چرا فضا سه بعدی است؟

شاید تاکنون برای بسیاری از مردم این سوال پیش نیامده باشد که چرا جهان فقط سه بُعد فضایی دارد؟ اما این پرسش مدت ها است که در قلمرو علم فیزیک مطرح است. ایده ای که با کنار هم گذاشتن فیزیک ذرات و چیزی که نظریه گره (Knot Theory) نامیده می شود، نه تنها می تواند پاسخی برای این پرسش ارائه کند، بلکه ممکن است بتواند درکی از وضعیت جهان لحظاتی پس از ایجاد شدنش فراهم آورد. فیزیک شاید سرانجام بتواند شرحی پذیرفتنی برای سه بعدی بودن فضا ارائه کند.

در این مقاله شما می توانید با آخرین تلاش های فیزیکدانان برای بررسی وضعیت جهان لحظاتی پس از پیدایش آشنا شوید.

این نکته که حجم های ایستای فضا، سه درجه آزادی (طول، عرض و عمق) دارند، به قدری بنیادی به نظر می رسد که تصور کردن جهانی دیگر که این گونه نباشد، دشوار است. سعی کنید یک هایپر کیوب (Hypercube) یا ابر مکعب چهار بعدی را تصور کنید. خیلی زود متوجه می شوید مغزتان از عهده این کار بر نمی آید.

در هر صورت، نمی توانیم امکان و احتمال وجود ابعاد دیگری از فضا را کاملاً رد کنیم. ابعادی که ممکن است در مقیاس های بسیار کوچک وجود داشته باشند و هنوز نتوانسته باشیم این مقیاس ها را بررسی و تجربه کنیم. مدل هایی مانند نظریه ریسمان (String Theory) امکان وجود 9 بعد یا حتی بیشتر را مطرح می کنند اما تا زمان یافتن شواهدی قاطع از وجود چنین ابعادی، بهتر است به فکر جهان چیزهای بزرگ (درخت ها، سیاره ها، کهکشان ها و…) باشیم. به همین دلیل، یک گروه بین المللی فیزیک برای یافتن توضیح و دلیلی برای سه بعدی بودن جهان، به پژوهش هایی دست زده اند و توانسته اند با ارائه مدلی به نام تورم گره ای (Knotty Inflation) شرحی قانع کننده برای این مسئله پیدا کنند. این پژوهشگران کارشان را از لوله های شار (Flux Tubes) آغاز کردند که جایگاه مستحکمی در علم فیزیک دارد و از زمان مدل سازی های کلارک ماکسول (Clerk Maxwell) از الکترومغناطیس در قرن نوزدهم میلادی سابقه دارد.

برای تشریح و توضیح خطوط ناپیدای نیرو که توسط الکترومغناطیس پدید می آید، کمابیش از لوله های شار استفاده می کنند. ما با شارژ الکتریکی مثبت و منفی و تناظر آنها با قطب شمال و جنوب آهنربا آشنا هستیم. در جهان کوانتوم هم سیستم جذب کننده مشابهی وجود دارد. بنابراین می توان از لوله های شار در مقیاس کوانتومی برای توضیح این نکته استفاده کرد که چرا ذرات خاصی به نام کوارک به یکدیگر می پیوندند تا ذرات زیر اتمی بزرگتری از قبیل پروتون و نوترون تشکیل شود.

طبق دانش پایه ای فیزیک می دانیم اگر یک آهنربا را نصف کنیم، آن وقت دو آهنربا خواهیم داشت که هر کدام قطب شمال و جنوب خودش را دارد. جهان کوانتوم برای این موضوع هم، البته با کمی تفاوت، پاسخ خودش را دارد؛ اگر دو کوارک چسبیده به هم را از یکدیگر دور کنیم، لوله های شار مرتبط با آن، کشیده و در نهایت از هم گسیخته می شوند. سپس انرژی این میدان، به تولید یک کوارک دیگر و یک پادکوارک (Antiquark) منتهی می شود. گاهی این دو ذره فوراً به سمت یکدیگر جذب و خنثی می شوند. گاهی هم هر کدام از این ذره های جدید، به یکی از دو کوارک اصلی (که اکنون از هم جدا شده اند) متصل می شوند تا جفت های جدیدی ایجاد شود.

زمانی که از عمر جهان فقط چند میکروثانیه می گذشت، جهان از همین کوارک ها تشکیل می شد. پس پذیرفتنی می نماید که بگوییم در آن برهه از عمر جهان، لوله های شار احتمالاً نقش بسیار مهمی بر عهده داشته اند. این برهه در حقیقت نقطه آغاز گمانه زنی های ریز و درشت علم فیزیک برای توضیح عملکرد کیهان بوده است.

یکی از این پژوهشگران که توماس کفارت (Thomas Kephart) نام دارد و در دانشگاه وندربیلت مشغول بکار است، می گوید: «ما از پدیده شناخته شده لوله شار آغاز کرده ایم و از آن برای انرژی های سطح بالاتر بهره گرفته ایم.»

گسیخته شدن یک لوله شار و حاصل آمدن یک کوارک و یک پادکوارک، می تواند در همین مرحله خاتمه پیدا کند، بویژه اینکه کوارک و پادکوارک می توانند همدیگر را خنثی کنند و از بین ببرند. ولی یک استثنای خاص وجود دارد، این لوله های شار از نظر فنی به یک خط مستقیم تک بعدی محدود نیستند. چیدمان پیچیده لوله های شار می تواند حالت های پایدار گوناگونی داشته باشد که برخی از این حالت ها می توانند بیشتر از کوارک و پادکوارکی که تولید می کنند، دوام بیاورند و به شکل یک گره (Knot) به حیات شان ادامه دهند.

آیا می توانید حدس بزنید بهترین یا پایدارترین پیکربندی برای این گره ها چگونه است؟ این گره ها در حالت سه بُعدی بیشترین پایداری را دارند و اگر ابعاد بیشتری داشته باشند، به سرعت فرو می پاشند. همچنان که انبساط جهان ادامه پیدا کرد و کوارک ها امکان چسبیدن به یکدیگر را یافتند، فضای خالی هم با مقادیری از این گره ها پُر شد. پژوهشگران با انجام محاسبات ریاضی به این نتیجه رسیدند که انرژی موجود در این شبکه از لوله های شار برای دوره ای از پیدایش کیهان که با عنوان تورم کیهانی (Cosmic Inflation) شناخته می شود، کافی بوده است.

گسترش انفجارگونه جهان
جهان ما در زاویه ها و جهت های گوناگون، ساختاری تقریباً همگون دارد. همین موضوع باعث شده است کیهان شناسان گمان کنند کیهان در آغاز پیدایش، گسترش انفجارگونه داشته که طی آن، ظرف کمتر از یک ثانیه، ابعاد جهان ما از اندازه یک پروتون به اندازه یک گریپ فروت رسیده است. کفارت می گوید: «شبکه لوله های شار ما توضیح می دهد که انرژی مورد نیاز برای تورم کیهانی از کجا آمده است. افزون بر این، این نکته را هم مشخص می کند که این تورم چرا به ناگهان متوقف شده است. همراه با آغاز گسترش جهان، شبکه لوله های شار رو به فرسایش رفته و در نهایت از هم گسیخته است و در نتیجه این فرآیند، منبع انرژی تورم کیهان از بین رفته است.» با توجه به اینکه لوله های شار پایدار سه بُعد داشته اند، درجه های آزادی دیگر در سایه آنها مانده اند.

اکنون پژوهشگران در آزمایشگاه توانسته اند پلاسمایی از کوارک و گلوئون (Gluon ذره پیوند دهنده کوارک ها) ایجاد کنند که خواص فیزیکی عجیبی دارد. هر چند به نظر می رسد مدل این پژوهشگران، مدلی شسته و رفته است و به خوبی مرحله ای از پیدایش کیهان را توضیح می دهد، اما شاید طولی نکشد که نقطه عطف های تازه تری در تاریخ پیدایش کیهان کشف شود.

[toggle title=”برای مشاهده منابع اینجا کلیک کنید.” state=”close” ]

مقاله علمی و آموزشی «چرا فضا سه بعدی است؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله ScienceAlert ترجمه شده توسط حسین رحمانی از مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.

[/toggle]