جهان ریاضیات در فضای نانو

این مقاله می‌کوشد تا چالش های دنیای ریاضیات را در مواجهه با دنیای شگفت‌انگیز نانو بررسی کند. به عبارت دیگر، ریاضیات در معماری پازل نانو چه نقشی خواهد داشت؟ علوم نانو و فناوری نانو بیانگر رهگذری به سوی دنیایی جدید هستند. سفر به اعماق سرزمین اتمها و مولکولها نوید دهندة اثراث اجتماعی شگفت‌انگیزی است: در علوم بنیادین، در فناوریهای نو، در طراحی مهندسی و تولیدات، در پزشکی و سلامت و در آموزش.
پیش‌بینی‌های گسترده در حوزه کشفیات جدید، چالش ها، درک مفاهیم، حتی هنوز فرم و محتوای موضوع، مه‌آلود و اسرارآمیز است. این مقاله می‌کوشد تا چالش های دنیای ریاضیات را در مواجهه با دنیای شگفت‌انگیز نانو بررسی کند. به عبارت دیگر، ریاضیات در معماری پازل نانو چه نقشی خواهد داشت:
همگان بر این نکته توافق دارند که پیشرفت های بزرگ، مستلزم تعامل میان مهندسان، ژنتیست‌ها، شیمیدانان، فیزیکدانان، داروسازان، ریاضیدانان و علوم رایانه ای ها است. شکاف میان علوم و فناوری، میان آموزش و پژوهش، میان دانشگاه و صنعت، میان صنعت و بازار بر مجموعه تأثیرگذار خواهد بود. دلایل کافی مبتنی بر فصل مشترک میان نظام های کلاسیک و فرهنگ ها موجود است.
این انقلاب علمی و فناورانه، منحصر به فرد است. این بدین معنی است که می‌بایستی نه تنها در بعد علمی، که در سایر ابعاد، نیز زیرساختهای بنیادین با حداکثر انعطاف پذیری در برابر تغییرات را پیش‌گویی و پیش‌بینی کنیم.
دانش ریاضیات به عنوان خط مقدم جبهة علم مطرح است. ویژگی بدیهی ریاضیات در علوم نانو «محاسبات علمی» است. محاسبات علمی در فناوریی که به عنوان فناوری انقلابی مطرح شده است. محاسبات علمی در طول، تفسیر آزمایشات، تهیة پیش‌بینی در مقیاس اتمی و مولکولی بر پایة تئوری کوانتومی و تئوریهای اتمی است.
همانگونه که ریاضیات زبان علم است، محاسبات، ابزاری عمومی علم و کاتالیزوری برای تعاملات عمیق‌تر میان ریاضیات و علوم است. یک تیم محاسبات، دربارة مدلشان و اثر محاسباتشان و تطبیق‌پذیری آن با واقعیت، به بحث می‌پردازند. «‌محاسبات» رابطی میان آزمایش و تئوری است. یک تئوری و یک مدل ریاضی، پیش نیاز محاسبات است و یک آزمایش تنها اعتبار بخش هر نوع تئوری، مدل و محاسبات است.
مدلهای ریاضی، ستونهای راهگشا به سوی بنیاد علم و تئوریهای پیش بین هستند. مدلها، رابطهایی بنیادین در پروسه‌های علمی هستند و اغلب اوقات در سیستم‌های آموزشی به فاز مدلسازی و محاسبات، تأکید کافی نمی‌شود. یک مدل ریاضی بر پایة فرمولاسیون معادلات و نامعادلات اصول بنیادین استوار است و مدل درگیر با درک کامل پیچیدگیهای مسأله نظیر، جرم، اندازة حرکت و توازن انرژی است. در هر سیستم فیزیکی واقعی تقریب اجازه داده می‌شود، تا مدل را در یک قالب قابل حل عرضه کنند. اکنون می‌توان مدل را یا به صورت «تحلیلی» و یا بصورت «عددی» حل کرد. در این حالت مدلسازی ریاضی یک پروسه پیچیده است،زیرا می‌بایستی دقت و کارآیی را همزمان نشان دهد.
در علوم نانو و فناوری نانو، مدلسازی نقش محوری را بر عهده دارد، بویژه وقتی که بخواهیم عملکرد ماکروسکوپی مواد را از طریق طراحی در مقیاس اتمی و مولکولی کنترل کنیم، آن هم در شرایطی که درجات آزادی زیاد باشد. مدلسازی ریاضی یک ضرورت در این فضای مه آلود است. تفسیر داده‌های آزمایشگاهی یک ضروت حتمی است. همچنین برای هدایت، تفسیر، بهینه سازی، توجیه رفتارهای آزمایشگاهی، مدلسازی ریاضی ضرورت می‌یابد.
یک مدل مؤثر، راه رسیدن به تولیدات جدید، درک جدید رفتارشناسی، را کوتاه می‌کند و تصحیح گر هوشمندی است که از نتایج گذشته درس می‌گیرد.
مدل سازی نه تنها ویژگی منحصر به فرد ریاضیات است بلکه پلی بسوی فرهنگهای مختلف علمی است.
تئوری در هر مرحله از توسعة علم، نقش محوری دارد، ارزیابی حساسیت مدل به شرایط پروسه‌های فیزیکی ، و حصول اطمینان از اینکه معادلات و الگوریتمهای محاسباتی با شرایط کنترل آزمایشگاهی سازگارند، از چالشهای مهم است. تئوری نهایتاً بسوی تعریف نتایج و درک فیزیکی سیستم، میل خواهد کرد و اغلب اوقات ریاضیات جدیدی لازم نیست تا به منظور رسیدن به درک رفتار، ساخته شود.
عبور از تئوریهای موجود ارزشمند است و اغلب نیز اتفاق می‌افتد. زمانی مدلها، مشابه سیستم‌های شناخته شده هستند که دقت ریاضی بالایی را داشته باشند اما در جهان شگفت ‌انگیز نانو، مدلهای مختلف و جدید، چالشهای جدی را در دانش ریاضیات پدید می‌آورند. تئوریهای جدید در مقیاسهای زمانی غیر قابل پیش‌گوئی اتفاق می‌افتند و تئوریهای قدرتمند در قالبهای عمیق شکل می‌گیرند. میان‌برهای اساسی لازم است تا شبیه‌سازی صورت گیرد:
طراحی در مقیاس اتمی و مولکولی، کنترل و بهینه سازی عملکرد مواد و ابزار آلات، و کارآیی شبیه‌سازی رفتار طبیعی، از مهمترین چالشها است. این چالش‌ها نوید دهندة برهم کنشهای کامل میان حوزه‌های مختلف ریاضی خواهد بود.
آثار اجتماعی این چالش‌ها زیاد و متنوع خواهد بود.
منافع حاصل از مشغولیت ریاضیدانان فعال، توازن با چالش های اصلی در زمینه رشد زیرساختهای ریاضیات، تغییرات در ساختار آموزش ریاضیات، از جمله آثار ورود ریاضیات به دنیای شگفت انگیز نانو خواهد بود.
جامعه ریاضی می‌بایستی اصلاح شود: تئوریهای بنیادین، ریاضیات میان رشته‌ای و ریاضیات محاسباتی و آموزش ریاضیات.
ریاضیات چه حوزه‌هایی را در بر خواهد گرفت؟ الگوریتمهای اصلی در حوزه‌های ریاضیات کاربردی و محاسباتی، علوم کامپیوتر، فیزیک آماری، نقش مرکزی و میان بر ساز را در حوزة نانو بر عهده خواهند داشت.
برای روشن شدن موضوع برخی از اثرات ریاضیات را در فرهنگ نانو بررسی می‌کنیم: ـ روشهای انتگرال گیری سریع و چند قطبی سریع: اساسی و الزامی به منظور طراحی کدهای مدار ( White, Aluru, Senturia ) و انتگرال گیری به روش Ewala در کد نویسی در حوزه‌های شیمی کوانتوم و شیمی مولکولی ( Darden ۱۹۹۹)
ـ روشهای« تجزیه حوزه»، مورد استفاده در شبیه‌سازی گسترش فیلم تا رسیدن به وضوح نانوئی لایه‌های پیشرو مولکولی با مکانیک سیالات پیوسته در مقیاسهای ماکروسکوپیک ( Hadjiconstantinou )
ـ تسریع روشهای شبیه سازی دینامیک مولکولی ( Voter ۱۹۹۷)
ـ روشهای بهبود مش‌بندی تطبیق پذیر: کلید روشهای شبیه پیوسته که ترکیب کنندة مقیاسهای ماکروئی، مزوئی، اتمی ومدلهای مکانیک کوانتوم از طریق یک ابزار محاسباتی است ( Tadmor, Philips, Ortiz )
ـ روشهای پیگردی فصل مشترک: نظیر روش نشاندن مرحله‌ای Sethian, Osher که در کدهای قلم زنی و رسوب‌گیری جهت طراحی شبه رساناها مؤثرند ( Adalsteinsson, Sethian ) و نیز در کدگذاری به منظور رشد هم بافت ها ( Caflisch )
ـ روش های حداقل کردن انرژی هم بسته با روشهای بهینه سازی غیر خطی (المانی کلیدی برای کد کردن پروتیئن‌ها) ( Pierce& Giles )
ـ روش های کنترل (مؤثر در مدلسازی رشد لایه نازک‌ها ( Caflisch ))
ـ روش های چند شبکه‌بندی که امروزه در محاسبات ساختار الکترونی و سیالات ماکرومولکولی چند مقیاسی بکار گرفته شده است.
ـ روش های ساختار الکترونی پیشرفته ، به منظور هدایت پژوهشها به سمت ابر مولکولها ( Lee & Head – Gordon )
منبع: ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

منبع:  rasekhoon.net

خورشید

خلاصه مقاله:

تک‌ستاره منظومه شمسی، خورشید، تنها یکی از 400 میلیارد ستاره در کهکشان راه‌شیری و ستاره‌ای کاملاً معمولی از دسته ستارگان رشته اصلی است. خورشید ما که 5 میلیارد سال پیش از ابری از غبار -که بقایای انفجار یک ابرنواختر بود- به وجود آمد، هم‌اکنون در نیمه عمر خود به سر می‌برد. خورشید نیز مانند سایر ستارگان کهکشان راه‌شیری در حال چرخش به دور مرکز کهکشان است. سرعت این حرکت 217 کیلومتر بر ثانیه و هر دور گردش خورشید به دور مرکز کهکشان، 225 تا 250 میلیون سال است. زمین، سیارات منظومه شمسی و اقمار آنها، سیارات کوتوله، سیارک‌ها، شهاب‌سنگ‌ها، دنباله‌دارها و ذرات معلق گرد و غبار، خورشید را در این سفر همراهی می‌کنند. مرکز خورشید، کوره‌ای هسته‌ای با دمای 15 میلیون درجه سانتیگراد و چگالی‌ 150 برابر آب است. تحت چنین شرایطی هسته‌های اتم هیدروژن با هم ترکیب شده و به هلیوم تبدیل می‌شوند. در این حین، 0.7 درصد جرم ترکیب شده، تبدیل به انرژی می‌شود. از 590 میلیون تن هیدروژنی که در هر ثانیه ترکیب هسته‌ای می‌شوند، 3.9 میلیون تن ماده به انرژی تبدیل می‌شود. این سوخت هیدروژنی، تا 5 میلیارد سال دیگر دوام خواهد داشت. با وجود آنکه خورشید نزدیک‌ترین ستاره به زمین است و طی سالیان متمادی دانشمندان بسیاری به دقت آن را مورد بررسی و مطالعه قرار داده‌اند، اما هنوز سوالات بی‌پاسخ بی‌شماری در رابطه با آن باقی مانده است؛ از جمله آنکه چرا جوّ خارجی خورشید درجه حرارتی معادل با یک میلیون کلوین دارد، در حالی‌که درجه حرارت سطح خورشید که فوتوسفر نامیده می‌شود، تنها 6000 کلوین است.

---

فهرست:   1 مقدمه   2 ساختار خورشید        2-1 هسته خورشید        2-2 ناحیه تشعشع        2-3 ناحیه همرفتی        2-4 شیدسپهر (رخشان‌کره یا فوتوسفر)        2-5 منطقه حداقل درجه حرارتی        2-6 فام‌سپهر (رنگین کره یا کروموسفر)        2-7 منطقه انتقال حرارتی        2-8 هاله (کرونا یا تاج خورشیدی)   3 رده طیفی   4 نور خورشید و اثر پراکنده‌کنندگی جو   5 میدان‌های مغناطیسی و فعالیت‌های خورشیدی   6 چرخه حیات خورشید   7 چرخه‌های خورشیدی        7-9 لکه خورشیدی و چرخه حیات لکه‌های خورشیدی        7-10 بررسی امکان‌پذیری چرخه بلندمدت خورشیدی و وقوع عصر یخبندان   8 مسأله نوترینوی خورشیدی   9 گرمایش تاج خورشیدی   10 خورشید جوان کم‌نور   11 میدان مغناطیسی خورشید   12 تاریخچه رصد خورشید        12-11 دوره باستان        12-12 توسعه شیوه درک نوین و علمی‌خورشید   13 ماموریت‌های فضایی برای کاوش خورشید

گروه های موضوعی مربوط به این مقاله: خورشید درخشندگی، درخشش و قدر ستارگان همجوشی و شکافت هسته‌ای تعادل هیدرواستاتیکی چرخه حیات ستارگان رصد خورشید

---

مقدمه خورشید ستاره‌ای است در مرکز منظومه شمسی که زمین واجرام دیگر (شامل سایر سیارات به همراه اقمارشان، [سیارک‌ها]، [شهاب سنگ‌ها]، [دنباله‌دارها] و ذرات معلق گرد وغبار) درحال چرخش به دور آن هستند. تک ستاره منظومه شمسی ستاره‌ای است با اندازه متوسط، که 5 میلیارد سال از عمر آن می‌گذرد و 99/8 درصد از کل جرم منظومه شمسی را تشکیل می‌دهد. اگر روی سطح خورشید 11900 کره زمین را کنار یکدیگر قرار دهیم، تمام سطح خورشید پوشیده می‌شود. همچنین اگر خورشید را مانند کره‌ای تو خالی در نظر بگیریم، در این صورت برای پرکردن داخل آن به 1,300,000 کره زمین نیاز خواهیم داشت. این ستاره ظاهری کروی داشته و عمدتاً از گازهای هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است. (74% از جرم خورشید یا 92% از حجمش را هیدروژن و 25% از جرم آن یا 7% از حجمش را هلیوم تشکیل داده است.)      ستاره درخشان منظومه شمسی   خورشید با سرعت 217 کیلومتر بر ثانیه به دور مرکز کهکشان راه شیری در حال چرخش است. با این سرعت می‌توان یک سال نوری را در هر 1400 سال پیمود یا به عبارتی می‌توان یک [واحد نجومی] (AU) را در 8 روز طی کرد. (فاصله متوسط بین زمین و خورشید که تقریباً معادل با 150 میلیون کیلومتر است یک واحد نجومی ‌نامیده می‌شود.) مدت 225 تا 250 میلیون سال طول می‌کشد تا خورشید بتواند با چنین سرعتی یک دور کامل به دور مرکز کهکشان راه شیری بگردد. از آنجا که خورشید قادر به تولید نور و گرما به کمک همجوشی هسته‌ای هیدروژن است، در دسته بندی ستارگان در گروه [ستارگان رشته اصلی] قرار می‌گیرد. همجوشی هسته‌ای هیدروژن که در مرکز خورشید اتفاق می‌افتد موجب تولید انرژی به صورت نور و گرما شده و زندگی بر روی کره زمین را ممکن می‌سازد.           ساختار خورشید مواد تشکیل‌دهنده خورشید حالت گازی دارند، بنابراین لایه‌های خورشید محدوده دقیق و معینی نداشته و گازها و مواد اطراف لایه‌های خارجی به تدریج در فضا منتشر می‌شوند. با این حال، چنین به نظر می‌رسد که خورشید لبه تیزی داشته باشد، چرا که بیشتر نوری که به زمین می‌رسد از یک لایه که چند صد کیلومتر ضخامت دارد ساطع می‌شود. این لایه [شیدسپهر (رخشان‌کره یا فوتوسفر)] نام دارد و به عنوان سطح خورشید شناخته شده است. بالای سطح خورشید، [فام‌سپهر (رنگین‌کره یا کروموسفر)] و [‌هاله (کرونا یا تاج خورشیدی)] قرار دارند که با همدیگر جوّ خورشید را تشکیل می‌دهند.     لایه‌های مختلف خورشید شامل هسته، ناحیه تابشی، ناحیه همرفتی، شیدسپهر، فام‌سپهر، و تاج خورشیدی در این تصویر نشان داده شده‌اند (عکس از ناسا)   خورشید 99% از جرم کل منظومه شمسی را شامل می‌شود. از آنجا که خورشید در حالت پلاسمایی قرار دارد و فاقد ساختار جامد است، دائماً دستخوش تغییرات چرخشی متنوعی در حین چرخش به دور محور خودش می‌شود. سرعت چرخش در نواحی استوایی خورشید سریع‌تر از سرعت چرخش آن در قطبین است. مدت زمان یک چرخش کامل خورشید به دور محور خود، 25 روز برای نواحی استوایی و 35 روز برای قطبین آن است. البته به علت چرخش کره زمین به دور خورشید، مدت زمان یک دور چرخش کامل خورشید در نواحی استوایی آن از دید ناظر روی زمین 28 روز محاسبه می‌شود. نیروی گریز از مرکز حاصل از این حرکت چرخشی خورشید، 18 میلیون بار ضعیف‌تر از نیروی جاذبه در سطح خورشید در ناحیه استوای آن است. همچنین نیروی جاذبه سیاراتی که به دور خورشید می‌گردند، قادر نیست بر جاذبه بسیار قوی خورشید تاثیر محسوسی بگذارد و در شکل ظاهری آن تغییری ایجاد نماید. خورشید به دلیل داشتن ساختار پلاسمایی مانند سیارات سنگی دارای مرز و محدوده مشخص و معینی نیست و در بخش‌های خارجی‌تر، چگالی گازهای آن کمتر می‌شود که می‌توان این‌طور نتیجه گرفت که رابطه‌ای نمایی بین فاصله گازها از هسته خورشید و میزان چگالی آن‌ها وجود دارد. شعاع خورشید به صورت خطی مستقیم از هسته آن تا لبه شیدسپهر در نظر گرفته می‌شود. شیدسپهر یا فوتوسفر لایه‌ای از سطح خارجی خورشید است که به آسانی با چشم غیرمسلح قابل رویت بوده و به عنوان لبه خورشید در نظر گرفته می‌شود. گازها در این منطقه بسیار سردتر از آن هستند که بتوانند به خوبی بدرخشند و پرتوافشانی نمایند. هسته خورشید، ده درصد از کل حجم خورشید را شامل می‌شود که 40% از کل جرم خورشید را در خود جای داده است. بخش داخلی خورشید به طور مستقیم قابل مشاهده نیست و خود خورشید نیز به علت داشتن تشعشعات شدید الکترومغناطیسی به طور شفاف و واضح قابل مشاهده نیست. به هرحال، همان‌گونه که علم لرزه‌شناسی با استفاده از امواج تولید شده ناشی از زمین‌لرزه به تعیین ماهیت و ساختار درونی زمین می‌پردازد، [علم لرزه‌شناسی خورشیدی] نیز با بررسی امواج حاصل از انفجارهای درون خورشید سعی در شناخت و آشکارسازی ساختار داخلی خورشید دارد. البته مدل‌سازی کامپیوتری خورشید نیز به عنوان ابزاری مکمل برای تشخیص ماهیت و ساختار درونی خورشید مورد استفاده قرار می‌گیرد.   هسته خورشید مرکز خورشید، کوره‌ای هسته‌ای با دمای 15 میلیون درجه سانتیگراد (27 میلیون درجه فارنهایت) و چگالی‌ 150 برابر آب است. تحت چنین شرایطی، هسته‌های اتم هیدروژن باهم ترکیب شده و به هسته‌های هلیوم تبدیل می‌شوند. ضمن این همجوشی، 7/0 درصد جرم ترکیب‌شده تبدیل به انرژی می‌شود. از 590 میلیون تن هیدروژنی که در هر ثانیه ترکیب هسته‌ای می‌شود، 9/3 میلیون تن ماده به انرژی تبدیل می‌شود. این سوخت هیدروژنی، تا 5 میلیارد سال دیگر دوام خواهد داشت.   هسته خورشید از مرکز آن تا فاصله 2/0 شعاع خورشید در نظر گرفته می‌شود. چگالی آن برابر با 150،000 کیلوگرم بر متر‌مکعب (150 برابر چگالی آب روی زمین) و دمای آن نزدیک به 13،600،000 کلوین (15 میلیون درجه سانتیگراد) است. دمای سطح خورشید 5785 کلوین، معادل 2350/1 برابر دمای هسته خورشید است. بررسی‌های صورت گرفته اخیر در ماموریت فضایی سوهو نشان داد که هسته خورشید به مراتب سریع‌تر از سایر نقاط متشعشع خورشید می‌چرخد. در تمام طول عمر خورشید، این ستاره انرژی‌اش را از طریق همجوشی هسته‌ای که به صورت یک سری مراحل زنجیره‌وار رخ می‌دهد، تامین می‌نماید که به آن زنجیره پروتون-پروتون گفته می‌شود. در ستارگان، دو مجموعه فعل و انفعال وجود دارد که می‌تواند منجر به تبدیل هیدروژن به هلیوم و در نهایت، آزاد شدن انرژی شود: 1- [پروتون-پروتون یا زنجیره پی-پی] که در ستارگانی با جرمی‌معادل یا کمتر جرم خورشید نقش مهمی‌ایفا می‌کند. 2- [چرخه CNO] که در ابرستارگان با اجرامی به مراتب ‌بیشتر از خورشید از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.     سه مرحله اصلی زنجیره پروتون-پروتون (منبع: wikipedia) در چرخه پروتون-پروتون، طی سه مرحله چهار هسته هیدروژن با یکدیگر ترکیب شده و یک هسته هلیوم را به وجود می‌آورند:              (مرحله 1)                                                                                         1H  + 1H à 2H + e++ ν                       (مرحله 2)                                                                                               2H  + 1H à 3He + γ                       (مرحله 3)                                                                                    3He + 3He à 4He + 1H + 1H             مرحله 1 و 2 باید دو بار پشت سرهم انجام گیرند تا دو هسته هلیوم هر کدام با 3 پروتون به وجود آیند. این روند همچنین منجر به آزاد شدن مقادیری انرژی می‌شود.   هسته خورشید تنها بخشی از خورشید است که در آن همجوشی هسته‌ای صورت می‌گیرد که این فرایند، منجر به آزاد شدن مقادیر قابل‌توجهی گرما می‌شود. سایر بخش‌های خورشید نیز با همین گرمای تولید شده در هسته که به سمت خارج متساعد می‌شود، گرم می‌شود. انرژی آزاد شده در هسته خورشید پیش از آنکه بتواند به صورت نور و یا ذرات دارای انرژی جنبشی، در فضا آزاد شود، باید از لایه‌های متوالی متعددی عبور کند تا در نهایت بتواند به شیدسپهر رسیده و به فضا بگریزد.   در هر ثانیه 3.4×1038 هسته اتم هیدروژن به هسته اتم هلیوم تبدیل می‌شوند (بیش از حدود 8.9×1056  میزان کل پروتون‌های آزاد در خورشید) که این امر موجب تبدیل 26/4 میلیون تن ماده به انرژی در هر ثانیه می‌شود که میزان این انرژی برابر است با 3.83×1026  وات یا به بیان ساده‌تر برابر است با میزان انرژی آزاد شده از انفجار 9.15×1010  مگاتن [تی اِن تی] در هر ثانیه. ممکن است این ارقام بسیار بزرگ به نظر برسد، اما در اصل این ارقام حاکی از نرخ پایین تولید انرژی در هسته خورشید است (حدود 3/0 میکرووات بر سانتیمتر مکعب یا به عبارتی 6 میکرووات به ازای هر کیلوگرم ماده) برای مقایسه، در نظر بگیرید که میزان انرژی تولید شده توسط بدن انسان 2/1 وات به ازای هر کیلوگرم است که این میزان به ازای هر واحد از جرم، میلیون‌ها بار بزرگ‌‌تر از آنچه در هسته خورشید رخ می‌دهد، است.   استفاده از پلاسما برای تولید انرژی در زمین با مقادیر و پارامترهای مشابه خورشید، کاملاً غیرعملی و ناممکن است. ضمن آنکه رآکتورهای هسته‌ای موجود به پلاسمایی با دمایی به مراتب بیشتر از دمای پلاسما در هسته خورشید برای تولید انرژی نیاز دارند.   سرعت همجوشی هسته‌ای رابطه تنگاتنگی با چگالی و دما دارد، بنابراین سرعت همجوشی هسته‌ای در هسته خورشید در یک حالت [موازنه خودبه‌خود اصلاح‌شونده] قرار دارد. این مطلب بدان معناست که در صورتی که اندکی سرعت همجوشی هسته‌ای بالا رود، هسته خورشید اندکی منبسط شده و کاهش دما موجب کاهش سرعت همجوشی هسته‌ای می‌شود و به این ترتیب این آشفتگی خودبه‌خود اصلاح می‌شود. از طرف دیگر در صورتی که سرعت همجوشی هسته‌ای اندکی کاهش یابد، هسته اندکی خنک شده و منقبض می‌شود، که این عامل موجب بالا بردن فشار و در نتیجه سرعت همجوشی هسته ای شده و سرعت همجوشی را به میزان مطلوب می‌رساند.   فوتون‌های پرانرژی ([کیهانی]، [گاما] و [ایکس]) آزاد شده در نتیجه همجوشی هسته‌ای به‌راحتی توسط یک لایه چند میلیمتری از پلاسما جذب شده و دوباره به صورت تصادفی در جهات گوناگون منتشر می‌شوند که البته کمی‌ از انرژی خود را نیز در همین فرایند از دست می‌دهند. بنابراین مدت زمان زیادی طول می‌کشد تا این فوتون‌ها بتوانند به سطح خورشید رسیده و به فضا گسیل یابند که به این زمان "مدت زمان سفر فوتون" گفته می‌شود که طول آن بین 10000 تا 170000 سال تخمین زده می‌شود. هر پرتوی گاما قبل از آنکه از سطح خورشید به فضا بگریزد در هسته خورشید به چندین میلیون فوتون نور مرئی تبدیل می‌شود.   سرانجام پس از اتمام سفر فوتون‌ها و رسیدن آن‌ها به لایه نامرئی شیدسپهر که انتقال دهنده گرما به محیط خارج است، این فوتون‌ها به صورت نور مرئی از سطح آن به فضای نامتناهی می‌گریزند تا سفر بی‌پایان خود را در اعماق فضا آغاز کنند.   ناحیه تشعشع لایه بعد از هسته، [ناحیه تشعشع] است. این منطقه بیش از 32 درصد حجم و 48 درصد جرم خورشید را شامل می‌شود. این منطقه به این علت منطقه تشعشع نامیده می‌شود که انرژی از میان آن بیشتر به شکل تابشی حرکت می‌کند. دما در این منطقه یک میلیون درجه سانتیگراد است. دما و تراکم مواد در ابتدای این ناحیه یعنی نزدیک به هسته زیاد است، ولی با نزدیک شدن به انتهای ناحیه، دما و جرم کاهش پیدا می‌کند. ذرات نور در این منطقه باید از لایه‌های مستحکم گاز عبور کنند. در نتیجه، ممکن است یک میلیون سال بگذرد تا یک فوتون از این منطقه عبور کند. ناحیه همرفتی  در لایه خارجی خورشید (تا فاصله 70% شعاع خورشید از هسته که کمی بیش از 2% جرم خورشید را شامل می‌شود) پلاسمای خورشیدی به اندازه کافی داغ و چگال نیست که بتواند انرژی گرمایی داخل خورشید را به صورت انرژی تابشی از خود گسیل کند. از این رو گرما به وسیله [جریان‌های همرفتی] از بخش‌های داخلی‌تر به سطح خورشید (شیدسپهر) انتقال می‌یابد. هنگامی‌که مواد در سطح خورشید سرد می‌شوند، به طور ناگهانی به داخل آن سقوط می‌کنند و دوباره به مرکزِ انتقال حرارتی که از همان‌جا گرما دریافت کرده بودند، بازمی‌گردند تا دوباره انرژی و گرمای لازم را از این منطقه دریافت کنند. در مواردی که این مواد به شدت گرم شوند، از طریق جریان همرفتی که مانند ستون‌هایی از دل خورشید تا سطح آن ادامه دارند، ناگهان به سطح خورشید بازگشته و فوران می‌کنند که در این صورت باعث دانه‌دانه شدن سطح خورشید می‌شوند. به بیان ساده‌تر، این دانه‌ها در واقع همان ستون‌های جریان‌های همرفتی در خورشید هستند که دائماً مواد داغ و گداخته‌شده را به سطح خورشید انتقال می‌دهند.همین جریان متلاطم و آشفته همرفتی در خارجی‌ترین بخش از منطقه وزش گرمایی خورشید باعث تقویت شدن میدان‌های مغناطیسی ضعیف در خورشید و در نهایت به وجود آمدن قطب‌های مغناطیسی بسیار قوی در قسمت شمالی و جنوبی خورشید می‌شود.   شیدسپهر (رخشان‌کره یا فوتوسفر)     پایینی‌ترین لایه جوّ خورشید یا همان سطح خارجی خورشید که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده است، شیدسپهر نامیده می‌شود که ضخامت آن حدود 500 کیلومتر است. در قسمت بالای شیدسپهر نور مرئی خورشید می‌تواند آزادانه در فضا منتشر شود. در این سطح، تمامی انرژی می‌تواند به راحتی از سطح خورشید بگریزد. تغییر در میزان شفافیت خورشید و کدر شدن آن به علت کاهش میزان یونH-  رخ می‌دهد زیرا که این یون به راحتی می‌تواند نور مرئی را جذب نماید.   به عکس، نور مرئی‌ای که ما قادر به دیدن آن هستیم در اثر برخورد و برهم‌کنش الکترون‌ها با اتم‌های هیدروژن به منظور تشکیل یون H- تولید می‌شود. به دلیل آنکه بخش‌های بیرونی لایه غیرشفاف شیدسپهر خنک‌تر از بخش‌های درونی آن است، تصویر خورشید در مرکز درخشان‌تر و روشن‌تر از اطراف آن به نظر می‌رسد که به این پدیده تاریکی لبه قرص خورشید، اثر [تاریکی لبه] گفته می‌شود.   نور خورشید تا حدی شامل طیف نوری [جسم سیاه] است و دمای آن به حدود 6000 کلوین می‌رسد. این طیف نوری از لایه‌های نازک بالای شیدسپهر همراه با [خط جذب اتمی] به فضا پراکنده می‌شود.   شیدسپهر دارای [چگالی حقیقی]  1023 m-3 است که این مقدار تقریباً برابر با 1% چگالی حقیقی جوّ زمین در سطح دریا است. اثر تاریکی لبه خورشید در این تصویر به وضوح دیده می‌شود    در بررسی‌های ابتدایی نتایج [طیف‌سنجی] شیدسپهر، تعدادی خط جذبی یافت شدند که با هیچ‌یک از عناصر شیمیایی شناخته‌شده در زمین تا آن زمان مشابه نبودند. در سال 1868 [نورمن لاک‌یر] این‌گونه پنداشت که عامل پیدایش این خط‌های جذبی به علت وجود عنصری خاص در ساختار شیدسپهر خورشید است که در زمین یافت نمی‌شود. او این عنصر را هلیوم نام نهاد (که از نام هلیوس که در یونان باستان به عنوان خدای خورشید شناخته می‌شد) اقتباس شده بود (25 سال پس از این کشف، هلیوم در زمین کشف شد).   منطقه حداقل درجه حرارتی خنک‌ترین لایه خورشید که آن را منطقه حداقل درجه حرارتی می‌نامند، 500 کیلومتر بالاتر از لایه شیدسپهر را شامل می‌شود که دما در این منطقه به 4000 کلوین می‌رسد. این منطقه به اندازه کافی خنک است تا در آن، مولکول‌‌های آب و مونواکسیدکربن یافت. وجود چنین مولکول‌هایی در این لایه با روش‌های طیف‌سنجی و مشاهده خط جذب این عناصر در طیف نور خورشید اثبات شده است. فام‌سپهر (رنگین کره یا کروموسفر) بالای منطقه حداقل درجه حرارتی، لایه‌ای نازک به ضخامت تقریبی 2000 کیلومتر وجود دارد که با روش‌های طیف‌سنجی و مشاهده خطوط جذبی طیفی کشف شده است. این لایه فام‌سپهر یا کروموسفر نامیده می‌شود که از واژه [کروما] (به معنای رنگ) گرفته شده است. علت انتخاب این اسم آن است که فام‌سپهر معمولاً به علت درخشندگی شیدسپهر نامرئی است. اما به هنگام خورشیدگرفتگی که ماه قرص مرکزی خورشید را می‌پوشاند، نور سرخ فام‌سپهر را می‌توان دید. این لایه عمدتاً از گاز هیدروژن تشکیل شده است و سدیم، کلسیم، منیزیم و یون هلیوم نیز در آن وجود دارد. فام‌سپهر مانند یک فلش رنگی در آغاز و پایان یک خورشیدگرفتگی کامل، قابل رویت است. درجه حرارت در فام‌سپهر به تدریج با افزایش ارتفاع از سطح خورشید بالا می‌رود و در نزدیکی‌های مرز این لایه به 100000 کلوین می‌رسد.   منطقه انتقال حرارتی بعد از فام‌سپهر، [منطقه گذار یا انتقال حرارتی] قرار دارد که درجه دما در این منطقه از صدهزار کلوین به سرعت بالاتر رفته و به دمای تاج یعنی نزدیک به یک میلیون کلوین می‌رسد. این افزایش دما به علت یونیزه شدن کامل هلیوم در دمای بالای این محدوده رخ می‌دهد. گذار یا انتقال حرارتی در ارتفاع دقیق و معینی از سطح خورشید رخ نمی‌دهد، بلکه به صورت هاله‌ای لایه فام‌سپهر را احاطه کرده است که این ‌هاله از روی زمین قابل مشاهده نیست و تنها می‌توان از فضا و با استفاده از تلسکوپ‌‌های حساس به طیف‌سنجی اشعه فرابنفش آن را رصد نمود. هاله (کرونا یا تاج خورشیدی) تاج و شعله‌های عظیم خورشیدی (عکس از ناسا)   لایه خارجی و توسعه‌یافته خورشید را تاج می‌نامند که حجم آن از حجم خود خورشید بسیار بزرگ‌تر است. تاج توسط بادهای خورشیدی به آرامی و به طور یکنواخت در سراسر منظومه شمسی پراکنده می‌شود (مقدار ماده‌ای که به صورت باد خورشیدی در هر ثانیه از خورشید دور می‌شود، در حدود یک میلیون تن است).     چگالی‌ حقیقی لایه پایین تاج، که به سطح خورشید بسیار نزدیک است، معادل  1014 - 1016 m-3است (چگالی حقیقی جوّ زمین، نزدیک به سطح دریا  2 x 1025 m-3 است).   هنوز دانشمندان موفق به تعیین درجه حرارت قطعی و دقیق لایه تاج نشده‌اند، اما آنچه مشخص است درجه حرارت تاج بسیار بالا و در حدود ده‌ها میلیون کلوین است که یکی از دلایل وجود چنین دمای بالایی، حوزه‌های مغناطیسی موجود در این لایه می‌تواند باشد.   فام‌سپهر، لایه انتقال و تاج خورشیدی به مراتب داغ‌تر از شیدسپهر هستند؛ رازی که تا به امروز دانشمندان موفق به کشف علت آن نشده‌اند.   می‌توان تاج خورشیدی را به وضوح به‌هنگام خورشیدگرفتگی کلی مشاهده کرد.     رده طیفی در رده‌بندی طیفی، خورشید یک ستاره از دسته G2V است. این تقسیم‌بندی بر اساس دمای سطحی ستارگان و به صورت زیر انجام می‌گیرد:     هر کدام از گروه‌های O تا M به 10 زیرگروه تقسیم می‌شوند. با این حساب، دمای سطحی خورشید با رده طیفی G2 تقریباً برابر با 5780 کلوین است. حرف V به این معناست که خورشید از دسته ستارگان رشته اصلی است؛ به این معنا که این ستاره نیز همانند بسیاری دیگر از ستارگان، انرژی خود را از ترکیب هسته‌ای هیدروژن و تبدیل آن به هلیوم به دست می‌آورد، به طوری‌ که همیشه درحالت [تعادل هیدرواستاتیکی] قرار دارد، یعنی خورشید در اثر این واکنش نه منقبض می‌شود نه منبسط.   در کهکشان راه شیری حدود 400 میلیارد ستاره وجود دارند که تقریباً نیمی‌از آنها خورشیدمانند و از دسته G هستند. خورشید از 85% این ستارگان درخشان‌تر است. بیشتر این ستارگان را [کوتوله‌های سرخ]  تشکیل می‌دهند. دمای سطحی خورشید باعث درخشش آن به رنگ سفید می‌شود که البته به دلیل وجود [اثر پراکنده‌کنندگی جوّ] این ستاره از دید ناظر روی زمین به رنگ زرد مشاهده می‌شود.   نور خورشید و اثر پراکنده‌کنندگی جو هنگامی‌که نور خورشید با جوّ زمین برخورد می‌کند، فوتون‌های نور آبی از طیف نور خورشید جدا شده و در جو پراکنده می‌شوند و به همین علت آسمان به رنگ آبی دیده می‌شود. جدا شدن طیف آبی از نور خورشید موجب می‌شود که رنگ قرمز در نور خورشید بیشتر نمایان شود که به همین علت ناظر روی زمین خورشید را به رنگ زرد مشاهده می‌کند. در هنگام طلوع و یا غروب که نور خورشید مسافت بیشتری را در جو می‌پیماید تا به ناظر برسد، فوتون‌های آبی بیشتری از طیف نور خورشید توسط جو جذب می‌شود و به همین علت خورشید به رنگ نارنجی یا قرمز مشاهده می‌شود. نور خورشید منبع اصلی تأمین انرژی در زمین است. [ثابت خورشیدی]، مقدار انرژی‌ای است که هر منطقه‌ای که مستقیماً تحت تاثیر تابش نور خورشید قرار می‌گیرد، دریافت می‌کند. ثابت خورشیدی برای منطقه‌ای در فاصله یک واحد نجومی ‌از خورشید، که زمین نیز در همین فاصله قرار گرفته، تقریباً برابر با 1370 وات به ازای هر مترمربع است. نوری که از خورشید به سطح کره زمین می‌رسد، بسیار ضعیف‌تر از آن چیزی است که باید به زمین برسد که البته علت این امر برخورد نور خورشید با جوّ زمین است. بنابراین میزان ثابت خورشیدی برای هر نقطه‌ای که در شرایط هوایی مطلوب و غیرابری تحت تاثیر تابش مستقیم نور خورشید قرار گیرد (زمانی که خورشید در [سمت الرأس]  -که همان نقطه اوج خورشید است- قرار داشته باشد) حدود 1000 وات به ازای هر یک متر مربع است. این انرژی می‌تواند با روش‌های طبیعی و مصنوعی گوناگونی تحت کنترل درآمده و به خدمت گرفته شود. به عنوان مثال، گیاهان در فرایند فوتوسنتز نور خورشید را جذب کرده و با تغییر این انرژی به ترکیبات شیمیایی اکسیژن تولید می‌کنند و ترکیبات کربن‌داری چون دی‌اکسیدکربن را کاهش می‌دهند. همچنین گرما و یا انرژی الکتریکی تولید شده توسط باتری‌های خورشیدی نیز نقش بزرگی در تامین نیازهای بشر امروزی ایفا می‌کند. انرژی نهفته در نفت خام و سایر سوخت‌های فسیلی نیز در اصل میلیون‌ها سال پیش در اثر تابش نور خورشید به گیاهان و تشکیل مواد آلی در آن‌ها به وجود آمده است. [اشعه فرابنفش] خورشید دارای خاصیت گندزدایی و ضدعفونی‌کنندگی است که می‌توان از آن برای ضدعفونی کردن آب و تجهیزات گوناگون (مانند تجهیزات پزشکی) بهره گرفت. این اشعه دارای فواید پزشکی گوناگونی است که در این میان، می‌توان به تولید "ویتامین د" در بدن در اثر تابش آن به پوست اشاره کرد. مقادیر بسیاری از اشعه فرابنفش خورشید قبل از رسیدن به زمین توسط لایه ازن جذب می‌شود و تنها مقادیر اندکی از آن به سطح زمین می‌رسد که دیگر برای انسان مضر نیست. بنابراین با تغییر عرض جغرافیایی، میزان اشعه فرابنفشی که به سطح زمین می‌رسد نیز تغییر می‌کند. در اصل زاویه‌ای که خورشید در هنگام ظهر با سمت الرأس می‌سازد، منشأ تمام تنوع‌های زیستی مانند تنوع رنگ پوست انسان‌ها (با توجه به اینکه در کدام بخش از کره زمین زندگی می‌کنند) است.   میدان‌های مغناطیسی و فعالیت‌های خورشیدی میدان‌های مغناطیسی خورشید موجب بروز پدیده‌های گوناگونی می‌شود که همه این پدیده‌ها تحت عنوان فعالیت‌های خورشیدی شناخته می‌شوند. بخشی از این فعالیت‌ها شامل شکل‌گیری لکه‌های خورشیدی در سطح خورشید، شعله‌ها و زبانه‌های عظیم خورشیدی و متغیر بودن شدت وزش بادهای خورشیدی است که این بادها عناصر گوناگونی را همراه خود به سراسر منظومه شمسی حمل می‌کنند. هنگامی که بادهای خورشیدی به زمین می‌رسند باعث به وجود آمدن پدیده‌های گوناگونی از جمله شکل‌گیری شفق‌های قطبی در عرض‌های جغرافیایی میانی و بالاتر و ایجاد اختلال در ارتباطات رادیویی و همچنین قطع جریان برق می‌شوند. با وجود آنکه خورشید نزدیک‌ترین ستاره به زمین است و طی سالیان متمادی دانشمندان بسیاری به دقت آن را مورد بررسی و مطالعه قرار داده‌اند، اما هنوز سوالات بی‌پاسخ بی‌شماری در رابطه با خورشید باقی مانده است؛ از جمله آنکه چرا جوّ خارجی خورشید دارای درجه حرارتی معادل با یک میلیون کلوین است، در حالی که درجه حرارت سطح خورشید که شیدسپهر نامیده می‌شود تنها 6000 کلوین است. موضوعاتی که مطالعات جاری دانشمندان را به خود اختصاص داده است شامل بررسی چرخه‌های منظم فعالیت لکه‌های خورشیدی، مطالعه ماهیت فیزیکی و منشا پیدایش زبانه‌های خورشیدی، بررسی کنش و واکنش‌های مغناطیسی بین فام‌سپهر و تاج خورشیدی و بررسی و تحقیق راجع به ماهیت وجودی و چگونگی پیدایش بادهای خورشیدی و منبع انتشار آنهاست.   چرخه حیات خورشید خورشید یک ستاره نسل سوم است که بر اساس یک نظریه قوی، شکل‌گیری آن ممکن است در اثر امواج پراکنده شده حاصل از شکل‌گیری یک یا چند [ابرنواختر] که منجر به فشرده شدن غبار میان‌ستاره‌ای شده، به وجود آمده است. منشا شکل‌گیری این نظریه، کشف وجود مقادیر فراوانی از عناصر سنگین در منظومه شمسی مانند طلا و اورانیوم بود. این عناصر به شکل قابل‌قبولی می‌توانند از واکنش‌های هسته‌ای گرماگیر یک ابرنواختر تولید شده باشند و یا در جریان تغییرات هسته‌ای از طریق جذب نوترون در داخل یک ستاره غول پیکر نسل دوم تولید شده باشند. مشاهدات از روی زمین نشان داده است که مسیر حرکت خورشید در آسمان در طی یک سال دائماً در حال تغییر است، به صورتی که اگر در طی یک سال هر روز در ساعت و دقیقه معینی از خورشید عکسی گرفته شود و سپس نتایج تمام عکس‌ها در قالب یک عکس کنار هم قرار داده شود، مشاهده خواهد شد که مسیر حرکت خورشید شبیه به عدد 8 انگلیسی است. آشکارترین تغییر در مسیر حرکت خورشید در آسمان در طی یک سال، تغییر زاویه 47 درجه‌ای آن بین شمال و جنوب (به دلیل کج بودن 5/23 درجه‌ای محور زمین نسبت به خورشید) است که همین امر، اصلی‌ترین عامل پیدایش فصول در زمین محسوب می‌شود. همچنین، طبق قانون دوم کپلر به دلیل بیضوی بودن مدار حرکت زمین به دور خورشید، هنگامی که زمین در مدار خود به خورشید نزدیک می‌شود، بر شتاب حرکت آن افزوده شده و با دور شدن از خورشید از سرعت آن کاسته می‌شود. خورشید از نظر میدان مغناطیسی یک ستاره فعال محسوب می‌شود و دارای قطب‌های مغناطیسی بسیار قوی و متغیری است که هر سال تغییر می‌کنند و هر 11 سال جای آنها به کلی عکس می‌شود. با استفاده از مدل‌های شبیه‌سازی‌شده رایانه‌ای و با در نظر گرفتن سیر تکامل و نابودی ستارگان تخمین زده می‌شود که تا به حال در حدود 57/4 میلیارد سال از عمر خورشید سپری شده است و تقریباً می‌توان گفت خورشید در نیمه عمر خود قرار دارد. تخمین زده می‌شود که حدود 59/4 میلیارد سال پیش، از همپاشی سریع یک ابر مولکولی هیدروژنی عظیم باعث پیدایش خورشید یعنی پیدایش یک ستاره نسل سوم شد که این ستاره جوان در یک مدار تقریباً دایره‌ای‌شکل گردشش را به دور مرکز کهکشان راه شیری آغاز کرد؛ گردشی که هر یک دور آن 26000 سال نوری است. خورشید در حال حاضر تقریباً در دوران میانسالی خود به سر می‌برد و نیمی ‌از عمر خود را سپری کرده است. این ستاره با سرعتی باور نکردنی جرم را در هسته خود به انرژی تبدیل می‌کند؛ یعنی در هر ثانیه بیش از 26/4 میلیون تن ماده در هسته خورشید به انرژی تبدیل می‌شود که این امر موجب درخشندگی و پرتوافشانی شدید خورشید می‌شود. با توجه به سرعت تبدیل جرم به ماده در خورشید، می‌توان این‌گونه نتیجه گرفت که تا به امروز خورشید جرمی ‌معادل با 100 برابر جرم زمین را به انرژی تبدیل کرده است. خورشید از آغاز شکل‌گیری چیزی در حدود 10 میلیارد سال تحت عنوان یک ستاره رشته اصلی به سوختن ادامه خواهد داد. خورشید از جرم کافی برخوردار نیست تا بتواند در پایان عمرش به عنوان یک ابرنواختر منفجر شود. اما 5 الی 6 میلیارد سال دیگر خورشید وارد مرحله‌ای می‌شود که به آن مرحله غول سرخ گفته می‌شود. همچنان که سوخت هیدروژنی خورشید مصرف می‌شود و هسته آن منقبض و هر لحظه گرم‌تر می‌شود، لایه خارجی خورشید شروع به بزرگ شدن می‌کند. پیش از شروع همجوشی هلیوم در هسته خورشید، همجوشی هیدروژن در لایه‌ای اطراف هسته آغاز می‌شود. سپس در اثر بالا رفتن دمای هسته مرکزی خورشید همجوشی هسته‌ای هلیوم آغاز می‌شود که منجر به تولید کربن و اکسیژن درون هسته می‌شود. ناپایداری دمای داخلی خورشید منجر به از دست رفتن جرم از سطح خورشید می‌شود. از طرفی بزرگ شدن لایه خارجی خورشید تا جایی ادامه می‌یابد که این لایه به نزدیکی مدار کنونی کره زمین خواهد رسید. البته تحقیقات و مطالعات اخیر حاکی از آن است که جرمی که خورشید قبل از آن که به مدار زمین برسد از سطح خود از دست داده است، منجر به کاهش تاثیر گرانشی آن و در نتیجه عقب راندن مدار زمین می‌شود. به‌طوری‌که زمین در فاصله دورتری از خورشید قرار خواهد گرفت و هنگامی که لایه خارجی خورشید به مدار کنونی زمین می‌رسد، زمین احتمالاً از غرق شدن در دل خورشید محفوظ خواهد بود.  در این مرحله، زمین بخش بزرگی از جوّ خود را از دست خواهد داد؛ تمام آب‌های روی زمین در اثر دمای بالای محیط تبخیر خواهد شد و به فضا خواهد گریخت؛ خورشید به مدت 600 تا 700 میلیون سال بعد از آن، چنان گرم می‌شود که به یک کوره بسیار داغ تبدیل خواهد شد و دیگر برای زندگی به‌گونه‌ای که ما می‌شناسیم مناسب نخواهد بود.   چرخه حیات خورشید از آغاز پیدایش تا تبدیل شدن به یک کوتوله سفید و خاموش (منبع: ناسا)   هنگامی‌که خورشید در مرحله آخر عمر خود منبسط می‌شود تا به یک [غول سرخ] تبدیل شود، قطرش حدود 150 برابر بزرگ‌تر خواهد شد. گازهای منبسط‌ شده و داغ خورشید، رنگ زرد و حرارت خود را از دست می‌دهند و قرمزرنگ و سرد خواهند شد، اما به دلیل بزرگ‌تر شدن سطح خورشید، درخشندگی آن تا 1000 برابر افزایش می‌یابد و نور بیشتری از خود ساطع خواهد کرد. در ادامه فاز غول سرخ، به دلیل تغییرات بسیار شدید حرارتی در خورشید، این ستاره دائماً بزرگ و کوچک می‌شود که در اصطلاح به آن تپش خورشید گفته می‌شود. در حین این تپش‌ها، خورشید لایه‌های خارجی خود را از دست خواهد داد و آنها را به فضای اطراف خواهد انداخت که باعث شکل‌گیری یک [سحابی سیاره‌ای] خواهد شد. پس از آنکه خورشید تمام لایه‌های خارجی خود را به دور افکند، تنها بخشی که برجای خواهد ماند هسته بسیار داغ و درخشان خورشید خواهد بود که به آن [کوتوله سفید] گفته می‌شود. کوتوله سفید طی میلیارد‌ها سال به مرور و به آرامی‌ سرد شده، به [کوتوله سیاه] تبدیل خواهد شد. این سرنوشت برای هر ستاره‌ای که کمتر از چهار برابر جرم اولیه خورشید یا کمتر از 4/1 برابر جرم نهایی خورشید جرم داشته باشد، به همین شکل روی خواهد بود.   چرخه‌های خورشیدی لکه خورشیدی و چرخه حیات لکه‌های خورشیدی هنگامی که با بهره‌گیری از فیلترهای مناسب به خورشید بنگرید اولین چیزی که نظر شما را جلب خواهد کرد، وجود لکه‌هایی تیره روی سطح خورشید است. علت تیره‌رنگ به نظر رسیدن این نقاط، پایین‌تر بودن دمای آنها نسبت به سایر نقاط سطح خورشید است. لکه‌های خورشیدی حوزه‌هایی هستند که به علت وجود فعالیت‌های بسیار شدید مغناطیسی در این نقاط، انتقال حرارت در آنها متوقف شده و هیچ‌گونه جریان همرفتی در این نقاط وجود ندارد که این امر مانع از انتقال دمای بسیار بالای سطح داخلی و بسیار داغ خورشید به این نواحی و در نتیجه، سردتر بودن این نقاط نسبت به سایر مناطق خورشید می‌شود. این مناطق مغناطیسی منجر به گرمایش شدید تاج و شکل‌گیری مناطق فعال در خورشید می‌شود و خود، منبع شکل‌گیری [شراره‌های عظیم خورشیدی] و [فوران انبوه تاج خورشیدی] به خارج هستند. لکه‌های خورشیدی بسیار عظیم، می‌توانند وسعتی معادل با ده‌‌ها هزار کیلومتر داشته باشند. تعداد لکه‌های خورشیدی قابل رویت ثابت نیستند و در طول یک دوره یازده ساله چرخه خورشیدی تعداد آن‌ها تغییر می‌کند. در ابتدای هر دوره از چرخه خورشیدی لکه‌های خورشیدی کمی قابل رویت هستند و گاهی نیز هیچ لکه خورشیدی مشاهده نمی‌شود. با گذشت زمان و ادامه چرخه خورشیدی بر تعداد لکه‌های خورشیدی افزوده می‌شود. این لکه‌ها به مرور حرکت کرده و به خط استوای خورشید نزدیک می‌شوند. لکه‌های خورشیدی معمولاً به صورت یک جفت و با قطب‌های مغناطیسی مخالف وجود دارند. در هر جفت لکه خورشیدی، قطب مغناطیسی لکه‌ها به طور تناوبی در هر چرخه خورشیدی عوض می‌شود. بنابراین لکه‌ای که در یک چرخه خورشیدی قطب شمال محسوب می‌شود در چرخه بعدی قطب جنوبی خواهد بود. چرخه‌‌های خورشیدی تاثیر فراوانی بر فضای منظومه شمسی دارد که تاثیر آن بر شرایط جوی و آب و هوای زمین نیز کاملاً محسوس و آشکار است. کاهش فعالیت چرخه خورشید و ظاهر شدن تعداد لکه‌های خورشیدی کم، منجر به سرد شدن زمین و بالعکس، فعالیت بالاتر از حد متوسط خورشید در طی یک چرخه خورشیدی، منجر به گرم‌تر شدن زمین می‌شود. در قرن هفدهم، به نظر می‌رسید که چرخه خورشیدی برای چند دهه کاملاً متوقف شده باشد، چرا که در طی این چند دهه تنها چند لکه خورشیدی بسیار کوچک روی خورشید رصد شد. در این دوره که به [عصر یخبندان کوچک] موسوم است ساکنان کشورهای اروپایی دمای آب و هوای بسیار سردی را تجربه کردند.   بررسی امکان‌پذیری چرخه بلندمدت خورشیدی و وقوع عصر یخبندان فرضیه اخیر در زمینه چرخه‌های خورشیدی حاکی از وجود ناپایداری‌های مغناطیسی در هسته خورشید است. این فرضیه بیان می‌کند که این ناپایداری می‌تواند موجب تنزل و یا ارتقای فعالیت خورشید در طی یک دوره از چرخه خورشیدی شود. بر طبق این فرضیه، این اتفاق می‌تواند هر 41000 یا هر 100000 سال یک‌بار رخ دهد و به این ترتیب، می‌توان وجود عصرهای یخبندان را توضیح داد. این فرضیه نیز همانند سایر فرضیه‌‌های اخترفیزیک به طور مستقیم قابل آزمایش و تجربه‌پذیر نیست. مسأله نوترینوی خورشیدی سال‌های بسیار زیادی تعداد نوترینوهایی که از خورشید جدا شده و روی زمین آشکار می‌شد، تنها یک سوم تا نصف تعدادی را شامل بود که توسط مدل‌‌های خورشیدی استاندارد تخمین زده می‌شد. این نتیجه غیرعادی و خلاف قاعده را مسأله نوترینوی خورشیدی نامیدند.      نوترینو ذره‌ای بنیادی و خنثی است که در ضمن واپاشی بتای هسته‌های اتمی ‌همراه با الکترون یا پوزیترون گسیل می‌شود. همانند نوترون، نوترینو نیز بار الکتریکی ندارد؛ نوترینو با الکترون‌ها عملاً اندرکنش نمی‌کند و باعث یونش قابل‌توجه محیط نمی‌شود. نوترینو ذره بنیادی ناپایدار و سبکی است که جرمش در حدود 200/1 جرم الکترون است. افزون بر این، برهمکنش نوترینو با هسته‌ها خیلی ضعیف است. انرژی الکترون حاصل از واپاشی ذره بتا می‌تواند مقادیر مختلف، از صفر تا مقدار ماکزیمم معین W را داشته باشد. مهم است بدانیم که این مقدار ماکزیمم درست برابر با انرژی درونی آزاد شده در ضمن واکنش مذکور است. برای سازگاری با قانون بقای انرژی باید فرض کرد که در جریان واپاشی ذره بتا همراه با الکترون یک ذره دیگر نیز (یعنی نوترینو) تشکیل می‌شود. این ذره انرژی ای را با خود حمل می‌کند که مکمل انرژی الکترون تا W است. اگر نوترینو انرژی‌ای نزدیک به W با خود حمل کند، انرژی الکترون نزدیک به صفر است. اگر انرژی نوترینو کم باشد، برعکس، انرژی الکترون نزدیک به W است. تحلیل تفضیلی از واپاشی به دلایل متقاعدکننده دیگری بر گسیل نوترینو در این فرایند دلالت دارد. در هر ثانیه 1012 عدد نوترینو از بدن ما عبور می‌کند، اما از آنجا که نوترینوها تقریباً هیچ‌گاه بر ماده تاثیری نمی‌گذارند، ما متوجه عبور آنها نمی‌شویم و درست به همین دلیل است که می‌توانند به آسانی از مرکز خورشید، جایی که حرکت فوتون‌ها به دلیل چگالی بالا قرن‌ها طول می‌کشد، به بیرون گسیل شوند. هرچند نوترینوها را نمی‌توان به راحتی به کمک آشکارسازها شکار کرد، اما برخی فعل و انفعالات هسته‌ای را می‌توان به کمک نوترینوها تسریع کرد و از این طریق به وجود آن‌ها پی‌برد. با این وجود، باز هم تعداد نوترینوهایی که در این آزمایش‌ها به دست می‌آمد، یک‌سوم تعداد کل نوترینوهایی بود که بر اساس مدل‌های رایانه‌ای پیش‌بینی می‌شد. برای توجیه مسأله نوترینوی خورشیدی، فرضیه‌های مختلفی بیان شد که در آنها سعی شده بود با بیان این موضوع که دمای داخلی خورشید کمتر از آنچه که تخمین زده می‌شود است، مسأله کم بودن شار نوترینوهای دریافتی روی زمین توجیه شود. همچنین به این موضوع نیز اشاره شده بود که نوترینوها هنگامی‌که فاصله بین خورشید تا زمین را طی می‌کنند، دارای نوساناتی می‌شوند که ممکن است همه آنها توسط آشکارسازهای روی زمین شناسایی و دریافت نشوند. به همین جهت در دهه 1980، چندین رصدخانه آشکارساز نوترینوی بسیار دقیق مانند [رصدخانه نوترینوی سادبری] در کانادا و [رصدخانه کمیوکنده] در ژاپن ساخته شد تا دانشمندان بتوانند با دقت هرچه بیشتری تعداد نوترینوهای دریافتی را اندازه بگیرند. نتایج این تحقیقات در نهایت منجر به کشف این موضوع شد که نوترینوها دارای [جرم ساکن]  بسیار کوچکی هستند که به‌راستی می‌توانند دچار نوسان شوند.  افزون بر این، در سال 2001 دانشمندان رصدخانه سادبری موفق شدند هر سه نوع نوترینوی دریافتی (نوترینوی الکترونی، [موئون]، و [تائو]) را به طور مستقیم شناسایی و آشکار کنند و به این ترتیب انتشار نوترینوی خورشید به طور کلی با نتایج حاصل از شبیه‌سازی استاندارد خورشید مطابقت داشت، هرچند که با توجه به میزان انرژی نوترینوها، تنها یک سوم نوترینوهای دیده شده روی زمین از نوع الکترونی هستند. نوترینوهای الکترونی تنها یکی از سه نوع نوترینویی هستند که به نظر می‌رسد وجود داشته باشند. از آنجا که آشکارسازهای اولیه تنها قادر به نشان دادن این دسته از نوترینوها بودند، تعداد کل نوترینوهایی که از خورشید به زمین می‌رسید، یک سوم کل نوترینوهایی به دست آمد که بر اساس مدل‌های رایانه‌ای و محاسبات عددی همجوشی هسته‌‌ای هیدروژن در مرکز خورشید به وجود می‌آمدند. بنابراین سرانجام مسأله نوترینوی خورشیدی که سال‌ها بی‌پاسخ مانده بود، حل شد.   گرمایش تاج خورشیدی سطح قابل‌رویت و نورانی خورشید (شیدسپهر) دارای درجه حرارتی معادل با 6000 کلوین است که بالای این منطقه و پس از فام‌سپهر، تاج خورشیدی با دمایی معادل با 1،000،000 کلوین قرار دارد. دمای بسیار بالای این منطقه نشان‌دهنده آن است که این ناحیه توسط منبع دیگری به غیر از گرمای گسیل‌شده از شیدسپهر تا به این حد گرم می‌شود.   این‌گونه تصور می‌شود که انرژی لازم برای گرم کردن هاله خورشید توسط جریان‌های بسیار متلاطم و سرکش لایه انتقال حرارتی که زیر شیدسپهر قرار دارد، تامین می‌شود که برای توجیه چگونگی آن دو نوع سازوکار متفاوت مطرح می‌شود. سازوکار اول شامل گرمایش موجی است و شکل‌گیری امواج صوتی، امواج گرانشی و امواج هیدرودینامیکی مغناطیسی در اثر وجود جریان‌های آشفته و متلاطم را شرح می‌دهد. این امواج پس از تولید به سمت بالا رفته و با برخورد به تاج خورشیدی باعث از همپاشی و آزاد شدن انرژی به صورت انرژی گرمایی می‌شود و سازوکار دوم شامل گرمایش مغناطیسی است که در این سازوکار، انرژی مغناطیسی به طور متداوم توسط جریان‌های موجود در شیدسپهر ساخته می‌شود و به سمت نواحی مغناطیسی و لکه‌های خورشیدی و در قالب شراره‌ها و شعله‌های بسیار عظیم خورشیدی رها می‌شود. همین امر منجر به گرمایش تاج خورشیدی از طریق فرایندهای بی‌شمار مشابه با سازوکار اول اما در مقیاس کوچک‌تر می‌شود.   خورشید جوان کم‌نور مدل‌ها و فرضیه‌‌های مطرح شده در مورد فعالیت‌های خورشیدی حاکی از آن است که از 5/2 تا 8/3 میلیارد سال پیش که به آن [دوره آرکین] گفته می‌شود، خورشید تنها به اندازه 75% حال حاضر روشن و درخشان بوده است. چنین ستاره ضعیف و کم‌نوری قادر نبود به شکل‌گیری و پایدار نگه‌داشتن آب به‌صورت مایع روی سطح زمین کمک کند، بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که طی این دوره حیات روی زمین وجود نداشته است.   البته شواهد زمین‌شناسی موجود بیانگر آن است که زمین همواره در طول تاریخ حیاتش در محدوده دمایی نسبتاً مساعد و ثابتی قرار داشته است و حتی گفته می‌شود که زمین جوان از امروز اندکی گرم‌تر بوده است. دانشمندان بر سر این موضوع توافق‌نظر دارند که جوّ زمین جوان دارای مقادیر بسیار بیشتری گازهای گلخانه‌ای (مانند دی‌اکسیدکربن، متان و آمونیاک) نسبت به امروز بوده است که به واسطه آن با وجود کم‌نور و ضعیف بودن انرژی دریافتی از خورشید، جوّ زمین قادر بوده است گرمای کافی را روی زمین نگه دارد و مانع از فرار گرما از سطح زمین شود.   میدان مغناطیسی خورشید به علت دمای بسیار بالای خورشید، مواد در خورشید حالت گازی و پلاسمایی‌شکل دارند که این امر به خورشید این امکان را می‌دهد که در نزدیک نواحی استوایی با سرعت بیشتری (25 روز) نسبت به نواحی نزدیک به قطبین (35 روز) بچرخد. چنین تفاوتی در چرخش خورشید که به آن [چرخش تفاضلی یا افتراقی خورشید] گفته می‌شود منجر به گره خوردن و دورهم پیچیدن میدان‌های مغناطیسی خورشید به یکدیگر و شکل‌گیری [حلقه‌های مغناطیسی] می‌شود که موجب شکل‌گیری شعله‌ها و لکه‌های خورشیدی و چرخه‌های یازده ساله خورشیدی و همچنین جابجایی قطب‌‌های مغناطیسی خورشید در هر یازده سال (با شروع هر دوره جدید) می‌شود.   تاریخچه رصد خورشید دوره باستان درک اولیه انسان‌های باستان از خورشید، صفحه‌ای مدور و درخشان در آسمان بود که بودنش در آسمان روز را پدید می‌آورد و نبودنش شب را در پی‌داشت. خورشید به عنوان یک پدیده مافوق طبیعه و به عنوان یکی از خدایان توسط بسیاری از انسان‌های دوران باستان مورد پرستش و ستایش قرار می‌گرفته است که از آن میان، می‌توان به ساکنان امریکای جنوبی و همچنین ساکنان مکزیک امروزی اشاره کرد. از آنجایی که به نظر می‌رسید خورشید در طول مدت یک سال یک بار به دور دایره‌البروج گردش می‌کند، ستاره‌شناسان یونان باستان خورشید را به عنوان یکی از هفت سیاره‌ای که تا آن زمان شناسایی کرده بودند، محسوب کردند و در نام‌گذاری هفت روز هفته از نام خورشید هم بهره گرفتند.   توسعه شیوه درک نوین و علمی‌خورشید اولین فردی که تعریف علمی از خورشید ارائه کرد، فیلسوفی یونانی به نام [آناکساگوراس] بود که استدلال نمود خورشید یک توپ شعله‌ور تشکیل شده از ماده است که اندازه آن نه به کوچکی ارابه‌ خدای خورشید، بلکه حتی از اندازه شبه جزیره جنوبی یونان نیز بزرگ‌تر است. از آنجایی که افکار و گفتار این فیلسوف با عقاید حاکم بر مردم آن زمان مطابقت نداشت و نوعی ارتداد و بدعت‌گذاری محسوب می‌شد، برای درس عبرت دادن به مردم، او را زندانی و به اعدام محکوم کردند که سرانجام با مداخله و شفاعت [پریکلس] آزاد شد. احتمالاً [اراتوستنس] اولین فردی بود که موفق شد به طور دقیق فاصله بین زمین و خورشید را معادل 149 میلیون کیلومتر محاسبه کند که این رقم تقریباً با اندازه‌گیری‌های امروزی مطابقت دارد. این فرضیه که خورشید در مرکز فضایی قرار دارد که سایر سیارات به گرد آن می‌چرخند، توسط یکی از یونانیان باستان به نام  [آریستارکوس] و همچنین مردم هندوستان مطرح شد که این فرضیه بعدها توسط [نیکلاس کوپرنیک] دوباره جان تازه‌ای به خود گرفت و رواج یافت. در اوایل قرن هفدهم، اختراع تلسکوپ به دانشمندان و اخترشناسانی چون [توماس هریوت] و [گالیلو گالیله] کمک کرد تا بتوانند در مورد جزئیات بیشتری چون لکه‌‌های خورشیدی تحقیق کنند. گالیله اولین کسی بود که بررسی‌ها و تحقیق‌هایی روی لکه‌های خورشیدی انجام داد و سرانجام موفق به کشف این موضوع شد که این لکه‌ها بر روی سطح خورشید قرار دارند، نه آنکه اجرام کوچکی باشند که مابین زمین و خورشید قرار گرفته باشند. ایزاک نیوتن اولین بار با استفاده از یک منشور به بررسی نور خورشید پرداخت و متوجه شد نور خورشید از طیف وسیعی از نور با طول موج‌های مختلف و در نتیجه از رنگ‌های مختلف تشکیل شده است. در نخستین سال‌های مطالعه علمی‌خورشید منبع اصلی تولید انرژی در خورشید بزرگ‌ترین معمای حل‌نشده بشر بود. [لرد کلوین] خورشید را کره‌ای پنداشت که به دلیل گرمای بالا، مواد در آن حالت مایع دارند و بیان کرد که هسته خورشید بسیار گرم و داغ بوده است که با گذشت زمان این هسته سردتر و سردتر می‌شود و گرمای متساعدشده از خورشید نیز گرمای متساعدشده از هسته آن است. با توجه به این فرضیه، کلوین عمر خورشید را تا آن زمان چیزی در حدود 20 میلیون سال تخمین زد که با واقعیت بسیار تفاوت داشت. سرانجام در سال 1890 [ژوزف لاک‌یر] با کشف هلیوم با استفاده از طیف‌سنجی نور خورشید موفق به ارائه نظریه کامل‌تری در مورد منبع انرژی خورشید شد، اما در واقع تا سال 1904 هیچ مدرک و دلیل قطعی در رابطه با منبع انرژی ارائه نشد و همه دانشمندان تنها در حد فرضیه می‌توانستند به استدلال خود اتکا کنند. سرانجام آلبرت انیشتین بود که با ارائه معادله مشهور جرم- انرژی E = mc² توانست پاسخ مناسبی به این سوال بشر دهد.   ماموریت‌های فضایی برای کاوش خورشید اولین فضاپیماهایی که برای مطالعه خورشید مورد بهره‌برداری قرار گرفتند، فضاپیماهای آژانس فضایی ایالات متحده، ناسا، بودند که با نام‌های [پایونیر] 5، 6، 7، 8 و 9 طی سال‌های 1959 تا 1968 به فضا پرتاب شدند. این فضاپیماها در مداری نزدیک به مدار زمین به دور خورشید گردش کردند و موفق شدند اطلاعات مناسبی در زمینه بادهای خورشیدی و میدان‌های مغناطیسی خورشید به زمین ارسال کنند. فضاپیمای پایونیر 9 توانست برای مدت زمان نسبتاً طولانی به فعالیت خود ادامه دهد و تا سال 1987 اطلاعات ارزشمندی به زمین مخابره کرد. در دهه 1970، [هلیوس1] و ایستگاه فضایی [اسکای‌لب] با کمک تلسکوپ آپولو که داخل این ایستگاه تعبیه شده بود، موفق شدند اطلاعات بسیار ارزشمندی درباره بادهای خورشیدی و مشخصات تاج خورشیدی در اختیار دانشمندان قرار دهند. هلیوس1 ساخت مشترک ایالات متحده آمریکا و آلمان بود که در مداری نزدیک‌تر از مدار سیاره تیر به دور خورشید گردش کرد و اطلاعاتی در مورد بادهای خورشیدی به زمین ارسال نمود. تاج خورشیدی در این تصویر که توسط فضاپیمای سوهو گرفته شده‌ است، به وضوح مشاهده می‌شود (عکس از ناسا)   در سال 1980 [ماموریت فضایی سولار ماکسیمم] توسط ناسا انجام شد که هدف از آن، مطالعه امواج گاما، اشعه ایکس و اشعه فرابنفش ساطع شده از خورشید در طی یک دوره از فعالیت شدید خورشیدی بود.اما چند ماه پس از پرتاب این فضاپیما، نقص الکتریکی در یکی از بخش‌ها باعث توقف فعالیت آن شد و تا 3 سال بعد، یعنی تا زمانی‌که خدمه شاتل چلنجر موفق به تعمیر این فضاپیما شدند، همچنان بدون آنکه اطلاعات یا عکسی به زمین ارسال کند به گردش خود در مدارش به دور خورشید ادامه داد. سولار ماکسیمم  پس از تعمیر و قبل از بازگشت به زمین در سال 1989 توانست نقش مهمی در ارسال طلاعات و عکس‌های موردنیاز دانشمندان به زمین ایفا کند.  فضاپیمای ژاپنی [یوهکو] (به معنای پرتوی خورشید) در سال 1991 به فضا پرتاب شد و به بررسی شعله‌های خورشیدی با استفاده از اشعه ایکس پرداخت و به دانشمندان کمک کرد تا بتوانند فرق‌هایی بین شعله‌های خورشیدی قائل شوند و به تقسیم‌بندی آنها بپردازند. خورشیدگرفتگی حلقوی سال 2001 منجر به اختلال در ردیابی خورشید توسط  این فضاپیما شد و در پی آن،  کلیه فعالیت‌های یوهکو متوقف شد. این فضاپیما در سال 2005 با ورود به جوّ زمین سوخت و نابود شد.   یکی از مهم‌ترین ماموریت‌های فضایی انجام شده تا به امروز در رابطه با خورشید، [فضاپیمای سوهو] بوده است که در دوم دسامبر سال 1995 به فضا پرتاب شد که مدت ماموریت آن 2 سال در نظر گرفته شده بود. در حال حاضر، سوهو بیش از 10 سال است که همچنان در حال ارسال اطلاعات و عکس‌های بسیار مفید به زمین است.    [رصدگر سولار داینامیک] نیز در دسامبر 2008 برای مطالعه خورشید به فضا پرتاب خواهد شد که مدار آن بین زمین و خوشید در نقطه‌ای که برآیند نیروهای مغناطیسی زمین و خورشید مساوی است، خواهد بود.

---

مراجع

[1] - Bryson B., “A Short History of Nearly Everything”, Broadway Books, 2004. [2] - Than K., “Astronomers Had it Wrong: Most Stars are Single”, www.space.com, Jan 30, 2006. [3] - Gibson E.G., “The Quiet Sun”, NASA, 1973. [4] - www.aerospaceusr.ir [5] - www.nasa.gov [6] - www.space.com [7] - www.wikipedia.org/sun

منبع:  www.isa.ir/enc

نظریه نسبیت آلبرت انیشتین

تئوری جاذبه ای که نیوتن (Newton) ارائه کرد

 خیلی زود بدون تقریبآ هیچ سئوالی جدی مورد پذیرش دانشمندان قرار گرفت. تا اینکه در اویل قرن بیستم آلبرت اینشتین (Albert Einstein 1879-1955) با ارائه نظریه نسبیت خاص در سال 1905 و نظریه نسبیت عام در سال 1915 نه تنها قوانین فیزک و جاذبه عمومی نیوتن بلکه پایه های فیزیک عصر خود را لرزاند.

هر چند قبل از او ماکس پلانک (Max Planck) با ارائه نظریه کوانتم (Quantum) تا حد زیادی فیزیک نیوتنی را زیر سئوال برده بود اما اینشتین با انتشار مقاله های خود راجع به تئوری نسبیت رسما" ثابت کرد که فیزیک نیوتن در حالت های بسیار خاص پاسخگوی پدیده های فیزیکی می باشد.

وی بعد ها با فعالیت هایی که در سالهای 1920 تا 1925 انجام داد بعنوان یکی از پایه گذاران اصلی مکانیک کوانتم نیز شناخته شد.

آلبرت اینشتین طی سالهای 1930 الی 1955 به بررسی رفتار عالم هستی پرداخت و مقالاتی در این باره منتشر کرد. او می خواست با ترکیب تئوری نسبیت و کوانتم به تئوری جامعی برای مدل کردن جهان هستی دست پیدا کند که زندگی این فرصت را برای تکمیل کار به او نداد.

اما بعد ها در سال 1933 هابل (Hubble) و هومنسون (Humanson) با تحقیقاتی که در زمینه کهکشانهای مختلف انجام دادند بر نظریه های او را جع به جهان هستی صحه گذاردند.

آلبرت انیشتین دو نظریه دارد. نسبیت خاص را در سن 25 سالگی بوجود آورد و ده سال بعد توانست نسبیت عام را مطرح کند.

نظریه نسبیت خاص

نسبیت خاص یکی از نظریاتی است که انیشتین مطرح کرده و شامل سه پدیده در سرعت ‌های بالا است .

* انقباض لورنتزی که کاهش طول جسم در مسیر حرکت است

* اتساع زمان که کند شدن زمان است

* افزایش جرم .

نسبیت خاص بطور خلاصه تنها نظریه ایست که در سرعتهای بالا ( در شرایطی که سرعت در خلال حرکت تغییر نکند--سرعت ثابت ( میتوان به اعداد و محاسباتش اعتماد کرد.جهان ما جوریست که در سرعتهای بالا از قوانین عجیبی پیروی می کند که در زندگی ما قابل دیدن نیستند.

مثلا وقتی جسمی با سرعت نزدیک سرعت نور حرکت کند زمان برای او بسیار کند می گذرد. و همچنین ابعاد این جسم کوچک تر میشود. جرم جسمی که با سرعت بسیار زیاد حرکت می کند دیگر ثابت نیست بلکه ازدیاد پیدا می کند. اگر جسمی با سرعت نور حرکت کند، زمان برایش متوقف می شود، طولش به صفر میرسد و جرمش بینهایت میشود.

حتی زمان هم نسبی می باشد!

از نتایج جالب تئوری نسبیت خاص می توان به بیان ارتباط میان زمان و و فضا (فاصله) و اینکه تمام موجودیت ها در دنیا با یکدیگر مرتبط بوده و بر یکدیگر اثر می گذارند، اشاره کرد. نیوتن معتقد بود که زمان ثابت است و در تمام نقاط به یک صورت عمل می کند. اما اینشتین نشان داد که اینگونه نیست.

مثال جالبی که معمولا" در این باره بیان می شود آن است که دو برادر دوقلو را در نظر بگیرید. یکی روی زمین می ماند و دیگری با یک فضا پیما با سرعت نزدیک به نور به سمت فضا حرکت می کند. پس از آنکه برادر روی زمین 100 سال از عمرش بگذرد، برادری که در فضا پیما می باشد فقط یکسال از عمرش گذشته است!

نظریه نسبیت عام

انیشتین در نوامبر سال 1915یک سری سخنرانی‌هایی در آکادمی علوم پروس ایراد کرد که در آن نظریه جدید گرانش، موسوم به نسبیت عام را مطرح کرد. او در آخرین سخنرانی ای که ایراد کرد معادله‌ای را مطرح کرد که جانشین قانون جاذبه نیوتون شد، معادله میدان انیشتین. این نظریه قائل به این است که نه تنها کسانی که یا یک سرعت ثابت در حرکتند، بلکه تمامی ناظران یکسان و هم ارز هستند. در نسبیت عام، گرانش دیگر نیرو محسوب نمی‌شود (مانند قانون جاذبه نیوتون)، بلکه آن نتیجه خمیدگی مکان- زمان است .

به خاطر جنگ، مقالاتی که انیشتین در مورد نسبیت عام چاپ کرده بود، در خارج از آلمان در دسترس نبود. خبر نظریه جدید انیشتین توسط فیزیک دانهای هلندی هنریک آنتون لورنتز و پل اهرنفست و همکار آنها ویلیام دو سیتر که مدیر رصد خانه لیدن بود، به منجمان انگلیسی زبان در انگلیس و آمریکا رسانده شد.

در انگلیس، آرتور استنلی ادینگتون که دبیر انجمن نجوم سلطنتی از دو سیتر خواست تا یک سری مفالاتی به زبان انگلیسی به نفع منجمان بنویسد.

نظریه جدید او را مجذوب خود ساخته بود و از این رو یکی از مدافعان و مبلغان اصلی نسبیت شد. . اغلب منجمان هندسی سازی گرانش توسط انیشتین را نمی‌پسندیدند و معتقد بودند پیش بینی‌های او در مورد خمیدگی نور و به قرمزی گرایی گرانشی درست از آب در نخواهد آمد. در سال 1917، منجمان رصد خانه ویلسون در کالیفرنیای جنوبی نتایج تحلیل طیف نور را که در ظاهر نشان می‌داد که در پرتو خورشید به قرمزی گرایی گرانشی وجود ندارد، منتشر کردند.

 در سال 1918، منجمان رصد خانه لیک در شمال کالیفرنیا تصاویری از خورشیدگرفتگی که در ایالات متحده قابل رویت بود گرفتند.پس از پایان جنگ، آنها نتایج بررسی‌های خود را اعلام کردند و مدعی شدند که پیش بینی نسبیت عام انیشتین در خصوص خمیدگی نور اشتباه بوده‌است. با این حال آنها به خاطر خطاهای احتمالی فراوان، هیچگاه اقدام به چاپ نتایجی که به دست آورده بودند نکردند .

آرتور استنلی ادینگتون، طی سفرهایی که درماه می ‌سال، 1919در زمانی که خورشید گرفتگی در بریتانیا رخ داد، به سوبرال سیارا برزیل و جزیره پرینسیپ در ساحل غربی آفریقا داشت، اندازه گیری خمیدگی گرانشی عدسی نور ستاره را به هنگام عبور از نزدیکی خورشید تحت نظارت داشت و در نهایت به این نتیجه رسید که محل قرار گرفتن ستاره از خورشید دورتر است.

این حالت عدسی گرایی گرانشی نامیده می‌شود و وضعیت ستاره‌های مشاهده شده دو برابر حالتی بود که فزیک نیوتنی پیش بینی اش را می‌کرد. معهذا، این حالت با پیش بینی هم ارزی میدانی انیشتین (هم ارزی میدانی) نسبیت عام همخوان بود.

ادینگتون اعلام کرد که نتایج به دست آمده پیش بینی انیشتین را تایید می‌کند و مجله تایمز در هفتم نوامبر آن سال با اتنخاب تیتر زیر تایید شدن پیش بینی انیشتین را گزارش کرد: ""انقلابی در علم، نظریه‌ای جدید در مورد جهان، ایده‌های نیوتن اعتبار خود را از دست می‌دهد."" ماکس بورن، برنده جایزه نوبل از نسبیت عام به عنوان ‹‹ بزرگ‌ترین دستاورد و شاهکار تفکر بشری در مورد طبیعت›› بر شمرد و پل دیراک نیز که یکی از برندگان جایزه نوبل است، از آن به عنوان ‹‹ بزرگ ‌ترین اکتشاف علمی آن زمان›› یاد کرد.

این اظهار نظرها و تبلیغات متعاقب از آن، باعث شهرت و معروفیت انیشتین شد.او در سطح جهانی معروف شد که موفقیت استثنایی و خاصی برای یک دانشمند محسوب می‌شود.

با این حال هنوز هم بسیاری از دانشمندان به دلایل مختلفی که شامل دلایل علمی (مخالفت با تفسیر انیشتین از آزمایش ‌های انجام شده، اعتقاد به اتر و یا ضرورت وجود ملاک مطلق) و دلایل روانی- اجتماعی (محافظه کاری، یهود ستیزی) می‌شد، نظریات انیشتین را نمی‌پذیرفتند.

به نظر انیشتین، اغلب مخالفتهایی که با نظریه او می‌شد، از جانب آزمایش باورانی بود که درک ناچیزی از نظریه مطرح شده داشتند .

شهرتی که انیشتین بعد از چاپ مقاله 1919دست آورده بود، باعث شد بسیاری از دانشمندان نسبت به ابراز نفرت و انزجار کنند و نفرت و انزجار برخی از آنها حتی تا دهه 30نیز ادامه یافت.

مباحث زیادی در مورد ابراز انزجار نسبت به شهرت و معروفیت انیشتین وجود دارد، بویژه در میان آن دسته: از فیزیک ‌دانان آلمانی که بعد‌ها جنبش ضد انیشتینی ‹‹دویچه فیزیک›› را در مقدمه Klaus Hentschel ؛ یعنی ‹‹ فیزیک و سوسیالسم اجتماعی›› به راه انداختند.

انیشتین در 30مارس سال 1921، یعنی همان سالی که برنده جایزه نوبل شد، برای ایراد سخنرانی در مورد نظریه جدید نسیبت به نیویورک رفت. اگرچه امروزه انیشتین به خاطر فعالیتهایش د رمورد نسبیت شهرت یافته، اما جایزه نوبل به خاطر کارهای او در مورد اثر فوتوالکتریک به او اعطا شد؛ چرا که در مورد نسبیت عام در آن زمان هنوز اختلاف نظر وجود داشت.

هیات نوبل با خود به این نتیجه رسیند که اشاره به آن نظریه انیشتین در نوبل که اختلاف نظر و مخالفت در مورد آن کمتر است، بیشتر مورد قبول جامعه علمی واقع خواهد شد.

نظریه نسبیت عام به زبان ساده

نسبیت عام برای حرکتهایی ساخته شده که در خلال حرکت سرعت تغییر می کند یا باصطلاح حرکت شتابدار دارند. شتاب گرانش زمین g که همان عدد 9.81m/sاست نیز یک نوع شتاب است.

پس نسبیت عام با شتابها کار دارد نه با حرکت. نظریه ایست راجع به اجرام ی که شتاب ثقل دارند. کلا هرجا در عالم، جرمی در فضا ی خالی باشد حتما یک شتاب جاذبه در اطراف خود دارد که مقدار عددی آن وابسته به جرم آن جسم می باشد.

پس در اطراف هر جسمی شتابی وجود دارد. نسبیت عام با این شتابها سر و کار دارد و بیان می کند که هر جسمی که از سطح یک سیاره دور شود زمان برای او کند تر میشود. یعنی مثلا، اگر دوربینی روی ساعت من بگذارند و از عقربه های ساعتم فیلم زنده بگیرند و روی ساعت آدمی که دارد بالا میرود و از سیاره ی زمین جدا میشود هم دوربینی بگذارند و هردو فیلم را کنار هم روی یک صفحه ی تلویزیونی پخش کنند، ملاحظه خواهیم کرد که ساعت من تند تر کار می کند.

نسبیت عام نتایج بسیار عجیب و قابل اثبات در آزمایشگاهی دارد. مثلا نوری که به اطراف ستاره ای سنگین میرسد کمی بسمت آن ستاره خم میشود. سیاهچاله ها(سیاهچاله ها: اگر یه ستاره چند برابر خورشید باشد و همه سوختش را بسوزاند، از انجا که یک نیروی جاذبه قوی دارد لذا جرم خودش در خودش فشرده میشود و یک حفره سیاه رنگ مثل یه قیف درست میکند که نیروی جاذبه فوق العاده زیادی دارد طوری که حتی نور هم نمیتواند از آن فرار کند) هم بر اساس همین خاصیت است که کار می کنند.

جرم انها بقدری زیاد و حجمشان بقدری کم است که نور وقتی از کنار آنها می گذرد به داخل آنها می افتد و هرگز بیرون نمی آید.

همه ما برای یک‌بار هم که شده گذرمان به ساعت‌فروشی افتاده است و ساعتهای بزرگ و کوچک را دیده ایم که روی ساعت ده و ده دقیقه قرار دارند. ولی هیچگاه از خودمان نپرسیده ایم چرا؟ آلبرت انیشتین در نظریه نسبیت خاص با حرکت شتابدار و یا با گرانش کاری نداشت.

اولین موضوعات را در نظریه نسبیت عام خود که در 1915 انتشار یافت مورد بحث قرار داد.نظریه نسبیت عام دید گرانشی را بکلی تغییر داد و در این نظریه جدید نیرو ی گرانش را مانند خاصیتی از فضا در نظر گرفت نه مانند نیرو یی بین اجرام ، یعنی برخلاف آنچه که اسحاق نیوتن گفته بود !در نظریه او فضا در مجاورت ماده کمی انحنا پیدا می‌کرد.

در نتیجه حضور ماده اجرام ، مسیر یا به اصطلاح کمترین مقاومت را در میان منحنیها اختیار می‌کردند. با این که فکر آلبرت انیشتین عجیب به نظر می‌رسید می‌توانست چیزی را جواب دهد که قانون ثقل نیوتن از جواب دادن آن عاجز می ماند.

سیاره اورانوس در سال 1781 میلادی کشف شده بود و مدارش به دور خورشید اندکی ناجور به نظر می‌رسید و یا به عبارتی کج بود !

نیم قرن مطالعه این موضوع را خدشه ناپذیر کرده بود.بنابر قوانین اسحاق نیوتن می بایست جاذبه ای برآن وارد شود. یعنی باید سیاره ای بزرگ در آن طرف اورانوس وجود داشته باشد تا از طرف آن نیرو یی بر اورانوس وارد شود.

در سال 1846 میلادی اختر شناس آلمانی دوربین نجومی خودش را متوجه نقطه ای کرد که « لووریه» گفته بود و بی هیچ تردید سیاره جدیدی را در آنجا دید که از آن پس نپتون نام گرفت.نزدیک ترین نقطه مدار سیاره عطارد به خورشید در هر دور حرکت سالیانه سیاره تغییر میکرد و هیچ گاه دوبار پشت سر هم این تغییر در یک نقطه خاص اتفاق نمی‌افتاد.

اختر شناسان بیشتر این بی نظمی ها را به حساب اختلال ناشی از کشش سیاره های مجاور عطارد می دانستند !مقدار این انحراف برابر 43 ثانیه قوس بود. این حرکت در سال 1845 به وسیله لووریه کشف شد بالاخره با ارائه نظریه نسبیت عام جواب فراهم شد این فرضیه با اتکایی که بر هندسه نااقلیدسی داشت نشان داد که حضیض هر جسم دوران کننده حرکتی دارد علاوه برآنچه اسحاق نیوتن گفته بود.وقتی که فرمولهای آلبرت انیشتین را در مورد سیاره عطارد به کار بردند، دیدند که با تغییر مکان حضیض این سیاره سازگاری کامل دارد.

سیاره هایی که فاصله شان از خورشید بیشتر از فاصله تیر تا آن است تغییر مکان حضیضی دارند که به طور تصاعدی کوچک می شوند.اثر بخش‌تر از اینها دو پدیده تازه بود که فقط نظریه آلبرت انیشتین آن‌را پیشگویی کرده بود.

نخست آنکه آلبرت انیشتین معتقد بود که میدان گرانشی شدید موجب کند شدن ارتعاش اتمها می شود و گواه بر این کند شدن تغییر جای خطوط طیف است به طرف رنگ سرخ! یعنی اینکه اگر ستاره ای بسیار داغ باشد و به طوری که محاسبه می کنیم بگوییم که نور آن باید آبی درخشان باشد در عمل سرخ رنگ به نظر می‌رسد کجا برویم تا این مقدار قوای گرانشی و حرارت ی بالا را داشته باشیم، پاسخ مربوط به کوتوله های سفید است.دانشمندان به بررسی طیف کوتوله های سفید پرداختند و در حقیقت تغییر مکان پیش بینی شده را با چشم دیدند! اسم این را تغییر مکان آلبرت انیشتینی گذاشتند.

آلبرت انیشتین می گفت که میدان گرانشی شعاع های نور را منحرف می‌کند چگونه ممکن بود این مطلب را امتحان کرد.اگر ستاره ای در آسمان آن سوی خورشید درست در امتداد سطح آن واقع باشد و در زمان کسوف خورشید قابل رؤیت باشد اگر وضع آنها را با زمانی که فرض کنیم خورشیدی در کار نباشد مقایسه کنیم خم شدن نور آنها مسلم است.

درست مثل موقعی که انگشت دستتان را جلوی چشمتان در فاصله 8 سانتیمتری قرار دهید و یکبار فقط با چشم چپ و بار دیگر فقط با چشم راست به آن نگاه کنید به نظر می رسد که انگشت دستتان در مقابل زمینه پشت آن تغییر جا می‌دهد ولی واقعاً انگشت شما که جابجا نشده است!

دانشمندان در موقع کسوف در جزیره پرنسیپ پرتغال واقع در آفریقای غربی دیدند که نور ستاره ها به جای آنکه به خط راست حرکت کنند در مجاورت خورشید و در اثر نیرو ی گرانشی آن خم می شوند و به صورت منحنی در می آیند.

یعنی ما وضع ستاره ها را کمی بالاتر از محل واقعیش می‌بینیم.ماهیت تمام پیروزیهای نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین نجومی بود ولی دانشمندان حسرت می کشیدند که ای کاش راهی برای امتحان آن در آزمایشگاه داشتند.ـ نظریه آلبرت انیشتین به ماده به صورت بسته متراکمی از انرژی نگاه می کرد به همین خاطر می گفت که این دو به هم تبدیل پذیرند یعنی ماده به انرژی و انرژی به ماده تبدیل می شود. E = mc²دانشمندان به ناگاه جواب بسیاری از سؤالها را یافتند.

پدیده رادیواکتیو ی به راحتی توسط این معادله توجیه شد. کم کم دانشمندان متوجه شدند که هر ذره مادی یک پادماده مساوی خود دارد و در اینجا بود که ماده و انرژی غیر قابل تفکیک شدند.تا اینکه آلبرت انیشتین طی نامه ای به رئیس جمهور آمریکا نوشت که می توان ماده را به انرژی تبدیل کنیم و یک بمب اتمی درست کنیم و آمریکا دستور تأسیس سازمان عظیمی را داد تا به بمب اتمی دست پیدا کند.

برای شکافت هسته اتم اورانیوم 235 انتخاب شد. اورانیوم عنصری است که در پوسته زمین بسیار زیاد است. تقریباً 2 گرم در هر تن سنگ! یعنی از طلا چهارصد مرتبه فراوانتر است اما خیلی پراکنده.در سال 1945 مقدار کافی برای ساخت بمب جمـع شـده بود و ایـن کار یعنی ساختن بمب در آزمایشگاهــی در « لوس آلاموس » به سرپرستی فیزیکدان آمریکایی «رابرت اوپنهایمر» صورت گرفت. آزمودن چنین وسیله ای در مقیاس کوچک ناممکن بود.

بمب یا باید بالای اندازه بحرانی باشد یا اصلاً نباشد و در نتیجه اولین بمب برای آزمایش منفجر شد. در ساعت 5/5 صبح روز 16 ژوئیه 1945 برابر با 25 تیرماه 1324 و نیرو ی انفجاری برابر 20 هزار تنT.N.T آزاد کرده دو بمب دیگر هم تهیه شد. یکی بمب اورانیوم بنام پسرک با سه متر و 60 سانتیمتر طول و به وزن 5/4 تن و دیگری مرد چاق که پلوتونیم هم داشت.

اولی روی هیروشیما و دومی روی ناکازاکی در ژاپن انداخته شد. صبح روز 16 اوت 1945 در ساعت 10 و ده دقیقه صبح شهر هیروشیما با یک انفجار اتمی به خاک و خون کشیده شد.

با بمباران هیروشیما جهان ناگهان به خود آمد، 160000 کشته در یک روز وجدان خفته فیزیکدان ها بیدارر شد! « اوپنهایمر» مسئول پروژه بمب و دیگران از شدت عذاب وجدان لب به اعتراض گشودند و به زندان افتادند. آلبرت انیشتین اعلام کرد که اگر روزی بخواهم دوباره به دنیا بیایم دوست دارم یک لوله‌کش بشوم نه یک دانشمند!

برخی نتایج حاصل از نسبیت

اینشتین با نظریه نسبیت خاص خود نشان داد که سه قانون فیزیک نیوتن تنها در شرایط خاصی آنهم بصورت تقریبی صحت دارند و هنگامی که سرعت اجسام زیاد شده و با سرعت نور قابل مقایسه شوند به هیچ وجه نمی توان قوانین نیوتن را در مورد اجسام حتی با تقریب بالا بکار برد.

همچنین نظریه نسبیت عام او نشان داد که باز نظریه نیوتن راجع به قانون جاذبه عمومی دقیق نمی باشد و در میدان های جاذبه بسیار قوی فرمول نیوتن جای بحث دارد.

مطالعه حرکت عطارد (Mercury) به دور خورشید از دیر باز مورد علاقه ستاره شناسان و فیزیک دانان بوده است. مشکل اینجا بوجود آمد که مشاهده شد صفحه ای که عطارد در آن به دور خوشید می چرخد خود دارای حرکت می باشد.

این حرکت در شکل بوضوح نشان داده شده است.

اندازه گیری ها نشان داد که این حرکت در هر یکصد سال معادل 43 ثانیه (در اینجا منظور از ثانیه واحد اندازه گیری کمان می باشد که معادل 1/3600 درجه است) می باشد. با وجود آنکه این مقدار حرکت برای هر سال بسیار کم می باشد اما قانون جاذبه عمومی نیوتن از توجیه آن عاجز است.

نیوتن معتقد بود که نور در یک مسیر مستقیم حرکت می کند اما اینشتین نشان داد که اگر جسمی دارای یک میدان جاذبه بزرگ باشد و نور از کنار آن عبور کند دچار انحراف از مسیر مستقیم خود می شود.

دیگر مواردی که از قانون نسبیت عام می توان نتیجه گرفت آن که نور ستارگانی که دارای میدانهای مغناطیسی قوی میباشند در راه رسیدن به زمین تغییر طول موج می دهند. این اثر که به Red Shift مشهور است، باعث می شود طول موج نور این ستاره ها بزرگتر شود.

این مسئله که باز با قوانین نیوتن قابل تحلیل نمی باشد توسط معادلات تئوری نسبیت عام بسادگی مدل می شود.

آیا زمین در یک چاله فضا-زمان واقع شده است؟

   تصور یک تصویرگر از فضا-زمان خمیده در اطراف زمین

زمان و فضا –بر طبق نظریه نسبیت انیشتین –به یکدیگر بافته شده اند و ساختار تار و پودی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده اند.جرم قابل توجه زمین ، این ساختار را به شکل یک گودی در می آورد.

مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگیهای فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف اجرام بسیار پر جرم تر و فشرده تری مانند سیاهچاله ها، ستاره های نوترونی، و کوتوله های سفید سراغ داریم اما اگر با دقت کافی محیط اطراف اجرام بسیار کم جرم تری مانند زمین را نیز بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم زمین را می توانیم بیابیم).

بر طبق نظریه نسبیت عام انیشتین ، حرکت اجسام در ساختار تار و پودی فضا-زمان صورت می گیرد. یعنی جسم در حال حرکت تابع شکل فضا-زمانی است که در آن واقع شده است. بر اساس این نظریه، گرانش باعث تغییر شکل ساختار فضا-زمان می شود و در نتیجه حرکت جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می کند.

می توان گفت که به زبان انیشتین گرانش در اصل حرکت اجسام در مسیر خمیدگی ساختار فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم است. یعنی وقتی زمین ر مداری به دور خورشید در گردش است از دید نسبیتی به دلیل انحنای فضا-زمان اطراف خورشید در این مسیر هدایت می شود.

اگر زمین ثابت بود، ضرورتی برای انجام این کاوش نبود، ولی از آنجا که زمین به دور خود حرکت دورانی دارد ، این خمیدگی نیز باید همراه با زمین بچرخد.زمین با پیچ و تاب دادن ساختار فضا-زمان به دور خود به آرامی آن را به صورت یک ساختار چرخشی ? بعدی در می آورد.این همان چیزی است که ماهواره گرانش کاو یا GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.

این آزمایش براساس فکر بسیار ساده ای انجام می شود: یک ژیروسکوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداری در نزدیکی زمین قرار می دهند ، در حالی که محور چرخش آن به سمت یک ستاره بسیار دور -در نقش یک مرجع ثابت و بدون حرکت- نشانه رفته است. بدون وجود نیروهای خارجی، محور ژیروسکوپ باید تا ابد به سمت همان ستاره ثابت بماند.

ولی چون فضا-زمان در نزدیکی زمین خمیده است، جهت محور ژیروسکوپ به مرور زمان تغییر می کند.با اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات جهت محور ژیروسکوپ نسبت به ستاره، می توان میزان خمیدگی فضا-زمان را در نزدیکی زمین اندازه گرفت.

اما در عمل این آزمایش بسیار دشوار است :

? ژیروسکوپی که در GP-B کار گذاشته شده اند، کامل ترین کره هایی هستند که تا به حال به دست بشر ساخته شده اند.این کره ها که هر کدام به اندازه یک توپ پینگ پونگ اند (به قطر حدود ? سانتی متر)، از جنس سیلیکون و کوارتز هستند.

هیچ گاه اختلاف آنها با یک کره کامل بیش از ?? لایه اتمی نیست. اگر ژیروسکوپ ها کاملا کروی نبودند، محور چرخش آنها حتی بدون اثرات نسبیتی ‌، حرکت می کرد.

بر طبق محاسبات فضا-زمان انحنا پیدا کرده در نزدیکی زمین باعث می شود تا محور ژیروسکوپ در طول یک سال به اندازه ی 0.041ثانیه قوس جابه جا شود. یک ثانیه قوس 3600/1 یک درجه است. برای اندازه گیری دقیق این زاویه، GP-B به دقت سنجش فوق العاده 0.0005ثانیه قوس نیاز دارد.این عمل مانند آن است که بخواهیم قطر یک ورق کاغذ را از فاصله ی 150کیلومتری اندازه بگیریم.

محققان GP-B فناوری های کاملا جدیدی را برای این اندازه گیری اختراع کرده اند. آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا “بدون لرزش” ساخته اند تا در هنگام حرکت ماهواره در لایه های بالایی جو به ژیروسکوپ ها لرزشی وارد نشود.

آنها دریافتند که چگونه از نفوذ میدان مغناطیسی زمین به داخل فضاپیما جلوگیری کنند و همچنین دستگاهی را برای اندازه گیری چرخش ژیروسکوپ ، بدون تماس با آن، اختراع کردند.

فرانسیس اوریت ، استاد فیزیک دانشگاه استنفورد و محقق اصلی پروژه GP-B می گوید: “در جریان انجام آزمایش هیچ حادثه غافلگیر کننده ای اتفاق نیفتاده است.” اکنون که مرحله جمع آوری اطلاعات پایان یافته است ، او می گوید : “دانشمندان GP-B با اشتیاق و علاقه بیشتری به کار خود ادامه می دهند و کار سخت پیش روی خود را نادیده نمی گیرند.”

در مرحله بعدی آنها باید اطلاعات گرفته شده را به طور دقیق و کامل بررسی کنند.اوریت توضیح می دهد که دانشمندان GP-B این کار را در سه مرحله انجام می دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را به صورت روز به روز بررسی می کنند تا بی نظمی های موجود در آنها را بیابند.

سپس اطلاعات را به صورت ماه به ماه در می آورند و در نهایت آنها را به صورت یک مجموعه کامل به دست آمده در طول یک سال، تحلیل می کنند. بدین ترتیب دانشمندان ایرادات موجود در اطلاعات را ، که از طریق یک روش تجزیه و تحلیل ساده نمی توان پیدا کرد، می یابند.

نهایتا دانشمندان از سراسر دنیا نتایج را به دقت بررسی می کنند.اوریت می گوید: “بدین طریق به سخت ترین منتقدان، اجازه شرکت در این پروژه داده می شود.” اگر GP-B بتواند به طور دقیق چاله فضا-زمانی را که انتظار می رود مشخص کند، بدین معنی است که بر اساس باور عمومی فیزیکدانان نظریه انیشتین حقیقت داشته است ولی اگر این گونه نشود، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟ شاید ایرادی در نظریه نسبیت عام انیشتین یافته شود. اختلاف کوچکی که ظهور انقلابی بزرگ را در فیزیک عصر جدید اعلام خواهد کرد.