نشت انرژي از عالم واقعيت دارد؟
آنها كه اين مقوله را دنبال ميكنند عمدتا روي نور متمركز شدهاند. به عقيده اين دسته از دانشمندان، نور از گذر از عالم، مقداري انرژي خود را از دست ميدهد. اما پرسشي كه آنها مطرح ميكنند اين است كه اين انرژي به كجا ميرود؟ و آيا اصولا ميتوان گفت انرژي در عالم ناپديد ميشود؟!
به عنوان يك اصل ساده و نه چندان عجيب علمي بايد گفت انرژي را نه ميتوان توليد كرد و نه آن را از ميان برد. اين اصل كه از آن به اصل پايداري انرژي ياد ميشود يكي از قوانين بسيار شناخته شده علم فيزيك است. سايه اين قانون را در لحظه به لحظه زندگي ميتوان مشاهده كرد. اگر نگاهي به فنجان داغ قهوهاي بيندازيم كه گرماي آن كل فنجان و بدنه آن را گرم ميكند يا فعل و انفعالات شيميايي كه در نتيجه آنها اكسيژن در ساختار برگ درختان توليد ميشود و حتي كمي فراتر از آن يعني چرخش زمين به دور خورشيد و در نهايت غذايي كه مصرف ميكنيم تا با استفاده از آن ضرباهنگ حياتمان را حفظ كنيم، همگي نشان روشني از اصل پايداري انرژي است. در حقيقت هر حركتي كه در گوشه و كنار عالم شكل ميگيرد، بر مبناي انرژي و تغيير و تحولاتي است كه در آن روي ميدهد.
قوانين ساده و پذيرفته شده علم فيزيك ميگويند مقدار انرژي در كل عالم ثابت و پايدار است و تنها شكل آن است كه دستخوش تغيير شده است.
ما نميتوانيم بدون انرژي به زندگي خود ادامه دهيم و خودروها نيز بدون سوخت نميتوانند حتي يك متر حركت كنند. بدون در نظر گرفتن انرژي هيچ فناوري نميتواند پا به عرصه وجود بگذارد. به همين دليل وقتي صحبت از نقض اين قانون كلي ميشود بدون شك هر كسي به بررسي آن علاقهمند ميشود. در چنين وضعيتي اين پرسش ساده اما بحث برانگيز مطرح ميشود كه مگر ميتوان متصور شد انرژي در سراسر عالم پايدار نباشد؟
بياييد براي لحظاتي از دنياي اطرافمان كه به زمين و متعلقات آن محصور ميشود خارج شويم و به دنيايي فراتر از آن قدم بگذاريم. دانشمندان براي بررسي اين موضوع ترجيح ميدهند سر نخ قضيه را نه در زمين بلكه در عالم فرازميني دنبال كنند. اين براي نخستينبار نيست كه چنين نگرشي در دانشمندان ايجاد ميشود. نكته مهم اين است كه ريشه بسياري از اما و اگرهاي علم فيزيك را ميتوان در عالم فرازميني مورد بررسي قرار داد. البته اين نوع بررسي به فناوريهاي خاص و پيشرفتهاي نظير تلسكوپهاي قدرتمند نياز دارد. تقريبا تمامي اطلاعاتي كه ما از دنياي فرا زميني داريم در قالب نور است و يكي از مشخصههاي كليدي آن اين است كه قابليت قرمز شدن دارد. به بيان ديگر، نور كهكشانها در عبور از مرزهاي عالم تغيير رنگ ميدهند و همين نكته آغازگر اما و اگرهاي زيادي براي دانشمنداني شده است كه اصل پايداري انرژي را مورد مطالعه قرار ميدهند. در حقيقت اينجا صحبت از همان امواج الكترومغناطيسي است كه همزمان با فاصله گرفتن از كهكشانهاي دور دست و منتشر شدن در عالم بسط و گسترش پيدا ميكنند. اين همان چيزي است كه از سوي آلبرت اينشتين و تحت عنوان نظريه نسبيت مطرح شده است. اما نكته مهم اين است كه هر چه طول موج اين امواج بيشتر باشد از سطح پايينتري از انرژي برخوردار هستند. در اينجا ممكن است پرسش مهمي به ذهن افراد علاقهمند خطور كند. در زماني كه بهواسطه بسط پيدا كردن عالم نور به قرمز تمايل پيدا ميكند، انرژي آن به كجا ميرود؟ آيا اين انرژي گم ميشود؟ آيا ميتوان گفت در تناقض با يك اصل ساده و كاملا پذيرفته شده علمي در اينجا انرژي گم شده است؟
فيزيك مدرن نشان داده است هنگامي كه از دنياي محدود اطرافمان خارج ميشويم و به دنبال بررسي امور سخت و پيچيده فرا زميني ميرويم بايد اين احتمال را همواره مد نظر داشته باشيم كه فرضيات قبلي و اصولي كه همواره به آنها واقف بودهايم ممكن است در هم فرو ريزند. در چنين مواردي بايد همواره منتظر يك پديده غيرعادي و مخالف با تصورات از پيش تعريف شده بود. بشر امروزي از يافتههاي اينشتين دريافته است كه مفهوم مقارنه يا همساني در حقيقت نوعي وهم است كه بر اساس ديدگاه فرد بيننده تغيير ميكند. در حال حاضر ما بر اين گمان نيز هستيم كه تداوم آشكار زمان و فضا ممكن است همچون ظاهر مواد گمراهكننده باشد. بسياري از موادي كه اطراف ما هستند ظاهري براي خود دارند كه ممكن است نتوانيم از روي اين ظاهر به باطن و خواص اصلي آنها پي ببريم. پس در فيزيك چه چيزي وجود دارد كه بتوان نسبت به آن مطمئن بود؟ گذشته از آن بايد اين پرسش را نيز مطرح كرد كه با تكيه بر چه اصولي در علم فيزيك ميتوان به دنبال كشف يافتههاي عميقتري بود؟ در عصر حاضر فيزيكدانان روزهاي طولاني را عمدتا براي بررسي امور شناخته شده صرف ميكنند و در عين حال تلاش ميكنند متوجه شوند دانش بشري در چه زمينههايي دچار نقصان است تا براي آنها توضيحات سادهاي ارائه كنند. در اين ميان با نگاهي به تاريخ علم بخوبي روشن ميشود كه دانش بشري در راه كشف يافتههاي جديد مملو از سوءبرداشتها بوده است. پس آيا ميتوان گفت اصل پايداري انرژي نيز يكي از همين سوء برداشت هاست كه اگر اينگونه باشد بايد منتظر زلزله بزرگي در كليت دانش بشر بود.
حقيقت اين است كه چنين نيست. اگر در ابعاد دنياي تك فوتوني به اين قضيه نگاه كنيم انرژي همواره ثابت و پايدار است، حتي اگر نور به رنگ قرمز تغيير ظاهر دهد. در نقطه مقابل براي پديدههايي كه در كهكشان راه شيري روي ميدهند بايد گفت عملا امكاني براي نقض اين قانون وجود ندارد و اصل پايداري انرژي در اينجا نيز كاملا دست نخورده باقي ميماند. اما زماني كه صحبت از ابعاد كيهاني ميشود، انرژي به مفهوم زيركانهاي تبديل ميشود و دقيقا از همين جاست كه هيجان نهفته در موضوع نشت انرژي از عالم آغاز ميشود.تقارن و بقاي انرژي
نه تنها اصل پايداري و بقاي انرژي بارها در جريان انجام آزمايشات تجربي مورد تأييد قرار گرفته است، بلكه دانشمندان نيز دلايل تئوريكي خوبي نيز براي پذيرفتن اين اصل دارند. امي نوتر، رياضيدان شناخته شده آلماني كمك زيادي در اين خصوص به دانشمندان و فهم آنها از اصل پايداري انرژي كرده است. وي حدود يك قرن پيش شكل گيري اين اصل مهم علمي را پايهگذاري كرد و آن زماني بود كه او متوجه شد تمامي قوانين مربوط به پايداري و بقاء مبتني بر تقارن طبيعت است.
او براي روشن ساختن هر چه بهتر اصل تقارن در عالم از اشكال هندسي استفاده ميكرد. معمولا زماني كه صحبت از تقارن ميشود، ذهن به طور خودكار به سمت آينه معطوف ميشود. در آينه نوعي بازتاب يا شايد چرخش ديده ميشود. براي فهم بهتر اين موضوع ميتوان به مثلث متساوي الاضلاع اشاره كرد كه اگر در هر جهتي چرخيده شود باز هم يك مثلث متساوي الاضلاع ديده ميشود. البته اگر ميخواهيد در برابر خود مثلثي با همان شكل قبلي ببينيد (مثلا يك نوك آن به سمت بالا باشد) بايد آن را بهاندازه يكسوم يك دايره فرضي بچرخانيد. يك مربع نيز چنين خصوصيتي دارد با اين تفاوت كه بايد آن را بهاندازه يكچهارم بچرخانيد. مقارنترين اشكال در دنياي دو بعدي دايره است. اين شكل را هر ميزان كه بچرخانيد باز هم همان دايره است. آنچه درخصوص دايره گفته شده چيزي نيست جز تقارن پايدار يا هميشگي.
قوانين فيزيكي نيز ميتوانند متقارن باشند. گذر زمان تغييري در قوانين طبيعت ايجاد نميكند. اگر يك آزمايش ساده فيزيكي را بارها و بارها انجام دهيد باز هم همان نتيجه قبلي را به دست خواهيد آورد. به عنوان مثال اگر با همان شدت و در همان زاويه قبلي به توپ بيليارد ضربه بزنيد، اتفاقاتي در زمين بازي روي ميدهد كه در دفعه قبل نيز شاهد آن بودهايد. به اين كيفيت تعريف شده تقارن زماني گفته ميشود. قوانين طبيعي هيچگاه به واسطه تغيير مكان جغرافيايي فرد تغيير نميكنند. از اينرو ما تقارن فضايي نيز داريم. گذشته از اين قوانين طبيعت به واسطه تغيير زاويه ديدمان نسبت به آنها دچار تغيير و تحول نميشوند. به اين كيفيت نيز تقارن چرخشي گفته ميشود. البته مطمئنا چشمانداز شما ميتواند براساس تغييري كه در محل ايستادنتان ايجاد ميكنيد دستخوش تغيير و تحول نيز شود. جهت نگاه نيز دراين خصوص تأثيرگذار است، اما قوانين بنيادين فيزيك مستقل از مكان جغرافيايي ما و همچنين زمان هستند. اكنون اين پرسش مطرح ميشود كه اين نكات چه ارتباطي با آن دايره دارند؟ پاسخ كاملا روشن است. زماني كه قانوني به رغم تغيير در مكان و زمان باز هم ثابت و پايدار باقي ميماند همچون دايره تحت عنوان تقارن پايدار شناخته ميشود.
آنچه نوتر كشف كرد اين بود كه هر زمان طبيعت تقارن پايداري را نمايش دهد، حتما يك قانون پايدار نيز در ادامه آن وجود دارد و بالعكس. اكنون نوبت نتيجه گيري در اين خصوص است كه انرژي نيز همواره پايدار است. تقارن فضايي گوياي آن است كه ميزان نيروي حركت آني پايدار است. همچنين تقارن چرخشي نيز اين اطمينان خاطر را در ما ايجاد ميكند كه ميزان نيروي حركت آني زاويهدار نيز همواره پايدار است و در نهايت تقارن زماني نيز ميگويد انرژي پايدار است. بنابراين بيان اينكه قانون بقاي انرژي وجود دارد همانقدر جاي شك و ترديدي بر جاي نميگذارد كه به عقيده دانشمندان قوانين فيزيكي كه در گذشته ارائه شدهاند در عصر حاضر نيز اعتبار داشته و در آينده نيز همچون گذشته و حال خواهند بود. به بيان ديگر هر زمان كه تقارن زماني نقض شود، پايداري و بقاي انرژي نيز از ميان خواهد رفت. همانطور كه در ادامه خواهيم ديد اين اما و اگر همان نقطه آغازي است كه مشكلاتي درخصوص قانون بقاي انرژي در دنياي مطرح شده از سوي اينشتين ديده ميشود.
براي بررسي اين نكته كه عصر حاضر درباره پايداري انرژي همچون گذشته است هيچ پيشنهادي بهتر از اين نيست كه اين مقوله را با استفاده از تلسكوپ اخترشناسي مورد بررسي قرار دهيم. در حقيقت دانشمندان براي مطمئن شدن از اصل پايداري انرژي استفاده از تلسكوپ را ايدهاي ساده و قابل فهم عنوان ميكنند. تلسكوپهاي امروزي آنقدر قدرتمند هستند كه ميتوانيم گذشتههاي بسيار دور را نيز مورد مطالعه قرار دهيم. با استفاده از اين ابزارهاي قدرتمند اين امكان فراهم شده است كه نخستين كهكشانها و نحوه شكلگيري آنها مورد بررسي قرار گيرد. دامنه اين مطالعات تنها به اين نقطه ختم نميشود به طوري كه ميتوان حتي دوران پس از وقوع انفجار بزرگ را نيز مورد بررسي قرار داد. نوري كه ما در اين تلسكوپها ميبينيم ميلياردها سال است كه در عالم سير ميكند و در تمامي اين مدت نخستين چيزي كه اين نور با آن برخورد كرده است آينه همين تلسكوپ هاست. طول موج اين نور كليد اصلي معماي ارزيابي پايداري انرژي با تكيه بر مشاهدات نوري است. در دهه 1920 ادوين هابل موفق به كشف اين نكته شد كه نور بيشتر كهكشانها متمايل به قرمز است. وي دريافت كه طول موجهاي فوتونهايي كه بهوسيله اتمها منتشر يا جذب ميشوند (نظير هيدروژن) در تمامي كهكشانها اما نزديكترين آنها به نظر ميرسد كه با طول موجهاي نوري كه در محيط اطراف ما نيز ديده ميشود شباهت زيادي دارد. اين يك دستاورد بزرگ و ارزشمند در علم اخترشناسي به شمار ميآيد تا آنجا كه امروزه هرگاه اخترشناسان در تشخيص فاصله دقيق يك كهكشان تا كهكشان راه شيري به بن بست بر ميخورند از طول موج نور قرمز ياد شده به عنوان يك مبناي نسبتا قابل اطمينان استفاده ميكنند.ارتباط پايستگي انرژي جنبشي با پايستگي انرژي مكانيكي
هر چند اصل پايستگي انرژي جنبشي در كنار انرژي پتانسيل(انرژي مكانيكي) غالبا مفيد است اما اين اصل در واقع حالت محدودي از اصل كلي بقاي انرژي است. انرژيهاي جنبشي و پتانسيل تنها هنگامي بقا خواهند داشت كه نيروهاي پايستار عمل ميكنند، در صورتي كه انرژي كل هميشه بقا دارد. در اينجا بايد به بقاي انرژي در نسبيت نيز اشاره كرد.
با ظهور قانون نسبيت اينشتين، در قوانين بقاي فيزيك كلاسيك تجديد نظر كلي حاصل شد. به عنوان مثال قانون بقاي اندازه حركت خطي و قانون مطلق بودن فضا در فيزيك كلاسيك به هم خورده و به جاي آن كميتي تعريف شد كه برابر مجموع مربع اندازه حركت خطي و مربع فاصله است و همواره پايسته ميماند.
قانون بقاي انرژي نيز از اين قاعده كلي مستثنا نيست، بلكه قانون جديدي به نام پايستگي جرم به وجود آمده است. براساس اين قانون، جرم به انرژي و بر عكس انرژي به جرم تبديل ميشود. البته تمام اين موارد در سرعتهاي نزديك به سرعت نور صورت ميگيرد و در سرعتهاي پايين قوانين بقاي فيزيك كلاسيك به قوت خود باقي است.
رازي وجود ندارد
نگاهي گذرا به آنچه گفته شد گوياي آن است كه هيچ رازي درخصوص از دست رفتن انرژي نهفته در فوتونهاي نوري وجود ندارد. دانشمندان علم فيزيك به اين نتيجه رسيدهاند كه آنچه در ظاهر به عنوان كاهش انرژي نهفته در فوتونها ديده ميشود در حقيقت به چشم انداز و ديد ما از نور و همچنين حركت نسبي مربوط ميشود. براي فهم بهتر اين اصل ميتوان به نحوه نگاه ما و زاويه ديدمان نسبت به حركات مختلف اشياء در طبيعت اشاره كرد. نوع نگاه ما و اينكه در چه زاويهاي نسبت به درختي قرار داريم كه سيبي از آن به سمت زمين سقوط ميكند هيچ تاثيري بر اين رويداد ندارد. سيب سقوط ميكند و اين تنها به دليل اصل پذيرفته شده قانون جاذبه است. اين عقيده كلي و مشترك در ميان دانشمندان علم فيزيك است كه در سراسر عالم مفهوم واقعي با عنوان نشت انرژي يا كاسته شدن از انرژي موجود در عالم وجود خارجي ندارد.
قانون بقاي انرژي در واقع از تجربيات ماست و مشاهدات ما از طبيعت آن را نقض نكرده است. بر اين اساس قانون بقاي انرژي را اصل پايستگي انرژي نيز ميگويند. در طول تاريخ علم فيزيك بارها درستي قانون بقاي انرژي مورد سوال قرار گرفته است، اما همين ترديدها خود به محركي براي كشف دلايل قانون بقاي انرژي تبديل شدهاند. در اين پژوهشها، دانشمندان در پي يافتن پديدههايي غير از حركت بودهاند، پديدههايي كه همراه با نيروهاي بر همكنش ميان اجسام ظاهر ميشوند و البته اين نوع پديدهها همواره وجود دارند. در برهمكنشهاي ديگر انرژي ممكن است به صورت نور، الكتريسيته و مانند آن توليد شود. بنابراين علاوه بر انرژي جنبشي و انرژي پتانسيل اجسامي كه به صورت مستقيم قابل مشاهده هستند، صورتهاي ديگر انرژي نيز وجود دارد و در واقع قانون بقاي انرژي بيانگر پايستگي انواع مختلف انرژي است كه علاوه بر مكانيك در شاخههاي ديگر علم فيزيك نيز به كار ميرود.
اگر در ابعاد دنياي تك فوتوني به اصل پايداري انرژي نگاه كنيم انرژي همواره ثابت و پايدار است، حتي اگر نور به رنگ قرمز تغيير ظاهر دهد. در نقطه مقابل براي پديدههايي كه در كهكشان راه شيري روي ميدهند بايد گفت عملا امكاني براي نقض اين قانون وجود ندارد و اصل پايداري انرژي در اينجا نيز كاملا دست نخورده باقي ميماند. اما زماني كه صحبت از ابعاد كيهاني ميشود، انرژي به مفهوم زيركانهاي تبديل ميشود و دقيقا از همينجاست كه هيجان نهفته در موضوع نشت انرژي از عالم آغاز ميشود.
نگاهي گذرا به آنچه گفته شد گوياي آن است كه هيچ رازي درخصوص از دست رفتن انرژي نهفته در فوتونهاي نوري وجود ندارد. دانشمندان علم فيزيك به اين نتيجه رسيدهاند كه آنچه در ظاهر به عنوان كاهش انرژي نهفته در فوتونها ديده ميشود در حقيقت به چشم انداز و ديد ما از نور و همچنين حركت نسبي مربوط ميشود.
مترجم: فاطمه پورمزرعه
منبع: Scientific American