خارج از تاریکی ؛ انرژی تاریک و کیهان

خیلی کم پیش آمده که کیهانشناسان و فیزیکدانان ذرات به این شکل گیج شده باشند . با اینکه مدل استاندارد کیهانشناسی ما با رصد و مشاهدات اخیر تایید شد، اما همچنان هم شکاف عمیقی وجود دارد. هیچکس نمی داند چرا انبساط کیهان شتاب دار است.(انبساط کیهان دائماً در حال شتاب فزاینده است) اگر سنگی را صاف به هوا پرتاب کنید، جاذبه ی زمین باعث کند شدن آن سنگ می‌شود و باعث میشود شتاب نگیرد تا از زمین خارج شود. به همین طریق، کهکشان های دور، که با انبساط بیگ بنگ از هم فاصله گرفته اند، باید به سمت هم کشیده و کند شوند.اما با این حال با شتاب از هم دور می شوند. پژوهشگران به طور معمول این شتاب گیری را به نوعی پدیده ای مرموز به اسم انرژی تاریک نسبت می دهند؛ اما برای حمایت از این مفهوم زیبای فیزیک شواهد ناچیزی در دست است. تنها چیزی که مشخص شده این است که در بزرگترین فواصل مشاهده پذیر(یعنی فواصلی که قابلیت رصد آنها وجود دارد)، گرانش به شکل عجیبی رفتار می کند، تبدیل شدن به نیروی پس زننده.قوانین فیزیک می گوید که گرانش ناشی از ماده و انرژی است، پس آنها نوع عجیبی از گرانش را به نوع عجیبی از ماده ی با انرژی نسبت می دهند. این لب کلام انرژی تاریک است. ولی شاید همین قوانین نیازمند تغییر باشند. فیزیکدانان سابقه ای برای چنین تغییری دارند: قانون گرانشی که نیوتون در قرن هفدهم فرمول‌بندی کرد که محدودیت‌های متنوع مفهومی و تجربی داشتند، در ۱۹۱۵ جای خود را به نظریه ی نسبیت عام اینشتین داد. نسبیت نیز محدودیت‌هایی دارد. بخصوص وقتی در محدوده بسیار کوچک اعمال شود، که حوزه ی مکانیک کوانتومی است، به دردسر می افتد. همانطور که نسبیت فیزیک نیوتونی را کنار گذاشت، نظریه ی کوانتومی گرانش هم نسبیت را کنار خواهد گذاشت.طی سال ها فیزیکدانان به یکسری راه حلِ ممکن برای گرانش کوانتومی رسیده اند که برجسته ترین آنها نظریه ی ریسمان است.
وقتی که گرانش در فواصل میکروسکوپی عمل می کند – برای نمونه، در مرکز سیاهچاله-که در آن جرم عظیمی در حجمی زیر اتمی فرورفته – ویژگی های عجیب کوانتومی ماده پدید می‌آید و نظریه ی ریسمان چگونگی تغییر کردن قانون گرانش را شرح می‌دهد.
معمولا نظریه پردازان ریسمان فرض می کنند که در مسافت هایی بزرگ تر، اثرات کوانتومی بی اهمیت هستند. ولی داده های کیهانشناختی در سال‌های اخیر پژوهشگران را به بازنگری در این مورد کشانده است. چهار سال پیش من و همکارانم پرسیدیم که آیا نظریه ریسمان قانون گرانش را نه تنها در کوچک ترین مقیاس که نیز در بزرگترین موارد تغییر خواهد داد یا خیر؟ آن ویژگی نظریه ی ریسمان که می تواند این بازنگری را فراهم کند، بعدهای اضافی اش است – جهت هایی دیگر که در آن ذرات می توانند ول بچرخند. این نظریه شش یا هفت بعد را به سه بعد کنونی اضافه می‌کند.پیش از این نظریه پردازان ریسمان استدلال کرده اند که بُعدهای اضافی برای ما بیش از حد کوچک هستند تا بتوان آنها را دید یا به درون آنها نفوذ کرد، ولی پیشرفت اخیر نشان می دهد که برخی با همه ی بعدهای جدید می توانند در عمل اندازه ای نامتناهی داشته باشند. آنها نه به دلیل کوچکی زیاد، بلکه چون ذرات سازنده ی بدن ما در سه بعد به دام افتاده اند، از چشم مان پنهان هستند. تک ذره ای که این شرط را نادیده می گیرد ذره ای است که نیروی گرانش را منتقل می کند، پس، قانون گرانش تغییر پیدا می کند.
عنصر پنجم حتی از هیچ
هنگامی که اخترشناسان با شتاب گرفتن کیهان روبه رو شدند، در نخستین واکنش گفتند که ناشی از به اصطلاح ثابت کیهان شناختی است. این ثابت که اولین بار اینشتین مطرح کرد و سپس آن را پس گرفت، نشان دهنده انرژی ذاتی در خود فضاست. حجم کاملا تھی فضا، عاری از هر ماده ای، باز هم دارای انرژی ست – برابر با تقریبا ۲۶-۱۰ کیلوگرم بر متر مکعب. گرچه ثابت کیهانشناختی با همه ی داده های فعلیِ موجود سازگار است، بسیاری از فیزیکدانان این رارضایت‌بخش نمی دانند. مشکل در کوچکیِ غیر قابل توضیحش نهفته، چنان کوچک که اثر اندکی بر بیشتر پیشینه ی کیهان دارد، از جمله بر دوره ی ابتدایی شکلگیری کیهان، از آن بدتر، از مقیاس های انرژی فرایندهای فیزیکی که آن را درست می‌کنند، بسیار کوچک‌تر است.
برای حل این مسئله، تعدادی از فیزیکدانان پیشنهاد کرده اند که شتاب گرفتن، نه بخاطر خود فضا که از سوی میدان انرژی ای است که مانند مهی رقیق فضا را پر کرده است. انرژی پتانسیل میدان های فضایی مشخصی می تواند بسیار شبیه به ثابت کیهانشناختی رفتار کند. فرض بر این است که یکی از چنین میدان های معروف به اینفلاتون، دوره ی انبساط شتاب یافته، یا تورم را در کیهان ابتدایی پیش ببرد. شاید میدان دیگری از این دست، سرش را برگردانده و کیهان را به سوی دوره ی تورم پاینده ی دیگری پیش می برد. این میدان دوم به نام عنصر پنجم شناخته می شود. مانند ثابت کیهان شناختی، این هم باید اندازه ای به طرز عجیبی کوچک داشته باشد، ولی هواداران آن استدلال می کنند که؛ پدیده ای متغیر باید ساده تر از پدیده ای ایستا در آن جا بگیرد.
هم ثابت کیهان شناختی و هم عنصر پنجم در دسته ی کلی انرژی تاریک جا می گیرند. تاکنون توضیحی جامع برای این دو ارائه نشده، و همین دلیل اندیشیدن جدی فیزیکدانان به نظریه های ابعاد بالاتر است. جذابیت ابعاد اضافی در آن است که به طور خودکار چگونگی رفتار کردن گرانش را تغيير می دهند. هنگامی که گرانش بنا به قواعد نظریه ی نیوتون یا نسبیت عام عمل می کند، قدرتش با توان دوم فاصله ی بین اجسام کاهش پیدا می کند. دلیل آن هندسه ی معمولی است. بنا به اصل فرمول بندی شده ی کارل فردریش گاوس فیزیکدان قرن نوزدهم، قدرت گرانش با چگالی خطوط نیروی گرانش تعيين می شود، و با افزایش فاصله، این خطوط روی محدوده ای بزرگ شونده از هم دور می شوند. در فضای سه بعدی، این مرز یک روند دو بعدی است . یعنی ناحیه ای که اندازه آن با توان دوم فاصله افزایش پیدا می‌کند.
اما اگر فضا چهار بعدی باشد، این مرز سه بعدی می شود . حجمی که اندازه اش با توان سوم فاصله افزایش می یابد. در این صورت، چگالی خطوط نیرو با توان سوم فاصله کاهش پیدا می کند. بدین ترتیب گرانش از جهان سه بعدی ضعیف تر می شود. در مقیاس های کیهان شناختی، ضعیف شدن گرانش می تواند به شتاب گیری کیهانی ختم شود، به دلایلی که بعداً خواهم گفت.اگر گرانش در فضای اضافی آزادی حرکت داشته باشد، چرا قبلاً متوجه آن نشده ایم؟ چرا قانون استاندارد سه بعدی وارون توان دوم حرکت بیسبال، موشک، و سیارات چنین دقیق است؟پاسخ سنتی در نظریه ریسمان این است که ابعاد اضافی فشرده هستند و در دایره های ریز جمع شده اند.برای زمانی طولانی تصور می‌شد که اندازه‌ی این دایره ها باید در به اصطلاح مقیاس پلانک باشد، حدود ۱۰ به توان منفی ۳۵ متر. ولی کارهای نظری و تجربی اخیر نشان می‌دهد که آنها می‌توانند به بزرگی ۰/۲ میلی متر هم برسند. اگر ابعاد فشرده شده باشند با سازوکار گرانش فقط در فواصل کوچک تداخل دارند. هم اندازه یا کوچکتراز شعاع ابعاد فشرده.در مسافت های بزرگ‌تر، قانون استاندارد جاری است.
زندگی در حبس
اما ایده ی ابعاد فشرده دردسرهای خودش را دارد. برای مثال می توان پرسید چرا برخی ابعاد (اضافی) درهم جمع شده اند، در حالی که بقیه (۳بعد شناخته شده) راحت و آزادهستند؟ به عبارت دیگر، تحت تأثير ماده و انرژی در کیهان، ابعاد در هم فشرده باید باز شوند، مگر این که چیزی آنها را نگه دارد. یک احتمال جالب این است که میدان هایی مغناطیسی مانند ، که نظریه‌ی ریسمان برای پرهیز از انقباض یا انبساط ابعاد پیش بینی می کند. شاید همه ی ابعاد، حتی اضافی ، اندازه ای نامتناهی داشته باشند. کیهان قابل مشاهده روندی است سه بعدی، یا غشایی (برین)، در جهانی با بعد بالاتر. ماده ی عادی به برین متکی است، ولی برخی نیروها مثل گرانش، می توانند از آن گریز داشته باشند.چون گرانش، بنیانی متفاوت از دیگر نیروها دارد، از این توانایی جادویی برخوردار است. بنا به نظریه ی میدان کوانتوم، نیروی گرانش توسط ذره ای ویژه به نام گرویتون حمل می شود. جاذبه گرانشی نتیجه ی روان شدن گرویتون‌ها در بین دو جسم است، بسیار شبیه به نیروی الکتریسیته یا مغناطیس که از روان شدن فوتونها در بین دو ذره ی باردار به دست می آید. هنگامی که گرانش ایستا باشد، این گرویتونها مجازی هستند – گر چه اثرات آنها را می توان اندازه گرفت، نمی توان آنها را به صورت ذرات مستقل مشاهده کرد. خورشید به این دلیل زمین را در مدارش نگه می دارد که گرویتون‌هایی مجازی گسیل کند که سیاره ی خودمان را جذب می‌کند. گرویتونهای واقعی مشاهده پذیرمتناظر هستند با موج های گرانشی که در شرایط معین پدیدار می شوند. بنا به نظریه ی ریسمان، گرویتونها، همانند همه ی ذرات، سرانجام ارتعاشاتی از ریسمان‌هایی ریز به شمار می روند. ولی در حالی که الكترون، پروتون و فوتون ارتعاش‌هایی از ریسمان‌های ته باز هستند؛ مانند زه های ویولن, گرویتون ارتعاشی است از حلقه ای بسته، مانند حلقه ی کش، جوزف پولچینسکی از انستیتو کولی برای فیزیک نظری در سانتاباربارا نشان داده که انتهای ریسمان ها نمی توانند رها باشند؛ آنها باید به برینی متصل شوند. اگر ریسمان باز را از برینی بکشید، درازتر می شود، مانند کش، ولی از برین جدا نمی شود در مقابل، ریسمان های بسته مانند گرویتون ها نمی‌توانند گیر بیفتند. آنها برای حرکت در فضای کامل ۱۰ بعدی آزاد هستند.البته گرویتون ها نمی توانند آزادی مطلق داشته باشند. اگر داشتند، قانون استاندارد گرانش به وضوح فرو می ریخت. نویسندگان فرضیه ی ابعاد نامتناهی، لیزا رندال از دانشگاه هاروارد و رامان ساندرام از دانشگاه جان هاپکینز، پیشنهاد می کند که گرویتون ها پنهان اند چون ابعاد اضافی، برخلاف سه بعد آشنای ما، به شدت خمیده اند – دره ای با شیب تند می سازند که به دشواری می شود آن از بیرون رفت.شیوه در این است که چون ابعاد اضافی به شدت خمیده هستند، حجمی در عمل متناهی دارند، ولو این که دامنه ای نامتناهی داشته باشند. چگونه می شود که فضایی نامتناهی از حجمی متناهی برخوردار باشد؟ فرض کنیم که داریم نوشیدنی ای را درون گیلاسی می ریزیم که شعاعش در نسبت وارون با عمقش کم می شود. برای پر کردن گیلاس مقداری متناهی نوشیدنی بس است. به دلیل خمیدگی گیلاس، حجمش در نزدیک بالا تمرکز دارد. این بسیار شبیه به چیزی است که در سناریوی رندال- ساندرام پیش می آید. حجم فضای اضافی در پیرامون برین متمرکز است. در نتیجه، گرویتون مجبور است که بیشتر زمان خود را در نزدیک برین بگذراند. احتمال آشکارسازی گرویتون سریعا به صورت تابعی از فاصله کاهش می یابد. به زبان کوانتومی، تابع موج گرویتون در برین پِیک می زند – اثری که به جایگزیدگی گرانش معروف است.سناریوی رندال- ساندرام، گرچه تفاوتی مفهومی با ایده ی ابعاد فشرده دارد، از پیامدی بسیار مشابه برخوردار است. هر دو مدل، قانون گرانش را در مسافت های کوچک بهبود می بخشند ولی در مسافت های بزرگ خیر، پس هیچ کدام با مسئله‌ی شتاب گرفتن کیهانی روبرو نمی شوند.
#arian_x
آرین رسولی

پ.ن: این مقاله از گئورگ دیوالی ابتدا در سال ۲۰۰۴ در نشریه ساینتیفیک آمریکن منتشر شد. توضیح دیوالی اگرچه مختصر و مفید است، اما به نظر من برای مخاطب غیر متخصص و ناآشنا با تمثیل های دشوار فهم و غامض همراه است. اما در مقاله ای در مورد ابعاد به زبان بسیار ساده ، با توضیح همین ایده ها و هم ایده های دیگر پرداخته ام که در اولین فرصت منتشر می‌شود.