فیزیک خلاء کاذب

ویژگیهای مهبانگ بسیار خاص و منحصر بفرد است. اما فیزیکدانان با استفاده قوانین فیزیک، مکانیزمی برای آن ارائه کرده اند که دقیقاً با آن مطابقت دارد و تحت عنوان تورم کیهان شناخته می شود. در تشریح آن از یک خلاء کاذب استفداه می شود. خلاء کاذب در بسیاری از نظریه ها که شامل میدان اسکالر هستند، استفاده می شود. میدان اسکالر شبیه میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی است، اما جهت خاصی ندارد. بعنوان مثال میدان هیگز که در مدل استاندارد ذرات بنیادی بکار می رود یا در افکار مربوط به نظریه های بزرگ اتحاد نیروها از میدانهای اسکالر استفاده می شود. در یک نمونه از میدانهای هیگز چگالی انرژی بسیار پائین است، اما ناپدید نمی شود. نمودار چگالی انرژی را در خلاء کاذب می توان بصورت زیر نشان داد.

 

خلاء کاذب و میدان اسکالر

گر t =   باشد، آنگاه چگالی انرژی صفر است که در اینصورت بیانگر یک فضای تهی است که در اینجا خلاء حقیقی نامیده می شود.  در حالتی که میدان اسکالر نزدیک به صفر است = 0, خلاء تخیلی نامیده می شود. در یک مدت بسیار کوتاه خلاء کاذب می تواند شبیه خلاء واقعی عمل کند.

خلاء کاذب دارای انرژی منفی است و می تواند مانند یک مکش عمل کند و فضا را منبسط کند. ( در اینجا منظور از فضا قسمتی از فضا است که محتوی ماده مثلاً گاز است.) در هرصورت مکانیزم فشار و مکش تابع اختلاف فشار است. با توجه به نسبیت عام فشار گرانشی را در نظر می گیریم که در این حالت بسیار مهم است.

فشار مانند چگالی انرژی، شبیه میدان گرانشی عمل می کند، بنابراین فشار منفی خلاء کاذب، یکنوع میدان گرانشی دافعه ایجاد می کند، که تامین کننده ی نیروی تورم است. بسیاری از ویرایشهای نظریه تورم چنین اظهار می دارند که در آغاز جهان در یک خلاء کاذب فرو رفت و منبسط شد.

برای تولید جهانی با ویژگیهای موجود که به دنبال بیگ بنگ ایجاد شد ضریب انبساط می باید در حدود 1025 باشد. در اینجا حد بالایی برای انبساط وجود ندارد. سرانجام خلاء کاذب تباه شد و انرژی جای آن را گرفت. این انرژی یک سوپ بسیار داغ تولید کرد که نقطه ی آغاز نظریه بیک بنگ است که با موفقیت های بسیاری همراه است. در نظریه تورم جهان از یک حجم بسیار کوچک، احتمالاً از  کوچکتر از یک پروتون آغاز شد. در طول انسباط ، همچنانکه خلاء کاذب تسخیر می شد، مقدار انرژی افزایش می یافت و فضا با ضریب خطی در حدود 1075 منبسط می شد.

 

نظریه تورم

در سال 1980 فيزيكدانى به نام آلن اچ - گروت نظريه اى به نام تورم را ارائه كرد. بعدها ديگران نيز توضيحاتى به اين نظريه افزودند. اين تئورى كه نشات گرفته از فيزيك كاربردى ذرات است، مهمترين ويژگى هاى جهان امروز را توضيح مى دهد. در تئورى تورم قسمت هاى كوچك كيهان اوليه به طور تصاعدى گسترش پيدا كردند و قسمتى از فضا را كه ما امروزه مى بينيم، صاف تر كردند. مانند وقتى كه بيشتر بادكردن يك بادكنك باعث مى شود قسمت كوچكى روى سطح آن صاف تر به نظر برسد.

گفته مى شود دليل اصلى جريان يافتن اين گسترش انرژى پتانسيلى وابسته به انرژى فرضى به نام تورم  inflation  است، اين انرژى پتانسيل  inflation است كه حرارت چشمگير انفجار بزرگ را فراهم كرده در حين پديده توم نوسانات كوانتومى در مقياس هاى زيراتمى به وسيله گسترشى مهيب به اندازه هاى نجومى مى رسند. اين بزرگ تر شدن ها در ساليان دراز بعدى به همراه گرانش رشد كردند و در نهايت به پيدايش كهكشان ها و خوشه هاى كهكشانى كنونى انجاميدند. از نظريه تورم مى توان سه نتيجه گيرى كرد.

یک- فضا بايد در لبه مريى آن صاف به نظر برسد. 2- توزيع ماده در مقياس هاى نجومى بايد منشاء كوانتومى داشته باشد. 3- فضا را بايد پس زمينه اى از امواج گرانشى فرا گرفته باشد، كه به وسيله نوسانات كوانتومى بعد از 10به توان 32 - ثانيه از شروع جهان به وجود آمده اند. دو پيش بينى نخست اكنون با اندازه گيرى ها ديده شده اند و سومى نيز احتمالاً در آينده اى نه چندان دور با اندازه گيرى ها به اثبات خواهد رسيد.

پروژه كه فضاپيماى پژوهشى مايكروويو WMAP  نام دارد، با به پايان رساندن اولين سال ماموريت چهارساله اش نقشه اى تماشايى از جهان نوزاد تهيه كرده، شگفتى اى كه  WMAP  براى كيهان شناسان به ارمغان آورد اين بود كه هيچ چيز شگفت آور نبود! وبا محاسبات قبلى تطابق خوبى داشت، هرچند معلوم شد پيدايش ستارگان زودتر از آنچه پيش بينى شده بود شروع شده _ تنها 200 ميليون سال بعد از انفجار بزرگ.  WMAP موقعيت جهانى كه قبلاً پيش بينى شده بود را تحكيم كرد - جهانى 13.5 ميليارد ساله شامل يك سوم تا يك دوم ماده و انرژى تاريك و 4 درصد ماده معمولى (باريونى). اين پروژه همچنين مقدار به دست آمده براى ثابت هابل را تاييد مى كند. نتايج WMAP  با ايده كلى تورم سازگارى دارند ولى تورم نظريه اى با گونه هاى متعدد است

كشفيات جديد با بالا بردن سطح آگاهى باعث پديد آمدن چند سرى سوال جديد شده اند

ماده تاريك چيست؟ ماهيت انرژى تاريك اسرار آميز و گرانش دفعى آن چيست؟ چرا طرز كار جهان ما تا اين حد پيچيده است؟ و دنيا چطور آغاز شد؟ اينكه انرژى تاريك چگونه با اكتشافات فيزيكدانان درباره نيروهاى موجود در طبيعت و ذرات درون اتمى مرتبط با آنها تعامل برقرار مى كند معمايى است كه همچنان بى پاسخ باقى مانده است. يك اخترشناس مى گويد: «به ياد داشته باشيد كه ما اين پديده را انرژى تاريك مى ناميم اما اين نامگذارى ممكن است اين باور غلط را در ذهن مخاطبان ايجاد كند كه ما حقيقتاً مى دانيم كه آن پديده چيست. اما بايد اذعان داشت كه ما واقعاً چيز زيادى در اين باره نمى دانيم.

چه زمانى اولين ستاره ها شكل گرفتند؟ كهكشان هاى منفرد چگونه تشكيل شدند و چطور تكامل مى يابند؟ كى و كجا عناصر شيميايى اى كه بعد از عناصر موجود در انفجار بزرگ بودند (عناصر سنگين ترى كه براى حيات ما مفيد هستند)پديد آمدند؟ قسمت عمده ماده معمولى جهان كجاست و آيا فقط شامل گاز داغ است؟ پاسخ به اين سئوالات نيازمند رصدها و وسايل جديد و همچنين مدل هاى جديد و پيچيده ترى است كه ما در ميانه دوران بزرگى از اكتشافات كيهان شناختى هستيم. اگر موفق شويم نظريه هايمان را با هر كشف جديدى تطبيق دهيم، مى توانيم به جهشى بزرگ در دركمان از جهان برسيم.

جهان در پوست گردو (نوشته هاوکینگ)

تئورى نسبيت عام اينشتين فضا و زمان را از زمينه اى غيرفعال كه حوادث در آن روى مى دهند به عامل فعالى بدل ساخت كه در رويداد هاى جهان موثر است. اين امر به بروز مسئله اى مهم منجر شده است كه در قرن بيست و يكم پيشاپيش علم فيزيك قرار دارد. جهان انباشته از ماده است و ماده، فضا زمان را خميده مى سازد، به گونه اى كه اجسام جذب يكديگر مى شوند. اينشتين دريافت كه اين معادله جوابى ندارد كه يك جهان ايستا را كه با گذشت زمان بدون تغيير مى ماند، توصيف كند. اينشتين به جاى آنكه از ايده جهان پايدار كه وى و اكثر مردم به آن اعتقاد داشتند دست بكشد، با افزودن عبارتى به نام ثابت كيهان شناختى (cosmological constant) اين معادله را تغيير داد، به طورى كه فضا زمان را در جهتى ديگر خميده مى ساخت و بنابراين اجرام از يكديگر دور مى شدند. اثر دافعه ثابت كيهان شناختى مى توانست اثر جاذبه ماده را خنثى كرده و بدين ترتيب راه حلى براى جهان ايستا فراهم آورد.

اين مورد يكى از بزرگ ترين فرصت هاى فيزيك نظرى بود كه از دست رفت. اگر اينشتين به معادله اوليه خود پايبند بود، مى توانست پيش بينى كند كه جهان يا بايد در حال انبساط يا در حال انقباض باشد، ولى باز هم مثل گذشته، احتمال وجود جهان وابسته به زمان تا دهه 1290 كه رصد هايى با استفاده از تلسكوپ 100 اينچى مونت ويلسون (Mount Wilson)  انجام گرفت، چندان جدى تلقى نشد.



با اين مشاهدات مشخص شد كه كهكشان هايى كه از ما دورترند، با سرعت بيشترى از ما فاصله مى گيرند. جهان در حال انبساط است، به طورى كه فاصله بين هر دو كهكشان با گذشت زمان به طور پيوسته افزايش مى يابد اين كشف نياز به ثابت كيهان شناسى را به منظور ايجاد حالتى ايستا براى جهان، منتفى ساخت. بعد ها اينشتين از ثابت كيهان شناسى با عنوان بزرگ ترين اشتباه زندگى خود ياد كرد. با اين همه اكنون به نظر مى رسد ثابت كيهان شناسى چندان هم اشتباه نبوده است. مشاهدات جديد بيان مى كند كه شايد ثابت كيهان شناسى كوچكى وجود داشته باشد.

نسبيت عام بحث در مورد سرآغاز انجام جهان را كاملاً تغيير داد. جهان ايستا مى توانست تا ابد باقى بماند يا مى توانست به همين شكل كنونى خود در زمان هاى گذشته خلق شده باشد. با اين همه اگر امروزه كهكشان ها از يكديگر دور مى شوند، لزوماً در گذشته به يكديگر نزديك تر بودند. حدود 15 ميليارد سال پيش تمام اين اجرام مى بايست بسيار نزديك به يكديگر باشند و چگالى آنها بسيار زياد باشد. جورج لماتره (G.Lemaitre) كشيش كاتوليك كه اولين كسى است كه به پژوهش در مورد منشاء جهان پرداخت، اين حالت را «ذره اوليه» (primeval atom)  نامگذارى كرد كه ما امروزه آن را انفجار بزرگ (Big Bang)  مى ناميم.

به نظر مى رسد اينشتين هيچ گاه ايده انفجار بزرگ را جدى تلقى نكرد. ظاهراً وى تصور مى كرد كه اگر حركت كهكشان ها طى زمان را رو به گذشته دنبال كنيم، مدل ساده جهان در حال انبساط با شكست مواجه مى شود. از طرف ديگر سرعت هاى كم كهكشان هايى كه از كنار يكديگر عبور مى كنند، باعث مى شود كه به يكديگر نرسند. وى فكر مى كرد ممكن است جهان در گذشته يك مرحله انقباض را پشت سر گذاشته و طى يك جهش به مرحله كنونى انبساط با چگالى نسبتاً متوسط رسيده است.

به هر حال امروزه مى دانيم براى آنكه اين ميزان از عنصر هاى سبكى را كه در اطراف خود مشاهده مى كنيم طى واكنش هاى هسته اى در جهان اوليه توليد شود، دانسيته جهان مى بايست حداقل ده ها تن بر سانتى متر مكعب و دمايش ده ها ميليارد درجه باشد. حتى بيشتر از اين؛ مشاهده پس زمينه پرتو هاى ريز موج تاكيد مى كند كه شايد چگالى جهان يك تريليون تريليون تريليون تريليون تريليون تريليون (عدد يك با 72 صفر جلوى آن) تن بر سانتى متر مكعب بود. علاوه بر آن امروزه مى دانيم تئورى نسبيت عام اينشتين جهش از مرحله انقباض به مرحله انبساط كنونى را مجاز نمى داند. همان طور كه در فصل ۲ شرح خواهم داد، من و راجر پن رز (R.Penrose) توانستيم نشان دهيم كه نسبيت عام آغاز جهان با انفجار بزرگ را پيشگويى مى كند.

بنابراين تئورى اينشتين بيانگر آن است كه زمان آغازى دارد، هر چند كه هيچ گاه اين نظر خوشايند خود وى نبود. اينشتين حتى با اين نظر موافق نبود كه نسبيت عام پيش بينى مى كند هنگامى كه ستاره هاى سنگين به پايان عمرشان مى رسند و ديگر نمى توانند گرمايى توليد كنند تا با نيروى گرانش خودشان كه آنها را كوچك تر مى كند، مقابله كند، زمان نيز به پايان مى رسد. اينشتين فكر مى كرد كه چنين ستاره هايى بايد نهايتاً فروخفته و به حالت پايانى برسند. اما امروزه، مى دانيم براى ستاره هايى كه جرمشان بيش از دو برابر خورشيد است، هيچ صورت بندى پايانى وجود ندارد. چنين ستاره هايى آن قدر به انقباض خود ادامه مى دهند تا با سياهچاله تبديل شوند. سياهچاله ها، محدوده هايى از فضا زمان است كه چنان خميدگى زيادى دارد كه نور نمى تواند از آنها بگريزد.
من و پن رز نشان داديم كه مطابق پيش بينى اينشتين زمان در سياهچاله، هم براى خود ستاره و هم براى فضانورد بخت برگشته اى كه به درون آن سقوط كرده است، به پايان مى رسد. اما هم آغاز و هم پايان زمان جايى است كه معادلات نسبيت عام در آن تعريف نمى شود. بنابراين تئورى نمى تواند پيش بينى كند كه از انفجار بزرگ چه چيزى بايد سربرآورد. به ديده بعضى ها اين موضوع مبين اختيار خداوند براى آغاز جهان مطابق اراده اوست،بعضى ها هم فكر مى كنند كه آغاز جهان بايد تحت سيطره همان قوانينى باشد كه در زمان هاى ديگر جارى است.

براى دستيابى به اين هدف پيشرفت هايى نيز داشتيم، اما هنوز به درك كاملى از مبدأ جهان دست نيافتيم. دليل آنكه نسبيت عام در انفجار بزرگ با شكست مواجه مى شود آن است كه با تئورى كوانتوم، يكى ديگر از تحولات فكرى بزرگ ابتداى قرن بيستم، سازگار نبود. اولين گام به سوى تئورى كوانتوم در سال 1900 برداشته شد، در آن زمان ماكس پلانك (M.Plank)  مقيم برلين كشف كرد تابش هاى ساطع شده از يك جسم كه تا دماى سرخ گرم شده است، فقط وقتى قابل تفسير است كه نور به صورت بسته هاى مجزايى كه كوانتا (Quanta) ناميده مى شود، جذب يا نشر شود. اينشتين در سال ۱۹۰۵ كه در اداره ثبت اختراعات مشغول به كار بود، مقاله اى تحول آفرين نگاشت و در آن نشان داد كه فرضيه كوانتوم پلانك مى تواند پديده فتوالكتريك را تشريح كند. در اين پديده بعضى فلزات هنگام برخورد نور، از خود الكترون نشر مى كنند. اين پديده اساس آشكارسازهاى جديد نور و دوربين هاى تلويزيونى است و به خاطر همين پژوهش است كه اينشتين جايزه نوبل فيزيك را از آن خود ساخت.

اينشتين پژوهش هاى خود در زمينه كوانتوم را تا دهه 1920 ادامه داد، اما وى عميقاً از نتايج تحقيق هاى انجام شده توسط ورنر هايزنبرگ، W.Heisenberg ِ) در كپنهاگ، پاول ديراك (P.Dirac)  در كمبريج و اروين شرودينگر (E.Schrodinger)  در زوريخ و تصوير جديدى از واقعيت را كه آن را مكانيك كوانتوم مى ناميدند، مشوش شد. از اين پس ذرات ريز مكان و سرعت دقيقاً مشخصى نداشتند. در عوض، شخص هر چه دقيق تر موقعيت ذره را معين كند از دقتش در تعيين سرعت ذره كاسته مى شود و برعكس. اينشتين از وجود اين عنصرهاى تصادفى و غيرقابل پيش بينى در قوانين بنيادى به وحشت افتاد و هرگز مكانيك كوانتوم را به طور كامل نپذيرفت. وى احساسش را در اين گفته مشهور بيان كرده است: «خداوند تاس نمى اندازد.» با اين همه اغلب دانشمندان ديگر اعتبار كوانتوم نوظهور را به دليل ارائه تفسير براى گستره وسيعى از پديده هايى كه پيش از آن قابل تبيين نبودند و توافق بسيار عالى آن با مشاهدات پذيرفتند.

اين تفسيرها اساس پيشرفت هاى جديد در شيمى، زيست شناسى مولكولى و الكترونيك است و مبانى فناورى اى محسوب مى شود كه جهان را طى ۵۰ سال گذشته متحول كرده است. اينشتين در دسامبر سال ۱۹۳۲ كه از به قدرت رسيدن نازى ها در آينده باخبر شد، آلمان را ترك كرد و چهار ماه بعد از تابعيت خود دست كشيد و بيست سال بعدى زندگى خود را در موسسه تحقيقات پيشرفته در پرينستون نيوجرسى سپرى كرد. نازى ها در آلمان مبارزه اى عليه «علم يهودى» و بسيارى از دانشمندان آلمان كه يهودى بودند به راه انداختند و اين يكى از دلايلى است كه آلمان نتوانست بمب اتمى بسازد. اينشتين و نسبيت هدف اصلى اين مبارزه بودند. وقتى اينشتين را از انتشار كتابى با عنوان «يكصد نويسنده عليه اينشتين» آگاه كردند، پاسخ داد: «چرا يكصد نويسنده؟ اگر اشتباه كرده باشم، يك نفر هم كافى است.» وى پس از پايان جنگ جهانى دوم به متفقين فشار آورد تا سازمانى جهانى براى كنترل بمب اتمى تاسيس كنند. در سال ۱۹۴۸، رياست جمهورى كشور تازه تاسيس اسرائيل را به وى پيشنهاد كردند، اما وى از پذيرش اين پيشنهاد خوددارى كرد. وى زمانى گفت: «سياست امرى زودگذر است، اما معادله ها براى ابد باقى مى مانند.» معادلات نسبيت عام اينشتين بهترين سنگ نوشته مزار و يادبود وى محسوب مى شود.

تا جهان باقى است، اين معادلات نيز ماندگارند. جهان طى يكصد سال گذشته بسيار بيشتر از هر قرن ديگرى تغيير يافته است. دليل آن نيز مكتب هاى سياسى يا اقتصادى جديد نيست، بلكه پيشرفت هاى وسيع صورت گرفته در فناورى است كه با رشد علوم پايه ممكن شده است و چه كسى بهتر از اينشتين مى تواند نماد اين پيشرفت ها باشد؟

 

منبع