مقدمه

پلانک در سال 1900 میلادی برای تشریح تابش جسم سیاه و اینشتین پنج سال بعد برای توجیه اثر فوتو الکتریک، ذره ای بودن تابش های الکترومغناطیسی را پیشنهاد کردند. این نگرش نو به امواج الکترومغناطیسی موانع متعددی را از پیش پای علم فیزیک برداشت ودانشمندان را برای مطالعه ی پدیده های ناشناخته ی جهان که سالیان سال با آن دست به گریبان بودند یاری کرد. بنابر نسبیت و مکانیک کوانتوم، فوتون که در حقیقت ذره ی حامل انرژی است دارای جرم و انرژی سکون صفر سرعت c

که در آن

است . همچنین فوتون ها در گسیل و جذب تابش تولید یا نابود می شوند و با ذراتی مانند الکترون برخورد ذره گونه انجام می دهند.

با ابداع نظریه ی کوانتومی تابش و نسبیت خاص در اوایل قرن بیستم، زمینه برای توصیف عالم به خوبی فراهم گردید. دانشمندان با مطالعه طیف های جذبی ستارگان و کهکشان های دوردست به این موضوع پی بردند که در این خطوط با توجه به کم نور شدن منبع تابش (ستاره یا کهکشان) یک جابه جایی به سوی قرمز طیف ملاحظه می شود آنان این پدیده (قرمز گرایی ) را مربوط به فرار کهکشان ها تلقی نمودند و به دنبال آن مشخص شد که این گرایش به قرمز با افزایش فاصله ی کهکشان ها نسبت به زمین بیشتر می شود.

ادوین هابل با ارایه رابطه ای نشان داد که کهکشان های دورتر باید سرعت گریزشان از ما بیشتر از کهکشان های نزدیک تر باشد تا این قرمز گرایی طیف توجیه گردد و به این صورت جهان می بایست در حال منبسط شدن باشد این گونه بود که بزرگترین کشف قرن بیستم (انبساط جهان ) رقم خورد. اما سئوالی که اینک مطرح می شود اینست که انرژی لازم برای گریز کهکشان ها از کجا تامین می شود تا کهکشانها بتوانند با سرعتی غیر قابل تصور و با شتابی روز افزون از ما دور شوند؟ جواب این سئوال مشخص است انرژی تاریک مسئول این کار است انرژی که تنها دانشمندان موفق شدند برای آن نامی کشف کنند نه چیزی بیشتر.

مشکل کجاست؟

در نسبیت فوتون دارای جرم حالت سکون صفر است و تنها در شرایط سرعت نور تولید می شود. اما نسبیت هیچ توضیحی در این مورد ندارد که فوتون چگونه تولید می شود و اجزای تشکیل دهنده ی فوتون چیست که موجب می شود فوتون با سرعت نور حرکت کند؟ همچنین مکانیک کوانتوم نیز در این مورد توضیحی ندارد. افزون بر آن طبق نظر دیراک فوتون یک نقطه ی مادی است که نمی توان ساختمان آن را مورد بررسی قرار دارد. اما شواهد تجربی بسیاری وجود دارد که با فرض دیراک در مورد فوتون ناسازگار است. بهمین دلیل نظریه ریسمانها مطرح شد. نظریه ی ریسمانها نیز به ساختمان فوتون بی توجه است، در حالیکه نظریه سی. پی. اچ. برای اولین بار ساختمان فوتون را مورد بررسی قرار داد. به همین دلیل در ادامه با توجه به نظریه سی. پی. اچ. و ساختمان فوتون، بحث را ادامه می دهم.

نظریه سی. پی. اچ و انتقال به قرمز

با در نظر گرفتن اینکه طبق نظریه سی. پی. اچ. انرژی فوتون ها تابع ذرات زیر کوانتومی به نام سی. پی. اچ است که در این صورت خواهیم داشت :

مقدار n بستگی به انرژی تابش دارد، چنانچه تابش پر انرژی باشد فوتون های آن از تعداد سی. پی. اچ های بیشتری برخوردار است. بنابراین تراکم سی. پی. اچ ها در یک تابش مشخص کننده ی انرژی آن تابش است. این ذرات بنا بر نظریه ی سی. پی. اچ هیچگاه نسبت به هیچ دستگاهی به حالت سکون در نمی آیند و دارای دو دو حرکت انتقالی و دروانی ( اسپین) هستند و همراه فوتون با سرعت نور حرکت می کند، همچنین اسپین این ذرات ثابت نبوده و تحت شرایط محیطی تغیر می کند.

سی پی اچ ها در یک فوتون بر اثر تداخل اسپینی (برخورد یا تماس با یکدیگر)، یکدیگر را می رانند و بصورت یک تابع احتمالی از ساختمان فوتون خارج می شوند و در تابش ایجاد افت انرژی می کنند. روند خروج سی پی اچ ها از تابش با کم شدن چگالی انها در فوتون کاهش می یابد و نهایتا در طول موج مشخصی احتمال این خروج به سمت صفر میل می کند . بعضی از عوامل مانند گرانش باعث تشدید خروج یا ورود سی. پی. اچ ها به ساختمان فوتون می شود. خروج سی. پی. اچ. ها هنگام انقال به سرخ (هنگامیکه فوتون در حال فرار از میدان گرانشی است) و ورود آنها هنگام انتقال به آبی صورت می گیرد.

با فرض اینکه یک فوتون از تعدادی سی. پی. اچ تشکیل شده که این سی. پی. اچ ها دارای اسپین هستند و بر اثر تماس یکدیگر را می رانند، آنگاه می توان پذیرفت که با افزایش چگالی سی. پی. اچ. در ساختمان فوتون، احتمال برخورد آنها نیز افزایش می یابد و علاوه بر آن طی شدن مسافت طولانی توسط فوتون (یا گذشت زمان بیشتر) نیزاحتمال خروج سی. پی . اچ را افزایش می دهد .

فرض کنیم یک فوتون گاما از تعداد n سی. پی. اچ. تشکیل شده که با طی کردن مسیر d1 در فضا یک عدد سی. پی. اچ. از آن خارج می شود. بنابراین برای فوتون دلخواه که از تعداد n1 سی. پی. اچ. تشکیل شده است، احتمال خروج P(exit) , cph سی. پی. اچ. از فوتون در فاصله ی d1 برابر خواهد شد با :

و الزاما n1 < n

آنگاه برای مسیر دلخواه d خواهیم داشت :

دریک تابش پر انرژی مانند پرتو گاما به علت بالا بودن چگالی سی پی اچ های موجود درفوتون های آن نسبت به یک تابش با انرژی کمتر مانند تابش ماکروویو خروج سی پی اچ ها از شدت بیشتری برخوردار است زیرا تراکم سی پی اچ ها موجب افزایش تداخل اسپینی (برخورد) سی پی اچ ها شده و به دنبال آن احتمال خروج افزایش می یابد. بر اساس این دیدگاه یکی از دلایل قرمز گرایی خطوط طیفی ستار گان و کهکشان های دور دست ناشی از تحلیل انرژی نور ارسالی از آنها می باشد که با افزایش فاصله این تحلیل انرژی نیز افزایش می یابد و به دنبال آن طول موج تابش دریافت شده نسبت به طول موج اولیه بیشتر خواهد شد..بنابراین هرچه چشمه ی گسیل دهنده ی تابش در فاصله ی دورتری از ما قرار داشته باشد احتمال خروج سی پی. اچ. های بیشتری وجود خواهد داشت.

با این نگاه جدید به انتقال به قرمز طیف ستارگان و کهکشانها از دید سی. پی .اچ وجود مقوله ییچیده ی انرژی تاریک که هنوز توضیح قابل قبولی برای آن داده نشده، دیگر غیر ضروری به نظر می آید و انتقال به قرمز را نمی توان تنها ناشی از انبساط جهان دانست. انبساطی که به موجب آن کهکشان ها با حجم عظیمی از ماده با سرعتی بسیار بالا در حال فرار هستند.

با توجه به فرض خروج سی پی اچ است که تابش زمینه به عنوان حالتی خاص از افزایش طول موج تابش های کیهانی مورد توجه قرار می گیرد نه بازمانده ای از انفجار بزرگ.

 عناصر رادیواکتیو معمولا سه نوع ذره یا اشعه از خود صادر می‌کنند که شامل ذره آلفا ، ذره بتا و اشعه گاما است. با قرار دادن اشعه رادیواکتیو تحت تاثیر میدان مغناطیسی متوجه شده‌اند که ذره آلفا دارای بار مثبت ، بتا دارای بار منفی و اشعه گاما بدون بار است.

خواص ذره آلفا

جنس ذره آلفا ، هسته اتم هلیوم است که از دو نوترون و دو پروتون تشکیل یافته است. جرم آن حدود 4 برابر جرم پروتون و بار الکتریکی آن 2+ و علامت اختصاری آن (4,2)He است. برد ذره آلفا به عنصر مادر ، انرژی اولیه و جنس محیط بستگی دارد. مثلا برد ذره آلفا صادره از رادیوم در هوا تقریبا 4.8 سانتیمتر می‌باشد. ذره آلفا به علت داشتن 2 بار مثبت هنگامی که از نزدیکی یک اتم عبور می کند، ممکن است تحت تاثیر میدان الکتروستاتیکی خود ، الکترون مدار خارجی آن اتم را خارج سازد و یا به عبارت دیگر اتم را یونیزه کند. همچنین ذره آلفا قادر است محل الکترون را تغییر دهد، یعنی الکترون تحت تاثیر میدان الکتریکی ذره آلفا از مدار پایین تری به مدار بالاتر صعود می‌کند و در نتیجه اتم به حالت برانگیخته در می‌آید. قابلیت نفوذ ذره آلفا بسیار کم است.

خواص ذره بتا

جنس ذره بتای منفی ، از جنس الکترون می‌باشد، بار الکتریکی آن 1- و علامت آن بتای منفی است. برد ذره بتا در هوا در حدود چند سانتیمتر تا حدود یک متر است. البته برد این ذره نیز به انرژی اولیه (عنصر مادر) و جنس محیط بستگی دارد. برخلاف ذره آلفا ، ذره بتا از نظر حفاظت یک خطر خارجی محسوب می‌شود. خاصیت یون سازی این ذره به مراتب کمتر از ذره آلفا است، یعنی بطور متوسط در حدود 100 مرتبه کمتر از ذره آلفا می‌باشد. ذره بتا می‌تواند در اتمها ایجاد برانگیختگی کند، ولی این خاصیت نیز در ذره بتا، به مراتب کمتر از ذره آلفا است. قدرت نفوذ ذره بتا بطور متوسط 100 برابر بیشتر از ذره آلفا است. طیف ذره بتا تک انرژی نیست، بلکه یک طیف پیوسته است که تمام مقادیر انرژی از 0 تا انرژی ماکزیمم را دارا می‌باشد. این ذره همان پوزتیرون است که ضد ماده الکترون می‌باشد. جرم آن با جرم الکترون برابر بوده و دارای باری مخالف با بار الکترون است و علامت اختصاری آن حرف بتای مثبت است.

خواص اشعه گاما

جنس اشعه گاما از جنس امواج الکترومغناطیسی می‌باشد، یعنی از جنس نور است. ولی با طول موج بسیار کوتاه که طول موج آن از 1 تا 0.01 آنگستروم تغییر می‌کند. جرم آن در مقیاس اتمی صفر ، سرعت آن برابر سرعت نور ، بار الکتریکی آن صفر و علامت اختصاری آن حرف گاما می‌باشد. انرژی اشعه گاما از 10 کیلو الکترون ولت تا 10 مگا الکترون ولت تغییر می‌کند. برد آنها بسیار زیاد است. مثلا در هوا چندین متر است. خاصیت ایجاد یونیزاسیون و برانگیختگی در اشعه گاما نیز وجود دارد. ولی به مراتب کمتر از ذرات آلفا و بتا است. مثلا اگر قدرت یونیزاسیون متوسط اشعه گاما را یک فرض کنیم، قدرت یونیزاسیون متوسط ذره بتا 100 و ذره آلفا 104 خواهد بود. قدرت نفوذ این اشعه به مراتب بیشتر از ذرات بتا و آلفا است. طیف انرژی اشعه گاما ، همانند ذرات آلفا تک انرژی است. یعنی تمام فوتونهای گامای حاصل از یک عنصر رادیواکتیو دارای انرژی یکسانی هستند.