فضا – زمان: معمایی برای حل شدن

وبسایت منتشر کننده: وبسایت علمی بیگ‌ بنگ

مترجم: سمیر الله وردی

منبع: the Daily Galaxy

بیگ بنگ: به گفتۀ پیتر هوراوا، فضا–زمان، تار و پودی که هندسۀ آن با گرانش ِ ستارگان، سیارات و ماده قابل تغییر است– ممکن است چیزی بیش از یک سراب نباشد. هوراوا که در دانشگاه کالیفرنیا- برکلی مشغول به کار است قصد دارد این تار و پود را بشکافد و فضا–زمان را از یکدیگر خالی کند تا به یک نظریۀ یکپارچه دست یابد و در نهایت دو دنیای عجیب ِ مکانیک کوانتوم و گرانش را با یکدیگر تلفیق کند.

به گزارش بیگ بنگ، جامعۀ جهانی فیزیک شروع به استفاده از نوآوری جدید هوراوا کرده تا اسرارِ کیهان شناختیِ مادۀ تاریک و انرژی تاریک که همزاد یکدیگر هستند را توضیح دهد. محققان دریافتند که ممکن است سیاهچاله­ها آنگونه که انتظار داریم رفتار نکنند. اگر ایده “هوراوا” درست باشد، می­تواند برداشت ما از فضا–زمان را برای همیشه تغییر دهد و منجر به دستیابی «نظریۀ همه چیز» شود. به مدت چندین دهه، فیزیکدانان در تلاش خود برای انطباقِ نظریۀ نسبیت عامِ اینشتین که گرانش را توصیف می­کند و مکانیک کوانتومی که جهان ذرات اتمی و نیروهایی با کوچکترین مقیاس را شرح می­دهد، با موانعی روبرو بوده اند. فضا–زمان بر اساس نظریۀ کوانتوم یک پس­زمینۀ ایستا است که ذرات در درون آن حرکت می­کنند، اما در مقابل، نظریات اینشتین، نه تنها فضا–زمان را به طور جدایی­ناپذیری به یکدیگر متصل می­کند، بلکه فضا-زمانِ و مادۀ درون آن را نیز قابل توصیف کرده است.

بیشترِ انگیزۀ تحقیق روی نظریه کوانتوم و نسبیت برای ایجاد نظریۀ گرانش کوانتومی؛ در واقع نیاز به درکِ رویدادی است که فورأ پس از بیگ بنگ رخ داد یا رویدادی که در نزدیکی افق رویدادِ سیاهچاله­ها رخ می­دهد و این یعنی میدان­های گرانشی گسترده هستند. “هوراوا” راه حل خود را در فیزیکِ مادۀ فشرده پیدا کرده است، به ویژه در اتم کربن به ضخامت یک اتم که گرافین نامیده می­شود و الکترون­هایش در اطرافِ سطح همانند توپ­هایی در ماشینِ پین بال می­چرخند. از آنجایی که اتم­های گرافین فقط در کسری از سرعت نور حرکت می­کنند، هیچ نیازی به در نظر گرفتنِ “نسبیت” نیست. اما اگر این گرافین را تا صفر مطلق خنک کنید، مشاهده خواهید کرد که چیز خارق­العاده­ای رخ می­دهد: سرعت الکترون­ها به طور چشمگیری افزایش می­یابد. اکنون، نظریات نسبیت برای توصیفِ صحیحِ آنها لازم هستند.

این تغییر بود که تصورِ هوراوا را برانگیخت. نظر هوراوا در مورد گرافین این است که تقارنِ لورنتس همیشه در آن واضح نیست. (تقارن لورنتس در دانش فیزیک، که نام آن برگرفته از نام هندریک لورنتس می­باشد، عبارت است از “ویژگی طبیعت که می­گوید نتایج آزمایش­ها مستقل از جهت­گیری و سرعت آزمایشگاه در میان فضا هستند) او تصور کرد که آیا همین مسئله برای جهان ما نیز صدق می­کند. چیزی که امروزه در اطراف مشاهده می­کنیم، کیهانی سرد است که در آن فضا و زمان به نظر با تقارنِ لورنتس به یکدیگر متصلند– حقیقتی که نشان می­دهد آزمایشات با دقتِ حیرت­آوری انجام شده­اند، اما مواد و ذرات در لحظات اولیه بسیار متفاوت بودند. چه می­شود اگر تقارنی که امروزه واضح است برای طبیعت بنیادی نباشد، اما با سرد شدنِ جهان از گلولۀ انفجاری بیگ بنگ چیزی ظاهر شود، درست همانطور که با سرد شدنِ گرافین در آن ظاهر شد؟

هوراوا معادلات اینشتین را بهینه­سازی کرد، بصورتی که تقارنِ لورنتس حذف شد؛ خاصیتی که سرعت نور را برای تمام مشاهده­گران به طور ثابت حفظ می­کند؛ بطوری که مهم نیست با چه سرعتی حرکت می­کنند، در واقع زمان در خلاف درجه کاملأ یکسان کُند سپری می­شود. این امر یک مجموعه از معادلات را برای هوراوا مطرح کرد که گرانش را در چارچوب یکسانِ کوانتوم همانند دیگر نیروهای بنیادیِ طبیعت توصیف کند: گرانش به علت ذرات کوانتومی که گراویتون نامیده می­شوند بصورت یک نیروی جاذب ظاهر می­شود، درست به همان صورتی که نیروی الکترومغناطیسی با فوتون­ها حمل می­شود. او همچنین نسبیت عام را اصلاح کرد تا مسیرِ بهتری را از گذشته تا آینده برای “زمان” متصور شود، تکاملی کیهانی درست همان­گونه که مشاهده می­کنیم.

هوراوا گفت: «به طور ناگهانی عناصر جدیدی برای اصلاح رفتارِ گرانش در فواصل بسیار کوتاه دارید.» نظریۀ هوراوا با دو نیم کردنِ تقارن بین فضا-زمان در واقع فیزیکِ سیاهچاله­ها را تغییر می­دهد – به ویژه سیاهچاله­های میکروسکوپی را که ممکن است بالاترین انرژی­ها را تشکیل دهند، یعنی تشکیلِ این سیاهچاله­ها و این مسئله که آیا همانگونه هستند که در نسبیت عام به نظر می­رسند «یک پرسش بسیار بزرگ است. گرانشِ هوراوا همچنین به حلِ یکی از بزرگترین اسرارِ حل نشدۀ کیهان شناسیِ مدرن کمک می­کند: پازلِ مادۀ تاریک، اگر از معادلات حرکت ناشی از نسبیت عام کمی خارج باشند، می­توان سرعت­های مشاهده شدۀ ستارگان و کهکشان­ها را بدون نقشِ مادۀ تاریک توضیح داد. هوراوا می­گوید: «این امکان وجود دارد که کسری از تصویرِ مادۀ تاریکِ جهان ناشی از اصلاحاتِ معادلات اینشتین باشد.»

انرژی تاریک نیز به این شرح می­باشد: نظریاتِ فیزیک ذره­ای قدرتِ انرژی تاریک را حدودِ ۱۲۰ مرتبه بزرگتر از چیزی می­داند که مشاهده شده است، همچنین نسبیت عام نمی­تواند این اختلافِ زیاد را توضیح دهد. اما نظریۀ “هوراوا” شامل پارامترهایی است که می­توان آنها را به گونه­ای تنظیم کرد که انرژی خلأ که با فیزیکِ ذرات پیش بینی شده را تا یک مقدار مثبتِ کوچک کاهش داد، که این مقدار هم با حرکاتِ مشاهده شدۀ ستارگان و کهکشان­ها منطبق است. پاسخ­های نهایی در این زمینه می­تواند با مشاهداتِ ارتقا یافتۀ سیاهچاله­های پرجرم بدست آیند– که شامل مناطقی با گرانش شدید است– که می­توانند اصلاحاتِ لازم، برای نسبیت عام را نشان دهند و نظریۀ گرانش کوانتومیِ هوراوا را اثبات کنند، درست به همان صورتی که اندازه­گیری­های توضیح داده نشده مدار عطارد نشان داد که قوانین نیوتن ناقص است و دری را برای نظریات اینشتین گشود.

وبسایت منتشر کننده: وبسایت علمی بیگ‌ بنگ

مترجم: سمیر الله وردی

منبع: the Daily Galaxy