۱۰ راز نامکشوف بزرگ علم فیزیک

امروزه هیچ دانشمندی به خود جرئت نمی‌دهد، نظریه‌ای مانند آنچه لُرد کلوین گفت، بر زبان براند. به‌نظر می‌رسد فیزیک، جعبه‌ی پاندورای شگفت‌انگیزی است که با هر جواب ،سؤالات بیشتر و بزرگ‌تری در آن مطرح می‌شود. سرشناس‌ترین دانشمندان دنیا سال‌ها است پیشرفته‌ترین تجهیزات علمی را با هزینه‌های سرسام‌آور دراختیار گرفته‌اند و عمر خود را صرف تحقیق روی عجایب جهان می‌کنند؛ اما اگر واقع‌بین باشیم یافته‌های بی‌شمار هر روزه‌ی ما در برابر چیزی که نمی‌دانیم ناچیز به‌نظر می‌رسد. در ادامه با ۱۰ سؤال از بزرگ‌ترین شگفتی‌های علم فیزیک آشنا خواهید شد.

تمامی محاسبات، مقداری بسیار بیشتر از ماده‌ی قابل مشاهده در جهان را نشان می‌دهند. درحالی‌که نیروی جاذبه با کشیدن فضا-زمان به داخل سعی دارد از‌هم‌گسستگی و انبساط جهان جلوگیری کند؛ اما کهکشان‌ها سریع‌تر از گذشته و با سرعتی بیشتر از سرعت نور از یکدیگر دور می‌شوند، به‌نظر می‌رسد نیرویی منفی مانند سپری نامرئی، نیروی جاذبه را از فضا-زمان جدا می‌کند. در مدل پذیرفته‌شده از جهان از این سپر با نام ثابت کیهانی یاد می‌شود، همان چیزی که به‌عنوان انرژی تاریک مشهور شده است. با گسترش جهان هر لحظه فضای بیشتری ایجاد می‌شود و به همان میزان، مقدار انرژی تاریک جهان نیز بیشتر می‌شود. براساس نرخ مشاهدات از گسترش فضا-زمان دانشمندان حدس می‌زنند درمجموع بیشتر از ۷۰ درصد از کل نیروهای موجود در جهان را این انرژی ناشناخته تشکیل می‌دهد؛ در حقیقت ما می‌دانیم که جهان مملو از این انرژی است؛ اما نمی‌دانیم که چگونه باید به آن نگاه کنیم.

می‌دانیم که حدود ۸۴ درصد از ماده در جهان نه نوری را جذب می‌‌کنند و نه نوری از خود منتشر می‌کنند، چیزی که به آن ماده‌ی تاریک گفته می‌شود. ماده‌ی تاریک حتی به‌صورت غیر مستقیم نیز قابل مشاهده نیست؛ اما وجود آن ازطریق تأثیر بر نیروی گرانشی ماده‌ی مرئی، اشعه و ساختار انبساطی جهان قابل اثبات است. به‌نظر می‌رسد فضاهای بین کهکشانی مملو از این ماده‌ی عجیب باشند و ممکن است آن‌ها از ذرات بنیادی ناپایداری که بنا بر قوانین مکانیک کوانتوم دائماً در فضای بین کهکشانی به وجود می‌آیند و از بین می‌روند (WIMP) به وجود آمده باشند. تلسکوپ و آشکارسازهای زیادی در سراسر کره‌ی زمین و خارج از جو به بررسی WIMP ها اختصاص یافته‌اند؛ اما هنوز هیچ‌کس نمی‌داند ماده‌ی تاریک از چه ساخته شده است.

اطلاعات اختر فیزیک‌شناسان نشان می‌دهد که فضا-زمان ممکن است به‌جای مسطح‌بودن، منحنی باشد و این یعنی در تمام جهات، فضا-زمان تا بی‌نهایت ادامه خواهد داشت. اگر چنین باشد پس منطقه‌ای که ما می‌توانیم ببینیم و فکر می‌کنیم جهان هستی باشد فقط قسمتی در بی نهایت است، اما هم‌زمان فیزیک کوانتوم به ما می‌گوید فقط تعداد محدودی از تنظیمات ذرات (۱۰^۱۰^۲۲) در هر تکه‌ی کیهانی می‌تواند وجود داشته باشد و با این تعداد محدود در تکه‌های نامحدود از جهان، ذرات مجبورند تنظیمات خود را بارها و بارها تا بی‌نهایت تکرار کنند. این به‌معنای آن است که تکه‌های کیهانی دقیقاً همانند جهان ما (حاوی کسی مثل من و شما) وجود خواهند داشت، همچنین تکه‌های کیهانی وجود خواهند داشت که دقیقاً شبیه ما هستند اما فقط با یک ذره تفاوت، و تکه‌های کیهانی دقیقاً شبیه ما با دو ذره تفاوت و... این منطق عجیب که قوانین فیزیک به ما دیکته می‌کند همان چیزی است که به‌نام جهان‌های موازی می‌شناسیم. اما اگر بی‌نهایت جهان شبیه به جهان ما وجود دارد؛ چرا تاکنون نتوانسته‌ایم آن‌ها را کشف کنیم و اصولاً چگونه باید آن‌ها را ببینیم؟

جواب به این سؤال، چگونگی به‌وجود‌ آمدن جهان ما را توضیح می‌دهد. بر طبق قوانین فیزیک، فرض بر این است که در لحظه‌ی مهبانگ باید مقدار برابری ماده و ضد ماده به وجود آمده باشد، اما اگر چنین بود جهان تاکنون باید از بین می‌رفت. الکترون‌ها در برخورد با پوزیترون، نورترون‌ها با ضد نوترون و به همین ترتیب سایر ذرات در برخورد با ضد خود باید از بین می‌رفتند و در نهایت تنها چیزی که باقی می‌ماند دریایی از فوتون‌ها در جهانی بدون ماده است. به دلایلی مقدار بیشتری از ماده نسبت به ضد ماده به وجود آمده است که درنتیجه باعث تشکیل جهان ما شده است، اما هنوز توضیح قابل قبولی برای این حقیقت وجود ندارد.

سرنوشت جهان شدیداً به عامل ناشناخته‌ی Ω وابسته است. Ω میزان چگالی ماده در برابر انرژی پراکنده شده در سراسر جهان را نشان می‌دهد و سه حالت می‌تواند داشته باشد، کمتر از یک، بیشتر از یک و برابر با یک.

اگر Ω بزرگ‌تر از یک باشد یعنی فضا-زمان بسته است مانند سطح یک کره‌ی فوق‌العاده بزرگ که از هر طرف به‌جای اول می‌رسد. اگر جهان را بسته متصور شویم و انرژی تاریک را در نظر نگیریم، سرنوشت جهان ما این‌گونه رقم خواهد خورد که انبساط جهان زمانی متوقف شده و سپس انقباض جهانی شروع خواهد شد و این انقباض سرانجام کل جهان را در نقطه‌ای جمع و فشرده خواهد کرد. این له‌شدگی بزرگ برخلاف انفجار بزرگی است که جهان از آن زاییده شده است. اما اگر همچنان جهان را بسته تصور کنیم و انرژی تاریک نیز وجود داشته باشد، جهان کروی ما تا ابد گسترش خواهد یافت.

اما اگر Ω را کمتر از یک در نظر بگیریم پس فضا-زمان باز خواهد بود، سطح یک زین را تصور کنید! در این حالت سرنوشت نهایی جهان ابتدا انجماد بزرگ و سپس از‌هم‌گسستگی بزرگ خواهد بود. در این نظریه، در زمانی سرعت انبساط جهان به‌حدی خواهد رسید که ستاره‌ها و کهکشان‌ها از هم گسسته شده و در فضای بین‌کهکشانی پخش خواهند شد، درنتیجه‌ی آن تمام ذرات هستی تنها و بسیار سرد رها خواهند شد. اما این پایان نهایی دنیا نیست، پس از این مرحله رشد بسیار قوی انبساط، جهان را به جایی خواهد رساند که حتی اثر نیروهای بین اتمی نیز خنثی شده و ذرات بنیادی از درون متلاشی خواهند شد و در فضای بی‌کران پراکنده می‌شوند.

حالت سوم این است که Ω برابر با یک باشد. در این حالت، جهان ما بدون خمیدگی و صاف خواهد بود و در تمام جهات به‌صورت نامحدود گسترش خواهد یافت. اگر انرژی تاریک وجود نداشته باشد این جهان مسطح برای همیشه با یک نرخ شتاب منفی گسترش خواهد یافت تازمانی که این شتاب به صفر برسد و جهان در حالتی پایدار باقی بماند، اما اگر انرژی تاریک وجود داشته باشد، سرنوشت نهایی جهان گسترش همیشگی و در نهایت انجماد بزرگ و سپس از هم گسستگی بزرگ خواهد بود.

در قلمرو عجیب و غریب الکترون‌ها، فوتون‌ها و دیگر ذرات بنیادی؛ قوانین فیزیک کوانتوم رفتارها را مشخص می‌کنند. در این اندازه، ذرات نه مانند توپ‌های کوچک بلکه مثل امواجی که در فضایی بزرگ رها شده باشند، رفتار می‌کنند. هر ذره با یک تابع موج یا توزیع احتمال توضیح داده می‌شود. این توزیع احتمال به ما می‌گوید که مکان، سرعت و دیگر خواص هر متغیر چه مقادیری می‌تواند داشته باشد، اما دقیقاً نمی‌توانیم مقدارها را از آن به دست بیاوریم. تابع موج، دامنه‌ای از احتمالات را به ما می‌دهد تا زمانی‌که بتوانیم با آزمایش و به‌صورت تجربی، میزان و مکان دقیق هر ذره را به دست بیاوریم. اما برای به دست آوردن مقدار دقیق مانعی وجود دارد. هنگام اندازه‌گیری خواص ذرات تغییر کرده و نمی‌توانیم نتیجه‌ای را به دست بیاوریم. اما چگونه و چرا اندازه‌گیری یک ذره باعث فروپاشی تابع موج آن می‌شود؟ این مشکل که به‌نام خطای اندازه‌گیری شناخته می‌شود، مانع بزرگی در برابر شناخت ما از جهان است. درک اینکه واقعیت چیست و آیا اصلاً واقعیتی وجود دارد همه در گرو جواب به این سؤال است.

زمانی فیزیک‌دانان تصمیم گرفتند تمام ذرات بنیادی را ریسمان‌های تک‌بعدی تصور کنند. ریسمان‌هایی که به دور خود پیچیده شده و تفاوت آن‌ها در فرکانس متفاوت ارتعاشات آن‌ها است. با به وجود آمدن این نظریه، علم فیزیک بسیار ساده‌تر شد؛ با نظریه‌ی ریسمان فیزیک‌دانان توانستند قوانین فیزیک کوانتوم را با قوانین حاکم بر فضا-زمان یعنی نسبیت عام آشتی دهند و چهار نیروی طبیعت را در قالب یک چارچوب و نظریه‌ی واحد جای دهند. اما مشکل از آن جایی شروع می‌شود که نظریه‌ی ریسمان فقط در فضایی ۱۰ یا ۱۱ بعدی می‌تواند کار کند. ۳ بعد فضای بزرگ که آن را می‌توانیم ببینیم به‌علاوه‌ی ۶ یا ۷ بعد فضای فشرده و بسیار ریز و بُعد زمان. اندازه‌ی فضاهای فشرده همانند خود این ریسمان‌های لرزنده چیزی حدود یک میلیاردم اندازه‌ی هسته‌ی اتم هستند. هیچ راه شناخته شده یا حتی قابل تصوری برای بررسی اندازه‌ای به این کوچکی وجود ندارد و درنتیجه هیچ راهی نیز برای اثبات تجربی نظریه‌ی ریسمان وجود نخواهد داشت.

حرکت رو به جلوی زمان را با ویژگی از جهان به‌نام آنتروپی توضیح می‌دهند. تقریبا آنتروپی را می‌توان با میزان بی‌نظمی در جهان توضیح داد. همان‌گونه که بی‌نظمی رو به افزایش است، زمان نیز رو به جلو حرکت می‌کند. این حقیقت که آنتروپی در حال افزایش است را می‌توان با این منطق توضیح داد که میزان بیشتری از ترتیب‌های بی‌نظم نسبت به ترتیب‌های منظم در جهان وجود دارد و به همین دلیل ذرات تمایل دارند به سمت بی‌نظمی حرکت کنند تا به سمت منظم شدن. اما سؤال پیش آمده این است که چرا آنتروپی در گذشته بسیار پایین بوده است؟ به بیان دیگر آیا به دلیل همین آنتروپی بسیار پایین، جهان در آغاز خود از بی‌نهایت ماده و انرژی در نقطه‌ای بسیار کوچک تشکیل شده بود و پس از تولد به سرعت به اطراف منتشر شده است؟ برای درک بهتر این موضوع توصیه می‌کنیم مقاله‌ی پیشین ما در مورد حرکت رو به جلوی پیکان زمان مطالعه کنید.

فیزیک‌دانان نمی‌توانند بعضی از رفتارهای سیالات، از مایعات مانند آب گرفته تا گازها و دیگر سیالات را پیش‌بینی کرده و به جواب‌های منطبق بر آزمایش‌های تجربی برسند. در حقیقت حتی مشخص نیست که آیا راه حلی کلی برای آنچه معادلات ناویر-استوکس نامیده می‌شود وجود دارد و اگر وجود دارد آیا می‌تواند رفتار مایعات را در همه‌جا به درستی تشریح کرده و نقاط ناشناخته‌ی تکینه را توضیح دهد. به‌علت همین مشکلات به‌نظر می‌رسد ماهیت هرج‌و‌مرج هنوز به خوبی شناخته نشده است. فیزیک‌دانان و ریاضی‌دانان متعجب می‌شوند وقتی به درستی نمی‌توانند وضعیت آب‌و‌هوا را پیش‌بینی کنند. آیا این آشفتگی‌ها ذاتاً غیر قابل پیش‌بینی است؟ آیا توربولانس از معادلات ریاضی فراتر می‌رود؟ یا سرانجام با معادله‌ی ریاضی صحیح به نتیجه‌ای کلی خواهیم رسید؟

همه‌ی ما می‌دانیم که گرانش ماه باعث به وجود آمدن جز و مد در زمین و گرانش خورشید باعث گردش زمین به دور آن و ماندن سیاره‌ی ما در مدار خورشید می‌شود. اما درک ما از این واقعیت چقدر است؟ گرانش نیروی قدرتمندی است که از مواد ایجاد می‌شود و اجسام سنگین‌تر با گرانش بالاتر اجسام سبک‌تر را به سمت خود جذب می‌کنند. درحالی‌که دانشمندان تحقیقات زیادی را روی تأثیرات این نیرو انجام داده‌اند اما هنوز مطمئن نشده‌اند که چرا این نیرو وجود دارد. چرا نیرویی که اتم‌ها را درکنار یکدیگر نگه می‌دارد متفاوت از جاذبه است؟ آیا جاذبه یک ذره است؟ این‌ها سؤالاتی است که هنوز دانش کنونی ما از فیزیک توانایی پاسخ گویی به آن‌ها را ندارد.