جهان با انفجار بزرگ متولد شد و سپس طبق نظریه تورم کیهانی، ماده‌ی جهان شروع به پخش شدن کرد و همچنان نیز در حال پخش شدن است، گویی این پخش شدن به منزله‌ی نوعی پیکان عمل می‌کند که جهت پیشرفت زمان را نشان می‌دهد و به نظر می‌رسد این پدیده تا مرگ گرمایی جهان ادامه یابد. اما یک سوال مهم وجود دارد: این پیکان زمان چگونه آغاز شد؟ اکنون دانشمندان به کمک رفتار فراکتال گونه و آشفتگی سیستم‌های کوانتومی ذرات در وضعیت دور از حالت تعادل، سعی دارند به این سوال هیجان‌انگیز پاسخ دهند. نوشتار زیر ترجمه‌ی مقاله‌ای با همین مضمون و به قلم ناتالی ولشاور (Natalie Wolchover) است که به تازگی در وب سایت معتبر کوانتامگزین منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…
پیکان زمان و مقیاس‌ها
خطوط جداکننده‌ی شیر درون قهوه‌ی ما خیلی زود محو شده و قهوه‌ی ما طی نیم ساعت به اندازه‌ی دمای اتاق سرد شده و بعد از چند روز، تبخیر می‌شود. بعد از گذشت قرن‌ها، فنجان از هم پاشیده می‌شود و میلیارد‌ها سال بعد در کل سیاره، خورشید و منظومه شمسی پراکنده می‌گردد. تمام ماده و انرژی در نقاط داغ، همچون مثال قهوه، در سراسر کیهان پخش می‌شوند و ستارگان در نهایت (پس از تریلیون‌ها سال) به طور یکنواخت در فضا گسترده می‌شوند. به عبارت دیگر، سرانجامی مشابه قهوه، در انتظار کیهان است.
این گسترش تدریجی ماده و انرژی که «تعادل گرمایی» (Thermalization) نام دارد، پیکان زمان خوانده می‌شود. پیکان زمان، غیر قابل برگشت است؛ به طوری که قهوه‌ی داغ، خنک می‌شود، اما هرگز خودبخود گرم نمی‌شود. اما این واقعیت در قوانین اساسی که شامل حرکت مولکول‌ها در قهوه است، نوشته نشده است. در عوض، تعادل گرمایی، یک نتیجه‌ی آماری است: گرمای قهوه به مراتب بیشتر از آن است که مولکول‌های سرد هوا به آن انرژی منتقل کنند، درست همانطور که در بُرزدن کارت‌های بازی، دریافت هر کارت به صورت تصادفی رخ می‌دهد. وقتی قهوه، فنجان و هوا به تعادل گرمایی برسند، دیگر انرژی بین آنها جریان نمی‌یابد و تغییر دیگری رخ نمی‌دهد. بنابراین تعادل گرمایی در مقیاس کیهانی «مرگ گرمایی جهان» لقب گرفته است.
اگرچه می توان به سادگی تشخیص داد که سرانجام، تعادل گرمایی به کجا منتهی می‌شود (به قهوه ولرم و در نهایت سرد)، اما چگونگی شروع این روند، مبهم است. یورگن برجیس (Jürgen Berges)، فیزیکدان نظری دانشگاه هایدلبرگ آلمان می‌گوید:
اگر شما از وضعیت دور از حالت تعادل (far-from-equilibrium)، همچون جهان اولیه (early universe)، شروع کنید، پیکان زمان چگونه ظاهر می‌شود؟ آیا از اصول اولیه آغاز می‌شود؟
در سال‌های اخیر، برجیس و همکارانش از یک پاسخ غافلگیرکننده پرده برداشتند. محققان قوانین ساده‌ای را که «قوانین جهانی» (universal laws) خوانده می‌شود، کشف کرده‌اند. این قوانین، مراحل اولیه را کنترل می‌کنند که این مراحل، مربوط به تغییر انواع سیستم‌های متشکل از تعداد فراوانی از ذرات، در حالت دور از نقطه‌ی تعادل گرمایی هستند. داغ‌ترین پلاسمایی که تاکنون روی زمین تولید شده، سردترین گاز و همچنین شاید میدانی از انرژی که به لحاظ نظری، عالم لحظه‌ی نخست را پر کرده بود، نمونه‌هایی از این سیستم‌ها هستند. محاسبات محققان نشان می‌دهد که مهم نیست این سیستم‌ها از چه چیزی تشکیل شده باشند؛ زیرا آنها بر اساس تعدادی عدد جهانی، شروع به تحول در زمان می‌کنند.
این یافته‌ها نشان می‌دهد که مراحل اولیه تعادل گرمایی به گونه‌ای متفاوت انجام می‌شود. به طور خاص، سیستم‌های دور از تعادل، رفتار فراکتال گونه از خود نشان می‌دهند؛ به این معنی که در مقیاس‌های متفاوت مکانی و زمانی، بسیار یکسان به نظر می‌رسند. خصوصیات آنها فقط با به اصطلاح «نمای مقیاس بندی» (scaling exponent) جابه‌جا می‌شود. دانشمندان در حال کشف این نماهای اغلب ساده، مانند اعداد کسری ۱/۲ و ۱/۳- هستند. به عنوان مثال، سرعت لحظه‌ای ذرات می‌تواند بر اساس نمای مقیاس بندی، دارای مقیاس جدیدی شود. این کار می‌تواند توزیع سرعت‌ها را در هر زمان قبلی یا بعدی به دست دهد. به نظر می‌رسد انواع سیستم‌های کوانتومی که در وضعیت‌های مختلف بحرانی آغازین و بر اساس الگوی فراکتال گونه قرار می‌گیرند، مقیاس بندی جهانی را برای یک دوره زمانی قبل از انتقال به حالت تعادل گرمایی استاندارد نشان می‌دهند. نیکول یونگر هالپرن (Nicole Yunger Halpern)، فیزیکدان کوانتومی دانشگاه هاروارد که در این پژوهش شرکت ندارد، می‌گوید:
من این کار را هیجان‌انگیز می‌دانم؛ زیرا اصل وحدتی را به وجود می‌آورد که از آن می‌توانیم برای درک رده‌های بزرگی از سیستم‌های دور از حالت تعادل استفاده کنیم. این مطالعات در جهت توانمند کردن ما برای توصیف این سیستم‌های پیچیده و بی‌نظم به کمک الگوهای ساده، امیدوار‌کننده هستند.
برجیس در زمینهی فعالیت‌های فیزیک نظری، پیشتاز است. او از سال ۲۰۰۸ مجموعه‌ای از مقالات بنیادی را در جهت شفاف‌سازی فیزیک مسئله‌ی مقیاس بندی جهانی منتشر کرده است. نویسنده همکار او، در بهار امسال، با قدم دیگری، با انتشار مقاله‌ای در Physical Review Letters، موضوع رفتن به سمت مقیاس بندی جهانی (prescaling) یا پیشمقیاسبندی را بررسی کرد. گروهی به سرپرستی توماس گاسنزر (Thomas Gasenzer) از دانشگاه هایدلبرگ نیز در ماه می، در مقاله‌ای در مجله‌ی Physical Review Letter، مفهوم پیشمقیاسبندی را معرفی کردند و با نگاه عمیق‌تری، مفهوم رفتارهای فراکتال گونه را ارائه دادند. برخی از محققان اکنون در حالی به کاوش در دینامیک دور از حالت تعادل (far-from-equilibrium dynamics) در آزمایشگاه می‌پردازند که برخی دیگر در جست‌وجوی منشا اعداد جهانی هستند. محققان می‌گویند، مقیاس جهانی، به رفع سوالات عمیق مفهومی کمک می‌کند، مثلا اینکه سیستم‌های کوانتومی اصلا چگونه می‌توانند به سمت تعادل گرمایی حرکت کنند. زوران هاجیبابیچ (Zoran Hadzibabic)از دانشگاه کمبریج می‌گوید:
پیشرفت آشوبناکی در جبهه‌های مختلف وجود دارد.
او و گروهش در حال مطالعه مقیاس جهانی در گاز داغ اتم‌های پتاسیم-۳۹ هستند. آنها به طورناگهانی، بین مجموعه‌ای از اتم‌ها برهمکنش قوی به راه می‌اندازند، سپس به آنها اجازه‌ی تحول می‌دهند.
آبشارهای انرژی
هنگامی که برجیس شروع به مطالعه‌ی مبحث دینامیک دور از حالت تعادل کرد، قصدش درک شرایط بحرانی آغاز جهان بود؛ یعنی وقتی ذرات، بطن کیهان را تسخیر کرده بودند. این شرایط، درست پس از «تورم کیهانی» (انبساط انفجاری فضا؛ فرضیه‌ی بسیاری از کیهان‌شناسان برای شروع انفجار بزرگ) رخ داد. تورم می‌تواند ذرات موجود را از بین ببرد و فقط فضای یکنواختی از انرژی را باقی گذارد: یک میدان انرژی کاملا همگن، متراکم و نوسان کننده که چگالیده (condensate) نامیده می‌شود. برجیس این چگالیده را در سال ۲۰۰۸ با همکاری الکساندر روثکوف (Alexander Rothkopf) و جونز اشمیت (Jonas Schmidt) مدل‌سازی کرد. آنها کشف کردند اولین مراحل تحول چگالیده، باید دارای مقیاس جهانی فراکتال گونه باشد. وی می‌گوید:
وقتی این چگالیده‌ی بزرگ، به ذراتی که امروز مشاهده می کنیم واپاشی می‌کند، درمی‌یابیم که این روند را می‌توان به طرزی عالی، با چند عدد توصیف کرد.
برای اینکه پدیده مقیاس بندی جهانی را درک کنید، یک پیش‌زمینه‌‌ی روشن و تاریخی، در اکتشافات اخیر را در نظر بگیرید. در سال ۱۹۴۱، آندری کالموگوروف (Andrey Kolmogorov)، ریاضیدان روسی، نحوه‌ی آبشاری شدن انرژی از طریق سیالات آشفته را توصیف کرد. به عنوان مثال، وقتی قهوه را هم می‌زنید، گردابی را در مقیاس بزرگ فضایی ایجاد می‌کنید. کالموگورف دریافت که این گرداب بطور خودبخود باعث ایجاد گرداب‌های کوچک‌تر نیز می‌شود و باز هم گرداب‌های کوچک‌تر تولید می‌شوند. با هم زدن قهوه، انرژی وارد شده به سیستم، مقیاس‌های فضایی را به گرداب‌های کوچک و کوچک‌تر کاهش می‌دهد. این مقیاس‌ها با سرعت انتقال انرژی با یک فروپاشی نمایی جهانی با ضریب ۵/۳- توصیف می‌شود. کلموگورف این موضوع را از ابعاد سیال استنباط می‌کند.
«قانون ۵/۳-» کالموگورف همیشه اسرارآمیز به نظر می‌رسید. حتی سنگ‌بنای تحقیقات در زمینهی آشفتگی (turbulence) قرار گرفت، اما در حال حاضر فیزیکدانان در حال یافتن همان پدیده مقیاس‌بندی جهانی فراکتال گونه در دینامیک دور از حالت تعادل هستند. به گفته‌ی برجیس، آبشارهای انرژی احتمالا در هر دو حوزه بوجود می آیند؛ زیرا آنها کارآمدترین روش برای توزیع انرژی در مقیاس‌ها هستند. ما به طور غریزی این را می‌دانیم. برجیس می‌گوید:
اگر بخواهید شکر را در قهوه خود توزیع کنید، آن را هم می‌زنید. شما می‌دانید که این کارآمدترین روش برای توزیع مجدد انرژی است.
یک تفاوت کلیدی بین پدیده‌ی مقیاس جهانی در سیستم‌های دور از تعادل و گرداب‌های فراکتالی در یک سیال آشفته وجود دارد: در مورد سیال، قانون کالموگورف، آبشار انرژی را در ابعاد مکانی توصیف می‌کند. محققان در یک کار جدید، سیستم‌های دور از حالت تعادل تحت مقیاس بندی جهانی فراکتال گونه را در امتداد زمان و مکان مورد بررسی قرار می‌دهند. تولد جهان را در نظر بگیرید. پس از تورم کیهانی، نوسانات فرضی، چگالیده پرکننده‌ی فضا (space-filling condensate)، به سرعت به یک میدان متراکم از ذرات کوانتومی تبدیل می‌شود که دارای یک سرعت یکسان هستند. برجیس و همکارانش گمان می‌کنند که این ذرات دور از حالت تعادل یا در واقع، نماد ابعاد فراکتالی، همانطور که تحول زمانی جهان را آغاز کرده بودند، توسط نماهای مقیاس بندی جهانی، کنترل می‌شوند.
طبق محاسبات و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، به جای یک آبشارگون منفرد که در یک سیال آشفته دیده می‌شود، دو آبشار وجود خواهد داشت که در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند. بیشتر ذرات موجود در سیستم هر لحظه کندتر می‌شوند. در این حالت با ضریب مقیاس تقریباً ۳/۲-، تا حد سرعت مشخصی به صورت آبشاری آهسته‌تر می‌شوند. سرانجام آنها به بن بست می‌رسند و چگالیده‌ی دیگری را شکل می‌دهند (در این مورد نمی‌توانند نوسان کنند یا به ذرات تبدیل شوند؛ در عوض به تدریج واپاشی می‌کنند). در ضمن، بیشتر انرژی در حال خارج شدن از ذرات آهسته، به تعداد دیگری از ذرات بطور آبشارگونه روانه می‌شود. سرعت این ذرات با ضریب ۱/۲ کنترل می‌شود و خیلی سریع شروع به حرکت می‌کند. ذرات سریع سرانجام به کوارک‌ها، الکترون‌ها و سایر ذرات بنیادی که امروزه وجود دارند، واپاشیده می‌شوند. سپس این ذرات تحت تعادل گرمایی استاندارد، یکدیگر را دچار پراکندگی کرده و انرژی خود را توزیع می‌کنند. این روند هنوز هم در جهان امروز ادامه دارد و برای تریلیون‌ها سال ادامه خواهد داشت.
ادامه دارد…
