انرژی و ماده تاریک، وجود ماده بیش از ضد ماده و نظریه ریسمان از جمله اسرار حل نشده علم فیزیک محسوب می‌شوند که دانش پیشرفته بشر هنوز نتوانسته پاسخ مناسبی برای آنها بیابد.
به گزارش سرویس علمی خبرگزاری دانشجویان ایران(ایسنا)، در سال 1900 میلادی «لرد کلوین» فیزیکدان انگلیسی تأکید کرد که موضوع جدیدی برای کشف کردن در فیزیک وجود ندارد و آنچه که باقی مانده، تنها اندازه گیری‌های بسیار دقیق است؛ اما در طول سه دهه موضوعات مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت انیشتین، انقلابی در علم فیزیک بوجود آورد.
در حال حاضر هیچ فیزیکدانی جرأت ندارد از کامل شدن دانش بشری در خصوص جهان سخن بگوید و هر کشف جدید، جعبه پاندورای بزرگتری از ناشناخته‌ها را پیش روی محققان می‌گشاید و سوالات فیزیک تازه‌تری مطرح می‌کند.
انرژی تاریک
انرژی تاریک (Dark Energy) نوعی انرژی فرضی است که باعث افزایش سرعت انبساط جهان شده و توضیحی برای روند پر شتاب انبساط جهان است.
با گسترش فضا، انرژی تاریک و فضای بیشتری ایجاد می‌شود؛ بر اساس نرخ گسترش کائنات تخمین زده می‌شود که این انرژی حدود 73 درصد جرم جهان را تشکیل می‌دهد، اما تاکنون امکان مشاهده این انرژی فراهم نشده است.
ماده تاریک
حدود 84 درصد از ماده موجود در کائنات قادر به جذب یا انتشار نور نیستند؛ ماده تاریک (Dark Matter) مستقیما قابل مشاهده نبوده و بصورت غیرمستقیم تشخیص داده نشده است؛ وجود این ماده اسرارآمیز و ویژگی‌های آن از اثرات گرانشی بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار جهان استنباط می‌شود.
به نظر می‌رسد که ماده تاریک در حومه کهکشان‌ها پخش شده و متشکل از ذرات سنگین با تعامل ضعیف (WIMPs) است؛ آشکارسازهای متعددی در سراسر دنیا بدنبال یافتن نشانه‌هایی از این ذرات هستند.
روند کند بی نظمی در آغاز
زمان، حرکت رو به جلویی دارد و علت این امر ویژگی موسوم به انتروپی (entropy) است؛ این سطح اختلال در حال افزایش بوده و هیچ راهی برای معکوس کردن افزایش در انتروپی پس از وقوع وجود ندارد.
افزایش انتروپی یک موضوع منطقی است: ترتیبات دارای بی‌نظمی بیش از ترتیبات منظم هستند و بدلیل بروز تغییرات مداوم، تمایل به بی‌نظمی وجود دارد.
اما سوال اساسی در این زمینه، علت کند بودن انتروپی در گذشته است و اینکه چرا جهان در ابتدا با وجود مقادیر بسیار عظیم انرژی در یک فضای محدود، بسیار منظم بوده است؟
وجود جهان موازی
داده‌های فیزیک نجومی نشان می‌دهد که فضا-زمان احتمالا مسطح بوده و همین مسئله، علت پیش رفتن جهان است؛ اگر چنین چیزی درست باشد، منطقه‌ای که قادر به دیدن آن هستیم – یعنی کائنات – یک تکه از بی‌نهایت بسیار عظیم است.
در همین حال قوانین مکانیک کوانتومی حکم می‌کند که تعداد کمی از پیکربندی ذرات در هر تکه کیهانی وجود داشته باشد؛ بنابراین با توجه به تعداد نامحدود تکه‌های کیهانی، ترتیبات و آرایه‌های ذرات مجبور به تکرار بی‌نهایت هستند و در این صورت تعداد نامحدودی جهان موازی وجود خواهد داشت.
این سوال مطرح است که چه اشتباهی در خصوص این منطق وجود دارد و اگر واقعا جهان‌های موازی دیگری وجود دارند، چگونه می‌توان آنها را شناسایی کرد؟
وجود ماده بیش از ضد ماده
این سوال که چرا نسبت ماده به ضدماده بسیار بیشتر است، سوال اساسی در خصوص علت وجود همه چیز در جهان است.
یکی از فرض‌ها این است که جهان بصورت متقارن با ماده و ضد ماده رفتار می‌کند؛ به این ترتیب در لحظه انفجار بزرگ (Big Bang) مقادیر مساوی ماده و ضدماده تولید شده است.
اگر این اتفاق واقعا روی داده بود، نابودی هر دو را بدنبال داشت: پروتون‌ها با ضدپروتون‌ها (پادپروتون)، الکترون‌ها با ضدالکترون‌ها (پوزیترون) و نوترون‌ها با ضدنوترون‌ها خنثی می‌شدند.
سرنوشت جهان چیست؟
سرنوشت جهان بستگی به عاملی از ارزش ناشناخته موسوم به «Ω» دارد که واحد اندازهگیری چگالی ماده و انرژی در سراسر کیهان است. اگر این میزان بزرگتر از یک باشد، فضا-زمان مانند سطح یک کره عظیم بسته خواهد بود.
اگر انرژی تاریک وجود نداشته باشد، گسترش چنین جهانی متوقف شده و در عوض انقباض شروع می‌شود که در نهایت منجر به فروپاشی بزرگ می‌شود؛ این در حالیست که اگر جهان بسته باشد، اما انرژی تاریک وجود داشته باشد، این جهان کروی برای همیشه گسترش می‌یابد.
اگر Ω کمتر از یک باشد، هندسه فضا مانند سطح یک زین باز خواهد بود؛ در این حالت سرنوشت نهایی جهان، انجماد بزرگ (Big Freeze) ناشی از شکاف بزرگ خواهد بود: شتاب بیرونی جهان باعث جدا شدن کهکشان ها و ستارگان شده و تمامی مواد منجمد می‌شوند؛ رشد این شتاب بقدری سریع و قوی است که اثرات نیروها را درهم می‌شکند و همه چیز از هم جدا می‌شوند.
اما اگر Ω = 1 باشد، جهان مسطح شده و مانند یک سطح نامحدود در تمام جهات گسترش پیدا می‌کند؛ اگر ماده تاریک نباشد، چنین جهان مسطحی در یک نرخ کاهشی برای همیشه گسترش پیدا می‌کند و اگر انرژی تاریک وجود داشته باشد، جهان مسطح گسترشی را تجربه می‌کند که در نهایت منجر به شکاف بزرگ (Big Rip) می‌شود.
اندازهگیری فروریزش توابع موج کوانتومی
در قلمرو الکترون‌ها، پروتون‌ها و سایر ذرات بنیادی، قانون مکانیک کوانتومی برقرار است؛ ذرات مانند توپهای کوچک رفتار نمی‌کنند، بلکه رفتاری مانند موجهای گسترده در یک منطقه بزرگ دارند و هر ذره توسط یک تابع موجی توصیف می‌شود که محل، سرعت و سایر خواص را شرح می‌دهد.
ذرات دارای طیف وسیعی از مقادیر برای تمامی خواص هستند. زمانیکه یکی از این خصوصیات مانند محل آن بصورت تجربی اندازه گیری شود؛ در آن نقطه، تابع موجی ذره فرو می‌ریزد و یک محل مشخص می‌شود.
اما چگونه و چرا اندازهگیری یک ذره باعث فروریزش تابع موجی آن می‌شود، واقعیتی است که تحت عنوان مشکل اندازهگیری شناخته می‌شود.
آیا نظریه ریسمان درست است؟
زمانیکه فیزیکدانان، تمامی ذرات بنیادی را حلقه‌های یک بعدی یا ریسمانی فرض کنند که هرکدام در فرکانس‌های مختلف ارتعاش پیدا می‌کنند، درک فیزیک آسانتر می‌شود.
نظریه ریسمان (string theory) به فیزیکدانان اجازه تطابق قوانین حاکم بر ذرات موسوم به «مکانیک کوانتومی» با قوانین حاکم بر فضا-زمان موسوم به «نسبیت عام» و متحد کردن چهار نیروی بنیادی طبیعت در یک چارچوب واحد را فراهم می‌کند.
اما مشکل در این است که نظریه ریسمان تنها در یک جهان با ابعاد 10 یا 11 بعدی کاربرد دارد و ابعاد فضایی فشرده همچنین خود رشته ارتعاشی، یک میلیاردم یک تریلیونیم اندازه هسته اتم است؛ بنابراین هیچ راه شناخته‌شده‌ای برای اعتبار بخشی یا از درجه اعتبار ساقط کردن نظریه ریسمان وجود ندارد.
آیا در بی‌نظمی، نظم وجود دارد؟
فیزیکدانان تاکنون نتوانسته‌اند مجموعه‌ای از معادلات را که رفتار مایعات و گازها را توصیف می‌کند، حل کنند؛ در حقیقت مشخص نیست که آیا یک راه‌حل کلی برای معادلات ناویه- استوکس (Navier-Stokes) وجود دارد یا اگر راه‌حلی وجود دارد، آیا قادر به توصیف رفتار تمام مایعات است؟
ماهیت هرج و مرج (بی نظمی) بخوبی شناخته نشده است؛ فیزیکدانان و ریاضیدانان هنوز بطور دقیق نمی‌دانند که پیش‌بینی وضعیت آب و هوا صرفا دشوار است یا بطور ذاتی این مسئله غیر قابل پیش‌بینی است.
به گزارش سرویس علمی خبرگزاری دانشجویان ایران(ایسنا)، در سال 1900 میلادی «لرد کلوین» فیزیکدان انگلیسی تأکید کرد که موضوع جدیدی برای کشف کردن در فیزیک وجود ندارد و آنچه که باقی مانده، تنها اندازه گیری‌های بسیار دقیق است؛ اما در طول سه دهه موضوعات مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت انیشتین، انقلابی در علم فیزیک بوجود آورد.
در حال حاضر هیچ فیزیکدانی جرأت ندارد از کامل شدن دانش بشری در خصوص جهان سخن بگوید و هر کشف جدید، جعبه پاندورای بزرگتری از ناشناخته‌ها را پیش روی محققان می‌گشاید و سوالات فیزیک تازه‌تری مطرح می‌کند.
انرژی تاریک
انرژی تاریک (Dark Energy) نوعی انرژی فرضی است که باعث افزایش سرعت انبساط جهان شده و توضیحی برای روند پر شتاب انبساط جهان است.
با گسترش فضا، انرژی تاریک و فضای بیشتری ایجاد می‌شود؛ بر اساس نرخ گسترش کائنات تخمین زده می‌شود که این انرژی حدود 73 درصد جرم جهان را تشکیل می‌دهد، اما تاکنون امکان مشاهده این انرژی فراهم نشده است.
ماده تاریک
حدود 84 درصد از ماده موجود در کائنات قادر به جذب یا انتشار نور نیستند؛ ماده تاریک (Dark Matter) مستقیما قابل مشاهده نبوده و بصورت غیرمستقیم تشخیص داده نشده است؛ وجود این ماده اسرارآمیز و ویژگی‌های آن از اثرات گرانشی بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار جهان استنباط می‌شود.
به نظر می‌رسد که ماده تاریک در حومه کهکشان‌ها پخش شده و متشکل از ذرات سنگین با تعامل ضعیف (WIMPs) است؛ آشکارسازهای متعددی در سراسر دنیا بدنبال یافتن نشانه‌هایی از این ذرات هستند.
روند کند بی نظمی در آغاز
زمان، حرکت رو به جلویی دارد و علت این امر ویژگی موسوم به انتروپی (entropy) است؛ این سطح اختلال در حال افزایش بوده و هیچ راهی برای معکوس کردن افزایش در انتروپی پس از وقوع وجود ندارد.
افزایش انتروپی یک موضوع منطقی است: ترتیبات دارای بی‌نظمی بیش از ترتیبات منظم هستند و بدلیل بروز تغییرات مداوم، تمایل به بی‌نظمی وجود دارد.
اما سوال اساسی در این زمینه، علت کند بودن انتروپی در گذشته است و اینکه چرا جهان در ابتدا با وجود مقادیر بسیار عظیم انرژی در یک فضای محدود، بسیار منظم بوده است؟
وجود جهان موازی
داده‌های فیزیک نجومی نشان می‌دهد که فضا-زمان احتمالا مسطح بوده و همین مسئله، علت پیش رفتن جهان است؛ اگر چنین چیزی درست باشد، منطقه‌ای که قادر به دیدن آن هستیم – یعنی کائنات – یک تکه از بی‌نهایت بسیار عظیم است.
در همین حال قوانین مکانیک کوانتومی حکم می‌کند که تعداد کمی از پیکربندی ذرات در هر تکه کیهانی وجود داشته باشد؛ بنابراین با توجه به تعداد نامحدود تکه‌های کیهانی، ترتیبات و آرایه‌های ذرات مجبور به تکرار بی‌نهایت هستند و در این صورت تعداد نامحدودی جهان موازی وجود خواهد داشت.
این سوال مطرح است که چه اشتباهی در خصوص این منطق وجود دارد و اگر واقعا جهان‌های موازی دیگری وجود دارند، چگونه می‌توان آنها را شناسایی کرد؟
وجود ماده بیش از ضد ماده
این سوال که چرا نسبت ماده به ضدماده بسیار بیشتر است، سوال اساسی در خصوص علت وجود همه چیز در جهان است.
یکی از فرض‌ها این است که جهان بصورت متقارن با ماده و ضد ماده رفتار می‌کند؛ به این ترتیب در لحظه انفجار بزرگ (Big Bang) مقادیر مساوی ماده و ضدماده تولید شده است.
اگر این اتفاق واقعا روی داده بود، نابودی هر دو را بدنبال داشت: پروتون‌ها با ضدپروتون‌ها (پادپروتون)، الکترون‌ها با ضدالکترون‌ها (پوزیترون) و نوترون‌ها با ضدنوترون‌ها خنثی می‌شدند.
سرنوشت جهان چیست؟
سرنوشت جهان بستگی به عاملی از ارزش ناشناخته موسوم به «Ω» دارد که واحد اندازهگیری چگالی ماده و انرژی در سراسر کیهان است. اگر این میزان بزرگتر از یک باشد، فضا-زمان مانند سطح یک کره عظیم بسته خواهد بود.
اگر انرژی تاریک وجود نداشته باشد، گسترش چنین جهانی متوقف شده و در عوض انقباض شروع می‌شود که در نهایت منجر به فروپاشی بزرگ می‌شود؛ این در حالیست که اگر جهان بسته باشد، اما انرژی تاریک وجود داشته باشد، این جهان کروی برای همیشه گسترش می‌یابد.
اگر Ω کمتر از یک باشد، هندسه فضا مانند سطح یک زین باز خواهد بود؛ در این حالت سرنوشت نهایی جهان، انجماد بزرگ (Big Freeze) ناشی از شکاف بزرگ خواهد بود: شتاب بیرونی جهان باعث جدا شدن کهکشان ها و ستارگان شده و تمامی مواد منجمد می‌شوند؛ رشد این شتاب بقدری سریع و قوی است که اثرات نیروها را درهم می‌شکند و همه چیز از هم جدا می‌شوند.
اما اگر Ω = 1 باشد، جهان مسطح شده و مانند یک سطح نامحدود در تمام جهات گسترش پیدا می‌کند؛ اگر ماده تاریک نباشد، چنین جهان مسطحی در یک نرخ کاهشی برای همیشه گسترش پیدا می‌کند و اگر انرژی تاریک وجود داشته باشد، جهان مسطح گسترشی را تجربه می‌کند که در نهایت منجر به شکاف بزرگ (Big Rip) می‌شود.
اندازهگیری فروریزش توابع موج کوانتومی
در قلمرو الکترون‌ها، پروتون‌ها و سایر ذرات بنیادی، قانون مکانیک کوانتومی برقرار است؛ ذرات مانند توپهای کوچک رفتار نمی‌کنند، بلکه رفتاری مانند موجهای گسترده در یک منطقه بزرگ دارند و هر ذره توسط یک تابع موجی توصیف می‌شود که محل، سرعت و سایر خواص را شرح می‌دهد.
ذرات دارای طیف وسیعی از مقادیر برای تمامی خواص هستند. زمانیکه یکی از این خصوصیات مانند محل آن بصورت تجربی اندازه گیری شود؛ در آن نقطه، تابع موجی ذره فرو می‌ریزد و یک محل مشخص می‌شود.
اما چگونه و چرا اندازهگیری یک ذره باعث فروریزش تابع موجی آن می‌شود، واقعیتی است که تحت عنوان مشکل اندازهگیری شناخته می‌شود.
آیا نظریه ریسمان درست است؟
زمانیکه فیزیکدانان، تمامی ذرات بنیادی را حلقه‌های یک بعدی یا ریسمانی فرض کنند که هرکدام در فرکانس‌های مختلف ارتعاش پیدا می‌کنند، درک فیزیک آسانتر می‌شود.
نظریه ریسمان (string theory) به فیزیکدانان اجازه تطابق قوانین حاکم بر ذرات موسوم به «مکانیک کوانتومی» با قوانین حاکم بر فضا-زمان موسوم به «نسبیت عام» و متحد کردن چهار نیروی بنیادی طبیعت در یک چارچوب واحد را فراهم می‌کند.
اما مشکل در این است که نظریه ریسمان تنها در یک جهان با ابعاد 10 یا 11 بعدی کاربرد دارد و ابعاد فضایی فشرده همچنین خود رشته ارتعاشی، یک میلیاردم یک تریلیونیم اندازه هسته اتم است؛ بنابراین هیچ راه شناخته‌شده‌ای برای اعتبار بخشی یا از درجه اعتبار ساقط کردن نظریه ریسمان وجود ندارد.
آیا در بی‌نظمی، نظم وجود دارد؟
فیزیکدانان تاکنون نتوانسته‌اند مجموعه‌ای از معادلات را که رفتار مایعات و گازها را توصیف می‌کند، حل کنند؛ در حقیقت مشخص نیست که آیا یک راه‌حل کلی برای معادلات ناویه- استوکس (Navier-Stokes) وجود دارد یا اگر راه‌حلی وجود دارد، آیا قادر به توصیف رفتار تمام مایعات است؟
ماهیت هرج و مرج (بی نظمی) بخوبی شناخته نشده است؛ فیزیکدانان و ریاضیدانان هنوز بطور دقیق نمی‌دانند که پیش‌بینی وضعیت آب و هوا صرفا دشوار است یا بطور ذاتی این مسئله غیر قابل پیش‌بینی است.