فضاهاي ناديدني كجا پنهان شده اند؟

ماهيت فضا و زمان از جمله موضوع هاي بسيار پيچيده اي است كه درك آن نه تنها براي ما مردم عادي که حتي براي بسياري از دانشمندان و برجسته ترين ذهن ها نيز دشوار است. تاكنون فيزيك دانان نظري و تجربي با همكاري رياضي دانان به نتايج جالبي رسيده اند كه توانسته است به برخي از پرسش ها پاسخ دهد و بعضي مشاهده هاي آزمايشگاهي را توجيه كند.
سه‌شنبه، 2 خرداد 1391
تخمین زمان مطالعه:
موارد بیشتر برای شما
فضاهاي ناديدني كجا پنهان شده اند؟

فضاهاي ناديدني كجا پنهان شده اند؟
فضاهاي ناديدني كجا پنهان شده اند؟


 

نويسنده:رابرت متيوز
ترجمه: سليمان فرهاديان



 
ماهيت فضا و زمان از جمله موضوع هاي بسيار پيچيده اي است كه درك آن نه تنها براي ما مردم عادي که حتي براي بسياري از دانشمندان و برجسته ترين ذهن ها نيز دشوار است. تاكنون فيزيك دانان نظري و تجربي با همكاري رياضي دانان به نتايج جالبي رسيده اند كه توانسته است به برخي از پرسش ها پاسخ دهد و بعضي مشاهده هاي آزمايشگاهي را توجيه كند.
مقاله اي كه هم اكنون پيش روي شماست نگاهي است تاريخي به تلاش هاي انجام شده براي درك ماهيت فضا و زمان. اين مقاله مي گويد جهان بيش از سه بعد فضايي و يك بعد زماني قابل مشاهده، ابعاد پنهان ديگري هم دارد كه خود را از چشمان ما پنهان كرده اند. سفري كه به راستي به وراي مرزهاي فضا و زمان مي رود (فضا و زماني كه ما مي شناسيم)، آخرين سفر بشر براي كشف ناشناخته هاي جهان است. هيچ كس با اطمينان و يقين نمي داند اين سفر ما را به كجا مي برد اما هم اكنون دانشمندان بر اين باورند كه شايد در آستانه اولين گام ها براي شناخت ابعاد پنهان جهان باشند. اين فكر كه شايد جهان ما بيش از سه بعد فضايي و يك بعد زماني داشته باشد، اولين بار حدود يك قرن پيش مطرح شد اما اين فكر آن زمان بيشتر شبيه داستان هاي علمي تخيلي بود. البته بحث احتمال وجود ابعاد ديگر، پرسش هاي بسياري مطرح كرد از جمله اينكه:«اين ابعاد كجا هستند؟» پروفسور «ايگنايتوس آنتونياديس»، يكي از متخصصان شناخته شده اين حوزه كه در سرن (مركز پژوهش هاي فيزيك ذرات اروپا، مستقر در ژنو) كار مي كند، در پاسخ مي گويد: «اين ابعاد همه جا هستند، در هر نقطه اي از جهان ما ممكن است يك يا دو جهت ديگر وجود داشته باشد كه به فضا مي رود.»
آنتونياديس براي توضيح بيشتر اين موضوع از تشبيه ساده اي استفاده مي كند. او مي گويد: «فرض كنيد جهان ما يك بعد كمتر داشت، يعني دو بعدي بود. در اين صورت جهان ما شبيه سطح دوبعدي يك ورقه كاغذ بود. در چنين جهاني ما فقط مي توانستيم در صفحه كاغذ تنها در دو بعد حركت كنيم، يعني جلو و عقب يا چپ و راست برويم. در حالتي كه ما در يك صفحه كاغذ محدود باشيم، هيچ گاه متوجه نمي شويم كه يك بعد «پنهان» ديگر هم درست زير پاي ما هست، اين بعد همان ضخامت صفحه كاغذ است.»
اين فكر بسيار حيرت انگيز و باورنكردني است، به راستي چرا بايد چنين طرز فكري را جدي گرفت؟ به نظر «آنتونياديس» تلاش براي دستيابي به نظريه همه چيز (Theory of Ecverything)=ToEموضوع وجود ابعاد ديگر را مطرح كرد. نظريه همه چيز، يك مجموعه واحد از معادله هاست كه همه ذرات شناخته شده و نيروهاي موثر بر اين ذرات را توصيف مي كند. اولين سرنخ ها از وجود ابعاد پنهان طي تلاش هاي پيشگامان نظريه همه چيز در ابتداي قرن بيستم پديدار شد. در آن هنگام فقط دو نيروي بنيادي جهان شناخته شده بود، يعني گرانش و الكترومغناطيس. برحسب ظاهر همه اين دو نيرو هيچ شباهتي به هم نداشتند. گرانش روي همه اجسام اثر دارد در حالي كه الكترومغناطيس فقط روي اجسام باردار اثر مي كند. البته تفاوت مهم تر، قدرت نسبي اين دو نيرو است. گرانش بسيار بسيار ضعيف است، به طوري كه حتي يك آهن رباي كوچك هم مي تواند گيره كاغذ را به سمت خود بكشد و بر كشش گرانشي كل كره زمين غلبه كند.
«تئودور كالوزا» رياضي دان آلماني هنگامي كه سرگرم بررسي معادله هاي توصيف كننده اين دو نيرو بود، به كشف جالبي رسيد. وي دريافت با اين ترفند رياضي مي توان دو نيرو را به صورت جنبه هاي مختلف يك «ابرنيرو» نشان داد. اما اين وحدت نيرو كمي هم هزينه دارد؛ چرا كه وحدت اين نيروها نيازمند يك بعد فضايي ديگر، علاوه بر سه بعد فضايي آشناست.
كشف كالوزا توجه فيزيك دانان ديگر و از جمله «اينشتين» را به خود جلب كرد. اينشتين اين طرز فكر را دوست داشت اما تلاش مي كرد كاري كند كه وجود بعد ديگر معقول و منطقي به نظر آيد. يك نظريه پرداز سوئدي به نام «اسكار گلاين» بر اين عقيده بود كه نامرئي بودن اين ابعاد فقط به اين دليل است كه آن قدر كوچكند كه ديده نمي شوند، درست مثل ضخامت يك ورقه كاغذ هنگامي كه از دور به آن نگاه مي كنيم. علاوه بر اين، وي نشان داد كه اگر اين ابعاد اضافه تر و پيچيده شوند و به شكل لوله هاي كوچك در آيد، ممكن است برخي از خواص ذراتي مثل الكترون ها را توضيح دهد. اين نظريه كه با نام نظريه «كالوزا ــ كلاين» مشهور شد، به سرعت از مد افتاد؛ به ويژه آنكه فيزيكدانان نيروي كيهاني ديگري كشف كردند كه به نظر مي رسيد اين نظريه نمي تواند آن را توضيح دهد. اما اين نظريه هم اكنون در يك شكل جالب ديگر همچنان مطرح است؛ چرا كه نظريه پردازان امروزه بر اين باورند كه شايد ما در جهاني ده بعدي به سر مي بريم. آنها مي گويند شايد به زودي بتوانند اين موضوع را اثبات كنند.
اوج گيري دوباره علاقه به ابعاد ديگر، نتيجه آخرين تلاش ها براي ابداع نظريه اي است كه كالوزا و معاصرانش از ارائه آن ناتوان بودند؛ يعني نظريه همه چيز نه. «نظريه ريسمان» هسته اصلي تلاش براي ابداع نظريه «همه چيز» را تشكيل مي دهد. از ديدگاه نظريه ريسمان هم ذرات و هم نيروها محصول ارتعاش هاي چيزهايي شبيه ريسمان هستند. اين ريسمان ها از همه ذرات ريز اتمي شناخته شده ديگر كوچك ترند. برخي فيزيكدانان بر اين باورند كه «نظريه ريسمان» اين توانايي را دارد كه نه فقط گرانش و الكترومغناطيس بلكه همه نيروها وذرات موجود در طبيعت را برحسب يك مجموعه واحد از معادله ها توصيف كند.
اين پژوهشگران هم مانند كالوزا دريافتند لازمه دستيابي به چنين نظريه اي، پذيرش موضوع غير معمول است. دكتر ديويد برمن ــ نظريه پرداز ريسمان از دانشگاه لندن ــ مي گويد: «نظريه ريسمان از لحاظ رياضي فقط هنگامي سازگار مي شود كه نه بعد فضا و يك بعد زمان داشته باشيم.»
پس چرا از بين اين ده بعد، ما فقط چهار بعد را مي بينيم؟ برمن مي گويد:«پاسخ آن است كه اين ابعاد پنهان چنان واپيچيده و كوچك شده اند كه در آزمايش هاي كنوني نمي توان آنها را مشاهده كرد.»
دانشمندان هم اكنون گمان مي برند كه شش بعد پنهان ديگر در دسته هاي كوچكي به نام چندتايي «تالابي ــ يابو» بسيار پيچيده تر است. ممكن است هندسه اين ابعاد به خواص جهان چهار بعدي اي كه مي شناسيم مربوط باشد اما چگونگي اين ارتباط هنوز هم يك راز است. اينكه چرا از بين اين ده بعد، فقط شش بعد چنين كوچك شده است، معماي ديگري است. برمن مي گويد:«اما اين گفته به اين معنا نيست كه هيچ گاه نمي توان اين ابعاد پنهان را مشاهده كرد.»
به باور برخي نظريه پردازان، سرنخ هايي وجود دارد كه بيان مي كند ممكن است بتوان بعضي از اين ابعاد پنهان را مشاهده كرد؛ چراكه ممكن است اين ابعاد از آنچه تاكنون گمان مي برديم، بسيار بزرگ تر باشند.

قدرت پنهان
 

فكر وجود ابعاد پنهان بزرگ اولين بار در اواخر دهه 1990 و طي تلاش براي رازگشايي از دلايل ضعيف بودن گرانش مطرح شد. گروهي از نظريه پردازان كاليفرنيا و ايتاليا حدس زدند دليل اين همه ضعف گرانش آن است كه گرانش به همه ده بعد ديگر جهاني نفوذ مي كند. اگر چنين باشد، ممكن است بخش زيادي از قدرت واقعي گرانش در ابعاد پنهان مخفي شده باشد. شايد هم تنها زماني قدرت واقعي گرانش آشكار شود که ما بتوانيم راهي به اين ابعاد بالاتر بيابيم.
اما هنوز هم اين بخت وجود دارد كه با استفاده از بزرگ ترين شتاب دهنده ذره جهان ــ يعني برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در سرن در نزديكي ژنو ــ بتوان اين ابعاد را آشكار كرد. اين برخورد دهنده عظيم 27 كيلومتري پس از چندين سال تأخير بالاخره كارش را شروع كرد و در مارس سال 2010 به انرژي هايي نزديك به انرژي جهان درست پس از انفجار بزرگ در 14 ميليارد سال پيش دست يافت. آنتونيا ديس مي گويد شايد اين انرژي آن قدر بزرگ باشد كه وجود ابعاد پنهان بزرگ را آشكار كند. وي مي گويد: «نشانه اصلي وجود ابعاد ديگر توليد همزاد پرجرم تر هر ذره اي است كه وارد اين دستگاه مي شود و حالت هايي كلوتزا ــ كلاين نام دارد. وي در توضيح مي گويد اين ذرات به سرعت فروپاشي مي كنند و فوراني از ذرات آشنا همانند الكترون ها را توليد مي كنند كه LHC مي تواند آنها را شناسايي كند. يكي ديگر از نشانه هاي وجود ابعاد پنهان، توليد انرژي كمتر از حد انتظار در رويدادها و برخوردهاي شديد درون اين برخورد دهنده عظيم است. اين كاهش انرژي نتيجه نشت برخي از انرژي توليد شده از چهار بعد قابل مشاهده جهان ما به ابعاد پنهان ديگر است. البته يک احتمال هيجان انگيز ديگر هم وجود دارد و آن هم اين است كه وجود ابعاد پنهان باعث تويد سياهچاله در LHC مي شود. البته سياهچاله ها از يك لحاظ بدنام هستند؛ چرا كه مي توانند هر چيزي را كه به آنها نزديك مي شود، ببلعند. سياهچاله ها زماني پديد مي آيند كه ذرات چنان به هم فشرده مي شوند كه نمي گذارند حتي نور هم از چنگ ميدان گرانشي آنها بگريزند.
در LHC ذره هاي ريز اتمي به شدت به يكديگر برخور مي كنند و چگالي بسيار بالايي توليد مي كنند. اين مقدار چگالي براي پديد آوردن سياهچاله كافي نيست؛ مگر آنكه آنها به سطح هاي انرژي بسياربالاتري كه درون ابعاد پنهان، نهفته است. نفوذ كنند. فكر سياهچاله ها، حتي سياهچاله هاي زير اتمي هم كه درون LHC پديد مي آيد ترسناك است. اين ترس و وحشت آن قدر زياد بود كه برخي خواستار توقف آزمايش هاي برخورد دهنده شدند. البته فيزيكدانان تاكيد مي كنند كه همه سياهچاله ها به محض تشكيل نابود مي شوند و با توجه به فوران كوچك تابش است كه متوجه وجود آنها مي شويم.
اگر LHC شواهد براي وجود ابعاد پنهان بيابد، اين دستاورد يكي از بزرگ ترين كشف هاي تاريخي علم خواهد بود. علاوه بر اين مي تواند احتمال هاي جالب ديگري را مطرح كند. طبق نظر جو آن هيوت ــ نظريه پرداز ريسمان از دانشگاه استنفورد ــ ابعاد پنهان ممكن است ميانبرهايي در جهان باشند.
با اين همه، آخر داستان را هيچ كس نمي داند. تنها راه كشف حقيقت آن است كه LHC كارش را تمام كند و اميدوار باشيم كه آن قدر انرژي داشته باشد كه ابعاد پنهان جهان ــ يعني به راستي آخرين مرزهاي جهان شناخته شد- را آشكار سازد.

ماده تاريك چيست؟
 

شايد پاسخ اين پرسش در ابعاد پنهان نهفته باشد. چند دهه است كه بررسي كهكشان هايي كه گمان مي رود مقدار زيادي ماده نامرئي به نام «ماده تاريك» دارند، اخترشناسان را سردرگم كرده است.ماده تاريك تشكيل دهنده 23 درصد از چگالي جهان است. با اين همه ماهيت آن هنوز روشن نيست، فقط همين قدر مي دانيم كه اين ماده به شكل الكترون با ديگر ذرات شناخته شده نيست. برخي نظريه پردازان حدس مي زنند ممكن است اين موضوع با وجود ابعاد پنهاني كيهان در ارتباط باشد.
محاسبه ها بيانگر آن است كه شايد نيروي گرانش بتواند علاوه برچهار بعدي كه آنها را مي شناسيم و حس مي كنيم در همه ابعاد ديگر سازنده جهان ما نيز نفوذ كند. اگر چنين باشد شايد «ماده تاريك» هم فقط گرانش پنهاني باشد كه از ديگر ابعاد پنهان به جهان ما نفوذ مي كند. نظريه هاي ديگر نيز بيانگر آن است كه ذرات معمول مثل الكترون ها ممكن است به ابعاد ديگر نشت كنند و ذرات نظير آنها را در جهان مابسازند. كه ذرات كالوزا ــ كلاين (KK)نام دارند. بعد اين ذرات به شكل ذراتي فروپاشي مي كنند كه ما آنها را به صورت ماده تاريك مي بينيم.
جالب اينكه در سال 2008 يك كروه بين المللي از پژوهشگران در نبوگان از شناسايي ذراتي خبر دادند كه انرژي آنها با انرژي فروپاشي ذرات كالوزا ــ كلاين سازگار است. هم اكنون دانشمندان ديگر اين موضوع را بررسي مي كنند كه آيا اين يافته ها مي تواند شاهدي بر وجود ابعاد پنهان باشد يا خير.
منبع: دانستنيها، شماره 28.



 



ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.