بزرگترین رازهای حل نشده علم فیزیک

وب‌سایت گجت نیوز - جمشید اللهویردی‌پور: همواره در طول تاریخ، کشف رازهای بزرگ با چالش‌های بزرگ همراه بوده است. ما بیشتر پاسخهایمان را نسبت به اسرار این جهان یافته‌ایم؛ از علت افتادن سیب گرفته تا قرارگیری سیارات در مدار خورشید و همچنین آبی بودن رنگ آسمان. مکانیک کوانتوم و تئوری نسبیت اینشتین دیدگاه ما را نسبیت به جهان دگرگون کرد و فیزیک را دستخوش تغییرات بزرگی کرد. در زیر به راز های حل نشده علم فیزیک اشاره می‌کنیم که دانشمندان از پرداختن به آنها طفره رفته‌اند.

انرژی تاریک

برای دهه‌های متوالی، کیهان‌شناسان تصور می‌کردند که جهان پس از انفجار بزرگ نیز همین روند را طی می‌کند و اگرچه کهکشان‌ها هرکدام به سویی درحرکتند، اما سرعت حرکت جمعی آنها با گذشت زمان رو به کاهش است. اما یک دهه پیش، کیهان‌شناسان دریافتند که از چند میلیارد سال پیش، سرعت انبساط جهان در حال افزایش است آنها معتقدند که ظاهرا نیرویی پاد گرانش که آن را "انرژی تاریک " می‌نامند سبب این انبساط فزاینده است. اما آیا شواهدی بر درستی این فرضیه وجود دارد؟

بنابر مشاهدات صورت گرفته، ابرنواخترهایی که در فاصله‌های فوق‌العاده زیادی از زمین قرار دارند، دورتر از مکانی هستند که (در صورت کاهش سرعت انبساط جهان) باید باشند. در سال‌های اخیر کیهان‌شناسان در جستجوی شواهدی برای اثبات وجود ماده تاریک، به آنالیز خوشه‌های کهکشانی بسیار دور متشکل از هزاران کهکشان پرداخته‌اند که جرم هر کدام از آنها بیش از یک میلیون میلیارد (1015) برابرخورشید ماست. در واقع بررسی این خوشه‌های کهکشانی به عنوان وسیع‌ترین ساختار گرانشی شناخته شده جهان نشان می‌دهد که نیرویی ناشناخته تکامل تدریجی آنها را تحت تاثیر خود قرار داده است. با وجود این، دانشمندان تصور می‌کنند که انرژی تاریک حدود ۷۰ درصد جهان را تشکیل می‌دهد.

ماده تاریک

دانشمندان نمی‌توانند ماده تاریک را مشاهده کنند، بنابراین راه بخصوصی برای مطالعه آن دارند. آنها ماده تاریک را با توجه به این که چگونه بر ماده قابل مشاهده اثر می گذارد مطالعه می‌کنند. دانشمندان از رایانه‌ها و ماهواره‌ها استفاده می‌کنند تا به مطالعه ماده تاریک بپردازند. تلسکوپ فضایی هابل تصاویری گرفته که به دانشمندان کمک کرده کشف کنند ماده تاریک کجاها یافت می‌شود.

دانشمندان با درهم آمیختن یک مدل نظری درباره ترکیبات تشکیل ‌دهنده جهان با مجموعه‌ای از مشاهدات کیهانی می‌گویند که بیش از ۶۸ درصد جهان از انرژی تاریک، ۲۷ ٪ از ماده تاریک و حدود ۵ درصد از مواد عادی تشکیل شده است. یعنی همه آن چیزهایی که بر روی زمین وجود دارد، همه آن چیزهایی که تاکنون با تمام ابزارهای ممکن مشاهده شده‌اند. به این ترتیب اگر همه مواد عادی به هم اضافه شوند کمتر از ۵ ٪ جهان را تشکیل می‌دهند. البته اگر دوباره فکر کنیم می‌بینیم که شاید نباید به موادی که آنها را عادی می‌نامیم نام عادی بدهیم چراکه بخش کوچکی از عالم را تشکیل می‌دهد. در این شرایط ماده تاریک چیست‌؟

آیا جهان‌های موازی وجود دارند؟

دنیای موازی مانند شعبه‌ای از دنیای ما عمل می‌کند و این دو دنیا ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند. امکان دارد جنگ‌ها در هر یک از این دنیاها نتایج متفاوتی در برداشته باشد یا حیواناتی که در دنیای ما منقرض شده‌اند، در دنیای دیگر رشد و تغییر کرده و به حیات خود ادامه می‌دهند. حتی این امکان نیز وجود دارد که در دنیای دیگر، نسل انسان‌ها به طور کامل منقرض شده باشند. اطلاعات اختر فیزیک‌شناسان نشان می‌دهد که فضا-زمان ممکن است مسطح باشد به جای آن که 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 بی‌نهایت 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 به معنای داشتن بی نهایت جهان موازی است؛ جهان‌هایی دقیقا مانند ما، همینطور جهان‌هایی تنها با یک تفاوت از جهان ما، جهان‌هایی با دو تفاوت و … آیا این منطق اشتباهی دارد یا نتیجه عجیب آن درست است؟ و اگر درست است آیا ما بالاخره می‌توانیم حضور جهان‌های موازی را آشکار کنیم؟

ماده و پاد ماده

اختلاف روشنی بین نسبت این دو یعنی ماده و پاد ماده وجود دارد. تصور می‌شد مقدار مساوی ماده معمول و پاد ماده در جهان اولیه وجود دار؛ ذراتی با جرم مشابه ولی بار مخالف. در حال حاضر جهان با ماده متقارن (و معین) پوشانده شده است. نظریه‌های بسیاری درباره‌ی این موضوع وجود دارد، به طور مثال پیدایش ذرات مطلوب یکی از راه‌های ایجاد ماده است، اما هیچ چیز قطعی بروز نکرده است. رمز و راز چگونگی "پیروزی" ماده بر پاد ماده، ممکن است در به روز رسانی جدید برخورد دهنده‌ی هادرونی بزرگ سرن آشکار شود.

آیا ما در یک هولوگرام زندگی می‌کنیم؟

این مورد مغز را متحیر می‌کند. هر چیزی که ما در جهان می‌بینیم و حس می‌کنیم و تجربه می‌کنیم، در واقع ممکن است دو بعد فضایی داشته باشند. یک هولوگرام دو بعدی، شبیه هولوگرامی است که بر روی پشت یک کارت اعتباری است؛ می‌تواند همه اطلاعات یک عکس سه بعدی را داشته باشد اما تنها دو بعد دارد. برخی از دانشمندان فرض کرده‌اند که جهان ما شبیه یک هولوگرام موجود بر روی یک کارت اعتباری است؛ به نظر می‌رسد فضا سه بعد دارد، اما به نوبه خود ممکن است این تجسمی از یک جهان دو بعدی فراتر از درک ما باشد.

سرنوشت جهان چیست؟

سرنوشت جهان شدیدا به فاکتوری با مقدار نامعلوم بستگی دارد: Ω ، میزان چگالی ماده و انرژی در جهان. اگر Ω بیشتر از ۱ باشد فضا-زمان مانند سطح یک کره عظیم بسته خواهد بود. اگر انرژی تاریک وجود نداشته باشد چنین دنیایی از گسترده شدن باز می‌ایستد و در عوض منقبض می‌شود و در نهایت با رویدادی به نام مه رُمب پایان می‌یابد. اگر جهان بسته باشد و انرژی تاریک وجود داشته باشد این جهان کروی تا ابد به گسترش ادامه خواهد داد.

شکل عالم مفهومی است برخاسته از نسبیت عام اینشتین، نظریه‌ای که به توصیف چگونگی انحنای فضا زمان در حضور ماده و انرژی می‌پردازد. این انحنا می‌تواند بر شکل عالم تاثیر بگذارد و آن را به سه صورت مختلف تخت (بدون انحنا) باز (انحنای منفی) و بسته (انحنای مثبت) توضیح دهد. هر شکل بستگی به کل جرم و انرژی‌ در واحد حجم دارد. اگر در عالم میزان جرم و انرژی بسیار زیاد باشد در این صورت خمیدگی عالم مثبت خواهد بود، مانند توپی گرد. اگر میزان جرم و انرژی خیلی کم باشد خمیدگی عالم منفی خواهد بود، درست مانند زین اسب.

فقط در صورتی که عالم چگالی صحیح با تعداد اندکی پروتون در هر متر مکعب را داشته باشد، می‌تواند بدون خمیدگی و در نتیجه تخت باشد. عالم تخت عالمی است که باریکه‌های نور به موازات یکدیگر حرکت می‌کنند. عالم تخت حد فاصلی بین بسته (پرتوهای نور در آن به سمت یکدیگر همگرا می‌شوند) و عالم باز (باریکه های نور واگرا) است.

آیا در بی‌نظمی، نظمی هم وجود دارد؟

فیزیکدانان نمی‌توانند دسته معادلاتی را که رفتار سیالات؛ از آب تا هوا و دیگر مایعات و گازها، را توصیف می‌کند، دقیقا حل کنند. در واقع معلوم نیست که آیا راه حلی عمومی‌برای معادلات ناویه استوکس (مدل ریاضی حاکم بر حرکات، جریانات، و دینامیک سیالات) وجود دارد یا خیر و اگر وجود دارد آیا تمام سیالات را توصیف می‌کند یا نقاط ناشناخته یا تکینگی (Singularity) دارد؟ به عنوان یک پیامد، طبیعت بی‌نظمی کاملا شناخته شده نیست.

فیزیکدانان و ریاضیدانان می‌پرسد آیا رفتار هوا به سختی قابل پیش بینی است یا کاملا غیر قابل پیش بینی است؟ آیا آشفتگی از توصیفات ریاضی سبقت می‌گیرد و یا وقتی با ریاضی درست با آن کار کنیم قابل فهم است؟

چطور اندازه گیری‌ها توابع موج کوانتوم را فرو می‌ریزد؟

در محدوده عجیب الکترون‌ها، فوتون‌ها و دیگر ذرات بنیادی، قانون مکانیک کوانتوم است. ذرات مانند توپ‌های کوچک رفتار نمی‌کنند بلکه مانند موج‌هایی هستند که در یک فضای بزرگ پخش شده اند. هر ذره با یک تابع موج یا توزیع تصادفی توصیف می‌شود که به ما مکان، سرعت و اینکه دیگر ویژگی‌ها چطور ممکن است باشند، نه اینکه چه هستند، را می‌گوید. هر ذره محدوده‌ای از مقادیر را تا زمانی که به طور تجربی اندازه‌گیری شود برای ویژگی‌هایش دارد - برای مثال، مکان ذره- در این زمان تابع موج فرو می‌ریزد و ذره تنها یک مکان می‌گیرد.

اما چطور و چرا اندازه‌گیری یک ذره باعث فروریختن تابع موج آن می‌شود و واقعیتی که ما مشاهده می‌کنیم را تولید می‌کند؟ این مسئله که به مشکل اندازه‌گیری معروف است ممکن است مبهم به نظر برسد اما درک ما از واقعیت، اگر وجود داشته باشد، وابسته به این جواب است.

آیا نظریه‌ی ریسمان صحیح است؟

وقتی فیزیکدانان فرض می‌کنند که تمام ذرات بنیادی در واقع حلقه‌های یک بعدی یا ریسمان هستند که هرکدام با بسامد متفاوتی نوسان دارند، فیزیک آسان‌تر می‌شود. تئوری ریسمان فیزیکدانان را قادر می‌سازد قوانینی که بر ذرات حاکم است، مکانیک کوانتوم، را با قوانینی که بر فضا-زمان حاکم است، نسبیت عام، وفق دهند و ۴ نیروی بنیادی طبیعت را در یک قاب متحد کنند.

تابع موج دامنه‌ای از احتمالات را به ما می‌دهد تا زمانی که بتوانیم با آزمایش و به صورت 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 به نام خطای اندازه‌گیری شناخته می‌شود مانع بزرگی در برابر شناخت ما از جهان است.

طول عمر کیهان

این رمز و راز، پایان کیهان، ممکن است تا شب به یاد شما نماند، اما قطعاً در آینده‌ی دور باعث نگرانی درباره‌ی زنده ماندن می‌شود. پیش‌بینی شده است این رویداد حماسی در حدود ۱۰ میلیارد سال دیگر رخ دهد. دو نظریه‌ی مخالف هم، بیگ کرانچ (Big Crunch) و شکافتگی بزرگ (Big Rip) می‌باشد بیگ کرانچ، اثر مقابل بیگ بنگ است - در واقع همه‌ی اجزای ماده در جهان از شتابی که نسبت به هم دور می‌شوند، متوقف شده و در عوض شروع به شتاب گرفتن به سمت یکدیگر خواهند کرد. ممکن است یک تصادم هیجانی همه مواد در این جهان را پدید آورد.

در شکافتگی بزرگ نیز تمام اجزای ماده در جهان با شتاب به دور شدن از یکدیگر ادامه می‌دهند، سریعتر و سریعتر تا در نهایت فضا - زمان، چنان سریع شکافته می‌شود که اتم‌های موجود نیز به قطعات مختلف و ریزتر تجزیه می‌شوند (بعید است در این یکی نیز انسان زنده بماند). این دو احتمال، تنها نتایج ممکن برای جهان نیست - متأسفانه بعید به نظر می‌رسد که نسل ما سرنوشت نهایی خود را بداند.