28-01-2024

 

فیزیک کوانتوم محض، مفهوم پلاسمای کامل و نیروی واحد

 

در فیزیک مکانیک کلاسیک، امواج الکترومغناطیس کمیت‌های پیوسته هستند. ولی در مکانیک کوانتومی، تابش‌های الکترومغناطیس، کمیت‌های گسسته و کوانتومی (بسته‌بندی‌شده) هستند. انرژی این تابش‌ها از رابطه ماکس پلانک به دست می‌آید یعنی:

 

 

این رابطه، انرژی یک تابش کوانتومی را بر مبنای بَسامد و یا تواتر آن نشان می‌دهد. یعنی در نهایت خودش به‌نوعی معادله مکانیکی است. به طور مثال هر سیکل تابش به مقدار یک ثابت پلانک انرژی خواهد داشت و انرژی کل، تعداد سیکل‌ها در یک ثانیه خواهد بود. ولی ما در این مبحث سعی می‌کنیم انرژی خود میدان الکترومغناطیس را محاسبه و آن را با انرژی ژولی و جرم نیوتنی هم‌ارز کنیم. یعنی در گذشته معلوم شده که کمیت‌های انرژی و جرم با یکدیگر هم‌ارز هستند. ما می‌خواهیم به هم ارزی هر دوی آنها با انرژی میدان الکترومغناطیس دست یابیم. شاید این گفته ما برای بعضی‌ها خیلی عجیب یا خنده‌دار و مسخره به نظر برسد. یعنی طبق مفاهیم و اصول بنیادی فعلی، الکترومغناطیس خودش صورتی از انرژی تعریف و شناخته شده است. یعنی تمام مقدار و کل ذات یک تابش کوانتومی، کلاً انرژی محسوب می‌شود. ولی به باور ما این‌گونه نیست! فرض کنید از کنار یک ژنراتور برق نیروگاهی بسیار بزرگ و قوی رد می‌شوید. این ژنراتور خاموش و بدون حرکت است و دینامو یا روتور آن چرخشی ندارد. ولی مگنت‌های درون آن می‌توانند هر شی آهنی اطراف خود را به‌شدت جذب کنند. حتی سگک کمربند یا ساعت‌مچی شما را. درست همانند اسکنر MRI . ولی خروجی جریان این ژنراتور صفر است و برای جداکردن این اشیا نیاز به نیرو و انرژی داریم. زمانی که شفت یا محور آن بچرخد، نیروی مکانیکی تبدیل به نیروی الکتریکی می‌شود. در واقع ژنراتور، انرژی مکانیکی را تبدیل به انرژی الکتریکی می‌کند نه اینکه میدان مغناطیسی مگنت‌ها را تبدیل به انرژی الکتریکی کند. یعنی این نوسان جریان الکتریکی است که حامل انرژی می‌شود. بهتر است بگوییم که هر ژنراتوری به نسبت قدرت مگنت‌هایش، توان تولید انرژی الکتریکی دارد که اگر زیاد تحت‌فشار قرار گیرد، مگنت و سیم‌پیچی داخلی‌اش از بین می‌رود یا آسیب جدی می‌بیند. یعنی رابطه‌ای مابین قدرت مگنت و توان ژنراتور وجود دارد. قصد ما هم‌ارز کردن میدان مغناطیسی مگنت‌های در حال سکون با کمیت نیروی نیوتنی و انرژی ژولی است. یعنی چه مقدار نیرو یا انرژی لازم است تا خاصیت مغناطیسی از مگنت‌ها گرفته شود و دیگر خاصیت مغناطیسی نداشته باشند و در صورت چرخش محور ژنراتور، هیچ جریان الکتریکی یا انرژی الکتریکی خارج نشود. یعنی به دنبال هم ارزی میدان الکترومغناطیسی با جرم و انرژی هستیم. مثال دیگر اینکه فرض کنید یک گوی فلزی را به‌اندازه یک کولن باردار کنیم از نوع بار منفی. مسلماً وزن و جرم گوی افزایش می‌یابد. ولی این افزایش مربوط به افزایش یک کولن الکترون در گوی است و نه خود بار الکتریکی الکترون‌ها. اینک اگر این گوی نوسان کند، انرژی مکانیکی این نوسان توسط امواج الکترومغناطیسی به اطراف منتشر خواهد شد نه جرم و نه انرژی آن یک کولن الکتریسیته که به جرم الکترون‌ها مربوط است. به این دلیل است که واژه مکانیک در کوانتوم ادغام شده است. به بیان ساده ما قصد داریم مکانیک را از کوانتوم جدا کنیم و به فیزیک محض کوانتوم دست یابیم. همان‌طور که می‌دانیم در یک موج الکترومغناطیسی، دو بردار نیروی الکتریکی و مغناطیسی بر یکدیگر عمود بوده و زاویه ۹۰ درجه‌ای دارند. پس ما مجدداً با یک مثلث قائم‌الزاویه سروکار داریم.

 

 

وتر این مثلث یا برآیند این دونیرو برای ما پررنگ و مورد هدف است.

 

 

 

Fq نیروی میدان الکتریکی، Fb نیروی میدان مغناطیسی و F همان نیروی واحد اولیه یا نیروی میدان واحد است که مدنظر ماست. چون نیرو و انرژی هر دو مفهوم برداری دارند، معادلات زیر هم برای نیرو صادق است هم برای انرژی. ولی چون نیروی واحد یک مفهوم جدید است و ممکن است کمی گنگ و ناآشنا به نظر برسد، ما آن را با انرژی ژولی هم‌ارز در نظر می‌گیریم:

 

 

اینک این سؤال مطرح می‌شود که مفهوم روابط بالا چیست؟ این معادلات به ما نشان می‌دهد که اولاً اگر ۷۰ درصد جرم و انرژی ذره‌ای مثل پروتون (هسته اتم هیدروژن، هادرون) را افزایش دهیم، بار الکتریکی آن خنثی می‌شود. چرا که ۷۰ درصد جرم و یا انرژی آن با بار الکتریکی‌اش درگیر است و رابطه دارد. ثانیاً قانون پایستگی جرم - انرژی قبلاً نقض شده بود و بعداً قانون پایستگی جرم و انرژی وضع شده بود و اینک ما متوجه شدیم که قانون پایستگی جرم و انرژی نیز نقض می‌شود و به‌جای آن قانون پایستگی جرم - انرژی و الکترومغناطیس یا نیروی واحد جایگزین می‌شود. یعنی داریم:

 

 

 

که هم ارزی مابین جرم و میدان الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد و اینک به‌پاس زحمات رنه دکارت ریاضی‌دان فرانسوی و پایه‌گذار هندسه تحلیلی، روابط فوق را تقدیم به ایشان می‌کنیم و نام آنها را، هم ارزی دکارتی می‌گذاریم. چون از تحلیل یک‌شکل هندسی به‌دست‌آمده‌اند و به رؤیای دکارت تحقق می‌بخشیم. چرا که ایشان در رؤیا دیده بودند که "روح حقیقت او را برگزیده و از او خواسته تا همه دانش‌ها را به‌صورت علم واحدی درآورد" و شاید موفق هم شده؛ ولی خودش و دیگران بی‌اطلاع بوده‌اند. به باور ما حقیقت یک مثلث قائم‌الزاویه زیر دستان او و لابه‌لای تحلیل‌های او از هندسه بوده است. هندسه دکارت خود حقیقت و واقعیت خود هندسه دکارت است.

 

 

 

خود دیراک خیلی به واقعیت نزدیک شده بود. ولی نتوانست از عهده تحلیل آن بربیاید. چون از هندسه تحلیلی و افکار دکارت غافل بوده. درنتیجه چشمانش رو به‌طرف حقیقت بسته شد.

 

 

ما در رابطه دیراک که به‌طرف داری یا جانب‌داری از نسبیت خاص انیشتین، انرژی کل نسبیتی یک ذره باردار را نشان می‌دهد و در مقابل معادله موج شرودینگر قد علم کرده است، یک مثلث قائم‌الزاویه را خیلی واضح و روشن می‌بینیم البته به یاری هندسه دکارتی و به این زودی‌ها دست‌بردار این قضیه نخواهیم شد. اما مفهوم پلاسمای کامل:

 دما و حرارت می‌تواند جامد را به مایع و مایع را به گاز و گاز را به پلاسمای یونیزه یا یونیده تبدیل کند. این حالت بعد از دمای ۲۰۰۰ درجه شروع می‌شود و ماده کم‌کم اولاً بار الکتریکی منفی (الکترون‌هایش) را از دست می‌دهد و به بار الکتریکی مثبت تبدیل می‌شود. ثانیاً با افزایش دما، این بار الکتریکی مثبت را نیز ازدست‌داده و به ماده بدون بار الکتریکی تبدیل می‌شود که ما به آن پلاسمای کامل یا پلاسمای مطلق می‌گوییم. آزمون‌های ما نشان داده که اکسید آلومینیوم یا آلومینا در دمای ۲۰۰۰ درجه، هادی جریان الکتریسیته می‌شود و در دمای ۲۲۰۰ درجه نه‌تنها ذوب می‌شود، بلکه قابلیت پذیرش قوس الکتریکی با شدت‌جریان بالا پیدا می‌کند. یعنی هرچند که در دمای اتاق عایق خوبی برای جریان الکتریکی است، ولی در دماهای بالا، همانند مس هادی خوبی برای جریان الکتریکی می‌شود که در دماهای بالاتر تجزیه آلومینیوم و اکسیژن اجتناب‌ناپذیر است. به بیان ساده در قوی‌ترین انفجارهای هسته‌ای شکافت - همجوشی انجام شده به دست بشر، پلاسمای کامل حاصل نمی‌شود. ما اگر بخواهیم ۱ واحد پلاسمای کامل تولید کنیم، می‌بایست ۰٫۷ واحد جرم را به انرژی تبدیل کنیم و آن را به آن یک واحد منتقل کنیم، تا به پلاسمای کامل تبدیل شود. آزمون‌ها نشان داده که با افزایش دما، بار الکتریکی یا قدرت میدان الکترواستاتیکی ذرات ضعیف می‌شود و تنها در این شرایط است که همجوشی هسته‌ای ممکن و مقدور خواهد شد و به باور ما در این مرز یا آستانه تعریف شده (70%)، بار الکتریکی ذرات کلاً از بین می‌رود و ما به پلاسمای کامل یا مطلق، فاقد هرگونه بار الکتریکی دست میابیم. ولی این شرایط فعلاً در دو حالت ممکن و عملی شده است. نوع اول بر همکنش تابش‌های پرانرژی گاما با ذرات باردار است که انرژی آن می‌بایست معادل یا بیشتر از ۷۰ درصد انرژی یا جرم خود ذره باردار باشد. نوع دوم شتاب‌دهنده‌های کیهانی که سرعت خطی این ذرات باردار را تا نزدیکی سرعت نوربالا می‌برند. در بحث‌های بعدی اندازه و مقدار این سرعت و دما را محاسبه و ارائه خواهیم کرد و خیلی از واقعیت‌های پنهان را برای ما روشن خواهد کرد.

 

 

 

 

اینک سعی می‌کنیم که طول‌موج، بسامد و سرعت نور را وارد معادلات فوق کرده و این انرژی یا نیروی واحد را دقیق‌تر محاسبه کنیم:

ابتدا باید دامنه موج را محاسبه کنیم:

 

 

روش دوم:

 

در مبحث محاسبه نیروی فوتون رشته ای و مدت زمان انتقال تكانه آن نیروی فوتون در امتداد مسیر حرکت خودش را چنین محاسبه کردیم و این نیروی واحد میدان کوانتومی عمود بر امتداد مسیر حرکت فوتون بوده و تقریباً ۴.۴۴ برابر بیشتر است.

 

 

اینک توابع نیروهای فوتون یا امواج الکترومغناطیس را محاسبه می‌کنیم.

 

 

 

 

محمدرضا طباطبایی ۴/۱۰/۱۴۰۰

https://ki2100.com