فیزیک نوین و نسبیت اینشتین به زبان ساده       ادامه مطالب و عکسهای وبلاگ را در ارشیو یا نوشته های پیشین ببینید....سال۷۰۳۲میترایی و ۳۷۴۸ زرتشتی مبارک باد

یک علامت یا پالس نوری از کره ماه 5/1 ثانیه، از خورشید 5/8 دقیقه، از نزدیکترین ستاره به زمین 3/4 سال نوری و از نزدیکترین کهکشان به ما 2 میلیون سال در راه خواهد بود تا به زمین برسد. نور بدون توجه به اینکه ما نسبت به منبع نور مانند چراغ ثابت باشیم، به سمت آن حرکت کنیم یا در خلاف جهت از آن دور شویم همیشه با سرعت  ثابت km/s300000=C به ما می­رسد. این مهمترین کشف نسبیت عام انیشتین بود که نظریه نیوتن را در این مورد باطل کرد. اینشتین نتیجه گیری کرد که سرعت نور، حداکثر سرعت مطلق برای انتشار تمامی امواج می­باشد و هیچ چیزی نمی­تواند سریع تر از نور حرکت کند. در واقع با افزایش سرعت یا شتاب جسم، جرم آن جسم افزایش می­یابد. بنابراین در سرعت نور جرم جسم بی نهایت می­شود و رسیدن به سرعت نور غیرممکن می­باشد. در واقع رسیدن به سرعت بالاتر از نور مثل این است که بخواهیم یک لامپ را قبل از اینکه کلید چراغ را بزنیم، روشن شود. اگر ما به سمت یک ستاره حرکت کنیم یا ان ستاره به مانزدیک شود طول موجهای آن ستاره به رنگ آبی در طیف نما و اگر ستاره­ای از مادور شود در طیف نما طول موج انتهایی آن ستاره به طرف قرمز می­گراید که به آن قرمز گرایی طیف ستاره گویند. در واقع با کشف همین پدیده بود (شبیه اثر دوپلر) که ادوین هابل نشان داد با توجه به اینکه طیف نور کهکشان­ها به سمت قرمز انتقال می­یابد بنابراین کهکشانها از یکدیگر دور می­شوند و کیهان در حال انبساط است و با یک تکنیگی انفجار بزرگ آغاز شده است.

تئوری نسبیت:

تئوری نسبیت خاص اینشتین در قلمرو سرعتهای بسیار زیاد به بحث می­پردازد و نشان می­دهد که مکان، زمان و جرم شیء نسبی است و به ناظر بستگی دارد. نسبیت عام تأثیر اجرام بزرگ را بر مکان و زمان بخصوص سیر حوادث در میدان­های گرانشی بزرگ را بیان می­کند. برای قلمرو کوچکترین ذرات در کنار تئوری نسبیت از تئوری کوانتوم کمک گرفته می شود. اینشتین ثابت کرد در سرعتهای بسیار زیاد به طور مثال در فضاپیماهای پرشتاب زمان کندتر می­گذرد و اگر می توانستیم به سرعت نور برسیم زمان متوقف می­شد و در سرعتهای بالاتر از سرعت نور زمان به عقب برمی­گردد. اگر یک فضاپیما به طور مثال با سرعتی معادل 9/99% سرعت نور از برابر ناظر ثابت زمینی بگذرد، زمان برای ناظر ثابت 22 ثانیه می­گذرد، در حالی که زمان برای ناظر سوار بر فضاپیما، یک ثانیه سپری می­شود که به آن اشباع یا کوتاه شدن زمان می­گویند که نشان می­دهد زمان یک پدیده مطلق نیست. نسبیت همچنین بیان می­کند ابعاد جسمی که با سرعت خیلی زیاد از برابر ما عبور می­کند، از دید ما کوتاه­تر به نظر می­سد. این پدیده، انقباض طول نامیده می­شود. به طور مثال اگر یک فضاپیما به طول 100 متر با سرعتی برابر 95% سرعت نور، از مقابل ما عبور کند، ما طول آن را فقط 33 متر خواهیم دید که طول فضاپیما از دید ما به  آن کاهش پیدا می­کند.

قسمت­های دیگر تئوری نسبیت به بحث در مورد زمان و جرم جسم در سرعت­های زیاد می­پردازد. همان طور که اشاره شد در سرعتهای بالا زمان کندتر می­گذرد. به طور مثال یک فضاپیما که با سرعت نور حرکت می­کند، می­تواند ظرف مدت 15 سال به کهکشان آندرومدا نزدیکترین کهکشان به ما برسد که 2 میلیون سال نوری از زمین فاصله دارد، در حالی که از دید ناظر زمین، این سفر 2 میلیون سال طول می­کشد که اینشتین با یک مثال پارادوکوس دوقلوها این موضوع را اشاره می­کند که یکی از برادرهای دوقلو که به آندرومدا سفر می­کند (با سرعت نور) پس از 15 سال به آنجا می­رسد در حالی که 2 میلیون سال از عمر زمین گذشته است و اگر برادر دو قلو به زمین برگردد ممکن است زمین را خالی از نوع بشر بیابد. برای فضانوردی هم که با 94/99% سرعت نور، یک مسیر دایره وار را طی می­کند 68 سال سپری می شود. در حالی که در همان مدت بر روی زمین 2000 سال سپری شده است.

همانطور که اشاره شد با افزایش سرعت یا شتاب دادن یک جسم، جرم آن افزایش می یابد. به طور مثال اگر یک فضاپیما در حالت سکون یک تن جرم داشته باشد در سرعتی معادل 80% سرعت نور جرم آن 7/1 تن و در سرعتی معادل 99% سرعت نور، 224 تن جرم خواهد داشت و در سرعت نور جرم این فضاپیما به بی نهایت می­رسد که آن را متلاشی خواهد کرد. بنابراین ما هیچ وقت نخواهیم توانست به سرعت نور برسیم. اینشتین بیان می­کند که در میدان­های گرانشی بزرگ، ساعت­ها کندتر و در میدان های جاذبه کوچکتر، زمان تندتر می­گذرد. این نظریه به وسیله ساعت­های اتمی که در هواپیما کار گذاشته شدند اثبات شد. در نزدیکی یک سیاه چال که نیروی گرانشی بسیار شدید است زمان کندتر می­گذرد و ساعت­ها کندتر می­گذرند و درون یک سیاه چال زمان متوقف می­شود. یک ستاره نوترونی چون گرانش شدید دارد فضا زمان را انحنا می­دهد و اگر انسان می­توانست در یک ستاره نوترونی زندگی کند می توانست در اثر انحنای نور پشت سر خود را ببیند.

روی همین اصل اینشتین اظهار می­کند که کیهان انحنا دارد چون مقدار ماده موجود در عالم، نیروی گرانشی شدیدی را به وجود می­آورد که شکل هندسی عالم را به وجود می­آورد.

اثبات انحنای فضا زمان:

در یک خورشید گرفتگی می­توان نشان داد که نور ستارگان نزدیک به خورشید به علت میدان گرانشی خورشید منحرف می­شود. در نتیجه ما مکان ستاره را با کمی اختلاف در محل واقعی خود می­بینیم.

کوارک چیست؟

نوکلئونها یا پروتون­ها و نوترون­ها، خود از ذرات کوچکتری ساخته شده­اند که کوارک نامیده می­شوند. تا به حال 6 نوع کوارک متفاوت شناسایی شده­اند. با این همه فقط دو نوع از آنها در تشکیل مواد پایدار معمولی نقش مهمی دارند که عبارت از کوارک u و کوارک d هستند. uعلامت اختصاری برای بالا (up) و d علامت اختصاری برای پایین down می­باشد. اگر بار الکتریکی یک الکترون را (1-) فرض ­کنیم کوارک uدارای بار الکتریکی  و کوارک d دارای بار الکتریکی  است. پروتون که دارای بار مثبت است از 2 کوارک u و یک کوارک d تشکیل شده است. از این طریق است که بار آن حاصل می­شود:

برعکس، یک نوترون دارای 2 کوارک d و یک کوارک u بوده و بار آن برابر است با:

کوارکها هیچ گاه به تنهایی نقشی را به عهده ندارند. بلکه همیشه در گروه­های 2 و 3 تایی هستند. ذراتی که از 2 کوارک تشکیل می­شوند مزون نام دارند. ذراتی که از 3 کوارک تشکیل شده­اند باریون می نامند. کوارکها در کنار بار الکتریکی که دارند، خاصیت مرموز دیگری نیز دارا می­باشند که رنگ خوانده می­شود. کوارکها از این جهت به قرمز، سبز و آبی طبقه بندی می­شوند. این طبقه بندی منظور رنگ نیست بلکه منظور نوع بار الکتریکی آنهاست. یک کوارک قرمز، یک کوارک سبز و یک کوارک آبی یک گروه سه تایی به طور مثال یک پروتون می­سازند. همان طور که ترکیب رنگهای رنگین کمان رنگ سفید را به وجود می­آورد، از ترکیب رنگهای سه گانه کوارک نیز- سفید به دست می­آید.

کوارکها، نوکلئونها را می­سازند و آنها به یکدیگر متصل شده، هسته اتم­ها را به وجود می­آورند. هسته­ها و الکترونها در اتحاد با یکدیگر اتمها را ایجاد می­کنند و اتم­ها نیز با پیوستن به یکدیگر مولکول های کوچک و بزرگ را می­سازند. میلیاردها مولکول که در بدن ما انسانها، حیوانات، گیاهان، سیارات و ستارگان وجود دارند با وجود تفاوتهایی که با خود دارند فقط از 3 ذره زیر بنایی ساخته شده­اند، که عبارتنداز کوارکهای d-u و الکترون­ها.

مفهوم چهار نیروی بنیادی چیست؟

بین ذرات، چهار نوع نیرو عمل می­کنند که آنها را نیروهای بنیادی یا اولیه می نامند.

1- نیروی پرقدرت کوارک:

کوارک یا نیروی قوی، از طریق ذرات مبادله کننده یا گلوئون­ها انتقال می یابد که بین کوارکها در پرواز هستند. این نیرو مانند چسب، پیوستگی بین کوارک­ها را تضمین می­کند. نیروی هسته­ای و نوترون­ها را در هسته اتم به هم پیوسته نگاه می­دارد.

2- نیروی الکترومغناطیسی:

این نیرو توسط فوتونها یا ذرات نوری مبادله می­شوند و در نتیجه این ذرات نوری که بین ذرات باردار در پرواز هستند به یکدیگر متصل می­شوند.

3- نیروی ضعیف:

این نیرو فقط در فاصله­های خیلی کم اثر گذار است، این نیرو که نیروی ضعیف نام دارد توسط ویکون­ها انتقال می­یابد.

4- نیروی جاذبه یا گرانش:

این نیرو، تمام ذراتی را که دارای جرم هستند جذب می­کند. این نیرو بسیار ضعیف است و اگر می­بینیم در کل کیهان اثرگذار است به این دلیل است که مانند نیروی الکترومغناطیسی نیست که در آن بارهای همنام یکدیگر را دفع کنند و باعث ضعیف شدن خود شوند.

چهار نیروی بنیادی

کیهان شناسی:

کوچکترین بعد شناخته شده در دنیا cm^14-10 و بزرگترین بعد شناخته شده 10²⁸ cm گسترش دارد. نور فاصله ^14-10 سانتی متر رادر ^24-10 ثانیه می­پیماید و این کوچکترین فاصله زمانی است. طولانی ­ترین زمان شناخته شده، مدت حیات عالم است که برابر 10¹⁸ ثانیه است. مقایسه این دو رقم باز هم نسبت 10²⁴ را می­دهد. کیهان شناخته شده بر دانش ما 10²³ منظومه دارد که هر یک به طور متوسط 10³⁵ گرم جرم دارند. جرم عالم 10⁵⁸ گرم است. هر گرم ماده نیز حاوی 10²⁴ پروتون است. بنابراین قسمت معلوم عالم 10⁸² پروتون دارد.

انفجار بزرگ (پیدایش عالم):

ماده در حال انبساط (1) عالم را فراگرفت و نخستین بار ادوین هابل (2) در سال 1920 این پدیده را کشف کرد. پیدایش عالم با انفجار بزرگ پیش ماده­ای بسیار متراکم و کوچک آغاز شد که همه ماده موجود در عالم و نیروهای گوناگون ان را در خود نهفته داشت. انتشار و انبساط ماده به تدریج سبب پیدایش کهکشان­ها و مجموعه­های کیهانی گردید. زمانی کوتاه پس از انفجار بزرگ تشعشع امواج کوتاه در حرارت 3 درجه کلوین آغاز شد و سراسر عالم را فرا گرفت، و این اولین انرژی آزاد شده از پیش ماده بود. چهار نیروی اصلی موجود در عالم نیروی گرانش، نیروی الکترومغناطیسی، نیروهای هسته­ای قوی و ضعیف بودند که در پیش ماده و شاید به گونه­ای دیگر متمرکز بودند، چون دیو از بند رسته، آزاد شدند. نیوتن نخست نیروی گرانش را کشف کرد. این نیرو پس از زمان پلانک یعنی ^43-10 ثانیه، پس از انفجار بزرگ از نیروهای دیگر جدا شد. ماده نیز دچار انبساط سریعی شد و به دنبال آن سه نیروی دیگر از هم جدا شدند. نیروی قوی هسته­ای سبب اتصال پروتون­ها و نوترون­ها به یکدیگر شدند و هسته اتم­ها را تشکیل دادند. نیروهای ضعیف هسته­ای به گونه­ای سبب تجزیه رادیواکتیو گردیدند. نیروی الکترومغناطیس کشف و بررسی و معلوم شد که الکتریسیته و مغناطیس دو جلوه مختلف از یک نیرویند. این نیرو سبب اتصال در مولکول می­شود و به کمک ذراتی بدون جرم که فوتون نام دارد، تشعشعات گوناگون گاما، ایکس، ماورابنفش، نور مرئی، مادون قرمز و امواج رادیویی را سبب می شود. پیچیده­ترین ساختمان در ماده از ذرات ریزی به نام کوارک پدید می­آید که بر مدارهای تشکیل شده از ابر الکرونی در حرکت است. اتم­های عناصر انعکاس و نسخه تکراری از انرژی تولید شده در انفجار بزرگ است و ساختمان و چگونگی کوچکترین ذره نمونه­ای روشن و گویا از مواد دیگر است در آخر سرعت جسم نمی تواند از سرعت نور تجاوز کند. ماده جلوه دیگری از انرژی است. گرانش نه تنها فضا بلکه زمان را نیز در خدمت دارد.

عالم به انبساط خود ادامه می­دهد. اگرانرژی گرانش بر انرژی انفجار بزرگ فزونی داشته باشد ماده و عالم قابل انقباض هستند و تراکم دوباره به مرحله اولیه می­رسد تا انفجار بزرگ و عالم دیگری پدید آید.

نسبیت به زبان ساده:

هنگامی که یک الکترون با یک آنتی الکترون (الکترون با بار مثبت) برخورد کند انفجار بزرگی پدید می­آید هر دو نابود شده و به این مرحله انتفا می گویند. همه مواد از دو کوارک که پروتون ها و نوترونهای موجود در هسته­ها را احاطه می­کنند و نوترون­ها که اشیاء سریع و بدون جرمی هستند که در واکنش های هسته­ای به بیرون پرتاب می­شوند، تشکیل شده­اند. این ذرات مادی به نوبه خود تحت تأثیر چهار نیرو می­باشند. نیروی هسته­ای قوی که کوارکها را در هسته_­های اتمی به هم می­پیوندد. نیروی هسته­ای ضعیف که موجب برخی از انواع واپاشی رادیواکتیو می­شود. الکترومغناطیس که اتم­ها را به شکل مولکول­ها و مولکول­ها را به شکل اجسام قابل رویت به هم متصل می­کند و بالاخره نیروی گرانش مجموعه متفاوتی از ذرات یا بوزونها از عواملی هستند که این نیروها را میان ذرات، افراد و اجرام آسمانی منتقل می­کنند.

مفهوم گرانش در نسبیت اینشتین:

در فیزیک نسبیتی اگر شی متحرکی تحت تأثیر نیرویی قرار نگیرد بر خطی مستقیم حرکت خواهد کرد. به عقیده اینشتین گرانش نیرو نیست. خورشید سیاره را به طرف خود نمی­کشد. زمین اشیاء را به طرف خود نمی­کشد. آنچه روی می­دهد این است که هر توده بزرگ ماده نظیر خورشید، موجب آن می­شود که جا گاه در پهنه­های اطراف خود انحنایی پیدا کند. هر چه فاصله تا خورشید کمتر باشد انحنا هم بیشتر است. به عبارت دیگر در نزدیکی توده­های بزرگ ماده به صورت غیر اقلیدسی درمی­آید. صفحه لاستیکی را در نظر بگیرید که به طور کامل کشیده شده باشد اگر گلوله داغی را روی این صفحه قرار دهید یک فرو رفتگی در آن ایجاد می­شود و گلوله به طرف پایین می­آید. در این مورد صفحه گلوله را به طرف خود نکشیده است بلکه یک میدان فرو رفتگی، با چنان ساختمانی ایجاد کرده که گلوله با انتخاب مسیر حداقل مقاومت به طرف آن غلتیده است. جا گاه هم به احتمال زیاد به این طریق بر اثر وجود جرم­های بزرگی چون خورشید انحنا یا تابیدگی پیدا می­کند. این انحنا یا تابیدگی همان میدان گرانشی است. سیاره­ای که به دور خورشید می­گردد مدار حرکت آن از آن لحاظ بیضی نیست که خورشید آن را به طرف خود می­کشد. بلکه بدان علت است که ساختمان ماده چنان است که بیضی مستقیم­ترین مسیر ممکن است که سیاره می­تواند در جاگاه داشته باشد چنین مسیری ژئودزیک نام دارد. ژئودزیک خطی واصل بین دو نقطه است که طول آن ماکزیمم یا مینیمم باشد یعنی از همه خطوط دیگر واصل بین آن دو نقطه بلندتر یا از همه آنها کوتاه تر باشد. مفهوم ژئودزیک یک تعمیم خط مستقیم است. هر خط مستقیمی که تمام آن بر یک سطح قرار گیرد مانند مولد استوانه یا مخروط ژئودزیک آن می­باشد.

مراحل عمر ستارگان:

هر ستاره از بدو تولد تا رسیدن به حجم ثابت معتدل دورانهای مختلفی را می گذراند که 10¹⁵×2 سال طول می­کشد. خورشید ما هنوز 10¹³×5 سال از این دوران را گذرانده است. انرژی ستارگان از واکنش های شیمیایی تولید می­شود. هر ستاره­ای از مرحله پیدایش تا مرگ سه مرحله را می­گذراند:

1- منقبض می­شود و سپس واکنش­های هسته­ای در آن آغاز می­شوند و ستاره پر نور و بزرگ می­شود تا آن که مبدل به غول پیکری سرخ شود.

2- آن چه پس از آن انجام می­شود به کتاب نجوم و اختر فیزیک مقدماتی جلد (2) رجوع شود.

3- ولی در هر حال نتیجه اصلی خنک شدن احتمالی مرکز ستاره، چروک خوردگی آن و تبدیل شدن ستاره به یک کوتوله سفید است (در مورد ستارگانی به اندازه خورشید).

مطالب گوناگون از فیزیک و نسبیت:

1- مبنای نسبیت عام، نیروی گرانشی است و مبنای نسبیت خاص حرکت بسیار سریع است. گرانش بر زمان تأثیر می­گذارد. هر اندازه گرانش بیشتر باشد زمان کندتر می گذرد و هر اندازه گرانش کمتر باشد زمان طولانی ­تر می­شود.

وقتی ما از فاصله 100 متری جسمی را می بینیم شکل این جسم متعلق به  ثانیه قبل بوده است. وقتی ما خورشید را در آسمان می­بینیم این شکل خورشید در 8 دقیقه قبل بوده است.

2- جرم و انرژی برابر E=mc² ماده- انرژی منجمد است، نور دارای جرم است.

3- ستاره یا کهکشانی که از ما دور می شود تغییر فرکانس آن به رنگ قرمز گرایش می­یابد و ستاره­ای که به ما نزدیک می­شود تغییر فرکانس آن به رنگ آبی است. آبی نوری است با فرکانس زیاد و طول موج پایین، ارتباط با انرژی و درجه حرارت فوق العاده زیاد می­باشد. اگر ستاره­ای با سرعت نور از ما دور شود ما یک ذره نورانی را در عالم از دست می­دهیم و رنگ آن قرمز می­شود. اما اگر همین ستاره با سرعت نور به ما نزدیک شود با دمای فوق العاده خود ما را ذوب می­کند.

4- انرژی جنبشی جسم می­تواند کاهش یابد و آن کاهش جرم جسم می­باشد و جرم جسم با افزایش سرعت زیادتر می­شود. پس این نکته که جرم جسم همیشه ثابت است اشتباه می­باشد. هم جرم و گرانش هر دو تغییر می­کنند.

5- با استفاده از اشعه گاما با انرژی معادل دو برابر جرم الکترون، می­توان یک الکترون و یک ضد الکترون ساخت و همدیگر را خنثی می­کنند، انرژی بزرگی پدید می آید و تنها چیزی که باقی می­ماند جریانی از اشعه گاما است.

6- هر جسم در حال سقوط کمی از انرژی نهفته (پتانسیل) را از دست می­دهد. گرانش می­تواند نور را متوقف و ایجاد سیاه چال (حفره سیاه) کند.

7- هر جسم در حال سقوط به داخل سیاه چال مقدار زیادی از انرژی نهفته را آزاد می­کند. نابودی ستارگان ایجاد گرانش شدید می­کند. انرژی نهفته آزاد شده در اثر گرانش می­تواند مبین وقایع کیهانی شدید باشد.

8- در مرکز کره زمین گرانش صفر است و حالت بی وزنی در آنجا پیش می­آید. اگر کره زمین آن چنان متراکم و در هم فشرده و کوچک شود که قطر آن به 3 سانتی متر برسد گرانش زمین بسیار زیاد می­شود و تبدیل به یک سیاه چال می­شود و نور نمی تواند از آن فرار کند.

9- با متراکم ساختن ماده، گرانش موجب آزاد ساختن مقدار عمده­ای از انرژی نهفته ماده می­شود. هنگامی که سوخت هسته­ای ستاره­ای پایان پذیرد بزرگ و شعله ور می­شود و سپس تحت تأثیر گرانش، متلاشی و به کوتوله­ای سفید تبدیل می­شود.

باقی مانده (ستاره) پس از نابودی آن هستند که البته هر کدام به اندازه و جرم ستاره مورد نظر بستگی دارد.)

10- از پولسار اشعه x گسیل می­شود. سیاه چالی که 6 برابر خورشید جرم داشته باشد قطر آن فقط حدود 50 کیلومتر است. چرخیدن پولسارها می­تواند موجب دفع اجسام متلاشی شده و اثرات جدید ضد جاذبه را به وجود آورد.

11- نور متشکل از ذرات است. انتشار تحریک شده نور در پرتوهای لیزر و ساعتهای اتمی به کار می­رود. هر اتم در  کیهان یک ساعت است. نور ارتعاشات الکتریکی است. فرکانس نور قابل رویت حدود 10¹⁵×5 ارتعاش در ثانیه می­باشد و برابر است با باز آراستن ذرات داخل اتمها که موجب دفع یا جذب انرژی به شکل نور می­شود. انرژی که توسط ذرات نور منتقل می­شود بستگی به فرکانس نور یعنی تکرار آن در هر ثانیه دارد و اگر فرکانس نور دو برابر شود، انرژی هر ذره نور هم دو برابر می­شود.

12- لیزر (تقویت نور یا انتشار برانگیخته تشعشع): مانند سربازان ارتش جاویدان هخامنشی که به ستون خود ملحق می­شوند در این نوع عملیات در ابرهای گازی بین ستارگان ادامه دارد. امواج نورانی لیزر فوق­العاده خالص، یک دست، پیوسته و متمرکز است. فوتونهای نور معمولی به صورت نامنظم و پراکنده هستند اما نور لیزر پرتوهای آن همدوس- هم فاز و در یک طول موج هستند که حتی می­تواند یک فلز را ذوب کند.

13- ساعت اتمی: ساعتهای اتمی استاندارد از پرتوهای پیوسته عنصر سزیوم استفاده می­کنند. اتم­های این عنصر می­توانند به نحو معینی خود را بازآرایی و موجب انتشار امواج کوتاه شوند. ثانیه در فیزیک جدید عبارت است از: 770/631/192/9 فرکانس یا ارتعاش تشعشع مایکروویو (امواج کوتاه) انتشار یافته از اتم­های سزیوم 133ـ شاعتهای اتمی در مقابل گرما ـ سرما ـ رطوبت و ضربات مکانیکی مقاوم هستند و جرم آنها در حدود 5 پوند است.

انفجار بزرگ و انبساط جهان:

کیهان شناسی جهان را در مقیاس بزرگ مطالعه می­کند. تا صد سال پیش اخترشناسان تصور می­کردند کل جهان هستی همین کهکشان راه شیری است. اما در سال 1920 میلادی ادوین هابل با استفاده از تلسکوپ 100 اینچ مونت ویلسون ثابت کرد که سحابی­های رگه­ای ضعیف که در تمام آسمان یافت می­شوند در واقع مجموعه­های غول پیکری از ستارگان شبیه به کهکشان ما هستند اما در فاصله بسیار زیادی از ما قرار دارند. او برای اندازه­گیری این فواصل بسیار بزرگ کیهانی روشهایی را ابداع کرد و کشف کرد بعضی از کهکشان­های دور دست بیشتر از چند میلیارد سال نوری با ما فاصله دارند. هابل همچنین کشف کرد که کیهان در حال انبساط است و قرمز گرایی طیف کهکشان­ها نشان می­دهد که کهکشان­ها از ما و از یکدیگر دور می­شوند. در میان نیروهای طبیعت، ثقل (گرانش) در شکل دادن به وجوه بزرگ ـ مقیاس جهان و تحول عالم نقش اصلی را دارد. قانون گرانشی نیوتون برای توضیح جهان کاملاً کفایت نمی­کند زیرا در فواصل بزرگ کیهانی، آثار نسبیتی اهمیت پیدا می­کنند. بنابراین لازم است که در بررسی­های خود از نظریه نسبیت عام اینشتین استفاده کنیم.

کهکشان­ها و انبساط جهان:

با تلسکوپ­ ما می­توانیم تعداد بسیار بیشتری از ستارگان را ببینیم و نشان می دهد ستارگان قسمتی از یک مجموعه بزرگ یا ابری از ستارگان هستند که آن را کهکشان یا راه شیری می­گویند. این کهکشان به تقریب 100 میلیارد ستاره دارد که در قرص نامنظمی به قطر حدود 10⁵ سال نوری قرار گرفته­اند. این قرص دارای یک برآمدگی مرکزی است و بازوهایی مارپیچی دارد که ستارگان در امتدادشان تمرکز یافته­اند. با تلسکوپهای بزرگ می­توان حدود 10¹¹ کهکشان را مشاهده کرد. کهکشان­های ابرغولی وجود دارند که در هر یک حدود 10¹³ ستاره وجود دارد و کهکشان­های کوتوله­ای نیز هستند که فقط 10⁶ ستاره دارند. کهکشان­ها در انواع مختلف بیضوی ـ مارپیچی و کروی یافت می­شوند. همه کهکشان­ها در حرکتند، بسیاری از آنها در خوشه­هایی جمع شده­اند و به دور یکدیگر می­گردند و گاهی به هم برخورد می­کنند و پدیده شگفت انگیز آدمخواری کهکشانی را به وجود می­آورند. در مقیاس بزرگ، کهکشان­ها حرکتی فرار گونه دارند و از ما می­گریزند. اجرام دیگری هستند که از کهکشان­ها هم سریع­تر از ما دور می­شوند به این اجرام کوازار می­گویند که تندی آنها حدود 90% تندی نور است. سرعت فرار کهکشان­ها را می­توان به روش انتقال به سوی قرمز تعیین کرد. با اندازه­گیری سرعتها و فواصل کهکشان­ها، هابل کشف کرد این گریز از قاعده ساده ای پیروی می­کند. سرعت هر کهکشان نسبت مستقیم با فاصله­اش از ما دارد یعنی کهکشان­های نزدیک به کندی و کهکشانهای دور به سرعت  از ما دور میشوند این تناسب قانون هابل نام دارد. که در آن H₀ ثابت هابل:

Y بر حسب سال نوری است که مقدار عددی ثابت هابل برابر است با:

(میلیون سال نوری)  

انفجار بزرگ:

خوشه کروی ستارگانی است که در نزدیک کهکشان ما یافت می­شوند. هر یک از اینها اجتماعی از 10⁵ یا 10⁶ ستاره است. کم و بیش شبیه یک گروه بزرگ زنبوران در آسمان است.

سن پیرترین خوشه­های کروی بین 10 تا 16 میلیارد سال است که به خوبی با زمان انبساط سازگار است. سن پیرترین خوشه های کروی، تاریخ تولد اولین ستارگان کهکشان را به دست می­دهد. روش دیگر استفاده از سن عناصر شیمیایی می باشد. پس از انفجار بزرگ ستارگانی به وجود آمدند که عمر آنها خیلی کوتاه بود و با یک انفجار ابرنواختری از بین رفتند و عناصر شمیایی خود را در همه جا پراکندند. بخشی از این عناصر سرانجام سر از ابر گاز و غباری دراوردند که بعداً منظومه شمسی شد.

قطعی ترین گواه بر انفجار بزرگ این است که قسمتی از گرمای تابشی ناشی از انفجار اولیه را هنوز می­توان در آسمان یافت. جهان در لحظه اولیه انفجار بزرگ، باید آکنده از ماده­ای فشرده، در دما و فشار بسیار زیاد بوده باشد. ماده باید با آهنگ عظیمی در حال انبساط بوده باشد و دوام انبساط تا امروز معلول اندازه حرکتی است که در ابتدا داشته است.

در ابتدا، گرمای تابشی گسیل شده از این کره آتشین اولیه از نوع پرتوهای بسیار نافذ گاما و ایکس بوده است. این پرتوها در واقع امواج نوری با طول موج بسیار کوتاهند ولی با انبساط جهان این امواج نوری نیز انبساط یافتند. بنابراین طول موجهای کنونی کره آتشین که هنوز در آسمان هستند بلندتر از طول موج­های نور اولیه­اند.

کهکشان راه شیری قطر آن 100 هزار سال نوری و ضخامتش 15000 سال نوری می­باشد. منظومه شمسی در حلقه بازویی جبار به فاصله 30000 سال نوری ار مرکز کهکشان فاصله دارد. کهکشان راه شیری هر 240 میلیون سال یکبار به دور محور خود می گردد. منظومه شمسی با سرعت 1130000 کیلومتر در ثانیه در کهکشان حرکت میکند. کهکشانها با سرعت 97 کیلومتر به ازاء هر یک میلیون سال نوری فاصله از ما از این سیاره دور می­شوند (طبق قانون هابل).

نسبیت به زبان ساده:

کسی که در حال سقوط آزاد باشد، نیروی جاذبه را احساس نمی­کند. سفینه­های فضایی در وضعیت سقوط آزاد بی وزن­اند. سقوط زمین در پهنه عالم با سرعت زیاد صورت می گیرد (در صورت عدم گرانش)، گرانش بر فضا اثر می­­گذارد.

گرانش می­تواند نور را متوقف و ایجاد سیاه چال کند. در سیاه چال زمان متوقف می­شود. چون گرانش بر نور تأثیر می گذارد بر زمان هم اثر می­گذارد (نظر اینشتین). نور دارای جرم است. فرکانس نور بستگی به انرژی ذرات آن دارد.

جاذبه یا گرانش ممکن است تغییر مکان دهد. نور دارای جرم است و جاذبه مانند هر جسم معمولی آن را منحرف می­کند. انحراف نور به این دلیل است که گرانش فضا را تاب می­دهد. در فضای تابیده اجسام بدون نیرو مستقیم حرکت می­کنند. جسم چرخنده بزرگ، فضا را به گرد خود می­کشاند. نور نمی­تواند به خط راست سیر کند چون نور جرم دارد و جسم است و لذا تحت تأثیر گرانش میل دارد که به طرف زمین سقوط کند. بیرون از سطح سیاه چال یک ناحیه خنثی کننده (سپر امنیتی) وجود دارد که اِرگوسفر نام دارد و جسم واقع در این منطقه مجبور است با سرعت زیاد بر اطراف سیاه چال بچرخد. اِرگوسفر از هم درآمیختن فضا و زمان حاصل می­شود. فضا چیزی است که نور در آن حرکت می­کند و زمان مدت حرکت نور در فضا است. اگر از محتویات مقداری از فضای تهی شمارشی به عمل آید و سپس تمامی اتم­هایی که در آن وجود دارند (مانند مقداری اتم و ...) را از موجودی کم کنیم چیزی باقی می­ماند که انرژی قادر به آفرینش آن است. انحنا متمرکز فضا در حاشیه سیاه چال می­تواند بعضی از این ذرات ناشناخته را به ذرات پایدار ماده و نور تبدیل کند.

ستارگان، زمین و زندگی:

1- ابتدا ذرات بنیادی بدون جرم به ذرات جرم دار تبدیل شده و پس از آن اتم­ها ـ مولکولها و کهکشان­ها و ستارگان به وجود آمده و از تحول و تکامل آنها مولکولهای زنده به سلول­های جاندار و حیوانات و به انسان متفکر تبدیل گشته­اند.

2- به وسیله فسیل­های نوری یا کیهانی می­توان گذشته را مشخص کرد چیزی شبیه ماقبل تاریخ فسیل­ها و اسکلتهای جانوران مدفون در سنگ.

3- در دمای انفجار بزرگ، نظریه­های فیزیک قابل اجرا نبوده و تمام قوانین فیزیک از بین می­روند. فیزیک کوانتوم توجیه کننده اعمال اتم­ها و واکنش­های آنهاست.

به شرطی که تحت تأثیر گرانش بسیار زیادی واقع نشوند. نظریه نسبیت وضعیت ماده را در نیروی گرانشی قوی مشخص می کند به شرطی که آنها را به صورت مجموعه اتم­ها در نظر نگیریم.

4- کوارکها اولین ذراتی هستند که بعد از بیگ بانگ به وجود آمدند.

5- جهان در ابتدا پرتو بود که این پرتوها تبدیل به کوراک شدند و کوارکها تبدیل به ماده شدند. از این لحظه نیروی گرانشی باعث متراکم شدن ماده می­شود که ابتدا کهکشان­ها و بعد ستارگان را تشکیل دادند. ستارگان پس از مرگ منفجر شده و مواد درونی خود را به اطراف پراکنده کردند. این بار نیروی مغناطیسی به میدان آمد و هسته­ها را با الکترونها پیوند داد که اتم­ها و مولکولها تشکیل شدند. مولکولهای هیدروژن، هلیم، کربن، ازت، اکسیژن، آلومینیوم، نیکل و آهن با یکدیگر مجتمع شده و سیارات را تشکیل دادند. سپس در جو زمین از پیوند مولکولهای ساده نظیر هیدروژن ـ کربن ـ ازت ـ اکسیژن ـ متان ـ آمونیاک و ... و ترکیب آنها با همدیگر مولکولهای آلی لازم را برای تشکیل موجودات زنده به وجود آوردند.

6- جهان در همه حال تحول از حالت ساده به سوی حالتی با تنوع و پیچیدگی بسیار بوده است.

7- تعادل به معنای مرگ می­باشد. یک جسد در حالت تعادل است. مولکولهای متنوع و پیچیده آن به تدریج از بین رفته و تبدیل به مولکولهای ساده­تر می­شوند. (همان قانون دوم ترمودینامیک)