۱۰ راز نامكشوف بزرگ علم فيزيك

امروزه هيچ دانشمندي به خود جرئت نمي‌دهد، انديشه متخصصينيه‌اي مانند آنچه لُرد كلوين گفت، بر زبان براند. به‌انديشه متخصصين مي‌رسد فيزيك، جعبه‌ي پاندوراي شگفت‌انگيزي است كه با هر جواب ،سؤالات بيشتر و بزرگ‌تري در آن مطرح مي‌شود. سرشناس‌ترين دانشمندان دنيا سال‌ها است پيشرفته‌ترين تجهيزات علمي را با هزينه‌هاي سرسام‌آور دراختيار گرفته‌اند و عمر خود را صرف تحقيق روي عجايب جهان مي‌كنند؛ اما اگر واقع‌بين باشيم يافته‌هاي بي‌شمار هر روزه‌ي ما در برابر چيزي كه نمي‌دانيم ناچيز به‌انديشه متخصصين مي‌رسد. در ادامه با ۱۰ سؤال از بزرگ‌ترين شگفتي‌هاي علم فيزيك آشنا خواهيد شد.

تمامي محاسبات، مقداري بسيار بيشتر از ماده‌ي قابل مشاهده در جهان را نشان مي‌دهند. درحالي‌كه نيروي جاذبه با كشيدن فضا-زمان به داخل سعي دارد از‌هم‌گسستگي و انبساط جهان جلوگيري كند؛ اما كهكشان‌ها سريع‌تر از گذشته و با سرعتي بيشتر از سرعت نور از يكديگر دور مي‌شوند، به‌انديشه متخصصين مي‌رسد نيرويي منفي مانند سپري نامرئي، نيروي جاذبه را از فضا-زمان جدا مي‌كند. در مدل پذيرفته‌شده از جهان از اين سپر با نام ثابت كيهاني ياد مي‌شود، همان چيزي كه به‌عنوان انرژي تاريك مشهور شده است. با گسترش جهان هر لحظه فضاي بيشتري ايجاد مي‌شود و به همان ميزان، مقدار انرژي تاريك جهان نيز بيشتر مي‌شود. براساس نرخ مشاهدات از گسترش فضا-زمان دانشمندان حدس مي‌زنند درمجموع بيشتر از ۷۰ درصد از كل نيروهاي موجود در جهان را اين انرژي ناشناخته تشكيل مي‌دهد؛ در حقيقت ما مي‌دانيم كه جهان مملو از اين انرژي است؛ اما نمي‌دانيم كه چگونه بايد به آن نگاه كنيم.

مي‌دانيم كه حدود ۸۴ درصد از ماده در جهان نه نوري را جذب مي‌‌كنند و نه نوري از خود منتشر مي‌كنند، چيزي كه به آن ماده‌ي تاريك گفته مي‌شود. ماده‌ي تاريك حتي به‌صورت غير مستقيم نيز قابل مشاهده نيست؛ اما وجود آن ازطريق تأثير بر نيروي گرانشي ماده‌ي مرئي، اشعه و ساختار انبساطي جهان قابل اثبات است. به‌انديشه متخصصين مي‌رسد فضاهاي بين كهكشاني مملو از اين ماده‌ي عجيب باشند و ممكن است آن‌ها از ذرات بنيادي ناپايداري كه بنا بر قوانين مكانيك كوانتوم دائماً در فضاي بين كهكشاني به وجود مي‌آيند و از بين مي‌روند (WIMP) به وجود آمده باشند. تلسكوپ و آشكارسازهاي زيادي در سراسر كره‌ي زمين و خارج از جو به مطالعه WIMP ها اختصاص يافته‌اند؛ اما هنوز هيچ‌كس نمي‌داند ماده‌ي تاريك از چه ساخته شده است.

اطلاعات اختر فيزيك‌شناسان نشان مي‌دهد كه فضا-زمان ممكن است به‌جاي مسطح‌بودن، منحني باشد و اين يعني در تمام جهات، فضا-زمان تا بي‌نهايت ادامه خواهد داشت. اگر چنين باشد پس منطقه‌اي كه ما مي‌توانيم ببينيم و فكر مي‌كنيم جهان هستي باشد فقط قسمتي در بي نهايت است، اما هم‌زمان فيزيك كوانتوم به ما مي‌گويد فقط تعداد محدودي از تنظيمات ذرات (۱۰^۱۰^۲۲) در هر تكه‌ي كيهاني مي‌تواند وجود داشته باشد و با اين تعداد محدود در تكه‌هاي نامحدود از جهان، ذرات مجبورند تنظيمات خود را بارها و بارها تا بي‌نهايت تكرار كنند. اين به‌معناي آن است كه تكه‌هاي كيهاني دقيقاً همانند جهان ما (حاوي كسي مثل من و شما) وجود خواهند داشت، همچنين تكه‌هاي كيهاني وجود خواهند داشت كه دقيقاً شبيه ما هستند اما فقط با يك ذره تفاوت، و تكه‌هاي كيهاني دقيقاً شبيه ما با دو ذره تفاوت و... اين منطق عجيب كه قوانين فيزيك به ما ديكته مي‌كند همان چيزي است كه به‌نام جهان‌هاي موازي مي‌شناسيم. اما اگر بي‌نهايت جهان شبيه به جهان ما وجود دارد؛ چرا تاكنون نتوانسته‌ايم آن‌ها را كشف كنيم و اصولاً چگونه بايد آن‌ها را ببينيم؟

جواب به اين سؤال، چگونگي به‌وجود‌ آمدن جهان ما را توضيح مي‌دهد. بر طبق قوانين فيزيك، فرض بر اين است كه در لحظه‌ي مهبانگ بايد مقدار برابري ماده و ضد ماده به وجود آمده باشد، اما اگر چنين بود جهان تاكنون بايد از بين مي‌رفت. الكترون‌ها در برخورد با پوزيترون، نورترون‌ها با ضد نوترون و به همين ترتيب ساير ذرات در برخورد با ضد خود بايد از بين مي‌رفتند و در نهايت تنها چيزي كه باقي مي‌ماند دريايي از فوتون‌ها در جهاني بدون ماده است. به دلايلي مقدار بيشتري از ماده نسبت به ضد ماده به وجود آمده است كه درنتيجه باعث تشكيل جهان ما شده است، اما هنوز توضيح قابل قبولي براي اين حقيقت وجود ندارد.

سرنوشت جهان شديداً به عامل ناشناخته‌ي Ω وابسته است. Ω ميزان چگالي ماده در برابر انرژي پراكنده شده در سراسر جهان را نشان مي‌دهد و سه حالت مي‌تواند داشته باشد، كمتر از يك، بيشتر از يك و برابر با يك.

اگر Ω بزرگ‌تر از يك باشد يعني فضا-زمان بسته است مانند سطح يك كره‌ي فوق‌العاده بزرگ كه از هر طرف به‌جاي اول مي‌رسد. اگر جهان را بسته متصور شويم و انرژي تاريك را در انديشه متخصصين نگيريم، سرنوشت جهان ما اين‌گونه رقم خواهد خورد كه انبساط جهان زماني متوقف شده و سپس انقباض جهاني شروع خواهد شد و اين انقباض سرانجام كل جهان را در نقطه‌اي جمع و فشرده خواهد كرد. اين له‌شدگي بزرگ برخلاف انفجار بزرگي است كه جهان از آن زاييده شده است. اما اگر همچنان جهان را بسته تصور كنيم و انرژي تاريك نيز وجود داشته باشد، جهان كروي ما تا ابد گسترش خواهد يافت.

اما اگر Ω را كمتر از يك در انديشه متخصصين بگيريم پس فضا-زمان باز خواهد بود، سطح يك زين را تصور كنيد! در اين حالت سرنوشت نهايي جهان ابتدا انجماد بزرگ و سپس از‌هم‌گسستگي بزرگ خواهد بود. در اين انديشه متخصصينيه، در زماني سرعت انبساط جهان به‌حدي خواهد رسيد كه ستاره‌ها و كهكشان‌ها از هم گسسته شده و در فضاي بين‌كهكشاني پخش خواهند شد، درنتيجه‌ي آن تمام ذرات هستي تنها و بسيار سرد رها خواهند شد. اما اين پايان نهايي دنيا نيست، پس از اين مرحله رشد بسيار قوي انبساط، جهان را به جايي خواهد رساند كه حتي اثر نيروهاي بين اتمي نيز خنثي شده و ذرات بنيادي از درون متلاشي خواهند شد و در فضاي بي‌كران پراكنده مي‌شوند.

حالت سوم اين است كه Ω برابر با يك باشد. در اين حالت، جهان ما بدون خميدگي و صاف خواهد بود و در تمام جهات به‌صورت نامحدود گسترش خواهد يافت. اگر انرژي تاريك وجود نداشته باشد اين جهان مسطح براي هميشه با يك نرخ شتاب منفي گسترش خواهد يافت تازماني كه اين شتاب به صفر برسد و جهان در حالتي پايدار باقي بماند، اما اگر انرژي تاريك وجود داشته باشد، سرنوشت نهايي جهان گسترش هميشگي و در نهايت انجماد بزرگ و سپس از هم گسستگي بزرگ خواهد بود.

در قلمرو عجيب و غريب الكترون‌ها، فوتون‌ها و ديگر ذرات بنيادي؛ قوانين فيزيك كوانتوم رفتارها را مشخص مي‌كنند. در اين اندازه، ذرات نه مانند توپ‌هاي كوچك بلكه مثل امواجي كه در فضايي بزرگ رها شده باشند، رفتار مي‌كنند. هر ذره با يك تابع موج يا توزيع احتمال توضيح داده مي‌شود. اين توزيع احتمال به ما مي‌گويد كه مكان، سرعت و ديگر خواص هر متغير چه مقاديري مي‌تواند داشته باشد، اما دقيقاً نمي‌توانيم مقدارها را از آن به دست بياوريم. تابع موج، دامنه‌اي از احتمالات را به ما مي‌دهد تا زماني‌كه بتوانيم با آزمايش و به‌صورت تجربي، ميزان و مكان دقيق هر ذره را به دست بياوريم. اما براي به دست آوردن مقدار دقيق مانعي وجود دارد. هنگام اندازه‌گيري خواص ذرات تغيير كرده و نمي‌توانيم نتيجه‌اي را به دست بياوريم. اما چگونه و چرا اندازه‌گيري يك ذره باعث فروپاشي تابع موج آن مي‌شود؟ اين اشكال كه به‌نام خطاي اندازه‌گيري شناخته مي‌شود، مانع بزرگي در برابر شناخت ما از جهان است. درك اينكه واقعيت چيست و آيا اصلاً واقعيتي وجود دارد همه در گرو جواب به اين سؤال است.

زماني فيزيك‌دانان تصميم گرفتند تمام ذرات بنيادي را ريسمان‌هاي تك‌بعدي تصور كنند. ريسمان‌هايي كه به دور خود پيچيده شده و تفاوت آن‌ها در فركانس متفاوت ارتعاشات آن‌ها است. با به وجود آمدن اين انديشه متخصصينيه، علم فيزيك بسيار ساده‌تر شد؛ با انديشه متخصصينيه‌ي ريسمان فيزيك‌دانان توانستند قوانين فيزيك كوانتوم را با قوانين حاكم بر فضا-زمان يعني نسبيت عام آشتي دهند و چهار نيروي طبيعت را در قالب يك چارچوب و انديشه متخصصينيه‌ي واحد جاي دهند. اما اشكال از آن جايي شروع مي‌شود كه انديشه متخصصينيه‌ي ريسمان فقط در فضايي ۱۰ يا ۱۱ بعدي مي‌تواند كار كند. ۳ بعد فضاي بزرگ كه آن را مي‌توانيم ببينيم به‌علاوه‌ي ۶ يا ۷ بعد فضاي فشرده و بسيار ريز و بُعد زمان. اندازه‌ي فضاهاي فشرده همانند خود اين ريسمان‌هاي لرزنده چيزي حدود يك ميلياردم اندازه‌ي هسته‌ي اتم هستند. هيچ راه شناخته شده يا حتي قابل تصوري براي مطالعه اندازه‌اي به اين كوچكي وجود ندارد و درنتيجه هيچ راهي نيز براي اثبات تجربي انديشه متخصصينيه‌ي ريسمان وجود نخواهد داشت.

حركت رو به جلوي زمان را با ويژگي از جهان به‌نام آنتروپي توضيح مي‌دهند. تقريبا آنتروپي را مي‌توان با ميزان بي‌نظمي در جهان توضيح داد. همان‌گونه كه بي‌نظمي رو به افزايش است، زمان نيز رو به جلو حركت مي‌كند. اين حقيقت كه آنتروپي در حال افزايش است را مي‌توان با اين منطق توضيح داد كه ميزان بيشتري از ترتيب‌هاي بي‌نظم نسبت به ترتيب‌هاي منظم در جهان وجود دارد و به همين دليل ذرات تمايل دارند به سمت بي‌نظمي حركت كنند تا به سمت منظم شدن. اما سؤال پيش آمده اين است كه چرا آنتروپي در گذشته بسيار پايين بوده است؟ به بيان ديگر آيا به دليل همين آنتروپي بسيار پايين، جهان در آغاز خود از بي‌نهايت ماده و انرژي در نقطه‌اي بسيار كوچك تشكيل شده بود و پس از تولد به سرعت به اطراف منتشر شده است؟ براي درك بهتر اين موضوع توصيه مي‌كنيم مقاله‌ي پيشين ما در مورد حركت رو به جلوي پيكان زمان مطالعه كنيد.

فيزيك‌دانان نمي‌توانند بعضي از رفتارهاي سيالات، از مايعات مانند آب گرفته تا گازها و ديگر سيالات را پيش‌بيني كرده و به جواب‌هاي منطبق بر آزمايش‌هاي تجربي برسند. در حقيقت حتي مشخص نيست كه آيا راه حلي كلي براي آنچه معادلات ناوير-استوكس ناميده مي‌شود وجود دارد و اگر وجود دارد آيا مي‌تواند رفتار مايعات را در همه‌جا به درستي تشريح كرده و نقاط ناشناخته‌ي تكينه را توضيح دهد. به‌علت همين اشكالات به‌انديشه متخصصين مي‌رسد ماهيت هرج‌و‌مرج هنوز به خوبي شناخته نشده است. فيزيك‌دانان و رياضي‌دانان متعجب مي‌شوند وقتي به درستي نمي‌توانند وضعيت آب‌و‌هوا را پيش‌بيني كنند. آيا اين آشفتگي‌ها ذاتاً غير قابل پيش‌بيني است؟ آيا توربولانس از معادلات رياضي فراتر مي‌رود؟ يا سرانجام با معادله‌ي رياضي صحيح به نتيجه‌اي كلي خواهيم رسيد؟

همه‌ي ما مي‌دانيم كه گرانش ماه باعث به وجود آمدن جز و مد در زمين و گرانش خورشيد باعث گردش زمين به دور آن و ماندن سياره‌ي ما در مدار خورشيد مي‌شود. اما درك ما از اين واقعيت چقدر است؟ گرانش نيروي قدرتمندي است كه از مواد ايجاد مي‌شود و اجسام سنگين‌تر با گرانش بالاتر اجسام سبك‌تر را به سمت خود جذب مي‌كنند. درحالي‌كه دانشمندان تحقيقات زيادي را روي تأثيرات اين نيرو انجام داده‌اند اما هنوز مطمئن نشده‌اند كه چرا اين نيرو وجود دارد. چرا نيرويي كه اتم‌ها را دركنار يكديگر نگه مي‌دارد متفاوت از جاذبه است؟ آيا جاذبه يك ذره است؟ اين‌ها سؤالاتي است كه هنوز دانش كنوني ما از فيزيك توانايي پاسخ گويي به آن‌ها را ندارد.