نشت انرژی از عالم واقعیت دارد؟

آنها که این مقوله را دنبال می‌کنند عمدتا روی نور متمرکز شده‌اند. به عقیده این دسته از دانشمندان، نور از گذر از عالم، مقداری انرژی خود را از دست می‌دهد. اما پرسشی که آنها مطرح می‌کنند این است که این انرژی به کجا می‌رود؟ و آیا اصولا می‌توان گفت انرژی در عالم ناپدید می‌شود؟!

به عنوان یک اصل ساده و نه چندان عجیب علمی باید گفت انرژی را نه می‌توان تولید کرد و نه آن را از میان برد. این اصل که از آن به اصل پایداری انرژی یاد می‌شود یکی از قوانین بسیار شناخته شده علم فیزیک است. سایه این قانون را در لحظه به لحظه زندگی می‌توان مشاهده کرد. اگر نگاهی به فنجان داغ قهوه‌ای بیندازیم که گرمای آن کل فنجان و بدنه آن را گرم می‌کند یا فعل و انفعالات شیمیایی که در نتیجه آنها اکسیژن در ساختار برگ درختان تولید می‌شود و حتی کمی فراتر از آن یعنی چرخش زمین به دور خورشید و در نهایت غذایی که مصرف می‌کنیم تا با استفاده از آن ضرباهنگ حیاتمان را حفظ کنیم، همگی نشان روشنی از اصل پایداری انرژی است. در حقیقت هر حرکتی که در گوشه و کنار عالم شکل می‌گیرد، بر مبنای انرژی و تغییر و تحولاتی است که در آن روی می‌دهد.

قوانین ساده و پذیرفته شده علم فیزیک می‌گویند مقدار انرژی در کل عالم ثابت و پایدار است و تنها شکل آن است که دستخوش تغییر شده است.

ما نمی‌توانیم بدون انرژی به زندگی خود ادامه دهیم و خودروها نیز بدون سوخت نمی‌توانند حتی یک متر حرکت کنند. بدون در نظر گرفتن انرژی هیچ فناوری نمی‌تواند پا به عرصه وجود بگذارد. به همین دلیل وقتی صحبت از نقض این قانون کلی می‌شود بدون شک هر کسی به بررسی آن علاقه‌مند می‌شود. در چنین وضعیتی این پرسش ساده اما بحث برانگیز مطرح می‌شود که مگر می‌توان متصور شد انرژی در سراسر عالم پایدار نباشد؟

بیایید برای لحظاتی از دنیای اطرافمان که به زمین و متعلقات آن محصور می‌شود خارج شویم و به دنیایی فراتر از آ‌ن قدم بگذاریم. دانشمندان برای بررسی این موضوع ترجیح می‌دهند سر نخ قضیه را نه در زمین بلکه در عالم فرازمینی دنبال کنند. این برای نخستین‌بار نیست که چنین نگرشی در دانشمندان ایجاد می‌شود. نکته مهم این است که ریشه بسیاری از اما و اگرهای علم فیزیک را می‌توان در عالم فرازمینی مورد بررسی قرار داد. البته این نوع بررسی به فناوری‌های خاص و پیشرفته‌ای نظیر تلسکوپ‌های قدرتمند نیاز دارد. تقریبا تمامی اطلاعاتی که ما از دنیای فرا زمینی داریم در قالب نور است و یکی از مشخصه‌های کلیدی آن این است که قابلیت قرمز شدن دارد. به بیان دیگر، نور کهکشان‌ها در عبور از مرزهای عالم تغییر رنگ می‌دهند و همین نکته آغازگر اما و اگرهای زیادی برای دانشمندانی شده است که اصل پایداری انرژی را مورد مطالعه قرار می‌دهند. در حقیقت اینجا صحبت از همان امواج الکترومغناطیسی است که همزمان با فاصله گرفتن از کهکشان‌های دور دست و منتشر شدن در عالم بسط و گسترش پیدا می‌کنند. این همان چیزی است که از سوی آلبرت اینشتین و تحت عنوان نظریه نسبیت مطرح شده است. اما نکته مهم این است که هر چه طول موج این امواج بیشتر باشد از سطح پایین‌تری از انرژی برخوردار هستند. در اینجا ممکن است پرسش مهمی به ذهن افراد علاقه‌مند خطور کند. در زمانی که به‌واسطه بسط پیدا کردن عالم نور به قرمز تمایل پیدا می‌کند، انرژی آن به کجا می‌رود؟ آیا این انرژی گم می‌شود؟ آیا می‌توان گفت در تناقض با یک اصل ساده و کاملا پذیرفته شده علمی در اینجا انرژی گم شده است؟

فیزیک مدرن نشان داده است هنگامی که از دنیای محدود اطرافمان خارج می‌شویم و به دنبال بررسی امور سخت و پیچیده فرا زمینی می‌رویم باید این احتمال را همواره مد نظر داشته باشیم که فرضیات قبلی و اصولی که همواره به آنها واقف بوده‌ایم ممکن است در هم فرو ریزند. در چنین مواردی باید همواره منتظر یک پدیده غیرعادی و مخالف با تصورات از پیش تعریف شده بود. بشر امروزی از یافته‌های اینشتین دریافته است که مفهوم مقارنه یا همسانی در حقیقت نوعی وهم است که بر اساس دیدگاه فرد بیننده تغییر می‌کند. در حال حاضر ما بر این گمان نیز هستیم که تداوم آشکار زمان و فضا ممکن است همچون ظاهر مواد گمراه‌کننده باشد. بسیاری از موادی که اطراف ما هستند ظاهری برای خود دارند که ممکن است نتوانیم از روی این ظاهر به باطن و خواص اصلی آنها پی ببریم. پس در فیزیک چه چیزی وجود دارد که بتوان نسبت به آن مطمئن بود؟ گذشته از آن باید این پرسش را نیز مطرح کرد که با تکیه بر چه اصولی در علم فیزیک می‌توان به دنبال کشف یافته‌های عمیق‌تری بود؟ در عصر حاضر فیزیکدانان روزهای طولانی را عمدتا برای بررسی امور شناخته شده صرف می‌کنند و در عین حال تلاش می‌کنند متوجه شوند دانش بشری در چه زمینه‌هایی دچار نقصان است تا برای آنها توضیحات ساده‌ای ارائه کنند. در این میان با نگاهی به تاریخ علم بخوبی روشن می‌شود که دانش بشری در راه کشف یافته‌های جدید مملو از سوءبرداشت‌ها بوده است. پس آیا می‌توان گفت اصل پایداری انرژی نیز یکی از همین سوء برداشت هاست که اگر این‌گونه باشد باید منتظر زلزله بزرگی در کلیت دانش بشر بود.

حقیقت این است که چنین نیست. اگر در ابعاد دنیای تک فوتونی به این قضیه نگاه کنیم انرژی همواره ثابت و پایدار است، حتی اگر نور به رنگ قرمز تغییر ظاهر دهد. در نقطه مقابل برای پدیده‌هایی که در کهکشان راه شیری روی می‌دهند باید گفت عملا امکانی برای نقض این قانون وجود ندارد و اصل پایداری انرژی در اینجا نیز کاملا دست نخورده باقی می‌ماند. اما زمانی که صحبت از ابعاد کیهانی می‌شود، انرژی به مفهوم زیرکانه‌ای تبدیل می‌شود و دقیقا از همین جاست که هیجان نهفته در موضوع نشت انرژی از عالم آغاز می‌شود.

نه تنها اصل پایداری و بقای انرژی بارها در جریان انجام آزمایشات تجربی مورد تأیید قرار گرفته است، بلکه دانشمندان نیز دلایل تئوریکی خوبی نیز برای پذیرفتن این اصل دارند. امی نوتر، ریاضیدان شناخته شده آلمانی کمک زیادی در این خصوص به دانشمندان و فهم آنها از اصل پایداری انرژی کرده است. وی حدود یک قرن پیش شکل گیری این اصل مهم علمی را پایه‌گذاری کرد و آن زمانی بود که او متوجه شد تمامی قوانین مربوط به پایداری و بقاء مبتنی بر تقارن طبیعت است.

او برای روشن ساختن هر چه بهتر اصل تقارن در عالم از اشکال هندسی استفاده می‌کرد. معمولا زمانی که صحبت از تقارن می‌شود، ذهن به طور خودکار به سمت آینه معطوف می‌شود. در آینه نوعی بازتاب یا شاید چرخش دیده می‌شود. برای فهم بهتر این موضوع می‌توان به مثلث متساوی الاضلاع اشاره کرد که اگر در هر جهتی چرخیده شود باز هم یک مثلث متساوی الاضلاع دیده می‌شود. البته اگر می‌خواهید در برابر خود مثلثی با همان شکل قبلی ببینید (مثلا یک نوک آن به سمت بالا باشد) باید آن را به‌اندازه یک‌سوم یک دایره فرضی بچرخانید. یک مربع نیز چنین خصوصیتی دارد با این تفاوت که باید آن را به‌اندازه یک‌چهارم بچرخانید. مقارن‌ترین اشکال در دنیای دو بعدی دایره است. این شکل را هر میزان که بچرخانید باز هم همان دایره است. آنچه درخصوص دایره گفته شده چیزی نیست جز تقارن پایدار یا همیشگی.

قوانین فیزیکی نیز می‌توانند متقارن باشند. گذر زمان تغییری در قوانین طبیعت ایجاد نمی‌کند. اگر یک آزمایش ساده فیزیکی را بارها و بارها انجام دهید باز هم همان نتیجه قبلی را به دست خواهید آورد. به عنوان مثال اگر با همان شدت و در همان زاویه قبلی به توپ بیلیارد ضربه بزنید، اتفاقاتی در زمین بازی روی می‌دهد که در دفعه قبل نیز شاهد آن بوده‌اید. به این کیفیت تعریف شده تقارن زمانی گفته می‌شود. قوانین طبیعی هیچ‌گاه به واسطه تغییر مکان جغرافیایی فرد تغییر نمی‌کنند. از این‌رو ما تقارن فضایی نیز داریم. گذشته از این قوانین طبیعت به واسطه تغییر زاویه دیدمان نسبت به آنها دچار تغییر و تحول نمی‌شوند. به این کیفیت نیز تقارن چرخشی گفته می‌شود. البته مطمئنا چشم‌انداز شما می‌تواند براساس تغییری که در محل ایستادنتان ایجاد می‌کنید دستخوش تغییر و تحول نیز شود. جهت نگاه نیز دراین خصوص تأثیرگذار است، اما قوانین بنیادین فیزیک مستقل از مکان جغرافیایی ما و همچنین زمان هستند. اکنون این پرسش مطرح می‌شود که این نکات چه ارتباطی با آن دایره دارند؟ پاسخ کاملا روشن است. زمانی که قانونی به رغم تغییر در مکان و زمان باز هم ثابت و پایدار باقی می‌ماند همچون دایره تحت عنوان تقارن پایدار شناخته می‌شود.

آنچه نوتر کشف کرد این بود که هر زمان طبیعت تقارن پایداری را نمایش دهد، حتما یک قانون پایدار نیز در ادامه آن وجود دارد و بالعکس. اکنون نوبت نتیجه گیری در این خصوص است که انرژی نیز همواره پایدار است. تقارن فضایی گویای آن است که میزان نیروی حرکت آنی پایدار است. همچنین تقارن چرخشی نیز این اطمینان خاطر را در ما ایجاد می‌کند که میزان نیروی حرکت آنی زاویه‌دار نیز همواره پایدار است و در نهایت تقارن زمانی نیز می‌گوید انرژی پایدار است. بنابراین بیان این‌که قانون بقای انرژی وجود دارد همان‌قدر جای شک و تردیدی بر جای نمی‌گذارد که به عقیده دانشمندان قوانین فیزیکی که در گذشته ارائه شده‌اند در عصر حاضر نیز اعتبار داشته و در آینده نیز همچون گذشته و حال خواهند بود. به بیان دیگر هر زمان که تقارن زمانی نقض شود، پایداری و بقای انرژی نیز از میان خواهد رفت. همان‌طور که در ادامه خواهیم دید این اما و اگر همان نقطه آغازی است که مشکلاتی درخصوص قانون بقای انرژی در دنیای مطرح شده از سوی اینشتین دیده می‌شود.

برای بررسی این نکته که عصر حاضر درباره پایداری انرژی همچون گذشته است هیچ پیشنهادی بهتر از این نیست که این مقوله را با استفاده از تلسکوپ اخترشناسی مورد بررسی قرار دهیم. در حقیقت دانشمندان برای مطمئن شدن از اصل پایداری انرژی استفاده از تلسکوپ را ایده‌ای ساده و قابل فهم عنوان می‌کنند. تلسکوپ‌های امروزی آنقدر قدرتمند هستند که می‌توانیم گذشته‌های بسیار دور را نیز مورد مطالعه قرار دهیم. با استفاده از این ابزارهای قدرتمند این امکان فراهم شده است که نخستین کهکشان‌ها و نحوه شکل‌گیری آنها مورد بررسی قرار گیرد. دامنه این مطالعات تنها به این نقطه ختم نمی‌شود به طوری که می‌توان حتی دوران پس از وقوع انفجار بزرگ را نیز مورد بررسی قرار داد. نوری که ما در این تلسکوپ‌ها می‌بینیم میلیاردها سال است که در عالم سیر می‌کند و در تمامی این مدت نخستین چیزی که این نور با آن برخورد کرده است آینه همین تلسکوپ هاست. طول موج این نور کلید اصلی معمای ارزیابی پایداری انرژی با تکیه بر مشاهدات نوری است. در دهه 1920 ادوین هابل موفق به کشف این نکته شد که نور بیشتر کهکشان‌ها متمایل به قرمز است. وی دریافت که طول موج‌های فوتون‌هایی که به‌وسیله اتم‌ها منتشر یا جذب می‌شوند (نظیر هیدروژن) در تمامی کهکشان‌ها اما نزدیک‌ترین آنها به نظر می‌رسد که با طول موج‌های نوری که در محیط اطراف ما نیز دیده می‌شود شباهت زیادی دارد. این یک دستاورد بزرگ و ارزشمند در علم اخترشناسی به شمار می‌آید تا آنجا که امروزه هرگاه اخترشناسان در تشخیص فاصله دقیق یک کهکشان تا کهکشان راه شیری به بن بست بر می‌خورند از طول موج نور قرمز یاد شده به عنوان یک مبنای نسبتا قابل اطمینان استفاده می‌کنند.

هر چند اصل پایستگی انرژی جنبشی در کنار انرژی پتانسیل(انرژی مکانیکی) غالبا مفید است اما این اصل در واقع حالت محدودی از اصل کلی بقای انرژی است. انرژی‌های جنبشی و پتانسیل تنها هنگامی بقا خواهند داشت که نیروهای پایستار عمل می‌کنند، در صورتی که انرژی کل همیشه بقا دارد. در اینجا باید به بقای انرژی در نسبیت نیز اشاره کرد.

با ظهور قانون نسبیت اینشتین، در قوانین بقای فیزیک کلاسیک تجدید نظر کلی حاصل شد. به عنوان مثال قانون بقای اندازه حرکت خطی و قانون مطلق بودن فضا در فیزیک کلاسیک به هم خورده و به جای آن کمیتی تعریف شد که برابر مجموع مربع اندازه حرکت خطی و مربع فاصله است و همواره پایسته می‌ماند.

قانون بقای انرژی نیز از این قاعده کلی مستثنا نیست، بلکه قانون جدیدی به نام پایستگی جرم به وجود آمده است. براساس این قانون، جرم به انرژی و بر عکس انرژی به جرم تبدیل می‌شود. البته تمام این موارد در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور صورت می‌گیرد و در سرعت‌های پایین قوانین بقای فیزیک کلاسیک به قوت خود باقی است.

منبع: Scientific American