گابريل والکر - ترجمه؛ شهاب شعري مقدم

فيزيکدان ها از ابتداي شکل گيري دانش فيزيک تا به امروز همواره بر اين تصور بوده اند که زمان، يک بعدي است. اما طي يک دهه اخير همه چيز تغيير کرده است چراکه «کامران وفا» فيزيکدان مشهور ايراني دانشگاه هاروارد با ارائه نظريه يي به نام نظريه F، احتمال دوبعدي بودن زمان را مطرح کرده است. اگر چنين باشد در اين صورت زمان به جاي خطي، صفحه يي خواهد بود. به اين ترتيب نه تنها امکان سفر در زمان و رفتن به گذشته و آينده وجود خواهد داشت بلکه حتي مي توان در درون تک تک لحظه ها در جهت عمود بر سير زمان نيز حرکت کرد. بنابراين شايد درون هر لحظه، ابديتي نهفته باشد.

---

ساليان سال تصور فيزيکدان ها آن بود که فضا سه بعدي است، اما از ابتداي قرن بيستم اين تصور کم کم تغيير کرد. در ابتدا اين نظريه مطرح شد که شايد فضا چهاربعدي باشد، ولي با گذشت زمان تعداد ابعاد فضا باز هم بيشتر شد تا اينکه امروزه بهترين نظريه هاي مطرح در فيزيک، فضا را ده بعدي مي دانند. در اين تصوير، جهان ما با سه بعد فضايي، تنها يک جهان از ميان جهان هاي بي شمار شناور در پهنه کائنات است.

اما داستان زمان کاملاً متفاوت است، چراکه از همان آغاز تاکنون، زمان در معادلات فيزيکدان ها همچنان يک بعدي باقي مانده است. در واقع در تمامي طول تاريخ علم، تصور فيزيکدان ها آن بوده که تمامي مسائل شان با همين زمان يک بعدي قابل حل است اما احتمالاً همگي آنها در اشتباه بوده اند، چراکه تنها ظرف يک دهه اخير، همه چيز تغيير کرده است. اکنون پس از قرن ها بالاخره سر و کله يک فيزيکدان پرشهامت پيدا شد که معتقد است با افزودن يک بعد زماني جديد به معادله هاي توصيف کننده کائنات مي توان بسياري از مسائل حل نشده فيزيک امروز را حل کرد. اين فيزيکدان جسور کسي نيست جز «کامران وفا» فيزيکدان برجسته ايراني دانشگاه هاروارد.

البته نظريه «وفا» نيز مانند تمامي نظريه هاي بزرگ ديگر با چالش هايي روبه رو است که بايد به آنها پاسخ داد. سوالاتي از قبيل اينکه؛ چرا اين بعد زماني اضافي تاکنون از نگاه تيزبين دانشمندان پنهان مانده بود؟ آيا اين بعد اضافي صرفاً يک سازوکار رياضي است يا واقعاً نشان دهنده يک بعد زماني جديد در کائنات است؟ ارتباط اين بعد زماني جديد با ادراک متعارف ما نسبت به گذشته و آينده چگونه است؟ تعامل اين بعد زماني با مساله موجبيت در فيزيک به چه صورت است؟ و سوالاتي از اين قبيل. «مايکل داف» نظريه پرداز دانشگاه تگزاس در اين باره مي گويد؛ «وجود بيش از يک بعد زماني در کائنات، مساله يي بسيار حيرت انگيز و گيج کننده است.»

ايده وجود ابعاد بالاتر جهان از تلاش فيزيکدان ها براي کشف نيروي واحد و بنيادين کائنات ريشه گرفته است. از دهه 1920 ميلادي فيزيکدان ها دريافته بودند که چنانچه فضازمان به جاي چهاربعدي، پنج بعدي باشد، مي توان نظريه يي واحد ارائه داد که نظريه هاي الکترومغناطيس و گرانش را توامان دربر بگيرد. اين کار تا حدي شبيه آن است که از تپه مجاور ميدان جنگ بالا رفته و از ارتفاع (يعني بعد سوم)، صحنه دوبعدي جنگ را نظاره کنيم. تنها در اين صورت است که به ارتباط پنهان موجود بين بخش هاي مختلف عمليات پي برده و درخواهيم يافت که چگونه نيروهاي به ظاهر مختلف درگير در صحنه جنگ، همگي به صورتي واحد و منسجم عمل مي کنند.

طي سال هاي اخير، باز هم ابعاد بيشتري وارد صحنه اين نبرد شده اند. در سال 1984 انقلاب ابرريسمان ها به وقوع پيوست. نظريه ريسمان ها تمامي جهان را متشکل از ريسمان هاي انرژي مرتعش يک بعدي مي داند که در 9 بعد مکاني و يک بعد زماني در حال ارتعاش هستند. سپس در سال 1995، «ادوارد ويتن» از موسسه پژوهش هاي پيشرفته پرينستون امريکا و «پائول تاونسند» از دانشگاه کمبريج، بعد فضايي ديگري را نيز به نظريه ريسمان ها اضافه کرده و نظريه ديگري به نام نظريه M را ارائه کردند. اين نظريه در واقع تعميمي از نسخه هاي متفاوت نظريه ريسمان بود. اما به رغم موفقيت هاي ارزنده نظريه M، اين نظريه نيز نتوانست تفاوت هاي موجود ميان نسخه هاي مختلف نظريه هاي ريسمان را حذف کند و دقيقاً در همين جا بود که سر و کله «کامران وفا» و نظريه اش يعني نظريه F پيدا شد؛ نظريه يي که با افزودن يک بعد جديد به نظريه M، تصويري 12 بعدي از کائنات ارائه مي دهد. نظريه پردازان مشتاقانه از نظريه F استقبال کردند، چراکه اين نظريه با بعد اضافي خود، مسائل باقيمانده در نظريه M را به خوبي حل مي کند. اما از آنجايي که بعد اضافي مطرح شده در نظريه F، نه يک بعد مکاني بلکه يک بعد زماني است، بنابراين نظريه مزبور، پيامدها و چالش هاي فلسفي عميقي را نيز با خود به ميدان آورده است. «داف» در مورد دوازدهمين بعد زمان گونه نظريه F مي گويد؛ «اغلب نظريه پردازان از ايده وجود بيش از يک بعد زماني در هستي چندان استقبال نمي کنند چراکه از درون چنين ايده يي، مسائل عجيب و غريب بسياري سر بر مي آورد.» علت اين امر نيز کاملاً واضح است. اگر زمان همانند يک خط راست يک بعدي باشد، در اين صورت هر لحظه زماني روي اين خط، يا قبل از يک لحظه مفروض ديگر قرار مي گيرد يا بعد از آن. به اين ترتيب، آينده و گذشته به خوبي قابل تعريف خواهند بود و هر مجموعه يي از رويدادها الزاماً توالي مشخصي خواهند داشت. اما با افزودن يک بعد زماني ديگر، خط زمان تبديل به صفحه زمان خواهد شد. اما در چنين جهاني چگونه مي توان آينده و گذشته را مشخص کرد؟ چگونه مي توان ارتباط بين رويدادهاي هستي را مشخص کرد، در حالي که نحوه ارتباط ميان علت و معلول اساساً براي ما ناشناخته باقي مانده است؟

همان طور که «داف» هم مي گويد، مسائل فيزيکي موجود در جهاني با بيش از يک بعد زماني، حتي از اين هم پيچيده تر خواهند بود چراکه ابعاد زماني تفاوتي اساسي نسبت به ابعاد مکاني دارند. بعد زمان همواره به جاي علامت مثبت، با علامت منفي در معادلات ظاهر مي شود و به همين دليل هم با وارد کردن ابعاد زماني جديد به معادله ها، سر و کله انواع و اقسام پديده هاي عجيب و غريب ديگر هم به طور خود به خودي در معادلات پيدا مي شود. پديده هايي نظير امکان سفر با سرعتي فراتر از سرعت نور، فوتون هايي با جرم منفي، رويدادهايي که مجموع احتمال وقوع تمامي حالت هاي ممکن آنها به يک نمي رسد و...

ابزارهاي پيش پاافتاده

«داف» اذعان مي دارد که ممکن است رياضياتي که ما اکنون براي توصيف جهان به کار مي بريم، براي چنين کاري بيش از حد پيش پاافتاده باشد. بنابراين شايد روش ها و رهيافت هاي موجود براي تبيين رفتار جهاني با ابعاد زماني چندگانه نيز بيش از حد ساده انگارانه باشد. اما به هر حال چون فعلاً ابزار ديگري جز همين ابزار موجود در اختيار نداريم، پس شايد ناگزير باشيم بعد زماني جديد مطرح شده در نظريه «وفا» را صرفاً به عنوان يک سازوکار رياضي صرف و نه نماينده يک هويت واقعي در نظر بگيريم. به اين ترتيب مي توان بدون درگير شدن با پيامدهاي فلسفي اين نظريه، از مزاياي رياضي آن بهره مند شد.

در واقع بعد زماني جديد مطرح شده توسط «وفا» ويژگي هاي آنچنان اسرارآميزي به جهان مي دهد که فيزيکدان ها را از واقعي پنداشتن آن نگران مي کند. به عنوان مثال، درحالي که در نظريه 11 بعدي M، اصل نسبيت «اينشتين» همچنان پابرجاست، در نظريه 12 بعدي «وفا» اين اصل اعتبار خود را از دست مي دهد (براساس اصل نسبيت، قوانين فيزيک براي تمامي ناظران يکسان است). همين امر يکي از عواملي است که فيزيکدان ها را در پذيرش بعد زماني جديد دچار ترديد مي کند. «فرانک ويلچک» از موسسه پژوهش هاي پيشرفته پرينستون مي گويد؛ «اين بعد جديد را نمي توان همانند يک بعد زماني معمولي در نظر گرفت.» «داف» نيز با اين مساله موافق است. او نيز در اين باره مي گويد؛ «اگرچه اين بعد شباهت هايي با بعد زمان دارد، اما نمي توان آن را به عنوان يک بعد زماني اضافي واقعي پذيرفت.»

اما خود «کامران وفا» به گونه يي ديگر مي انديشد. هرچند او نيز قبول دارد که بعد زماني اضافي از بسياري جهات به يک ابزار رياضي انتزاعي شبيه تر است تا به يک هويت فيزيکي واقعي، ولي در عين حال معتقد است چنين برداشتي در آينده نزديک تغيير خواهد کرد. «وفا» در اين باره مي گويد؛ «در حال حاضر شايد به نظريه F صرفاً به عنوان يک سازوکار رياضي مناسب تر براي تبيين رفتار کائنات نگاه شود، اما فراموش نکنيم که در تاريخ فيزيک، همواره پشت سر سازوکارهاي رياضي جديد، پديده هاي فيزيکي جديدي نيز کشف شده اند.» «وفا» در اين مورد به عنوان مثال به کوارک ها اشاره مي کند. تا همين چند دهه قبل به کوارک ها صرفاً به عنوان يک سازوکار رياضي براي تبيين رفتار ذراتي نظير پروتون ها نگاه مي کردند. اما امروزه اغلب فيزيکدان ها معتقدند کوارک ها واقعاً در جهان وجود دارند. ممکن است مشابه چنين سرنوشتي در انتظار بعد زماني جديد و اسرارآميز نظريه F نيز باشد.

اما اگر اين بعد زماني اضافي واقعاً وجود داشته باشد، پس چرا تاکنون متوجه حضور آن نشده ايم؟ يک احتمال آن است که اين بعد زماني نيز همانند هفت بعد مکاني ناپيداي ديگر، آنچنان در خود پيچيده باشند که به چشم ما نمي آيند. اگر چنين باشد، تنها راه براي باز کردن اين بعد زماني درهم پيچيده، متمرکز کردن مقدار عظيمي از انرژي در حجمي بسيار کوچک خواهد بود؛ کاري که در صورت موفقيت آميز بودن، نتايج شگرفي در پي خواهد داشت.

«وفا» در اين باره مي گويد؛ «اگر بتوان اين بعد زماني اضافي را از هم باز کرد، در آن صورت اشيا ديگر آن گونه که اکنون تصور مي کنيم در زمان حرکت نخواهند کرد.» براي فهم بهتر اين مساله به اين نکته توجه داشته باشيد که در بعد مکان مي توان توامان به جلو و عقب، بالا و پايين و چپ و راست حرکت کرد و اين درحالي است که در حالت معمول در بعد زمان تنها مي توان به سوي آينده حرکت کرد. اما همان طور که «ويلچک» هم مي گويد، چنانچه بيش از يک بعد زماني وجود داشته باشد در آن صورت حتي مي توان در درون يک لحظه نيز به مسافرتي ابدي پرداخت؛ سفري در امتداد عمود بر جهت سير زمان. به اين ترتيب اگر چنانچه از وقوع رويدادي ناگوار در آينده باخبر شديم، مي توان با حرکت در درون يک لحظه (به جاي حرکت در امتداد لحظه ها و در جهت سير زمان)، از مواجه شدن با واقعه مزبور اجتناب کرد.

البته بايد گفت تمرکز انرژي آنچنان عظيمي که بتواند بعد زماني اضافي و درهم پيچيده نظريه F را از هم باز کند، کاري فوق العاده دشوار خواهد بود. به همين دليل هم برخي فيزيکدان ها معتقدند تنها نقاطي در جهان ما که امکان ظهور آثار اين بعد اضافي در آنجاها وجود دارد، مرکز سياهچاله ها است. در ضمن بسياري از کيهان شناسان بر اين باورند که گذشته از جهان ما، جهان هاي بي شمار ديگري نيز در پهنه کائنات وجود دارند و هريک از اين جهان ها ممکن است تعداد ابعاد مکاني و زماني کاملاً متفاوتي نسبت به جهان ما داشته باشند. اما واقعاً زندگي در جهاني با ابعاد زماني چندگانه چگونه خواهد بود؟ «ويلچک» مي گويد؛ «پاسخ اين سوال بسيار حيرت انگيز است» و ادامه مي دهد؛ «آيا وجود چنين جهاني غيرممکن است؟ نه، فکر نمي کنم چراکه مي توان معادلات توصيف کننده چنين جهاني را نوشت. اما آيا پاسخ اين معادلات، جهاني شبيه به جهان ما خواهد بود؟ من که بعيد مي دانم.»

www.NewScientist.com

امين حمزه ئيان - www.Nutshell.ir

پايان عمر ستارگاني که روزگاري درخشان بودند، زيباست و ما در زير آسمان شب شاهد هزاران ستاره يي هستيم که روزي خواهند مرد. تولد، عمر و سپس مرگ تمامي ستارگان حاضر در کهکشان ها به نوبه خود شگفت انگيز است و اين شگفتي براي مرگ ستارگان پرجرم بسيار بيشتر است. مرگ ستارگان پرجرم باعث تشکيل جرمي شده که همواره تغييري شگرف در فضا و زمان به وجود مي آورد و پيامدهاي ناشي از آن، آنچنان مهيج است که هنوز فيزيکدان ها را سخت مشغول بررسي هاي خود کرده است. شروع جدي ماجرا از پيامدهاي نظريه نسبيت عام «اينشتين» شروع مي شود. «اينشتين» 10 سال پس از مطرح کردن نظريه نسبيت خاص خود، در سال 1915 ميلادي نظريه نسبيت عام را با محوريت فضا، زمان و همچنين گرانش مطرح کرد. نظريه نسبيت عام توضيحي براي گرانش اجرام بزرگ مطرح مي کرد. يک سال پس از انتشار نظريه نسبيت عام شخصي به نام «کارل شوارتزشيلد» با حل کردن و گسترش روابط رياضي اين نظريه، به صورت نظري به نتيجه يي شگرف رسيد که اگر اندازه شعاع يک ستاره که داراي جرمي زياد است از حدي کمتر شود، نتيجه جسمي مي شود که گرانش آن آنچنان قوي است که حتي نور را هم جذب کرده و اجازه عبور به آن را نمي دهد. اين پديده نشان از وجود يک «سياهچاله» دارد، اما بين سياهچاله ها و ستارگان آسمان چه روابطي برقرار است؟

به ستاره هايي که کمتر از 4/1 برابر خورشيد جرم دارند ستارگان کم جرم مي گويند که عاقبت، طي فرآيندي طولاني به يک کوتوله سفيد تبديل مي شوند. به ستارگاني که بين 4/1 تا سه برابر خورشيد جرم دارند، ستارگان متوسط مي گويند که سرانجام به يک ستاره نوتروني تبديل مي شوند، اما به ستارگاني که بيش از سه برابر خورشيد جرم دارند، ستارگان پرجرم گفته مي شود. ستاره هاي پرجرم بعد از به پايان رساندن سوخت وساز و همجوشي هسته يي خود همانند ستارگان متوسط در کثري از ثانيه با يک انفجار عظيم ابرنواختري منفجر شده و به دوران درخشان اوليه خود پايان مي دهند. پس، از نظر انفجار نهايي، تفاوتي بين ستارگاني با جرم متوسط يا زياد وجود ندارد. اما آنچه در اين بين قابل توجه است، بازمانده اين دو نوع ستاره است.

ستاره ها بعد از پايان يافتن سوخت شان، لايه هاي خارجي خود را در فضا پرتاب کرده که در نتيجه موجب تشکيل سحابي مي شوند. اما پس از نابودي، اکثر جرم اين ستاره ها در مرکز و هسته آنها جمع مي شود. در واقع هسته ستاره دچار رمبش مي شود که دقيقاً به همين سبب مقدار اندکي از ماده سطحي بازمانده ستارگان کم جرم يا متوسط، بسيار سنگين است به طوري که گاهي برابر ميليون ها تن است. اکنون اگر ستاره اوليه مورد نظر داراي جرم زيادي مثلاً 10 برابر خورشيد باشد بعد از به پايان رساندن سوخت خود و انفجار ابرنواختري، هسته بازمانده اين ستاره پرجرم آنچنان روي خود مي رمبد که نه تنها الکترون ها و پروتون ها، بلکه نوترون ها هم به دليل جرم و فشار گرانشي فوق العاده زياد روي آن پايدار نمي مانند. در نتيجه اين هسته با تجزيه شدن، بسيار فشرده و چگال مي شود. امروزه دانشمندان عقيده دارند بازمانده هسته ستارگان پرجرم به صورت مداوم هر لحظه در حال فروريزش روي خود هستند و پيوسته کوچک و کوچک تر مي شوند. که در نتيجه در اين حالت ماده بسيار زيادي، در فضاي بسيار اندکي انباشته مي شود. از نظريه نسبيت عام «اينشتين» نتيجه مي گيريم که گرانش، نتيجه انحناي فضايي است که توسط ماده به وجود مي آيد يعني هرچه ماده بيشتري در يک نقطه متمرکز باشد، بالطبع گرانش آن هم افزون تر است. با اين تعريف مي توان تصور کرد که بازمانده يک ستاره پرجرم که اينچنين روي خود رمبيده است، داراي چه گرانش فوق العاده يي است.

به چنين چيزي در عالم «سياهچاله» مي گويند. براي درک قدرت گرانش سياهچاله ها که گفته مي شود هيچ چيز، حتي نور هم نمي تواند از دام گرانش آنها فرار کند، به اين مثال توجه کنيد؛ وقتي گفته مي شود سرعت گريز از سطح سياره زمين 18/11 کيلومتر بر ثانيه است، اين به آن معني است که اگر ما بتوانيم جسمي را با سرعت

18/11 کيلومتر بر ثانيه به سمت آسمان پرتاب کنيم، ديگر اين جسم هرگز به زمين باز نخواهد گشت و در فضا سرگردان مي شود. مقدار سرعت گريز از سطح زمين دقيقاً رابطه مستقيمي با مقدار جرم و در نتيجه گرانش سياره زمين دارد. اکنون در مورد سياهچاله ها، گفته مي شود سرعت گريز آنها از سرعت نور بيشتر است. اين جمله به اين معني است که هر جسمي که از حدود خاصي در يک سياهچاله به نام «افق رويداد» بگذرد، براي گريز بايد سرعتي بيش از سرعت نور (يعني بيش از 300 هزار کيلومتر بر ثانيه) بگيرد و اين امر در سياهچاله نشان از مقدار ماده زياد و چگال و در نتيجه گرانش فوق العاده آن دارد. افق رويداد در سياهچاله ها که همچون کره يي تاريک فرض مي شود توسط «کارل شوارتز شيلد» تعيين شد و از اين رو به آن «شعاع شوارتز شيلد» هم مي گويند. اما آيا سياهچاله ها با تمام رمز و رازها و شگفتي هايشان، آنچنان خطرآفرين و قدرتمند هستند که همه چيز را در خود ببلعند و نابود کنند؟