اسرار ابر زمان

نوشته شده توسط:کیوان فیض مرندی | ۰ دیدگاه

تصور ما نسبت به زمان، در طی زمان تغییر بسیاری کرده است. تا همین صد سال پیش بود که همگی فکر می‌کردیم ثانیه‌ها به شکلی کاملا قابل پیش‌بینی ، یکی پس از دیگری در حال گذر هستند تیک تاک تیک ... و بدین ترتیب تصور می‌کردیم که زمان همانند ساعت کار می‌کند. اما در همین هنگام بود که سر و کله انیشتین پیدا شد ه همه چیز به ناگهان تغییر کرد. نظریات نسبیت انیشتین، تمامی تصورات پیش یا افتاده ما نسبت به زمان را بر باد داد. به عنوان مثال، نسبیت نشان داد که که چناچه سوار یک موشک شده و با سرعتی نزدیک به سدعت نور شروع به سفر کنیم زمان تقریبا متوقف خواهد شد. همین طور اگر در نزدیکی یک سیاه‌چاله توقف کنیم بز هم شاهد توقف زمان خواهیم بود. از این عجیب‌تر آن که فضا زمان در درون سیاه‌چاله‌ها آن چنان انحنا پیدا می‌کند که فضا و زمان نقش خود را با همدیگر عوض کرده و هر یک به دیگری تبدیل خواهد شد.

اما در حالی تازه داشتیم به این رفتارها و ویژگی‌های عجیب و غریب زمان عادت می‌کردیم، دوباره سرو کله یک فیزیکدان جسور دیگر پید شد و با نظریه خود مجددا ما را غرق در حیرت کرد. این فیزیکدان که کسی جز ایتزاک یارز از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در لس‌آنجلس نیست، معتقد است که زمان بر خلاف تصور متعارف موجود، یک بعدی نبوده بلکه دو تعدی است. در واقع باید گفت که یکی از این دو بعد، در تماس طول تاریخ اندیشه بشری از نگاه بشر پنهان مانده بوده است.

اما آیا نظریه ابرز بدین معنا است که ساعت‌ها و ثانیه‌های اساسا متفاوتی نسبت به آنچه تا کنون تصور می‌کردیم نیز در هستی وجود دارند؟ و آیا وجود دومین تعد زمانی، تصور فعلی ما نسبت به گذشته، حال و آینده را فرو خواهد ریخت؟ اینها همگی سوالاتی هستند که نظریه بارز با خود مطرح می‌کند. اما یکی از جالب‌ترین حقایقی که نظریه تعد زمانی اضافی بارز از آن پرده‌برداری می‌کند، وجود ارتباطی عمیق ما بین سیستم‌ها و رویدادهایی است که در ظاهر، هیچ ارتباطی با همدیگر ندارند ( مثلا ارتباط میان یک اتم منفرد و کل جهان در حال انبساط) کشف جنین ارتباطاتی می‌تواند راهی را برای بشر به سوی «نظریه همه چیز» یعنی نظریه‌ای که تمامی قوانین فیزیک جهان ر در قالب یک قانون واحد، وحدت خواهد بخشید- بگشاید. از این بهتر آن که بارز معتقد است نظریه بعد زمانی اضافی، پیش‌بینی‌هایی دارد که می‌توان صحت آنها را توسط آزمایش‌های فیزیک ذرات بنیادی به محک آزمون گذاشت.

باید گفت که فیزیکدان‌ها به طور کلی با مفهوم «ابعاد اضافی» بیگانه نیستند. طی دهه‌های متمادی، نظریه‌پردازانی که در تلیش برای کشف وحدت نیروهای جهان بوده‌اند، همواره ابعاد فضایی جدیدی را به معادلات خود افزوده‌اند. در دهه 1920 بود که ریاضی‌دانان کشف کردند با چهار بعدی در نظر گرفن فضا-به جای سه بعد متدوالی که در ظاهر تصور می‌کنیم- می‌توان نیروی الکترومغناطیسی را با گرانش وحدت بخشید. سپس در دهه 1980 نسخه‌های مختلفی از نظریه‌ای با عنوان نظریه ریسمان‌ها ارائه شد که رفتار جهان را بر اساس ارتعاشات ریسمان‌های بسیار کوچک یک بعدی در درون 9 بعد مکانی و یک تعد زمانی تبیین می‌کردند. (بر اساس نظریه ریسمان‌ها، 6 بعد از این 9 بعد مکانی آن‌چنان در خود پیچیده شده‌اند که در ظاهر نمودی ندارند.) حدود بکی دهه بعد، نظریه‌پردازان کشف کردند که تمامی نسخه‌های متفاوت نظریه ریسمان‌ها در واقع وجوه متفاوتی از یک نظریه جامع‌تر به «نام نظریه M » هستند که در آن باز هم یک تعد مکانی جدید به کائنات افزوده می‌شود و بدین ترتیبٰ مجموع ابعاد کائنات را به عدد 11 می‌رساند که از این میان، 10 بعد آن مکانی و یک بعد آن زمانی خواهد بود.

زمان مضاعف

نظریات مرتبط با ابعاد مکانی جدید همواره دستاوردهای ارزشمندی برای فیزیکدان‌ها به ارمغان آورده‌اند. اما ببینیم چرا با این حال فقط تعداد اندکی از فیزیکدان‌ها جرات مطرح کردن چنین نظریاتی را در ارتباط با زمان دارند؟ در وقع دو دلیل مهم وجود دارد که فیزیکدان‌ها را از فرض وجود ابعاد زمانی جدید نتگران می‌کند. اول آن که ابعاد زمانی همواره به جای علامت مثبت، با علامت منفی در معادلات ظاهر می‌شوند. بنابراین همان طور که بارز هم بدان اشاره دارد، در نظر گرفتن یک بعد زمانی جدید، منجر به رویدادهایی با احتمال وقوع منفی خواهد شد و چنین چیزی اساسا بی‌معنی است.

اما دلیل دوم که حتی از دلیل اول هم نگران کننده‌تر است، آن است که پذیرش وجود بعد زمانی جدید به معنای چراغ سبزی در برابر ایده سفر در زمان خواهد بود. اگر چنانچه مدل ریاضی توصیف کننده زمان همانند یک یک خط راست یک بعدی باشد، مسیری که گذشته را به جال و آینده متصل خواهد کرد کاملا مشخص و تعریف شده خواهد بود. اما با افزودن یک بعد زمانی جدید مدل ریاضی توصیف کننده زمان به یک صفحه دو بعدی تبدیل خواهد شد. مسیر اتصال گذشته به آینده بر روی چنین صفحه‌ای حتی می‌تواند مهانند یک حلقه باشد و بدین ترتیب شما در چنین جهانی امکان رفت و آمد در زمان را نیز خواهید داشت. اما چنین امکانی، وقوع بسیاری از پدیده های نامعقول، اصطلاحا «تناقض نمای پدربزرگ» نامیده می‌شود که بر اساس آن، شخص با سفر در زمان، به گذته رفته و از ازدواح پدربزرگ و مادربزرگ خود و نتیجتا متولد شده خود جلوگیری می‌کند! همه این موارد سبب می‌شوند که فیزیکدان‌ها از طرح ایده دو بعدی بودن زمان پرهیز کنندو با این حال هنگامی که بارز در سال 1995 با نشانه‌هایی مبنی بر وجود یک بعد زمانی اضافی در نظریه M مواجه شد. تصمیم گرفت نگاه دقیق‌تری به آن بیندازد. بارز کشف کرد که می‌تون یک بعد جدید به نظریه M اضافه کرد بدون آنکه ویژگی‌های اساسی هیچ یک از 11 بعد دیگر آن به لحاظ ریاضی تغییر کند. بارز در این‌باره می‌گوید: « اما انحام این کار، یک شرط اساسی داشت و آن اینکه بعد جدید باید حتما یک تعد زمان گونه می‌بود.»

البته ارز به خوبی با خطرات افزودن یک بعد زمانی جدید به معادلات آشنا بود، ولی با این حال ، بدون ترس به پیش رفت. او در کمال شگفتی به این نتیجه رسید که اگر چنان چه حرکت در این فضا - زمان جدید صرا تت قید ویژه‌ای میسر باشد، در این صورت معضلاتی نیر احتمالات منفی و سفر در زمان به خودی خود از مسئله حذف خواهد شد. اما این قید ویژه چیزی است؟ بارز معتقد است که این قید ویژه باید در ارتباط با یکی از تقارن‌های ناشناخته طبیعت باشد.

به طور کلی تقارن با ویژگی‌هایی از پدیده‌ها سروکار دارد که تحت تبدیلات خاصی، به عنوان مثال، از هر وجه یک مکعب که به آن نگاه کنیم، همیشه شکل یکسانی خواهد داشت. تقارن در مورد قوانین فیزیک هم صادق است. به عنوان مثال، اگر شما در حال انجام یک آزمایش فیزیکی باشید چه آزمایشگاه شما ساکن بر روی زمین باشد یا در حال حرکت در واگن یک قطار و یا حتی در حال چرخش در یک چرخ و فلک در هر صورت، نتیجه آزمایش یکسان خواهد بود. این ارتباط موجود میان فیزیک و تقارن برای نخستین ار توسط یک بانوی ریاضیدان آلمانی به نام «امی نوثر» کشف شد. او در مقاله ارزشمندی که در سال 1918 منتشر کرد. نشان داد که بسیاری از قوانین بنیادین پایستگی در فیزیک اساسا چیزی جز نتایج وجود تقارن‌های ریاضی نیستند. به عنوان مثال قانون پایستگی انرژی که بر اساس آن، انرژی نه ایجاد می‌شود و نه نابود. بلکه صرفا از حالتی به حالت دیگر تبدیل می‌شود- نتیجه‌ای از «تقارن تبدیل زمانی» است. وجود تقارن تبدیل زمانی در قوانین فیزیک بدین معنا است که چنانچه شما آزمایشی را اموز، فردا و یا ماه آینده،تحت شرایط کاملا یکسانی انجام دهید، نتیجه آزمایش، یکسان خواهد بود. در واقع، هم نظریه نسبیت عام و هم مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی هر دو بر مبنای تقارن‌هایی بنا شده‌اند که هر یک به طور مسبقل در تمامی نقاط فضا و زمان صادق هستند و به همین دلیل هم آنها را اصطلاحا » تقارن‌های پیمانه‌ای» می‌نامند.

دستاورد ارزشمند امی‌نوثر، انگیزه‌ای قوی را برای دانش فیزیک ایجاد کرد تا به جست و جوی مستمر تقارن‌های ساده و عمیق هستی بپردازد. تقارن‌هایی که تمامی پدیده‌های فوق‌العاده پیچیده جهان، از آنها نشات گرفته‌اند. بارز از خود می‌پرسید که آیا ممکن است وجود نوعی تقارن پیمانه‌ای ناشناخته بر وجود یک بعد زمانی جدید دلالت داشته باشد؟ بدین ترتیب او در سال 1995 جست و جو برای یافتن پاسخ را آغاز کرد.

سر نخ اصلی پاسخ این معما از نظریه کوانتومی حاصل می‌شود. عدم قطعیت کوانتومی، میزان شناخت ما نسبت به ویژگی‌های یک سیستم فیزیکی را اساسا محدود می‌کند. به عنوان مثال، با اندازه‌گیری دقیق مکان یک اتم، تعیین اندازه حرکت آن عیر ممکن خواهد شد و بالعکس، بارز از خود می‌پرسید که آیا ممکن است این مسئله، از وجود ارتباطی عمیق‌تر ما بین مکان و اندازه حرکت ناشی شده باشد؟

 

زیستن در سایه‌های ابر زمان

هنگامی که بارز تصمیم به اعمال این تقارن پیمانه‌ای جدید گرفت، دو اتفاق مهم افتاد. اول آن که او کشف کرد که اعمال این تقارن جدید تنها در صورتی میسر است که کائنات دو بعد اضافی دیگر نیز داشته باشد که یکی از آنها مکانی و دیگری زمانی باشد. بنابراین بر اساس نظریه بارز، جهان که صرفا یکی از جهان‌های بی‌شمار شناور در کائنات است شش بعدی خواهد بود ( بر اساس این نظریه کل کائنات 13 بعدی خواهد بود که از افزودن دو بعد جدید به ابعاد یازده گانه نظریه M حاصل می‌شود).

هر چند در نظریه بارز امکان سفر در زمان به طور کلی منفی نیست. اما این امکان به واسطه وجود تقارن پیمانه‌ای به شدت محدود می‌شود. او در این‌باره می‌گوید: « در این جهان شش بعدی، پدیده‌ها امکان مانور بسیار اندکی دارند.» این محدویت حرکت در شش بعد، عملا امکان ورود به بعد زمانی دوم و بازگشت به گذشته از درون این بعد را منتفی می‌کند.در ضمن همین امر منجر به حذف احتمالات منفی نیز خواهد شد. بارز می‌گوید: « بنابراین این جهان شش بعدی عملا شبیه به یک جهان بسیار محدودتر یعنی یک جهان چهار بعدی رفتار می‌کند.»

در واقع اگر چه چنین جهانی ماهیتا با یک جهان چهار بعدی متفاوت است، اما در ظاهر، هیچ تفاوتی با آن ندارد، بارز می‌گوید: «محدویت‌های شدید حاکم بر حرکت در این فضا - زمان با ابعاد بالاتر، منجر به بروز رفتارهایی مشابه با قوانین حرکت در فضا-زمان آشنای چهار بعدی می‌شود». و ادامه می‌دهد: «اما در عین حال، وجود همین ابعاد بالاتر، منجر به تجلی روابط جدید و غیرمنتظره‌ای نیز ما بین پدیده‌ها می‌شود.» بر اساس نظریه بارز، جهانی که ما در اطراف خود می‌بینیم در واقع سایه‌ای از یک جهان شش بعدی است. برای درک بهتر این مطلب، دست خود را به عنوان یک جسم سه بعدی و سایه آن بر روی دیوار را به عغنوان یک تصویر دو بعدی در نظر بگیرید. دقیقا همتن طور که دست شما بسته به موقعیت منبع نور سایه‌های مختلفی خواهد داشت،به ازای یک جهان شش بعدی نیز سایه‌های چهار بعدی متعددی می‌توانند شکل بگیرند. بارز می‌گوید: «هر یک از این سایه‌ها منجر به شکل گیری مجموعه پدیده‌های متفاوتی در جهان ما خواهند شد.»

بارز مطالعه بر روی ساده‌ترین سیستم ممکن را در یک جهان شش بعدی آغاز کرد. این سیستم، متشکل از یک ذره منفرد است که بدون اعمال هیچ نیرویی بر روی آن، در حال حرکت در یک خط مستقیم ست. بارز دریافت که چنین سیستم ساده‌ای حداقل دارای دو سایه پیچیده‌تر در فضا-زمان چهار بعدی خواهد بود. یکی از این سایه‌ها اکترونی را نشان می‌دهد که در حال چرخش حول یک اتم است و سایه دیگر، ذره‌ای را در یک جهان در حال انبساط نمایش می‌دهد. بارز می‌گوید: «هر چند انی دو پدیده در ظاهر هیچ ارتباطی با همدیگر ندارند، اما درواقع و بر اساس نظریه ابرزمان کاملا با همدیگر مرتبطند، چرا که هر دو ردواقع سایه‌های یک واقعیت واحد شش بعدی هستند.»

اما اگر چناچه به تعبیر بارز، این فیزیک با ابعاد زمانی مضاعف بتواند پدیده‌های به ظاهر بی‌ارتباط با همدیگر با وحدت ببخشد، آیا ممکن است قادر به وحدت بخشیدن مابین دو ستون عظیم فیزیک قرن بیستم یعنی مکانیک کوانتومی و نسبیت عام هم باشد؟

بارز مصمم شد که پاسخ این پرسش را بیابد، چرا که به این نتیجه رسیده بود که نظریه‌اش مبنی بر وجود ارتباط مابین پدیده‌های به ظاهر غیر مرتبط، تنها در صورتی ارزش خواهد داشت که بتواند وقوع پدیده‌های جدیدی را پیش‌بینی کند. بدین منظور او چندی پیش فیزیک با ابعاد زمانی مضاعف را بر روی نظریه کوانتومی میدان اعمال کرد (نظریه کوانتومی جهان به جز نیروی گرانش را در قالب مدل استاندارد ذرات بنیادی تبیین می‌کند.)

سال گذشته (2006) بارز با انتشار مقاله‌ای در نشریه معروف «فیزیکال ریوریو» نشان داد که مدل استاندارد ذرات بنیادی اساسا چیزی جز یکی از سایه‌ها نظیه جهان شش بعدی نیست. بارز معتقد است که جهان شش بعدی، سایه‌های دیگری نیز دارد که گرانش را نیز در بر می‌گیرند. بدین ترتیب در چنین سایه‌هایی، گرانش با مدل استاندارد ذرات بنیادی وحدت پیدا خواهد کرد.

البته تا کنون فقط تعداد اندکی از فیزیکدان‌ها ایده بارز را به طور جدی تعقیب کرده‌اند؛ چرا که تمامی تلاش‌هایی که توسط فیزیکدان‌ها پیش از بارز برای افزودن ابعاد زمانی جدیدی به معادلات صورت گرفته بود، همگی بیش از ؟آن به سوالات مطرح در عرصه فیزیک پاسخ دهند، سوالات چدیدی را پیش روی فیزیکدان‌ها قرار داده بودند. یکی از این سوالات، در مورد واقعیت داشتن وجود بعد زمانی جدید بود. آیا این بعد جدید هم همانند بعد زمانی متعارفی که ما ادراک می‌کنیم، وقعی است؟ اغلب فیزیکدان‌ها این تعد زمانی جدید را صرفا به عنوان یک مفهوم ریاضی و نه به عنوان یک پدیده واقعی و فیزیکی قبول دارند. «جان کرامر» از دانشگاه واشنگتن در شهر سیاتل آمریکا در این‌باره می‌گوید: «پیش از انی نیز فیزیکدان‌ایی نظیر «استفن هاوکینگ»، مفهوم مشابهی با عوان «زمان مجازی» را در معادلات نسبیت عام انیشتین وارد کرده بودند. اما این مفهوم، صرفا یک مفهوم ریاضی بود. بنابراین به نظر من چنین مفاهیمی صرفا ابزارهایی محاسباتی هستند که با کمک آنها می‌توان محاسبات را پیش برد.»

اما بارز اصرار دارد که این ابعاد اضافی صرفا یک تدستی ریاضی نیستند. او می‌گوید: «این ابعاد اضافی واقعا وجود دارند. آنها دقیقا همانند سه بعد مکانی و یک بعد زمانی آشنای خودمان واقعی هستند.»

متاسفانه ما هیچگاه قادر نخواهیم بود وجود بعد زمانی دوم را به همین صورتی که بعد زمانی متعرف را درک می‌کنیم، ادراک کنیم. به عنوان مثال هیچ‌گاه تمی‌توان ساعتی ساخت که قادر به ثبت این زمان دوم باشد. به همین ترتیب، هیچ‌گاه نمی‌توان به واسطه وجود این بعد زمانی دوم، صبح‌ها چند ساعت دیرتر از خواب بیدار شد! علت این امر آن است که زمانی که به طور متعارف برای ما قابل ادراک است، صرفا سایه‌ای از یک حقیقت برتر شش بعدی است که هرگز برای ما قابل دسترسی نخواهد بود.

البته این بدین معنا نیست که این بعد زمانی اضافی هیچ تاثیری بر جهان ما ندارد. بارز معتقد است که چنین تاثیراتی وجود دارند ولی این تاثیرات اغلب به صورت ناآشکار عمل می‌کنند. به عقیده بارز حتی ممکن است شواهد مستقیمی هم از عملکرد این بعد زمانی وجود داشته باشد. او می‌گوید: «به نظر می‌رسد که فیزیک با بعد زمانی مضاعف بتواند یکی از مسائل مهم مرتبط با مدل استاندارد ذرات بنیادی را حل کند.»

در درون مدل استاندارد ذرات بنیادی، نظریه‌ای با عنوان «کرمودینامیک کوانتومی» QCD وجود دارد که رفتار نیروی قوی هسته‌ای را تبیین می‌کند. به کمک این نظریه، می‌توان رفتار کوارک را در درون پروتون‌ها و نوترون‌ها و نیز رفتار گلوئون‌هایی که این کوارک‌ها را در کنار همدیگر نگاه می‌دارد، توضیح داد. اما در اینجا مسئله‌ای وجود دارد. بر اساس معادلات QCD، نیروی قوی هسته‌ای باید در واکنش‌های خاصی به صورت غیرمتقارن عمل کرده و همواره برخی از واکنش‌های مزبور را به برخی دگر ترجیح دهد. اما چنین ترجیحی هیچ‌گاه در آزمایش‌های صورت گرفته، مشاهده نشده است. فیزیکدان‌ها برای برطرف کردن این مشکل QCD، به یک راه حل نظری دست یافته‌اند که این رفتار نیروی قوی هسته‌ای را تصحیح می‌کند. اما این راه حل، مبتنی بر فرض وجود ذره‌ای به نام «اکسیون» است.

شاید تا به اینجا همه چیز خوب به نظر برسد، اما مسئله آن است که تا کنون تمامی آزمایش‌های صورت گرفته برای آشکارسازی اکسیون‌ها، با شکست مواجه شده‌اند. البته در برخی از این آزمایش‌ها گزارش‌هایی مبنی بر مشاهده آثاری که می‌توانند ناشی از وجود اکسیون‌ها باشند، ارئه شده است؛ ولی هیچ یک از این گزارش‌ها از فطعیت قالب توجهی برخوردار نیستند. با این حال بارز معتقد است که پاسخ این مسئله را می‌داند. او می‌گوید: «علت آن سا که اکسیون‌ها اصلا وجود ندارند!» در واقع، با تصویر کردن جهان شش بعدی بر روی چهر بعد،مدلی برای تبیین بر هم کنش‌های ذرات بنیادی حاصل می‌شود که نسبت به مدل استاندارد موجود، کمی متفاوت است. در این مدل جدید، عدم تقارن در رفتار نیروی قوی هسته‌ای خود به خود حذف خواهد شد و بنابراین در فیزیک با ابعاد زمانی مضاعف، اساسا هیچ نیازی به فرض وجود اکسیون نیست. بدین ترتیب بارز معتقد است که آزمایشگران در جست و جوهای خود هیچ گاه چنین ذره‌ای را نخواهند یافت.

اما عدم کشف اکسیون‌ها به تنهایی برای تایید نظریه فیزیک با ابعاد زمانی مضاعف کافی نخواهد بود. کرامر در این‌باره می‌گوید: «محک واقعی برای چنین نظریه‌ای تنها در صورتی میسر خواهد بود که این نظریه بتواند پیش‌بینی‌هایی ارائه دهد که صحت آنها به طور تجربی قابل آزمون باشند.»

در واقع، جدیدترین تحقیقات بارز نیز دقیقا بر روی چنین مسئله‌ای متمرکز شره است. او معی دارد فیزیک با ابعاد زمانی مضاعف را بر روی مفهوم «ابر تقارن» اعمال کند. برساس مدل ابر تقارن، هر ذره در مدل استاندارد ذرات بنیادی دارای یک «ابرهمزاد» سنگین‌تر خواهد بود. این ذرات ابر تقارنی تا پیش از این در آزمایش‌های مشاهده نشده‌اند، اما انتظار می‌ود که بتوان آنها را در برخوردهای بسیار پرانرژی صورت گرفته در «هادرون کوب بزرگ» - که سال 2008 در حومه شهر ژنو در سوئیس راه‌اندازی خواهد شد- مشاهده کرد. کرامر می‌گوید: «بارز معتقد است که این نظریه جدید، قیود متفاوتی را تسبت به سایر تظریات موجود بر روی ذرات ابرتقارنی اعمال خواهد کرد.»

اما مسئله به این مورد خاص هم منحصر نمی‌شود: چرا که بارز با اعمال فیزیک شش بعدی بر روی نظریه کوانتومی میدان، به این اطمینان رسیده است که به زودی موارد متعدد دیگری نیز پیدا خواهد شد که در آنها پیش‌بینی‌های فیزیک شش بعدی نسبت به فیزیک چهار بعدی، متفاوت خواهد بود. او می‌گوید: «این تنها آغاز راه است و من بر این باورم که سایر فیزیکدان‌ها نیز به زودی به دستاورده‌ها بسیار جالب توجهی در این مورد دست خواهند یافت.»

شاید عجیب به نظر برسد؛ ولی تنها گذشت زمان مشخص خواهد کرد که آیا نظریه بارز در مورد زمان صحیح است یا خیر‍!

    هیچ نظری تا کنون برای این مطلب ارسال نشده است، اولین نفر باشید...