فرارو- یکی از پرسشهای اساسی در فیزیک مدرن این است که چرا جهانی وجود دارد که در آن ستارگان، کهکشانها و زندگی شکل گرفتهاند. اکنون یک تحقیق جدید با الهام از یک ایده متعلق به قرن نوزدهم تلاش دارد تا پاسخی تازه برای این معما ارائه کند.
به گزارش فررارو به نقل از اینترستینگ اینجنیرینگ، بیش از ۱۵۰ سال پیش، زمانی که فیزیک در حال ساختن تصویر خود از ماده و جهان بود، فیزیکدان مشهور بریتانیایی، لرد کلوین، مفهومی را مطرح کرد که بعدها به فراموشی سپرده شد. او در سال ۱۸۶۷ ایدهای ارائه داد که بر اساس آن، اتمها در واقع گرههای پیچیدهای هستند که در یک محیط نامرئی به نام «اتر» شکل گرفتهاند.
بسیار زود این نظریه به دلیل پیشرفتهای فیزیک مدرن و کنار رفتن مفهوم اتر رد شد. اما اکنون گروهی از دانشمندان ژاپنی بر این باورند که بخشی از آن ایده ممکن است هنوز جنبههای علمی داشته باشد. پژوهشگران دانشگاه هیروشیما در مطالعهای جدید پیشنهاد کردهاند که نوعی «گره کیهانی» در دقایق نخست پس از شکلگیری جهان شکل گرفته و شاید این ساختارها دلیل اصلی برتری ماده بر پادماده در جهان کنونی باشند.
معمایی که هنوز بیپاسخ مانده: چرا جهان از ماده ساخته شده است؟
براساس مدلهای استاندارد کیهانشناسی، در لحظه مهبانگ یا بیگبنگ باید مقدار مساوی از ماده و پادماده تولید شده باشد. پادماده از نظر بسیاری از ویژگیها شبیه ماده است، اما بارهای فیزیکی مخالفی دارد. طبق انتظار نظری، هر ذره ماده باید با همتای پادماده خود برخورد کرده و هر دو نابود میشدند و در نهایت تنها تابش انرژی باقی میماند.
اما آنچه در جهان واقعی مشاهده میشود به کلی متفاوت است. مشاهدات نجومی نشان میدهند که به ازای هر یک میلیارد جفت ماده–پادماده، فقط یک ذره ماده موفق به بقا شده است. این تفاوت خیلی کوچک در نهایت تمام جهان قابل مشاهده را شکل داده است.
تمام آنچه که امروز در مییابیم نتیجه این عدم تقارن به ظاهر ناچیز است. اما سؤال اینجاست: چرا چنین حوادثی رخ داده است؟ مدل استاندارد فیزیک ذرات، با وجود دستاوردهای فوقالعاده خود در توضیح ساختار بنیادی ماده، هنوز نتوانسته پاسخ قانعکنندهای برای این عدم تقارن ارائه کند.
مونتو نیتا، استاد دانشگاه هیروشیما و نویسنده اصلی این پژوهش، میگوید: «این مطالعه یکی از رازهای بنیادی فیزیک را بررسی میکند: چرا جهان ما از ماده تشکیل شده و نه از پادماده. این پرسش به طور مستقیم به دلیل وجود ستارهها، کهکشانها و در نهایت خود ما مرتبط است.»
بازگشت به ایده گرهها؛ این بار در تار و پود فضا–زمان
پژوهشگران ژاپنی بر این باورند که پاسخ این معما ممکن است در پدیدهای به نام «باریوژنز» نهفته باشد؛ فرآیندی فرضی که توضیح میدهد چگونه در جهان اولیه، مقدار ماده از پادماده بیشتر شد. برای ایجاد مدل جدید، تیم تحقیقاتی دو مفهوم نظری کلیدی را با یکدیگر ترکیب کردند.
نخست، تقارنی به نام B-L یا «عدد باریونی منهای عدد لپتونی» و دوم، تقارن پچی–کوئین (PQ). هر یک از این چهارچوبها قبلاً بهطور مستقل در فیزیک نظری مورد بررسی قرار گرفته بودند، اما پژوهشگران برای نخستین بار آنها را در یک مدل جامع ترکیب کردند.
نتیجهای شگفتانگیز به دست آمد. بر اساس محاسبات، ترکیب این دو تقارن میتواند به شکلگیری ساختارهای پایدار و مشابه گره در جهان اولیه منجر شود. این گرهها نه گرههای معمولی، بلکه ساختارهای توپولوژیکی بسیار پایداری در بافت فضا–زمان هستند؛ ساختارهایی که فیزیکدانان از آنها با عنوان «سالیتونهای گرهای» یاد میکنند.
رشتههای کیهانی؛ شکافهایی فرضی در جهان آغازین
مدل جدید ارائه میدهد که در هنگام سرد شدن جهان اولیه، تغییرات فازی عمیقی رخ داده است. این انتقالها احتمالاً منجر به ایجاد نقصهایی رشتهمانند در ساختار فضا–زمان گردیدهاند که به آنها «رشتههای کیهانی» میگویند.
رشتههای کیهانی ساختارهایی کاملاً فرضی هستند، اما بسیاری از نظریهپردازان بر این باورند که اگر وجود داشته باشند، ممکن است هنوز هم در مقیاسهای بزرگ کیهانی باقی مانده باشند. طبق این مطالعه، تعامل میان رشتههای B-L و گردابههای مرتبط با تقارن PQ شرایطی را فراهم آورده است که در آن گرههای پایدار شکل میگیرند.
به گفته نیتا: «پیش از این هیچکس این دو تقارن را بهطور همزمان مورد بررسی قرار نداده بود. ترکیب آنها باعث شد که ساختاری پایدار از نوع گره ظهور کند.»
چگونه گرههای کیهانی باعث تولد ماده شدند؟
اما داستان تنها به تشکیل گرهها محدود نمیشود. بر اساس این مدل، این گرههای آغازین به دلیل فرآیندی کوانتومی به نام «تونلزنی کوانتومی» دچار فروپاشی شدند. این فروپاشی نوعی ذرات سنگین به نام نوترینوهای راستدست را تولید کرد.
نوترینوها ذراتی بسیار سبک و فراری هستند که گاهی به آنها «ذرات شبحگونه» گفته میشود، زیرا تقریباً بدون برهمکنش از میان ماده عبور میکنند. مدل ارایهشده نشان میدهد که فروپاشی گرهها به تولید نوترینوهایی منجر شد که در نهایت موجب خلق مقادیر بیشتری ماده در مقایسه با پادماده گردید.
محاسبات پژوهشگران نشان داد انرژی آزادشده از فروپاشی این گرهها جهان را تا دمایی حدود ۱۰۰ گیگاالکترونولت دوباره گرم کرده است؛ دمایی که برای تثبیت برتری ماده شرایط مناسبی فراهم میساخت.
آیا میتوان این نظریه را آزمایش کرد؟
یکی از جذابترین جنبههای این پژوهش آن است که صرفاً به یک ایده فلسفی یا انتزاعی محدود نمیشود. دانشمندان معتقدند اگر چنین فرآیندی واقعاً اتفاق افتاده باشد، باید نشانهای در امواج گرانشی جهان به جای گذاشته باشد.
به بیان ساده، جهان اولیه مانند یک ارکستر بزرگ از ارتعاشات عمل کرده و گرههای کیهانی ممکن است فرکانس این «همسرایی گرانشی» را تغییر داده باشند. پژوهشگران امیدوارند نسل آینده رصدخانههای امواج گرانشی بتواند این تغییر بسیار ظریف را شناسایی کند.
از جمله ابزارهایی که امکان دارد در آینده چنین نشانهای را شناسایی کنند میتوان به مأموریت فضایی LISA در اروپا، پروژه Cosmic Explorer در آمریکا و رصدخانه DECIGO در ژاپن اشاره نمود.
اگر روزی چنین سیگنالی ثبت شود، احتمالاً نظریهای که ریشه در یک ایده فراموششده از قرن نوزدهم دارد، به یکی از کلیدهای اصلی در فهم منشأ جهان و دلیل وجود ما تبدیل خواهد شد.
نظرات کاربران