نوشته: جعفر سپهری

آیا فضانوردی بدون کامپیوتر، هیچ‌گونه معنا و مفهومی دارد؟

بدون اغراق کامپیوتر، موجب گسترش شگرف کلیه علوم و به ویژه دانش فضا در رابطه‌ای تنگاتنگ و دوسویه بوده است. همان اندازه که کامپیوتر در گسترش فضانوردی سهیم بوده، دانش فضا نیز در راستای خود و برای نیل به اهداف خود و بیشتر از هر دانش دیگری، موجب پیشرفت کامپیوتر شده است. علوم و تکنولوژی فضانوردی و علوم کامپیوتر، دو روی یک سکه و مدیون همدیگر هستند.

نقش کامپیوترها در تکنولوژی فضانوردی، آنچنان مهم است که اساسا بدون آن، این فن‌آوری به هیچ وجه امکان رشد و پیشرفت نداشت. کامپیوترها که در اواخر دهه 1940 میلادی ساخته شدند، در آغاز به بزرگی یک ساختمان بوده و هزینه گزاف و مصرف برق بسیار بالایی داشتند. در دهه 1960 پس از سودجستن از ترانزیستور به مقدار زیادی از حجم، وزن و مصرف برق دستگاههای کامپیوتری کاسته شد. تکنولوژی فضایی که از پیشرفت تمام صنایع در جهت گسترش خود استفاده می‌کرد، همزمان آن صنایع را در جهت پیشرفت نیازهای خود رشد می‌داد. مهمترین نیاز این تکنولوژی عبارت بود از کاستن از حجم، وزن و مصرف برق دستگاههایی که موشکها و ماهواره‌ها، آنها را با خود حمل می‌کردند. درحقیقت، در ارتباط با همین نیاز بود که در دهه 1970 مدارهای مجتمع اختراع شده و تکامل پیدا کردند و امروزه کامپیوترها به صورت متکامل PC و ابررایانه درآمده‌اند. از جمله سودجستن از کامپیوتر در علوم فضایی می‌توان موارد زیر را بر شمرد:

پیدا کردن مختصات سفینه‌ها در فضا.

پیدا کردن مختصات یک سفینه در فضا و همچنین مختصات سیارات و دیگر اجرام شناور در فضا، نیازمند محاسبات پیچیده و سنگینی است. انجام این محاسبات بدون استفاده از کامپیوتر، ماه‌ها طول می‌کشد. در حالیکه با کمک کامپیوتر می‌توانیم در ظرف چند دقیقه و با دقتی بسیار بالا، اطلاعات مورد نیاز خود را در دست داشته باشیم.

کنترل رادیوتلسکوپ‌ها و هماهنگی آنها با سفاین فضایی.

رادیوتلسکوپ‌ها همیشه باید همراه با سفاین حرکت کنند و در صورت لزوم همراه با آنها تغییر جهت بدهند. انجام محاسبات مربوط به کنترل رادیوتلسکوپ‌ها و هماهنگ کردن آنها با سفاین فضایی هم بر عهده کامپیوترهاست.

طراحی، ساخت و آزمایش سفاین فضایی.

پیش از ساختن یک سفینه فضایی، باید مدلهایی از آن ساخته و آزمایش شود. ساختن مدلها نیاز به هزینه گزافی داشته و زمان زیادی می‌برد. با شبیه‌سازی به وسیله کامپیوتر، در زمان و هزینه به مقدار زیادی صرفه جویی شده و از خطرهایی که در این مسیر وجود دارد جلوگیری می‌شود.

کنترل سفاین با سرنشین و بدون سرنشین.

یک موشک پیش از پرتاب از سکو، باید در مسیر از پیش تعیین شده‌ای حرکت کرده به سوی مقصد برود. این موشک به هردلیلی ممکن است منحرف شود. کامپیوترهای درون موشک و یا کامپیوترهای ایستگاه‌های زمینی وظیفه دارند تا میزان خطا را بدست آورده و موشک را به مسیر درست بازگردانند. همچنین سفاین بدون سرنشینی که روی سیارات دیگر نشسته‌اند و یا در مدار آن قرار دارند و آزمایش‌های مربوط به کشف حیات و آب را انجام می‌دهند، همگی به وسیله کامپیوترها کنترل می‌شوند.

فرآهم کردن اطلاعات مورد نیاز برای فضانوردان.

یک فضانورد باید اطلاعات مورد نیاز را همواره در دسترس داشته باشد. این اطلاعات نیازمند محاسبات پیچیده‌ای است که باید در اسرع وقت و کمترین زمان فراهم شود. این کار هم تنها از عهده کامپیوترها بر می‌آید که دارای قدرت محاسباتی و توان پردازشی بسیار بالایی هستند.

ارتباطات به ویژه در رابطه با انتقال تصاویر از کرات دیگر.

برای درک شرایط محیطی سیارات دیگر، هیچ چیزی روشن‌کننده‌تر و بهتر از یک عکس نیست. وظیفه کامپیوترها گرفتن عکس، ارسال آنها به زمین، رتوش کردن و قابل رویت کردن آنها برای ماست. تصاویری که توسط سفاین فضایی و تلسکوپ‌های فضایی ارسال شده‌اند، همگی به وسیله کامپیوترها پردازش می‌شوند.

آزمایش‌هایی به ویژه در جهت پیداکردن حیات در کرات دیگر.

کشف حیات در سیارات دیگر مهمترین وظیفه‌ای است که یک کامپیوتر مستقر در سفینه انجام می‌دهد. سفاینی که در سیارات دیگر فرود می‌آیند وظیفه دارند که آن سیاره را از جهت مواد معدنی و همینطور امکان وجود حیات بررسی کنند، نتایج حاصله را برای پردازش به کامپیوترها داده و نتیجه نهایی را به زمین ارسال کنند. به این ترتیب ما می‌توانیم بفهمیم که چه کواد معدنی و شاید هم آلی در آن سیاره وجود دارد و آیا اصولا امکان ظهور حیات در آن سیاره وجود دارد و یا خیر.

شبیه‌سازی سفرهای فضایی برای فضانوردان.

شبیه سازی یک سفر فضایی برای فضانوردان یکی از مهمترین وظایف کامپیوترها است. یک فضانورد نیاز به تمرین دارد و در این تمرینات، ‌خطرهای زیادی او را تهدید می‌کند. اما در شبیه‌سازی کامپیوتری، یک فضانورد می‌تواند به فضا برود، در میان سیارات مسافرت کند، با انواع خطرات مواجه شود و بدون اینکه خطری او را واقعا تهدید کند، سر جای نخست خود باز گردد.

حفظ ایمنی پرواز به ویژه در رابطه با قدرت انفجاری موشک.

مسافرت به فضا نیازمند قدرت انفجاری زیادی برای خنثی کردن شتاب ثقل زمین است. این قدرت انفجاری بالا، همواره با خطراتی همراه بوده که مشهورترین آنها در سالهای اخیر انفجار فضاپیماهای چالنجر است. همچنین انهدام فضاپیمای کلمبیا به هنگام بازگشت به زمین هم نمونه‌ای از نصرات فراوانی است که در کمین کیهان‌نوردان است. برای جلوگیری از بروز چنین حوادثی باید هماهنگی لازم میان تمام دستگاه‌های سفینه بر قرار باشد و این هماهنگی تنها از عهده کامپیوتر برمی‌آید.

با توجه به این مسایل و مشکلات است که ما می‌بینیم تکنولوژی فضانوردی تنها با کمک کامپیوتر امکان رشد و پیشرفت داشته و با کمک کامپیوتراست که امروزه سفاین فضایی ساخت دست بشر توانسته‌اند از منظومه شمسی خارج شوند

نوشته: حسین جوادی

قیزیک ذرات بنیادی چیست؟

فیزیک ذرات بنیادی بخشی از فیزیک است. موضوع مورد مطالعه ی فیزیکدانان ذرات بنیادی این است

که بدانند جهان از چه ذراتی ساخته شده و این ذرات چگونه در کنش با یکدیگر هستند. اما این ذرات چه هستند؟

در حدود سال 1900 تصور می شد که اتم سنگ بنای جهان است و غیر قابل تجزیه می باشد

بزودی مشخص شد که اتم از یک هسته ی مرکزی با الکتریکی مثبت و تعدادی الکترون که در اطراف آن در گردشند، تشکیل شده است

هنگامیکه هسته مورد مطالعه قرار گرفت، فیزیکدانان متوجه شدند که هسته از پروتون با بار الکتریکی مثبت و نوترون که از نظر الکتریکی حنثی است تشکیل شده و الکترونها در اطراف آن در گردشند

ماده از چه ذراتی ساخته شده است؟ هرچه تحقیقات روی هسته بیشتر انجام می شد، ذرات جدیدی کشف می شدند. همچنین تحقیقات بیشتر نشان داد  که پروتونها و نوترونها نیز از ذرات دیگری که  کوارک نامیده شدند ساخته شده است سرانجام فیزیکدانان ذرات سازنده ی ماده را به دو دسته  لپتونها و کوارکها  تقسیم کردند  در این تقسیم بندی هادرونها از جمله پروتون و نوترون ذره ی بنیادی نیستند و از کوارکها ساخته شده اند

 

پاد ماده یکی از کشفیات بسیار جالب، کشف پاد ماده است  برای هر ذره ی بنیادی یک ذره دیگری وجود دارد  که آن را پا ماده ی آن می نامند  به عنوان مثال پاد ماده ی الکترون، پوزیترون است  که تنها از نظر الکتریکی با هم تفاوت دارند  ماده و پاد ماده یکدیگر را جذب کرده و به انرژی تبدیل می شوند  بهمین دلیل آنها را پاد ماده می نامند  توجه شود که پاد ماده تنها یک اصطلاح است و از نظر فیزیکی هر دوی آنها ماده می باشند

 

اسپین

اسپین یکی از خواص ذرات مانند جرم و بار است. اسپین اندازه ی حرکت زاویه ای ذره است

و ساده ترین راه برای اندازه گیری اندازه حرکت زاویه ای ذره بر اثر گردش آن است

 در واقع سخن از گردش ذره درست نیست، بلکه اندازه حرکت زاویه ای ذره یکی از خواص ذاتی ذرات است

 اسپین نظیر اندازه حرکت و انرژی در تمام مراحل ثابت است

کوارکها

شش کوارک و شش پاد کوارک وجود دارد که که سه دسته دوتایی تشکیل می دهند. این گروهها عبارتند از

up-down

بالا-پایین

charm-strange

عجیب-افسون

top-bottom

سر- ته

 

یک خاصیت دیگر جالب کوارکها این است که هیچگاه کوارکها به تنهایی مشاهده نمی شوند

و آنها در کنار یکدیگر قرار دارند و ذرات مرکب را می سازند

 این ذرات مرکب هادرون نامیده می شوند

کوارکها نطیر الکترون و پروتون دارای بار الکتریکی هستند. اما بار الکتریکی کوارکها کسری از بار الکتریکی پایه است

 

Flavour		Mass (GeV/c2)	Electric Charge (e)
u	up	0.004	+2/3
d	down	0.08	-1/3
c	charm	1.5	+2/3
s	strange	0.15	-1/3
t	top	176	+2/3
b	bottom	4.7	-1/3

 

Leptons

Flavour		Mass (GeV/c2)	Electric Charge (e)
	electron neutrino	<7 x 10-9	0
	electron	0.000511	-1
	muon neutrino	<0.0003	0
	muon (mu-minus)	0.106	-1
	tau neutrino	<0.03	0
	tau (tau-minus)	1.7771	-1

نیروهای اساسی

نیروهای اساسی طبیعت عبارتند از

نیروی الکترومغناطیسی

هسته ای ضعیف

هسته ای قوی

گرانش

همه ی این نیروها توسط ذرات تبادلی حمل می شوند به عنوان مثال ذرات تبادلی نیروی الکترومغناطیسی فوتون نامیده می شود الکترون و پروتون با انتشار و جذب فوتون همدیگر را جذب می کنند همچنین نوترینو یک ذره بدون بار الکتریکی است، بنابراین فوتون منتشر یا جذب نمی کند

نیروی هسته ای ضعیف

همه ی اجسام پایدار موجود در جهان از یک نوع لپتون (الکترون) و دو کوارک (بالا-پایین) ساخته شده اند

 که ترکیب این دو کوارک بصورت پروتون و نوترون ظاهر می شود

 در هر صورت شش تای آنها پیشگویی و مشاهده شده اند و شش تای دیگر مشاهده نشده اند، زیرا

کوارکها و لپتونهای سنگین به دلیل وجود نیروی هسته ای ضعیف قابل مشاهده نمی باشند  نیروی هسته ای ضعیف باعث می شود که  کوارکها و لپتونهای سنگین به کوارکها و لپتونهای سبکتر واپاشیده شوند ذره ی حامل نیروی واپاشی لپتونها و کوارکهای سنگین  W+ and W- هر کدام از اینها شامل یک ذره ی باردار و یک ذره ی خنثای  Z است

علاوه بر بار الکتریکی، کوارکها دارای خاصیت دیگری هستند که بار - رنگ نامیده می شود

 colour charge

نیروی بین درات بار - رنگب سیار قوی است که آنرا نیروی قوی می نامند نیروی قوی بسیار سخت و جاذبه است که روی پروتونها و نوترونها اعمال می شود این نیرو بر نیروی دافعه الکتریکی بین پروتونها غلبه می کند  و موجب می شود هسته پایدار بماند

در واقع نیروی قوی بین کوارکها اعمال می شود ذره ای که این نیرو را حمل می کند گلوئون gluon  نامیده می شود

 

مدل استاندارد ذرات بنیادی

 

با توجه به مطالب بالا مدل استاندارد ذرات بنیادی به شرح زیر است شش عدد کوارک شش عدد لپتون و چهار بوزون که نیروها را حمل می کنند بطور کلی ذراتی که ماده را می سازند فرمیون و ذراتی که نیرو ها را حمل می کنند بوزون نامیده می شوند

 هر مساله در فیزیک هر چند ساده ، می‌تواند پیچیده جاو کند و سوالهای عجیبی مطرح شود که همگان را به فکر وا دارد مثل همین سوال: کی ما سریعتر به دور خورشید می‌گردیم شب یا روز؟

زمین به دور خود می‌چرخد (حرکت وضعی زمین) و این عامل باعث ایجاد شب و روز می‌گردد. بخشی از زمین که رو به خورشید است روز و بخشی دیگر که پشت به خورشید است، شب می‌باشد. پس همیشه یک طرف زمین روز و طرف دیگر شب است. پس این سوال به چه معناست؟ ظاهرا بی‌معنی است.

نکته جالب

نکته در اینجاست که از ما سوال نمی‌شود که کی تمام کره زمین سریعتر تغییر مکان می‌دهد، بلکه سوال می‌شود که ما ساکنان کره زمین ، سریعتر در میان ستارگان حرکت می‌کنیم و این سوال کاملا با معناست.

حقیقت چیست؟

ما در منظومه شمسی دو نوع حرکت داریم: زمین به دور خورشید می‌گردد (حرکت انتقالی زمین) و در عین حال به دور محور زمین می‌چرخیم (حرکت وضعی زمین). این دو حرکت با هم ترکیب می‌شوند، اما نتیجه‌ای که بدست می‌آید، بسته به این که ما در نیمه روز یا نیمه شب زمین باشیم متفاوت خواهد بود.حرکت زمین به دور خورشید از غرب به شرق است. از طرفی زمین هم در همین جهت به دور خود می‌چرخد (یک کره که حول یک محور خود می‌چرخد را در نظر بگیرید وقتی نیمی از کره از غرب به شرق می‌چرخد، بدیهی است که نیمه دیگر از شرق به غرب می‌چرخد).

چون در نیمه شب زمین جهت حرکت وضعی از غرب به شرق است پس این دو سرعت ، یعنی سرعت چرخش زمین به دور محورش بر سرعت گردش زمین به دور خورشید ، افزوده می‌شود. برعکس در نیمه روز که زمین از شرق به غرب حرکت می‌کند، این دو سرعت از هم کم می‌شوند. بنابراین ما نصف شب سریعتر از ظهر در منظومه شمسی حرکت می‌کنیم.

چقدر سریعتر

از آنجا که نقاط اطراف خط استوا در هر ثانیه در حدود نیم کیلومتر حرکت می‌کنند، تفاوت میان سرعت ظهر و سرعت شب در حدود یک کیلومتر است. برای تهران که در مدار 35 درجه قرار دارد، این تفاوت در حدود 800 متر است، یعنی اهالی تهران نصف شب هر ثانیه 800 متر بیشتر از ظهر در منظومه شمسی حرکت می‌کنند!