گردآورنده: شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

ادامه ذرات بنیادین و نیروهای طبیعت

نظریه نسبیت عام انیشتین، به‌خودی‌خود، پیش‌بینی می‌کرد که فضا-زمان از تکینگیِ انفجار بزرگی آغاز گردیده است و به تکینگیِ تخریب بزرگی (چنانچه تمامی جهان فروپاشد)، یا به تکینگی درون یک حفره سیاه (اگر یک ناحیه‌ از فضا-زمان،  مثل یک ستاره، دچار فروپاشی شود) می‌انجامد. هر ماده‌ای که به این سیاه‌چاله بیفتد در تکینگی متلاشی می‌گردد، و تنها تأثیر گرانشی جرم آن در بیرون حفره باقی می‌ماند. از دیگر سو، هنگامی‌که تأثیرات کوانتومی را به‌حساب آوردیم، به‌نظر می‌رسید که جرم یا انرژی ماده، سرانجام به بقیه جهان بازپس داده خواهد شد و حفره سیاه همراه با هر تکینگی درون آن، تبخیر و سرانجام ناپدید می‌شوند. آیا مکانیک کوانتوم می‌تواند تأثیری چنین دراماتیک بر تکینگی‌های انفجار بزرگ و تخریب بزرگ داشته باشد؟ در مراحل آغازین و پایانی جهان، وقتی‌که میدان‌های گرانشی چنان نیرومندند که تأثیرات کوانتومی قابل صرف‌نظر کردن نمی‌باشند، واقعاً چه می‌گذرد؟ آیا در واقع جهان آغاز و پایانی دارد؟ و اگر آری، به چه می‌مانند؟

در طول سال‌های هفتاد، به‌طور عمده به مطالعه حفره‌های سیاه مشغول بودم، اما در ۱۹۸۱ مسائل مربوط به سرچشمه و سرنوشت گیتی، باز مرا به خود علاقه‌مند ساخت. قضیه از این قرار بود که در آن هنگام در کنفرانسی که از سوی مسیحیان یسوعی‌ در واتیکان برگزار شده بود و به مباحث کیهان‌شناسی اختصاص داشت، شرکت کردم. کلیسای کاتولیک در مورد گالیله دچار اشتباه بدی شد و با اعلام این‌که خورشید به دور زمین می‌چرخد، کوشید یک قانون علمی وضع کند. اکنون، قرن‌ها پس از آن ماجرا، کلیسای کاتولیک بران شده بود که شماری از کارشناسان را دعوت کند تا آن را در جریان امور کیهان‌شناسی قرار دهند. در پایان کنفرانس، پاپ برای شرکت‌کنندگان به سخنرانی پرداخت. او به ما گفت: که مطالعه پیدایش هستی پس از انفجار بزرگ کاری است نیکو، اما ما نباید به کنکاش در خود انفجار بزرگ بپردازیم زیرا آن لحظه آفرینش و در نتیجه کاری مربوط به کارِ خداست. جالب بود که پاپ موضوع سخنرانی‌ که اندکی قبل در آن کنفرانس ایراد کرده بودم نمی‌دانست : امکان متناهی بودن فضا-زمان و درعین‌حال بیکرانگی آن، که به معنای فقدان آغاز و لحظه آفرینش می‌باشد. البته هیچ دوست ندارم به سرنوشت گالیله دچار شوم. احساس می‌کنم به گالیله بسیار شباهت دارم، و این احساس تا حدی به‌خاطر آن است که درست ۳۰۰ سال پس از مرگش به دنیا آمدم!

برای آن‌که بتوانم اندیشه‌های خود و دیگران را پیرامون چگونگی تأثیر مکانیک کوانتوم بر سرچشمه و سرنوشت هستی توضیح دهم، لازم است ابتدا، تاریخچه هستی مبتنی بر «مدل انفجار بزرگ داغ» را که مورد پذیرش همگانی است، بازگو نمایم. در اینجا فرض بر آن است که جهان از انفجار بزرگ تا کنون، بوسیله یک مدل -فریدمان- توضیح داده می‌شود. در چنین مدل‌هایی، با گسترش جهان، همه مواد یا تابش‌های درون آن، سردتر می‌شوند. (وقتی اندازه جهان دو برابر می‌شود، درجه حرارتش نصف می‌گردد). از آنجا که درجه حرارت صرفاً بیانگر انرژی – یا سرعت – میانگین ذرات است، سرد شدن جهان تأثیری عمده بر ماده درونش دارد. در انرژی‌های بسیار بالا، ذرات چنان تند حرکت می‌کنند که قادرند از هر کششی به‌سوی یکدیگر که از نیروهای هسته‌ای یا الکترومغناطیسی ناشی شده باشد، بگریزند، اما چون سرد می‌شوند، می‌توان انتظار داشت که ذراتی که یکدیگر را جذب می‌کنند، روی هم انباشته شوند. از این گذشته، انواع ذرات موجود در جهان نیز به درجه حرارت بستگی دارند. در درجه حرارت‌های بسیار بالا، ذرات چنان پرانرژی‌اند که در هر برخورد، زوج‌های متفاوت بسیاری متشکل از ذره/پادذره، تولید می‌گردند؛ و اگرچه برخی از این ذرات در برخورد با پادذره‌ها، نابود می‌شوند، سرعت تولید آن‌ها بیشتر از نابودیشان است. اما در دماهای پایین‌تر، ذرات انرژی کمتری دارند، زوج‌های ذره/پادذره، با سرعت کمتری تولید می‌شوند و نابودی تندتر از خلق و ایجاد انجام می‌گیرد.

در خود انفجار بزرگ، اندازه جهان صفر انگاشته می‌شود و بنابراین درجه حرارت آن بی‌نهایت زیاد است. اما جهان چون به گسترش آغاز کرد، درجه حرارت تابش کاهش یافت. یک ثانیه پس از انفجار بزرگ، درجه حرارت باید به حدود ده هزار میلیون درجه سقوط کرده باشد، یعنی تقریباً یک هزار برابر حرارت مرکز خورشید، اما در انفجار بمب هیدروژنی به چنین درجه حرارتی می‌توان دست یافت. در این هنگام، جهان به‌طور عمده، ذراتی چون فوتون، الکترون و نوترینو (ذره‌ای بسیار سبک که تنها نیروی ضعیف و گرانش بر آن کارگرند) و پادذره‌های آن‌ها، بعلاوه مقداری پروتون و نوترون دربرداشت. در همان حال که جهان همچنان گسترش و دما پیوسته کاهش می‌یافت، آهنگ تولید زوج‌های الکترون/پادالکترون، بر اثر برخورد ذرات با یکدیگر، از آهنگ نابودی آن‌ها، کمتر شد. بنابراین بیشتر الکترون‌ها و پادالکترون‌ها یکدیگر را نابود می‌کردند و فوتون‌های بیشتری تولید می‌نمودند، و تنها تعدادی الکترون باقی می‌ماند. اما نوترینوها و پادنوترینوها، یکدیگر را نابود نمی‌کردند، زیرا کنش متقابل آن‌ها با یکدیگر و با دیگر ذرات بسیار ضعیف است. بنابراین، امروزه هم این ذرات هنوز یافت می‌شوند. اگر می‌توانستیم آن‌ها را مشاهده کنیم، آزمون خوبی از این: مدل مراحل داغ نخستین جهان، ترتیب می‌دادیم. از بخت بد، انرژی آن‌ها آن‌قدر کم است که مشاهده مستقیم آنان امکان‌پذیر نیست. اما اگر نوترینوها فاقد جرم نیستند و جرم اندکی دارند، همان‌طور که یک آزمایش تأیید نشده روسی در سال ۱۹۸۱ نشان داد، به‌طور غیرمستقیم می‌توان آن‌ها را آشکار ساخت: آن‌ها نوعی «ماده تاریک»‌اند، و همان‌طور که بیشتر گفتیم، دارای جاذبه گرانشی کافی برای بازداشتن جهان از گسترش و وادار کردن آن به فروپاشی دوباره،هستند.

تقریباً یک‌صد ثانیه پس از انفجار بزرگ، درجه حرارت به یک هزار میلیون درجه، دمای درون داغ‌ترین ستاره، سقوط می‌کند. در این درجه حرارت، پروتون‌ها و نوترون‌ها دیگر انرژی کافی برای گریز از کشش نیروی هسته‌ای قوی را ندارند، و شروع به پیوستن به یکدیگر و تولید هسته‌های اتم دوتریوم (هیدروژن سنگین) می‌کنند، که یک پروتون و یک نوترون دارد. هسته‌های دوتریوم، سپس با پروتون‌ها و نوترون‌های بیشتری می‌آمیزند و هسته‌های هلیوم را به‌وجود می‌آورند، که دارای دو پروتون و دو نوترون است، و نیز برخی عناصر سنگین‌تر مثل لیتیم و بریلیم را تولید می‌نمایند. می‌توان محاسبه کرد که در مدل انفجار بزرگ داغ، در حدود یک‌چهارم پروتون‌ها و نوترون‌ها تبدیل به هسته هلیوم شدند و مقدار کمی هم هیدروژن سنگین و دیگر عناصر به‌وجود آمد. نوترون‌های باقی‌مانده به پروتون تبدیل شدند که همان هسته اتم‌های هیدروژن معمولی است.

این تصویر از آغازین دوره داغ جهان، نخستین بار در سال ۱۹۴۸ توسط جرج گاموف مطرح شد. او به همراه یکی از دانشجویانش به‌نام -رالف آلفر، در این زمینه جزوه‌ای نگاشتند. گاموف آدم شوخ‌طبعی بود – او دانشمند هسته‌ای -هانس بِت، را متقاعد کرد که اسمش را در پای مقاله اضافه کند تا اسم نویسندگان به صورت زیر درآید: «آلفر، بِت ، گاموف»؛ مثل سه حرف اول الفبای یونانی-آلفا، بتا، گاما، که برای مقاله‌ای درباره آغاز جهان مناسب بود! در این مقاله آنان پیش‌بینی کردند که تابش (به شکل فوتون) ناشی از نخستین مراحل داغ جهان، هنوز هم باید در اطراف ما باشد، لیکن دمایش فقط به چند درجه بالای صفر مطلق (۲۷۳-) کاهش یافته است. آنچه -پنزیاس و ویلسون، در سال ۱۹۶۵ یافتند، همین تابش بود. هنگامی‌که آلفر، بِت و گاموف ،مقاله‌شان را می‌نگاشتند، کسی درباره کنش‌های متقابل هسته‌ای پروتون‌ها و نوترون‌ها چیز زیادی نمی‌دانست. بنابراین، پیش‌بینی‌هایی که در مورد نسبت‌های عناصر مختلف در آغاز جهان به عمل می‌آمد، نسبتاً نادقیق بود؛ اما در پرتو آگاهی عمیق‌تر، این محاسبات باز انجام گرفته‌اند و امروز به‌خوبی با مشاهدات ما تطابق دارند. از این گذشته، به هر شیوه‌ای بجز از روش بالا، توجیه وجود این‌همه هلیوم در جهان بس دشوار است. از این‌رو تقریباً مطمئنیم که دست‌کم تا حدود یک ثانیه پس از انفجار بزرگی، تصویری درست از جهان در دست داریم.

ظرف مدت تنها چند ساعت پس از انفجار بزرگ، تولید هلیوم و دیگر عناصر متوقف شد. و پس از آن، برای حدود یک میلیون سال، جهان بدون رویداد قابل ذکری، صرفاً گسترش یافت. سرانجام، وقتی درجه حرارت به چند هزار درجه کاهش یافت و الکترون‌ها و هسته‌ها دیگر انرژی لازم برای غلبه بر جاذبه الکترومغناطیسی میان خود را نداشتند، شروع به درآمیختن و تشکیل اتم‌ها کردند. جهان به‌عنوان یک مجموعه در حال انبساط و سرد شدن بود؛ اما در نواحی‌ای که کمی از حد میانگین، چگالتر بود، به‌خاطر جاذبه گرانشی اضافه«گسترش» کندتر انجام می‌پذیرفت. این روند منجر به توقف گسترش بعضی مناطق و آغاز فروپاشی دوباره‌ شان شد. در حین فروپاشی، کشش گرانشی ماده بیرون این مناطق، می‌توانسته است موجب چرخش جزیی آنان شده باشد.

ادامه دارد…