جدید ترین عناوین خبری امروز
Registering new users is currently not allowed.
انرژی تاریک چندجهانی
ثابت کیهان‌شناختی فیزیکدان‌ها را به مدت بیش از یک قرن گرفتار کرده است

ممکن است «بزرگترین خطای اینشتین» سرانجام برطرف شود

یک مشکل بنیادی در فیزیک وجود دارد.

یک عددِ تنها، به نام ثابت کیهان‌شناختی، دنیای میکروسکوپی مکانیک کوانتومی و دنیای ماکروسکوپی نسبیت عام اینشتین را به هم مربوط می‌کند. اما هیچ نظریه‌ای نمی‌تواند مقدار این ثابت را بپذیرد.

در واقع، یک اختلاف بسیار بزرگ بین مقدار بدست آمده از طریق رصدها و آن‌چه که نظریه پیش‌بینی می‌کند وجود دارد که به عنوان بدترین پیش‌بینی نظریه در تاریخ فیزیک مشهور است. برطرف کردن این اختلاف شاید مهم‌ترین هدف فیزیک نظری در این قرن باشد.

لوکاس لمبریسر(۱) ، استادیار فیزیک نظری در دانشگاه ژنوِ سوئیس، یک روش جدید برای محاسبه‌ی معادلات اینشتین و یافتن مقداری برای ثابت کیهان‌شناختی معرفی کرده است که مقداری بسیار نزدیک به مقدار رصدی ثابت کیهان‌شناختی بدست می‌آورد. وی این روش را در مقاله‌ای که در ۱۰ اکتبر در ژورنال Physics Letter B به چاپ رسانده است.

چگونه بزرگترین خطای اینشتین انرژی تاریک شد

داستان ثابت کیهان‌شناختی به بیش از یک قرن پیش باز می‌گردد، زمانی که اینشتین مجموعه معادلات خویش که به عنوان معادلات میدان اینشتین مشهورند را معرفی کرد و این معادلات چارچوب کلی نظریه نسبیت عام را تشکیل می‌دهند. این مجموعه معادلات، چگونگی انحنای فضازمان توسط ماده و انرژی و ایجاد نیروی گرانش را توضیح می‌دهند. در آن زمان، هم اینشتین و هم منجمان توافق داشتند که جهان از نظر ابعاد ثابت است و فاصله‌ی کلی بین کهکشان‌ها تغییر نمی‌کند. اما، زمانی‌که اینشتین نسبیت عام را برای توصیف کیهان به عنوان یک کل به کار برد، نظریه‌ی وی یک جهان ناپایدار را پیش‌بینی کرد که باید یا منبسط شود یا منقبض. برای آن‌که جهان ایستا باشد، اینشتین یک ثابت کیهان‌شناختی را ضمیمه معادلاتش کرد.

تقریبا یک دهه‌ی بعد، فیزیکدان دیگری به نام ادوین هابل، کشف کرد که جهان ما نه تنها ایستا نیست بلکه در حال انبساط است. نور دریافتی از کهکشان‌های دور نشان داد که آن‌ها از یکدیگر در حال دور شدن هستند. این کشف اینشتین را متقاعد کرد که ایده‌ی ثابت کیهان‌شناختی را رها کند چرا که دیگر برای توصیف جهان انبساط یابنده نیازی به آن نبود. فیزیک روایت می‌کند که اینشتین بعدها اعتراف کرد که معرفی ثابت کیهان‌شناختی شاید بزرگترین خطای وی بوده است. 

در سال ۱۹۹۸، رصدهای ابرنواخترهای دوردست نشان داد که جهان نه تنها در حال انبساط است، بلکه انبساط در حال سرعت گرفتن است. کهکشان‌ها با شتاب از یکدیگر در حال دور شدن هستند چنانکه گویی نوعی نیروی ناشناخته بر گرانش غلبه کرده و کهکشان‌ها را دور از هم پرتاب می‌کند. فیزیکدان‌ها این پدیده‌ی مرموز را انرژی تاریک نامیدند، همچنان که ماهیت حقیقی آن یک راز باقی مانده است.

بطور طنزگونه‌ای، فیزیکدان‌ها بار دیگر ثابت کیهان‌شناختی را وارد معادلات اینشتین کردند تا نقش انرژی تاریک را ایفا کند. در مدل استاندارد کیهان‌شناسی که به عنوان ΛCDM شناخته می‌شود، ثابت کیهان‌شناختی با انرژی تاریک تعویض‌پذیر است. اخترشناسان مقدار ثابت کیهان‌شناختی را بر اساس مشاهدات ابرنواخترهای دوردست و افت‌وخیزهای تابش ریزموج پس زمینه‌ی کیهانی تخمین زده‌اند. اگرچه مقدار آن بطرز بی‌معنایی در مقیاس کیهان کوچک است (از مرتبه‌ی ۵۲-۱۰ در متر مربع) ، اما برای توجیه انبساط شتابدار فضا به اندازه کافی مهم است. لمبریسر می‌گوید:

ثابت کیهان‌شناختی (یا انرژی تاریک) در حال حاضر حدود ۷۰ درصد محتوای انرژی کیهان را تشکیل می‌دهد. با این‌حال هنوز این ثابت را درک نکرده‌ایم. تلاش‌ها برای توضیح آن تاکنون شکست خورده‌اند، و به نظر می‌رسد چیزی بنیادی را در درکمان از کیهان را نادیده می‌گیریم. حل کردن این معما یکی حوزه‌های پژوهشی مهم در فیزیک نوین است. بطور کلی پیش‌بینی می‌شود که حل این موضوع ممکن است ما را به یک درک بنیادی‌تر از فیزیک رهنمون کند.

بدترین پیش‌بینی نظری در تاریخ فیزیک

تصور می‌شود که ثابت کیهان‌شناختی نمایانگر آن‌چه که فیزیکدانان «انرژی خلاء» می‌نامند باشد. نظریه میدان کوانتومی بیان می‌کند که حتی در یک خلاء کاملا تهی ، ذرات مجازی بوجود می‌آیند و نابود می‌شوند و انرژی تولید می‌کنند، ایده‌ای که ظاهرا بی‌معنا به نظر می‌رسد، اما به صورت تجربی مشاهده شده است. مشکل از جایی آغاز می‌شود که فیزیکدان‌ها تلاش می‌کنند سهم انرژی خلاء را در ثابت کیهان‌شناختی محاسبه کنند. نتایج این محاسبه از مقدار رصدی برای ثابت کیهان‌شناختی با ضریب باور نکردنی ۱۰۱۲۱ ( یک ۱۰ که ۱۲۰ صفر جلوی آن نوشته می‌شود) اختلاف دارد. این اختلاف به عنوان بزرگترین اختلاف بین نظریه و آزمایش در کل فیزیک شناخته می‌شود.

این عدم توافق موجب شد که برخی فیزیکدان‌ها در معادلات گرانش اولیه‌ی اینشتین تردید کنند؛ حتی برخی پیشنهاد مدل‌های گرانش جایگزین را مطرح کرده‌اند. اما، شواهد بیشتر برای امواج گرانشی که توسط رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) تنها نسبیت عام را تقویت کرده‌اند و دیگر نظریه‌های جایگزین متعدد را رد می‌کنند. این دلیلی است که لمبریسر به جای بازاندیشی گرانش، رویکرد متفاوتی برای حل این معمای کیهانی برگزید. لمبریسر می‌گوید:

سازو کاری که من پیشنهاد می‌دهم تغییر معادلات میدان اینشتین نیست. بلکه در عوض یک معادله‌ی اضافی به ابتدای معادلات اینشتین اضافه می‌کند.

ثابت گرانشی که در ابتدا در قانون گرانش اسحاق نیوتن به کار برده شد، و اکنون یک جزء اساسی از معادلات میدان اینشتین است، اندازه نیروی گرانشی بین دو جسم را توصیف می‌کند. این ثابت به عنوان یکی از ثوابت بنیادی فیزیک شناخته می‌شود، و از زمان آغاز کیهان تاکنون بدون تغییر بوده است. لمبریسر فرض کرده است که این ثابت می‌تواند تغییر کند.

در اصلاحی که لمبریسر در نسبیت عام انجام داده است، ثابت گرانش در کیهان مشاهده‌پذیر یکسان است اما فراتر از آن می‌تواند تغییر کند. وی یک سناریوی چندجهانی پیشنهاد می‌دهد که ممکن است قطعه جهان‌هایی که برای ما قابل مشاهده نیستند وجود داشته باشند که مقادیر متفاوتی از ثابت‌های بنیادی دارند.

این تفاوت گرانش یک معادله‌ی اضافی در اختیار لمبریسر قرار داد که ثابت کیهان‌شناختی را به مجموع متوسط ماده در کل فضا-زمان مرتبط کند. بعد از آن‌که وی برای مجموع جرم تخمین‌زده شده برای کل کهکشان‌ها، ستاره‌ها و ماده تاریک محاسبه کرد، توانست معادله‌ی جدید را برای بدست آوردن مقدار جدید ثابت کیهان‌شناختی حل کند که مقداری بسیار نزدیک به مشاهدات رصدی را بدست داد.

با استفاده از پارمتر جدید ΩΛ (امگا لامبدا) ، که بیان‌گر کسری از جهان است که از ماده تاریک تشکیل یافته است، لمبریسر دریافت که حدودا ۷۴ درصد از کیهان را انرژی تاریک ساخته است. این عدد به مقدار ۶۸/۵ درصدی که از مشاهدات بدست آمده است نزدیک است که یک بهبود عظیم نسبت به اختلاف‌های مقادیر بسیار بزرگ یافت شده در نظریه میدان کوانتومی است.

اگرچه چارچوب پیشنهادی لمبریسر ممکن است مسأله ثابت کیهان‌شناختی را حل کند، اما در حال حاضر هیچ راهی برای آزمودن آن وجود ندارد. اما در آینده، اگر آزمایش‌هایی از دیگر نظریه‌ها معادلات وی را تأیید کنند، ممکن است به معنای یک جهش بزرگ در درک ما از انرژی تاریک باشد و ابزاری برای حل دیگر اسرار کیهانی فراهم آورد.


(۱) Lucas Lombriser

به اشتراک بگذارید
دیدگاه ها 0

دیدگاه بگذارید

avatar
  اشتراک  
مطلع شدن
رفتن به نوار ابزار