وجود ندارد.
علاوه بر این، تمام تلسکوپها همزمان باید شروع به ثبت دیتا میکردند. معمولاً در ماههای مارچ یا آپریل یک بازه زمانی 10 روزه انتخاب میشد و هنگامی که آب و هوا در تمامی نقاطی که ایستگاههای رصدی واقع شده بودند منسب بود، همگی با هم شروع به رصد میکردند؛ ضمن اینکه طی رصد هم تمام تلسکوپها باید با دقت نانوثانیه با هم هماهنگ میبودند.
تداخل سنجی رادیویی چگونه کار میکند؟
در این تکنیک، یک موج الکترومغناطیسی توسط چند تلسکوپ مختلف رصد میشود و از آنجا که تلسکوپها در نقاط مختلفی واقع شدهاند، میدانیم که زمان رسیدن موج به آنها باید با هم تفاوت داشته باشد. به طر تقریبی میدانیم که موج از کجا میآید، اما با اندازهگیری دقیق وقفه زمانی بین رسیدن سیگنال به ایستگاههای مختلف، میتوان محل دقیق منشأ سیگنال را مشخص نمود.
نکنه آخر اینکه مشاهده انجام شده با نسبیت عام در توافق کامل بود و امروز نسبیت عام از یک آزمون سفت و سخت دیگر سرافراز بیرون آمد.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
در هر کدام از ایستگاههای رصدی، بانکی از دیسکهای سخت افزاری برای ذخیره اطلاعات وجود داشت. هر یک از این بانکها از 4 الی 8 ثبت کننده و هر ثبت کننده از 8 هارد درایو 8 ترابایتی تشکیل شده بود. دیتاهایی که آنتنها ثبت میکردند، با نرخ 8 گیگابایت بر ثانیه مستقیماً روی این دیسکهای سخت افزاری ذخیره میشد. و در عرض 5 روز، تمامی دیسکها پر میشدند و هر ایستگاه صدها ترابایت دیتا ذخیره کرده بود. حجم دیتاها آنقدر زیاد بود که حتی نمیشد از طریق اینترنت آنها را به مرکز پردازش فرستاد و باید تمام دیسکهای سخت افزاری با هواپیما منتقل میشدند. بعضی از ایستگاههای رصدی در مناطقی مثل گرینلد یا قطب جنوب قرار داشتند که در این صورت محققان باید ماهها صبر میکردند تا در قطب جنوب تابستان شود و بتوانند دیسکها را منتقل کنند زیرا امکان ترک قطب جنوب در زمستان به هیچ عنوان وجود ندارد.
علاوه بر این، تمام تلسکوپها همزمان باید شروع به ثبت دیتا میکردند. معمولاً در ماههای مارچ یا آپریل یک بازه زمانی 10 روزه انتخاب میشد و هنگامی که آب و هوا در تمامی نقاطی که ایستگاههای رصدی واقع شده بودند منسب بود، همگی با هم شروع به رصد میکردند؛ ضمن اینکه طی رصد هم تمام تلسکوپها باید با دقت نانوثانیه با هم هماهنگ میبودند.
تداخل سنجی رادیویی چگونه کار میکند؟
در این تکنیک، یک موج الکترومغناطیسی توسط چند تلسکوپ مختلف رصد میشود و از آنجا که تلسکوپها در نقاط مختلفی واقع شدهاند، میدانیم که زمان رسیدن موج به آنها باید با هم تفاوت داشته باشد. به طر تقریبی میدانیم که موج از کجا میآید، اما با اندازهگیری دقیق وقفه زمانی بین رسیدن سیگنال به ایستگاههای مختلف، میتوان محل دقیق منشأ سیگنال را مشخص نمود.
نکنه آخر اینکه مشاهده انجام شده با نسبیت عام در توافق کامل بود و امروز نسبیت عام از یک آزمون سفت و سخت دیگر سرافراز بیرون آمد.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
انرژی تاریک
قسمت اول: جهان چگونه پایان مییابد؟
شاید این تنها پیشبینی نسبیت عام باشد که ما هرگز مستقیماً مورد آزمون قرار ندادیم و هرگز هم (تا آخرین روز از عمر جهان) مورد آزمون قرار نخواهیم داد. اما همین که نظریه اینشتین به ما امکان پاسخ دادن به این سؤال را میدهد، به خودی خود فوقالعاده است. مدت کوتاهی پس از آنکه اینشتین نظریه نسبیت عام خود را منتشر کرد، یک فیزیکدان نابغه روسی به نام الکساندر فریدمن نظریه را به کل جهان تعمیم داد و آن را با مشاهدات انتقال به سرخ کهکشانها ترکیب کرد. این به ما نشان داد که فضا خود در حال انبساط است.
در دل نسبیت عام، معادلات میدان اینشتین قرار دارد که به این شکل است (تصویر شماره 1). شاید بگویید واژه “معادلات” جمع است، پس چرا فقط یک معادله در تصویر دیده میشود؟
در آن معادله، دو عبارت G و T تانسور هستند. تانسورها کمیتهای چند مؤلفهای و چند بُعدی ریاضی هستند. در این معادله، G “تانسور اینشتین” نام دارد که شکل هندسی و خمیدگی فضا-زمان را توصیف میکند. و T “تانسور ضربه-انرژی” است که تمام انرژی، فشار، تکانه و... ای که درون آن فضا-زمان قرار دارد را توصیف میکند. هر دوی این تانسورها 10 مؤلفه مستقل دارند که یعنی 10 معادله میدان مستقل وجود دارد تا بتوان واکنش فضا-زمان به تمام چیزهایی که درونش است را توصیف کرد و به خاطر همین واژه “معادله” به شکل جمع (معادلات) به کار میرود.
جان ویلر معنای این معادلات را خیلی ساده بیان میکند: «فضا-زمان به ماده میگوید چطور حرکت کند و ماده به فضا-زمان میگوید چطور خم شود.».
بیایید به گرانش، از دیدگاه نیوتنی به عنوان یک نیرو نگاه کنیم به جای اینکه آن را خمیدگی فضا-زمان در نظر بگیریم. اگر یک سیب را مستقیم به بالا پرتاب کنیم، گرانش آن را دوباره پایین میکشد. هر چه سرعت بیشتری موقع پرتاب سیب به آن بدهیم، سیب مسافت بیشتری را قبل از اینکه گرانش متوقفش کند طی میکند. اگر سیب را با سرعت 11 کیلومتر بر ثانیه (سرعت گریز کره زمین) به سمت بالا پرتاب کنیم، زمانی از حرکت میایستد که نیروی گرانش زمین بر آن به صفر میل میکند. این سرعت گریز، مستقیماً از قانون گرانش نیوتن میآید:
F=Gm₁m₂/r²
F: نیروی گرانش
G: ثابت گرانش نیوتن
m₁ و m₂: جرم دو جسمی که به هم نیرو وارد میکنند
r: فاصله بین دو جسم
که این قانون خود از معادلات اینشتین قابل استخراج است. چیزی که سرعت گریز را از قانون گرانش نیوتن به دست میآورد، فکر کردن در مورد انرژی است. انرژی جنبشی سیب هنگامی که در حال دور شدن از زمین است، توسط میدان گرانشی زمین کشیده میشود و تبدیل به انرژی پتانسیل گرانشی میگردد. به خاطر داشته باشید که انرژی همیشه پایسته است و سیب به یک حداقل انرژی جنبشیای نیاز دارد تا بتواند از گرانش زمین بگریزد. این “حداقل انرژی جنبشی” سرعت گریز را به ما میگوید.
با فرض عدم وجود انرژی تاریک، جهان هم دارای یک “سرعت گریز” است. سرعتی که اگر کهکشانها با آن (به دلیل انبساط کیهان) از هم دور شوند، موفق خواهند شد که از گرانش یکدیگر بگریزند. در این صورت جاذبه گرانشی بین کهکشانها، سرعت انبساط جهان را کمتر و کمتر میکند اما بینهایت زمان لازم است تا سرعت انبساط به صفر برسد و به کلی متوقف شود. این سرعت گریز برای جهان را میتوان با حل معادلات میدان اینشتین برای جهان به دست آورد. امکانپذیر بودن این کار واقعاً فوق العاده است و چیزی که انجام این کار را ممکن میکند، پراکندگی یکسان ماده در کیهان بزرگ مقیاس است. چنین جهان بزرگ مقیاسی ده معادله میدان اینشتین را به دو رابطه سادهتر به نام معادلات فریدمن تقلیل میدهد. اولین معادله به این شکل است (تصویر شماره 2).
ممکن است این معادله زیاد ساده به نظر نیاید، اما میتوان آن را به زبان فارسی خواند. حرف a در این معادله، فاکتور مقیاس نام دارد که اندازه جهان را نشان میدهد (دقیقتر این است که به آن به عنوان میانگین فاصله بین کهکشانها نگاه کنید). معادله فریدمن به ما میگوید که a چگونه در گذر زمان تغییر میکند؛ این همان چیزی است که ȧ نمایش میدهد: سرعت انبساط جهان (اگر با حسابان آشنایی دارید، ȧ مشتق a نسبت به زمان است).
قسمت اول: جهان چگونه پایان مییابد؟
شاید این تنها پیشبینی نسبیت عام باشد که ما هرگز مستقیماً مورد آزمون قرار ندادیم و هرگز هم (تا آخرین روز از عمر جهان) مورد آزمون قرار نخواهیم داد. اما همین که نظریه اینشتین به ما امکان پاسخ دادن به این سؤال را میدهد، به خودی خود فوقالعاده است. مدت کوتاهی پس از آنکه اینشتین نظریه نسبیت عام خود را منتشر کرد، یک فیزیکدان نابغه روسی به نام الکساندر فریدمن نظریه را به کل جهان تعمیم داد و آن را با مشاهدات انتقال به سرخ کهکشانها ترکیب کرد. این به ما نشان داد که فضا خود در حال انبساط است.
در دل نسبیت عام، معادلات میدان اینشتین قرار دارد که به این شکل است (تصویر شماره 1). شاید بگویید واژه “معادلات” جمع است، پس چرا فقط یک معادله در تصویر دیده میشود؟
در آن معادله، دو عبارت G و T تانسور هستند. تانسورها کمیتهای چند مؤلفهای و چند بُعدی ریاضی هستند. در این معادله، G “تانسور اینشتین” نام دارد که شکل هندسی و خمیدگی فضا-زمان را توصیف میکند. و T “تانسور ضربه-انرژی” است که تمام انرژی، فشار، تکانه و... ای که درون آن فضا-زمان قرار دارد را توصیف میکند. هر دوی این تانسورها 10 مؤلفه مستقل دارند که یعنی 10 معادله میدان مستقل وجود دارد تا بتوان واکنش فضا-زمان به تمام چیزهایی که درونش است را توصیف کرد و به خاطر همین واژه “معادله” به شکل جمع (معادلات) به کار میرود.
جان ویلر معنای این معادلات را خیلی ساده بیان میکند: «فضا-زمان به ماده میگوید چطور حرکت کند و ماده به فضا-زمان میگوید چطور خم شود.».
بیایید به گرانش، از دیدگاه نیوتنی به عنوان یک نیرو نگاه کنیم به جای اینکه آن را خمیدگی فضا-زمان در نظر بگیریم. اگر یک سیب را مستقیم به بالا پرتاب کنیم، گرانش آن را دوباره پایین میکشد. هر چه سرعت بیشتری موقع پرتاب سیب به آن بدهیم، سیب مسافت بیشتری را قبل از اینکه گرانش متوقفش کند طی میکند. اگر سیب را با سرعت 11 کیلومتر بر ثانیه (سرعت گریز کره زمین) به سمت بالا پرتاب کنیم، زمانی از حرکت میایستد که نیروی گرانش زمین بر آن به صفر میل میکند. این سرعت گریز، مستقیماً از قانون گرانش نیوتن میآید:
F=Gm₁m₂/r²
F: نیروی گرانش
G: ثابت گرانش نیوتن
m₁ و m₂: جرم دو جسمی که به هم نیرو وارد میکنند
r: فاصله بین دو جسم
که این قانون خود از معادلات اینشتین قابل استخراج است. چیزی که سرعت گریز را از قانون گرانش نیوتن به دست میآورد، فکر کردن در مورد انرژی است. انرژی جنبشی سیب هنگامی که در حال دور شدن از زمین است، توسط میدان گرانشی زمین کشیده میشود و تبدیل به انرژی پتانسیل گرانشی میگردد. به خاطر داشته باشید که انرژی همیشه پایسته است و سیب به یک حداقل انرژی جنبشیای نیاز دارد تا بتواند از گرانش زمین بگریزد. این “حداقل انرژی جنبشی” سرعت گریز را به ما میگوید.
با فرض عدم وجود انرژی تاریک، جهان هم دارای یک “سرعت گریز” است. سرعتی که اگر کهکشانها با آن (به دلیل انبساط کیهان) از هم دور شوند، موفق خواهند شد که از گرانش یکدیگر بگریزند. در این صورت جاذبه گرانشی بین کهکشانها، سرعت انبساط جهان را کمتر و کمتر میکند اما بینهایت زمان لازم است تا سرعت انبساط به صفر برسد و به کلی متوقف شود. این سرعت گریز برای جهان را میتوان با حل معادلات میدان اینشتین برای جهان به دست آورد. امکانپذیر بودن این کار واقعاً فوق العاده است و چیزی که انجام این کار را ممکن میکند، پراکندگی یکسان ماده در کیهان بزرگ مقیاس است. چنین جهان بزرگ مقیاسی ده معادله میدان اینشتین را به دو رابطه سادهتر به نام معادلات فریدمن تقلیل میدهد. اولین معادله به این شکل است (تصویر شماره 2).
ممکن است این معادله زیاد ساده به نظر نیاید، اما میتوان آن را به زبان فارسی خواند. حرف a در این معادله، فاکتور مقیاس نام دارد که اندازه جهان را نشان میدهد (دقیقتر این است که به آن به عنوان میانگین فاصله بین کهکشانها نگاه کنید). معادله فریدمن به ما میگوید که a چگونه در گذر زمان تغییر میکند؛ این همان چیزی است که ȧ نمایش میدهد: سرعت انبساط جهان (اگر با حسابان آشنایی دارید، ȧ مشتق a نسبت به زمان است).