| نویسنده / نویسندگان : |
جنیفر کوئلت
|
|
مترجم : |
سپیده همتیان
|
|
کلید واژه : |
هیرانیا پیریس ـ کیهان شناس ـ بی‌نهایت و فراتر از آن ـ آخرین آزمایش‌ها ـ اریک واینبرگ ـ دانشگاه کلمبیا ـ
|
|
چکیده : |
شاید
برخورد جهانهای چندگانه ردی در آسمان باقی بگذارد.
شاید در اوایل پیدایش کیهان، جهان ما به جهان دیگری برخورد کرده باشد.
برخوردی چنان اساسی که در پس فروزش بعد از مه‌بانگ رد پایی باقی گذاشته
باشد.
|
|
منابع : |
|
هیرانیا
پیریس کیهان‌شناس از دانشگاه لندن، همچون بسیاری از همکارانش روزی به‌این
فکر رسید که جهان ما می‌تواند تنها یک جهان در دریایی از جهانهای دیگر
باشد. این نظری است که از نظر بنیادی غیرقابل آزمایش است. او ترجیح داد که
تحقیقش را در مورد سوال‌های غیرانتزاعی دیگر نظیر نحوه گسترش کهکشان‌ها
انجام دهد.
سپس در یک تابستان در مرکز فیزیک، پیریس خود را در حال مکالمه با مت جانسون
از موسسه پریمتر یافت. مت جانسون در مورد علاقه‌اش به ساخت ابزاری در
این‌باره صحبت کرد و به او پیشنهاد همکاری داد.
ابتدا پیریس چندان مطمئن نبود. او گفت: "به نظر من هر نظریه‌ای که قابلیت
این را نداشته باشد که مورد آزمایش قرار بگیرد، هرقدر هم جالب و عالی باشد،
دچار کمبود است." اما جانسون او را قانع کرد که باید راهی برای آزمایش آن
وجود داشته باشد. اگر جهانی که در آن سکونت داریم درگذشته‌ای دور با جهان
دیگری برخورد کرده باشد، باید در ریزموج‌های پس‌زمینه کیهانی اثری از
(سی‌ام‌بی) پس فروزشی ضعیف بعد از مه‌بانگ باقی گذاشته باشد. اگر
فیزیکدانان موفق به آشکارسازی چنین اثری شوند، پنجره‌ای جدید رو به نظریه
جهانهای چندگانه بازکرده‌اند.
اریک واینبرگ، فیزیکدانی از دانشگاه کلمبیا جهانهای چندگانه را با دیگی
جوشان مقایسه می‌کند که هر حباب در آن معادل یک جهان است و هر جهان یک بسته
مجزای فضا-زمان است. در این دیگ در حال جوش برخی از حباب‌ها بزرگ می‌شوند و
برخی با هم ترکیب می‌شوند. شاید در نخستین لحظات پیدایش عالم چنین فرایندی
رخ داده باشد.
پیریس و جانسون پس از نخستین ملاقاتشان سال‌ها به دنبال کشف این نکته بودند
که چگونه برخورد بین دوجهان در نخستین لحظه‌های عالم می‌توانست موجی ضربتی
در سراسر عالم منتشر کرده باشد. آنها با کمک تلسکوپ فضایی پلانک و
نقشه‌برداری از تابش زمینه کیهانی به دنبال شواهدی برای به دست آوردن
اطلاعات هستند.
پیریس تصدیق کرد که ممکن است این پروژه خوب پیش نرود. برای خوب پیش رفتن
این پروژه دو عامل نیاز است: یکی اینکه ما در جهانهای چندگانه به‌سر ببریم
و دیگر اینکه، جهان ما درگذشته با جهان دیگری برخورد کرده باشد. این منوط
به‌این است که فیزیکدانان موفق شوند اولین مدرک غیرمحتمل فراتر از کیهان را
به دست آورند.
زمان برخورد حباب‌ها
نظریات جهانهای چندگانه زمانی به داستان‌های علمی-تخیلی و سرزمین
خیال‌پردازان واگذار شد. جهانهای چند‌گانه‌ای که پیریس و همکارانش به
دنبال آن هستند، در تضاد با نظریه‌های بی‌شماری که در دهه 1950 ارائه شد،
نیست. این نظریه می‌گوید هر رویداد کوانتومی یک جهان ایجاد می‌کند. هیچ‌یک
از این مفاهیم جهانهای چندگانه به داستان‌های علمی-تخیلی یا جهانهای
موازی ارتباطی ندارند. در عوض از مفهوم تورم که یک نظریه قابل‌قبول در مورد
نخستین لحظات عالم است، ناشی می‌شوند.
تورم می‌گوید که جهان ما لحظه‌ای پس از مه‌بانگ دچار انبساطی ناگهانی شده
است. جهان در کسر کوچکی از ثانیه از یک نقطه منسجم کوچک شروع به باد شدن
کرده و یک‌چهارم میلیارد سال نوری این تورم ادامه پیداکرده است.
تورم از زمانی که آغاز شده تاکنون هرگز تمایلی به توقف نداشته است. بر طبق
این نظریه، تورم بعد از شروع باید جایی به پایان برسد و جهانی شبیه آنچه
امروز در اطراف خود می‌بینیم، پدید آورد. اما جهان بی‌توجه به‌این نظریه
گویا تا ابد می‌خواهد به تورمش ادامه دهد. این باعث شده که کیهان‌شناسان به
سناریوی دیگری با نام تورم ابدی فکر کنند. در تورم ابدی مناطقی از فضا از
تورم باز می‌ایستند و حباب‌های جهان شبیه جهان ما به وجود می‌آورند. اما در
مقیاس‌های بزرگ‌تر این انبساط تشریحی تا ابد ادامه دارد و حباب‌های جهان
به‌طور مداوم خلق می‌شوند. هر حبابی از یک جهان، با وجود اینکه با حباب‌های
دیگر بخشی از یک فضا-زمان مشترک است، تصور می‌کند که خودش عالمی یکتاست
چراکه یک رصدگر تا نتواند با سرعت نور حرکت کند، نخواهد توانست به عالم
دیگر سفر کند؛ و هر حباب ممکن است قوانین فیزیک مربوط به خود را داشته
باشد. پیریس می‌گوید: "اگر تورم ابدی را قبول کنیم، می‌تواند جهانهای
چندگانه را پیش‌گویی کند."
در سال 2012 پیریس و جانسون به همراه آنتونی آگوییره و مکس وینرایت
فیزیکدانانی از دانشگاه کالیفرنیا گروهی تشکیل دادند و به شبیه‌سازی
جهانهای چندگانه با تنها دو حباب پرداختند. آنها برخورد دو حباب را مورد
مطالعه قراردادند تا دریابند که یک ناظر در این موقعیت چه چیزی را خواهد
دید. آنها به‌این نتیجه رسیدند که ناظر یک قرص روی تابش زمینه کیهانی
خواهد دید که نشانه دمایی متمایز است.
برخوردی که مدت‌ها پیش رخ داده باشد می‌تواند تغییری در دمای تابش زمینه
کیهانی (سمت چپ تصویر پایین) و قرص ضعیفی در آسمان ایجاد کرده باشد (سمت
راست) که به‌طور بالقوه قابل مشاهده است.
آنها برای جلوگیری از خطاهای انسانی الگوریتمی خودکار درست کردند که در
داده‌های کاوشگر WMAP(کاوشگر ناهمسانگردی ریزموجی ویلکینسون) به
جست‌وجوی این قرص بپردازند. در این برنامه چهار منطقه بالقوه با دمایی
متغیر مشخص شد که با اثری که از برخورد انتظار داشتیم، مطابقت می‌کرد. در
اواخر امسال که داده‌های ماهواره پلانک آماده شوند، محققان به بررسی بیشتری
خواهند پرداخت.
آشکارسازی اثرات متقاعدکننده‌ای از جهانهای چندگانه نیاز به مهارت دارد.
برای اینکه به‌سادگی متوجه شویم که یک برخورد به چه شکل است، باید درک
کاملی از دینامیک برخورد حباب‌ها داشته باشیم. چیزی که مدل‌سازی آن در
رایانه مشکل باشد، این برهمکنش‌ها را دچار پیچیدگی می‌کند.
معمولا وقتی فیزیکدانان با یک مشکل جدید روبه‌رو می‌شوند، به دنبال یک مدل
خوب می‌روند که از پیش شناخته شده باشد، سپس آن مدل را با پیچیدگی‌های
کمتر که به آن "اختلال" می‌گویند با مشکل جدیدشان تطبیق می‌دهند. برای مثال
برای مدل‌سازی پرتاب یک ماهواره به فضا فیزیکدانان نخست سراغ قوانین فیزیک
کلاسیک در مورد حرکت که در قرن هفدهم توسط ایزاک نیوتون ارائه شد، می‌روند
و بعد به محاسبه عوامل دیگر که بر این حرکت تاثیر می‌گذارد، مثل فشار
بادهای خورشیدی، می‌پردازند. برای دستگاه‌های ساده اختلافات مختصری با مدل
غیرآشفته وجود دارد. هرچند اگر سعی کنید الگوی جریان هوای سیستمی همچون یک
تورنادو را محاسبه کنید، این تقریب‌ها به هم می‌ریزند. اختلالات به جای
ایجاد پالایش‌های ساده و قابل پیش‌بینی، تغییرات ناگهانی و گسترده‌ای در
سیستم اصلی ایجاد می‌کنند.
مدل‌سازی برخورد حباب‌ها در زمان تورم اولیه پیدایش جهان همچون مدل‌سازی
یک تورنادو است. به‌طور طبیعی تورم فضا-زمان را با آهنگی نمایی منبسط
می‌کند، که این پرش‌های بزرگ در مقادیر محاسبه دینامیک آن را به چالشی
بزرگ تبدیل می‌کند.
موج‌های انتقالی
در ماه آگوست سال 1834، یک مهندس اسکاتلندی به نام جان اسکات راشل در حال
انجام یک آزمایش در کانال یونیون بود و هدفش بالا بردن بازده قایق‌های
کانال بود. قایقی که توسط چند اسب کشیده می‌شد ناگهان ایستاد، راشل متوجه
موجی در آب شد که بدون تغییر شکل با سرعتی ثابت به سمت جلو پیش می‌رفت.
رفتار این موج با امواج معمولی متفاوت بود، موج‌های معمولی پهن می‌شوند یا
به قله موج می‌رسند بعد واژگون می‌شوند. راشل موج پشت سر اسب‌ها را حدود سه
کیلومتر دنبال کرد، تا جایی که موج در آب‌های کانال گم شد. این نخستین
مشاهده ثبت‌شده سالیتون بود.
راشل فریفته این موج سرکش شده بود. او در باغش یک مخزن 30 پایی ساخت که
این پدیده را با دقت بیشتری مطالعه کند. او نام این موج را موج انتقالی
گذاشت. این موج می‌توانست اندازه، شکل و سرعتش را تا فواصل طولانی‌تر از
معمول طی کند. سرعت موج به اندازه آن بستگی داشت و پهنای آن به عمق آب
وابسته بود. اگر یک موج سالیتونی بزرگ‌تر از موج سالیتونی کوچک‌تری رد
می‌شد، موج بزرگ‌تر که سرعت بیشتری داشت، درست از میان آن عبور می‌کرد.
اطرافیان راشل به‌شدت مشاهدات او را رد کردند، زیرا مشاهدات او با فیزیک
امواج آب آن زمان در تناقض بود. تا اواسط دهه 1960 که این امواج سالیتون
نام گرفتند و فیزیکدانان متوجه اهمیت آنها در مدل‌سازی مشکلات در سطوح
گوناگون نظیر اپتیک‌های نوری، پروتئین‌های زیست‌شناسی و دی‌ان‌‌ای شدند.
سالیتون‌ها در نظریات کوانتومی هم جایگاه خود را پیدا کردند. اگر به یک
میدان کوانتومی ضربه‌ای بزنید یک نوسان به سمت خارج میدان پراکنده می‌شود و
این نوسان شکل خود را درست مانند امواج انتقالی راشل حفظ می‌کند.
به خاطر پایدار بودن سالیتون‌هاست که مهندسی دیگر به نام لیم معتقد است
استفاده از آنها در مدل دینامیک برخورد حباب‌ها در جهانهای چندگانه موثر
خواهد بود و بهتر می‌توان پیش‌بینی کرد که چه اثراتی در تابش‌های زمینه
کیهانی باقی خواهد گذاشت. اگر این واقعیت داشته باشد نحوه گسترش دیواره‌های
جهان حبابی ما بیشتر شبیه سالیتون‌هاست.
هرچند مدل‌سازی یک موج ایستاده سالیتونی نسبتا آسان است، اما دینامیک آن در
برخورد سالیتون‌ها با یکدیگر پیچیده و محاسبه آن دشوار می‌شود که
فیزیکدانان را مجبور به استفاده از رایانه برای شبیه‌سازی می‌کند. درگذشته
محققان از دسته‌ای از سالیتون‌ها با راه‌حل ریاضی دقیقی استفاده می‌کردند و
مدل را طوری تغییر می‌دادند که به هدف خود نزدیک شوند؛ اما این روند تنها
وقتی خوب کار می‌کند که سیستم مورد مطالعه بسیار به مدل شبیه‌سازی‌شده شبیه
باشد، در غیر این صورت تغییرات زیادی در محاسبات ایجاد می‌شود.
لیم برای عبور از این مانع بر اساس ویژگی تغییر ناگهانی برخورد‌های
سالیتونی تدبیر تازه‌ای اندیشید. وقتی در حالت عادی به برخورد دو جسم فکر
می‌کنیم، تصور ما این است که هر چه سرعت و شدت برخورد بیشتر باشد، برخورد
پیچیده‌تر و دینامیک‌تر خواهد بود. برای مثال دو خودرو که با سرعت بالا به
هم برخورد کنند آوار، گرما، صدا و اثرهای دیگری ایجاد می‌کنند. این حداقل
ابتدا در مورد سالیتون‌ها هم به همین شکل است. آنگونه که لیم می‌گوید اگر
دو سالیتون را به آهستگی به هم برخورد دهید، تعامل کوچکی خواهید دید. هر
چه سرعت بالا رود تعامل سالیتون‌ها هم بیشتر خواهد بود.
اما لیم کشف کرد که همین‌طور که بر سرعت می‌افزاییم، الگو در نهایت رها
می‌شود و تعامل سالیتون‌ها کاهش می‌یابد. زمانی که آنها با سرعت نور حرکت
کنند، تعاملی در کار نخواهد بود. لیم گفت: "آنها فقط از درون یکدیگر عبور
می‌کنند. هرچه دو سالیتون را سریع‌تر به هم برخورد دهید، آنها ساده‌تر
می‌شوند." عدم تعامل مدل‌سازی برخورد سالیتون‌ها را ساده‌تر می‌سازد. از
آنجا که سیستم برخورد لبه‌های جهانهای حبابی نیز بسیار شبیه سالیتون‌هاست،
در آنجا هم همین‌گونه خواهد بود.
بر طبق نظر جانسون، لیم یک عملکرد بسیار ساده را کشف کرد که کاربرد
گسترده‌ای دارد. تعامل جهانهای چندگانه در برخورد‌های سرعت بالا بسیار
ضعیف است که شبیه‌سازی دینامیک آن را ساده‌تر می‌سازد. با کمک سالیتون‌ها
برای نقشه‌برداری از اثرات احتمالی داده‌های زمینه کیهانی می‌توان به‌راحتی
یک مدل از جهانهای چندگانه را ایجاد کرد. این فرایند به کمک فیزیکدانان
آمده تا مدل‌های بیشتری از جهانهای چندگانه را مشاهده کنند و این مدل‌ها
هم با آخرین داده‌های رصدی و هم با نظریه تورم سازگارند.
شکل جهانهای چندگانه برای نظریه ریسمان
یک از دلایلی که فیزیکدانان تا این حد به نظریه جهانهای چندگانه اهمیت
می‌دهند این است که چنین مدل‌هایی به حل یک چالش مهم در نظریه ریسمان کمک
می‌کند. یکی از اهداف نظریه ریسمان این است که بتواند نسبیت عام را با
مکانیک کوانتومی که دو "کتاب قانون" مختلف در فیزیک هستند را با هم متحد
سازد.
جانسون می‌گوید: "حدود ده سال پیش رویای نظریه ریسمان به‌گونه‌ای منفجر
شد". محققان متوجه شدند که نظریه ریسمان راه‌حل جامعی ارائه نمی‌کند. در
عوض تعداد بی‌کرانی جهان را ارائه می‌دهد؛ یعنی ده به توان 500 احتمال که
نشان می‌دهد نظریه ریسمان هرگونه احتمالی را در نظر گرفته است.
در پایان اینکه مخالفت اولیه پیریس هنوز سر جای خود باقی است. بدون دلیلی
که از آزمایش به دست آورده باشیم ممکن است نظریه جهانهای چندگانه تعریفی
موقت باشد؛ و باید منتظر اثراتی از آن در تابش زمینه کیهانی باشیم.
پیریس تاکید کرد که: "البته اینکه این جهانهای حبابی می‌توانند ردی از
خود بجا بگذارند به معنی این نیست که حتما ردی خواهند داشت. ما نیاز داریم
که طبیعت هم با ما همکاری کند. احتمال مشاهده یک نشانه بسیار کم است.
احتمال برخورد‌ها کم نیست اما تورم اثرات را کم‌رنگ می‌کند، همان‌گونه که
اثرات ساختارهای اولیه پیدایش عالم را کم‌رنگ کرد؛ و ما می‌مانیم و احتمال
بسیار کم یافتن ردی در تابش‌های زمینه کیهان".
منبع: مجله دانشمند شماره 617 اسفند 1393
مجله دانشمند 617