پیکان زمان

متنی كه در زیر می خوانید، نوشته ای است از گابریل ونزیانو(Gabriele veneziano) فیزیكدان نظری مركز تحقیقات فیزیك ذره ای اروپا(CERN ) كه در اواخر دهه ۱۹۶۰ به عنوان پدر نظریه ریسمان شناخته شد.
نظریه ریسمان بیان می كند كه انفجار بزرگ سرمنشأ عالم نبوده، بلكه صرفاً پیامد وضعیتی بوده كه مدت ها قبل از آن زمان وجود داشته است.تا حدود ۱۰ سال پیش، اینچنین پرسشی كفرآمیز محسوب می شد. زیرا غالب كیهان شناسان مطرح كردن زمانی قبل از انفجار بزرگ را مانند این می دانستند كه كسی جایگاه شمال قطب شمال را از شما بپرسد. یونانیان باستان دربارهٔ منشأ زمان مناظرات و مباحثه های فراوانی ترتیب می دادند. ارسطو كه از بی آغازی زمان طرفداری می كرد،استنادش بر این اصل بود كه از هیچ ،چیزی به وجود نمی آید. پس اگر عالم در هیچ برحه ای از زمان نتوانسته باشد خود را از نیستی به هستی در آورد، الزاماً می بایست همواره وجود می داشته است.
پس به این دلیل و دلایلی دیگر، زمان باید به طور نامحدود در گذشته و آینده امتداد داشته باشد. امّا دین شناسان مسیحی نظری دگرگونه داشتند.آگوستین استدلالش بر این بود كه آفریدگار بیرون از فضا و زمان حضور دارد و قادر است كه این ساختارها را همانطور كه دیگر جنبه ای دنیای ما را خلق می كند، به وجود آورد. دو دلیل سبب شد كه كیهان شناسان معاصر نتیجه مشابهی بگیرند. یكی از آنها نسبیت عام و دیگری شواهدی بودند كه از مشاهده انبساط جهان به دست آمدند كه بر طبق آنها دو فیزیكدان نامی یعنی استفان هاوكینگ و روجر پنروز در سال ۱۹۶۰ ثابت كردند كه زمان نمی تواند به طور نا محدود رو به گذشته ادامه داشته باشد و اگر در طول زمان رو به عقب برویم، بالاجبار باید به نقطه تكینگی برسیم. ولی تكینگی گریز ناپذیر، كیهان شناسان را در برابر مسائلی جدی قرار می دهد. خصوصاً با مقادیر زیاد همگنی و یكسانی كه جهان ما در مقیاس های بزرگ دارد، ناهماهنگ است. برای یكسان دیده شدن عالم در تمام نقاط باید میان قسمت های دور دست فضا گونه ای رابطه وجود داشته باشد به طوری كه ویژگی ها ومشخصات آنها را با یكدیگر هماهنگ كند.
امّا فیزیكدانان برای رهایی از این بن بست به دو راه حل طبیعی دیگر توجه دارند. یكی از آنها اینطور بیان می كند كه زمان در لحظه ی انفجار بزرگ آغاز نشده و دوره های طولانی قبل از آن وجود داشته است. دلیل اینكه تا به حال دانشمندان به اندازه كافی به این فرض توجه نمی كردند، این بود كه فرض می كردند نسبیت همواره معتبر است در حالی كه نزدیك زمان تكنیكی اثرات كوانتومی غالب هستند. بنابراین برای دانستن آنچه كه واقعاً رخ داده ،فیزیكدانان ناگزیرند تا نسبیت را وارد یك نظریه كوانتومی گرانش كنند. امروزه برای رسیدن به این مقصود دو نظریه بیشتر مورد توجه قرار دارد. یكی از آنها به نام گرانش كوانتومی حلقوی، اساس نظریه اینشتین را دست نخورده نگه می دارد ولی روش به كارگیری آن در مكانیك كوانتومی را تغییر می دهد. ولی نگرش دوم كه به عقیده ی من آینده بهتری خواهد داشت، نظریه ریسمان است. این نظریه اصلاحی واقعاً انقلابی از تئوری اینشتین است. اندیشه ی پایه ای در نظریه ریسمان این است كه ذرات بنیادی نقطه ای شكل نیستند بلكه اجرای تك بعدی و بی نهایت باریك هستند. این ساختارها ریسمان نامیده می شوند. همه ذرات مثل پروتون ها ونوترون ها از ذرات بنیادی به نام كوارك تشكیل شده اند. كوارك ها توسط مبادله ذراتی به نام گلوئون با هم رابطه برقرار می كنند. گلوئون حامل نیروی قوی هسته ای است و نقش آن چسباندن (glue ) كوارك ها به همدیگر است.
دلیل اینكه دانشمندان سرانجام به نظریه ریسمان رسیدند، این است كه آنها متوجه شدند كه ذرات بنیادی شامل تعداد زیادی ذره هستند كه هر كدام ویژگی مخصوص خود را دارند. كه این به دلیل وجود تعداد نامحدود مدل های ارتعاشی برای یك ریسمان است. ریسمان ها خواص مهمی دارند كه دانشمندان به آنها لقب جادوی ریسمان كوانتومی می دهند.
۱- اگر قوانین مكانیك كوانتومی را بر ریسمان ها اثر دهیم، خواص جدیدی ظاهر می شوند كه به دانشمندان در تحلیل نظریات خود یاری می رسانند.
۲- ریسما ن های كوانتومی حتی اگر بدون جرم باشند، اندازه حركت زاویه ای دارند برعكس فیزیك كلاسیك كه هیچ جسم بدون جرمی نمی تواند اندازه حركت داشته باشد. این خاصیت سبب می شود كه آنها بتوانند به طور دقیقی ویژگی های ناقلانی مثل فوتون و گراویتون را توضیح بدهند.
۳- ریسمان های كوانتومی خواستار ابعاد اضافی از فضا هستند. برای سازگار بودن معادلات ارتعاشات ریسمان ها دو گزینه پیش روی ما قرار دارد. یعنی یا فضا- زمان باید انحنای شدیدی داشته باشد كه با مشاهدات در تضاد است یا اینكه حداقل ۶ بعد فضایی اضافی داشته باشیم.
۴ - دانشمندان در بعضی از موارد ناچارند ثابت های فیزیكی را متغّیر در نظر بگیرند. این ثابت ها در نظریه ریسمان به صورت میدان پدیدار می شوند( بیشتر شبیه میدان الكترومغناطیسی) كه می تواند مقادیر آنها را به صورت پویا و فعال تنظیم كند.
سرانجام ریسمان های كوانتومی برخی تقارن های جدید و جالب را به فیزیكدانان معرفی كردند كه به دوگانگی معروفند.
یكی از آنها به نام دوگانگی T نوعی تغییر شكل است كه در مورد فضاهایی كه حداقل یك بعد توپولوژیكی دایره ای شكل دارند، مصداق دارد و مطابق آن ابعاد اضافی كوچك و بزرگ معادل یكدیگر هستند.
منشأ تمام این دوگانگی ها این واقعیت است كه ریسمان ها حركات خیلی پیچیده ای دارند. تمامی ویژگی های سحرآمیز ریسمان های كوانتومی یك هدف مشترك دارند: آنها از بی نهایت بیزارند و به هرصورتی كه ممكن است سعی در مهار آن دارند. نظریه پردازان ریسمانی توقع دارند كه اگر تاریخچه ی عالم را در طول زمان به عقب بیاوریم، انحنای فضا-زمان روبه افزایش نهد ولی به جای اینكه تمام مسیر به سوی بی نهایت را طی كند.( كه طبق نظریه رایج انفجار بزرگ به نقطه تكنیكی برسد). سرانجام به یك نقطه ی ماكزیمم می رسد و دوباره كاهش پیدا می كند. برای رسیدن به این مقصود، نظریه پردازان ریسمانی، دست به خطر زده و در مورد جهان پیش از انفجار( یا پیش-مهبانگ) حدس هایی زده اند. دو تای این حدس ها گسترش بیشتری پیدا كرده اند. اولین آنها كه من و همكارانم در سال ۱۹۹۱ آغاز به پروراندن و توسعه دادن آن كردیم، الگوی پیش- مهبانگی نامیده می شود كه دوگانگی Tرا با تقارنی كه در وارونگی زمانی كشف شده( كه مطابق آن معادلات فیزیكی در طول زمان چه رو به جلو و چه رو به عقب به نحو یكسانی عمل می كنند) تركیب می كند. در نتیجه این تركیب سبك جدید و بسیار با ارزشی به وجود می آید كه در آن عالم به عنوان نمونه،پنج ثانیه پیش از انفجار بزرگ با همان آهنگ پنج ثانیه پس از آن در حال انبساط بوده است ولی نرخ تغییر انبساط مخالف هم بودند.
در نتیجه به طور خلاصه این امكان وجود دارد كه انفجار بزرگ نقطه آغازین عالم نبوده بلكه تنها انتقالی شدید و ناگهانی از شتاب افزایش به شتاب كاهنده بوده باشد. مطابق این سناریو، تصویر عالم پیش- مهبانگ به طور تقریبی آینه تمام نمای جهان پس- مهبانگ بوده است. اگر جهان آنقدر در آینده جاودانه بماند كه محتویات آن بسیار رقیق و سرانجام ناپدید شوند، در آن صورت باید دارای گذشته ای جاودانی نیز بوده باشد. جهان در گذشته بی نهایت دور،تقریباً خالی بود و فقط شامل گازی رقیق،بسیار پراكنده و آشفته از تابش و ماده بوده است. به دنبال گذشت زمان نیروها قدرتمند تر شدند و به جمع آوری مواد كنار یكدیگر پرداختند.به صورت تصادفی بعضی نواحی فضا مواد را حوالی خود گردآوری كردند. سرانجام چگالی آن نواحی چنان افزایش یافت كه منجر به شكل گیری سیاهچاله ها شد. سپس ارتباط مواد درون آن نواحی با خارج قطع شد و جهان به نواحی تكه تكه ای تقسیم شد.
درون یك سیاهچاله، فضا و زمان نقش های خود را با یكدیگر عوض می كنند. مركز یك سیاهچاله، نقطه ای از فضا نیست بلكه لحظه ای از زمان است. ماده سقوط كننده داخل سیاهچاله، هرچه به سوی مركز آن پیش می رفت، به چگالی بیشتر و بیشتری دست می یافت. هنگامی كه چگالی،دما وخمیدگی مقدار مجاز در نظریه ریسمان را پشت سر گذاشتند،تغییر وضعیت داده و شروع به كاهش كردند. لحظه ی این بازگشت همان چیزی است كه ما آن را انفجار بزرگ می نامیم عالم ما داخل یكی از همین سیاهچاله ها تشكیل شد.
در دید اولیّه امكان دارد این ایده ها همانند اصولی در ماورای فیزیك به نظر برسند ایده هایی جالب كه تعیین صحّت یا نادرستی آنها از عهده راصدان خارج است. این طرز فكری بسیار بدبینانه است. همانند اجزاء دوره انبساط، یك دوران بیش- مهبانگی احتمالی نیز می تواند پیامد های قابل مشاهده ای به خصوص برای تغییرات جزئی یافت شده در دمای پس زمینه مایكروویو كیهانی داشته باشد. امواج گرانشی با هر اندازه ای، نشانه مجزای مربوط به خود را در قطبی كردن زمینه مایكروویو بر جای می گذارند. رصد گر های آینده، نظیر ماهواره پلانك آژانس فضایی اروپا باید قادر باشند كه این نشانه را در صورت وجود مشاهده كنند.در آن صورت ما می توانیم ادعا كنیم كه آزمون سرنوشت سازی را پشت سر گذاشته ایم. با همه این گفته ها، زمان چه هنگامی آغاز شده است؟ دانش هنوز نمی تواند با قاطعیت به این پرسش پاسخ دهد. امّا لااقل دو نظریه كه قابل آزمایش هستند، ظاهراً بیان می كنند كه عالم و در نتیجه زمان ،مدت ها پیش از انفجار بزرگ وجود داشته اند. هر کدام از این مدل ها اگر درست باشند، عالم همیشه برپا بوده است و حتی اگر روزی دوباره متلاشی شود هرگز به پایان راه خود نخواهد رسید.

جواد عزیزی
منبع: Scientific American May ۲۰۰۴

منبع : فصلنامه شباهنگ