۹ راز بزرگ حل نشده فیزیک!

در سال ۱۹۰۰ فیزیکدان بریتانیایی به نام لرد کلوین بیان داشت: “در حال حاضر هیچ چیز جدیدی برای کشف در فیزیک وجود ندارد و هرچیزی که باقیمانده است تنها اندازه گیری های دقیق تر است. در طول سی سال، مکانیک کوانتوم و نظریه نسبیت انیشتین انقلابی در این رشته به پا کرد. امروزه هیچ یک از فیزیکدانان جرات این را ندارند که حتی ادعا کنند دانش فیزیک در حال حاظر نزدیک به تکامل است. در مقابل هر اختراع جدید به نظر میرسد که می تواند منجر به باز کردن یک دنیایی بزرگتر و عمیق‌تر از مسائل فیزیک شود. دانش فعلی تنها قسمت کوچکی از همه سوالات عمیق پیش روی ماست. در این مطلب، نکاتی در مورد جهان موازی و اینکه چرا زمان به یک جهت حرکت می‌کند را بررسی خواهیم کرد و اینکه چرا ما بی نظمی کامل را درک نمی کنیم. لیست زیر برای نخستین بار در سال ۲۰۱۲ منتشر شد و در مارس ۲۰۱۶ با اطلاعات و تحقیات جدیدتر به روزرسانی شد.

انرژی تاریک چیست ؟ اگرچه جاذبه باعث داخل کشیده شدن فضا-زمان می شود ولی این پارچه‌ی کیهانی به رشد رو به بیرون خود ادامه خواهد داد. با این احتساب کیهان شناسان یک عامل نامرئی را معرفی کرده اند که با جاذبه مقابله کرده و باعث جداشدن فضا-زمان می‌شود که نام انرژی تاریک را بر آن نهادند. در اغلب مدل های پذیرفته شده انرژی این یک ثابت کیهانی است. یک ویژگی ذاتی از خود فضا که با فشار منفی باعث جدایی فضا می شود. هرچقدر فضا گسترده تر شود، فضای بیشتری تولید می شود و در نتیجه انرژی تاریک بیشتری. بر اساس نرخ گسترش مشاهده شده دانشمندان نتیجه گرفتند که مجموع همه انرژی های تاریک باید بیش از ۷۰ درصد جهان را تشکیل داده باشد ولی هیچکس نمی داند چگونه دنبال آن بگردد. از مهمترین کارهایی که محققان در سال‌های اخیر توانستند انجام دهند این بود که این انرژی در کجا مخفی شده است.

ماده تاریک چیست ؟ ظاهرا ۸۴ درصد از ماده جهان، نور را دریافت و منعکس نمی کند. همانطور که از اسم ماده تاریک مشخص است مستقیما قابل دیدن نیست؛ همچنین تا کنون به کمک هیچ وسیله‌ای تشخیص داده نشده است. در عوض وجود ماده تاریک و ویژگی هایش از تاثیرات جاذبه‌ای آن روی مواد مرئی، بازتاب و ساختار جهان قابل استنباط است. این ماده سایه مانند در حومه کهکشان پخش شده است و ممکن است ترکیبی از ذرات سنگین با واکنش ضعیف یا “WIMPs” باشد. در سراسر جهان چند ردیاب “WIMPs” وجود دارد ولی تا کنون چیزی مشاهده نشده است. پژوهشی جدید نشان می‌دهد که ماده تاریک ممکن است جریان طولانی از ریزدانه‌ها در جهان را تشکیل دهد که این جریان‌ها ممکن است از زمین به‌صورت موی سر به بیرون منتشر شوند.

چرا زمان به یک سمت حرکت می کند ؟ زمان به جلو حرکت می‌کند چراکه یک خصوصیت از جهان به نام آنتروپی یا مقدار بی‌نظمی، افزایش پیدا می‌کند. حقیقت افزایش آنتروپی یک موضوع منطقی است. مقدار ذرات بی نظم مواد بیشتر از ذرات منظم آن است؛ بنابراین با چنین تغییراتی، ذرات تمایل دارند بصورت بی نظم دربیایند. سوال اساسی این است: چرا در گذشته اینقدر مقدار آنتروپی کم بوده است ؟ یا بطور معادل چرا جهان در شروعش اینقدر منظم بوده است درحالیکه مقدار بسیار زیادی انرژی در یک فضای کوچک فشرده شده بوده است ؟

آیا جهان موازی وجود دارد ؟ اطلاعات کیهان شناسان نشان می دهد که فضا-زمان باید صاف باشد تا منحنی؛ درنتیجه برای همیشه ادامه پیدا می‌کند. بنابراین منطقه ای که ما به عنوان جهان می بینیم تنها یک بخش از چند جهان بی نهایت بزرگ است. در همین حال قوانین مکانیک کوانتوم نشان می دهد که تنها یک مقدار متناهی از ذرات در پیکره بندی هر مسیر کیهانی وجود دارد (۲۲^۱۰^۱۰ احتمال متمایز). بنابراین با تعداد متناهی ذرات تشکیل دهنده مسیر کیهانی، ترکیبات ذرات در بین آنها مجبورند چندین بار تکرار شوند. این بدین معنی است که چندین جهان موازی وجود خواهد داشت. تکه های کیهانی دقیقا همانند ما (یک نفر دقیقا شبیه شما) مثل مسیرهایی که فقط در موقعیت یک ذره متفاوت اند یا مسیرهایی که در موقعیت دو ذره متفاوت اند یا به همین منوال مسیرهایی که کاملا با ما تفاوت دارند، هستند. آیا چیز خلاف منطقی وجود دارد یا این نتیجه عجیب غریب درست است؟!

چرا مقدار ماده نسبت به ضدماده بیشتر است؟ این مساله که چرا مقدار ماده نسبت به بار مخالف و اسپین مخالف آن –ضد ماده- بسیار بیشتر است در حقیقت یک سوال است که چرا اساسا همه چیز وجود دارد؟! یک فرض آن است که جهان با ماده و ضدماده به‌صورت متقارن عمل می‌کند و درنتیجه در لحظه بیگ بنگ می بایست مقدار برابری از ماده و ضدماده تولید شده باشد ولی اگر این اتفاق افتاده بود می بایست مقدار خنثی شدن هردو برابر می‌بود. پروتون ها با ضد خود، نوترون ها با ضد خود و همچنین الکترون ها با ضد خود خنثی می شدند و یک دریای راکد از فوتون ها در یک محیط بدون ماده به جای می گذاشتند. بنا به دلایلی مواد اضافه ای وجود داشت که خنثی نمی شدند که برای آن توجیه قابل قبولی وجو نداشت. غالب تست های با جزئیات برای جمع آوری اطلاعات از تفاوت های بین ماده و ضدماده که در آگوست ۲۰۱۵ ارائه شد نشان داد که آنها آیینه یکدیگر هستند. ارائه مسیرهای صفر جدید بسیار معمول‌تر از فهمیدن راز چگونگی ماده است.

سرنوشت جهان چیست؟ سرنوشت جهان گویا بستگی به مقدار عامل نامشخصی به نام Ω دارد. Ω یک مقیاس از چگالی ماده و انرژی در کیهان است. اگر Ω بزرگتر از ۱ باشد ، فضا-زمان بسته خواهد شد همانند سطح یک کره. اگر هیچ انرژی تاریکی وجود نداشته باشد جهان در نهایت انبساط اش را متوقف کرده و در عوض شروع به منقبض شدن می‌کند، تا اینکه در آخر با حادثه ”بحران بزرگ” در خود فرو بریزد. اگر جهان بسته شود ولی انرژی تاریک وجود داشته باشد جهان کروی برای همیشه ادامه خواهد داشت. حال در صورتیکه Ω کمتر از ۱ باشد هندسه فضا باز خواهد بود مثل سطح یک زین. در این‌صورت سرنوشت جهان ” یخ زدن بزرگ ” خواهد بود. در ابتدا شتاب بالای جهان موجب گسستن کهکشان‌ها می‌شود تا جایی که همه مواد به صورت تنها و فریز شده درآیند. سپس این شتاب آنقدر زیاد خواهد شد که بر نیروهای بین اتمی غلبه کرده و همه چیز از هم گسیخته خواهد شد. اگر Ω برابر ۱ باشد جهان تخت خواهد بود و در همه جهات گسترش پیدا خواهد کرد. اگر انرژی تاریک وجود نداشته باشد جهان برای همیشه گسترش پیدا خواهد کرد اما با نرخ پیوسته کاهشی تا رسیدن به ایست کامل. اگر انرژی تاریک وجود داشته باشد جهان تخت درنهایت گسترش را تجربه خواهد کرد که منجر به مهگسست می شود.

چگونگی اندازه گیری های تابع فروپاشی موج کوانتومی در قلمرو عجیب و غریب از الکترون ها، فوتون ها و باقی ذرات بنیادی، مکانیک کوانتوم قانون است. ذرات شبیه توپ های کوچک عمل نمی‌کنند، بلکه مانند موج های منتشر شده بر سطحی عظیم اند. هر ذره توسط تابع موج یا توزیع احتمال مشخص می شود که به ما مکان، سرعت و دیگر ویژگی های آن‌ را نشان می دهد _ و نه ویژگی های دقیق آن را _ ذرات محدوده‌ای برای هرکدام از ویژگی هایشان دارند تا اینکه به صورت تجربی یکی از آنها اندازه گیری شود. آیا چگونگی اندازه گیری یک ذره که باعث فروپاشی تابع موج آن می شود، منجر به درک واقعیت ادامه حیات ما می شود؟ مساله یا همان مشکلات اندازه گیری ممکن است به صورت راز باقی بماند اما درک ما از واقعیت، یا اصلا وجود همه اینها منوط به پاسخ به این سوال خواهد بود.

آیا نظریه ریسمان‌ها درست است؟ وقتی که فیزیکدانان فرض را بر این میگذارند که همه ذرات در یک حلقه یک بعدی یا ریسمان اند و همه آنها با فرکانس خاصی می چرخند، فیزیک بسیار آسان به نظر می رسد. نظریه ریسمان این اجازه را به فیزیکدانان می دهد تا قوانین حاکم بر ذرات را که به مکانیک کوانتوم شناخته می شوند با با قوانین حاکم بر فضا-زمان به نام نسبیت عام تطبیق دهد تا چهار نیروی بنیادی طبیعت را به یک چارچوب واحد تبدیل کند. ولی مشکل اینجاست که نظریه ریسمان تنها در جهانی با ۱۰ یا ۱۱ بعد عمل می کند: سه بعد فضایی بزرگ، ۶ یا ۷ بعد فضایی فشرده و یک بعد زمانی. بعد های فضایی فشرده نظیر رشته های ارتعاشی در حدود کسر یک میلیاردم از یک تریلیاردم اندازه یک هسته اتمی است. هیچ راه مشخصی برای تشخیص پیزی به این کوچکی وجود ندارد بنابراین راهی مشخص برای رد یا تایید این نظریه وجود ندارد.

آیا ترتیبی در بی نظمی وجود دارد ؟ فیزیکدانان نتوانستند مجموعه معادلاتی را پیدا کنند که بیانگر رفتار سیال اعم از آب، هوا و غیره باشد. درحقیقت مشخص نیست که آیا جواب عمومی برای معادله معروف ناویر استوکس وجود دارد، یا اصلا اگر وجود دارد آیا همه جا بیانگر رفتار مایعات می باشد یا اینکه جواب ناشناخته یا همان نقطه تکین دارد. به عنوان یک نتیجه، طبیعتِ بی نظمی به‌خوبی درک نشده است. فیزیکدانان و ریاضیدانان متعجب اند که پیش بینی بی نظمی سخت است یا اصلا امکانپذیر نیست. آیا آشفتگی از معادلات ریاضی پیروی میکند یا فقط آن را حس می کنیم؟