راند اول جدال سخت نظریه ریسمان با انرژی تاریک آغاز شد

کامران وفا و دیگر نظریه‌پردازان ریسمان به تازگ فرمولی جنجالی کشف کرد‌‌ه‌اند که در آن برخی جهان‌ها، ممکن و برخی ناممکن‌اند. برخلاف باور همیشه‌ی ما، جهان‌هایی همچون جهان ما که با انرژی تاریک مثبت و ثابت، اجازه‌ی موجودیت ندارند، به چشم‌انداز نظریه ریسمان متعلق نبوده، بلکه در باتلاق قرار دارند! طبق فرمول جدید کامران وفا و همکارانش، یا تمامی درک ما از کیهان اشتباه است یا نظریه‌ ریسمان غلط. باید میخکوب بنشینیم و منتظر مشاهدات بعدی باشیم تا ببینیم نظریه‌ ریسمان در این جدال، انرژی تاریک را شکست می‌دهد یا انرژی تاریک نظریه‌ ریسمان را. با دیپ لوک همراه باشید…

مقاله‌ی جدال‌آمیز اخیر، درباره‌ی جهان‌هایی با مشخصات انرژی تاریک جهان‌هایی مانند جهان ما بحث می‌کند؛ جهان‌هایی که در «چشم‌انداز» نظریه‌ ریسمان وجود ندارد. نظریه‌ ریسمان «چشم‌اندازی» از جهان‌های ممکن را مجاز می‌داند که به وسیله‌ی «باتلاقی» از جهان‌های ناسازگار محاط شده‌اند. در تمام جهان‌های ساده و زیست‌پذیر ریسمانی که فیزیکدانان مطالعه کردند، چگالی انرژی تاریک یا در حال کاهش یا دارای مقدار  منفی ثابت است، برخلاف جهان ما که به نظر می‌رسد چگالی انرژی تاریک آن مقدار ثابت مثبتی است.

در ۲۵ ژوئن، تیم ریز (Timm Wrase) در وین بیدار شد و  در حالت خواب و بیداری در حال بالا پایین کردن مقالات فیزیکی جدید بود که‌ یک عنوان چنان او را شوکه کرد که کاملا هوشیار شد. آن مقاله توسط متخصص برجسته‌ی نظریه‌ ریسمان ، کامران وفا از دانشگاه‌‌ هاروارد نوشته بود و فرمول ساده‌ای برای انواعی از جهان‌ها حدس زده بود، به طوری که موجودیت و ممنوعیت آنها را دیکته می‌کرد: یعنی به برخی از آنها اجازه‌ی موجودیت می‌داد و موجودیت برخی را مطابق با نظریه‌ ریسمان ممنوع می‌دانست.

نظریه‌ ریسمان این نامزد برجسته‌ی «نظریه‌ی همه چیز»، نیروی گرانش را با فیزیک کوانتومی ‌در هم می‌بافد. نظریه‌ ریسمان بیان می‌دارد که تمام ماده و نیروها، ارتعاشاتی از رشته‌های بسیار کوچک انرژی هستند. این نظریه  ۱۰ به توان ۵۰۰ راه‌حل متفاوت را مجاز می‌داند؛ یک «چشم‌انداز» متنوع و وسیع از جهان‌های ممکن. نظریه‌پردازان ریسمان، مانند ریز و وفا چند سال تلاش کردند تا جهان منحصربه‌فرد ما، جایی در این چشم‌انداز احتمالات داشته باشد، اما اکنون، وفا و همکارانش حدس می‌زنند (حدس وفا) در چشم‌انداز ریسمانی، جهان‌هایی مانند ما (یا شبیه جهانی که فکر می‌کنیم هستیم)  وجود ندارد. اگر این حدس درست باشد، ریز و دیگر نظریه‌پردازان ریسمان، فورا متوجه می‌شوند که کیهان یا باید عمیقا از آنچه که قبلا فرض می‌کردیم متفاوت باشد، یا نظریه‌ ریسمان، اشتباه است.

ریز به دانشگاه تکنولوژی وین رفت، جایی که همکارانش هم داشتند درباره‌ی آن مقاله پچ پچ می‌کردند. در همان روز در اُکیناوای ژاپن، وفا حدس (conjecture) خود را در کنفرانس ۲۰۱۸ ریسمان‌ ارائه داد. مذاکره درباره‌ی آن مقاله در داخل و خارج دانشگاه در جوش و خروش بود. ریز بیان داشت:

عده‌ای بودند که فورا گفتند: باید اشتباه باشد و عده‌ای دیگر گفتند: من سال‌هاست که همین را می‌گفتم. همه جا پر از اغتشاش و پریشانی بود، هر چند هیجان بزرگی نیز موج می‌زد؛ زیرا اگر این گمان درست باشد، پیامدهای عظیم و بسیاری را برای کیهان‌شناسی به دنبال خواهد داشت

محققان سعی کردند به بررسی آزمایش این حدس و پیامدهای آن بپردازند. ریز اکنون دو مقاله تالیف کرده که‌ یکی از آنها می‌تواند منجر به اصلاح این حدس شود (بخش بسیاری از دو مقاله را در حال تعطیلات با خانواده‌اش نوشت).

فرمول حدس زده شده (توسط وفا، گورجس آبید، هیروسی اوگاری و لِو اسپودینیکو، مطرح‌شده در مقاله‌ی ۲۵  ژوئن (دانلود) و برای بررسی بیشتر در مقاله‌ی دومی (دانلود) که دو روز بعد توسط وفا، آبید، پراتیک آگراوال و پاول اشتاینهارت منتشر شد) به‌سادگی می‌گوید، وقتی جهان منبسط می‌شود، چگالی انرژی خلأ ناشی از فضای تهی، باید سریع تر از سرعت مشخصی کاهش پیدا کند. به نظر می‌رسد این قانون در تمامی ‌مدل‌های با جهان‌های مبتنی بر نظریه‌ ریسمان ساده، درست است؛ ولی دو باور متداول درباره‌ی جهان واقعی را نقض می‌کند: هر دو تصویر تاییدشده‌ی انبساط امروزی و مدل تولد انفجاری جهان، غیرممکن است.

 انرژی تاریک و هویت تاریکش

از سال ۱۹۹۸ مشاهدات تلسکوپی نشان داد جهان با سرعت بیشتری نسبت به سرعت موردانتظار، در حال انبساط است که ثابت می‌کرد خلا فضای تهی، باید توسط مقداری دافعه‌ی گرانشی یا همان انرژی تاریک، پر شده باشد. علاوه بر آن، به نظر می‌رسد مقدار انرژی تاریک تزریق شده در فضای تهی در طی زمان ثابت می‌ماند؛ ولی حدس جدید، ادعا می‌کند که انرژی خلا جهان باید کاهش یابد.

وفا و همکارانش ادعا کردند:

 جهان‌هایی با مقادیر مثبت، ثابت و پایداری از انرژی خلا که به «جهان‌ های دوسیته» معروفند، ممکن نیستند.

وقتی انرژی تاریک در سال ۱۹۹۸ برای ساخت مدل‌های پایدار ریسمانی متقاعدکننده‌ای از جهان‌های دوسیته کشف شد، نظریه‌پردازان ریسمان با قدرت تمام با آن مبارزه کردند، ولی اگر حق با وفا باشد، چنین تلاش‌هایی محدود می‌شوند به غرق شدن در تناقض منطقی، یعنی جهان‌های دوسیته در چشم‌انداز قرار نداشته، بلکه در «باتلاق» واقع‌اند. کامران وفا اخیرا توضیح داد:

من به چیزهایی که به نظر استوار می‌آیند، ولی در نهایت استوار نیستند، باتلاق می‌گویم؛ آنها چشم‌انداز به نظر می‌رسند، آنها می‌توانند شما را فریب دهند. شما فکر می‌کنید می‌توانید آنها را بسازید ولی نمی‌توانید.

طبق حدس باتلاق دوسیته (de Sitter swampland conjecture)، انرژی خلا در تمام جهان‌های منطقی ممکن، یا باید مقدارش را مانند توپ غلتانی در سرازیری یک تپه از دست دهد، یا مقدار منفی پایداری کسب کند (به جهان‌هایی که دارای مقادیر منفی و پایداری انرژی خلا هستند و به راحتی در نظریه‌ ریسمان ساخته می‌شوند، جهان‌های پاد دوسیته می‌گویند).

اگر حدس وفا درست باشد، بدین معناست که چگالی انرژی تاریک در جهان ما نمی‌تواند ثابت باشد، ولی باید جای آن را اثیر (Quintessence) یا همان شکلی فرضی از انرژی تاریک بگیرد؛ مرجع انرژی که رفته‌رفته طی میلیاردها سال کاهش خواهد یافت. هم‌اکنون چندین آزمایش تلسکوپی برای کاوش جهان با دقت بالاتری در حال انجام هستند، خواه جهان در حال انبساط با نرخ شتاب افزاینده‌ی ثابتی باشد، خواه شتاب افزاینده‌ی کیهان رفته‌رفته تغییر کند، مانند مدل‌های اثیری (مدل‌های فرضی برای انرژی تاریک هستند و به آنها نیروی بنیادی پنجم هم می‌گویند که در طول زمان تغییر می‌کنند، برخلاف ثابت کیهانی). کشف اثیر، انقلابی را در فیزیک بنیادین و کیهان‌شناسی ایجاد خواهد کرد که بازنویسی تاریخ کیهان و آینده‌اش از آن جمله خواهد بود. به جای آنکه جهان در مه‌ گسست (Big Rip)، پاره پاره شود، جهان اثیری رفته‌رفته سرعتش کم شده و در نهایت، یا طبق نظریه‌ی مه‌ رمب (Big Crunch) انبساطش متوقف خواهد شد یا طبق جهش بزرگ (Big Bounce)، منقبض خواهد شد.

تورم در محاصره نظریه ریسمان

حدس جدید باتلاق به طور چشمگیری موجب شک و دودلی ما در داستان تولد جهان شد: نظریه‌ی انفجار بزرگ (Big Bang) یا نظریه‌ی تورم کیهانی. مطابق با این نظریه، ذره‌ی القاگر انرژی و کوچک فضا-زمان، به سرعت به شکل جهان ماکروسکوپی ساکن متورم می‌شود. این نظریه برای توضیح اینکه جهان چطور چنان عظیم، هموار و تخت شد، ابداع شده است. ولی «میدان تورمی» فرضی برای انرژی‌ هدایتگر تورم کیهانی، به خوبی در فرمول وفا قرار نگرفته است. برای پایدار ماندن این فرمول، احتمالا انرژی میدان تورمی، نیازمند کاهش بسیار سریع است تا جهانی به شکل هموار و به اندازه‌ی کافی تخت ایجاد کند. بنابراین این حدس، بسیاری از مدل‌های محبوب تورم کیهانی را بی‌اعتبار می‌کند. در سال‌های پیش رو، تلسکوپ‌هایی مانند رصدخانه‌ی سیمونز به دنبال اثرات قطعی تورم کیهانی خواهند بود.

ضمنا نظریه‌پردازان نظریه‌ ریسمان که دید واحدی دارند، با این حدس مخالف خواهند بود. اِوا سیلوراشتاین پروفسور فیزیکدان دانشگاه استنفورد و رهبر گروه ساخت مدل‌های تورمی نظری ریسمانی، معتقد است احتمال اشتباه بودن این حدس، زیاد است. همسر او اشمیت کاکرو پروفسور استنفورد، اولین فردی بود که (اولین K  نویسنده‌ی مقاله‌ی معروف ۲۰۰۳ که به ابتدای اسامی نویسندگانش معروف است KKLT) مجموعه‌ای از اجزای ریسمانی را پیشنهاد کرد که ممکن است برای ساخت جهان دوسیته استفاده شده باشد. فرمول وفا می‌گوید ساخته‌های سیلوراشتاین و کاکرو کار نمی‌کند. سیلوراشتاین به شوخی می‌گوید:

ما در خانواده‌ی خود با این حدس‌ها محاصره شده‌ایم!

ولی از نقطه نظر او، مدل‌های انبساط شتابدار جهانی، اکنون دیگر نسبت به مقالات درخشان قبلی دارای اعتبار نیستند. متئو کلبن، نظریه‌پرداز ریسمانی و کیهان‌شناس دانشگاه نیویورک که بر روی مدل‌های ریسمانی تورم مطالعه می‌کند، تاکید کرد که حدس جدید باتلاق، استدلال بسیار متفکرانه و نمونه‌ای از «استدلال چراغ‌قوه‌ای» است، زیرا معتقد است هنوز باید چشم‌انداز ریسمانی بسیاری کشف شود و هنوز اذعان دارد که بر پایه‌ی شواهد موجود، این حدس می‌تواند درست باشد. کلبن گفت:

این مسئله در نظریه‌ ریسمان می‌تواند درست باشد، ولی ممکن است نظریه‌ ریسمان نتواند جهان را توضیح دهد، (شاید) انرژی تاریک آن را نقض نماید که در آن صورت، داستان بسیار جالب و هیجان‌انگیز خواهد بود.

نگاشت باتلاق جهان‌های ممنوعه

اگرچه حدس باتلاقی دوسیته و آزمایش‌های آینده، واقعا قدرت نقض اثرات باقی مانده‌ی نظریه‌ ریسمانی دیده شده را دارد، اما نظریه‌ ریسمان در اوایل دهه‌ی ۲۰۰۰ نشان داد که چیزی نزدیک به ۱۰ به توان ۵۰۰ راه‌حل دارد. این کشف ممکن است به ناچار رویای پیش‌بینی خواص تک‌جهانی ما را بکُشد؛ اما به نظر می‌رسد این نظریه دوست دارد، تقریبا هر مشاهده‌ای را تایید کرده و آنها را از نظر تجربی، به سختی آزمایش و اثبات کند.

در سال ۲۰۰۵، وفا به همراه گروهی از همکارانش دست به تفکر درباره‌ی این مسئله زدند که چطور احتمالات را با نگاشت خواص بنیادین طبیعت که ‌یقینا باید درست باشند، از هم بگسلند. به عنوان مثال، «حدس گرانش ضعیف» ادعا می‌کند که گرانش باید همیشه ضعیف‌ترین نیرو در هر جهان منطقی باشد. جهان‌های فرضی که چنین شروطی را برآورده نمی‌کنند، از چشم‌انداز به باتلاق پرتاب می‌شوند. هیراسی اوگوری فیزیکدان نظری در مرکز تکنولوژی کالیفرنیا و از اولین همکاران وفا در حدس باتلاق گفت:

بسیاری از این حدس های باتلاقی، با قدرت در برابر حملات ایستاده‌اند و برخی بر پایه‌‌های نظری بسیار محکمی، استوار شده‌اند، مثلا حدس گرانش ضعیف، شواهد زیادی دارد که اکنون در مورد درنظر گرفتن آنها، تردید وجود دارد، مستقل از اینکه نظریه‌ ریسمان، نظریه‌ گرانش کوانتومیِ صحیحی است یا خیر.

بینش درباره‌ی اینکه چشم‌انداز کجا تمام شده و باتلاق کجا شروع شده است، نتیجه‌ی دهه‌ها تلاش برای ساخت مدل‌های ریسمانی جهان‌هاست. سردسته‌ی چالش این پروژه، آن نظریه‌ ریسمانی است که وجود ۱۰ بعد فضا-زمان را پیش‌بینی می‌کند. چشم‌انداز از تمام روش‌های متنوع پیکربندی این ابعاد اضافه سرچشمه می‌گیرد. با این حال، اگرچه احتمالات بسیار زیاد است، محققانی مانند وفا دریافته‌اند که اصولی کلی، اصولی هستندکه از دل پیچیدگی‌ها ظهور می‌کنند. مثلا ابعاد اضافی حلقه شده معمولا به صورت گرانشی به درون منقبض می‌شوند؛ در حالی که میدان‌هایی شبیه میدان‌های الکترومغناطیسی تمایل دارند همه چیز را به اطراف هل دهند. در پیکربندی‌های ساده و پایدار، این اثرات با انرژی خلا منفی متوازن شده و جهان‌های پاد دوسیته را تولید می‌کنند. تبدیل انرژی خلا به مثبت، مشکل است. وفا می‌گوید:

معمولا در فیزیک مثال‌های ساده‌ای از پدیده‌های عمومی ‌داریم، اما دوسیته چیزی شبیه آنها نیست!