فرض کنیم دو سی. پی. اچ. نسبت به یک دستگاه لخت با سرعت خطی Vc حرکت می کنند که به دلیل خواص بار-رنگی و مغناطیس - رنگی با یکدیگر ترکیب شده و فوتون تولید می شود. چون

دارای اسپین خواهند شد و می توان نوشت

یعنی مجموع شتاب ها روی سه محور برابر صفر است

فرض کنیم که سی پی. اچ. ( در پرتو الکترومغناطیسی) روی محور xحرکت انتقالی برابر با سرعت امواج الکترومغناطیسی(سرعت نور) دارد. شکل زیر

اما اشاره کوتاهی در مورد اصطلاح سی. پی. اچ. را لازم می دانم. امیدوارم مفید واقع شود.

  بنابراین مقدار سرعت آن تنها روی محور های  y, zتغییر می کند و شتاب روی محور x  صفر است، یعنی

a_x=0

تنها روی دو محور دیگر شتاب خواهد داشت بطوریکه:

v_yj+v_zk=0

هنگامیکه

v_y=0 => v_z is maximum. And v_y is maximum when v_z=0

فرض کنیم یک بار- رنگ در ساختمان فوتون همراه با یک پرتو الکترومغناطیسی روی محور y در حرکت است. این بار-رنگ تحت تاثیر میدان مغناطیسی موجود (مغناطیس-رنگها) دائماً در حال شتاب روی این محور است. بهمین دلیل اسپین بار-رنگها دائماً در حال تغییر است و این تغییرات از مقدار سرعت آنها روی همین محور تامین و تبدیل می شود. با افزایش اسپین، از مقدار سرعت روی محور y کاهش می یابد و با کاهش اسپین بر مقدار سرعت روی همین محور افزوده می شود و در صورتی که شدت میدان گرانشی ثابت باشد، مانند فضای بین ستارگان، سرعت نور ثابت خواهد ماند. بهمین دلیل مشاهده می کنیم که همانطور که نسبیت خاص تصریح کرده، مقدار سرعت نور در فضای تهی نسبت به همه ی دستگاه های لخت ثابت و برابر c است.

به همین ترتیب حرکت و اسپین مغناطیس – رنگها روی محور z  قابل توجیه است. توجه شود که این تغییرات در در مورد بار – رنگها و مغناطیس – رنگها هماهنگ هستند. اگر به شکل انتشار امواج الکترومغناطیسی توجه فرمایید، مشاهده خواهید کرد که هم زمان دامنه ی میدانهای الکتریکی و مغناطیسی ماکزیمم و صفر می شوند

حال می توان معادله حرکت بار – رنگ را نوشت. با توجه به شکل بالا، سی. پی. اچ. ی که بصورت بار رنگ ظاهر شده حرکتی متناوب دارد که معادله ی حرکت آن را می توان بصورت زیر نوشت.

Ec=EcmCosw(t-x/c)

که در آن Ec مقدار بار-رنگ است و Ecmمقدار مازیمم بار-رنگ است.

Bc=BcmCosw(t-x/c)

که در آن Bc مقدار مغناطیس-رنگ است و Bcm مقدار ماکزیمم مغناطیس رنگ است. فرض کنیم یک فوتون شامل n بار – رنگ و mمغناطیس – رنگ است که معادله میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن بصورت زیر خواهد شد

E=nEcmCosw(t-x/c)

B=mBcmCosw(t-x/c)

هنگامیکه یک فوتون در حال سقوط در یک میدان گرانشی است، تعداد بار – رنگها و مغناطیس – رنگهای آن افزایش می یابد و در نتیجه جابجایی بسمت آبی خواهیم داشت. و هنگام صعود فوتون در میدان گرانشی، از تعداد آنها کاسته می شود و شاهد جابجایی بسمت قرمز خواهیم

معادلات الکترومغناطیس در گرانش

همجنانکه در بالا تشریح شد، هنگام سقوط فوتون در میدان گرنشی، گراویتون ها خواص بار-رنگی و مغناطیس-رنگی از خود نشان می دهند. بهمین دلیل بر شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی فوتون افزوده می شود. بنابراین یک رابطه ی تنگاتنگ بین گرانش و امواج الکترومغناطیسی وجود دارد. اما می دانیم که امواج الکترومغناطیسی از معادلات ماکسول پیروی می کنند. لذا وابستگی گرانش و امواج الکترومغناطیسی نیز باید از معادله ای شبیه معادلات معادلات ماکسول تبعیت کند. سئوال این است که این معادله را چگونه می توانیم به دست آوریم؟

یکبار دیگر سقوط  فوتون را در میدان گرانشی مورد بررسی قرار می دهیم. محور قائم را در جهت شتاب گرانش در نظر می گیریم. جهت حرکت نور بطرف پایین و با شتاب گرانش همجهت است. بنابراین جهت میدان الکتریکی افقی (عمود بر جهت حرکت فوتون) خواهد بود. با سقوط فوتون، شدت میدان الکتریکی افزایش می یابد و بنابر نظریه سی. پی. اچ. همان مقدار تغییرات روی میدان گرانش ایجاد خواهد شد. یعنی تعدادی بار-رنگ از میدان گرانش وارد ساختمان فوتون خواهند شد(شکل زیر). توجه شود که مجموع انرژی فضایی که فوتون در آن حرکت می کند و انرژی فوتون مقدار ثابتی است. بنابراین هر تغییری روی یکی از آنها برابر است با همان مقدار تغییر روی دیگری با علامت مخالف

در اینجا دو تابع برداری داریم. یکی شدات میدان گرانشی و دیگری شدت میدان الکتریکی

g and E

حال اگر عملگر

را بصورت ضرب برداری روی میدان برداری گرانش اعمال کنیم، نتیجه یک میدان برداری عمود بر جهت حرکت فوتون به دست می آید و خواهیم داشت

هنگام سقوط فوتون، شدت میدان الکتریکی نسبت به زمان افزایش می یابد و به همان میزان از تعداد بار-رنگهای موجود در میدان گرانش کاسته می شود. جدول زیر را که با توجه به شکل بالا تنظیم شده  ملاحظه کنید

Point A; Photon contains k₁ CPH

Point B; Photon contains k₂ CPH

k₂ > k₁

لذا به همین مقدار که بر تعداد سی. پی. اچ. های فوتون افزوده می شود، از تعداد بار-رنگهای میدان گرانشی کاسته می شود. اما این تمام فرایند انجام شده نیست، زیرا میدان الکتریکی تغییر می کند و این تغییر میدان الکتریکی موجب تغییر میدان مغناطیسی نیز می شود، یعنی

لذا به همین میزان نیز که بر شدت میدان مغناطیسی افزوده می شود، از تعداد گراویتوننهای میدان گرانشی کاسته می شود.

در حالت کلی اگر بخواهیم معادلات ماکسول را برای فضای واقعی که در آن آثار گرانشی نیز وجود دارد بنویسیم، باید معادلات شش گانه ی زیر را بکار ببریم

هر فضایی که آثار گرانشی داشته باشد و امواج الکترومغناطیسی از آن عبور کند، شدت میدانهای گرانشی و مغناطیسی و در نتیجه انرژی آن تغییر خواهد کرد

گرانش در نظریه سی. پی. اچ

دقیقاً نظیر گلوئون ها(گلوئون به معنی چسب است) که موجب کشیده شدن کوارکها بطرف یکدیگر می شود. با توجه به اینکه پروتونها خود نیز از کوارکها با بار الکتریکی کسری ساخته شده اند، در واقع بار – رنگ های ورودی (گراویتونها) با کوارکها کنش خواهند داشت. در مورد الکترون نیز بحث مشابهی می توان ارائه داد

 می دانیم یک فوتون حامل دو میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم است. اما این تنها کافی نیست که بتوانیم به نتیجه مورد نظر برسیم، بلکه باید تاثیر میدان گرانشی را بر فوتون نیز مد نظر قرار دهیم و آنگاه با دیدی متفاوت همه ی این موارد را جمع بندی کرده و نتیجه گیری کنیم

بیایید یکبار دیگر به رفتار فوتون در میدان گرانشی توجه کنیم. در فصل دوم دیدیم که یک فوتون دارای جرمی برابر

m=hv/c²

است. بنابراین وزن این فوتون در میدان گرانشی زمین برابر خواهد شد با

mg=(hv/c²)g

فرض کنیم فوتون در سقوط قائم بطرف زمین به فاصله yسقوط کند. در اینصورت طبق قانون بقای انرژی خواهیم داشت

hv"=hv+mgy

شکل زیر حرکت فوتون در حال سقوط در یک میدان گرانشی را نشان می دهد که با ورود گراویتونها به آن انرژی (جرم)، فرکانس و شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن افزایش می یابد

اگر رابطه ی

hv"=hv+mgy

 را تنها در میدان گرانشی زمین در نظر بگیریم، با توجه به مقادیر عددی ثابت پلانک و شدت میدان گرانشی تغییر قابل توجهی برای انرژی فوتون مشاهده نخواهد شد. اما سئوال این است که در میدانهای گرانشی بسیار قوی آیا این تغییرات قابل توجه نخواهد بود؟

در هر صورت آزمایش های انجام شده روی زمین هم نشان می دهد که با سقوط فوتون در میدان گرانشی، انرژی آن افزایش می یابد و همین انرژی در تولید زوج الکترون – پوزیترون به دو بار الکتریکی مخالف می گردد. حال فراین را از این منظر نگاه کنید

 انرژی الکترومغناطیسی  <= کار انجام شده توسط گرانش

انرژی الکتریکی + انرژی مغناطیسی = انرژی الکترومغناطیسی

بار الکتریکی مثبت + بار الکتریکی منفی  <=  انرژی الکترومغناطیسی

در این فرایند نکات قابل توجهی وجود دارد:

یک : گرانش از ذراتی تشکیل شده که دارای خواص الکتریکی و مغناطیسی هستند (بار – رنگ و مغناطیس – رنگ).

دو :  بار – رنگ ها با یکدیگر جمع شده و بارهای الکتریکی ایجاد می کنند

سه : بار – رنگ ها دارای دو علامت مختلف مثبت و منفی هستند که در ساختمان فوتون وجود دارند. در فرایند تولید زوج ماده – پاد ماده، بار رنگ های منفی در کنار هم قرار می گیرند و بار الکتریکی منفی را ایجاد می کنند. بار – رنگ های مثبت نیز با هم ترکیب شده و بار الکتریکی مثبت را بوجود می آورند. شکل زیر

چهار : علت ترکیب گراویتونها با یکدیگر خاصیت بار – رنگی آنهاست. بهمین دلیل خلا می تواند انرژی تولید کند.

پنج : بارهای الکتریکی دارای میدان الکتریکی هستند و بطور دائم ذرات حامل نیروی الکتریکی منتشر می کنند.

شش : بارهای الکتریکی علاوه بر میدان الکتریکی دارای یک میدان مغناطیسی ضعیف نیز هستند.

با استفاده از این موارد می توانیم به توضیح بار الکتریکی و میدان الکتریکی بپردازیم

بار الکتریکی و نیروی الکتریکی از دیدگاه سی. پی. اچ.

 از الکترومغناطیس کلاسیک می دانیم که شدت میدان مغناطیسی امواج الکترومغناطیسی نسبت به شدت میدان الکتریکی آن بسیار ضعیف است و رابطه ی زیر بین آنها بر قرار است

با توجه به مقدار سرعت نور بخوبی مشاهده می شود که شدت میدان الکتریکی تا چه اندازه از شدت میدان مغناطیسی قوی تر است.

 بار دیگر به تولید زوج الکترون – پوزیترون برگردیم. مشاهده شد که یک کوانتوم انرژی (یک فوتون گاما) در شرایطی به دو ذره ی باردار مثبت و منفی واپاشیده می شود. قبل از تولید زوج، تنها دو میدان الکتریکی و مغناطیسی وجود داشت (بار الکتریکی وجود نداشت، بعد از تولید زوج دو بار الکتریکی وجود دارد که میدان الکتریکی و گشتاور مغناطیسی تولید می کنند. این فرایند نشان می دهد که میدان الکتریکی (که از نظر بار الکتریکی نیز خنثی است) از دو سری بار – رنگ مثبت و منفی تشکیل می شود و در هنگام تولید زوج، بار-رنگهای منفی یکطرف جمع شده، با هم ترکیب می شوند و الکترون (با بار منفی) را بوجود می آورند. همچنین بار – رنگهای مثبت نیر یکطرف جمع شده، با هم ترکیب می شوند و پوزیترون (با بار مثبت) را بوجود می آورند. شکل زیر

در طرف چپ میدان الکتریکی متشکل از بار – رنگهای مثبت و منفی و یک میدان مغناطیسی ضعیف وجود دارد.

در سمت راست دو بار الکتریکی مثبت و منفی وجود دارد، که میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی ایجاد می کنند.

چگونگی ایجاد میدان الکتریکی

در فرآیند تولید زوج، بعد از آنکه الکترون و پوزیترون شکل گرفتند، خواص بار الکتریکی از خود نشان می دهند. این خواص از طریق میدان الکتریکی اطراف آنها که با انتشار فوتون (ذرات حامل نیروی الکتریکی) ایجاد می شود، قابل مشاهده است.

حال الکترون تولید شده را در نظر بگیرید که مجموعه ای از بار – رنگهای منفی است که با هم ترکیب شده اند. این الکترون در دریایی از بار – رنگها (گراویتونها) غوطه ور است. الکترون مانند یک ماشین بار – رنگهای منفی را متراکم کرده و بصورت فوتون (حامل بار الکتریکی منفی) منتشر می کند و بدین ترتیب میدان الکتریکی منفی اطراف خود را بوجود می آورد. بنابراین الکترون ماشینی است که ورودی آن بار – رنگهای منفی و خروجی آن فوتون منفی است. روند تولید فوتون مثبت توسط پوزیترون (یا پروتون) نیز بهمین ترتیب است.

بوتونهای منفی (ذرات حامل نیروی الکتریکی منفی) بطرف بارهای مثبت حرکت می کنند و فوتونهای مثبت بسوی بارهای منفی بحرکت در می آیند.

ذرات تبادلی در مکانیک کوانتوم

نخستین گام برای توجیه نیروهای هسته ای قوی در سال 1932 توسط هایزنبرگ برداشته شد. وی نظر داد که پروتونها به وسیله ی نیروهای تبادلی در کنار یکدیگر قرار می گیرند. به این ترتیب می توان تصور کرد که دو ذره، به تبادل ذره ی سوم می پردازند و ذره ی تبادلی دو ذره را به سوی هم می راند. نظریه هایزنبرگ، همه ی نیروهای جاذبه و دافعه نتیجه ی ذرات تبادلی هستند. به شکل زیر توجه کنید

در مورد جاذبه و دافعه ی الکترومغناطیسی، ذره ی تبادلی فوتون است. فیزیکدانان به وجود دو نوع فوتون اعتقاد دارند، یکی فوتونهای حقیقی که قابل مشاهده هستند و دیگری فوتونهای مجازی است که نمی توان آنها را مشاهده کرد. فوتون مجازی نیز با سرعت نور حرکت می کند. در شکل زیر نمودار فضا-زمان ذرات تبادلی بین دو الکترون که اثر آن دافعه است و یک الکترون و یک پروتون که اثر آن جاذبه است، نشان داده شده است

در شکل بالا الکترونی در راس Aیک قوتون مجازی تولید کرده و می فرستد والکترون دوم آنرا در راس Bدر می آشامد.

انرژی و اندازه حرکت هر یک از الکترون های واکنش کننده در اثر تبادل فوتون تغییر می کند. غیر قابل مشاهده بودن فوتون مجازی امکان عدم بقای انرژی و اندازه حرکت را در طول بازه ی زمانی بین گسیل و در آشامیدن فوتون فراهم می کند. اصل عدم قطعیت انرژی فرض شده را که توسط آن بقای انرژی نقض می شود به مقدار زیر محدود می کند

که در آن dt برابر است با بازه ی زمانی بین گسیل و در آشامیدن فوتون مجازی است

ذرات تبادلی در نظریه سی. پی. اچ.

 قسمت بالا گفته شد در نظریه سی. پی. اچ. بارهای الکتریکی با استفاده از بار – رنگهای مجود در محیط به تولید و انتشار فوتونهای مجازی که حامل نیروی الکتریکی هستند، می پردازند. الکترون فوتون منفی و پروتون فوتون مثبت تولید و در فضا منتشر می کنند و بدین ترتیب در اطراف خود میدان الکتریکی ایجاد می کنند.

حال دو ذره (پروتون و الکترون ) را با بار الکتریکی مثبت و منفی در نظر بگیرید. پروتون یک فوتون مثبت ارسال می کند. فوتون مثبت بسمت الکترون حرکت کرده و جذب آن می شود. الکترون که دارای بار پایه الکتریکی منفی است، فوتون مثبت را جذب می کند. اما بمحض اینکه فوتون مثبت با الکترون ترکیب می شود، موجودیت الکترون را دچار اختلال می کند و الکترون برای برطرف کردن اختلال ایجاد شده، فوتون مثبت را تجزیه کرده و به بار – رنگهای مثبت تبدیل و از ساختمان خود می راند. بار – رنگهای مثبت که با سرعتی بالاتر از سرعت نور بحرکت در می آیند، الکترون را بدنبال خود می کشند. این عمل موجوب می شود که الکترون بسمت پروتون کشیده شود. بار – رنگهای مثبت نیز در فضا پخش می شوند.

به همین ترتیب در مورد فوتون منفی و پروتون می توان توضیح داد. الکترون با تولید و انتشار فوتون منفی، پروتون را بسمت خود می کشد و پروتون نیز با متلاشی کردن فوتون منفی بار – رنگهای منفی در فضا پخش می کند و این بار -  رنگهای منفی پروتون را بطرف الکترون می کشند.

همچنانکه ملاحظه می شود هیچ نیازی به استفاده از اصل عدم قطعیت برای توضیح وجود و کنش های الکترومغناطیسی نیست. علاوه بر آن نگراش فیزیک مدرن به گراویتون که آن را ذره ای بدون خواص الکتریکی در نظر می گیرد، نمی تواند با واقعیت سازگار باشد. بهمین دلیل تمام تلاشها برای یکسان سازی نیروهای الکترومغناطیسی و گرانش با شکست مواجه شده است

مقدمه

شواهد تجربی بسیاری وجود دارد که گرانش، انرژی الکترومغناطیسی تولید می کند. به همین دلیل از زمانی که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی مورد توجه و آزمایش قرار گرفت، فیزیکدانان به وابستگی شدید نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی پی بردند. فارادی نخستین کسی است که این وابستگی را متذکر شد. پلانک نیز نظری مشابه داشت. اینشتین نیز مدت 35 سال تلاش کرد تا روابطی مشابه وابستگی الکتریسیته و مغناطیس، بین گرانش و الکترومغناطیس ارائه دهد. اما این کوششها بی نتیجه ماند.

اما سئوال این است که چرا با تمام شواهد تجربی موجود و تصریح فیزیکدانان بزرگی نظیر فارادی و پلانک هنوز نتیجه ی قابل قبولی به دست نیامده است؟ 

برای یافتن پاسخ اجازه دهید یکبار دیگر وابستگی الکتریسیته و مغناطیس را بررسی کنیم شاید بتوانیم علت این شکستها را دریابیم. 

همچنانکه می دانیم در اطراف یک بار ساکن میدان مغناطیسی احساس نمی شود. اما اگر بار حرکت کند، ما شاهد ایجاد یک میدان مغناطیسی خواهیم بود. همچنین تغییر میدان مغناطیسی نیز موجب تولید جریان القایی می گردد. در این تجربه ما شاهد ایجاد پدیده هایی هستیم که قبلاّ وجود نداشت. در اطراف یک سیم (که جریانی از آن نمی گذرد) هیچگونه اثری از میدان مغناطیسی دیده نمی شود. اما به محض عبور جریان الکتریکی از سیم، در اطراف آن میدان مغناطیسی ایجاد می شود. یا در مورد سیملوله اگر میدان مغناطیسی ثابت باشد، جریان الکتریکی در سیم بوجود نمی آید، اما با تغییر شار مغناطیسی، جریان الکتریکی ایجاد می شود

  اما در مورد گرانش مسئله بسیار پیچیده تر است. زیرا گرانش همواره وجود دارد و ما نمی توانیم شرایطی بوجود آوریم که آثار گرانشی نباشد و بعد آزمایشی ترتیب دهیم که ببینیم چه پدیده ای می تواند میدان گرانشی تولید کند.

از طرف دیگر چگونه می توانیم ببینیم هنگامیکه نیروی گرانش روی یک جسم کار انجام می دهد، خود گرانش دستخوش چه تغییری می شود؟ اگر ما می توانستیم این تغییرات را به تجربه درآوریم و بصورت کمی مورد بررسی قرار دهیم، آنگاه می توانستیم بسادگی وابستگی گرانش را به سایر پدیده ها نظیر الکترومغناطیس یا کار انجام شده بیان کنیم. اما چنین امری اگر ناممکن نباشد، بسیار مشکل و یا از حد  فناوری موجود خارج است. زیرا در شرایطی که ما آزمایش می کنیم، اگر از مقدار گرانش موجود در محل آزمایش کاسته شود، فوری از اطراف آن این کسری جبران می شود.

به عنوان مثال سنگی را از ارتفاع دلخواه رها کنید تا بطرف زمین سقوط کند. آنچنانکه در فیزیک مطرح است، انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی تبدیل می شود. آیا در اینجا از مقدار گرانش اطراف زمین کاسته می شود؟ اگر جواب منفی باشد آنگاه این سئوال پیش می آید که کدام اندازه گیری موجب این جواب منفی شده است؟

حال آزمایش دیگری را در نظر بگیرید. یک گلوله ی فلزی را از ارتفاعی رها کنید تا بطرف زمین سقوط کند. در محل رسیدن گلوله به سطح زمین یک صفحه ی فلزی قرار دهید. هنگامیکه گلوله به زمین می رسد و با صفحه برخورد می کند، مقداری گرما تولید می شود و حتی ما شاهد جرقه یعنی امواج الکترومغناطیسی خواهیم بود. عادت شده این پدیده را با اینکه انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی تبدیل می شود و انرژی ها به یکدیگر قابل تبدیل هستند، توجیه کنند. همین توجیه موجب می شود که ماهیت این فرایند کمتر مورد توجه و بررسی موشکافانه ی علمی قرار گیرد. اما اجازه دهید یک دید متفاوت به این تجارب داشته باشیم

اهمیت توجه به ساختمان فوتون

ارتباط و اطلاعات ما از اجسام فرازمینی اعم ماه و خورشید که جزئی از منظومه ی شمسی هستند تا ستارگان و کهکشانهای دور، تنها از دو طریق امکان پذیر است. یکی آثار گرانشی این اجرام و دومی نوری است که از آنها به ما می رسد. اما اطلاعات مربوط به آثار گرانشی اجرام آسمانی نیز از طریق مشاهدات و در نتیجه نور دریافتی از آنها قابل مشاهده است. بنابراین تنها پیام آوران فرازمینی امواج الکترومغناطیسی که نور بخش کوچکی از آن است می باشد. لذا توجه و شناخت نور از اهمیت منحصر به فردی برخوردار است. بنابراین شناخت هرچه بیشتر نور به منزله ی استحکام بینش جهان شناختی و درک واقعی تر از فیزیک جهان است. چگونه می توان به اطلاعات دریافتی از کهکشانها اطمینان داشت، در حالیکه حامل این اطلاعات را بخوبی نشناخته باشیم؟

آنچه که تا به حال در فیزیک مورد توجه بوده است، رفتار نور در محیط های مختلف و کنش آن با سایر ذرات از جمله الکترون است. اثر دوپلر، اثر فوتوالکتریک، اثر کمپتون، اثر موسوئر، انحنای فضا ... همه و همه بدون توجه به ساختمان فوتون تجزیه و تحلیل می شود. هرچند که ظاهراً برای بررسی اینگونه پدیده ها توجه به ساختمان فوتون ضروری به نظر نمی رسد، اما برای یک سفر میلیارد سالی که فوتون طی می کند تا از کهکشانی دور به زمین برسد، توجه به ساختمان فوتون بسیار مهم است. زیرا باید دید آیا خود فوتون در این مسافرت چند میلیارد سالی (تحت شرایط داخلی) دچار دگرگونی می شود یا نه؟

آنچه در این زمینه مورد توجه و پذیرش فیزیکدانان قرار گرفته این است که به گفته ی دیراک فوتون یک ذره ی بنیادی است که نمی توان به ساختمان آن پرداخت. و تنها چیزی که در اختر فیزیک و کیهان شناختی مورد توجه و بررسی قرار گرفته، اثر دوپلری نور و جابجایی بسمت سرخ گرانش است. مشاهدات هابل نشان داد نوری که از کهکشانها به ما می رسد، جابجایی بسمت سرخ از خود نشان می دهد

مشاهدات وی نشان داد که کهکشانها در حال دور شدن از ما هستند و هرچه فاصله ی آنها از زمین بیشتر باشد، و هرچه فاصله ی آنها از ناظر (در این حالت ما) بیشتر باشد، سرعت دور شدون نیز بیشتر می باشد

این مشاهدات فیزیکدانان را به ارائه ی نظریه انبساط فضا و بیگ بنگ رهنمون گردید. در اواخر قرن بیستم مشاهدات کیهانی نشان داد که انبساط جهان دارای شتاب است و در نتیجه مسئله ی انرژی تاریک مطرح گردید که هنوز از رموز حل نشده ی فیزیک است. اگر همانطور که دیراک تصریح کرده، فوتون را بدون ساختمان در نظر بگیریم، راهی نداریم بجز اینکه تنها با استفاده از اثر دوپلر مشاهدات خود را در مشاهدات خود را بررسی کنیم و به نتایج جدیدی دست یابیم که ما را در درک بهتری از جهان یاری کند

زمانی می توانیم به درستی اطلاعات دریافتی باور داشته باشیم که یقین داشته باشیم که علائم حامل اطلاعات در طول مسیر دستخوش هیچگونه تغییری نشده باشند. آیا حقیقتاً خود فوتون بدون هیچ اثر خارجی در یک سفر میلیاردها سالی دستخوش هیچگونه تغییری نمی شود؟

آیا فوتونهای دریافتی از یک کهکشان دور است، همانی است که کهکشان را ترک کرده است؟

بنابراین بدون شناخت ساختمان فوتون، نمی توان به صحت اطلاعات دریافتی اعتماد کامل داشت. لذا تلاش برای شناخت و توضیح ساختمان فوتون یک ضرورت انکار ناپذیر است. بهمین دلیل نظریه سی. پی. اچ. براساس تعریف ساختمان فوتون شکل گرفته است. برای تعریف ساختمان فوتون از کجا و چگونه می توان شروع کرد؟ چنین تعریفی الزاماً بایستی از دو پشتوانه ی منطقی برخوردار باشد، یکی نظریه های معتبر و دیگری تجاربی که این نظریه ها را به اثبات رسانده است

از کدام نظریه می توان کمک گرفت؟ نسبیت یا مکانیک کوانتوم؟

هر یک از این دو نظریه به تنهایی از چنان اعتباری برخوردارند، که استناد به آنها نیز اعتبار دارد. اما خوشبختانه این نظریه ها دارای زمینه های مشترکی نیز هستند که استناد به این زمینه های مشترک می تواند ما را در ترکیب این دو نظریه یاری رساند. لذا کار را از همین زمینه های مشترک پی می گیریم

بار - رنگ و مغناطیس-رنگ

اجازه دهید یک نگاه جدید به رفتار الکترومغناطیسی در میدان گرانشی بیندازیم، این نگرش می تواند در حل این معما که فوتون از چه ذراتی تشکیل شده، مفید واقع گردد. همچنانکه می دانیم یک موج الکترومغناطیسی از دو میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم تشکیل شده است که با سرعت خطی برابر با سرعت نور حرکت می کنند. شکل زیر

با توجه به توصیف امواج الکترومغناطیسی و نظریه هیگز و ترکیب این دو نظریه به نتیجه بسیار جالبی خواهیم رسید.

در اینجا دو میدان داریم، یکی میدان الکتریکی و دیگری میدان مغناطیسی که با توجه یه نظریه هیگز، این میدانها توسط ذرات هیگز ایجاد می شوند. اما در اینجا میدانها متفاوتند، یکی میدان ابکتریکی که توسط ذراتی ایجاد می شوند که از خود، خواص الکتریکی بروز می دهند و با سرعت خطی برابر سرعت نور منتقل می شوند. اما علاوه بر سرعت خطی که در موج الکترومغناطیسی دارد، روی محور عمود بر آن نیز دارای حرکت است. لذا مجموع مسیری که این ذرات در واحد زمان طی می کند، بیشتر از سرعت نور است

در اینجا سه نکته کاملاً مشهود و قابل تعمق است

1 – این ذرات خواص الکتریکی دارند. چون به اندازه بار الکتریکی پایه (بار الکتریکی الکترون یا پروتون) نیستند، لذا آنها را بار – رنگ می نامیم. بطور مشابه در مورد میدان مغناطیسی و ذرات تشکیل دهنده ی آن میتوان چنین تعبیری داشت که میدان مغناطیسی اطراف فوتون از مغناطیس – رنگ تشکیل شده است

2 – حرکت این ذرات را می توان شامل سه نوع حرکت دانست، یکی سرعت خطی که برابر سرعت انتقال موج الکترومغناطیسی (برابر سرعت نور)، دوم سرعتی که در میدان دارند (در شکل بالا مشخص شده است) و سوم اسپین این ذرات. لذا مجموع مقادیر سرعتها برابر مقدار سرعت این ذرات است که آن را با Vc نشان می دهیم. بطور وضوح مشخص است که Vc > c که در آن  Vc, c بترتیب مقدار سرعت نور و مقدار سرعت بار – رنگ و مغناطیس – رنگ هستند

3 –  میدان گرانشی از ذراتی (گراویتون) تشکیل می شود که دارای خواص - بار رنگی و مغناطیس – رنگی می باشند. زیرا همچنانکه در فصل قبل مشاهده شد، هنگامیکه فوتون در میدان گرانشی در حال سقوط است، انرژی و در نتیجه شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن افزایش می یابد (جابجایی بسمت آبی)، لذا ورود گراویتونها (بار – رنگ و مغناطیس – رنگ) به ساختمان فوتون موجب افزایش انرژی آن می شود

 با توجه به این اطلاعات به تعریف سی. پی. اچ. پرداخته و اصل سی. پی. اچ. را بیان می کنیم. لازم به ذکر است که

برای سی. پی. اچ. از کلمه ی ذره استفاده شده است، منظور از ذره همان نقطه ی مادی نیست و در فارسی کلمه ای که گویای مفهوم سی. پی. اچ. باشد ندیدم. بهمین دلیل از لغت ذره استفاده شد. همچنین توجه شود که در مورد شکل آن نیز هیچ نظر خاصی وجود ندارد. لذا هر کس بنا بر برداشت و سلیقه ی خود می تواند برای آن شکل مورد نظر خویش را تجسم کند

CPH تعریف

فرض کنیم یک ذره با جرم ثابتm  وجود دارد که نسبت به هر دستگاه لختی با مقدار سرعت ثابت Vcحرکت می کند. و

Vc>c   c, is speed of light

بنابراین سی. پی. اچ. دارای اندازه حرکت خطی برابر  mVc می باشد. شکل زیر

CPH اصل

پی. اچ. یک ذره بنیادی با جرم ثابت است که با مقدار سرعت ثابت حرکت می کند. این ذره داری لختی دورانی است. در هر واکنش بین این ذره با سایر ذرات یا نیروها در مقدار سرعت آن تغییری داده نمی شود، بطوریکه

توجه: هنگامیکه نیروی خارجی بر آن اعمال شود، قسمتی از سرعت انتقالی آن به سرعت دورانی (یا بالعکس ) تبدیل می شود، بطوریکه در مقدار Vc تغییری داده نمی شود. یعنی اندازه حرکت خطی آن به اندازه حرکت دورانی و بالعکس تبدیل می شود. بنابراین مجموع انرژی انتقالی و انرژی دورانی آن نیز همواره ثابت است. تنها انرژی انتقالی آن به انرژی دورانی و بالعکس تبدیل می شود

هنگامیکه سی. پی. اچ. دارای حرکت دورانی حول محوری که از مرکز جرم آن می گذرد است، یعنی زمانیکه سی. پی. اچ. دارای Spin  است،آن را گراویتون می نامیم

When CPH has Spin, It calls Graviton

تشریح

هنگامیکه یک سی. پی. اچ. وجود سی. پی. اچ. دیگری را احساس می کند. دارای اسپین می شوند که گراویتون نامیده می شود. علت ایجاد اسپین در اصل موضوع سی. پی. اچ. نهفته است که باید با مقدار سرعت ثابت Vc  حرکت کند بطوریکه

gradVc=0 in all inertial frames and any space

 بنابراین هر مقدار که از سرعت آن روی یک محور مختصات کاسته می شود، به همان میزان بر مقدار سرعت روی دو محور دیگر افزوده می شود. یعنی

بعبارت دیگر مجموع مقدار شتاب های سی. پی. اچ. روی سه محور مختصات برابر با صفر است. حال دو سی. پی. اچ. را در نظر بگیرید که متوجه بار- رنگی و مغناطیس – رنگی یکدیگر شده اند. شکل زیر

شکل بالا نشان می دهد که دو گراویتون با جرم m  و اندازه حرکت  p=mVc ، درفاصله  r تحت تاثیر بار – رنگی و مغناطیس رنگی یکدیگر قرار گرفته، با هم ترکیب می شوند، اما چون مقدار سرعت آنها ثابت است، حرکت انتقالی آنها به حرکت دورانی

Spin

تبدیل می شود. فاصله ی بین آنها تا جایی می تواند کاهش یابد که باهم برخورد نکنند. در صورت برخورد به دلیل اسپینی که دارند، از یکدیگر دور می شوند. لذا تراکم (چگالی) آنها تا زمانی می تواند افزایش یابد که به حالت تماس نرسند. در صورت تماس طی برخوردی شدید یکدیگر را می رانند و به اطراف پراکنده می شوند

 یکبار دیگر جابجایی بسمت آبی را به خاطر آورید که طی آن یک فوتون در حال سقوط در میدان گرانشی است. (اثر مسبوئر و آزمایش پوند – ربکا). فوتونی با انرژی

 به اندازه y   سقوط می کند و انرژی آن به اندازه ی mgy  افزایش می یابد و به مقدار

می رسد

انرژی و جرم فوتون افزایش میابد. شکل زیر حرکت یک فوتون در حال سقوط در یک میدان گرانشی را نشان می دهد که با ورود گراویتونها به آن انرژی (جرم)، فرکانس و شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن افزایش می یابد

بنابراین یک فوتون از تعدادی گراویتون تشکیل می شود که دارای اسپین هستند. شکل زیر

همچنین فوتون دارای اسپین است. بنابراین هنگامیکه فوتون با سرعت نور حرکت می کند، گرایتون هایی که فوتون را تشکیل داده اند دارای حرکتهای زیر می باشند:

حرکت انتقالی برابر سرعت نور، زیرا فوتون با سرعت نور منتقل می شود و اجزای تشکیل دهنده آن نیز الزاماً با همین سرعت منتقل می شوند.

حرکت دورانی (اسپین)، زیرا طبق اصل سی. پی. اچ. مقدار سرعت سی. پی. اچ. بیشتر از سرعت نور است و هنگامیه سی. پی. اچ. ها با یکدیگر ادغام می شوند و سایر ذرات را تشکیل می دهند، مقداری از سرعت انتقالی آنها به اسپین تبدیل می شود.

و حرکت ناشی از اسپین فوتون، زیرا گراویتون ها در ساختمان فوتون هستند و از حرکت اسپینی فوتون سهم می برند

زیر کوانتوم انرژی، جرم و نیرو

 در فرآیند بالا نشان داده شد که چگونه گراویتونها وارد ساختمان فوتون شده و انرژی آنرا افزایش می دهند. از طرفی دیگر می دانیم که گراویتونها حامل نیروی گرانشی هستند. لذا بسادگی مشاهده می شود که نیرو قابل تبدیل به انرژی است. گراویتونهایی که به این ترتیب تبدیل به انرژی می شوند.

در یک میدان گرانشی، هنگامیکه فوتون بسمت آبی جابجا می شود، گراویتون ها تبدیل به انرژی می شوند و زمانیکه فوتون بسمت قرمز جابجا می شود، انرژی فوتون به گراویتون تبدیل می شود و و سرانجام با تباه شدن انرژی ، ماده و پادماده پدید می آید.  شکل زیر

در حقیقت سی. پی. اچ. یک زیر کوانتوم هستی در طبیعت است که همه ی ذرات از آن ساخته شده اند

CPH is Sub Quantum of existence in Nature

این زیر کوانتوم دارای جرم است، پس جلوه ی ماده است، دارای اندازه حرکت است که بیان کننده ی انرژی است. همچنین دارای خواص بار-رنگی و مغناطیس – رنگی است. یک کوانتوم انرژی از تعدادی سی. پی. اچ. تشکیل می شود و امواج الکترومغناطیسی ظاهر می شوند.

بدین ترتیب مشخص است که چرا نمی توان فوتون را در حالت سکون مشاهده کرد، زیر یک فوتون در شرایط سرعت نور و از تعدادی ذرات زیر فوتون (بار-رنگها و مغناطیس-رنگها) تولید می شود که خود این ذرات زیر فوتونی با مقدار سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت می کنند

4) پرتوهای چرنکوف در EAS:

برای انرژی های اولیه (کمتر از 20 ترا الکترون ولت) ریزش های هادرونیک در لایه های فوقانی اتمسفر نابود می شود اما پرتوهای چرنکوف توسط بارهایی که به ارتفاعات سطحی زمین نفوذ می کنند تولید می شوند.

اگرچه حرکت موجی این جریانات در نقطه ی نشات آنها و گسترش بعد از آن پرتوهای چرنکوف را دوباره به نقطه ی ابتدایی آنها (محل پرتوهای گامای ابتدایی در کره ی سماوی) بر می گرداند.

در ریزش های الکترومغناطیسی الکترون ها و پوزیترون ها اعضای تشکیل دهنده ی پرتوهای چرنکوف هستند.

این موضوع هنگامی درست است که انرژی ذرات از مقدار Min آستانه ی  فراتر رود. (همانطور که معادله ی 1.9 نشان می دهد).

این نهایت (آستانه) برابر با 21 مگا الکترون ولت در هنگام رصد می باشد که در ارتفاع 7.5 کیلومتری از سطح دریا یه 35 مگا الکترون ولت افزایش می یابد. علت این تغییر در  اختلاف بین سرعت آستانه ی پرتوهای چرنکوف است که طی واکنش های تجزیه ای در اتمسفر ایجاد می شود.

بر مبنای همین نوع از واکنش های تجزیه مقدار  را تخمین بزنیم.

می دانیم که سرعت نور در میانه ی مشخص از رابطه ی زیر بدست می آید:

(1.7)

که در آن C سرعت نور در خلا و n شاخص تجزیه در ارتفاع اتمسفری داده شده (H) است.

آنگاه می توانیم را به شکل زیر بنویسیم. (انرژی ذره ای نسبیتی (Relativistic Particle)است که با سرعتی معین حرکت می کند:

(1.8)

بنابراین اگر بنویسیم n = 1 + ? و آنگاهبرابر با  خواهد بود. که از آن خواهیم داشت:

(1.9)

حال می توانیم بهتر پرتوهای چرنکوف را در EAS بررسی و مطالعه کنیم. این کار می توان به دو صورت 1) بررسی گسترش طولی و یا 2) بررسی پراکندگی جانبی ریزش های ذره ای ادامه داد.

گسترش طولی این ریزش ها به معنای توزیع در نقطه ی گسیل فوتون های چرنکوف می باشد.

از شکل زیر می توان به آسانی دید که ریزش ها می توانند بعد از تیرگی (Blur) به Max خود برسند:

شکل (1.5): شبیه سازی مونته کارلو (Monte Carlo) در مورد توزیع طولی ریزش الکترومغناطیسی 1Tev

در سوی دیگر توزیع جانبی یک EAS (شکل1.6) در مورد پرتوهای چرنکوف در واقع همان بررسی نقطه ی ساتع کننده ی پرتوهای چرنکوف در سطح عمود به قطب ریزش است.

بنابراین  می بینیم که توزیع جانبی اینگونه حساس به گسترش طولی ریزش رفتار می کند.

در اصول توزیع جانبی می توان گفت که شیب توزیع جانبی مرتبط به ریزش است که می تواند در دیدگان رصدگران چنین گسترش یابد.

هنگامیکه ریزش ها به شدت در اتمسفر گسترش می یابند پدیداری توزیع را بیشتر نمایان می سازند که به این مدل خاص حلقه ی چرنکوف (Cherenkov Ring) می گویند.

شکل (1.6): نمودار توزیع جانبی پرتوهای چرنکوف بر وری زمین مخصوص به انواع خاصی از پرتوهای گاما و ریزش های هادرونیک.

پرتوهای گامای القا شده به ریزش یک توزیع جانبی و سطحی نسبیتی نور را در خارج 125 متری فاصله ی شعاعی از مرکز نشان می دهد. 

2) ریزش های الکترومغناطیسی (Electromagnetic Cascades):

ریزش های الکترومغناطیس هنگامیکه انرژی ها در این فرآیند سهیم باشند (بر فراز اتمسفر) پرتوهای گاما را در جو غوطه ور می کنند.

در واقع این پدیده ها تولید ترکیبی همان اثرات غالب (Dominant Effect) هستند که البته این تنها در مورد ریزشهای پهناور جوی (Extensive Air Showers) صادق است. (این نوع از ریزش ها را در بخش بعدی بررسی می کنیم).

فرآیند تولید ترکیبی در زمینه ای از هسته های اتمسفری و یا الکترون ها به منظور حفظ نیروی حرکت صورت می گیرد.

طی این فرآیند یک فوتون با انرژی بالا (حداقل 1.022 مگا الکترون ولت) در ماده به یک جفت الکترون – پوزیترون تبدیل می شود.

اگر انرژی کافی باشد جفت الکترون نهایی انرژی خود را به سرعت بوسیله ی واکنش یونی از دست نخواهد داد. در مقابل یک الکترون در زمینه ای از ذرات بنیادین هسته می تواند اشعه ی گامای ثانویه را تولید کند. این تولید همان اثر بزامشتراهلونگ نامیده می شود.

این اشعه ی گاما (اگر انرژی هنوز از 1.022 مگا الکترون ولت بیشتر باشد) می تواند جفت الکترونی دیگری را تولید کند که آنها می توانند واکنش های بزامشتراهلونگ بیشتری را تحمل کنند.

که در نهایت نتیجه ی آن یک ریزش فوتونی – الکترونی و پوزیترونی خواهد بود که می توانند در مسیر قبلی حرکت اشعه های گاما حرکت کرده و در انرژی کل سهیم باشند.

3) ریزش های فراگیر جوی (Extensive Air Showers [EAS]):

ریزش های فراگیر جوی تا قبل از واضح شدن ابهامات در مورد پرتوهای کیهانی در سال 1927 وجود نداشت.

همچنین تمامی فرضیه ها در مقابل توضیح پرتوهای کیهانی به صورت فوتونیک (با قالب نوری) از خواص ذره ای دفاع می کردند.

اما امروزه با درک کامل پرتوهای کیهانی توانسته ایم منشا تمام ذرات و پرتوهای پر انرژی را که از فضای خارجی وارد زمین می شوند بفهمیم.

در حقیقیت پرتوهای کیهانی از هسته ی اتم (96 درصد هیدروژن – 3 درصد هلیم – 1 درصد کربن – نیتروژن – اکسیژن – فلئور) + پرتوهای گاما - الکترون ها - پوزیترون ها – نوترینو ها و انواع دیگر ذرات بنیادی تشکیل شده اند.

پرتوهای کیهانی تا قبل از اینکه به زمین برسند از منابع پرتوزا نشات می گیرند که البته بعضی از مواد متشکل آنها طی فرآیند گذر از کهشکان ها به دلیل انجام واکنش های میان ستاره ای (از قبیل: تجزیه و یونیزه شدن) بوجود می آیند.

در واقع مواد متشکل نام برده چیزی است که به زمین می رسد. به همین دلیل ترکیب اصلی دیگری را برای پرتوهای کیهانی پیش بینی می کنیم.

اصولا همین ترکیبات نیز هنگامیکه به اتمسفر زمین می رسند طی واکنش هایی با هسته های تشکیل دهنده ی اتمسفر به ذرات ثانویه ای تبدیل می شوند که ریزش های فراگیر جوی نام دارند.

ذرات اولیه ی EAS در لایه های فوقانی جو بیشتر تشکیل شده از هسته های اتمی – فوتون ها و پرتوهای آلفا هستند. (به صورت مقداری از هسته های سنگین کمتر هستند).

توزیع اینگونه از وقایع ترکیبی هستند و طیف ها خبر از انرژی بالای 10^20 الکترون ولت می دهند که این مقدار برای پرتوهای آلفا زیاد است.

بنابراین شاید به  صورت تقریبی این دسته از فرایندها را بتوان دنباله روی قانون سلطه (Potency Law) دانست.

این طیف ها را می توان به پرتوهای گاما ربط داد: 

  E

 که در آن ? تقریبا 2.6 است.

هیچ کدام از این ذرات پر انرژی به زمین نمی رسند و تنها از این فرآیند مقدار کمی پرتوی گاما (1 از 1000) به صورت EAS در جو تولید می شود.

1) ریزش های هادرونیک (Hadronic Cascades):

 این ریزش ها بیشتر از ذراتی مانند پروتون ها تشکیل شده اند و پرتوزایی خود آنها باعث تجزیه ی آنها بر فراز جو می شود.

می توانیم این عمل متقابل را به صورت زیر نیز بنویسیم:

 Cosmic Ray (CR) + Atmospheric Nuclei (AN) CR" + AN" + n + m  + other mesons

که در این معادله  CR" باقیمانده ی اصلی پرتوهای کیهانی می باشد که می تواند باعث ایجاد واکنش های بیشتری با هسته های اتمسفری شود.

اگر اصل پرتوهای کیهانی انرژی کافی را داشته باشند حتی پرتوها می توانند به سطح زمین نیز برسند.

AN" باقیمانده ی هسته های اتمسفری می باشد که دارای انرژی بالایی هستند.

همچنین مقدار تولیدی ار تجزیه ی هسته ها نیز همان(مزون ها) می باشند که می توانند در دنباله ی مادون تولید مزونی پرتوزا کنند.