وب کلیک

دلیل وخانوم فضای خالی یکی از بزرگترین رازهای فیزیک هست؟

۲۵ فروردین ۱۳۹۷

این ایده که جهان ما تنها یک حباب تصادفی در میان تعدادین جهان موازی و بی پایان هست، ناشی از یک ویژگی ظاهری و بی‌نظیر جهان هست: فضای خالی. به طور خاص، هسته و سنگ‌بنای نظریه‌ی تعداد جهانی، مقدار انرژی یا وخانوم فضای خالی (Empty Space) هست، انرژی که به عنوان انرژی خلا، انرژی تاریک یا ثابت کیهانشناسی نیز شناخته می‌شود. مقدار انرژی موجود در هر متر مکعب از این فضای خالی، تنها قادر به روشن کـــردن یک لامپ معمولی به اندازه یک تریلینیوم ثانیه خواهد بود. مشکلی که برنده جایزه نوبل از آن به عنوان «هستخوانی در گلو» تعبیر کـــرده هست. به عقیده‌ی او میزان انرژی موجود در این فضا می‌بایست حداقل تریلیون تریلیون تریلیون تریلیون تریلیون برابر میزان فعلی باانجام گرفت، زیرا پایان مواد و نیروهای میدانی از طریق این فضا حرکت می‌کنند. اثر همه‌ی این نیروها روی خلا تقریبا برابر می‌شود که باعث ایجاد آرامش در کیهان می‌شود. اما سوال اساسی این هست که دلیل فضای خالی، خالی از انرژی هست؟ با وب کلیک همراه باشید…

اگرچه پاسخ به این سوال که دلیل فضا، خالی هست، برای ما همچنان مجهول هست، اما این خلا برای بقای ما، حیاتی به نظر می‌رسد. اگر میزان انرژی دافعه گرانشی حتی کمی افزایش از میزان موجود باانجام گرفت، فضا زیاد سریع‌ گسترش می‌یافت، به گونه‌ای شکل‌گیری ساختارهایی مانند کهکشان‌ها، سیاره‌ها یا آدم‌ها، ممکن نبود. این وضعیت خوش تنظیم (fine-tuned)، نشان می‌دهد ممکن هست تعداد زیادی جهان با مقادیر مختلف انرژی خلا وجود داشته باشند. ما در جهانی با انرژی فوق العاده کم خانومدگی می‌کنیم، زیرا امکان نداشت جای دیگری وجود داشته باشیم.

برخی وب کلیکان علاقه‌ای به پذیرش عدم پایداری تعداد جهانی نیستند و با هستدلال‌های زیست‌شناسانه بر صحت این نظریه پافشاری می‌نمایند. حتی کسانی که نظریه تعداد حهانی را مطرح کـــرده‌اند نیز علاقه دارند تا راه حلی جایگزین برای حل مشکل ثابت کیهانی در اختیار داشته باشند. اما تاکنون، حل این مشکل بدون در نظر گرفتن مسئله‌ی تعداد‌جهانی تقریبا غیر ممکن بوده هست. به نقل کرد‌ی یکی از محققان دانشگاه مریلند: «مشکل انرژی تاریک، چنان پیچیده و دشوار هست که برای حل آن تاکنون تنها یک یا دو راه حل در اختیار وب کلیکان قرار دارد»

برای یافتن دلیلیی این مسئله فرض کنید که انرژی خلا واقعا وجود داشته باانجام گرفت. بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، ماده و انرژی تعیین کننده‌ی شکل نمودار فضا-زمان؛ و انحنای فضا-زمان تعیین کننده‌ی نحوه‌ی حرکت ماده و انرژی خواهد بود. یکی ار ویژگی‌های ذاتی این معادله این هست که فضا-زمان می‌تواند انرژی ذاتی خود را داشته باانجام گرفت (مقدار ثابتی که تایمی هیچ چیز دیگری وجود ندارد، باقی می‌ماند و به ثابت کیهان‌شناسی معروف هست). برای دهه‌ها، کیهان‌شناسان مقدار این انرژی را دقیقا صفر فرض می‌کـــردند، در نتیجه سرعت انبساط کیهانی مقداری ثابت بود و این باعث تعجب آنان انجام گرفته بود. اما پس از آن، در سال ۱۹۹۸، اخترشناسان کشف کـــردند که سرعت گسترش کیهان به تدریج در حال افزایش هست که بیانگر وجود یک انرژی دافعه در فضا هست. این میزان انرژی تاریک، تقریبا مقداری برابر با ثابت کیهان‌شناسی اینشتین داشت. وجود چنین پدیده‌ای باعث انجام گرفت کیهان‌شناسان با سرعت افزایشی به بررسی کیهان بپرداخانومد زیرا با گسترش کیهان، فضاهای جدید تشکیل انجام گرفته و در نتیجه میزان انرژی دافعه موجود در فضا نیز افزایش می‌یافت.

فضای خالی

با این حال، چگالی ناشی از این انرژی خلا با آنچه نظریه میدان کوانتومی، در مورد فضای خالی بیان می‌کند، تناقض دارد. زمانی که هیچ ذره برانگیخته‌ای وجود نداشته باانجام گرفت تا از طریق آن نوسان صورت گیرد، با یک میدان کوانتومی خالی سر و کار داریم، اما به دلیل اصل عدم قطعیت در فیزیک، حالت یک میدان کوانتومی هیچگاه ثابت نخواهد بود، بنابراین انرژی آن هیچ‌گاه دقیقا صفر نخواهد بود. یک میدان کوانتومی متشکل از ریسمان‌های کوچک در هر نقطه از فضا را در نظر بگیرید. ریسمان‌ها همواره در حال چرخش هستند، دلیل که آن‌ها تنها در محدوده‌ای غیر قطعی از طول آسایش (relaxed length) خود هستند. آن‌ها متداوم کمی فشرده یا کش یافته‌اند و بنابراین متداوم در حال حرکت و دارای انرژی هستند. این انرژی به انرژی نقطه‌ی صفر میدان کوانتومی معروف هست. نیروهای میدانی دارای نیروهای نقطه‌ی صفر مثبت هستند، در حالیکه نیروهای ماده دارای انرژی نقطه‌ی صفر منفی هستند و این انرژی‌ها به انرژی کل خلا، اضافه یا کم می‌شوند.

میزان انرژی خلا کل باید تقریبا برابر افزایشین میزان مشارکت فاکتورهای موثر باانجام گرفت (مانند اینکه شما هدیه‌ای ۱۰ هزار دلاری دریافت می‌کنید؛ حتی پس از صرف ۱۰۰ دلار، یا پیدا کـــردن ۳ دلار دیگر، هنوز هم در حدود ۱۰ هزار دلار در اختیار دارید). امروزه سرعت انبساط کیهانی مشاهده انجام گرفته نشان می‌دهد که بزرگی آن چیزی در حدود ۶۰ یا ۱۲۰ مرتبه کوچکتر از مقدار میزان مشارکت انرژی نقطه‌ی صفر در آن هست، به طوری که پایان شرایط مثبت و منفی مختلف به نحوی خنثی انجام گرفته هست. توضیح این تفاوت با هستفاده از مکانیسم‌های فیزیکی به دو دلیل زیاد مشکل هست.

نخست، تنها اثر انرژی خلا، گرانشی هست و به نظر می‌رسد که بررسی آن به مکانیسم گرانشی نیاز دارد، اما در لحظات نخستیه‌ی تشکیل جهان، زمانی که چنین مکانیسمی می‌توانست موثر باانجام گرفت، جهان به اندازه‌ای از لحاظ فیزیکی کوچک بود که میزان انرژی خلا کل در برابر مقدار ماده و تابش‌های کیهانی قابل صرف نظر کـــردن بود و اثر گرانشی انرژی خلا به طور تکمیل توسط گرانش هر چیز دیگری پوشانده انجام گرفت. این یکی از بزرگترین مشکلاتی هست که وب کلیکان برای حل مسئله‌ی ثابت کیهانی با آن مواجه هستند. مکانیسم گرانشی، دقیقا میزان انرژی خلا را در شرایط جهان نخستیه تنظیم و تعیین می‌کند. چنین شرایطی را می‌توان تقریبا با پرواز یک هواپیما در یک راه پروازی از پیش تعیین انجام گرفته مجاز در یک طوفان با دقت اتمی، مقایسه کـــرد.

ترکیب این پیجیدگی‌ها، با هستفاده از محاسبات نظریه‌ی میدان کوانتومی نشان می‌دهد که انرژی خلا در پاسخ به تغییرات فاز در هنگام سرد انجام گرفتن جهان، در مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ، تغییر یافته هست. در این مکان این مسئله مطرح می‌شود که آیا مکانیسم فرضی که انرژی خلا را مساوی کـــرده، قبل از این تغییر فاز رخ داده هست یا بعد از آن؟ و اینکه چگونه این مکانیسم می‌تواند بزرگی این اثرات را برای جبران آن‌ها پیش‌بینی کند؟

تاکنون، این موانع تلاش‌ها برای توضیح وخانوم پایین فضای خالی، بدون توجه به سیستم تعداد جهانی را بی نتیجه کـــرده هست، اما اخیرا گروهی از وب کلیکان راه جدیدی برای توضیح این مسئله یافته‌اند. اگر جهان در اثر انفجار به وجود نیامده باانجام گرفت، بلکه در پی یک انقباض فازی نخستیه، و پس از آن انقباض به گذشته‌های دور ایجاد انجام گرفته باانجام گرفت، این شرایط می تواند تحت تأثیر انرژی خلا قرار بگیرد. شاید برخی از مکانیسم‌های گرانشی می‌توانند روی میزان انرژی خلا تاثیر بگذارند و سپس با هستفاده از مکانیسم‌های طبیعی قادر به رقیق کـــردن این میزان انرژی در طول زمان باشند. این ایده، گروهی از محققان را برای ارائه یک نظریه چدید کیهانی ترغیب نموده هست، هرتعداد آن‌ها هنوز مجبورند کارایی این نظریه در رقیق کـــردن خلا و انقباض جهان را اثبات کنند. یکی از اعضای این گروه رویکـــرد خود را «یک تلاش زیاد ارزشمند» و «یک مبارزه آگاه و صادقانه با یک مشکل حیاتی» نامید، اما افزود: شکاف‌های بزرگی در مدل وجود دارد و «موانع فنی برای پر کـــردن این شکاف ها حیاتی هست».

منبع: quantamagazine