آنچه بشر فقط در حدود یک قرن گذشته درباره کیهان آموخته، شگفتانگیز است. کمی بیش از صد سال پیش، اخترشناس آمریکایی ادوین هابل (Edwin Hubble) با استفاده از تلسکوپ ۱۰۰ اینچی هوکر (Hooker Telescope) در رصدخانه کوه ویلسون (Mount Wilson Observatory) در کالیفرنیا، یک ستاره متغیر قیفاووسی (Cepheid Variable Star) را بسیار دورتر از راه شیری، در کهکشان آندرومدا (Andromeda Galaxy)، شناسایی کرد. این کشف نشان داد جهان بسیار بزرگتر از چیزی است که پیشتر تصور میشد.
شش سال بعد، هابل دریافت که جهان شناختهشده فقط بزرگ نیست؛ بلکه واقعاً در حال انبساط است. اما این پایان ماجرا نبود. در سال ۱۹۹۸، دو گروه مستقل از اخترشناسان تأیید کردند که انبساطی که هابل کشف کرده بود، نهتنها ادامه دارد، بلکه شتابدار است؛ یعنی جهان هر لحظه سریعتر از قبل در حال گسترش است.
اکنون پژوهشی تازه میپرسد: آیا ممکن است همان نیرویی که در مقیاس اتمی کوارکها را به هم پیوند میدهد، در مقیاس کیهانی به شتاب گرفتن انبساط جهان کمک کند؟
مسئله اصلی: جهان چرا هر لحظه سریعتر منبسط میشود؟
برای توضیح انبساط جهان، دانشمندان مفاهیمی مانند ثابت هابل (Hubble Constant) و ثابت کیهانشناسی (Cosmological Constant) را توسعه دادند.
ثابت هابل نرخ کنونی انبساط جهان را اندازهگیری میکند. ثابت کیهانشناسی نیز یک پیشبینی نظری درباره فضا-زمان است که برای توضیح شتاب گرفتن این انبساط به کار میرود.
آلبرت اینشتین (Albert Einstein) نخستینبار ایده ثابت کیهانشناسی را در سال ۱۹۱۷ مطرح کرد. امروزه این مفهوم یکی از پایههای مدل اصلی کیهانشناسی مدرن است؛ مدلی به نام لامبدا ماده تاریک سرد (Lambda Cold Dark Matter) یا ΛCDM.
در مدل ΛCDM:
- ثابت کیهانشناسی نماینده نوعی انرژی تاریک است؛ انرژی مرموزی که در سراسر فضا نفوذ کرده و انبساط شتابدار جهان را پیش میبرد.
- ماده تاریک سرد (Cold Dark Matter) نیز جرم نامرئیای را توضیح میدهد که ساختارهای بزرگمقیاس کهکشانها را شکل میدهد.
این مدل تاکنون در توضیح بسیاری از مشاهدات کیهانشناختی موفق بوده، اما یک مشکل بزرگ دارد.
مشکل ثابت کیهانشناسی؛ اختلافی با ۱۲۰ مرتبه بزرگی
مدل ΛCDM با وجود موفقیتهایش، کاستیهایی جدی دارد. یکی از مهمترین آنها مسئله ثابت کیهانشناسی (Cosmological Constant Problem) است.
به زبان ساده، نظریههای میدان کوانتومی (Quantum Field Theories) پیشبینی میکنند که چگالی انرژی خلأ باید حدود ۱۲۰ مرتبه بزرگی بیشتر از چیزی باشد که در جهان مشاهده میکنیم. این اختلاف عددی آنقدر عظیم است که آن را یکی از جدیترین مشکلات فیزیک نظری میدانند.
همین ناسازگاریهای ریاضی باعث شده دانشمندان به دنبال ایدههای تازه باشند. یکی از این ایدهها در مطالعهای که ماه گذشته در نشریه یونیورس (Universe) منتشر شد، مطرح شده است. این پژوهش بررسی میکند که آیا مکانیک پشت نیروی هستهای قوی (Strong Nuclear Force) ــ نیرویی که اتمها را کنار هم نگه میدارد و یکی از چهار نیروی بنیادی جهان است ــ ممکن است نقشی بسیار بزرگتر از تصور ما در کیهان داشته باشد یا نه.
سرنخهایی از دسی؛ شاید انرژی تاریک ثابت نباشد
نویسندگان مطالعه اشاره میکنند که نتایج بهدستآمده از ابزار طیفسنجی انرژی تاریک (Dark Energy Spectroscopic Instrument / DESI) نشانههایی از انحراف از مدل خالص ΛCDM را نشان دادهاند.
به گفته آنان، دادههای DESI سناریوهایی را ترجیح میدهند که در آنها انرژی تاریک کاملاً ثابت نیست، بلکه اندکی پویا یا دینامیکی (Dynamical Dark Energy) رفتار میکند.
نویسندگان مینویسند: «این بحث ادامهدار، نیاز به دیدگاههای تازهای را برجسته میکند که در فیزیکِ کاملاً تثبیتشده ریشه داشته باشند.»
این دیدگاه تازه، به سراغ جهان بسیار کوچک کوارکها و گلوئونها میرود.
کرومودینامیک کوانتومی؛ نظریهای درباره کوارکها و گلوئونها
پژوهش جدید نرخ انبساط جهان را با قلمرو کرومودینامیک کوانتومی (Quantum Chromodynamics / QCD) پیوند میدهد. کرومودینامیک کوانتومی نظریهای است که توضیح میدهد کوارکها (Quarks) و گلوئونها (Gluons) چگونه با هم برهمکنش میکنند و ذراتی مانند پروتونها (Protons) و نوترونها (Neutrons) را میسازند.
یکی از ایدههای کلیدی در QCD، مفهوم حبس کوارک (Quark Confinement) است. این یعنی کوارکها و گلوئونها هرگز بهصورت جداگانه و آزاد در طبیعت دیده نمیشوند؛ بلکه همیشه در کنار هم قرار میگیرند و ذرات ترکیبی مختلفی به نام هادرونها (Hadrons) را شکل میدهند.
نویسندگان مطالعه برای بررسی این موضوع از مدلی در نظریه هستهای به نام مدل پولیاکوف–نامبو–یونا-لاسینیو (Polyakov–Nambu–Jona-Lasinio Model) استفاده کردند. آنها با این مدل، خلأ کوارکی (Quark Vacuum) را به نرخ انبساط جهان مرتبط کردند و دریافتند که اثر کلی این ارتباط، رفتاری شبیه انرژی تاریک ایجاد میکند.
آیا ساختار خلأ QCD میتواند به انرژی تاریک کمک کند؟
نویسندگان توضیح میدهند که کرومودینامیک کوانتومی، یعنی نظریه پیمانهای نیروی هستهای قوی (Gauge Theory of the Strong Nuclear Force)، رفتار مادهای را کنترل میکند که برهمکنش قوی دارد. این نظریه همچنین ساختار خلأ بسیار غنی و پیچیدهای دارد که با پدیدههایی مانند:
- حبس (Confinement)
- شکست خودبهخودی تقارن کایرال (Spontaneous Chiral Symmetry Breaking)
شکل میگیرد.
آنان مینویسند: «انبساط جهان میتواند بر ساختار خلأ QCD اثر بگذارد و احتمالاً سهمهای مؤثری در انرژی تاریک ایجاد کند.»
به بیان سادهتر، شاید چیزی که در مقیاس هستهای باعث پیوند ذرات بنیادی میشود، در مقیاس کیهانی نقشی در دور کردن کهکشانها از یکدیگر داشته باشد.
آزمون نظریه با اجرام کیهانی کمانتقالبهسرخ
پژوهشگران فقط به گمانهزنی نظری بسنده نکردند. آنها چارچوب جدید خود را با دادههای مربوط به اجرام کیهانی با انتقالبهسرخ پایین (Low-Redshift) آزمایش کردند.
این اجرام شامل موارد زیر بودند:
- اختروشها (Quasars)
- کهکشانهای هیدروژن دو یا کهکشانهای اچ-دو (Hydrogen-II Galaxies / H II Galaxies)، که برای مطالعه ساختار جهان مفیدند
- ابرنواخترهای نوع Ia (Type Ia Supernovae)، که بهعنوان شمعهای استاندارد (Standard Candles) برای اندازهگیری فاصلههای کیهانی استفاده میشوند
ابرنواخترهای نوع Ia در کیهانشناسی بسیار مهماند، چون روشنایی ذاتی نسبتاً قابل پیشبینی دارند و به دانشمندان اجازه میدهند فاصلههای بسیار دور در جهان را اندازهگیری کنند.
نتیجه آماری: نمایی به نام d که به صفر نزدیک بود
تیم پژوهشی با استفاده از روشهای آماری بیزی (Bayesian Statistical Methods)، مدل خود را بررسی کرد. آنان در این چارچوب یک توان یا نما را تعریف کردند که آن را d نامیدند.
نتیجه این بود که مقدار این نما به صفر نزدیک شد. این نکته مهم است، زیرا نشان میدهد مدل پیشنهادی آنان میتواند تا حد زیادی رفتار جهان قابل مشاهده را تقلید کند و با دادههای کیهانی موجود سازگار باشد.
البته این به معنای اثبات قطعی نظریه نیست، اما نشان میدهد این ایده ارزش بررسی بیشتر دارد.
این فقط یکی از چندین جایگزین برای ΛCDM است
مدل تازه مبتنی بر QCD تنها یکی از نظریههای جایگزینی است که برای حل مشکلات مدل ΛCDM مطرح شدهاند. دانشمندان هنوز به دادههای بیشتری نیاز دارند تا بفهمند واقعاً چه چیزی پشت شتاب گرفتن انبساط جهان قرار دارد.
در گزارش همچنین به چند موضوع مرتبط از دنیای فیزیک اشاره شده بود؛ از جمله:
- این ایده که فیزیکدانان شاید بتوانند پیامهایی به گذشته بفرستند.
- گزارشی درباره اینکه فیزیکدانان چیزی شبیه «شبحی» در سرن (CERN) یافتهاند.
- همچنین اشارهای رسانهای به ویدئویی از پاپیولار مکانیکس (Popular Mechanics) درباره این پرسش که آیا خواب سرمازیستی (Cryosleep) میتواند سفر فضایی را تغییر دهد یا نه.
این اشارهها نشان میدهند که بحث درباره زمان، انرژی تاریک، جهان کوانتومی و ساختار کیهان بخشی از پرسشهای بزرگ و همچنان بازِ فیزیک معاصر است.
تلسکوپهای آینده شاید پاسخ را بدهند
خوشبختانه ابزارهای تازهای در راهاند که میتوانند دادههای دقیقتری درباره انبساط جهان فراهم کنند. از جمله:
- تلسکوپ اقلیدس (Euclid) متعلق به آژانس فضایی اروپا (European Space Agency / ESA)
- رصدخانه ورا سی. روبین (Vera C. Rubin Observatory)
هر دو برای اندازهگیریهای بسیار دقیق از انبساط کیهان طراحی شدهاند. این رصدخانهها میتوانند کمک کنند مشخص شود آیا ایده مبتنی بر نیروی هستهای قوی واقعاً در مقیاس کیهانی کار میکند یا نه.
در نهایت؛ جهان هر لحظه سریعتر در حال انبساط است و فیزیکدانان هنوز توضیح کاملی برای علت آن ندارند. مدل استاندارد کیهانشناسی، یعنی ΛCDM، بسیار موفق بوده اما با مسئله عظیم ثابت کیهانشناسی روبهروست؛ مسئلهای که در آن پیشبینیهای نظری با مشاهدات واقعی حدود ۱۲۰ مرتبه بزرگی اختلاف دارند.
پژوهش تازهای که در نشریه Universe منتشر شده، پیشنهاد میکند شاید پاسخ این معما در کرومودینامیک کوانتومی و ساختار خلأ مرتبط با نیروی هستهای قوی پنهان باشد؛ همان نیرویی که کوارکها و گلوئونها را به هم پیوند میدهد و پروتونها و نوترونها را میسازد.
اگر این ایده درست باشد، نیرویی که در کوچکترین مقیاسها ماده را کنار هم نگه میدارد، ممکن است در بزرگترین مقیاسها در دور شدن اجزای جهان از یکدیگر نقش داشته باشد. تلسکوپهای تازه مانند اقلیدس و رصدخانه ورا سی. روبین شاید بهزودی نشان دهند آیا این پیوند میان دنیای هستهای و کیهانی واقعی است یا فقط یکی دیگر از مسیرهای جذاب اما ناتمام در جستوجوی راز انرژی تاریک.
