این ایده که جهان ما تنها یک حباب تصادفی در میان چندین جهان موازی و بی پایان است، ناشی از یک ویژگی ظاهری و بی‌نظیر جهان است: فضای خالی. به طور خاص، هسته و سنگ‌بنای نظریه‌ی چند جهانی، مقدار انرژی یا وزن فضای خالی (Empty Space) است، انرژی که به عنوان انرژی خلا، انرژی تاریک یا ثابت کیهانشناسی نیز شناخته می‌شود. مقدار انرژی موجود در هر متر مکعب از این فضای خالی، تنها قادر به روشن کردن یک لامپ معمولی به اندازه یک تریلینیوم ثانیه خواهد بود. مشکلی که برنده جایزه نوبل از آن به عنوان «استخوانی در گلو» تعبیر کرده است. به عقیده‌ی او میزان انرژی موجود در این فضا می‌بایست حداقل تریلیون تریلیون تریلیون تریلیون تریلیون برابر میزان فعلی باشد، زیرا تمام مواد و نیروهای میدانی از طریق این فضا حرکت می‌کنند. اثر همه‌ی این نیروها روی خلا تقریبا برابر می‌شود که باعث ایجاد آرامش در کیهان می‌شود. اما سوال اساسی این است که چرا فضای خالی، خالی از انرژی است؟ با دیپ لوک همراه باشید…
اگرچه پاسخ به این سوال که چرا فضا، خالی است، برای ما همچنان مجهول است، اما این خلا برای بقای ما، حیاتی به نظر می‌رسد. اگر میزان انرژی دافعه گرانشی حتی کمی بیشتر از میزان موجود باشد، فضا بسیار سریع گسترش می‌یافت، به گونه‌ای شکل‌گیری ساختارهایی مانند کهکشان‌ها، سیاره‌ها یا آدم‌ها، ممکن نبود. این وضعیت خوش تنظیم (fine-tuned)، نشان می‌دهد ممکن است تعداد زیادی جهان با مقادیر مختلف انرژی خلا وجود داشته باشند. ما در جهانی با انرژی فوق العاده کم زندگی می‌کنیم، زیرا امکان نداشت جای دیگری وجود داشته باشیم.
برخی دانشمندان علاقه‌ای به پذیرش عدم پایداری چند جهانی نیستند و با استدلال‌های زیست‌شناسانه بر صحت این نظریه پافشاری می‌نمایند. حتی کسانی که نظریه چند حهانی را مطرح کرده‌اند نیز علاقه دارند تا راه حلی جایگزین برای حل مشکل ثابت کیهانی در اختیار داشته باشند. اما تاکنون، حل این مشکل بدون در نظر گرفتن مسئله‌ی چند‌جهانی تقریبا غیر ممکن بوده است. به گفته‌ی یکی از محققان دانشگاه مریلند: «مشکل انرژی تاریک، چنان پیچیده و دشوار است که برای حل آن تاکنون تنها یک یا دو راه حل در اختیار دانشمندان قرار دارد»
برای یافتن چرایی این مسئله فرض کنید که انرژی خلا واقعا وجود داشته باشد. بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، ماده و انرژی تعیین کننده‌ی شکل نمودار فضا-زمان؛ و انحنای فضا-زمان تعیین کننده‌ی نحوه‌ی حرکت ماده و انرژی خواهد بود. یکی ار ویژگی‌های ذاتی این معادله این است که فضا-زمان می‌تواند انرژی ذاتی خود را داشته باشد (مقدار ثابتی که وقتی هیچ چیز دیگری وجود ندارد، باقی می‌ماند و به ثابت کیهانشناسی معروف است). برای دهه‌ها، کیهان‌شناسان مقدار این انرژی را دقیقا صفر فرض می‌کردند، در نتیجه سرعت انبساط کیهانی مقداری ثابت بود و این باعث تعجب آنان شده بود. اما پس از آن، در سال ۱۹۹۸، اخترشناسان کشف کردند که سرعت گسترش کیهان به تدریج در حال افزایش است که بیانگر وجود یک انرژی دافعه در فضا است. این میزان انرژی تاریک، تقریبا مقداری برابر با ثابت کیهانشناسی اینشتین داشت. وجود چنین پدیده‌ای باعث شد کیهان‌شناسان با سرعت بیشتری به بررسی کیهان بپردازند زیرا با گسترش کیهان، فضاهای جدید تشکیل شده و در نتیجه میزان انرژی دافعه موجود در فضا نیز افزایش می‌یافت.
با این حال، چگالی ناشی از این انرژی خلا با آنچه نظریه میدان کوانتومی، در مورد فضای خالی بیان می‌کند، تناقض دارد. زمانی که هیچ ذره برانگیخته‌ای وجود نداشته باشد تا از طریق آن نوسان صورت گیرد، با یک میدان کوانتومی خالی سر و کار داریم، اما به دلیل اصل عدم قطعیت در فیزیک، حالت یک میدان کوانتومی هیچگاه ثابت نخواهد بود، بنابراین انرژی آن هیچگاه دقیقا صفر نخواهد بود. یک میدان کوانتومی متشکل از ریسمان‌های کوچک در هر نقطه از فضا را در نظر بگیرید. ریسمان‌ها همواره در حال چرخش هستند، چرا که آن‌ها تنها در محدوده‌ای غیر قطعی از طول آسایش (relaxed length) خود هستند. آن‌ها همیشه کمی فشرده یا کش یافته‌اند و بنابراین همیشه در حال حرکت و دارای انرژی هستند. این انرژی به انرژی نقطه‌ی صفر میدان کوانتومی معروف است. نیروهای میدانی دارای نیروهای نقطه‌ی صفر مثبت هستند، در حالیکه نیروهای ماده دارای انرژی نقطه‌ی صفر منفی هستند و این انرژی‌ها به انرژی کل خلا، اضافه یا کم می‌شوند.
میزان انرژی خلا کل باید تقریبا برابر بیشترین میزان مشارکت فاکتورهای موثر باشد (مانند اینکه شما هدیه‌ای ۱۰ هزار دلاری دریافت می‌کنید؛ حتی پس از صرف ۱۰۰ دلار، یا پیدا کردن ۳ دلار دیگر، هنوز هم در حدود ۱۰ هزار دلار در اختیار دارید). امروزه سرعت انبساط کیهانی مشاهده شده نشان می‌دهد که بزرگی آن چیزی در حدود ۶۰ یا ۱۲۰ مرتبه کوچکتر از مقدار میزان مشارکت انرژی نقطه‌ی صفر در آن است، به طوری که تمام شرایط مثبت و منفی مختلف به نحوی خنثی شده است. توضیح این تفاوت با استفاده از مکانیسم‌های فیزیکی به دو دلیل بسیار مشکل است.
نخست، تنها اثر انرژی خلا، گرانشی است و به نظر می‌رسد که بررسی آن به مکانیسم گرانشی نیاز دارد، اما در لحظات اولیه‌ی تشکیل جهان، زمانی که چنین مکانیسمی می‌توانست موثر باشد، جهان به اندازه‌ای از لحاظ فیزیکی کوچک بود که میزان انرژی خلا کل در برابر مقدار ماده و تابش‌های کیهانی قابل صرف نظر کردن بود و اثر گرانشی انرژی خلا به طور کامل توسط گرانش هر چیز دیگری پوشانده شد. این یکی از بزرگترین مشکلاتی است که دانشمندان برای حل مسئله‌ی ثابت کیهانی با آن مواجه هستند. مکانیسم گرانشی، دقیقا میزان انرژی خلا را در شرایط جهان اولیه تنظیم و تعیین می‌کند. چنین شرایطی را می‌توان تقریبا با پرواز یک هواپیما در یک مسیر پروازی از پیش تعیین شده مجاز در یک طوفان با دقت اتمی، مقایسه کرد.
ترکیب این پیجیدگی‌ها، با استفاده از محاسبات نظریه‌ی میدان کوانتومی نشان می‌دهد که انرژی خلا در پاسخ به تغییرات فاز در هنگام سرد شدن جهان، در مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ، تغییر یافته است. در اینجا این مسئله مطرح می‌شود که آیا مکانیسم فرضی که انرژی خلا را مساوی کرده، قبل از این تغییر فاز رخ داده است یا بعد از آن؟ و اینکه چگونه این مکانیسم می‌تواند بزرگی این اثرات را برای جبران آن‌ها پیش‌بینی کند؟
تاکنون، این موانع تلاش‌ها برای توضیح وزن پایین فضای خالی، بدون توجه به سیستم چند جهانی را بی نتیجه کرده است، اما اخیرا گروهی از دانشمندان مسیر جدیدی برای توضیح این مسئله یافته‌اند. اگر جهان در اثر انفجار به وجود نیامده باشد، بلکه در پی یک انقباض فازی اولیه، و پس از آن انقباض به گذشته‌های دور ایجاد شده باشد، این شرایط می تواند تحت تأثیر انرژی خلا قرار بگیرد. شاید برخی از مکانیسم‌های گرانشی می‌توانند روی میزان انرژی خلا تاثیر بگذارند و سپس با استفاده از مکانیسم‌های طبیعی قادر به رقیق کردن این میزان انرژی در طول زمان باشند. این ایده، گروهی از محققان را برای ارائه یک نظریه چدید کیهانی ترغیب نموده است، هرچند آن‌ها هنوز مجبورند کارایی این نظریه در رقیق کردن خلا و انقباض جهان را اثبات کنند. یکی از اعضای این گروه رویکرد خود را «یک تلاش بسیار ارزشمند» و «یک مبارزه آگاه و صادقانه با یک مشکل مهم» نامید، اما افزود: شکاف‌های بزرگی در مدل وجود دارد و «موانع فنی برای پر کردن این شکاف ها مهم است».
منبع: quantamagazine
گفتگو۱ دیدگاه
اختلاف بسیار زیاد میزان انرژی خلاء پیش بینی شده توسط نظریه میدان و چیزی که مشاهدات رصدی میگن باعث شده از اون به عنوان بدترین پیش بینی در طول تاریخ فیزیک نظری یاد کنند…با این حال، اکثر مدلهای که در تلاش برای متحد سازی گرانش و کوانتوم هستند وجودبرخی برشهای طبیعی نظیر طول کمینه را پیش بینی می کنند که می تواند بدون نیاز به وجود ثابت گیهانشی همون نقش انرژی خلاء را ایفا کنند… البته با الهام از ایده دیراک که ثابت های بنیادی خیلی هم ثابت نیستند!!! اونوقت ممکن است از طریق مکانیسم ثابت کیهان شناسی متغیر با زمان یا انرژی نیز به نوعی بشه منجر به رقیق سازی انرژی خلا شد….