9 مورد از بزرگترین رازهای علم فیزیک

MacTavish · 31/8/19

گفته می‌شود که در سال 1900، فیزیکدان بریتانیایی، لرد کلوین بیان کرده است که دیگر چیز جدیدی برای کشف در علم فیزیک وجود ندارد و تمام چیزی که باقی مانده، اندازه‌گیری دقیق‌تر برخی کمیات فیزیکی است. سه دهه پس از آن بود که مکانیک کوانتومی و نسبیت انیشتین ظهور کرده و علم فیزیک را متحول کردند. امروزه دیگر فیزیکدانی نیست که جرات داشته باشد و بگوید فیزیک به پایان خود نزدیک شده است. به عکس، به نظر می‌رسد که هر کشف جدید، جعبه‌ی پاندورایی را باز می‌کند که در پس آن، رازهای علم فراتری نهفته است و ما را با سوالات بیشتر و حتی عمیق‌تری مواجه می‌کند. چند مورد از برجسته‌ترین این رازها را در ادامه مرور خواهیم کرد. مواردی همچون: جهان‌های موازی، حرکت زمان در یک جهت خاص و توضیح مناسب برای عدم تقارن ماده و پادماده.

1. انرژی تاریک چیست؟

کیهان ما با سرعتی فزاینده در حال انبساط است. هرچند گرانش نیرویی است که تمایل دارد تا کیهان را روی خودش فروبریزد، اما آنچه که مشاهده می‌کنیم انبساط جهان، آن هم به صورت شتابدار است. کیهان‌شناسان دلیل این انبساط شتابدار را عاملی ناشناخته به نام انرژی تاریک می‌دانند. در مدلی که به صورا عام مورد پذیرش کیهان‌شناسان است، این انرژی تایک به صورت ثابت کیهان‌شناسی نمود پیدا می‌کند. عاملی با فشار منفی که فضا را در خلاف جهت گرانش، منبسط می‌کند. هر چقدر که جهان بزرگتر می‌شود، فضای بیشتری نیز تولید خواهد شد. همراه با این فضای جدید، انرزی تاریک بیشتری نیز بوجود خواهد آمد. طبق رصدهای انجام‌شده، انرژی تاریک سهمی بیش از 70 درصد ماده و انرژی کیهان را شامل می‌شود. اما هنوز هیچکس نمی‌داند که چگونه باید به دنبال آن گشت. تنها موفقیتی که تا کنون حاصل شده است، محدودتر کردن کاندیداهای انرژی تاریک است.

هرچند که طبق تحقیق جدیدی که انجام شده است، ممکن است اساسا ظاهرشدن مفهوم انرژی تاریک، حاصل خطاهای محاسباتی باشد. چرا که انبساط جهان برخلاف آنچه که تصور می‌شود، شتابدار نیست. البته هنوز نیاز است تا تحقیقات مستقل دیگری نیز انجام شود و بعد از آن مشخص می‌شود که آیا انرژی تاریک به واقع وجود دارد یا خیر. پس تا آن زمان فرض را بر وجود آن خواهیم گرفت.

2. ماده تاریک

آنچه مسلم است، این است که 84 درصد از ماده موجود در کیهان، نه نوری از خود ساطع می‌کند و نه آن را جذب می‌کند. به این ماده ناشناخته، ماده تاریک گفته می‌شود. تا کنون ماده تاریک به صورت مستقیم آشکارسازی نشده است. در عوض، وجود داشتن و خواص آن، از روی اثرات گرانشی که بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار جهان می‌گذارد، شناخته شده است. این ماده ناشناخته، در بازوهای خارجی کهکشان‌ها چگالی بیشتری دارد و احتمالا از ذرات پرجرم برهم‌کنش‌کننده ضعیف، یا WIMP ها تشکیل شده است. امروزه در چند نقطه جهان، آشکارسازهایی برای شکار ردی از این ذرات ساخته شده است. اما تاکنون هیچکدام در این زمینه موفق نبوده‌اند. تحقیق جدیدی پیشنهاد کرده است که ماده تاریک ممکن است به شکل رشته‌های دانه‌ای طولانی در کیهان پراکنده باشد و اینطور رشته‌های احتمالا همانند موهای سر، از زمین به بیرون تابش می‌کنند. اطلاعات بیشتر در این زمینه را در این لینک می‌توانید مطالعه کنید.

3. چرا برای زمان یک جهت مشخص وجود دارد؟

زمان همیشه در جهت مستقیم حرکت می‌کند. دلیلش مفهومی به نام آنتروپی است که تعریف غیردقیق آن برابر با بی‌نظمی می‌شود. آنتروپی کیهان همواره در حال زیاد شدن است و راهی نیست تا بتوان پس از افزایش آن، مقدارش را کمتر کرد. به همین ترتیب زمان نیز به عقب برنمی‌گردد. البته در سیستم‌های بسته و محدود، آنتروپی ممکن است کم شود، اما در این حالت نیز مجموع آنتروپی سیستم به اضافه محیط مطمئنا زیاد شده است. افزایش آنتروپی یک موضوع منطقی است: تعداد مجموعه‌های نامنظمی از ذرات، بیشتر از تعداد مجموعه‌های منظم است. به علاوه همانطور که این سیستم‌ها تغییر می‌کنند، تمایلشان به بی‌نظم‌تر شدن بیشتر است. اما سوالی که در این جا وجود دارد، این است که چرا در گذشته، آنتروپی آنقدر کم بوده است؟ یا به عبارت دیگر، در آغاز کیهان، زمانی که حجم عظیمی از انرژی در ناحیه کوچکی متمرکز شده بود، چرا کیهان به آن میزان منظم بوده است؟

4. جهان‌های موازی

مورد بعدی از رازهای علم ، مسئله وجود جهان‌های موازی است. داده‌های اخترفیزیکی نشان می‌دهد که فضا زمان کیهان ما ممکن است به جای کروی بودن، کاملا تـ*ـخت باشد و تا بی‌نهایت ادامه پیدا کند. اگر چنین باشد، آن مقداری از فضا که می‌توانیم آن را ببینیم و به آن نام کیهان اطلاق می‌کنیم، تنها بخشی از چندین جهان به هم پیوسته است. قوانین مکانیک کوانتومی می‌گوید که تنها تعداد محدودی از پیکربندی‌های ممکن از ذرات می‌تواند در کیهان وجود داشته باشد (10 به توان 10 به توان 122). حال اگر تعداد بی‌شماری کیهان داشته باشیم، پیکربندی‌های ذرات درون آنها مجبور است تا تعداد زیادی دفعه تکرار شود. این یعنی تعداد بسیاری جهان‌های موازی وجود دارد؛ جهانی کاملا همانند جهان ما (و شامل همزاد من و شما)، جهانی که تفاوتش تنها در مکان یک ذره نسبت به جهان ما است، جهانی با تفاوت مکانی دو ذره و همینطور تا جهانی که کاملا با کیهان ما متفاوت است.

آیا چنین نتیجه‌ای از نظر منطقی اشتباه است؟ یا تنها نتیجه‌ای درست و بسیار عجیب است؟ و اگر درست است، اصلا چگونه می‌توانیم چنین جهان‌های موازی را کشف کنیم؟

5. چرا مقدار ماده بیشتر از پادماده است؟

این سوال که چرا مقدار ماده در کیهان ما بسیار بیشتر از ذرات پادماده است، (یعنی ذراتی کاملا مشابه اما با بار الکتریکی و اسپین مخالف) صورت دیگری از این سوال است که چرا اصلا هرچیزی در جهان ما وجود دارد. این هرچیزی شامل تمامی کهکشان‌ها و ستارگان درون آنها می‌شود. یک فرض این است که کیهان ما نسبت به ماده و پادماده رفتاری مشابه دارد. بنابراین در لحظه بیگ‌بنگ، مقدار مساوی از ماده و پادماده باید تولید شده باشد. اما اگر این چنین بود، بایستی تمامی این ذرات همدیگر را نابود می‌کردند. یعنی پروتون‌ها و پادپروتون‌ها با برخورد به هم، همدیگر را نابود و تولید فوتون می‌کردند. همین اتفاق نیز بایستی برای الکترون‌ها با پادالکترون‌ها و نوترون‌ها با پادنوترون‌ها می‌افتاد و در نهایت جهانی پر از فوتون و خالی از هرگونه ماده می‌داشتیم. بنا به دلیلی، تعداد ذرات ماده بر تعداد ذرات پادماده غلبه داشته است و نتیجه‌اش این شده که امروزه من و شما و تمامی کهکشان‌ها وجود داریم. این موضوع هنوز به طور مشخص پاسخی ندارد و همچنان به عنوان یکی از رازهای علم فیزیک مطرح است.

6. سرنوشت جهان ما چیست؟

سرنوشت کیهان ما به شدت وابسته به ثابتی به نام Ω است که به طور دقیق تعیین نشده است. این ثابت، چگالی ماده و انرژی کیهان ما را مشخص می‌کند. اگر Ω بزرگتر از یک باشد، فضا زمان مشابه سطح یک کره بسیار بزرگ، بسته خواهد بود. اگر انرژی تاریک وجود نداشته باشد، پس از مدت زمانی، چنین جهانی از انبساط باز خواهد ایستاد و در جهت عکس شروع به انقباض می‌کند. در نهایت تمامی کیهان در نقطه کوچکی روی خود فرو می‌ریزد که به آن Big Crunch گفته می‌شود. اما اگر جهان بسته باشد و انرژی تاریک هم وجود داشته باشد، جهان تا ابد به انبساط خود ادامه خواهد داد.

اگر مقدار Ω کوچکتر از یک باشد، هندسه کیهان باز و مشابه زین اسب خواهد بود. سرنوشت چنین جهانی Big Freeze یا انجماد بزرگ است که به دنبال آن مرحله Big Rip پیش خواهد آمد. به این صورت که شتاب انبساط عالم باعث از هم گسیخته شدن کهکشان‌ها و ستاره‌های موجود در آنها می‌شود. اینگونه تمامی مواد کیهان به صورت تنها و منجمد باقی خواهد ماند. پس از آن این شتاب باز هم بیشتر خواهد شد و بر نیروهایی که اتم‌ها را کنار هم نگه می‌دارد نیز غلبه خواهد کرد و آنها را نیز هم جدا کرده و همه چیز را نابود خواهد کرد.

اگر Ω برابر یک باشد، جهان کاملا تـ*ـخت خواهد بود و مانند یک صفحه بی‌نهایت در تمامی جهات ادامه خواهد داشت. اگر انرژی تاریکی در کار نباشد، چنین جهانی برای همیشه منبسط خواهد شد. اما سرعت انبساط آن روند کاهشی خواهد داشت و در نهایت به نقطه‌‌ای ایستا خواهد رسید. اما اگر انرژی تاریک هم داشته باشیم، برای این جهان نیز سرنوشت Big Rip در انتظار آن خواهد بود و انبساط باعث از هم گسیخته‌شدن همه چیز خواهد شد.

سرنوشت جهان در هر کدام ازین حالت‌ها که نهفته باشد، موضوع مشترک این است که جهان در نهایت نابود خواهد شد و از این حقیقت گریزی نیست.

7. چگونه اندازه‌گیری باعث فروریزش توابع موج می‌شود؟

در دنیای عجیب و غریب الکترون‌ها، فوتون‌ها و دیگر ذرات بنیادی، قوانین مکانیک کوانتومی حکم‌فرماست. این ذرات همچون توپ‌های کوچکی نیستند که قوانین نیوتونی بر آنها قابل اعمال باشد. بلکه به صورت امواجی‌اند که در ناحیه بسیار وسیعی گسترده شده‌اند. هر ذره توسط تابع موج یا توزیع احتمال توصیف می‌شود که مکان، سرعت و دیگر خواص را نه به طور دقیق، که به صورت احتمالی به ما می‌گوید. در واقع برای ویژگی‌های مختلف هر ذره، بازه‌ای از احتمال وجود دارد و زمانی که یکی از این خواص اندازه‌گیری شود، (مثلا مکان ذره) آنگاه تابع موج فرو می‌ریزد و ذره تنها در یک مکان یافت می‌شود. در حالی که قبل از اندازه‌گیری احتمالش وجود داشت که ذره در تعداد نقاط زیادی با احتمالات گوناگون یافت شود.

اما چرا اندازه‌گیری یک ذره، باعث فروریزش تابع موج آن می‌شود و واقعیت مسلمی که آن را حس می‌کنیم را پدید می‌آورد؟ این موضوع به عنوان مشکل اندازه‌گیری مطرح می‌شود. شاید کمی مبهم به نظر برسد، اما فهم ما از اینکه واقعیت چیست، یا اصلا چیزی به عنوان واقعیت وجود دارد یا نه، به پاسخ ما به این پرسش وابسته است.

8. آیا تئوری ریسمان درست است؟

زمانی که فیزیکدانان، تمامی ذرات بنیادی را به صورت حلقه‌های تک‌بعدی یا همان ریسمان فرض می‌کنند که هرکدام در فرکانس‌های مختلف نوسان می‌کنند، فیزیک بسیار ساده‌تر می‌شود. نظریه ریسمان، قوانینی که بر ذرات بنیادی حاکم است (مکانیک کوانتومی) را با قوانین حاکم بر فضا – زمان در مقیاس‌های کیهانی (نسبیت عام) سازگار می‌کند. به علاوه باعث اتحاد چهار نیروی بنیادی طبیعت در یک چارچوب واحد می‌شود. مشکل این است که نظریه ریسمان تنها در جهانی با 10 یا 11 بعد کار می‌کند: سه بعد فضایی، شش یا هفت بعد فضایی فشرده و یک بعد زمانی. ابعاد فضایی فشرده (و همچنین ارتعاش خود ریسمان‌ها) اندازه‌ای کمتر از یک میلیاردم یا یک تریلیونم هسته یک اتم دارند. هیچ راه ممکنی برای آشکارسازی چنین ابعاد بی‌نهایت کوچک، وجود ندارد و بنابراین نمی‌توان نظریه ریسمان را تایید یا رد کرد. به این صورت یکی دیگر از رازهای علم همچنان بی‌پاسخ باقی خواهد ماند.

9. آیا در هرج و مرج، نظمی نهفته است؟

فیزیک‌دانان به طور دقیق نمی‌توانند مجموعه معادلاتی که رفتار سیالات را توضیح می‌دهند، حل کنند. از سیالی چون آب گرفته، تا هوا و تمامی مایعات و گازهای دیگر. در واقع مشخص نیست که اصلا حل کلی معادلات معروف ناویر – استوکس وجود دارد یا خیر. همچنین اگر چنین حلی وجود دارد، آیا رفتار سیالات را در تمامی مکان‌ها توضیح می‌دهد یا در برخی از نقاط (که به نقاط تکین معروفند) نامعین است. در نتیجه، طبیعت اینگونه هرج و مرج‌ها، کاملا شناخته شده نیست. مثال دیگر وضعیت آب و هوایی است که هنوز فیزیکدانان نمی‌دانند پیش‌بینی آن مشکل است و یا اصلا امکان‌پذیر نیست. به طور کلی سوال این است که آیا اغتشاش‌ها، نسبت به توضیح و توصیف ریاضیاتی، برتری دارند و یا اینکه باید ریاضیات درست را به کار برد تا اینگونه اغتشاش‌ها را بتوان کنار زد.

لیست 9 مورد از رازهای علم که هنوز حل‌نشده باقی مانده‌اند به پایان رسید. برخی از آنها واقعا به نظر میرسد که هیچگاه به جواب قطعی نخواهند رسید، اما می‌توان امیدوار بود که برخی را نیز در سال‌های آینده بتوان پاسخ داد. در هر صورت علم همیشه راه رو به جلوی خود را در پیش خواهد گرفت. گاهی آهسته، گاهی نیز به صورت تصاعدی و انفجاری!