تا به حال فکر کرده‌اید چرا جهان سه بعدی است؟ در نگاه اول، سوال پیش پا‌‌افتاده و احتمالا عجیبی به نظر می‌رسد، زیرا برای عموم تعجبی ندارد که جهان سه بعدی است، اما یافتن جواب این سوال ذهن بسیاری از فیزیکدانان را به خود مشغول کرده است. به تازگی پژوهشی برای یافتن پاسخ این سوال انجام شده که طبق آن، پاسخ به لوله های شارش مربوط است. نتایج این پژوهش در European Physical Journal C منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشد…
ایده اصلی این پژوهش استفاده از نظریه گره است. ترکیب این نظریه با فیزیک ذرات نه تنها می‌تواند پاسخی برای چرایی سه بعدی بودن جهان ارائه دهد، بلکه حتی می‌تواند در پاسخ به سوالات مربوط به تشکیل جهان و اتفاقات بعد از آن نیز به کار گرفته شود. مطالعه گره‌های ریاضی در توپولوژی را نظریه گره می‌نامند. به زبان ریاضی، گره، دایره خوابیده‌ای در فضای سه بعدی اقلیدسی است که همواره تغییر شکل می‌دهد.
این واقعیت که فضای ما از سه بعد طول، عرض و ارتفاع تشکیل شده، یک مسئله بنیادی بوده و به همین خاطر تصور جهان با ابعاد بالاتر بسیار مشکل است. برای درک مسئله ابعاد بالا سعی کنید یک اَبَرمکعب چهار بعدی را تصور کنید. طبیعی است که گیج شوید، زیرا ما موجوداتی سه بعدی هستیم و اشیا را تنها در جهان سه بعدی می‌توانیم تصور کنیم. با این حال نمی‌توانیم، احتمال وجود ابعاد دیگر فضا را صفر در نظر بگیریم، چرا که در حال حاضر قادر به آزمایش عملی چنین فرضی نیستیم. از طرفی برای اثبات مدل هایی همچون نظریه ریسمان به فضایی با ۹ بعد یا بیشتر احتیاج است. به هر حال تا زمانی که شواهد قانع‌کننده‌ای از وجود آنها پیدا نکنیم، باید در مقیاس بزرگ، نگران سه مسئله باشیم: انسانها، سیارات و کهکشان‌ها.
یک تیم بین المللی از فیزیکدانان برای یافتن دلیل سه بعدی بودن فضا تشکیل شده است. آنان می‌خواهند بدانند چه رازی پشت عدد جادویی سه نهفته است و بدین منظور یک مدل به نام تورم گره خورده (knotty inflation) را ارائه داده‌اند. محققان با استفاده از فیزیک لوله های شارش (flux tubes)، این مدل را ساخته‌اند، فیزیک لوله های شارش از قوانین الکترومغناطیس ماکسول سرچشمه می‌گیرد. لوله های شارش، کم و بیش برای توصیف کانال‌هایی که برای عبور خطوط فرضی نیروی الکترومغناطیسی در نطر گرفته می‌شوند، بکار می‌روند. ما بامفهوم بارهای الکتریکی مثبت و منفی و قطب شمال وجنوب مغناطیسی آشنا هستیم. این مفاهیم سنگ بنای بسیاری از پدیده های فیزیکی هستند. دنیای کوانتومی نیز سیستمی مشابه با لوله های شارش کلاسیکی دارد که طبق آن با استفاده از لوله های شارش در مقیاس کوانتومی، می‌توان ارتباط بین کوارک‌ها را توضیح داد. کوارک یک ذره بنیادی است که پروتون و نوترون از آن تشکیل شده‌اند. بدین ترتیب می‌توان اطلاعات مفیدی از ذرات زیر اتمی بدست آورد. اگر یک آهنریا بشکنید، باز یک آهنربا با قطب های شمال و جنوب در اختیار خواهید داشت؛ این یک مثال ساده از کارکرد لوله‌های شارش است.
کوانتوم پاسخ اینکه چرا با شکستن آهنربا یک آهنربای دیگر ایجاد می‌شود را تنها با یک پیچش می‌دهد. اگر یک جفت کوارک را از هم جدا کنید، لوله‌های شارش همراه آنها گسترده می‌شود. انرژی ایجاد شده در میدان بین کوارک ها باعث ایجاد یک کوارک و آنتی کوارک جدید می‌شود. گاهی اوقات جفت کوارک ها فورا باهم ترکیب شده و تشکیل کوارک های جدید منتفی می‌شود. در برخی موارد یک کوارک به دو نیم می‌شکند تا جفت های تازه‌ای تشکیل شوند.
کوارک ها در لحظات اولیه شکل جهان به فور وجود داشته‌اند. بنابراین به نظر می‌رسد لوله‌های شارش به احتمال زیاد آنجا نقش بزرگی داشته‌اند. این گمانه زنی‌ها نقطه شروع کار محققان بود. توماس کافارت از دانشگاه وندربیلت می‌گوید:
ما با شناخت پدیده لوله های شارش و تعمیم آن به سطح انرژی‌های بالا مسئله سه بعدی بودن فضا را بررسی می‌کنیم.
تغییر یک لوله شارش و خارج شدن یک کوارک و آنتی کوارک از آن باید پایان داستان باشد، به ویژه اگر کوارک و آنتی کوارک یکدیگر را از بین ببرند، اما یک استثنای خاص وجود دارد: این لوله‌ها از لحاظ فنی به یک خط مستقیم یک بعدی محدود نمی‌شوند. ترکیب‌های پیچیده‌‌ی لوله های شارش می‌توانند پایداری‌های متفاوتی داشته باشند که بعضی از آنها قادرند کوارک و آنتی کوارک را تولید کرده و آنها را درون یک گره محبوس کنند.
حال سوال این است که بهترین پیکربندی برای گره ها کدام است؟ تعجب می‌کنید اگر بشنوید که این گره‌ها در فضای سه بعدی بیشترین پایداری را دارند. در سایر فضا‌ها با ابعاد بیشتر یا کمتر از سه، گره‌ها به سرعت می‌شکنند. با این اوصاف، جهان باید سه بعدی باشد. در جهان اولیه، کیهان به اندازه کافی گسترده شده بود تا کوارک ها بتوانند به هم متصل شوند، همچنین فضای خالی می‌توانست با یک پیچ خوردگی، گره هایی ایجاد کند که با لوله های شارش پر شوند.
محققان با بررسی ریاضی انرژی لوله های شارش دریافتند این انرژی به اندازه کافی مناسب است تا بتوان از آن برای پدیدآمدن دوره‌ای که به نام تورم شناخته می‌شود، بهره برد. به نظر می‌رسد کیهان در تمامی جهت ها یکسان است. این امر باعث می‌شود تا کیهانشناسان بر این عقیده باشند که جهان از انفجار بزرگ تشکیل شده باشد. یعنی ابتدا به اندازه یک پروتون بوده و در کسری از ثانیه به اندازه یک گریب فروت رسیده است. کافهارت در این باره می‌گوید:
نه تنها شبکه‌ی لوله های شارش انرژی لازم برای استخراج تورم را فراهم می‌کند، بلکه توضیح می‌دهد چرا انفجار بزرگ به طور ناگهانی متوقف شد
همانطور که جهان شروع به گسترش کرد، شبکه لوله‌های شارش شروع به تجزیه شدن و در نهایت جدا شدن کردند. با این اتفاق، منبع تولید انرژی از بین رفت و انفجار بزرگ متوقف شد. با توجه به اینکه لوله های پایدار در سه بعد، گره خورده بودند، سایر درجات آزادی فضایی به دلیل ناپایداری از بین رفتند. محققان قبلا در حال انجام یک آزمایش فیزیکی عجیب و غریب برای بازآفرینی پلاسمای کوارک ها با ذراتی به نام گلوئون ها مواجه شده بودند. با اینکه این تحقیق یک مدل شسته و رفته بود، اما نمی‌تواند برای مدت طولانی کارایی داشته باشد، چرا که باید شواهد جامع و کاملی از تاریخچه جهان بدست آید.
گفتگو۴ دیدگاه
یعنی هیچی نفهمیدم
از مترجم توانا که مطلبی در این سطح را بصورت کاملا روان ترجمه کردند از صمیم قلب تشکر و قدردانی میکنم و امیدوارم کماکان این کار زیبا را ادامه دهند.
از آنجایی این تشکر لازم آمد که من با سواد اندک فیزیکی حجم قابل قبولی از مطلب را درک کرده و حداقل دانستم مطلب در پی فهم چه چیزی بود.
ایکاش ترجمه و ارائه بقیه مقاله امکان پذیر باشد؟
به احترام شما .
ارادتمند.
دوست عزیز موفق باشی اطلاعاتت درست و جامع بود حال کردم از ادبیات زیبایت در فیزیک
ممنون عزیزان