انبساط جهان و شتاب گرفتن آن، از مهم‌ترین و پیچیده‌ترین مسائل در علم کیهان‌شناسی است. دانشمندان همواره در تلاش بوده‌اند تا با ارائه مدل‌های دقیق‌تر، به درک بهتری از این پدیده دست یابند. اخیراً، گروهی از محققان با ارائه مدلی جدید، گامی مهم در این راستا برداشته‌اند. این مدل، با در نظر گرفتن عوامل مؤثر جدید، می‌تواند به تبیین دقیق‌تر انبساط جهان و رفع برخی از ابهامات موجود کمک کند. در این گزارش، به بررسی جزئیات این مدل جدید و تأثیرات آن بر درک ما از کیهان می‌پردازیم.
راز شتاب کیهان برملا شد؛ نظریه ریسمان و تلسکوپ DESI پرده از انرژی تاریک برداشتند!
فیزیکدانان با تلفیق نظریه ریسمان و داده‌های به‌دست‌آمده از تلسکوپ قدرتمند DESI (ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک)، مدل نوینی از فضا-زمان ارائه کرده‌اند که می‌تواند چگونگی عملکرد انرژی تاریک در تسریع روند انبساط کیهان را تبیین کند. فرضیه این دانشمندان حاکی از آن است که در مقیاس‌های بسیار ریز، فضا و زمان رفتاری متفاوت از آنچه در زندگی روزمره تجربه می‌کنیم از خود نشان می‌دهند.
به طور مشخص، محققان مدعی هستند که فضا-زمان در این مقیاس‌ها خاصیت “غیرقابل جابه‌جایی” دارد. این بدان معناست که ترتیب اندازه‌گیری فضا و زمان بر نتیجه نهایی تأثیرگذار است. در ریاضیات معمول، ترتیب انجام محاسبات (به جز در مواردی که اعداد داخل پرانتز قرار دارند) اهمیتی ندارد؛ برای مثال، ۲+۳ همواره برابر با ۳+۲ است. با این حال، در قلمرو مکانیک کوانتومی، اندازه‌گیری موقعیت یک ذره قبل از سرعت آن، نتیجه‌ای متفاوت از اندازه‌گیری سرعت قبل از موقعیت به دست می‌دهد. این رفتار غیرشهودی، نشان‌دهنده ویژگی‌های کوانتومی فضا-زمان است و بر اساس نظریه ریسمان، همین رفتار کوانتومی زمینه‌ساز انبساط پرشتاب جهان در طول زمان، پدیده‌ای که به “شتاب کیهانی” معروف است، می‌شود.
نکته شگفت‌انگیز در این مدل جدید آن است که “شتاب کیهانی” به عنوان اثر ناشی از “انرژی تاریک” شناخته می‌شود. این مدل نه تنها به وجود این انرژی مرموز اشاره می‌کند، بلکه مقدار آن را نیز به شکلی مشابه با اندازه‌گیری‌های پیشین دانشمندان پیش‌بینی می‌کند. علاوه بر این، یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که با گذشت زمان، میزان این انرژی تاریک کاهش می‌یابد.
داده‌های رصدی که توسط ابزار پیشرفته DESI جمع‌آوری شده‌اند نیز به طرز قابل توجهی از این پیش‌بینی نظری پشتیبانی می‌کنند. تلسکوپ DESI به طور خاص برای مطالعه اثرات انرژی تاریک و درک بهتر روند انبساط کیهان طراحی شده است و داده‌های ارزشمندی را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد.
پیوند نظریه با مشاهدات کیهانی
دانشمندان از سال ۱۹۹۸ از پدیده “شتاب کیهانی” آگاه بودند، اما تا پیش از این نتوانسته بودند شواهد قانع‌کننده‌ای برای نیروی محرکه آن، یعنی “انرژی تاریک”، ارائه دهند. یک باور رایج در میان فیزیکدانان این است که انرژی تاریک ناشی از اثرات کوانتومی در خلاء فضا است، اما یک پیچیدگی اساسی در این میان وجود دارد.
اگر انرژی تاریک واقعاً نتیجه نوسانات کوانتومی در خلاء باشد، چگالی آن در طول زمان باید ثابت باقی بماند. با این حال، داده‌های رصدی به‌دست‌آمده از تلسکوپ DESI نشان می‌دهد که چگالی انرژی تاریک احتمالاً در طول زمان کاهش می‌یابد. این تناقض، جایی است که مدل استاندارد کیهان‌شناسی با مشکل مواجه می‌شود و نظریه ریسمان وارد میدان می‌شود تا راه حلی نوین ارائه دهد.
نظریه ریسمان به محققان این امکان را داده است تا فضا-زمان را در سطح کوانتومی و در مقیاس‌های بسیار کوچک مورد بررسی قرار دهند. توضیح آن‌ها برای انرژی تاریک، کوچک‌ترین مقیاسی را که می‌توان تصور کرد (طول پلانک، مرتبط با گرانش کوانتومی) را با بزرگ‌ترین مقیاسی که می‌شناسیم (اندازه کل جهان) پیوند می‌دهد.
این نوع ارتباط بین مقیاس‌های بسیار بزرگ و بسیار کوچک در فیزیک از اهمیت بسزایی برخوردار است، زیرا به این نکته اشاره می‌کند که فضا-زمان در سطح بنیادی غیرقابل جابه‌جایی است. این ویژگی به طور طبیعی منجر به پیش‌بینی میزان انرژی تاریک موجود در جهان شده و مهم‌تر از آن، پیش‌بینی می‌کند که این مقدار باید به آرامی و در طول زمان کاهش یابد. این کاهش دقیقاً همان چیزی است که دانشمندان در داده‌های آزمایشی DESI نشانه‌های اولیه آن را مشاهده کرده‌اند.
مایکل کاویچ (Michael Kavic)، یکی از نویسندگان این مطالعه، در این خصوص می‌گوید: “با در نظر گرفتن دریچه نگاه و مطالعه ما، می‌توان نتیجه به‌دست‌آمده از DESI را به عنوان اولین شواهد رصدی که از نظریه ریسمان پشتیبانی می‌کند و شاید اولین پیامدهای قابل مشاهده نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی در جهان واقعی به شمار آورد.”
آزمایش‌های آتی در راه
اگرچه مدل فعلی شواهد نظری قدرتمندی را برای شتاب کیهانی مبتنی بر انرژی تاریک ارائه می‌دهد، اما محققان معتقدند که برای تأیید کامل این یافته‌ها، تحقیقات و آزمایش‌های بیشتری مورد نیاز است. آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که زمان انجام آزمایش‌های دقیق‌تری فرا رسیده است که می‌تواند صحت پیش‌بینی‌های این مدل را مورد سنجش قرار دهد.
جورج مینیک (Djordje Minic)، یکی دیگر از محققان این مطالعه، در این باره می‌گوید: “پیامدهای رویکرد ما به گرانش کوانتومی بسیار گسترده است. این می‌تواند شامل تشخیص الگوهای تداخل کوانتومی پیچیده‌ای باشد که در فیزیک کوانتومی استاندارد غیرممکن تلقی می‌شوند، اما بر اساس نظریه گرانش کوانتومی باید رخ دهند.”
برنامه آزمایش‌های آتی احتمالاً بر روی تشخیص همین الگوهای تداخل کوانتومی تمرکز خواهد داشت که می‌توانند به عنوان نشانه‌هایی از حضور گرانش کوانتومی در عمل عمل کنند.
دانشمندان امیدوارند که در سال‌های آینده با انجام آزمایش‌های دقیق‌تر و جمع‌آوری داده‌های رصدی بیشتر، بتوانند اسرار مرتبط با انرژی تاریک و ماهیت کوانتومی کیهان را به طور کامل کشف کنند و درک عمیق‌تری از ساختار بنیادین هستی به دست آورند.
نتایج این مطالعه در مجله arXiv منتشر شده است.