هشت راز بزرگ فیزیک

با تشکر از صفحه فیس بوک Big bang بیگ بنگ
و آقای اسماعيل جوكار
اکتشافات غیرمنتظره قرن گذشته، اسرار بسیاری را در مورد مبدأ کیهان آشکار کرده است. اما هنوز هم رازهای بزرگی ناگشوده باقی مانده که گشودن آنها برای اخترشناسان سال‌ها طول خواهد کشید.
اینک می‌خواهیم ببینیم مهمترین اسرار ناگشوده کیهان که پیش روی انسان امروز قرار دارند، کدامند. رازهایی که حاصل یک قرن چالش فکری بشر بوده و هنوز راهی طولانی برای گشودن آنها در پیش است...
1) راز اول؛ جهان چند بعدی است

شاید تصور کنید که بیرون آوردن یک خرگوش از داخل یک کلاه خالی فقط کار شعبده‌بازان است، اما شاید چنین نباشد. به عنوان مثال، تصور ما بر این است که در جهانی سه بعدی زندگی می کنیم، ولی شاید این پنداری نادرست باشد. فیزیکدان ها تاکنون رفتار جهان را با کمک چهار بعد تبیین می کردند؛ سه بعد مکانی و یک بعد زمانی. این مدل آنها را در تبیین بسیاری از پدیده های جهان از انحنای نور در نزدیکی خورشید گرفته تا چگونگی پیدایش سیاهچاله‌ها یاری می‌بخشید. اما اینک فیزیکدان‌ها بر این باورند که ابعاد مکانی جهان بیش از سه بعد است.
این ایده برای اولین بار از شدت نسبی نیروهای بنیادین جهان سرچشمه گرفت. مساله این بود که هیچکس نمی‌دانست چرا نیروی گرانش تا این حد از سه نیروی دیگر طبیعت یعنی نیروهای الکترومغناطیسی، قوی و ضعیف هسته‌ای، ضعیف‌تر است. اما اخیراً دو فیزیکدان به نام های لیزا راندال از موسسه فناوری ماساچوست و رامان ساندروم از دانشگاه جان هاپکینز در مریلند آمریکا توضیحی برای این مسأله ارایه کرده‌اند. بر اساس این توضیح، ما در یک جهان چهار بعدی زندگی می‌کنیم، اما ذرات گراویتون که حامل نیروی گرانشی هستند در جهان چهار بعدی دیگری متفاوت از جهان ما به سر می‌برند. این دو جهان (جهان ما و جهان آنها) در فاصله اندکی نسبت به همدیگر در بعد پنجم هستی واقعند و وجود همین فاصله است که سبب افت شدت نیروی گرانشی می‌شود.
متخصصان نظریه ریسمان‌ها از این هم فراتر می‌روند. آنها تمامی نیروهای بنیادین فیزیک را در قالب یک مدل 11 بعدی از جهان وحدت می‌بخشند. در این مدل، ذرات بنیادی در واقع، ریسمان‌هایی بسیار کوچک هستند که نوسان می‌کنند. اما حتی خوش‌بین‌ترین متخصصان نظریه ریسمان هم کشف این ریسمان‌ها را در آینده‌یی نزدیک تقریباً غیرممکن می‌دانند. بنابر نظریه مزبور، این ریسمان‌ها یکصد میلیون میلیارد مرتبه کوچک‌تر از کوچک‌ترین ذرات زیراتمی ایجاد شده توسط قدرتمندترین شتاب‌دهنده‌های موجود هستند.
اما احتمالاً آزمایشاتی که در آینده‌یی نزدیک صورت خواهد گرفت، از نشانه‌های بعد پنجم پرده‌برداری خواهد کرد.

2) راز دوم؛ جهان چگونه پدید آمد

کیهان شناسان همگی براین مساله توافق دارند که جهان در رویدادی منحصر به فرد بین 13 تا 14 میلیارد سال پیش به وجود آمد. در طول یک میکروثانیه اول پس از پیدایش، جهان مخلوطی از کوارک‌ها و سایر ذرات عجیب با دمایی فراتر از حد تصور بود. با پایین‌تر آمدن دما، کوارک‌ها گردهم آمده و ذراتی نظیر پروتون‌ها، نوترون‌ها و سایر هادرون‌ها را تشکیل دادند. وقتی فقط یک ثانیه از پیدایش جهان گذشته بود، تنها ذرات به جا مانده در جهان نوترون‌ها، پروتون‌ها، فوتون‌ها و نوترینوها بودند. در مدت 200 ثانیه بعدی، وقوع مجموعه‌یی از واکنش‌های هسته‌ای به ایجاد سه عنصر سبک موجود در جهان منجر شد.
امواج صوتی حاصل از پژواک مهبانگ همانند امواج سطح یک دریاچه در میان ماده فوق‌العاده گرم و چگال جهان اولیه منتشر شد. انبوهی از الکترون‌ها که توسط پروتون‌های با بار مثبت جذب می‌شدند، در این ارتعاش‌های کیهانی سهیم شده و نقش ایفا کردند. بدین ترتیب 380 هزار سال از عمر جهان گذشت. در این زمان دما آنقدر پایین آمده بود که اتم ها بتوانند شکل بگیرند. بنابراین جهان ناگهان شفاف شد و فوتون‌ها آزاد شدند. فوتون‌های آزاد شده، آثار افت و خیزهای دما و چگالی جهان اولیه را به شکل الگوهایی از تغییر شدت، با خود حمل کردند. اخترشناسان این تابش را که برای نخستین بار توسط پنزیاس و ویلسون مشاهده شد، تابش زمینه میکروموج کیهانی می نامند.
هنگامی که اخترشناسان، تلسکوپ‌های میکروموجی خود را به هر سو از آسمان نشانه می‌روند با تابشی با شدت تقریباً یکسان مواجه می‌شوند (بیشترین افت و خیزهای مشاهده شده در تابش زمینه میکروموج کیهانی فقط به اندازه یک در 100 هزار است). اما چگونه ممکن است انفجار اولیه پیدایش جهان، چنین آثار یکنواختی به وجود آورده باشد؟ گویی تمامی بخش‌های جهان اولیه با همدیگر در ارتباط بوده‌اند. اما این چگونه ممکن است؟ آلن گاث که سرگرم اندیشیدن به این مساله بود، به پاسخی شگفت‌انگیز دست یافت؛ آیا ممکن است تمامی جهان از حبابی بسیار گرم و فوق العاده همگن ایجاد شده و با چنان سرعتی منبسط شده باشد که فرصتی برای تغییر نداشته است؟ این نظریه که به نظریه‌ي تورمی شهرت یافت، نه تنها یکنواختی بسیار بالای تابش زمینه کیهانی را توضیح می‌دهد، بلکه علت همان عدم یکنواختی‌های بسیار اندک را نیز تبیین می‌کند. بنابر نظریه تورمی گات، این عدم یکنواختی‌ها ناشی از افت و خیزهای کوانتومی در حین تورم جهان بوده است.
اینک کیهان‌شناسان در کلیت این مساله توافق دارند که افت و خیزهای کوچک در جهان اولیه، توسط نیروی گرانش تقویت شده و نهایتاً به پیدایش ساختارهای بزرگ مقیاس جهان که امروزه می‌بینیم (نظیر کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی) منجر شده است. اما جزییات مسأله، هنوز روشن نیست. نظریه تورمی گاث حتی یک پیش‌بینی قابل آزمودن نیز دارد. مطابق این نظریه، یک جهان حبابی که دچار تورم شده، باید در مقیاس های کیهان‌شناختی، تخت به نظر برسد. تخت بودن جهان به این معنی است که دو خط موازی حتی اگر در تمامی جهان امتداد داشته باشند، هیچ گاه همدیگر را قطع نخواهند کرد.
در سال های اخیر، اخترشناسان، بارها با اندازه‌گیری ابعاد زاویه‌یی افت و خیزهای تابش میکروموج کیهانی، نظریه آلن گاث را در معرض آزمون گذاشته اند و هر بار به این نتیجه رسیده اند که جهان، تخت است.
اما با این حال هنوز هیچکس نمی‌داند چه عاملی منجر به تورم جهان شد. فیزیکدان‌ها مدل‌های تورمی متعددی را برای توصیف جهان تورمی پیشنهاد کرده‌اند اما اغلب راه حل‌های پیشنهادی، تنها راه حل‌هایی ریاضی بوده که هیچ مبنای فیزیکی ندارند. ادوارد کلب ، اخترفیزیکدانی از آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده فرمی در این باره می گوید؛ در واقع تمامی نظریات تورمی موجود، به نوعی اثبات می‌کنند که ما هنوز نظریه مناسبی در این زمینه نداریم.

3) راز سوم؛ چرا جهان از ماده ساخته شده است

اگر جهان کاملاً متقارن بود، نه سیاره یی در آن به وجود می آمد و نه انسانی چرا که در آن صورت در لحظات آغازین آفرینش، تعدادی مساوی از ذرات و پاد ذرات به وجود می آمد و این ذرات و پادذرات، به سرعت با همدیگر برخورد کرده و به فوتون های نور تبدیل می شدند. چنین جهانی مملو از تابش بود اما هیچ اتمی در آن وجود نداشت. اما نکته عجیب در آن است که در جهان ما عملاً هیچ پاد ذره یی وجود ندارد. توضیح چرایی این امر برای نظریه پردازان، کاری دشوار است. بنابر نظریه آلن گات، فرآیند تورم جهان باید منجر به ایجاد مقادیری مساوی از ماده و پادماده در جهان شده باشد. بنابراین سوال این است که ذرات پادماده کجا غیب شده اند؟
یک احتمال آن است که پادماده از بین نرفته باشد و هنوز هم در بخش بسیار دوری از جهان که قابل مشاهده نیست، وجود داشته باشد. در این صورت ممکن است در بخش های دوردست جهان، پادکهکشان هایی وجود داشته باشند و پادانسان هایی در این پادکهکشان ها زندگی کنند. اما این مساله، خود منجر به نتایج عجیب و غریب دیگری می شود که هیچ کدام تاکنون مشاهده نشده است.
احتمال دیگر آن است که قوانین فیزیک به گونه یی به نفع ماده باشد که در آغاز، ذرات بیشتری نسبت به پادذرات در جهان ایجاد شده باشد. در این صورت، آنچه امروزه در جهان می بینیم، چیزی نیست جز همان ذرات اضافی (مابقی ذرات و پادذرات، همدیگر را نابود کرده اند).
در اواسط دهه 1960، دو فیزیکدان به نام های جیمز کرونین و وال فیچ توسط آزمایشی نشان دادند که در حدود 0/2 درصد از واپاشی نوعی از ذرات بنیادی، تقارن را نقض می کند. همه از نتایج این آزمایش شگفت زده شدند. کیهان شناسان در همان زمان اعلام کردند نتایج مزبور ممکن است علت باقی ماندن ماده در جهان را توضیح دهد. اما هنوز هم سوالات بسیاری در مورد این مساله، بی پاسخ مانده است.

4) راز چهارم؛ کهکشان ها چگونه شکل گرفتند

پروتون ها و نوترون ها (که مجموعاً باریون نام دارند) در جهان اولیه تحت تاثیر گرانش خود به شکل گروه گروه گرد هم آمدند و همین امر منجر به افزایش دمای آنها شد. در این حال باریون های پرانرژی دیگری که در زمینه آنها در حال حرکت بودند، با برخورد به این توده ها، انرژی از دست داده و گرفتار نیروی جاذبه آنها شدند. بدین ترتیب خوشه های کهکشانی به آرامی و به شکل تارهای عنکبوتی در سرتاسر کیهان شکل گرفته و بافته شد.
هرچند نقشه های سه بعدی تهیه شده از کهکشان ها مدل مزبور را تایید می کنند اما درک جزییات این مدل، فوق العاده دشوار است. آیا فرآیند برخورد کهکشان های مارپیچی با همدیگر منجر به شکل گیری کهکشان های بیضوی می شود؟ اگر چنین است پس چرا زنجیره کهکشان های مارپیچی و بیضوی هریک از الگوی متفاوتی در ساختار حبابی جهان تبعیت می کند؟ پاسخ به این پرسش ها نیازمند زمانی طولانی است، چرا که اندازه گیری فاصله کهکشان ها کاری بسیار زمان بر است. اکنون گروهی از اخترشناسان مشغول ترسیم نقشه یی سه بعدی از چگونگی توزیع یک میلیون کهکشان در جهان هستند. نتایج این تحقیق، ما را در گشودن راز چگونگی شکل گیری کهکشان ها یاری خواهد بخشید.

5) راز پنجم؛ ماده تاریک چیست؟

تمامی ستاره ها و کهکشان های جهان، مجموعاً تنها 0/5 درصد جرم کل جهان را تشکیل می دهند. حتی اگر جرم توده ابرهای نامریی را که به شکل اتمی در بخش های دوردست جهان شناورند به این عدد اضافه کنیم، به چیزی در حدود 4 درصد کل جرم جهان می رسیم. مابقی جرم جهان از ماده یی ناپیدا که اصطلاحاً ماده تاریک نامیده می شود و همین طور نوعی انرژی اسرارآمیز به نام انرژی تاریک تشکیل شده است. اگرچه ماده تاریک از دید مستقیم اخترشناسان پوشیده است، اما تاثیرات و نشانه های آن قابل آشکارسازی است. اینک اخترشناسان به کمک تاثیرات گرانشی این ماده ناپیدا بر روی نور ستارگان دوردست (خم کردن پرتوهای نوری) تخمین می زنند که ماده تاریک، چیزی در حدود 23 درصد جرم کل جهان را تشکیل می دهد. این ماده به شکل رشته هایی کیهانی بر سطوح حباب هایی با ابعادی در حدود صدها میلیون سال نوری منجمد شده است. شکل توزیع ماده تاریک در جهان نشان دهنده سرد بودن آن است و به همین علت نیز اغلب ماده تاریک سرد نامیده می شود. ماده تاریک به شکل هاله یی کهکشان ما و سایر کهکشان ها را دربرگرفته است و همین امر نشان می دهد که ذرات تشکیل دهنده آن یا اصلاً برهم کنشی با ذرات ماده معمولی ندارند یا برهم کنش بسیار ضعیفی دارند (در غیر این صورت باید در صفحه کهکشان جمع می شدند و نه در اطراف آن). برای اغلب ذرات این ماده عجیب و غریب، زمانی بیش از عمر کل جهان طول می کشد تا با یکی از ذرات ماده معمولی برخورد کنند.
فیزیکدان ها برای آشکارسازی این ذرات پنهان از نظر دو راهکار عمده را در پیش گرفته اند. در سناریوی اول، فرض بر آن است که ذرات و پادذرات ماده تاریک در مرکز خورشید یا مرکز کهکشان با همدیگر (و نه با ذرات ماده معمولی) برخورد می کنند. چنین برخوردی منجر به ایجاد ذرات جالب دیگری به نام نوترینو خواهد شد. بنابراین آشکارسازی نوترینوهای پیش بینی شده، دلیلی مبنی بر وجود ذرات ماده تاریک خواهد بود (نوترینوها توسط منابع دیگری نیز در جهان تولید می شوند که باید توسط روش های تجربی، آنها را از همدیگر تفکیک کرد). بدین منظور فیزیکدان ها دستگاه های بسیار بزرگ آشکارسازی نوترینوها را در اعماق آب های دریای مدیترانه و آدریاتیک و همین طور در زیر یخ های ضخیم قطب جنوب نصب کرده اند. این آشکارسازها قادر خواهند بود نور ضعیف حاصل از برهم کنش نوترینوها با مولکول های آب را ثبت کنند.

سناریوی دوم، مبتنی بر آشکار سازی مستقیم ذرات ماده تاریک توسط بلور ژرمانیم است. نمونه پیشرفته یی از این آزمایش در 740 متری زیر زمین در یک معدن آهن در مینه سوتای امریکا در حال انجام است. هیچ کدام از این آزمایش ها تاکنون موفق به آشکارسازی مستقیم ماده تاریک نشده اند.


6) راز ششم؛ آیا تمامی ماده شناخته شده جهان، در کهکشان ها جمع شده اند

تنها 10 درصد از ماده معمولی جهان (که اصطلاحاً ماده باریونی نامیده می شود) در ستاره ها جمع شده اند. اینک اخترشناسان با استفاده از نور اختروش ها (که در فاصله هایی بسیار دور از زمین واقعند و از سیاهچاله ها نیرو می گیرند) درصدد یافتن ماده باریونی بیشتری در جهان هستند. چنانچه نور اختروش ها در مسیر طولانی خود تا رسیدن به زمین از میان ماده باریونی گازی شکل عبور کند، اتم های گاز تاثیر خود را به شکل خطوط جذبی روی طیف نوری اختروش، نقش می زنند. اما اخترفیزیکدان ها تاکنون از این طریق، ماده باریونی اندکی را نسبت به آنچه تصور می کردند، یافته اند. پس تمام باریون ها کجا رفته اند؟

اغلب اخترفیزیکدان ها بر این باورند که آنها جایی نرفته اند، بلکه هنوز هم در اعماق فضا شناورند. اما طی میلیاردها سالی که از تشکیل این ابرهای باریونی می گذرد، برخورد اتم های تشکیل دهنده آنها با همدیگر دمای گاز را تا حدود یک میلیون درجه سانتیگراد افزایش داده است. از آنجایی که گاز در چنین دمایی نور چندانی را نه جذب می کند و نه تابش، آشکاری آن به این روش برای اخترشناسان، بسیار دشوار خواهد بود.
دیوید واینبرگ و همکارانش با به کارگیری تلسکوپ فضایی تابش X چاندرا سعی در یافتن شواهدی مبنی بر وجود گاز باریونی در هاله ماده تاریک (که کهکشان ها را دربر گرفته است) کرده اند. او اینک تا 90 درصد از یافتن نشانه های گاز باریونی در طیف جذبی تابش X مطمین است اما حصول اطمینان بیشتر، نیازمند زمان رصد طولانی تری خواهد بود.


7) راز هفتم؛ انرژی تاریک چیست

انرژی تاریک، پدیده اسرار آمیز و ناشناخته یی است که انبساط جهان را شتاب می بخشد. برای آنکه این انرژی، شتاب فعلی انبساط جهان را تامین کند، باید در حدود 73 درصد کل چگالی جهان را تشکیل دهد. اساسی ترین مساله در این مورد آن است که هیچ کس از ماهیت این انرژی که چنین نقش شگفت انگیزی ایفا می کند، اطلاعی ندارد. مایکل ترنر از دانشگاه شیکاگو می گوید؛ تنها کاری که تاکنون توانسته ایم در ارتباط با این پدیده انجام دهیم، صرفاً نام گذاری آن بوده است. این انرژی ممکن است از هیچ (خلأ) حاصل شده یا تاثیری از سایر ابعاد مکانی پنهان در هستی باشد. هرچند انرژی تاریک، نقش یک نیروی دافعه کیهانی نظیر ضدگرانش را ایفا می کند اما نمی توان آن را صرفاً یک نیرو به حساب آورد، چرا که این نیروی دافعه تابع ویژگی های ذرات مادی نبوده و مستقیماً روی فضا عمل می کند،


8) راز هشتم؛ چگالی جهان چقدر است

ماده موجود در جهان در برابر انبساط آن مقاومت می کند. بنابراین اگر انرژی تاریک وجود نداشت، انبساط جهان به تدریج متوقف شده و به انقباض تبدیل می شد و نهایتاً جهان درهم فرومی پاشید. اما انرژی تاریک با نیروی دافعه خود از این کار جلوگیری می کند. انرژی تاریک، مسبب شتاب گرفتن انبساط جهان است. بنابراین اگر چگالی انرژی تاریک، ثابت بوده یا حداقل مقدار مثبتی باقی بماند، در این صورت، انبساط جهان با سرعتی فزاینده ادامه خواهد یافت. اما این احتمال نیز وجود دارد که چگالی انرژی تاریک، ثابت نبوده و متغیر باشد و حتی ممکن است مقداری منفی پیدا کند که در آن صورت، جهان را به سوی فروپاشی خواهد برد. مارتین ریس ، اخترفیزیکدان دانشگاه کمبریج می گوید؛ اگر چگالی انرژی تاریک حتی به میزان اندکی منفی شود، می تواند منجر به فروپاشی تمامی جهان شود. اکنون ماهیت انرژی تاریک بر ما پوشیده است و بنابراین از سرنوشت جهان هم بی خبریم چرا که سرنوشت جهان، وابسته به انرژی تاریک است...