روش هایى براى درک بهتر فیزیک بنیادى

بخش اول
. اول آنکه ماهیت انرژى تاریک (Dark energy) یعنى نیرویى که باعث تسریع انبساط جهان شده است، چیست؟ دوم: در کرانه یک سیاهچاله چه اتفاقى مى افتد؟
سوم: چه چیزى نیروى لازم براى انفجار بزرگ را تامین کرده است؟
این ماموریت ها کمک خواهند کرد تا مفهوم میراث عجیب اینشتین معین شود: مفاهیمى چون پیچش فضا- زمان، جهان در حال شتاب، سیاهچاله ها، ابعاد پنهان احتمالى و حتى این عقیده که همه فضا کوانتیزه۱ بوده و از دستجات مشخص و نامحدودى از ماده و انرژى ساخته شده است. (کوانتیزه: قابل تقسیم دانستن ماده و انرژى به ذرات کوچک و مشخص که در نظریه کوانتوم به آن مى پردازند.)
دانشمندان ناسا در حال تکمیل مجموعه اى از ماموریت هاى فضایى هستند که هدفشان پاسخگویى به این سئوالات است. این سفرها با دو ماموریت بسیار مهم آغاز مى شود که هم اکنون به نام هاى صورت فلکى (Constellation-x)X و آنتن تداخل سنج لیزرى فضایى لیزا (LISA) نامیده شده اند و فضا را از طریق رهگیرى اشعه x و تابش گرانشى کاوش مى کنند. براى تکمیل این دو ماموریت، سه سفر کوچکتر که بر روى مطالعه سیاهچاله ها، انفجار بزرگ و انرژى سیاه متمرکز شده اند، تدارک دیده شده است. با پیشرفت هاى علمى و فنى به دست آمده در طول این سفرها دانشمندان به انجام هدف نهایى یعنى ماموریت راجع به دو مسئله عمده تئورى اینشتین و تصویرسازى از یک سیاهچاله و خود انفجار بزرگ دست خواهند یافت.
دانشمندان این تلاش چند ماموریتى را پروژه «فراتر از اینشتین» (Beyond Einstein) نامیده اند چرا که باعث کشفیاتى خواهد شد که ایشان را به سمت درک بهتر از فیزیک بنیادى در وراى نظریه هایى که اینشتین، همکارانش و اسلاف وى بدان پرداخته اند، راهنمایى خواهد کرد.
• بازگشت به صد سال پیش
در ماه مارس ،۱۹۰۵ چند روز بعد از بیست و ششمین سالروز تولد اینشتین، اولین مقاله از پنج مقاله علمى وى در آن سال روى میز سردبیر نشریه Annalen der physic قرار داشت. مقاله اینشتین مى گفت که نور از ذرات انرژى تشکیل شده است که بعدها فوتون نام گرفتند. این نظریه، به نام اثر فوتوالکتریک، با درک عمیقاً جاافتاده اى که حرکت نور را به صورت موجى تعریف مى کرد، در چالش قرار گرفت. دو مقاله بعدى در آوریل و مه همان سال به انتشار سپرده شد تا پرونده وجود اتم ها (که هنوز سرفصلى جدید و موضوعى مورد مناقشه بود) بسته شود. مقاله ماه آوریل که براى اینشتین درجه دکترى را به ارمغان آورد، نشان داد که چگونه مى توان تعداد و اندازه مولکول ها را در یک محلول تعیین کرد؛ مقاله ماه مه نیز به شرح حرکت براونى مى پرداخت.
این بار در ماه ژوئیه اینشتین بى تعارف نوک پیکان حمله را به سمت ایزاک نیوتن نشانه رفت (و در آنچه که بعدها به نام تئورى نسبیت خاص خوانده شد) اظهار کرد که سرعت نور یک ثابت بنیادى طبیعت بوده و فضا و زمان نسبى هستند و این نسبى بودن ارتباطى به سیستم ارجاعى مشاهده کننده ندارد.
قوانین حرکت نیوتن، مدتى نزدیک به دویست سال قوانین طلایى فیزیک بودند اما به این ترتیب تنها به تقریبى از واقعیت تبدیل مى شدند که تنها در سرعت هاى «روزمره» معتبر بوده و در سرعت هاى نزدیک به سرعت نور اعتبار خود را از دست مى دادند. در ماه سپتامبر اینشتین تئورى خود را کاملتر کرده و مهمترین معادله مهم همه زمان ها یعنى E=mc2 را ارائه کرد. بنابراین نسبیت خاص، ماده و انرژى را قابل تبدیل به هم دانست.
اینشتین تازه گرم شده بود اما در سال هاى بعد متوجه شد که گرانش و شتاب معادل یکدگرند و نور نیز رفتار دوگانه اى (موجى و ذره اى) دارد. اینشتین پس از آن سعى کرد که تئورى نسبیت خود را به تئورى جدید گرانش مرتبط سازد و بار دیگر با قوانین گرانش نیوتن دست و پنجه نرم کرد، قوانینى که گویى درون سنگ حک شده بودند. تا انتهاى سال ،۱۹۱۵ اینشتین دیگر تئورى نسبیت عام خود را منتشر کرده بود که گرانش را همچون پیامدى از جرم و انرژى توصیف مى کرد که باعث تغییر فضا- زمان مى شد، مفهومى چهاربعدى که عموماً به صورت ساختار خود فضا تلقى مى شود. بزرگترین خدمت اینشتین به علوم در سال هاى دهه ۲۰ با حداکثر توان ادامه یافت. یعنى زمانى که وى و ساتیندرا نات بوز حالت جدیدى از ماده را پیش بینى کردند که به نام مگالیده بوز- اینشتین نامیده مى شود و بایستى در دماهایى که تنها کسرى از یک درجه بالاتر از صفر مطلق است، وجود داشته باشد. همان طور که گفته شد، اینشتین با تلاشى بیست ساله درک ما را از زمان، انرژى و جرم تغییر داد. بسیارى سئوالاتى که وى قادر به پاسخگویى آنها نبود تا زمان مرگش (در سال ۱۹۵۶) با آنها دست و پنجه نرم مى کرد، امروز نیز بى پاسخ مانده اند. سئوالاتى راجع به انرژى تاریک، سیاهچاله ها، انفجار بزرگ و طبیعت گرانش در نوک پیکان علم نورى قرار دارند. جست وجوى پاسخ این پرسش ها ممکن است باعث رسیدن دانشمندان به هدف تمامى زندگانى اینشتین یعنى ترکیب کردن نسبیت با مکانیک کوانتوم در یک تئورى وحدت یافته شود که نظریه همه چیز نام دارد.
• پرسش هاى بى پاسخ
نظریه هاى اینشتین راجع به فضا و زمان دانشمندان را به سوى مجموعه اى از پیش بینى هاى شگفت آور کشاند که حتى خود وى نیز نمى توانست آنها را باور کند، از جمله اینکه جهان بعد از یک انفجار بزرگ در حال گسترش است، سیاهچاله ها باعث ایجاد خمیدگى در فضا مى شوند و زمان را متوقف مى کنند، ضمناً یک نیروى مرموز فضا را کشیده و گسترش داده و باعث مى شود کهکشان ها براى همیشه از مرزهاى جهانى که انسان مى تواند مشاهده کند، فراتر روند. این پیشگویى ها یک به یک، بررسى شده اند که آخرین مورد آنها نیز آزمایش هایى بود که در سال ۱۹۹۸ انجام شد.
متاسفانه نظریه هاى اینشتین در مورد علت انفجار بزرگ و جزئیات فیزیکى سیاهچاله ها و انرژى تاریک سکوت کرده است. در نتیجه این سه حوزه به نقاطى مبدل شده اند که دانشمندان باید آنها را بررسى کنند. با تجربیات کاملى راجع به انفجار بزرگ، سیاهچاله ها و انرژى هاى تاریک مى توان نقایص ادراک جارى از طبیعت را آشکار کرد و دانشمندان را قادر ساخت تا حرکت به سوى دوره تاریخى جدیدى از فیزیک را آغاز کنند. این رویکرد بدون سابقه نیست. در آغاز قرن بیستم، اینشتین خطاهاى موجود در قوانین حرکت نیوتنى و تئورى جیمز کلارک ماکسول را که حرکت نور را درون اترى فراگیر ممکن مى دانست به کنارى نهاد. در آغاز قرن بیست ویکم نیز با ناهمسازى هاى بزرگ روبه رو هستیم. مکانیک کوانتومى و نسبیت عام هر دو در خدمت علم فیزیک قرار دارند که البته هر دوى آنها آشکارا با مسائلى حل نشده روبه رو هستند. براى مثال نوترینوها۲ به لحاظ نظرى بایستى داراى جرم باشند، اما آزمایش ها نشان داده است که داراى جرم (هر چند اندک) هستند. ذرات پیش بینى شده در تئورى هنوز در حالت ابهام باقى مانده اند.
احتمالاً بزرگترین نقص آن است که: گرانش نیرویى غریب باقى مانده که تاکنون برخلاف نور (فوتون ها) و نیروهاى زیراتمى قوى (گلوئون ها)۳ در مقابل کوانتیزه شدن مقاومت کرده است.
در حقیقت گرانش در فصل مشترک درک ما از انفجار بزرگ، سیاهچاله ها و انرژى تاریک قرار گرفته است.
•در جست وجوى وحدت
همان گونه که دیوید شرام کیهان شناس اهل شیکاگو در سال ۱۹۹۸ نوشت «مطالعه جهان در مقیاس خیلى بزرگ (کیهان شناسى) و مطالعه مواد در مقیاس خیلى کوچک (تئورى ذرات بنیادى) در کنار هم قرار گرفته اند.» این بینش راجع به اتحاد دو تئورى نسبیت عام و مکانیک کوانتوم در درون تئورى وحدت یافته همه چیز در گزارش آکادمى ملى علوم در سال ۲۰۰۳ بیان شده است، گزارشى به نام «یازده سئوال علم براى قرن جدید»، که به صورت غیررسمى با نام گزارش ترنر شناخته مى شود.
در سال ۲۰۰۴ اداره سیاستگزارى علم و تکنولوژى آمریکا در جواب به گزارش ترنر، تعهدى مبنى بر هماهنگ کردن کوشش هاى ناسا بنیاد ملى علم و دپارتمان انرژى ارائه کرد. برنامه ناسا به نام «فراتر از اینشتین» تقریباً در برگیرنده تمامى پیشنهادهاى این گزارش است که مى تواند باعث کشف اسرار انرژى تاریک، ماده تاریک، سیاهچاله، ابعاد اضافى، نوترینوها و دیگر مسائل شود. در اصل این برنامه از یک مجموعه ماموریت تشکیل شده است که با فناورى هاى نوین و رویکردهاى تکمیلى براى دستیابى به اهداف مشترک علمى طراحى شده اند.

برنامه فراتر از اینشتین با تصویب بودجه اى در سال ۲۰۰۴ توسط ناسا آغاز شد و حاصل کوشش مشترک انجمن هاى فیزیک ذرات و ستاره شناسى است. ناسا در فضا به دنبال پاسخ است، در حالى که سازمان هاى دیگر عمدتاً روى تجهیزات مستقر روى زمین و بالن ها و رصدخانه ها متمرکز شده اند، هر چند رابطه نزدیک و هیجان انگیزى میان این برنامه ها وجود دارد. همگى امیدوارند که تا انتهاى دهه بعد پاسخ برخى از پرسش هاى مهم امروز مشخص شود.
• انرژى تاریک چیست
انرژى تاریک رمزآمیزترین مفهوم در فیزیک و ستاره شناسى است. این انرژى چیزى حدود ۷۰ درصد جهان را تشکیل مى دهد و ما واقعاً هنوز سرنخ واضحى از چیستى آن نداریم. انرژى تاریک به یک مسئله بنیادین فیزیک در مدل استاندارد ذرات اشاره مى کند و مى تواند زمینه لازم را براى ایجاد اتحاد میان نسبیت عام و مکانیک کوانتوم فراهم آورد. انرژى تاریک نامى است که به نیروى شتاب دهنده گسترش جهان داده مى شود. این کشف نقطه عطفى در اواخر دهه ۱۹۹۰ محسوب مى شود، اما اینشتین خود با این مفهوم چگونه روبه رو شد؟ تقریباً به صورتى تصادفى:
از آنجا که اینشتین در ابتدا فکر مى کرد جهان ایستا است، نیاز به ایجاد یک موازنه و جلوگیرى از تاثیر گرانش و انقباض جهان را احساس مى کرد ولى زمانى که ادوین هابل انبساط جهان را کشف کرد، وى این ایده را کنار گذاشته و حتى آن را بزرگترین اشتباه زندگى خود نامید. احتمالاً اینشتین راجع به اشتباه خود درست فکر نمى کرد. همان طور که انتظار مى رود انبساط جهان از لحظه انفجار بزرگ به علت تاثیر گرانش کند شده است که البته این موضوع به چند میلیارد سال پیش مربوط مى شود. اما پس از آن چیزى شبیه به انرژى تاریک به نیروى غالب در جهان تبدیل شده است که باعث شده که جهان براى همیشه در حال انبساط شتابدار باشد.
• این نیرو چگونه نیرویى است
ریچارد فاینمن و دیگران که نظریه کوانتومى ماده را ارائه کردند، متوجه شدند که «فضاى خالى» پر است از ذرات موقتى یا مجازى که به طور مستمر تولید شده و نابود مى شوند. امروزه فیزیک کم کم به این تصور مى رسد که در حقیقت این ذرات مجازى باعث ایجاد نیروى خلأ در فضا مى شوند که حالتى با انرژى دافعه است. اما علم هنوز قادر به پیش بینى اندازه قدرت این نیرو نیست. ما هنوز نمى دانیم که آیا میان مرحله تورم که همان انبساط شتابدار اولیه بوده با انبساط مثبت موجود در جهان کنونى (ناشى از انرژى تاریک) ارتباطى وجود دارد یا نه؟ و اگر ارتباطى وجود دارد، این ارتباط چگونه است؟
در ماموریتى فضایى به نام کاوشگر انرژى تاریک (Dark Energy Probe) با اندازه گیرى دقیق، انبساط فضا را سنجیده و خواهیم دانست که آیا این انرژى یک خصوصیت ثابت فضاى خالى است (آن گونه که اینشتین مطرح مى کرد) و یا با زمان در حال تغییر است. (آنچنان که نظریه هاى جدید وحدت نیروها بیان مى کنند.)
•در کرانه هاى یک سیاهچاله
بالاترین حد گرانش در سیاهچاله ها به وجود مى آید که در مرکز کهکشان ها و در اثر فروریختن ستارگان به وجود آمده اند. مى توانیم این اجرام نادیدنى را با بررسى ماده اى که درون آن کشیده مى شود گاهى نیز به بیرون پرتاب مى شود و با بررسى امواج اختلال هاى ایجاد شده در فضا و زمان بیازماییم.
اطلاعات جدید حاصل از ماهواره هاى اشعه x به نام رصدخانه اشعه- x چاندرا متعلق به ناسا و ماهوراه XMM نیوتن متعلق به سازمان فضایى اروپا (اسا) مناطقى را در فضا آشکار ساخته اند که گویا فضا- زمان در این مناطق توسط سیاهچاله اى به درون کشیده مى شود. (همان گونه که معادلات اینشتین پیش بینى کرده اند.)
اما هنوز معلوم نیست بر سر ماده اى که در کنار یک سیاهچاله حرکت مى کند و از افق رویداد مى گذرد، چه مى آید. افق رویداد مرزى نظرى است که هیچ چیز از آن قادر به گریز نیست. آیا واقعاً زمان در این مکان متوقف مى شود؟
نسبیت عام پیشگویى هاى خاصى را راجع به ماده و انرژى که در نزدیک یک سیاهچاله قرار دارد، مطرح مى کند. اگر در بررسى هاى دقیق، کوچکترین انحرافى میان تئورى و مشاهدات دیده شود، آن گاه به محدودیت هاى معادلات اینشتین پى خواهیم برد.
دو ماموریت مهم پروژه «فراتر از اینشتین» ما را بیش از هر زمان دیگر به مرزهاى افق رویداد نزدیکتر خواهد کرد و تصاویر دقیقى از آنچه که در کرانه هاى این گرداب بر سر فضا و زمان مى آید، ارائه خواهد داد. لیزا ماموریتى مشترک میان ناسا و اسا است هم اکنون در مرحله محاسباتى است و قرار است در آینده به امواج گرانشى که از ادغام سیاهچاله ها به وجود مى آیند گوش فرادهد. این امواج نیز در نسبیت عام پیش بینى شده اند و شبیه امواج نور با سرعت نور حرکت مى کنند و داراى طیفى از فرکانس هاى مختلف هستند. این امواج تاکنون کشف نشده اند و کشف آنها موهبتى خواهد بود که باعث ایجاد نگاه کاملاً جدیدى به جهان خواهد شد. مجموعه ماهواره اى صورت فلکى X یک رصدخانه چند ماهواره اى اشعهx است. ماهواره هاى مزبور به گونه اى در کنار هم آرایش گرفته اند که قدرت جمع آورى نور را براى ساختن فیلمى از فضا- زمان خمیده در کنار یک سیاهچاله را دارند. قدرت مجموعه ماهواره اى x براساس طیف سنجى است. این روش براى تحلیل خصوصیات فیزیکى اتم هاى مجاور یک سیاهچاله، براساس نور ساطع شده از آنها عمل مى کند. مجموعه ماهواره اى x صد برابر کاراتر از رصدخانه هاى جمع آورى کننده اشعه x موجود است.
مجموعه ماهواره اىX همانند لیزا محکمترین شواهد مربوط به نظریه نسبیت عام را که تاکنون بشر موفق به دستیابى به آنها شده است، ارائه خواهد داد.
سیاهچاله ها بهترین آزمایشگاه براى بررسى گرانش هستند. در نظر آورید که چگونه از قانون گرانش نیوتن به طور موفقیت آمیزى براى اندازه گیرى مدار گردش سیارات به دور خورشید استفاده شد. (البته غیر از مدار سیاره عطارد) اندازه گیرى هاى دقیق در قرن نوزدهم آشکار ساخت که این نوع محاسبه ها در مورد سیاره عطارد حدود ۴۰ ثانیه زاویه اى با مشاهدات اختلاف دارند. آنچه که معادله نیوتن در نظر نگرفته بود نیروى گرانش خورشید است که باعث پیچش فضا- زمان در نزدیکى خورشید مى شود. سیارات دیگر که از خورشید دورترند تحت تاثیر این نیرو قرار نمى گیرند. معادلات اینشتین مدار غیرمعمول عطارد را به درستى پیش بینى مى کنند. همان گونه که نیروى گرانش نسبتاً ضعیف خورشید وجود یک خطا را در محاسبات نیوتن آشکار کرد، در اینجا نیز ممکن است بررسى دقیق سیاهچاله ها باعث آشکار شدن خطا در محاسبات اینشتین شود.
هم لیزا که اطراف سیاهچاله ها را بررسى خواهد کرد و هم مجموعه ماهواره اى X که دینامیک خوشه هاى کیهانى را بررسى خواهد کرد دانسته هاى بشر را در مورد رازهاى انرژى تاریک افزایش خواهند داد.
یابنده سیاهچاله اى (Black hole finder) در برنامه فراتر از اینشتین یک سرشمارى حقیقى را سرپرستى خواهد کرد. این جست وجوگر، کارهاى مجموعه ماهواره اى X و لیزا را تکمیل خواهد کرد. منابع سیاهچاله اى را که توسط این رصدخانه ها کشف شده اند بررسى کرده و انواع مختلف سیاهچاله ها را مشخص مى کند و نقش آنها را در شکل دادن به کهکشان ها آشکار مى سازد. این کوشش ها در نهایت تصویر مستقیمى از افق رویداد یک سیاهچاله را فراهم خواهد آورد که دستاوردى پرارزش خواهد بود. تصویرگر سیاهچاله نیز یک تلسکوپ اشعه X است که درجه تفکیک آن یک میلیون بار دقیق تر از تلسکوپ هابل است. این تلسکوپ داراى آینه هاى متعدد و آشکارگرهاى در حال پروازى است که شبیه تداخل سنج هاى رادیویى موجود در سراسر ایالات متحده پراکنده خواهند بود. این پیشرفت هاى فنى به دست آمده قادرند در دو دهه آینده این هدف را به واقعیت بدل سازند، آنگاه تصویرهاى به دست آمده دلیل غیرقابل انکارى از وجود یک سیاهچاله خواهد بود.
پى نوشت ها:
۱- کوانتیزه (Quantized) قابل تقسیم دانستن ماده و انرژى به ذرات کوچک و مشخص که در تئورى کوانتوم بدان مى پردازند.
۲- نوترینو ها :(Neutrino) ذره اى است تقریباً بدون جرم و بدون بار که از تلاشى بتا رادیواکتیو هسته تولید مى شود و به همراه الکترون ها و موئون ها و ذره تاو جزء گروه لپتون ها طبقه بندى مى شود. نوترینوها تنها از برهم کنش ضعیف و گرانش متاثر مى شوند.
۳- گلوئون Gluon)): پروتون و نوترون داخل هسته هریک از سه ذره مجزا به نام کوارک Quark تشکیل شده اند که توسط ذره دیگرى به نام گلوئون به همدیگر متصل شده اند. منشاء نیروى برهم کنش قوى در هسته همین گلوئون ها هستند.