دانشمندی شتاب جهان را با عدم قطعیت کوانتومی توضیح می‌دهد

به گزارش مجله خبری نگار، انرژی تاریک، که گمان می‌رود مسئول انبساط شتاب‌دار جهان باشد، ممکن است تجلی خواص کوانتومی خود فضا باشد. ساواس کوشیاپاس، فیزیکدان دانشگاه براون، مدلی را پیشنهاد کرده است که شتاب کیهانی و گرانش کوانتومی را بدون معرفی ذرات جدید یا میدان‌های ناشناخته ترکیب می‌کند. این مطلب در تاریخ ۲۰ آگوست در پورتال علمی Phys گزارش شده است.

چرا انرژی تاریک همچنان یک راز باقی مانده است؟

مکانیک کوانتومی فرآیند‌ها را در سطح اتم‌ها و ذرات بنیادی توصیف می‌کند، در حالی که نسبیت عام، گرانش و ساختار جهان را در بزرگترین مقیاس‌ها توضیح می‌دهد. هر دو نظریه بار‌ها به صورت تجربی آزمایش شده‌اند، اما فیزیکدانان هنوز نتوانسته‌اند آنها را در یک سیستم واحد و سازگار متحد کنند.

این مشکل به ویژه در شرایطی که اثرات کوانتومی و گرانش قوی باید همزمان عمل کنند، مثلاً در نزدیکی مرکز یک سیاه‌چاله یا در مراحل اولیه جهان، قابل توجه می‌شود. آزمایش‌های مستقیم تحت چنین شرایطی برای محققان مدرن غیرممکن است.

ماهیت انرژی تاریک نیز به همان اندازه پیچیده است. مشاهدات ابرنواخترها، توزیع کهکشان‌ها و ساختار بزرگ‌مقیاس کیهان نشان می‌دهد که انبساط جهان در حال شتاب گرفتن است. در مدل استاندارد کیهان‌شناسی (ΛCDM)، این اثر با یک ثابت کیهان‌شناسی توصیف می‌شود، اما منشأ آن ناشناخته مانده است.

علاوه بر این، تخمین‌های نظری از انرژی خلاء و مقدار مشاهده‌شده ثابت کیهان‌شناسی می‌تواند تقریباً ۱۲۲ مرتبه بزرگی متفاوت باشد. این اختلاف به عنوان مسئله ثابت کیهان‌شناسی شناخته می‌شود و یکی از جدی‌ترین مسائل حل‌نشده در فیزیک مدرن محسوب می‌شود.

در مطالعه‌ای که در ۱۳ آگوست منتشر شد، کوشیاپاس پیشنهاد داد که اصل عدم قطعیت کوانتومی به کل جهان تعمیم داده شود. طبق فرضیه او، اندازه جهان و سرعت انبساط آن را نمی‌توان همزمان با دقت دلخواه تعیین کرد.

در کیهان‌شناسی، اندازه یک جهان در حال انبساط همگن با استفاده از ضریب مقیاس توصیف می‌شود. این ضریب نشان می‌دهد که فاصله بین اجرام دوردست در مقایسه با یک نقطه زمانی مشخص چقدر تغییر کرده است. نرخ تغییر ضریب مقیاس، به نوبه خود، با نرخ انبساط کیهانی مرتبط است.

کوسیاپاس یک رابطه‌ی جابه‌جایی اصلاح‌شده بین ضریب مقیاس و نرخ تغییر آن معرفی کرد. به عبارت ساده، این دانشمند پیشنهاد داد که هندسه‌ی جهان ممکن است از نسخه‌ی خاص خود از اصل عدم قطعیت پیروی کند، متفاوت از روابطی که برای یک ذره‌ی معمولی اعمال می‌شود.

این تغییر منجر به یک اصلاح هندسی اضافی در معادله فریدمن می‌شود که انبساط جهان را توصیف می‌کند. این اصلاح نه به مقدار ماده یا تابش، بلکه به ضریب مقیاس بستگی دارد. بنابراین، به هندسه خود فضا مربوط می‌شود، نه به محتویات مادی آن.

این تفاوت اصلی این مدل با بسیاری از توضیحات دیگر در مورد انرژی تاریک است. این مدل نیازی به وجود ذرات هنوز کشف نشده، میدان‌های اسکالر یا هر شکل عجیب و غریب دیگری از ماده ندارد؛ بنابراین شتاب کیهانی مشاهده شده می‌تواند ردپایی ماکروسکوپی از خواص کوانتومی فضا باشد.

برای یک مقدار به اندازه کافی منفی برای پارامتر n، مدل به یک سناریوی کاملاً متفاوت منجر می‌شود. اگر n کمتر از -۲ باشد، تصحیح هندسی کوانتومی با کاهش ضریب مقیاس به سرعت افزایش می‌یابد و از فروپاشی جهان به نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت جلوگیری می‌کند.

به جای یک تکینگی اولیه، یک بازگشت کیهانی رخ می‌دهد. طبق این سناریو، قبل از انبساط، جهان می‌توانسته مرحله‌ای از انقباض را طی کرده و سپس، با رسیدن به حداقل اندازه، شروع به انبساط کند.

این مدل به ما اجازه می‌دهد تا از نظر ریاضی از نقطه‌ای که در آن چگالی، دما و انحنای فضا بی‌نهایت می‌شود و قوانین فیزیکی شناخته‌شده دیگر قابل اجرا نیستند، اجتناب کنیم. با این حال، این یک نتیجه نظری است، نه مدرکی دال بر اینکه جهان واقعی واقعاً پس از جهش پدید آمده است.

علاوه بر این، رژیمی که قادر به توصیف انرژی تاریک متاخر است و رژیمی که تکینگی بیگ بنگ را حذف می‌کند، متناظر با مقادیر پارامتر متفاوتی هستند. در نسخه حداقلی مدل، مجموعه پارامتر‌های یکسان نمی‌توانند همزمان انرژی تاریک مشاهده‌شده، جهش کیهانی پلانک و تکامل طبیعی جهان اولیه را ارائه دهند. خود نویسنده مستقیماً این شرایط را به محدودیت‌های فرضیه نسبت می‌دهد.

چرا اثرات کوانتومی می‌توانند در فواصل زیاد رخ دهند؟

عموماً فرض بر این است که گرانش کوانتومی فقط باید در مقیاس‌های پلانک - در فواصل بسیار کوچک و انرژی‌های بالا - قابل توجه باشد. بنابراین، اثرات آن اغلب با اولین لحظات پس از انفجار بزرگ یا فضای داخلی سیاهچاله‌ها مرتبط است.

کوشیاپاس تفسیر متفاوتی ارائه می‌دهد. در مدل او، مقیاس مشخصه تصحیح گرانشی کوانتومی را می‌توان با افق کیهان‌شناسی تعیین کرد - حداکثر ناحیه‌ای از فضا که یک سیگنال، در اصل، می‌تواند از آن به یک ناظر برسد.

دانشمندان تأثیر امواج گرانشی را بر مطالعه کیهان کشف کرده‌اند.

در این حالت، گرانش کوانتومی لزوماً هنگام حرکت از دنیای میکروسکوپی به فواصل کیهانی به طور کامل ناپدید نمی‌شود. خواص آن ممکن است مستقیماً در نحوه تغییر سرعت انبساط کل جهان آشکار شود. نویسنده این منطق را با دمای هاوکینگ سیاهچاله‌ها مقایسه می‌کند. این دما با اندازه افق یک جسم خاص تعیین می‌شود و همیشه در سطح پلانک ثابت نیست. به طور مشابه، پارامتر‌های هندسه کوانتومی جهان نیز ممکن است به اندازه افق آن مربوط باشند.

این توضیح همچنان یک تفسیر است، نه استنتاجی از یک نظریه بنیادی کامل. نه گرانش کوانتومی حلقه‌ای، نه نظریه ریسمان و نه سایر رویکرد‌های موجود هنوز به ما اجازه نمی‌دهند رابطه‌ای را که توسط کوسیاپاس ارائه شده است، به طور دقیق استخراج کنیم.

چه سوالاتی همچنان بی‌پاسخ مانده‌اند؟

مدل پیشنهادی مشکل ثابت کیهانی را به طور کامل حل نمی‌کند. در برخی از انواع، هنوز هم نیاز به تنظیم پارامتر بسیار دقیقی دارد تا اطمینان حاصل شود که مقدار حاصل با شتاب مشاهده شده جهان مطابقت دارد.

همچنین اختلاف موجود بین روش‌های مختلف برای اندازه‌گیری ثابت هابل را توضیح نمی‌دهد. در سناریوی مورد بررسی، اصلاح حتی سرعت انبساط محاسبه‌شده را کمی کاهش می‌دهد - تقریباً ۱.۵٪ برای یکی از مجموعه پارامتر‌های انتخاب‌شده. این در جهت مخالف مقداری است که از مشاهدات ابرنواختر‌های مجاور به دست آمده است.

علاوه بر این، پایداری جهش کیهانی نسبت به اختلالات ماده و هندسه هنوز اثبات نشده است. منشأ میکروسکوپی رابطه عدم قطعیت پیشنهادی نیز مشخص نشده است. یک فرمول‌بندی کاملاً ثابت برای مدل پیمانه‌ای نیز باید توسعه یابد.

بنابراین، این مطالعه ثابت نمی‌کند که انرژی تاریک و گرانش کوانتومی منشأ مشترکی دارند. بلکه یک فرضیه ریاضی قطعی و بالقوه قابل آزمایش ارائه می‌دهد که در آن انبساط شتابدار ممکن است در نتیجه ساختار کوانتومی فضا رخ دهد.