۹ راز بزرگ حل نشده در فیزیک!

در سال‌های ۱۹۰۰ فیزیکدان انگلیسی لرد کلوین گفت: دیگر هیچ‌چیز جدیدی در فیزیک قابل کشف نیست. تمام آن‌چه که باقی‌مانده محاسبات دقیق‌تر است.

در سه دهه، مکانیک کوانتوم و تئوری نسبیت انشتین فیزیک را دستخوش انقلاب کرد. امروزه هیچ فیزیکدانی جرات گفتن این‌که دانش فیزیکی ما نزدیک به تکامل است را ندارد. برعکس، هر دستاورد جدید یک جعبه پاندورا از سؤالات فیزیکی بزرگ‌تری را باز می‌کند. در ادامه چندی از عمیق‌ترین سؤالات این عرصه بررسی می‌شود.

9- انرژی تاریک چیست؟

مهم نیست که اختر فیزیکدانان چه مقدار با اعداد دست‌وپنجه نرم کنند، جهان درست در نمی‌آید. اگرچه جاذبه فضا-زمان (اساس کیهان) را به سمت داخل می‌کشد اما جهان سریع‌تر و سریع‌تر گسترش می‌یابد. برای توضیح این موضوع اختر فیزیکدانان وجود عاملی را مطرح کرده‌اند که بر عکس جاذبه فضا-زمان را به بیرون می راند و آن را انرژی تاریک می‌نامند. در قابل قبول‌ترین مدل انرژی تاریک، آن را یک ثابت کیهانی در نظر می‌گیرند: یک ویژگی ذاتی فضا که فشار معکوس دارد و فضا را از هم گسسته می‌کند. همانطور که فضا گسترش می‌یابد فضای بیشتر و در نتیجه انرژی تاریک بیشتری تولید می‌شود. بر اساس نرخ مشاهده شده گسترش جهان، دانشمندان میزان انرژی تاریک موجود را بیشتر از ۷۰ درصد تمام اجزای جهان می‌دانند اما هیچ‌کس نمی‌داند چطور به دنبال آن بگردد.

8- ماده تاریک چیست؟

بر اساس شواهد، نزدیک به ۸۴ درصد ماده موجود در جهان نور را جذب و یا ساطع نمی‌کند. ماده تاریک، همان‌طور که از اسمش بر می‌آید قابل دیدن نیست و هنوز به صورت غیر مستقیم هم تشخیص داده نشده‌است. ماده تاریک و ویژگی‌های آن از اثرات جاذبه آن بر مواد قابل دیدن، تشعشعات و ساختار کیهان مطالعه شده‌است. تصور می‌شود این جسم سایه‌گون در همه هستی پخش شده باشد و احتمالاً از برهم کنش ضعیف ذرات سنگین (WIMP) ساخته‌شده‌است. در تمام دنیا آشکارسازهای زیادی برای پیدا کردن WIMP وجود دارد.

7- چرا زمان به صورت بردار است؟

زمان به دلیل یک ویژگی کیهان به نام آنتروپی به جلو می‌رود. آنتروپی به درجه بی‌نظمی گفته می‌شود، تنها زیاد می‌شود و هیچ راهی برای کم کردن آن وجود ندارد. این حقیقت که آنتروپی همواره زیاد می‌شود جنبه منطقی دارد: بی‌نظمی‌های بیشتری نسبت به نظم‌ها در ذرات وجود دارد و چیزهایی که تغییر می کنند تمایل به بی نظمی دارند. اما سؤال اصلی اینجا است که چرا در گذشته آنتروپی خیلی کم بوده است؟ یا به عبارت دیگر چرا جهانی که با انرژی بی‌نهایت در یک نقطه جمع شده بود این‌قدر نظم داشته است؟

6- آیا جهان‌های موازی وجود دارد؟

اطلاعات اخترفیزیکی فضا-زمان را بیشتر صاف می‌داند تا منحنی و آن را سطحی تصور می‌کند که تا بی‌نهایت ادامه دارد. اگر این‌طور باشد جایی که ما می‌بینیم و آن را جهان می‌دانیم یک چندجهانی به هم دوخته شده‌است. قوانین مکانیک کوانتوم بیان می‌دارد که تعداد متناهی حالت ممکن از پیکربندی ذرات در هر بخش کیهانی وجود دارد (۱۲۲^۱۰^۱۰ عدد). بنابراین با داشتن تعداد متناهی از این حالات ترتیب ذرات در آن‌ها باید تکرار شود. این به معنای داشتن بی‌نهایت جهان موازی است: جهان‌هایی دقیقاً مانند ما (دارای کسانی دقیقاً مانند شما)، همینطور جهان‌هایی تنها با یک تفاوت از جهان ما، جهان‌هایی با دو تفاوت و … آیا این منطق اشتباهی دارد یا نتیجه عجیب آن درست است؟ و اگر درست است آیا ما بالاخره می‌توانیم حضور جهان‌های موازی را آشکار کنیم؟

5- چرا ماده بیشتر از ضدماده وجود دارد؟

این که چرا مقدار ماده از ضدماده بیشتر است به عبارتی این سؤال است که چرا همه چیز وجود دارد؟ تصور می‌شود که جهان با ماده و ضدماده یکسان برخورد کند و در لحظه انفجار بزرگ مقدار مساوی از هر دوی آن‌ها تولید شده‌است. اما اگر این اتفاق افتاده باشد باید هر دوی آن‌ها کاملاً نابود شده باشند. پروتون‌ها آنتی پروتون‌ها را خنثی کنند و الکترون‌ها آنتی الکترون‌ها (پوزیترون) را، و نوترون‌ها آنتی نوترون‌ها را و تنها فوتون‌هایی در یک گستره بی‌ماده به جا بماند. بنا به دلایلی مقداری از ماده خنثی نشده‌است و به همین دلیل ما وجود داریم. برای این موضوع هیچ توضیح قابل قبولی وجود ندارد.

4- سرنوشت جهان چیست؟

سرنوشت جهان شدیداً به فاکتوری با مقدار نامعلوم بستگی دارد: Ω، میزان چگالی ماده و انرژی در جهان. اگر Ω بیشتر از ۱ باشد فضا-زمان مانند سطح یک کره عظیم بسته خواهد بود. اگر انرژی تاریک وجود نداشته باشد چنین دنیایی از گسترده شدن باز می‌ایستد و در عوض منقبض می‌شود و در نهایت با رویدادی به نام مه رُمب پایان میابد. اگر جهان بسته باشد و انرژی تاریک وجود داشته باشد این جهان کروی تا ابد به گسترش ادامه خواهد داد.

در حالت دیگر اگر Ω از ۱ کمتر باشد، جغرافیای جهان مانند سطح یک زین باز خواهد بود. در این حالت سرنوشت نهایی آن انجماد عظیم است که به مه گسست می‌انجامد: ابتدا شتاب خارجی کیهان کهکشان‌ها را از هم می‌گسلاند و تمام ماده را تنها و منجمد می‌گذارد، سپس شتاب آن قدر زیاد می‌شود که بر نیروهایی که‌اتم‌ها را پایدار نگه می‌دارد غلبه می‌کند و همه چیز از هم جدا می‌شود.

اگر Ω برابر ۱ باشد، جهان مسطح خواهد بود مانند یک سطح صاف که در تمام جهات امتداد دارد. اگر انرژی تاریک وجود نداشته باشد چنین جهان مسطحی با شتابی کاهنده تا بی‌نهایت ادامه می‌یابد تا به یک حالت ثابت برسد. اگر انرژی تاریک وجود داشته باشد جهان مسطح در نهایت تجربه گسترش بی حد و مه گسست را خواهد داشت.

3- چطور اندازه‌گیری‌ها توابع موج کوانتوم را فرو می‌ریزد؟

در محدوده عجیب الکترون‌ها، فوتون‌ها و دیگر ذرات بنیادی، قانون مکانیک کوانتوم است. ذرات مانند توپ‌های کوچک رفتار نمی‌کنند بلکه مانند موج‌هایی هستند که در یک فضای بزرگ پخش شده‌اند. هر ذره با یک تابع موج یا توزیع تصادفی توصیف می‌شود که به ما مکان، سرعت و این‌که دیگر ویژگی‌ها چطور ممکن است باشند، نه این‌که چه هستند، را می‌گوید. هر ذره محدوده‌ای از مقادیر را تازمانی‌که به طور تجربی اندازه‌گیری شود برای ویژگی‌هایش دارد – برای مثال، مکان ذره- در این زمان تابع موج فرو می‌ریزد و ذره تنها یک مکان می‌گیرد. اما چطور و چرا اندازه‌گیری یک ذره باعث فروریختن تابع موج آن می‌شود و واقعیتی که ما مشاهده می‌کنیم را تولید می‌کند؟ این مسئله که به مشکل اندازه‌گیری معروف است ممکن است مبهم به نظر برسد اما درک ما از واقعیت، اگر وجود داشته باشد، وابسته به این جواب است.

2- آیا تئوری ریسمان درست است؟

وقتی فیزیکدانان فرض می‌کنند که تمام ذرات بنیادی در واقع حلقه‌های یک بعدی یا ریسمان هستند که هرکدام با بسامد متفاوتی نوسان دارند، فیزیک آسان‌تر می‌شود. تئوری ریسمان فیزیکدانان را قادر می‌سازد قوانینی که بر ذرات حاکم است، مکانیک کوانتوم، را با قوانینی که بر فضا-زمان حاکم است، نسبیت عام، وفق دهند و ۴ نیروی بنیادی طبیعت را در یک قاب متحد کنند. اما مشکل اینجاست که تئوری ریسمان تنها می‌تواند در جهانی با ۱۰ یا ۱۱ بعد صدق کند: سه بعد فضایی، ۶ یا ۷ بعد فضای فشرده و یک بعد زمان. ابعاد فشرده فضایی – همانند ریسمان‌های نوسان گر– یک میلیاردم یک تیلیاردم هسته‌اتم هستند. هیچ راه قابل درکی برای کشف چیزی به این کوچکی وحود ندارد و بنابراین هیچ راه شناخته‌شده‌ای برای رد یا قبول تجربی تئوری ریسمان وجود ندارد.

1- آیا نظمی در بی نظمی هست؟

فیزیکدانان نمی‌توانند دسته معادلاتی را که رفتار سیالات؛ از آب تا هوا و دیگر مایعات و گازها، را توصیف می‌کند دقیقاً حل کنند. در واقع معلوم نیست که آیا راه حلی عمومی برای معادلات ناویه استوکس (مدل ریاضی حاکم بر حرکات، جریانات، و دینامیک سیالات) وجود دارد یا خیر و اگر وجود دارد آیا تمام سیالات را توصیف می‌کند یا نقاط ناشناخته یا تکینگی (Singularity) دارد؟ به عنوان یک پیامد، طبیعت بی نظمی کاملاً شناخته‌شده نیست. فیزیکدانان و ریاضیدانان می‌پرسد آیا رفتار هوا به سختی قابل پیش‌بینی است یا کاملاً غیر قابل پیش‌بینی است؟ آیا آشفتگی از توصیفات ریاضی سبقت می‌گیرد و یا وقتی با ریاضی درست با آن کار کنیم قابل فهم است؟