اساسا چرا طبیعت از قوانین تبعیت میکند؟ایتان سیگل/ ترجمه: مریم درودیان
فارغ از اینکه چه سیستم فیزیکیای را در نظر میگیریم، طبیعت همیشه از قوانین اساسی یکسانی پیروی میکند. آیا باید اینطور باشد؟ و اگر چنین است، چرا؟
شکل۱- در الکترودینامیک کوانتومی، نمودارهای حلقهی مرتبهی بالاتر بهتدریج اثرات کوچکتر و کوچکتری دارند. با این حال، با افزایش انرژی این فرایندهای مراتب بالاتر مهمتر میشوند و بنابراین مقدار ثابت ساختار ریز، متناسب با انرژی افزایش مییابد. اجرای ثابتهای مشاهدهشده مورد انتظار است اما اگر این مقادیر با پیشبینیها متفاوت باشند، میتواند نشان دهد که ممکن است ثابتهای بنیادی زیربنایی این اجرا، ثابتهای واقعی نباشند.
در سراسر جهان، به هر کجا که نگاه میکنیم، تنوع بیپایانی از ساختارها را میبینیم که در تمام مراحل گوناگون تکامل کیهانی شکل گرفتهاند. گرچه، با وجود شمار بسیار زیاد سیارات، ستارهها، کهکشانها، خوشههای کهکشانی و اجزای شبکهی بزرگ کیهانی، هیچ دو جسمی را نمییابیم که کاملا یکسان باشند. با این حال، قوانین اساسیای که این اجرام از آنها پیروی میکنند -از سطوح کوانتومی تا کیهانی- هرگز تغییر نمیکنند. در سرتاسر کیهان، گرانش یکسان عمل میکند، اتمها انتقالهای کوانتومی یکسانی را نشان میدهند و ثابتهای اساسی همگی در طول زمان و مکان بدون تغییر باقی میمانند.
اما چرا اینطور است؟ آیا چیزی وجود دارد که آنها را از متفاوتبودن منع کند؟ این پرسش بسیاری است که میخواهند بدانند:
«چرا طبیعت از قوانین تبعیت میکند؟ این مفهومی نسبتا جدید است؛ زیرا اغلب پدیدههایی که برای اجداد ما قابلمشاهده بود، پدیدههای بزرگمقیاسی مانند رعدوبرق، زلزله، آتشفشان بودند که کاملا از روی هوا و هوس بودند؛ هوا و هوس خدایان. اکنون میدانیم همهی پدیدههای فیزیکی، بدون استثنا، از تعداد انگشتشماری معادلات ساده پیروی میکنند. این موضوع بسیار شگفتانگیز است اما چرا؟»
گرچه فیزیک در پاسخ به پرسشهای مرتبط با «چهگونگی» مسایل بسیار خوب عمل میکند، در پاسخگویی به پرسشهای مرتبط با هدف، مانند «چرایی» چیزها عملکرد بدی دارد. در اینجا بهترین توضیحاتی که میتوانیم دربارهی آن بیان کنیم، آورده شده است.
شکل۲- میان خلأ فضا، همهی نورها، صرفنظر از طول موج یا انرژی، با سرعت یکسانی حرکت میکنند: سرعت نور در خلأ. هنگامی که نوری را از ستارهای دور مشاهده میکنیم، در واقع پرتویی را مشاهده میکنیم که پیشتر سفر خود را از منبع به سمت ناظر تکمیل کرده است.
از بسیاری جهات، این موضوع قابلتوجهترین واقعیت دربارهی کیهان است: اینکه اجزا، قوانین و ثابتهای طبیعت، در سطحی بنیادین در طول مکان و زمان تغییر نمیکنند. البته، ساختارهایی که آنها پیوندشان را به یکدیگر شکل میدهند، تغییر میکنند. همچنین، شرایطی که تحت آن وجود دارند و با یکدیگر تعامل دارند نیز تغییر میکند. پدیدههای گوناگونی که از تعامل آنها با یکددیگر شکل می گیرند هم تغییر میکنند. در واقع، سیستمهای پیچیدهای که به وجود میآیند به اندازهای آشوبناک هستند که در تمام کیهان هیچ دو موردی با یکدیگر کاملا یکسان نیستند.
با این حال، اساسا اجزای اساسی (ذرات/کوانتومها)، قوانینی که آنها تبعیت میکنند (برهمکنشهای میان آنها) و ثابتهایی که بر روابط آنها حاکم است («مقدار» هر خاصیتی که بررسی میکنیم) همگی ثابت هستند.
اگر اینطور نبود، واقعیتی که ما میشناسیم غیرممکن میشد. این موضوع که واقعیت، لحظهبهلحظه و مکانبهمکان سازگار است، تنها چیزی است که جهان را قادر میسازد به هر شکل معناداری قابلدرک باشد. برای نشاندادن این موضوع، بیایید ببینیم بهطورکلی اگر هر یک از این سه موجودیت، یعنی اجزا، قوانین یا ثابتها معین نباشند چه اتفاقی رخ خواهد داد.
شکل۳- سمت راست، بوزونهای پیمانهای که واسطهی سه نیروی کوانتومی اساسی جهان ما هستند، نشان داده شدهاند. تنها یک فوتونِ واسطه برای نیروی الکترومغناطیسی وجود دارد، سه بوزون واسطهی نیروی ضعیف و هشت بوزون واسطهی نیروی قوی هستند. این پدیده نشان میدهد مدل استاندارد ترکیبی از سه گروه است: U(1)، SU(2)، و SU(3)، که برهمکنشها و ذرات آنها با هم ترکیب میشوند تا هر چیزی را که در هستی شناخته شده است، بسازند. با افزودن گرانش به این ترکیب، در مجموع بیستوشش ثابت اساسی برای توضیح جهان ما وجود دارد، البته همراه با چهار پرسش بزرگ که هنوز در انتظار یافتن پاسخ هستند.
اگر محتوای ذرات کیهان ثابت نبود، چه میشد؟
تصور کنید هر یک از ذراتی که ما امروزه داریم و میشناسیم، از جمله هر ذرهای که در مدل استاندارد تعریف شده است، ثابت نباشد. این بدان معنا نیست که «تصور کنید یکی از این ذرات ناپایدار باشد» بلکه باید «تصور کنید یکی از این ذرات وجود نداشته باشد یا هیچ ذرهی جدیدی جایگزین آن نشده باشد یا یک یا چند ذرهی جدید که در حال حاضر وجود ندارند، به جای آن به وجود آمده باشند».
در این صورت نتیجه چه خواهد بود؟
پاسخ -چه آن را دوست داشته باشیم و چه دوست نداشته باشیم- این است که هرچیزی که در جهان وجود دارد، آنطور که ما میشناسیم، دیگر وجود نمیداشت و با چیز جدیدی جایگزین میشد.
اگر یکی از کوارکها از بین برود، حتی کوارک بالا که گریزان است و طول عمر بسیار کوتاهی دارد، آنگاه پروتونها و نوترونها خواص اساسی متفاوتی خواهند داشت. دلیل این موضوع، ظریف اما بهراحتی قابلدرک است. درون هر هادرون مقید -ذرات مرکب از کوارک- دریایی از ذرات زیراتمی زندگی میکنند. ذراتی مانند پروتونها و نوترونها از سه کوارک (بنیادین) تشکیل شدهاند که گلوئونها همگی آنها را به هم متصل کردهاند؛ هر چند درون هر یک از این هادرونها یک «دریای» ذره-پادذره وجود دارد. این دریا از تمام کوارکها و پادکوارکهایی تشکیل شده است که به وجود میآیند و نابود میشوند؛ دقیقا چه چیزی به این ذرات ویژگیهایی را میدهد که واجد آن هستند؟
شکل۴- هر پروتون تنها سه کوارک و گلوئون نیست بلکه دریایی از ذرات و پادذرات متراکم درون آن است. هرچه به یک پروتون دقیقتر نگاه کنیم و سطح انرژیهایی را که آزمایشهای پراکندگی غیرکشسانی را طی آنها انجام میدهیم، بیشتر کنیم، زیرساخت بیشتری درون پروتون پیدا میکنیم. به نظر میرسد محدودیتی برای چگالی ذرات داخل آن وجود ندارد اما اینکه آیا یک پروتون به شکل بنیادی پایدار است یا نه، پرسشی بیپاسخ است.
اگر هر یک از این کوارکها یا هر چیزی که برای تشکیل آن ماده با آنها جفت میشود، وجود خود را متوقف کند یا با چیز دیگری جایگزین شود، ویژگیهای اساسی مرتبط با هر یک از این ذرات ترکیبی دیگر همانند قبل باقی نمیماند.
در چنین شرایطی جرم این ذرات و گشتاورهای مغناطیسی آنها تغییر میکند، ساختار هستههای محدودی که تشکیل میدهند تغییر میکند و در نتیجه خواص تکتک اتمها و چهگونگی اتصال آنها به یکدیگر بهطور بنیادین دستخوش تحول میشود. اگر این اتفاق در هر نقطهای از کیهان رخ داده بود، ما میتوانستیم آن را تشخیص دهیم. ساختارهای محدودی که سراسر جهان، از جمله اتمهای منفرد، را دربرگرفتهاند، موارد زیر را نشان نمیدهند:
– سطوح انرژی کوانتومی یکسان
– خطوط نشری وجذبی یکسان
– انتقالهای ساختار ریزمقیاس و ساختار فوقریزمقیاس یکسان
– پیوندهای مولکولی یکسان
و این دقیقا همان چیزی است که ما نمیبینیم. به هر طرف نگاه میکنیم، طیف اتمها و مولکولها در چهارچوب سکون خودشان، در بستر مکان و زمان یکسان هستند. چرخش اسپینی هیدروژن همواره یکسان است. با رجوع به نخستین سیگنالهای کیهان و در تمام جهات و مکانهایی که میتوانیم مشاهده کنیم، نمیتوانیم هیچ شواهدی را که نشاندهندهی تغییر این نوع چرخش باشد، بیابیم.
شکل۵- انتقال اتمی از اوربیتال 6S در اتم سزیم۱۳۳. دلتاf1 انتقالی است که یکاهای متر، ثانیه و سرعت نور را مشخص میکند. تغییرات جزیی در فرکانس مشاهدهشدهی این نور بر اساس حرکت و ویژگیهای انحنای فضایی میان دو مکان رخ میدهد. فعلوانفعالات مدار چرخش و همچنین قوانین کوانتومی گوناگون و استفاده از میدان مغناطیسی خارجی، میتوانند باعث ایجاد شکاف اضافی در فواصل باریک در این سطوح انرژی شوند: اینها نمونههایی از ساختار ریز و ساختار فوقریز هستند.
اگر برهمکنش میان ذرات ثابت نبود، چه میشد؟
ما اینجا در جهان مدرن خود، چهار نیروی اساسی داریم: گرانش، الکترومغناطیس، نیروهای هستهای قوی و نیروهای هستهای ضعیف. اگر هر یک از این نیروها ثابت نبود، بهراحتی میتوان تصور کرد کیهان تا چه حد نابسامان و خارج از کنترل میشد.
اگر نیروی گرانش ثابت نبود، هیچ راهی برای پیشبینی قابلاعتماد حرکت اجسام روی زمین، مدار اجرام آسمانی در منظومهی شمسی، مسیر پرواز هواپیماها، موشکها و کاوشگرهای فضایی یا ویژگیهای کیهانی مانند عدسی گرانشی یا انبساط کیهان وجود نداشت.
اگر نیروی الکترومغناطیسی ثابت نبود، همه چیز در مقیاس اتمی نابود میشد. الکترونهایی که در مدار اطراف هستههای اتمی میچرخند، شاهد تغییر اوربیتالها و سطوح انرژی خود خواهند بود و خواص پیوندی الکترونها در اتمهای گوناگون، در معرض دسترسی کلی واقع میشد. به عبارت دیگر، اگر نیروی الکترومغناطیسی تغییر کند، هر مولکولی در جهان خواص خود را بهشکلی اساسی تغییر خواهد داد. اگر این اتفاق جایی بیفتد که موجوداتی مانند انسان در آن وجود داشته باشد، ما بلافاصله وارد پیکربندیای ناپایدار میشویم. اگر چنین پدیدهای روی زمین رخ میداد، حیات بلافاصله به پایان میرسید.
شکل۶- مدل سنتی یک اتم که اکنون بیش از صد سال قدمت دارد، هستهای با بار مثبت است که الکترونهایی با بار منفی به گرد آن میچرخند. گرچه این تصویر از مدل منسوخ بور اقتباس شده است، میتوانیم با در نظر گرفتن عدم قطعیت کوانتومی بهسادگی به مدل بهتری برسیم.
اگر نیروهای هستهای قوی یا ضعیف تغییر کنند، عواقب آنقدر فاجعه بار خواهد بود که ما دیگر زنده نخواهیم بود که بدانیم چه پدیدههایی رخ دادهاند. بسیاری از هستههای اتمی که اکنون پایدار هستند، دچار واپاشی میشوند و به پیکربندی پایدارتر تغییر میکنند و در این فرایند باعث آزادشدن مقادیر عظیم انرژی میشوند. اتمهای مقید همگی یونیزه میشوند و شاید از قضا یک «جهان پلاسمایی» در هر کجا که این انتقال اتفاق میافتد، ایجاد کنند.
ممکن است بپرسید زمانی که نیروهای الکترومغناطیسی و هستهای ضعیف در قالب نیروی الکتروضعیف وحدت یافتند، چه تاثیراتی بر کیهان داشتهاند. پرسش خوبی است! معلوم شده است حالتهای مقیدی که امروزه میشناسیم و بیشتر ما به دلیل فراهم آوردن امکان ایجاد هادرون، هستههای اتمی، اتمها، مولکولها و موارد دیگر دوستشان داریم، در طول وحدتیافتگی الکتروضعیف امکانپذیر نبودهاند. ذرات (شاید به استثنای نوترینوها) هنوز جرم سکون نداشتند زیرا تقارن هیگز[۱] بازیابی شده بود. انرژی جنبشی ذاتی هر ذره در شرایط گرم، متراکم و پرانرژی موجود در این دورهها -هم در مهبانگ و هم در برخورددهندههای ذرات- باید کاهش یابد تا این تقارن دوباره «شکسته شود» و چنین حالتهای مقیدی وجود داشته باشند. هر چیزی که امروزه با آن تعامل داریم، تنها به دلیل شکل کنونی مدل استاندارد است که میتواند به وجود بیاید.
شکل۷- تغییرات در ثابت ساختار ریز در طیف گستردهای از سیستمهای اختروش، مرتبشده بر اساس انتقال به سرخ.
اگر خود ثابتهای بنیادی ثابت نبودند، چه میشد؟
این موضوع اهمیت زیادی دارد و بسیاری از دانشمندان سناریوهای گوناگونی را در خصوص آن بررسی میکنند تا دریابند چهگونه ممکن است ثابتهای اساسی در واقع ثابت نباشند. با این حال، نکتهی مهمی وجود دارد: هر زمان تلاش میکنید ثابتی را تغییر دهید، مثلا جرم یک ذره، قدرت جفتشدگی در هر تعامل، سرعت نور، ثابت پلانک، ثابت گرانش یا میزان انرژی خلأ کوانتومی (انرژی نقطهی صفر عالم)، باید مطمئن شوید طرح پیشنهادی شما با مشاهدات، اندازهگیریها و نتایج تجربیای که از پیش در دست داریم، در تضاد نیست. انتقال کوانتومی با انرژی، طول موج و فرکانس خاص در سراسر کیهان و در تمام تاریخ کیهانی ما همواره اتفاق افتاده است. ساعتهای اتمی تغییرات محدودی در «تیکتاک» خود دارند. این ساعتها چیزی حدود یک قسمت در یک کوینتیلیون (۱۰۱۸) تغییرات دارند. پایداری مداری بلندمدت منظومهی شمسی در چهارونیم میلیارد سال گذشته، نسبت به سایر عوامل، در محدودسازی فوقالعاده زیادِ تغییرات گرانشی به کافی بوده.
شکل۸- اجرای سه ثابت جفتشدهی اصلی (الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای ضعیف و نیروی هسته ای قوی) با انرژی، در مدل استاندارد (سمت چپ) و با مجموعهی جدیدی از ذرات ابَرمتقارن (راست) گنجانده شده است. این واقعیت که این سه خط تقریبا به هم میرسند، پیشنهادی است که نشان میدهد اگر ذرات یا برهمکنشهای جدیدی فراتر از مدل استاندارد یافت شوند، ممکن است خطوط به یکدیگر برسند اما عملکرد این ثابتها کاملا مطابق با انتظارات مدل استاندارد است. نکتهی مهم این است که خطوط متقاطع به عنوان تابعی از انرژی تغییر میکنند و نشان میدهند جهان اولیه انرژی بسیار بالایی داشته است، بهگونهای که از زمان مهبانگ تاکنون هرگز تکرار نشده است.
اما نوعی تغییر وجود دارد که واقعا اتفاق میافتد: قدرت برهمکنش سه نیروی اساسی – الکترومغناطیس و نیروهای هستهای قوی و ضعیف – به مقیاس انرژی که برهمکنش در آن رخ میدهد، بستگی دارد. برای مثال، ثابت ساختار ریز که قدرت برهمکنش الکترومغناطیسی را تعیین میکند، کسری است که امروز در جهان کمانرژی ما حدود یک-صدوسیوهفتم است. گرچه در شرایطی که هنگام آزمایش با برخورددهندههای ذرات با انرژی بسیار بالا به دست میآید، این برهمکنش قویتر است و این عدد حدود یک-صدوبیستوهشتم خواهد بود. این موضوع از منظر نظریهی میدان کوانتومی درک شده و از سوی آن الزامی شده است اما شهودی نیست؛ زیرا صرفا نتیجهی این واقعیت است که «مسیرهای جدید» برای تعاملات در انرژیهای بالا محتملتر میشوند.
با این حال، چیزی که میتوانیم نسبتا دربارهی آن مطمئن باشیم، این است که انرژی نقطهی صفر کیهان، دستکم درون مخروط نور ما، از زمان شروع مهبانگ تغییر نکرده است. چنین تغییری فاجعهبارترین سناریو خواهد بود؛ زیرا خلأ کوانتومی باید به حالت کمانرژی «تونل» کند. انجام این کار، اساسا تمام ثابتها و فعلوانفعالات را در جهان ما تغییر میدهد و تمام ذرات ترکیبی در جهان را بهطور کامل نابود میکند. این تغییر هر جا که رخ دهد، «حباب تخریب» تولید میکند که با سرعت نور به بیرون منتشر میشود و هر چیزی را که هنگام سبقتگرفتن با آن مواجه میشود، نابود میکند. خوشبختانه ما این اتفاق را شناسایی نکردهایم و ادامهی وجود ما در این جهان ممکن است.
شکل۹- این تصویر سادهشده نشان میدهد چهگونه نور انتقال به سرخ مییابد و چهگونه فواصل میان اجسام نامحدود در طول زمان، در جهان در حال گسترش، تغییر میکنند. توجه داشته باشید اجرام نزدیکتر از زمان حرکت نور میان آنها هستند، نور به دلیل انبساط فضا به سمت سرخ طیف منتقل میشود و دو کهکشان بسیار دورتر از مسیر حرکت نوری که میان آنها فوتون مبادله میکند از هم دور میشوند. جهانِ در حال انبساط نسبت به انتقال زمانی نامتغیر نیست.
ممکن است فکر کنید دلایل عمیقتری وجود دارد که نشان میدهد چرا چنین تغییراتی در قوانین فیزیک، چه از طریق فضا و چه در طول زمان، اساسا منتفی هستند. به هر حال، ما برخی تقارنهای اساسی و قوانین پایستگی را در جهان داریم که هر کدام در نتیجهی دیگری به وجود میآید: این چیزی است که قضیهی نوتر[۲] بیش از صد سال پیش ثابت کرد.
اما این تنها نوعی از قضیهی «اگر-آنگاه» است. اگر میخواهید تقارن زیربنایی را نقض کنید، دیگر به حفظ (یا ثابتنگهداشتن)کمیتها و موجوداتی که تقارن کامل را نشان میدهند، نیازی ندارید. حتی تخطی جزیی و کوچکی میتواند فضایی را برای شما فراهم کند که برای سرپیچی از این مقادیر پایسته نیاز دارید.
– میتوانید ناوردایی (پایایی) تبدیلات فضایی را نقض کنید (یعنی اجرام میتوانند از مکانی به مکان دیگر متفاوت شوند) و در نتیجه تکانه دیگر لزوما پایسته نمیماند.
– میتوانید ناوردایی چرخشی را نقض کنید (اجرام میتوانند در جهات گوناگون، متفاوت باشند)، در نتیجه تکانهی زاویهای دیگر پایسته نمیماند.
– میتوانید ناوردایی تبدیلات زمانی را نقض کنید (اجرام میتوانند لحظهبهلحظه متفاوت باشند) و در نتیجه انرژی دیگر پایسته نمیماند.
گرچه به نظر میرسد همهی این قوانینِ پایستگی برای بررسی هر ویژگی مربوط به ذرات که توانستهایم در آزمایشگاه اندازهگیری کنیم، مناسباند، مطمئن هستیم آخرین مورد ذکرشده در مقیاس کیهانی رعایت نمیشود. از آنجا که در جهانِ در حال انبساط، فواصل کیهانی میان اجرامی که در قید گرانشی یکدیگر نیستند، لحظهبهلحظه متفاوت است، حتی پدیدهای بنیادین مانند انرژی نیز پایسته نمیماند.
شکل۱۰- یکی از کارهای علمیای که تلسکوپ آرسیبو قبل از سقوط در آن برتری داشت، اندازهگیری ایزوتوپهای عنصری با بارهای هستهای یکسان اما جرمهای هستهای متفاوت در کیهان بود. محققان آرسیبو با اندازهگیری ویژگیهای طیفی یون هیدروکسیل موجود در فضا، نشان دادند ثابت ساختار ریز α و همچنین نسبت جرم پروتون به الکترون، در طول سهمیلیارد سال گذشته مطلقا تغییر نکرده است.
جستوجوهایی برای تکامل زمانی یا تفاوتهای موضعی از مکانی به مکان دیگر برای ثابتهای اساسی در حال انجام است و ادعاهایی هم در این زمینه وجود دارد. ادعا شده است ثابت ساختار ریز هم در طول زمان و هم در فواصل بزرگ کیهانی، در سطحِ حدودا چند قسمت در یکمیلیون تغییر میکند. متاسفانه، بررسی این ادعا تکرارپذیر نبوده است؛ زیرا میزان عدم قطعیت در هر اندازهگیریای که ادعا میکند چنین سیگنالی را تشخیص میدهد، با اندازهی اثر کلیای که ادعا شده است، قابلمقایسه است. بدین ترتیب، با هر ادعای جدیدی، هنوز تایید قوی و مستقلی ظاهر نشده است.
یکی از ویژگیهای فیزیک نظری این است که هرگز نمیتوانید ایدهای را که قوانین شما را تغییر میدهد، کاملا رد کنید؛ تنها میتوانید آن را محدود کنید. ممکن است چنین تاثیری وجود داشته باشد اما اگر وجود داشته باشد، زیر آستانههای تشخیص رصدی و تجربی ما است یا در جایی در جهان ما رخ داده است که در حال حاضر خارج از مخروط نوری ما است و بنابراین (هنوز) نمیتوانیم آن را ببینیم. این گزاره، بخشی از این واقعیت است که چرا شما هرگز نباید فیزیک را به عنوان علمی صرفا نظری تلقی کنید. من این را به عنوان فیزیکدانی نظری میگویم. دانش ما از جهان با آزمایش و مشاهده معلوم میشود. هر بار که این مرزها را به قلمروهای ناشناخته پیش میبریم، واقعیت خود را کمی بهتر درک میکنیم.
منبع:
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/why-does-nature-obey-laws/
[۱] Higgs symmetry
[۲]. Noether’s theorem