رمزگشایی از عمیقترین اسرار کیهان با یک فرضیه ۱۵۰ ساله
گروهی از فیزیکدانان ژاپنی با بازخوانی فرضیهای ۱۵۰ ساله درباره «گرهها» در ساختار جهان، مدلی تازه ارائه کردهاند که توضیح میدهد چرا جهان از ماده و نه از پادماه ساخته شده است.
فرارو- یکی از بنیادیترین پرسشهای فیزیک مدرن این است که چرا اصلاً جهانی برای شکلگیری ستارگان، کهکشانها و زندگی وجود دارد. اکنون پژوهشی تازه با الهام از ایدهای متعلق به قرن نوزدهم تلاش میکند پاسخی نو برای این معما ارائه دهد.
به گزارش فررارو به نقل از اینترستینگ اینجنیرینگ، بیش از ۱۵۰ سال پیش، زمانی که فیزیک هنوز در حال ساختن تصویر خود از ماده و جهان بود، فیزیکدان مشهور بریتانیایی لرد کلوین ایدهای مطرح کرد که بعدها کنار گذاشته شد. او در سال ۱۸۶۷ تصور میکرد اتمها در واقع گرههای پیچیدهای هستند که در محیطی نامرئی به نام «اتر» شکل گرفتهاند.
این نظریه خیلی زود با پیشرفت فیزیک جدید و کنار رفتن مفهوم اتر رد شد. اما حالا گروهی از دانشمندان ژاپنی معتقدند ممکن است بخشی از آن ایده هنوز ارزش علمی داشته باشد. پژوهشگران دانشگاه هیروشیما در مطالعهای جدید پیشنهاد کردهاند که نوعی «گره کیهانی» در نخستین لحظات پس از تولد جهان شکل گرفته و شاید همین ساختارها دلیل اصلی برتری ماده بر پادماده در جهان امروزی باشند.
معمایی که هنوز حل نشده: چرا جهان از ماده ساخته شده است؟
براساس مدلهای استاندارد کیهانشناسی، در لحظه مهبانگ یا بیگبنگ باید مقدار برابری از ماده و پادماده تولید شده باشد. پادماده از نظر بسیاری از ویژگیها شبیه ماده است، اما بارهای فیزیکی مخالف دارد. طبق انتظار نظری، هر ذره ماده باید با همتای پادماده خود برخورد میکرد و هر دو نابود میشدند و تنها تابش انرژی باقی میماند.
اما جهان واقعی چیزی کاملاً متفاوت را نشان میدهد. مشاهدات نجومی نشان میدهند به ازای حدود یک میلیارد جفت ماده–پادماده، تنها یک ذره ماده موفق شده باقی بماند. همین اختلاف بسیار کوچک در نهایت تمام جهان قابل مشاهده را ساخته است.
تمام آنچه امروز میبینیم نتیجه همین عدم تقارن ظاهراً ناچیز است. اما سؤال اینجاست: چرا این اتفاق افتاد؟ مدل استاندارد فیزیک ذرات، با وجود موفقیت فوقالعاده در توضیح ساختار بنیادی ماده، هنوز نتوانسته پاسخ قانعکنندهای برای این عدم تقارن ارائه دهد.
مونتو نیتا، استاد دانشگاه هیروشیما و نویسنده مسئول این پژوهش، میگوید: «این مطالعه یکی از بنیادیترین رازهای فیزیک را بررسی میکند: چرا جهان ما از ماده تشکیل شده و نه از پادماده. این پرسش مستقیماً با این موضوع مرتبط است که چرا ستارهها، کهکشانها و در نهایت خود ما اصلاً وجود داریم.»
بازگشت به ایده گرهها؛ این بار در تار و پود فضا–زمان
پژوهشگران ژاپنی معتقدند پاسخ این معما ممکن است در پدیدهای به نام «باریوژنز» پنهان باشد؛ فرایندی فرضی که توضیح میدهد چگونه در جهان اولیه مقدار ماده از پادماده بیشتر شد. برای ساخت مدل جدید، تیم تحقیقاتی دو مفهوم نظری مهم را با یکدیگر ترکیب کرد.
اول، تقارنی موسوم به B-L یا «عدد باریونی منهای عدد لپتونی» و دوم، تقارن پچی–کوئین (PQ). هر یک از این چارچوبها پیشتر بهطور جداگانه در فیزیک نظری بررسی شده بودند، اما پژوهشگران برای نخستین بار آنها را همزمان در یک مدل واحد قرار دادند.
نتیجه شگفتانگیز بود. براساس محاسبات، ترکیب این دو تقارن میتواند به شکلگیری ساختارهایی پایدار و گرهمانند 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 توضیح میدهد هنگام سرد شدن جهان اولیه، تغییرات فازی عظیمی رخ داده است. این گذارها احتمالاً باعث ایجاد نقصهایی رشتهمانند در ساختار فضا–زمان شدهاند که به آنها «رشتههای کیهانی» گفته میشود.
رشتههای کیهانی ساختارهایی کاملاً فرضی هستند، اما بسیاری از نظریهپردازان معتقدند اگر وجود داشته باشند، ممکن است هنوز هم در مقیاسهای عظیم کیهانی باقی مانده باشند. طبق این مطالعه، برهمکنش میان رشتههای B-L و گردابههای مرتبط با تقارن PQ شرایطی را ایجاد کرده که در آن گرههای پایدار تشکیل شوند.
به گفته نیتا: «پیش از این کسی این دو تقارن را همزمان مطالعه نکرده بود. ترکیب آنها باعث شد ساختاری پایدار از نوع گره آشکار شود.»
چگونه گرههای کیهانی باعث تولد ماده شدند؟
اما داستان به تشکیل گرهها ختم نمیشود. براساس این مدل، این گرههای اولیه در ادامه بهدلیل پدیدهای کوانتومی به نام «تونلزنی کوانتومی» فروپاشی کردند. این فروپاشی ذراتی بسیار سنگین به نام نوترینوهای راستدست تولید کرد.
نوترینوها ذراتی بسیار سبک و گریزان هستند که گاهی به آنها «ذرات شبحگونه» گفته میشود، زیرا تقریباً بدون برهمکنش از میان ماده عبور میکنند. مدل ارائهشده نشان میدهد فروپاشی گرهها باعث تولید نوترینوهایی شد که در نهایت به تولید مقدار بیشتری ماده نسبت به پادماده انجامید.
محاسبات پژوهشگران نشان داد انرژی آزادشده از فروپاشی این گرهها جهان را تا دمایی حدود ۱۰۰ گیگاالکترونولت دوباره گرم کرده است؛ نقطهای که برای تثبیت برتری ماده شرایط مناسبی فراهم میکرد.
آیا میتوان این نظریه را آزمایش کرد؟
یکی از جذابترین بخشهای این پژوهش آن است که صرفاً یک ایده فلسفی یا انتزاعی باقی نمیماند. دانشمندان معتقدند اگر چنین فرایندی واقعاً رخ داده باشد، باید ردپایی در امواج گرانشی جهان به جا گذاشته باشد.
به بیان ساده، جهان اولیه مانند ارکستری عظیم 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 ثبت کند.
از جمله ابزارهایی که احتمال 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 کرد.
اگر روزی چنین سیگنالی ثبت شود، شاید نظریهای که ریشه آن به ایدهای فراموششده از قرن نوزدهم بازمیگردد، به یکی از کلیدهای اصلی در فهم منشأ جهان و دلیل وجود خود ما تبدیل شود.
