جدید ترین عناوین خبری امروز
مجله علمی کیهان‌شناس

توجه: کلمه عبور به آدرس ایمیل شما ارسال خواهد شد.

انرژی تاریک ممکن است با نظریه ریسمان ناسازگار باشد
وفا و همکارانش فرضیه‌ی جدیدی دارند و حدس می‌زنند که در چشم‌انداز نظریه ریسمان، جهان‌هایی مانند جهان ما (یا آنگونه که جهان ما به نظر می رسد)، وجود ندارند. اگر این حدس درست باشد، راس و سایر نظریه‌پردازان ریسمان سریعاً در می‌یابند که یا جهان باید از پایه و اساس متفاوت از چیزی باشد که تاکنون می‌پنداشته‌ایم یا اینکه نظریه ریسمان باید اشتباه باشد.

انرژی تاریک ممکن است با نظریه ریسمان ناسازگار باشد

نظریه ریسمان احتمال وجود چشم اندازی از جهان‌های پرشمار و متفاوت را ارائه می‌دهد، که بسیاری از آن‌ها دارای ویژگی‌هایی مغایر با عقل و منطق («جهان های باتلاقی») می‌باشند. در تمامی جهان‌های ریسمانی ساده و پایدار که فیزیکدانان آن‌ها را مورد مطالعه قرار داده‌اند، تراکم یا چگالی انرژی تاریک یا رو به کاهش بوده و یا یک مقدار منفی ثابت داشته است؛ بر خلاف جهان ما که ظاهراً مقداری مثبت و ثابت از انرژی تاریک را داراست.

۲۵ ژوئن، تیم راس، در شهر وین از خواب بیدار شد و بلافاصله در یک مرکز اطلاعات آنلاین مرتبط با مقالات جدید در حوزه‌ی فیزیک، مطالبی را ثبت کرد. در این میان، یک مقاله او را کاملا هوشیار و هیجان‌زده نمود. این مقاله توسط فیزیکدان مشهور در حوزه‌ی نظریه ریسمان، کامران وفا از دانشگاه هاروارد و همکاران وی، فرمولی ساده را ارائه می داد که که  مشخص می‌کرد بر اساس نظریه‌ ریسمان چه انواعی از جهان‌ها قابلیت وجود داشتن را دارند و چه انواعی از آن‌ها نمی‌توانند وجود داشته باشند.

نظریه ریسمان که گزینه‌ی پیشتاز برای «تئوری همه چیز» است و نیروی گرانش و فیزیک کوانتوم را در هم می‌تند، تمامی ماده و نیروی جهان را به عنوان لرزش‌هایی از رشته‌های کوچک انرژی توصیف می‌کند. این تئوری حدود ۱۰۵۰۰ گزینه را برای «وجود داشتن» مجاز می‌داند که این میزان، چشم‌اندازی وسیع و متنوع از جهان‌های محتمل را ارائه می‌کند. نظریه‌پردازان ریسمان مانند راس و وفا سال‌ها تلاش کرده‌اند تا بتوانند جایی برای جهان منحصر به فرد ما در میان این چشم‌انداز از جهان‌های محتمل بیابند. اما اکنون، وفا و همکارانش فرضیه‌ی جدیدی دارند و حدس می‌زنند که در چشم‌انداز نظریه ریسمان، جهان‌هایی مانند جهان ما (یا آنگونه که جهان ما به نظر می رسد)، وجود ندارند. اگر این حدس درست باشد، راس و سایر نظریه‌پردازان ریسمان سریعاً در می‌یابند که یا جهان باید از پایه و اساس متفاوت از چیزی باشد که تاکنون می‌پنداشته‌ایم یا اینکه نظریه ریسمان باید اشتباه باشد.

گرانش کوانتومی چیست؟

راس، آن روز صبح، بعد از اینکه فرزند خود را به مهدکودک رساند، به محل کارش در دانشگاه تکنولوژی وین رفت، جایی که همکارانش نیز در حال صحبت در خصوص آن مقاله بودند. در همان روز در اوکیناوا ژاپن، وفا فرضیات جدید را در کنفرانس ۲۰۱۸ ریسمان که مورد استقبال تعداد زیادی از فیزیکدانان از سراسر دنیا قرار گرفته بود، ارائه داد. مباحثه در این خصوص هم داخل و هم بیرون محل همایش ادامه داشت. به گفته‌ی راس: «کسانی بودند که بلافاصله می‌گفتند «این موضوع حتماً اشتباه است» برخی دیگر می‌گفتند: «من سال‌ها بود که این حرف را زده بودم» و بسیاری از نظرات دیگر که حد وسط این اظهارات را بیان می‌کرد». وی اضافه می‌کند: «در بین حضار سردرگمی ایجاد شده بود و البته هیجان زیادی هم وجود داشت. زیرا در صورت صحیح بودن این فرضیه، مفاهیم و معانی عظیم بسیاری در برابر کیهان‌شناسی قرار خواهد گرفت.»

محققان برای آزمایش این فرضیه و جست‌وجوی مفاهیم آن، مشغول کار شده‌اند. راس تاکنون دو مقاله نگاشته است، که یکی از آن‌ها ممکن است به اصلاح و پالایش فرضیه بینجامد. وی هر دو این مقالات را زمانی که با خانواده‌اش در تعطیلات بود، نوشته است. وی به یاد می‌آورد که: «این کار بسیار هیجان‌انگیز است. باید تا جایی که می‌توانم کار و مطالعه کنم.»

فرمول حدسی این فرضیه، که در ۲۵ ژوئن توسط وفا، جورجز ابید، هیروشی اوگوری و لف اسپادینیکو ارائه شد و بعداً در یک مقاله‌ی دیگر که دو روز بعد توسط وفا، ابید و پراتیک اگراوال و پاول اشتاینهارد مورد بررسی قرار گرفت، به سادگی می‌گوید که در همان حین که جهان در حال انبساط است، چگالی انرژی خلا باید سریع‌تر از یک نسبت خاص، کاهش یابد. به نظر می‌آید این قانون در تمامی  مدل‌های ساده مبتنی بر نظریه ریسمان، درست و سازگار باشد. اما دو باور گسترده و فراگیر در خصوص جهان واقعی را نفی می‌کند. این فرضیه تصویر پذیرفته شده از انبساط کنونی جهان و مدل اصلی از تولد انفجاری آن را غیرممکن می‌پندارد!

انرژی تاریک زیر سوال می رود

از سال ۱۹۹۸ به بعد، مشاهدات تلسکوپ‌ها نشان داده است که جهان همواره با سرعتی کمی بیشتر از قبل در حال گسترش است؛ که این موضوع به این نکته اشاره دارد که باید در فضای خالی خلا مقداری از انرژی تاریک دارای دافعه‌ی گرانشی وجود داشته باشد. به علاوه به نظر می‌رسد که مقدار انرژی تاریک موجود در فضای خالی در طول زمان ثابت باقی می‌ماند (این بهترین توضیحی است که هر کسی توانسته ارائه بدهد) اما فرضیه‌ی جدید تأکید می‌کند که انرژی خلا در جهان باید در حال کاهش باشد.

کامران وفا، نظریه‌پرداز مشهور نظریه ریسمان از دانشگاه هاروارد، برای ۱۳ سال در حال ترسیم و مشخص کردن «باتلاق» جهان‌های غیرممکن، که امکان ایجاد را ندارند، بوده است.
کامران وفا، نظریه‌پرداز مشهور نظریه ریسمان از دانشگاه هاروارد، برای ۱۳ سال در حال ترسیم و مشخص کردن «باتلاق» جهان‌های غیرممکن، که امکان ایجاد را ندارند، بوده است.

وفا و همکارانش می‌گویند جهان‌های دارای مقدار ثابت و مثبت انرژی خلا که از آن‌ها با عنوان «جهان ستارگان» یاد می‌شود، امکان وجود ندارند. از سال ۱۹۹۸ که انرژی تاریک کشف شده است، نظریه‌پردازان ریسمان تلاش بسیاری برای ساخت مدلی سازگار و متقاعدکننده از «جهان‌های پایدار ستارگان» در قالب نظریه ریسمان کرده‌اند؛ اما اگر این فرضیه‌ی وفا درست باشد، چنین تلاش‌هایی مشمول ناسازگاری منطقی و عقلی خواهند شد و به این ترتیب «جهان‌های ستارگان» دیگر در چشم‌اندازها دیده نشده و به جای آن به «باتلاق» جهان‌های ناممکن منتقل خواهند شد. وی اخیراً توضیح داده است که :«گاهی برخی از پدیده‌ها به نظر منطقی و سازگار می‌آیند، اما در پایان مشخص می‌شود که ناسازگار و متناقض بوده‌اند. من به این پدیده‌ها «باتلاق» می‌گویم. آن‌ها به نظر در چشم‌انداز دیده می‌شوند و می‌توانند شما را گمراه کنند. شما فکر می‌کنید می‌توانید آن‌ها را بسازید اما نمی‌توانید.»

بر این اساس فرضیه‌ی باتلاق ستارگان، در تمامی جهان‌های ممکن و منطقی، انرژی تاریک یا باید در حال افت باشد و مقدار آن مانند توپی که در طول یک تپه به سمت پایین سقوط می‌کند کاهش یابد؛ یا اینکه به مقداری ثابت و منفی رسیده باشد. (به این جهان‌ها «جهان‌های بی‌ستاره» دارای مقادیر منفی و ثابت انرژی تاریک گفته می‌شود که به سادگی در قالب نظریه ریسمان قابل بازسازی و مدل‌سازی می باشند.)

اگر این فرضیه درست باشد، به این معنی است که چگالی انرژی تاریک در جهان ما نمی‌تواند ثابت باشد، بلکه باید فرمی با نام « جوهر» را به خود بگیرد (منبعی از انرژی که به تدریج در طول ده‌ها میلیارد سال تحلیل می رود). چندین تحقیق و مشاهده از طریق تلسکوپ در جریان است تا مشخص شود که آیا جهان با شتابی ثابت در حال گسترش است که به این معناست که با ساخته شدن فضای جدید، میزان جدید و متناسبی از انرژی تاریک به همراه آن تولید می شود؛ یا اینکه شتاب کیهانی به تدریج تغییر می‌کند، همان‌طور که در مدل‌های جوهری پیش‌بینی شده است. کشف جوهر یا اتر پایه‌های فیزیک و کیهان‌شناسی را متحول خواهد کرد و موجب بازنویسی تاریخ و آینده جهان خواهد شد. یک جهان جوهری در پایان خود به جای اینکه از هم بپاشد و پاره پاره شود، به تدریج از سرعت گسترش‌اش کاسته خواهد شد و در بیشتر مدل‌ها نهایتا متوقف شده و در یک فروپاشی بزرگ یا یک جهش بزرگ فشرده شده و منقبض می‌شود.

پاول اشتاینهارت، کیهان‌شناس دانشگاه پرینستون و یکی از نویسندگان همراه با وفا، می‌گوید که در چند سال آینده تمامی توجهات باید معطوف به تحقیقات اندازه‌گیری انرژی تاریک، WFIRST، و تلسکوپ اقلیدس و بررسی متغیر یا ثابت بودن چگالی انرژی تاریک باشد. اشتاینهارت می‌گوید: «اگر مشخص شود که این نتایج با مدل جوهری سازگار نیست، معلوم می‌گردد که یا ایده‌ی باتلاق یا نظریه ریسمان یا چیز دیگری در این بین اشتباه است.»

تورم تحت محاصره

اتفاق غم‌انگیزتری که فرضیه باتلاق رقم زده است، زیر شک بردن باور قدیمی و همه‌گیر در خصوص تولد جهان است: نظریه انفجار بزرگ که با عنوان تورم کیهانی شناخته می‌شود. بر اساس این نظریه یک نقطه‌ی منحصر به فرد و مملو از انرژی در فضا زمان به سرعت متورم شده و جهان بزرگی که ما در آن زندگی می‌کنیم را شکل داده است. این تئوری برای توضیح وسعت زیاد جهان، تختی و یکنواختی آن ساخته و پرداخته شده است.

تورم کیهانی چگونه اتفاق افتاد؟

به گفته‌ی محققان میدان تورمی فرضی از انرژی که تصور می‌شود سبب تورم کیهانی شده است به احتمال زیاد نیاز داشته است که با سرعت خیلی زیادی کاهش یابد تا بتواند یک جهان یکنواخت و تخت را شکل دهد. بنابراین، فرضیه‌ی جدید بسیاری از مدل‌های مرتبط با تورم کیهانی را دچار مشکل می کند. در سال‌های آینده، تلسکوپ‌هایی مثل سیمونز به دنبال نشانه‌های مشخصی از تورم کیهانی خواهند بود تا آن را در برابر ایده‌های رقیب به آزمایش بگذارند.

در همین زمان، نظریه‌پردازان ریسمان که به طور معمول جبهه‌ی متحدی دارند، در خصوص این فرضیه دچار اختلاف نظر شده‌اند. به نظر اوا سیلورشتاین، استاد فیزیک دانشگاه استنفورد و راهبر تحقیقات در خصوص ساخت مدل ریسمانی از نظریه‌ی تورمی، احتمال اشتباه بودن فرضیه‌ی مذکور بسیار بالاست. همسر او ، شامیت کاچرو نیز نظری مشابه دارد. وی استاد دانشگاه استنفورد است که اولین K عبارت KKLT نیز به او اشاره دارد. این عبارت به مقاله‌ای مشهور از سال ۲۰۰۳ (شناخته شده با ابتدای نام نویسندگان آن) اشاره دارد که در آن اجزایی مرتبط با نظریه ریسمان که می‌توانند برای ساخت جهان‌های ستاره‌ای مورد استفاده قرار گیرند، پیشنهاد می‌شوند. فرمول وفا بیان می‌کند ساختارهای سیلورشتاین و کاچرو نمی‌توانند جوابگو باشند. سیلورشتاین با شوخ‌طبعی می‌گوید: «خانواده‌ی ما توسط این فرضیات تحت فشار قرار گرفته است.» اما به نظر او مدل‌های گسترش شتابناک جهان، نسبت به قدیم که تحت‌تأثیر مقالات جدید قرار می‌گرفتند، در حال حاضر محبوبیت خود را حفظ کرده‌اند. وی می‌گوید: «این فرضیات اساسا فقط با حدس و گمان بیان می‌کنند که چنین چیزهایی وجود ندارند و آدرس‌های بسیار محدودی می‌دهند و در برخی موارد تحلیل‌های بسیار مبهمی ارائه می‌دهند.»

متیو کلبان که نظریه‌پرداز ریسمان و کیهان‌شناس دانشگاه نیویورک می‌باشد نیز در حال کار بر روی مدل‌های تورمی در قالب نظریه ریسمان می‌باشد. او تأکید می‌کند که فرضیه‌ی باتلاق به میزان زیادی مبتنی بر تئوری و حدس و گمان است و مثالی از «استدلال چراغ قوه ای» می‌باشد زیرا که بیشتر چشم‌اندازها و پیش‌بینی‌های نظریه ریسمان هنوز هم نیاز به بررسی دارند. البته وی تأیید می‌کند که بر اساس مدارک موجود، فرضیه‌ی جدید می‌تواند درست و به میزان زیادی قابل‌ قبول باشد. به گفته‌ی کلبان: «این فرضیه می‌تواند در خصوص نظریه ریسمان درست باشد و به این ترتیب شاید نظریه ریسمان جهان را توصیف نمی‌کند. شاید انرژی تاریک آن را باطل ساخته است و این می‌تواند بسیار جالب باشد.»

ترسیم طرح «باتلاق»

این مسأله که آیا فرضیه‌ی باتلاق ستاره‌ای و آزمایشات و مشاهدات آینده واقعاً قدرت باطل کردن نظریه ریسمان را دارا می باشند یا نه، در آینده مشخص می‌شود. کشف سال ۲۰۰۰ در خصوص اینکه نظریه ریسمان حدود ده به توان پانصد گزینه برای جهان‌های ممکن را پیش‌بینی می‌کند، این رویا که این نظریه بتواند به تنهایی و به طور مسلم ویژگی‌های جهان ما را توصیف و پیش‌بینی کند را از بین برد. به نظر می‌آمد که این نظریه هرگونه مشاهده‌ای را ممکن بداند و به این ترتیب آزمایش تجربی برای تأیید یا رد آن بسیار مشکل می‌شد.

در سال ۲۰۰۵، وفا و عده‌ای از همکارانش به فکر کاهش احتمالات از طریق ترسیم طرح ویژگی‌های بنیادین طبیعت که به طور مسلم درست دانسته می‌شدند، افتادند. برای مثال «فرضیه گرانش ضعیف» بیان می‌کند که گرانش باید همواره ضعیف‌ترین نیرو در هر جهان منطقی و پایداری باشد. جهان‌های قابل تصوری که چنین الزاماتی را برآورده نمی‌کردند از چشم‌انداز بیرون انداخته شده و وارد باتلاق می‌شدند. به گفته‌ی هیروشی اوگوری، فیزیکدان نظری در موسسه‌ی تکنولوژی کالیفرنیا، که از اولین همکاران وفا در فرضیه‌ی باتلاق است:« بسیاری از این فرضیات باتلاقی، به وضوح در برابر حملات مقاومت کرده‌اند و برخی از آن‌ها اکنون دارای «پایه‌های نظری بسیار قوی» می‌باشند.» مثلاً فرضیه‌ی گرانش ضعیف، پشتیبانی تعداد بسیار زیادی از مدارک را پیدا کرده است و اکنون مستقل از اینکه نظریه ریسمان، همان نظریه صحیح گرانش کوانتومی باشد یا نه، به عنوان فرضیه‌ای دارای عمومیت در نظر گرفته می شود.

تشخیص اینکه مرز بین جهان‌های ممکن و غیرممکن (باتلاقی) کجا شروع می‌شود، ناشی از دهه‌ها تلاش برای ساخت مدل‌هایی از جهان‌ها که در قالب نظریه ریسمان بگنجند است. مهمترین چالش این پروژه پیش‌بینی وجود ده بعد از فضا زمان در نظریه ریسمان می‌باشد (این تعداد بعد بسیار از جهان چهاربعدی ما فاصله دارد و متفاوت است). به گفته‌ی نظریه‌پردازان ریسمان این شش بعد اضافه باید بسیار کوچک بوده و طرزی مستحکم در هر نقطه‌ای از فضای پیچ‌خورده باشند. اما با اینکه احتمالات بسیار زیاد هستند، محققانی مثل وفا دریافته‌اند که اصول اساسی و عمومی از همین راه خود را نشان می دهند. مثلاً ابعاد پیچ‌خورده عموماً تمایل دارند که از لحاظ گرانشی به داخل خود فشرده شوند، در حالی که میدان‌هایی مثل میدان الکترومغناطیسی تمایل دارند که همه چیز را از هم جدا کنند و به بیرون هل دهند. به زبان ساده، در اشکال پایدار این اثرات از طریق دارا بودن مقدار منفی انرژی خلا، به تعادل می‌رسند و جهان‌های بدون ستاره را به وجود می‌آورند. مثبت کردن انرژی خلا بسیار سخت است. به گفته‌ی وفا: «ما معمولا در فیزیک مثال‌های ساده‌ای از پدیده‌های عمومی داریم، اما جهان‌های ستاره‌ای جزو این دسته نیست.»

سورپرایز! جهان از آن‌چه دانشمندان فکر می‌کردند سریع‌تر در حال گسترش است!

مقاله‌ KKLT، که توسط کاچرو، رناتا کالوش، آندره لینده و ساندیپ تریودی نوشته شده است، تله‌های ریسمانی مثل «تغییرات دائمی»، « اینستنتون» و «آنتی دی غشا»ها را معرفی می‌کند که می‌توانند به صورت بالقوه به عنوان ابزاری برای ایجاد یک انرژی خلا مثبت و پایدار به کار روند. اما این ساختارها پیچیده بوده و در طول سال‌ها ناپایداری‌های محتملی در خصوص آن‌ها یافت شده است. با این که کاچرو بیان کرده است که در این خصوص هیچ گونه تردید جدی ندارد، بسیاری از محققان نهایتا به اینکه سناریوی KKLT بتواند جهان‌های ستاره‌ای پایداری را خلق کند، شک کرده‌اند.

وفا گمان می‌کند که انجام یک تحقیق جمعی در خصوص ایجاد مدلی مشخصا پایدار از جهان‌های ستاره‌ای مدت زیادی به عقب افتاده است. فرضیه‌ی او، بالاتر از همه‌ی این تلاش‌ها، حل این مسأله را نشانه‌گیری کرده است. به عقیده‌ی او نظریه‌پردازان ریسمان به اندازه‌ی کافی انگیزه برای دریافتن این مسأله که آیا این نظریه توانایی توصیف جهان ما را دارد یا نه، را دارا نمی‌باشند؛ به جای آن، آن‌ها این رویکرد را برگزیده‌اند که با توجه به وسعت چشم‌انداز نظریه ریسمان، حتماً باید جایی برای ما در آن باشد، حتی اگر هیچ‌کس نداند که این جایگاه کجاست. به گفته‌ی او: «بیشتر جامعه‌ی نظریه ریسمان همچنان طرفدار ایده‌ی ساختارهای ستاره‌ای اند (همان دیدگاه موجود کنونی) زیرا که باور بر این است که: «ببینید، ما در یک جهان ستاره‌ای با انرژی خلا مثبت زندگی می‌کنیم، پس بهتر است که به مثال‌هایی از این نوع چشم بدوزیم.»

فرضیه‌ی او جامعه‌ی نظریه‌پردازان را به تکاپو واداشته است. محققانی مانند راس به دنبال مثال‌های نقض جهان‌های پایدار ستاره‌ای هستند، در حالی که سایر افراد در حال بازی با مدل‌های ریسمانی از جهان‌های جوهری یا اتریِ کمتر بررسی شده می‌باشند.

وفا می‌گوید: «دریافتن اینکه این فرضیه درست است یا غلط، به یک اندازه من را هیجان‌زده خواهد کرد. کاری که ما باید بکنیم، ایجاد سوال و سپس یافتن مدرک در جهت اثبات یا رد آن است. این راهی است که به ما کمک می کند پیشرفت کنیم و جلو برویم.»

منبع: quantamagazine

 دسته‌ها:
avatar
  Subscribe  
Notify of

رصد و اکتشافات فضایی

عبور سیارک
عبور سیارک بزرگی در روز ۱۰ آگوست از نزدیکی زمین
98
نظریه‌های توطئه‌ی ماه
مهم‌ترین نظریه‌های توطئه‌ی ماه و بررسی آن‌ها
130
ماموریت فرود بر روی ماه
ماموریت فرود بر روی ماه «آپولو۱۱» نشان داد که موجودات فرازمینی فراتر از داستان‌های علمی‌تخیلی هستند
145
تمدن‌های فرازمینی
تمدن‌های فرازمینی از چه راه‌هایی می‌توانند با ما ارتباط برقرار کنند؟
105
دو سیاره شبیه به زمین در اطراف ستاره‌ای در نزدیکی ما یافت شد
دو سیاره شبیه به زمین در اطراف ستاره‌ای در نزدیکی ما یافت شد
152

ذرات بنیادی

اولین تصویر درهم‌تنیدگی کوانتومی
دانشمندان از اولین تصویر درهم‌تنیدگی کوانتومی پرده‌برداری کردند
204
ذرات بنیادی چه چیزهایی هستند؟
ذرات بنیادی چه چیزهایی هستند؟
92
فیزیکدانان با به دام انداختن ۱۰ جفت فوتون، رکورد جدیدی را ثبت کردند
فیزیکدانان با به دام انداختن ۱۰ جفت فوتون، رکورد جدیدی را ثبت کردند
109
آیا نیروی پنجم جدیدی در طبیعت یافت شده است؟
آیا نیروی پنجم جدیدی در طبیعت یافت شده است؟
49
نگاهی به آزمایشات فیزیک پیرامون یافتن ذره‌ی روح
نگاهی به آزمایشات فیزیک پیرامون یافتن ذره‌ی روح
173