پيکان زمان
مقدمه: متنی كه در زير مي خوانيد، نوشته اي است از گابريل ونزيانو(Gabriele veneziano) فيزيكدان نظري مركز تحقيقات فيزيك ذره اي اروپا(CERN ) كه در اواخر دهه 1960 به عنوان پدر نظريه ريسمان شناخته شد.
نظريه ريسمان بيان مي كند كه انفجار بزرگ سرمنشأ عالم نبوده، بلكه صرفاً پيامد وضعيتي بوده كه مدت ها قبل از آن زمان وجود داشته است.تا حدود 10 سال پيش، اينچنين پرسشي كفرآميز محسوب مي شد. زيرا غالب كيهان شناسان مطرح كردن زماني قبل از انفجار بزرگ را مانند اين مي دانستند كه كسي جايگاه شمال قطب شمال را از شما بپرسد. يونانيان باستان دربارة منشأ زمان مناظرات و مباحثه هاي فراواني ترتيب مي دادند. ارسطو كه از بي آغازي زمان طرفداري مي كرد،استنادش بر اين اصل بود كه از هيچ ،چيزي به وجود نمي آيد. پس اگر عالم در هيچ برحه اي از زمان نتوانسته باشد خود را از نيستي به هستي در آورد، الزاماً مي بايست همواره وجود مي داشته است.
پس به اين دليل و دلايلي ديگر، زمان بايد به طور نامحدود در گذشته و آينده امتداد داشته باشد. امّا دين شناسان مسيحي نظري دگرگونه داشتند.آگوستين استدلالش بر اين بود كه آفريدگار بيرون از فضا و زمان حضور دارد و قادر است كه اين ساختارها را همانطور كه ديگر جنبه اي دنياي ما را خلق می كند، به وجود آورد. دو دليل سبب شد كه كيهان شناسان معاصر نتيجه مشابهي بگيرند. يكي از آنها نسبيت عام و ديگري شواهدي بودند كه از مشاهده انبساط جهان به دست آمدند كه بر طبق آنها دو فيزيكدان نامي يعني استفان هاوكينگ و روجر پنروز در سال 1960 ثابت كردند كه زمان نمي تواند به طور نا محدود رو به گذشته ادامه داشته باشد و اگر در طول زمان رو به عقب برويم، بالاجبار بايد به نقطه تكينگي برسيم. ولي تكينگي گريز ناپذير، كيهان شناسان را در برابر مسائلي جدي قرار مي دهد. خصوصاً با مقادير زياد همگني و يكساني كه جهان ما در مقياس هاي بزرگ دارد، ناهماهنگ است. براي يكسان ديده شدن عالم در تمام نقاط بايد ميان قسمت هاي دور دست فضا گونه اي رابطه وجود داشته باشد به طوري كه ويژگي ها ومشخصات آنها را با يكديگر هماهنگ كند.
امّا فيزيكدانان براي رهايي از اين بن بست به دو راه حل طبيعي ديگر توجه دارند. يكي از آنها اينطور بيان مي كند كه زمان در لحظه ي انفجار بزرگ آغاز نشده و دوره هاي طولاني قبل از آن وجود داشته است. دليل اينكه تا به حال دانشمندان به اندازه كافي به اين فرض توجه نمي كردند، اين بود كه فرض مي كردند نسبيت همواره معتبر است در حالي كه نزديك زمان تكنيكي اثرات كوانتومي غالب هستند. بنابراين براي دانستن آنچه كه واقعاً رخ داده ،فيزيكدانان ناگزيرند تا نسبيت را وارد يك نظريه كوانتومي گرانش كنند. امروزه براي رسيدن به اين مقصود دو نظريه بيشتر مورد توجه قرار دارد. يكي از آنها به نام گرانش كوانتومي حلقوي، اساس نظريه اينشتين را دست نخورده نگه مي دارد ولي روش به كارگيري آن در مكانيك كوانتومي را تغيير مي دهد. ولي نگرش دوم كه به عقيده ي من آينده بهتري خواهد داشت، نظريه ريسمان است. اين نظريه اصلاحي واقعاً انقلابي از تئوري اينشتين است. انديشه ي پايه اي در نظريه ريسمان اين است كه ذرات بنيادي نقطه اي شكل نيستند بلكه اجراي تك بعدي و بي نهايت باريك هستند. اين ساختارها ريسمان ناميده مي شوند. همه ذرات مثل پروتون ها ونوترون ها از ذرات بنيادي به نام كوارك تشكيل شده اند. كوارك ها توسط مبادله ذراتي به نام گلوئون با هم رابطه برقرار مي كنند. گلوئون حامل نيروي قوي هسته اي است و نقش آن چسباندن (glue ) كوارك ها به همديگر است.
دليل اينكه دانشمندان سرانجام به نظريه ريسمان رسيدند، اين است كه آنها متوجه شدند كه ذرات بنيادي شامل تعداد زيادي ذره هستند كه هر كدام ويژگي مخصوص خود را دارند. كه اين به دليل وجود تعداد نامحدود مدل هاي ارتعاشي براي يك ريسمان است. ريسمان ها خواص مهمي دارند كه دانشمندان به آنها لقب جادوي ريسمان كوانتومي مي دهند.
1- اگر قوانين مكانيك كوانتومي را بر ريسمان ها اثر دهيم، خواص جديدي ظاهر مي شوند كه به دانشمندان در تحليل نظريات خود ياري مي رسانند.
2- ريسما ن هاي كوانتومي حتي اگر بدون جرم باشند، اندازه حركت زاويه اي دارند برعكس فيزيك كلاسيك كه هيچ جسم بدون جرمي نمي تواند اندازه حركت داشته باشد. اين خاصيت سبب مي شود كه آنها بتوانند به طور دقيقي ويژگي هاي ناقلاني مثل فوتون و گراويتون را توضيح بدهند.
3- ريسمان هاي كوانتومي خواستار ابعاد اضافي از فضا هستند. براي سازگار بودن معادلات ارتعاشات ريسمان ها دو گزينه پيش روي ما قرار دارد. يعني يا فضا- زمان بايد انحناي شديدي داشته باشد كه با مشاهدات در تضاد است يا اينكه حداقل 6 بعد فضايي اضافي داشته باشيم.
4 - دانشمندان در بعضي از موارد ناچارند ثابت هاي فيزيكي را متغّير در نظر بگيرند. اين ثابت ها در نظريه ريسمان به صورت ميدان پديدار مي شوند( بيشتر شبيه ميدان الكترومغناطيسي) كه مي تواند مقادير آنها را به صورت پويا و فعال تنظيم كند.
سرانجام ريسمان هاي كوانتومي برخي تقارن هاي جديد و جالب را به فيزيكدانان معرفي كردند كه به دوگانگي معروفند.
يكي از آنها به نام دوگانگي T نوعي تغيير شكل است كه در مورد فضاهايي كه حداقل يك بعد توپولوژيكي دايره اي شكل دارند، مصداق دارد و مطابق آن ابعاد اضافي كوچك و بزرگ معادل يكديگر هستند.
منشأ تمام اين دوگانگي ها اين واقعيت است كه ريسمان ها حركات خيلي پيچيده اي دارند. تمامي ويژگي هاي سحرآميز ريسمان هاي كوانتومي يك هدف مشترك دارند: آنها از بي نهايت بيزارند و به هرصورتي كه ممكن است سعي در مهار آن دارند. نظريه پردازان ريسماني توقع دارند كه اگر تاريخچه ي عالم را در طول زمان به عقب بياوريم، انحناي فضا-زمان روبه افزايش نهد ولي به جاي اينكه تمام مسير به سوي بي نهايت را طي كند.( كه طبق نظريه رايج انفجار بزرگ به نقطه تكنيكي برسد). سرانجام به يك نقطه ي ماكزيمم مي رسد و دوباره كاهش پيدا مي كند. براي رسيدن به اين مقصود، نظريه پردازان ريسماني، دست به خطر زده و در مورد جهان پيش از انفجار( يا پيش-مهبانگ) حدس هايي زده اند. دو تاي اين حدس ها گسترش بيشتري پيدا كرده اند. اولين آنها كه من و همكارانم در سال 1991 آغاز به پروراندن و توسعه دادن آن كرديم، الگوي پيش- مهبانگي ناميده مي شود كه دوگانگي Tرا با تقارني كه در وارونگی زماني كشف شده( كه مطابق آن معادلات فيزيكي در طول زمان چه رو به جلو و چه رو به عقب به نحو يكساني عمل مي كنند) تركيب مي كند. در نتيجه اين تركيب سبك جديد و بسيار با ارزشي به وجود مي آيد كه در آن عالم به عنوان نمونه،پنج ثانيه پيش از انفجار بزرگ با همان آهنگ پنج ثانيه پس از آن در حال انبساط بوده است ولي نرخ تغيير انبساط مخالف هم بودند.
در نتيجه به طور خلاصه اين امكان وجود دارد كه انفجار بزرگ نقطه آغازين عالم نبوده بلكه تنها انتقالي شديد و ناگهاني از شتاب افزايش به شتاب كاهنده بوده باشد. مطابق اين سناريو، تصوير عالم پيش- مهبانگ به طور تقريبي آينه تمام نماي جهان پس- مهبانگ بوده است. اگر جهان آنقدر در آينده جاودانه بماند كه محتويات آن بسيار رقيق و سرانجام ناپديد شوند، در آن صورت بايد داراي گذشته اي جاوداني نيز بوده باشد. جهان در گذشته بي نهايت دور،تقريباً خالي بود و فقط شامل گازي رقيق،بسيار پراكنده و آشفته از تابش و ماده بوده است. به دنبال گذشت زمان نيروها قدرتمند تر شدند و به جمع آوري مواد كنار يكديگر پرداختند.به صورت تصادفي بعضي نواحي فضا مواد را حوالي خود گردآوري كردند. سرانجام چگالي آن نواحي چنان افزايش يافت كه منجر به شكل گيري سياهچاله ها شد. سپس ارتباط مواد درون آن نواحي با خارج قطع شد و جهان به نواحي تكه تكه اي تقسيم شد.
درون يك سياهچاله، فضا و زمان نقش هاي خود را با يكديگر عوض مي كنند. مركز يك سياهچاله، نقطه اي از فضا نيست بلكه لحظه اي از زمان است. ماده سقوط كننده داخل سياهچاله، هرچه به سوي مركز آن پيش مي رفت، به چگالي بيشتر و بيشتري دست مي يافت. هنگامي كه چگالي،دما وخميدگي مقدار مجاز در نظريه ريسمان را پشت سر گذاشتند،تغيير وضعيت داده و شروع به كاهش كردند. لحظه ي اين بازگشت همان چيزي است كه ما آن را انفجار بزرگ مي ناميم عالم ما داخل يكي از همين سياهچاله ها تشكيل شد.
در ديد اوليّه امكان دارد اين ايده ها همانند اصولي در ماوراي فيزيك به نظر برسند ايده هايي جالب كه تعيين صحّت يا نادرستي آنها از عهده راصدان خارج است. اين طرز فكري بسيار بدبينانه است. همانند اجزاء دوره انبساط، يك دوران بيش- مهبانگي احتمالي نيز مي تواند پيامد هاي قابل مشاهده اي به خصوص براي تغييرات جزئي يافت شده در دماي پس زمينه مايكروويو كيهاني داشته باشد. امواج گرانشي با هر اندازه اي، نشانه مجزاي مربوط به خود را در قطبي كردن زمينه مايكروويو بر جاي مي گذارند. رصد گر هاي آينده، نظير ماهواره پلانك آژانس فضايي اروپا بايد قادر باشند كه اين نشانه را در صورت وجود مشاهده كنند.در آن صورت ما مي توانيم ادعا كنيم كه آزمون سرنوشت سازي را پشت سر گذاشته ايم. با همه اين گفته ها، زمان چه هنگامي آغاز شده است؟ دانش هنوز نمي تواند با قاطعيت به اين پرسش پاسخ دهد. امّا لااقل دو نظريه كه قابل آزمايش هستند، ظاهراً بيان مي كنند كه عالم و در نتيجه زمان ،مدت ها پيش از انفجار بزرگ وجود داشته اند. هر کدام از اين مدل ها اگر درست باشند، عالم هميشه برپا بوده است و حتی اگر روزی دوباره متلاشی شود هرگز به پايان راه خود نخواهد رسيد.
جواد عزيزی
منبع: Scientific American May 2004
