انقلابي تازه در دنياي فيزيک؟


 

نويسنده: ترجمه محسن رجبي




 
"ذراتي زيراتمي، محدديت بنيادي و اساسي نهايت سرعت جهاني را شکسته اند." اين خبري بود که تقريباً با چنين مضمونی، اوايل مهرماه توسط خبرگزاري هاي سراسر جهان مخابره شد. سرعت نور، حد نهايي جابه جايي در جهان، و اساس نظريه نسبيت خاص اينشتين است؛ بنابراين اگر اين يافته بتواند. در برابر سؤالاتي که از هم اکنون مطرح اند ايستادگي کند، آيا آن را مي توانيم به معناي پايان درک فعلي مان از فيزيک بدانيم؟ اين گونه، از ساده بودن حقيقت کم، و به جذابيت آن اضافه خواهد شد.
"هاينرِک پاز"، فيزيکدان دانشگاه فني دورتموند آلمان، در اين باره مي گويد: "مردم مي گويند اينها نشان مي دهد که اينشتين در اشتباه بوده است، ولي اين حرف لزوماً درست نيست."
در عوض، نتايج اين يافته مي تواند به عنوان نخستين مدرک معتبر براي اين فرضيه که جهان ما از ابعادي اضافي تشکيل شده است، در نظر گرفته شود. احتمالاً تاريخ نويسان آينده علم فيزيک، به جاي اين که اين يافته را به عنوان "لحظه اي که اينشتين تنها ماند و فيزيک ورشکسته شد" در نظر بگيرند، به عنوان نقطه اي در نظر مي گيرند که ديد ما نسبت به "فضا" تغيير معناداري يافت: از تفکر سنتي سه بعدي، به چهار يا بيشتر.
"توماس ويلر"، از دانشگاه وندربيلت، ايالت تنسي، مي گويد: "ممکن است انقلابي در فيزيک در حال شکل گيري باشد و اگر از اصطلاح "دوران تغيير" که از فرط استعمال کهنه شده است در مورد اين پديده استفاده کنيم، کار بيهوده اي مرتکب نشده ايم."

در آزمايشي که در سِرن (مرکز پژوهش هاي فيزيک ذره اي اروپا) انجام شد، گروهي از ذرات زيراتمي - که با نام "نوترينو" شناخته مي شوند - از مکاني در نزديکي هاي شهر ژنو در سوئيس به آشکار ساز "اُپرا" در آزمايشگاه "گِرَن ساسو" در شهر آکوئيکلاي ايتاليا فرستاده شدند و به نظر مي رسد اين نوترينوها خود را سريع تر از نور به آنجا رسانده اند. ظاهراً اين يک نتيجه ي ساده و قابل درک است: نوترينوها فاصله 730 کيلومتري مسيرشان را، 60 نانوثانيه زودتر از حالتي که سرعت انتقالشان برابر با سرعت نور باشد، طي کرده اند و طبق گفته "داريو آتيرو"، از مؤسسه فيزيک هسته اي ليون در کشور فرانسه و عضو همکار در اُپرا، اين نتيجه از محاسباتي ساده بين سه کميت معلوم به دست آمده است: فاصله ميان آزمايشگاه ها، زماني که نوترينوها آزمايشگاه سرن در ژنو را ترک کردند، و زماني که به آزمايشگاه گرن ساسو در ايتاليا رسيدند.
اما اندازه گيري زمان هاي مورد نظر با دقت يک نانوثانيه، کار چندان آساني نيست. اعضاي آشکار ساز اُپرا نيز با توجه به اين موضوع، سه سال از زمان مطالعاتي شان را تنها بر حذف هر گونه منبعي براي ايجاد خطا صرف کردند؛ تا اين که در روز 23 سپتامبر (اول مهر) با اطمينان از آزمايش هاي خود، يافته هايشان را در سميناري با سخنراني "آتيرو" با عموم در ميان گذاشتند.
يک ساعت بعد از سخنراني آتيرو، فيزيکدانان وي را محاصره کرده و سؤالاتي را مطرح کردند تا مطمئن شوند که گروه تحقيقاتي، همه جزئيات نظير انحناي زمين، اثرات کشندي ماه و آثار نسبيت عام ناشي از اندازه گيري با دو زمان سنج در دو ارتفاع متفاوت را بررسي کرده اند. (در توضيح مورد سوم، جالب است بدانيد که گرانش باعث کُند شدن زمان مي شود؛ بنابراين زمان سنجي که به زمين نزديک تر است کمي آرام تر زمان را محاسبه مي کند و اين نکته بايد با دقت در محاسباتي در سطح نانوثانيه لحاظ شود.)
واکنش آنان، حيرت زدگي بود. "ساموئل تينگ"، از مؤسه فناوري ماساچوست و برنده جايزه نوبل، بعد از صحبت با آتيرو به وي گفت: "مي خواهم به خاطر انجام اين آزمايش فوق العاده زيبا، به شما تبريک بگويم. اين آزمايش با دقت زيادي انجام شده و همه خطاهاي موجود در نظر گرفته شده اند."
با اين حال اکثر فيزيکدان ها منتظر کشف نوعي خطاي آزمايشگاهي هستند که اين مسئله ي خلاف قاعده را توضيح دهد، به خصوص به اين خاطر که اين يافته، قانون نسبيت خاص را نقض مي کند. قانوني که تاکنون افسانه شان موفق بوده و بيان مي کند که سرعت نور عدد ثابتي است که سرعت هيچ چيز در جهان نمي تواند از حد آن تجاوز کند. همچنين از اين نظريه، فرمولي به دست آمده که همه آن را مي شناسيم: 2E=mc
در روزهاي پيشِ رو، بازار اخبار نوترينوها گرم تر هم خواهد شد، زماني که ديگر آشکار سازهاي نوترينو، از جمله T2K در ژاپن و "مينوس" در "فرمي لَب" واقع در ايالت ايلينوي، آزمايش هاي مشابهي را انجام دهند و بر نتايج آزمايشگاه اُپرا صحه بگذارند يا آنها را رد کنند.
در سال 2007، آزمايشي در مينوس انجام شد که در جست و جوي نوترينوهايي سريع تر از نور بود؛ ولي نتايجي که از لحاظ عددي قابل قبول باشد به دست نيامد. اکنون گروه تحقيقاتي آن آزمايشگاه، قصد دارند اطلاعات پيشين را دوباره بررسي کنند و تجهيزات آشکار سازشان، به خصوص زمان سنج را بهبود بخشند. "استفن پارک"، يکي از اعضاي فرمي لب، مي گويد: "اينها، حداقلِ کارهايي است که بايد انجام دهيم تا مطمئن شويم که آيا تعصبمان نسبت به نظريه نسبت، باعث شده تا از کشف چيزي حقيقتاً خارق العاده باز بمانيم يا خير."

همزمان با اين بحث ها، "سنديپ پاکوسا"، از دانشگاه هاوايي، پيشنهاد مي دهد که فرض کنيم يافته هاي اپرا درست باشند. حال اگر آزمايش ها بررسي شوند، بارها و بارها تکرار شوند و تنها نتيجه اين باشد که نوترينوهايي هستند که از نور سريع تر حرکت کنند، آيا معادله 2E=mc با چالشي اساسي روبه رو مي شود؟
لزوماً نه. در سال 2006، پاکوسا، "پاز" و "ويلر" مدلي را پيشنهاد کردند که به ذراتي خاص اجازه مي داد تا از حد نهايي سرعت تجاوز کنند و در عين حال تضادي هم با نسبيت خاص نداشته باشند. ويلر مي گويد: "مدلي که اگرچه کاملاً منطبق بر نظريات اينشتين نيست، اما دست کم اعتبارشان را حفظ مي کند."
چاره اين است که بگوييم نوترينوها مسيري ميان بُر را انتخاب کرده اند! مسيري که از بعد چهارمِ تاکنون ناديده انگاشته شده مي گذرد، و موجب مي شود مسافتي که نوترينوها طي کرده اند، نسبت به مسافتي که در سه بعد اندازه گيري شده، کمتر شود. بنابراين نوترينوها الزاما سرعت نور را پشت سر نگذاشته اند تا بتوانند در زمانِ اندازه گيري شده خود را به مقصد برسانند، بلکه فقط مسافت کمتري را طي کرده اند.
در يک چنين جهاني، ذرات و نيروهايي که مي شناسيم در يک ساختار چهار بعدي عمل مي کنند، که "پوسته" (1) ناميده مي شود؟ و اين چهار بعد متشکل است از سه
بعد فضا و يک بعد زمان - که جزء مفروضات نظريه نسبيت هم هست. حال وجه جالب ماجرا اينجاست که با احتمال قريب به يقين، اين "پوسته" خود در ابعاد بالاتري از فضا - زمان شناور است که ما معمولاً کاملاً حضورش را ناديده مي انگاريم: "توده" (2) نامي است که به آن داده اند و مشخصاً از چهار بعد فضايي يا بيشتر، به همراه بعد زمان، تشکيل شده است.
نتايج خارق العاده اي که نسبيت خاص تا کنون به دست آورده، و همچنين مشاهداتي که از کيهان صورت گرفته، فيزيکدان ها را به اين نتيجه سوق داده که احتمالاً "پوسته" تخت و مسطح است، درست مانند يک صفحه کاغذ. ويلر معتقد است که نوسانات کوانتومي مي تواند منجر به دَوَران و موّاج شدن اين سطح شود، مانند آن چيزي که در صفحه هاي اقيانوس رخ مي دهد. بنابراين، اگر نوترينوها بتوانند خود را از فضاي محدود "پوسته" آزاد کنند، ممکن است بتواند با جابه جايي در "توده"، از مکاني به مکاني ديگر منتقل شوند، مانند يک ماهي پرنده که با پريدن از روي امواج، مسيري ميان بر را براي خود پيدا مي کند.
اين مدل بسيار جذاب است، چرا که راه حلي ارائه مي کند براي بزرگ ترين مسئله نظري که به وسيله اپرا مطرح شده است؛ زماني که اين آشکارساز، صحنه پشت سر گذاشتن سرعت نور توسط نوترينوها در بارشي از يک ابرنواختر را در سال 1987 شکار کرد.

وقتي که يک ابرنواختر منفجر مي شوند، بيشتر انرژي موجودش را به صورت ذرات نوترينو به بيرون پرتاب مي کند. اين ذرات اغلب به سختي با ماده درون ستاره واکنش مي دهند و در "آني از ثانيه" و در يک لحظه، ستاره را ترک مي کنند. همچنين، مدت زمان براي طي يک مسير توسط اين نوترينوها، در مقايسه با فوتون هاي نور، ممکن است تا سه ساعت کمتر هم طول بکشد. (چون زودتر از
فوتون حرکت خود را آغاز مي کنند، و بنابراين زودتر هم به مقصد مي رسند) در سال 1987، سه ساعت قبل از اين که نور انفجار ستاره به زمين برسد، تريليون ها ذره نوترينو به زمين رسيده بودند. اگر اين نوترينوها با سرعتِ نوترينوهايي که از سرن تا اپرا جابه جا شدند، مسافت ستاره تا زمین را طي کرده بودند، بايد در سال 1982 به زمين مي رسيدند. اما نکته اينجاست که نوترينوهاي اپرا در حدود هزار بار پر انرژي تر از نوترينوهاي ابرنواختر بودند. مدل پاکوسا و همکارانش نيز مي گويد نوترينوها بايد داراي حد معيني از انرژي باشند تا بتوانند به جاي طي مسير عادي در "پوسته"، از مسير ويژه در "توده" که کوتاه تر است جا به جا شوند. پاکوسا معتقد است اگر انرژي مان را در حدود بيست گيگاالکترون ولت در نظر بگيريم، "براي مورد اپرا بايد منتظر تأثيرات بزرگ باشيم - به خاطر کوچکي منطقه آزمايش - و براي مورد ابرنواختر بايد تأثيرات اندک را شاهد باشيم - به خاطر بزرگي فضاي رويداد. "و اينها در حالي است که گروه، از مقدار دقيق انرژي در هيچ کدام از اين دو مکان هنوز اطلاعي ندارند. پاکوسا و پاز ملاقاتي با هم داشته اند تا در خصوص اين جزئيات بيشتر کار کنند.
اما در اين بين، نکته اين است که ميان بر ماهي پرنده، براي همه ذرات ممکن نيست. به زبان نظريه ريسمان، (يک مدل رياضي که بسياري از فيزيکدان ها اميدوارند روزي منجر به " نظريه اي براي همه چيز " شود)، اکثر ذرات مانند نخ ها و طناب هاي مرتعشي هستند که انتهايشان به يک سطح متصل است که اين سطح همان "پوسته" است. يکي از استثنائات ذرات در اين نظريه، که تنها استثنا نيز هست، نوع خاصي از نوترينوهاست که "نوترينوي خنثي" نام گرفته و فعلاً به صورت نظري وجود دارد، و مانند نخي است که ابتدايش را به انتهايش متصل کرده اند. اين نوترينوها، تنها نوعي از نوترينوها هستند که تصور مي شود توانايي خروج از "پوسته"را دارند؛ و البته هنوز مشاهده نشده اند.
نوترينوها بين حالت هاي سه گانه ي تاکنون مشاهده شده شان (يعني نوترينوهاي الکترون، موئون و تائو)، مدام يکي را انتخاب مي کنند؛ و اپرا در اصل براي آشکار سازي اين تغييرات طراحي شده است. در مدل پاکوسا، نوترينوهاي موئون که در سرن به وجود آمدند، توانايي اين را داشته اند که به نوترينوهاي خنثاي نيمه پرنده تبديل شوند، پرش کوچکي در "توده" داشته باشند، و مجدداً قبل از آشکار شدن مجدد در
"پوسته"، به نوترينوي موئون تبديل شوند.
بنابراين اگر آمار و ارقام نتايج اپرا در دسترس قرار گيرند، مي توان تأييدي يافت براي وجود نوترينوهاي خنثي، وجود ابعاد اضافي و شايد تأييد نظريه ريسمان. همچنين شايد بتوان شرح داد که چرا گرانش در مقايسه با ساير نيروهاي بنيادي اين قدر ضعيف است. ذرات نظري که به عنوان بنيان اين قدر ضعيف است. ذرات نظري که به عنوان بنيان گرانش در نظر گرفته شده و با نام "گراويتون" شناخته مي شوند هم ممکن است ريسمان هاي بسته اي باشند که بعضي شان به "توده" مي روند و اين گونه، از قدرت گرانش در "پوسته" کاسته مي شود. ويلر مي گويد: "تصور مي کنم اگر در پايان، هيچ اشتباهي پيدا نشود و ديگر آزمايشگران نيز نتايج اپرا را باز توليد کنند، مدرک محکمي براي پذيرش نظيره ريسمان به دست مي آيد، و سپس در اين نظريه، کشف آن چيزي که ابعاد اضافي را موجب مي شود در اولويت قرار مي گيرد." اما شايد شاهد نظريه هاي جايگزين ديگري هم باشيم. ويلر انتظار دارد که به زودي در مقاله ها شاهد مطرح شدنشان باشيم.
در اين بين اما، حتي اگر نظريه نسبيت به کنار گذاشته شود، باز هم اينشتين کار خود را براي مدت زماني طولاني به بهترين نحو انجام داده است و هرگز نامش از يادها نخواهد رفت. در بدترين وضعيت، نسبيت باز هم در اکثر شرايط اين گيتي پهناور جواب مي دهد، اما ديگر نه در همه شرايط؛ درست مانند مکانيک نيوتني که تا آنجا که اجرام بسيار کوچک يا بسيار بزرگ نشده باشند، جواب مي دهد. ويلر مي گويد: "اين حقيقت که اينشتين به مدت 106 سال پاسخ پرسش هاي ما را داده است، به اين معناست که هرگز فراموش نخواهد شد."

پي نوشت ها :
 

1- brane
2- bulk
 

منبع: نيوساينتيست، 1 اکتبر 2011
منبع: دانشمند شماره 578.