آیا شتاب کیهانی میتواند سرنخی از گرانش کوانتومی باشد؟
یک فیزیکدان با ارائه مدلی نظری پیشنهاد کرده است شتاب گرفتن انبساط جهان ممکن است نه فقط نتیجه «انرژی تاریک»، بلکه پیامد یک عدمقطعیت کوانتومی در خود هندسه کیهان باشد؛ ایدهای که در صورت تأیید میتواند سرنخی قابل مشاهده از گرانش کوانتومی در مقیاس کیهانی ارائه دهد.
به گزارش سیناپرس، جهان در حال انبساط است و دادههای رصدی نشان میدهد سرعت این انبساط در دوره کنونی افزایش یافته است. یکی از بزرگترین پرسشهای کیهانشناسی مدرن این است که چه چیزی باعث این شتاب میشود.
در مدل استاندارد کیهانشناسی، این پدیده معمولاً با مفهومی به نام انرژی تاریک توضیح داده میشود؛ مؤلفهای ناشناخته که حدود ۶۸ درصد چگالی انرژی جهان را تشکیل میدهد. با این حال، ماهیت واقعی انرژی تاریک همچنان مشخص نیست و توضیح آن با برخی مسائل بنیادین فیزیک کوانتومی نیز سازگاری کامل ندارد.
اکنون ساواس کوشیآپاس، فیزیکدان دانشگاه براون آمریکا، در مقالهای منتشرشده در نشریه Physical Review D مدل متفاوتی را مطرح کرده است. بر اساس این مدل، بخشی از پدیدهای که امروز به انرژی تاریک نسبت داده میشود، ممکن است از یک ویژگی کوانتومی در هندسه خود جهان ناشی شود.
وقتی اندازه جهان و سرعت انبساط را همزمان نمیتوان دقیق دانست
ایده اصلی این مدل به یکی از ویژگیهای بنیادی مکانیک کوانتومی مربوط میشود: وجود محدودیت در تعیین همزمان برخی کمیتها با دقت دلخواه.
کوشیآپاس پیشنهاد میکند این اصل را میتوان در مقیاس کیهانی نیز در نظر گرفت. بر اساس مدل او، اندازه جهان و نرخ انبساط آن نمیتوانند بهطور همزمان و با دقت نامحدود مشخص شوند.
این عدمقطعیت، در صورت وارد شدن به معادلات کیهانشناسی، میتواند نحوه تغییر نرخ انبساط جهان در طول زمان را تغییر دهد؛ تغییری که ممکن است در مقیاس بزرگ خود را به شکل همان شتاب مشاهدهشده در انبساط کیهان نشان دهد.
به بیان ساده، در این دیدگاه، شاید جهان به دلیل وجود یک مؤلفه ناشناخته به نام انرژی تاریک شتاب نمیگیرد، بلکه بخشی از این شتاب میتواند نتیجه ویژگیهای کوانتومی خود فضا-زمان باشد.
ارتباط این ایده با گرانش کوانتومی
یکی از بزرگترین چالشهای فیزیک مدرن، ایجاد چارچوبی است که بتواند نسبیت عام و مکانیک کوانتومی را در یک نظریه منسجم کنار یکدیگر قرار دهد.
نسبیت عام اینشتین، گرانش و ساختار فضا-زمان را در مقیاسهای بزرگ بهخوبی توصیف میکند، در حالی که مکانیک کوانتومی رفتار ماده و نور را در مقیاسهای بسیار کوچک توضیح میدهد.
اما در شرایطی که هر دو حوزه همزمان اهمیت پیدا میکنند، مانند شرایط بسیار شدید کیهانی، نظریههای فعلی با محدودیتهایی مواجه میشوند. تلاش برای حل این مشکل یکی از اهداف اصلی پژوهش در حوزه گرانش کوانتومی است.
در مدل جدید، عدمقطعیت میان اندازه جهان و نرخ انبساط آن بهعنوان یک ویژگی کوانتومی در مقیاس کل کیهان در نظر گرفته میشود.
پژوهشگر معتقد است اگر این مدل درست باشد، شتاب انبساط جهان میتواند اثر قابل مشاهدهای از گرانش کوانتومی در افق کیهانی باشد.
آیا انرژی تاریک واقعاً وجود ندارد؟
این مدل به معنای آن نیست که انرژی تاریک بهطور قطعی وجود ندارد یا نظریه استاندارد کیهانشناسی کنار گذاشته شده است.در واقع، پیشنهاد مطرحشده یک مدل نظری جایگزین یا مکمل برای توضیح بخشی از شتاب کیهانی است و هنوز باید با دادههای رصدی دقیق آزمایش شود.
اگر این مدل بتواند پیشبینیهایی ارائه دهد که با مشاهدات آینده سازگار باشند و در عین حال تفاوت قابل اندازهگیری با مدلهای مبتنی بر انرژی تاریک ایجاد کنند، آن زمان میتوان درباره اهمیت آن با اطمینان بیشتری صحبت کرد.
یک پیشنهاد متفاوت برای آغاز جهان
کوشیآپاس در بخشی دیگر از مدل خود، سناریویی را نیز بررسی کرده است که میتواند پیامدهای متفاوتی برای آغاز جهان داشته باشد.
در برخی نسخههای این مدل، جهان الزاماً از یک نقطه با چگالی بینهایت آغاز نشده است؛ بلکه ممکن است پیش از مرحله انبساط کنونی، جهانی در حال انقباض وجود داشته و سپس یک «جهش کیهانی» یا Big Bounce رخ داده باشد.
بر اساس این سناریو، به جای آنکه تاریخ کیهان با یک تکینگی یا نقطه آغاز با چگالی نامتناهی شروع شود، انقباض یک جهان پیشین میتواند به مرحلهای از بازگشت و سپس انبساط منجر شده باشد.
البته این بخش از مدل نیز یک پیشنهاد نظری است و برای تبدیل شدن به یک توضیح معتبر درباره منشأ جهان، به شواهد رصدی بیشتری نیاز دارد.
رصدهای آینده میتوانند این ایده را آزمایش کنند
یکی از نقاط قوت این مدل آن است که میتوان پیامدهای آن را در تاریخچه انبساط جهان جستوجو کرد.
پژوهشگر معتقد است دادههای رصدی آینده، بهویژه دادههای پروژههایی مانند DESI، تلسکوپ فضایی Euclid و رصدخانه ورا روبین، میتوانند اندازهگیریهای دقیقتری از سرعت انبساط جهان در دورههای مختلف کیهانی ارائه دهند.
این دادهها ممکن است مشخص کنند آیا تاریخچه انبساط جهان با مدل استاندارد مبتنی بر انرژی تاریک سازگار است یا نشانههایی از انحراف وجود دارد.
در صورت مشاهده چنین انحرافهایی، مدلهای جدیدی مانند پیشنهاد گرانش کوانتومی میتوانند برای توضیح آنها مورد آزمایش قرار گیرند.
با این حال، خود پژوهشگر نیز تأکید دارد که مدل ارائهشده هنوز با پرسشها و ناسازگاریهای حلنشدهای روبهروست و برای ارزیابی آن به محاسبات بیشتر و دادههای رصدی دقیقتر نیاز است.
در مجموع، این پژوهش کشف گرانش کوانتومی محسوب نمیشود؛ بلکه یک پیشنهاد نظری است که میتواند راهی تازه برای بررسی ارتباط میان گرانش، مکانیک کوانتومی و انبساط جهان ارائه کند. اگر پیشبینیهای این مدل در دادههای آینده تأیید شوند، ممکن است شتاب کیهانی به یکی از معدود پنجرههای قابل مشاهده برای مطالعه فیزیک کوانتومی در مقیاس کل جهان تبدیل شود.این پژوهش در نشریه Physical Review D منتشر شده است.
مترجم:ندا جوادهراتی