چرا جهان فقط یک بُعد زمان دارد؟ نظریه عجیب فیزیکدانان درباره ساختار کیهان

به گزارش اینتیتر به نقل از فرارو، نظریه‌ای جدید و عجیب به توضیح این موضوع کمک می‌کند که چرا جهان ما تنها یک بُعد زمانی دارد. بیش از صد سال پیش، یک متفکر پیشگام، نحوه درک ما از فضا و زمان را تغییر داد. او به ما گفت که هر دو در تار و پودی در هم تنیده شده‌اند که کیهان را در بر می‌گیرد و شامل سه بعد فضا و یک بعد زمان است. 

به نقل از ساینس آلرت، نام این متفکر مشهور امروزی چیست؟ هرمان مینکوفسکی سبیل‌دار، البته معلم ریاضی آلبرت انیشتین. و نه، او انیشتین را شکست نداد، که سپس گرانش را به «فضازمان مینکوفسکی» مسطح اضافه کرد و یک فضازمان خمیده را «به وجود آورد». 

در واقع، می‌توان گفت که انیشتین هرمان را شکست داد، زیرا انیشتین روش تفکر هرمان را «دانش زائد» می‌دانست. در ابتدا، به هر حال. اما چرا جهان سه بعد مکانی و یک بعد زمانی دارد؟ یک نظریه ریاضی عجیب و غریب جدید، احتمال شگفت‌انگیزی را ارائه می‌دهد: 

همه اینها به دلیل بلوک‌های سازنده نامرئی، مانند قطعات پازل یا لگو (یا حتی K'NEX) است که کیهان را تشکیل می‌دهند. در مقاله‌ای که برای arXiv ارسال شده و هنوز مورد داوری همتا قرار نگرفته است، سه فیزیکدان از دانشگاه بلگراد در صربستان، هندسه‌های کیهانی مختلفی را از مثلث‌های چهاربعدی مجازی شبیه‌سازی کردند تا ببینند آیا می‌توانند ترکیب آشنای ما از سه بُعد فضا و یک بُعد زمان را ایجاد کنند یا خیر. 

پاسخ بله است، کاملاً. تا حدودی. 

نویسندگان از یک مدل اسباب‌بازی از گرانش کوانتومی که خود مرموز و مورد بحث است برای بررسی برخی از مکانیک‌های پیچیده کیهانی بدون پیچیدگی‌های آشفته جهان واقعی، مانند قوانین فیزیک، استفاده کردند. 

این چارچوب، چیزی را که می‌توان یک جهان بسیار کوچک در نظر گرفت، مدل‌سازی کرد که از چهار به صفر بعد کاهش می‌یابد، مانند یک خانه کارتی سلسله مراتبی. 

این کار با چهار-سیمپلای‌های چهاربعدی شروع شد که از چهاروجهی‌های سه‌بعدی ساخته شده‌اند، که از مثلث‌های دوبعدی ساخته شده‌اند، که از لبه‌های یک‌بعدی ساخته شده‌اند، که در رئوس صفربعدی به هم متصل می‌شوند. مانند یک نقل قول معروف در مورد لاک‌پشت‌های نگهدارنده جهان، تا انت‌ها سیمپلای‌ها هستند! 

سپس پژوهشگران طول لبه‌های این قطعات را به‌صورت تصادفی تعیین کردند، به‌طوری که حداقل مقدار آن برابر با «طول پلانک» باشد؛ مقیاسی در حدود ۱۰ به توان ۳۵- متر که نشان‌دهنده‌ی نقطه‌ی فروپاشی درک فیزیکی ماست. 

حد بالای این مقیاس، نقطه‌ای است که در آن، جهان دیگر نه به‌صورت یک پیوستارِ هموار، بلکه همچون یک پازلِ ناهموار و تکه‌تکه رفتار می‌کند. 

مشاهدات حاصل از «برخورددهنده بزرگ هادرونی» (LHC) و شبکه امواج گرانشی «لایگو-ویرگو» (LIGO-Virgo) به تعیین این بازه‌ی ابعادی کمک کردند: از ابعاد کل جهان (حدود ۱۰ به توان ۲۶ متر) تا مقیاسی در حدود ۱۰ به توان ۲۰- متر. 

بنابراین، هرگونه ناهمواری یا تکه‌تکه‌بودگی، تنها در مقیاسی بسیار کوچک‌تر از ابعاد یک اتم ظاهر می‌شود؛ مقیاسی که حتی به مرزهای قابل‌مشاهده نیز نزدیک نیست. 

پژوهشگران همچنین سه توپولوژی (یا چشم‌انداز کیهانی) مختلف را در نظر گرفتند که هر کدام از حدود ۱۰۰ هزار «سیمپلکس» (ساده‌ساز) در سه پیکربندی متفاوت تشکیل شده بودند: 

نخست، یک توپِ چهاربعدیِ دارای مرز. 

دوم، یک کره چهاربعدیِ بدون مرز (که به دلیل ساختارش، به خود بازمی‌گردد). 

و سوم، مجموعه‌ای از سیمپلکس‌های چهاربعدیِ ناپیوسته شبیه به ۱۰۰ هزار قطعه‌ی پراکنده‌ی پازل که به‌عنوان نمونه‌ی شاهد (کنترل) به کار رفتند. 

در نهایت، پژوهشگران تمام لبه‌های این قطعات را یا در دسته‌ی «فضا-گونه» (مشابه فواصل فیزیکی که با اعداد حقیقی نمایش داده می‌شوند) و یا در دسته‌ی «زمان-گونه» (مشابه فواصل زمانی که با اعداد موهومی نمایش داده می‌شوند) قرار دادند؛ و یا ترکیبی از هر دو حالت را در نظر گرفتند. 

در مجموع، مجموعه داده‌های نهایی آن‌ها شامل بیش از ۲۰ میلیارد ارزیابی از این شبیه‌سازی‌های مبتنی بر سیمپلکس بود. 

حال، آیا یک «جهان» چهاربعدی پدیدار شد؟ 

به طرز شگفت‌آوری، بله. وقتی تعدادی از قطعات پازل تصادفی را در مخلوط‌کن می‌اندازید، دینامیک و نیروهای کیهانی پیچیده را حذف می‌کنید و اجازه می‌دهید به صورت هندسی کنار هم قرار گیرند، تا حدود ۸۵ درصد مواقع، آن‌ها در یک فضا-زمان با سه بعد فضایی و یک بعد زمانی سازماندهی می‌شوند - طبق امضاهای ریاضی که محققان به این ابعاد نسبت داده‌اند. 

برخی پیکربندی‌های عجیب دیگر نیز ظاهر می‌شوند. حدود ۶ درصد از آزمایش‌ها، امضای اقلیدسی را نشان می‌دهند: یک جهان یخ‌زده با چهار بعد فضایی و بدون زمان. 

و جالب اینجاست که حدود ۸ درصد از آزمایش‌ها، یک جهان شکافته شده، با دو بعد فضا و دو بعد زمان، را نتیجه می‌دهند. 

با این حال، این تنها زمانی است که طول لبه‌ها را به عنوان فضا-مانند در نظر بگیرید. 

در نظر گرفتن آن‌ها به عنوان زمان-مانند یا به عنوان ترکیبی از آن‌ها، امضاهایی با دو یا حتی سه بعد زمان به دست می‌دهد، نه جهانی به سبک مینکوفسکی که ما آن را به عنوان واقعیت درک می‌کنیم. 

بنابراین این یکی از شگفتی‌های اصلی را به همراه داشت: ممکن است فکر کنید که هم لبه‌های فضا-مانند و هم لبه‌های زمان-مانند ضروری هستند. 

با این حال، در این مدل، لبه‌های فضامانند به تنهایی کافی بودند: لبه‌هایی با طول‌های ناهماهنگ اغلب فقط می‌توانند در هندسه‌ای که شامل یک جهت زمانی است، در کنار هم قرار گیرند. 

به همان اندازه شگفت‌انگیز، توپولوژی اهمیتی نداشت و تفاوت چندانی ایجاد نمی‌کرد که شکل کلی جهان یک توپ، کره یا فقط مجموعه‌ای از قطعات پازل باشد، شاید این نشان دهد که شکاف بین فضا و زمان به صورت محلی تعیین می‌شود. یا اینکه تفاوت‌های توپولوژیکی نامرئی هستند، یا با قطعات پازل کافی، میانگین‌گیری می‌شوند. 

محققان نتیجه می‌گیرند که تحقیقات آینده می‌تواند شامل دینامیک‌های دیگری مانند قوانین فیزیکی و اشکال مختلف باشد تا آزمایش بیشتری انجام شود که «آیا امضای فضازمان در نهایت می‌تواند به عنوان یک ویژگی نوظهور هندسه کوانتومی درک شود یا خیر». 

این تحقیق به صورت پیش‌چاپ در arXiv موجود است و هنوز مورد داوری همتا قرار نگرفته است.