به بخش مقالات انجمن فیزیک خوش آمدید
یکی از مهمترین
سوالاتی که نه تنها بین فیزیکدانان، بلکه میان عوام و از گذشتههای دور مطرح بوده،
چگونگی تولد و پیدایش چهان است که سرنخهای جالبی بهدست آمده است.
پیشنهاد بدون مرز
یکی از این سرنخهاست که معتقد است "جهان بدون هیچ شرایط مرزی
اولیهای از هیچ کوانتومی (میدان هیگز پایهای) بهوجود آمده است"
توضیح این پیشنهاد
به کمک انتگرالهای مسیر (integral_formulation
)ریچارد فینمن در سال ۱۹۴۸
فرمول بندی انتگرال مسیر مکانیک کوانتومی را بیان میکند) ممکن گردید، اما سروکلهی
ناپایداریها پیدا شد. اکنون دانشمندان موفق شدهاند با روش جالبی این ناپایداریها
را هم از میان بردارند.
یک ایده برای
چگونگی شروع جهان این است که شاید جهان ناشی از برخی اثرات کوانتومی مانند تونلزنی
کوانتومی از هیچ ظاهر شده باشد. استیونهاوکینگ و جیمزهارتل در دهه ۱۹۸۰، به شرح بیشتر این ایده با این پیشنهاد
پرداختند که پیش از آغاز جهان، زمان وجود نداشته که منجر به این نتیجه میشود که
جهان هیچ شرایط مرزی اولیهای، نه در زمان و نه در فضا ندارد.
این ایده را پیشنهاد
بدون مرز هاوکینگ (no-boundaryproposal)یا حالت هاوکینگ-هارتل (Hawking-Hartle state) مینامند.
با اینحال،
توصیف اینکه یک سیستم فیزیکی دقیقا چگونه میتواند از اندازه صفر به یک اندازه
محدود انتقال یابد، چالشبرانگیز بوده است. فیزیکدانان برای توصیف این اثرات
کوانتومی، از فرمول انتگرال مسیر استفاده میکنند که در حقیقت یک مسیر کلاسیکی را
بهصورت یک انتگرال روی بسیاری از مسیرهای ممکن بازنویسی میکند و منجر به یک
دامنه کوانتومی میشود.
گرچه فرمول
انتگرال مسیر در توصیف چگونگی ظاهر شدن چیزی از هیچ موفق است، اما یک مشکل عمده
آن، این است که اختلالات ناپایداری را پیشبینی میکند که ثابت میکنند جهان به
شدت غیر همگن (non-homogenous) و غیر
همسانگرد (non-isotropic) است. جهان آنگونه
که با اصل کیهان شناختی (Cosmological_principle
)بیان میشود، تقریبا همگن و همسانگرد (به معنی آنکه جهان در فضا، از
همه جهات، یکسان بهنظر میرسد) است، اما فرمول انتگرال مسیر، جهان مشاهده شده را
بهطور دقیق توصیف نمیکند. این امر برخی دانشمندان را به این نتیجه رسانده که پیشنهاد
بدون مرز نمیتواند توضیح دقیقی از منشا جهان ارائه دهد.
اکنون در
مقالهای جدید (
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.201302 )،
فیزیکدانان موسسه فیزیک گرانشی ماکس پلانک (موسسه آلبرت اینشتین) نشان دادند که میتوان
از فرمول انتگرال مسیر به گونهای استفاده کرد که با وجود داشتن تعریف سازگاری از
پیشنهاد بدون مرز، ناپایداریها ظاهر نشوند.
یکی از این فیزیکدانان
میگوید:
من فکر میکنم
مهمترین نکته این است که تعریف جدید ما، ظهور جهان را از غیاب کامل فضا و زمان
توصیف نمیکند. در عوض، این شرایط جدید ریاضی که باید برای جلوگیری از ناپایداریها
در نظر میگرفتیم، میتواند اینگونه تفسیر شود که نوسانات فضا و زمانی قبلا وجود
داشته است. در واقع این همان چیزی است که از نظریه کوانتومی انتظار میرود،
همانطور که اصل عدم قطعیت کوانتومی برداشت میکنیم که همواره باید نوسانات احتمالی،
حتی از فضا و زمان وجود داشته باشد.
پیشنهاد جدید،
ترکیبی از چندین ایده است که قبلا برای غلبه بر مشکل عدم پایداریها ارائه شده
بود. اساسا کار آنها، هندسه فضایی را که انتگرال مسیر روی آن تعریف شده، تغییر میدهد.
انتگرال مسیرکه حالت این جهان را در یک زمان مشخص نشان میدهد، در مسیر خود از
نقاط بحرانی خاصی به نام نقاط زینی شکل که مطابق با حالات هاوکینگ-هارتل هستند،
عبور میکند.
اما بیشتر این
نقاط زینی شکل ناپایدار هستند. یکی از مهمترین تغییراتی که فیزیکدانان در مقاله جدید
اعمال کردند، اصلاح شرایط مرزی در هندسه کلی است تا نقاط زینی شکلِ ناپایدارِ مسیر
را با استفاده از انتگرال مسیر حذف کنند. در این هندسه جدید، انتگرال مسیر فقط از یک
نقطهی زینی شکل که پایدار است عبور میکند؛ بنابراین مشکلی که حاصل ناپایداری
است، به وجود نمیآید. در این نقطه زینی شکل پایدار، یک حالت هاوکینگ-هارتل وجود
دارد که پیشنهاد بدون مرز را برآورده میکند.
با ثابت کردن یک
روش پایدار برای فرموله کردن این پیشنهاد، نتایج بدست آمده میتوانند منجر به
بازاندیشی در مورد این ایده به عنوان توضیحی برای منشأ جهان شوند. با این حال،
سوالات زیادی باقی میماند.
محققان میگویند:
ما در آینده
قصد داریم ببینیم وقتی این تعریف جدید با جنبههایی از نظریه ریسمان که پیشرفتهترین
تلاش بشر برای یک نظریه کامل گرانش کوانتومی (
https://en.wikipedia.org/wiki/Holography ) است، آمیخته میشود،
چقدر پایدار باقی میماند. همچنین قصد داریم بررسی کنیم آیا ممکن است تعاریف پایدار
دیگری برای پیشنهاد بدون مرز وجود داشته باشد یا پیشنهاد جدید ما به نوعی منحصر به
فرد است. سوال بزرگی که باقی میماند این است: آیا میتوانیم تمام نتایج قابل
تست/قابل مشاهده را استنباط کنیم؟