مسأله تئوری تورم
مسأله تئوری تورم
همانطور که پیش از این گفته شد آلن گوث در سال 1979 در طی رصدی معمولی که در یک رصدخانه انجام داد این ایده به ذهنش خطور کرد که جهان اولیه ممکن است از یک تورم عظیم به وجود آمده باشد . گوث اینگونه فرض کرد که جهان درست در لحظه تولد دچار افزایش حجم یا تورم شدیدی شده است . این تورم از نظر ستاره شناسی بسیار سریع تر از آنچه اغلب فیزیکدانان تصور می کردند رخ داد . مسأله ایده تورم توانست بسیاری سوالات و معظلاتی که گریبانگیر کیهان شناسی نسبیتی بود تا حد زیادی حل کند ، که در ذیل به آن اشاره کرده و آن را شرح خواهیم داد :
1. معمای تخت بودن جهان
2. مسئله تک قطبی ها
3. معمای افق
معمای تخت بودن جهان
همان طور که در فصول قبل ذکر شد فریدمن با قراردادن مقدار از جهان های مختلفی سخن به میان آورد که شکل کلی جهان را تعیین می کنند با کوشش فراوانی که اخترشناسان برای شناسایی انجام دادند این مسأله مشخص شد که مقدار موجود و فعلی جهان 1/0 می باشد برای اینکه مقدار امروز 1/0 باشد، باید یکنانیه پس از انفجار بزرگ باید مقدار را با دقت اعجاب انگیزی انتخاب کرده باشد تا امروز بتواند مقداری برابر 1/0 داشته باشد . این به مصابه این است که ما مداد یا خودکاری را طوری تنظیم کنیم که مداد روی نک خود متعادل بایستد و چندین سال به همین صورت باقی بماند تنظیم و دقیق مورد نیاز برای اینکه امروز مقدار برابر 1/0 داشته باشد مشابه همین حالت است . کوچکترین خطا در تنظیم دقیق باعث می شود که به مقدار زیادی از یک فاصله داشته باشد .
از نظر نظریه تورم جهان چنان شدید بوده که منجر به تخت شدن آن شده است . همانند شخصی که چون افق را نمی بیند نتیجه می گیرد که زمین همواراست پس ستاره شناسان نتیجه گرفتند که در حدود یک است زیرا وقوع تورم منجر به تخت شدن جهان شده است . جهان تخت یعنی اینکه در لحظه آغاز مقدار نیروی انفجاری و گرانش دقیقا ً برابر هم باشند . که اگر هرکدام از این نیروهای بر دیگری غلبه کند مقدار از یک فاصله خواهد گرفت اما با توجه به مقدار فعلی جهان که 1/0 است نتیجه حاصل می شود که باید در لحظه آغاز یک باشد و این یعنی تنظیم ظریف انفجار با نیروی گرانش که با دقت یک ترلییونیوم انجام شده باشد این یعنی تنظیم یک خودکار روی نوک آن به گونه ای که صدسال تعادل خود را حفظ کند . که نظر نظریه تورمی ، تورم به این نکته پاسخ می دهد که آنقدر تورم شدید بوده که ماده از فضای تورمی جای مانده است . یعنی تورم جهان را به شدت وسعت داده و جهان پیرامون ما تخت به نظر می رسد مثل ما که جهان کروی را مسطح می بینیم و انحنای آن را احساس نمی کنیم .
معمای افق
وقتی ما در کیهان به محیط 13میلیون سال نوری نگاه می کنیم یعنی داریم 13 میلیون سال پیش را می بینیم ، حال مسأله این است اگر ما به دو نقطه مقابل خودمان نگاه بکنیم و ببینیم که این دو نقطه در 13 میلیون سال نوری دقیقاً مثل هم هستند از لحاظ چگالی از لحاظ تابش و مسائل دیگر می توانیم نتیجه بگیریم که این دو نقطه در 13 میلیارد سال پیش یکی بوده و متصل بوده اند و الان ما داریم 13میلیارد سال پیش آنها را می بینیم پس کماکمان متصل هستند ، و تبادل اطلاعات دارند ، گر چه از نگاه فعلی ما به ظاهر حدود 26 میلیارد سال با هم فاصله دارند ، « پس با آنکه با هم 26 میلیارد سال فاصله دارند هنوز تبادل اطلاعات دارند ، اگر از عمر جهان 13 میلیارد سال گذشته باشد چگونه ممکن است این دو نقطه 26 میلیارد سال با هم فاصله داشته باشند و رعیت نور هم محدود باشد و ارتباط هم با هم داشته باشند مگر اینکه بگوئیم سرعت سیر اطلاعات از سرعت نور بیشتر است . که این امکان ندارد (پارادوکس) این مساله را می توان باایده تورمی این طور توضیح داد . که در ابتدای خلقت عالم یعنی 13 میلیارد سال که این دو نقطه با هم در ارتباطند . مقداری از جهان با سرعتی سریعتر از سرعت نور منبسط شده و این روند کماکمان ادامه دارد و منجر به این شد این دو نقطه گر چه 26 میلیارد سال با هم فاصله دارند پس سیر اطلاعات باید رد بین آنها مسأله ای ماورای سرعت نور باشد که این از تورم نشأت می گیرد .
مسأله تک قطبی ها
طبق نظریه گات در هنگام تکوین عالم با توجه به وجود کوارکهای آزاد می بایست تعداد زیادی تک قطبی به وجود آمده باشد ولی ما در جهان پیرامون خودمان اثری از تک قطبی ها نمی بینیم و حتی یک مورد هم کشف نشده بنا به نظریه گوث در اثر تورم این تک قطبیها در فضایی بالغ بر پخش شده لذا چگالی آنها ناگهان بصورت غیرقابل تصوری کم شده است .
ایده نظریه واحد با یکپارچگی عالم :
نظریه همه چیز با یکپارچگی عالم ایده ای بود که بر این مبنا استوار بود که چهار نیروی اصلی کشف شده درجهان گرانش ، الکترومغناطیس ، هسته ای ظریف و هسته ای قوی را بتوانند براساس یک تئوری متقارن ، زیبا و آسان توضیح دهند و این کوشش توسط خود انیشتین شروع شد چرا که قبل از انیشتین توانسته بودند حوزه مغناطیس و الکتریسته را به یکدیگر متصل کنند و این دو مساله را لمعانی از یک اصل بدانند در مواردی بتوانند این دو حوزه را مغناطیس و الکتریسته را با یکدیگر جایگزین کنند. و خود انیشتین در نظریه نسبیت توانست این کار را درباره فضا و زمان انجام دهدیعنی اثبات کند که این دو مسأله نشأت از یک مسأله می گیرند و در مواردی یکی به دیگری تبدیل می شود پس تقارن خاصی بین این حوزه ها قرار دارد ، انیشتین درصدد بود تا این تقارن را بین نیروهائی چون گرانش و الکترومغناطیس هم گسترش دهد اما ناپایان عمر به این کار نائل نشد . بعد از انیشتین این کار تا حدودی به فراموشی سپرده شد . چرا که نیروهائی که در طیبعت وجود دارند از نظر قدرت یکسان به نظر نمی رسند ، گرانش که بر سراسر جهان حکم فرماست و جمیع ستارگان و خورشید و سیارات را نگه داشته بار ضعیفتر از الکترومغناطیسی است یعنی یک کودک 3 ساله با یک شانه سرکه باردار شده خورده کاغذی را که روی زمین و زمین با جرم 6 تریلیون تریلیون کیلوگرم بر آن نیروی گرانش وارد کرده و آن را به سوی خود می کشد غلبه کند و آن را از زمین بردارد.
البته با تمام ضعیف بودنش اگر ناگهان از بین برودکل کائنات از هم خواهد پاشید و الکترومغناطیس که تمام تکنولوژی معاصر بدان متصل است و با تقارن عجیبی از بارهای مثبت و منفی جهان را احاطه نموده که این تقارن گر چه درباره ای از موارد بهم ولی در نهایت در کل جهان وجود دارد اگر این تقارن به اندازه 00001 /0 در بدن ما بهم بخورد کل سیستم بدن ما از هم می پاشد . و نیروی هسته ای ضعیف که در درون هسته اتمهای رادیواکتیو وجود دارد و منجر به تلاشی خود به خودی هسته ها و لاجرم ظهور اشعه رادیواکتیو می شود که این اشعه منجر به گرم شدن توده هسته ای زمین شده ودر تکنولوژی داروی بسیاری از سرطانهای بدخیم و خوش خیم می باشد و بالاخره نیروی هسته ای قوی که بنیان یک هسته را استحکام بخشیده و اساس اتمها و عناصر موجود در طبیعت به وجود آن قوام می یابد .
چگونه دانشمندان می توانستند بین این چهار نیروی پیوندی بیابند و آنها را لمعانی از یک نیرو به حساب آورند ؟
علم فیزیک ذرات بنیادی ، با نظریه های بدیع زمینه ساز پژوهشهای بنیادی در این حوزه شد ایده هایی چون وجود ذراتی بنیادی که به نام بوزونها که منجر به ظهور نیروهائی خاص در طبیعت می شوند مثلاً در حوزه الکترومغناطیس فوتونهائی که ما بین دو الکترون رد و بدل می شوند منجر به ظهور نیروی الکترومغناطیسی می شوند و موارد دیگری که بدان اشاره خواهیم کرد فیزیک ذرات بنیادی در راستای تحقق و اثبات نظریه های بدیعش به دنبال ذراتی جدید که در تئوری ها پیش بینی بنیادی در راستای تحققق و اثبات نظریه های بدیعش به دنبال ذراتی جدید که در تئوری ها پیش بینی می کرد بود پس توسل به سیلوترونهای شکننده هسته از مهمترین وسایل برای این منظور به شمار می آمد .
اما مسأله جای دیگر بود و دانشمندان در پی کاوش ذرات ریز اتمی با تعداد کثیری از این ذرات مواجه شدند که حتی برای نام گذاری آنها حروف یونانی کفاف نمی داد جی روبرت اپنهایمر سازنده اولین بمب اتمی به طنز گفته بود ما در حوزه ذرات بنیادی به جائی رسیده ایم که باید به دانشمندی ذره ای جدید کشف نکرده جایزه نوبل تعلق گیرد .
آیا به راستی ما باید برای اتحاد نیروها درون هسته ها را کاووش کنیم و بالاخره کوچکترین جزء خلقت و به قول قدما ماده المواد چیست ؟
موری ژلمن و جورج زوئیگ از کلتک در سال های اولیه دهة 1960 با مطرح کردن ایده کوارک ها همان ذرات تشکیل دهنده پروتونها و نوترونها آرامش خاصی را به فیزیک ذرات بخشیدند .
نظریه کوارکها
بر طبق این نظریه یک پروتون یا نوترون از سه کوارک تشکیل شده است و یک کوارک و آلتی کوارک یک مزون « ذره ای که اجزاء هسته را کنار هم قرار می دهد . » را می سازند . با اینکه این ایده هنوز نواقصی دارد با این حال برای جلوگیری از آشفتگی مفید است .
موفقیتی تأمل برانگیز عبدالسلام
در سال 1967 عبدالسلام دانشمند مسلمان و پاکستانی تبار و اینبرگ طی کشف خارق العاده ای نشان دادند که اتحاد نیروی الکترومغناطیس و نیروی هسته ای ضعیف امکان پذیر است . در این نظریه الکترونها و نوترینوها ( لپتون ها ) از طریق ذرات جدیدی به نام بوزون ها z,w و همینطور فوتونها با یکدیگر بر هم کنش دارند و آنها بر پایه مشترکی قرار داشتند که اتحادی بین آنها برقرار می کرد و همین اتحاد بین دو نیرو منجر به دریافت جایزه نوبل شد .
در دهه 1970 فیزیکدانان داده های حاصل از شتاب دهنده ذره در مرکز شتاب دهنده خطی استانفورد را مورد بررسی قرار دادند ، باریکه ای پرانرژی از الکترونها به سمت هدف تشکیل شد تا درون پروتون مورد کاوش قرار گیرد .
آنها دریافتند نیروی هسته ای قوی که کوارک ها درون پرتون قرار داده است از طریق ذرات جدیدی به نام
گلئون ها که کوانتم های نیروی هسته ای قوی هستند قابل تشریح است . پس با تبادل گلئون ها بین کوارکهای تشکیل دهنده نیروی هسته ای قوی برقرار می شود . که این مسأله بنیان علمی را به عنوان کرومودینامیک کوانتمی را گذاشت .
بنابراین در اواسط دهه 1970 سه تا از این چهار نیرو با یکدیگر متحد شدند .
تبصره :
« گذری بر مفاهیم فیزیک بنیادی »
جهان بزرگترین مجموعه ممکن است که از ذرات بنیادی شکل یافته است . این ذرات توسط نیروی گرانش ، الکترومغناطیس ، هسته ای به هم پیوند یافته اند . سلسله مراتب ساختمانی آن در فضا « از هسته های اتم گرفته تا ابر کهکشانها ) و سیر تکاملی آن « از گوی آتشین تا شکل کنونی » توسط ویژگی های ذرات بنیادی و برهمکنش آنها اداره می شود . بنابراین ، تشریح ساختمان جهان و تکامل آن بر اساس خواص و برهمنکش ذرات بنیادی صورت می گیرد .
ماده جهان از ذرات بنیادی تشکیل شده است . اجسام ، بدن انسان ، ستارگان سیستم هایی از ذرات بنیادی هستند که از نظر تعداد و نحوه جفت و جور شدن با یکدیگر فرق می کنند . بنابراین وجود ذرات بنیادی باید در تمام پدیده های جهان ملموس باشد .
فیزیک ذرات بنیادی درک عمیقتری و دید بالائی در مورد ساختار و تکامل اجسام منفرد مانند اتم ها ، مولکول ها ، بلورها ، صخره ها ، سیارات ، ستارگان ، و کل جهان ارائه می دهد . برای همین مطالعه ذرات بنیادی برای فیزیک معاصر و بخصوص اختر فیزیک و کیهان شناسی اهمیت اساسی دارد .
