چرا برخی فیزیک‌دان‌ها به وجود جهان آینه‌ای باور دارند؟

طبق ادعای برخی پژوهشگرها، ناسا ذراتی از جهانی موازی را کشف کرده است که در این جهان زمان به عقب می‌رود. این ادعا اشتباه بود اما فرضیه‌ی اصلی بسیار هیجان‌انگیزتر و عجیب‌تر است و به داستان بیگ‌بنگ بازمی‌گردد.

برخی تیترهای هیجانی درباره‌ی جهان آینه‌ای با الهام از یافته‌های مقاله‌ای مبهم در سال ۲۰۱۸ نوشته شدند. این مقاله هرگز در مجلات معتبر منتشر نشد. طبق این پژوهش جهان می‌تواند انعکاسی آینه‌ای در طول زمان داشته باشد؛ این انعکاس، جهان دیگری است که در آن سوی بیگ‌بنگ قرار دارد. در صورتی که این پژوهش صحیح باشد و مجموعه‌ای از فرضیه‌های عجیب به واقعیت تبدیل شوند می‌توان پدیده‌ی جدید ذرات قطبی را توضیح داد. فرضیه‌ی کشف جهان موازی برای اولین‌بار در مجله‌ی بریتانیایی دیلی استار مطرح شد و مجله‌های آمریکایی و بریتانیایی دیگر از جمله نیویورک پست از آن اقتباس کردند.

برای درک بهتر فرضیه‌ی دیلی استار، لازم است به بررسی ادعای دو مقاله‌ی مجزا از سال ۲۰۱۸ بپردازیم. اولین مقاله متعلق به لاتام بویل، فیزیکدان مؤسسه‌ی پریمتر اونتاریوی کانادا و همکاران او است. آن‌ها جهان آینه‌ای را به‌صورت انعکاسی از جهان در طول زمان تعریف می‌کنند. این مقاله در دسامبر ۲۰۱۸ در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شد (قبل از آن در ماه مارس روی سرور arXiv قرار گرفته بود).

جان لرند، اخترفیزیک‌دان دانشگاه هاوایی و یکی از مؤلفان مقاله‌ی دوم است. پژوهش او تعمیم یکی از نظریه‌های بنیادین درباره‌ی شکل‌گیری جهان است: ماده‌ی تاریک سرد لامبدا (ΛCDM). نظریه‌ی لامبدا سی دی ام، کیهان را با دو فرضیه‌ی کلیدی توصیف می‌کند: ماده‌ی تاریک ناشناخته‌ای که منجر به انبساط کیهان می‌شود و با بازگشت به گذشته جهان در یک نقطه متراکم می‌شود. فرضیه‌ی دوم ماده‌ی نامرئی است که روی مواد مرئی موجود در جهان تأثیر گرانشی دارد اما هیچ نوری را تولید نمی‌کند. این ماده‌ی تاریک بیشترین بخش جرم جهان را تشکیل می‌دهد. به گفته‌ی لرند:

نظریه‌ی لامبدا برای بسیاری از نمونه‌ها صدق می‌کند اما انحراف‌های توزیع در مدلسازی آن دیده می‌شوند.

برای مثال اندازه‌گیری‌های انبساط منطبق با زمان نیستند؛ بنابراین اندازه‌گیری انبساط براساس داده‌های جهان آغازین منطبق با اندازه‌گیری‌های مدرن نیست. علاوه بر این مدل لامبدا نمی‌تواند علت وجودی ماده را توصیف کند؛ زیرا طبق پیش‌بینی این مدل، ماده و پادماده پس از بیگ‌بنگ با سرعت‌های یکسانی شکل گرفته‌اند و یکدیگر را خنثی کرده‌اند.

جهان جدید بویل و همکاران، به تکینگی آغاز زمان و انعکاس آن در آن سوی بیگ‌بنگ اشاره دارد. آن‌ها داستان خود را این‌گونه توصیف می‌کنند: جهان کنونی را به‌صورت دایره‌ای مسطح و عریض در نظر بگیرید که در بالای دایره‌ی کوچک‌تر دیروزی قرار دارد و این دایره هم خود روی دایره‌ی کوچکتری در روز قبل‌تر قرار دارد.

تصور بویل و همکاران از جهان آینه‌ای

کل دایره‌ها را از امروز تا دوران بیگ‌بنگ جمع کنید تا به نقطه‌ی پایانی قیف برسید. ستاره‌شناس‌ها برای بررسی اعماق فضا، درواقع از نظر زمانی به عقب برمی‌گردند. برای مثال فاصله‌ی کهکشان GN-z11 تا زمین ۱۳/۴ میلیارد سال نوری است. این یعنی تصویری که از این کهکشان دریافت شده است مربوط به ۱۳/۴ میلیارد سال قبل و درست ۴۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ است.

قبل از آن، عصر تاریک جهان میلیون‌ها سال طول کشید و هیچ شیء درخشانی در آسمان وجود نداشت و باز هم قبل‌تر، جهان قدیمی‌ترین رویداد قابل رصد را تولید کرده بود: تابش مایکروویوی پس‌زمینه‌ی کیهانی (CMB) که درست ۳۷۰ هزار سال پس از بیگ‌بنگ و با سرد شدن گاز پلاسمای داغ، تشکیل شد. تلسکوپ‌ها قادر به رصد پدیده‌های پیش از CMB نیستند. به گفته‌ی بویل بازگشت به عقب مانند نگاه کردن به داخل قیفی کیهانی است.

به این ترتیب داستان لامبدا سی‌دی‌ام با تبدیل جهان به نقطه‌ای واحد به پایان می‌رسد که پشت CMB پنهان شده است. نظریه‌ی بویل به بررسی دیواری می‌پردازد که CMB در طول زمان شکل داده‌ است و به نتیجه‌ی متفاوتی درباره‌ی پشت دیوار CMB می‌رسد.

به عقیده‌ی لنرد، طبق دیدگاه استاندارد، کسر کوچکی از ثانیه پس از بیگ‌بنگ مانند یک هرج‌و‌مرج یا بی‌نظمی بزرگ بوده است که معادلات فیزیکی فعلی هنوز قادر به توصیف آن نیستند. هنوز مشخص نیست در آن لحظه چه اتفاقی افتاده است و این رویداد دقیقا پشت CMB و در پائین‌ترین نقطه‌ی قیف کیهانی مخفی شده است. در کیهان‌شناسی لامبدا سی‌دی‌ام، اولین فصل از تاریخچه‌ی جهان پر از بی‌نظمی و هرج‌و‌مرج است و به سختی می‌توان آن را درک کرد.

اما CMB آن قدر هم بی‌نظم نیست بلکه براساس نظریه‌ی لامبدا سی‌دی‌ام، ساختار ساده‌ای است که پس از فرایند مسطح ‌شدن جهان رخ داده است و در اواخر ثانیه‌ی اول، بی‌نظمی‌ها را از بین برده است. جهان منظم کنونی از هرج و مرجی کوتاه شکل گرفته است که در CMB ثبت شده است. به گفته‌ی لنرد:

ما علاقه‌مند به بررسی تصویری ساده‌تر بودیم که در آن بتوانیم با مقادیر ظاهری به شواهدی دست پیدا کنیم. شاید بگویند رسیدن به بیگ‌بنگ امکان‌پذیر نیست؛ اما ما با نگاهی دقیق‌تر و ساده می‌توانیم تا بیگ‌بنگ پیش‌ برویم. در دیدگاه فضا زمانی فعلی، بیگ بنگ پشت CMB مخفی شده است؛ اما نظریه‌ی ما بسیار ساده‌تر از اغلب تکینگی‌هایی است که در نظریه‌ی گرانش انیشتین صدق می‌کنند. این نظریه نوعی بسیار خاص از تکینگی فراساده است که در آن می‌توان ازطریق تکینگی به راه‌حلی برای معادلات فضازمانی رسید.

با اینکه مشاهدات فعلی، اتفاق‌های قبل از CMB را نشان نمی‌دهند، مدل‌های کیهان‌شناسی عادی، قبل از این رویداد را هم ترسیم می‌کنند؛ اما عموما در بیگ‌بنگ متوقف می‌شوند. بویل با اشاره به جهان دومی که در آن سوی بیگ‌بنگ قرار دارد می‌گوید:

فیزیک‌دان‌ها می‌گویند از نظر تحلیلی جهان پس از بیگ‌بنگ هم ادامه پیدا می‌کند و قیف دیگری را تشکیل می‌دهد. از طرفی تا وقتی جهان قابل رویت باشد می‌تواند معادلات آن را توصیف کرد.

جهانی که داخل قیف دوم قرار دارد از نظر فضازمانی فاصله‌ی زیادی با ما دارد و نمی‌توان آن را دید. به‌نظر می‌رسد از نقطه‌‌ای که ما ایستاده‌ایم زمان به عقب برمی‌گردد. از طرفی موجودات آن جهان هم درست مانند ما به‌دنبال دیدن رویدادهای پیش از تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی (CMB) هستند. زمان جهان مقابل هم از بیگ‌بنگ آغاز می‌شود. با فاصله گرفتن از بیگ‌بنگ جهانی دیگر در جهت مخالف ما تشکیل می‌شود؛ اما روند آن برخلاف تصور برخی، چندان هم معکوس نیست. جهان ما درست در آن سوی تاریخچه‌ی کهن جهان وجود دارد و جهان کهن همان جهانی است که در آن سوی بیگ‌بنگ قرار گرفته است.

به گفته‌ی بویل هیچ مدرکی برای جهان آینه‌ای وجود ندارد. بااین‌حال او معتقد است:

در صورت یافتن شواهد می‌توان گفت این جهان نسخه‌ای متقارن دارد که از بالای قیف قابل رویت نیست.

تقارن‌ها مانند زنگوله‌ای هستند که حقیقتی عمیق‌تر را آشکار می‌کنند. در صورتی که قیف دوگانه وجود داشته باشد، می‌توان به رمزگشایی از تقارنی پرداخت که سال‌ها است فکر فیزیک‌دان‌ها را به خود مشغول کرده است.

طبق تقارن فیزیکی که با عنوان تقارن بار، توازن، زمان (CPT) شناخته می‌شود، اگر ذره‌ای را به دوقلوی پادماده‌ی آن تبدیل کنید (تبدیل الکترون به پوزیترون) یا آن را به حالت راست دست درآورید یا حتی آن را در زمان به عقب برگردانید، ذره همان رفتار را خواهد داشت و درست مانند قبل از قوانین فیزیک اطاعت می‌کند (راست دستی یا چپ دستی به جهت حرکت و چرخش ذره اشاره دارند). به گفته‌ی لرند روزگاری همه تصور می‌کردند تقارن‌های بنیادی اجتناب‌ناپذیرند.

در نهایت چین شین وو، فیزیک‌دان دانشگاه کلمبیا در سال ۱۹۵۶ در آزمایشی ثابت کرد تقارن CPT مطلق نیست (دو همکار مردی که فرضیه‌ی اصلی را به وو پیشنهاد داده بودند به خاطر این کشف در سال ۱۹۵۷ برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شدند اما او از گرفتن جایزه بازماند).

طبق آزمایش وو، C (بار) در تقارن CPT ناقص است؛ و آزمایش‌های بعدی ثابت کردند برخی ذرات قادر به شکستن C (بار) و P (توازن) هستند؛ اما به عقیده‌ی اغلب فیزیک‌دان‌ها، تقارن CPT در حالت کلی صحیح است و هیچ ذره‌ای پیدا نشده است که بتواند هر سه عنصر این تقارن را نقض کند. در سطح ذره‌ای، جهان هم در تقارن CPT صدق می‌کند.

اما مدل لامبدا سی‌دی‌ام فاقد تقارن CPT است و درنتیجه وضعیت صفر ذره در آن نامشخص است. وضعیت صفر ذره به ماهیت فضازمانی در شرایط خالی بودن ذرات گفته می‌شود؛ بنابراین تقارن CPT در مقیاس کل فضا نقض می‌شود. به گفته‌ی بویل در مدل او تقارن CPT جهانی حفظ می‌شود؛ اما در کیهان‌شناسی لامبدا سی دی ام این‌طور نیست. با اضافه کردن یک قیف دوم فضا زمانی، دیگر وضعیتی به‌نام وضعیت صفر ذره، مبهم نخواهد بود و عدم تقارن CPT جهانی هم برطرف خواهد شد. بویل می‌گوید:

شاید در نگاه اول فکر کنیم تقارن CPT جهان نقض شده است؛ اما درواقع ما به تصویر کامل نگاه نکرده‌ایم. در صورتی که جهان، متقارن CPT باشد و به‌جای یک قیف فضا زمانی از دو قیف تشکیل شده باشد، چگونه می‌توان قوانین فیزیک را تعریف کرد؟

پژوهشگرها در حال راه‌اندازی آزمایش ANITA در قطب جنوب

یکی از مهم‌ترین نتایج جهان متقارن CPT، می‌تواند توصیف ساده‌ی ماده‌ی تاریک باشد. یک مجموعه از نظریه‌های رایج درباره‌ی مواد نامرئی، به وجود نوع چهارم نوترینو یا استریل نوترینو اشاره کرده‌اند. تقارن CPT بویل هم در این مسیر قرار می‌گیرد. سه ماده‌ی سازنده‌ی نوترینو یعنی الکترون نوترینو، میون نوترینو و تاو نوترینو هر سه چپ دست هستند. درنتیجه، بدون انطباق با شریک راست‌دست خود به اطراف حرکت می‌کنند. طبق مدل استاندارد برخلاف ذره‌های دیگر، نوترینوها شریکی ندارند؛ اما جهان متقارن CPT متناظر با این نظریه نیست و نشان می‌دهد نوترینوها دارای شریک هستند.

طبق مدل کیهان‌شناسی بویل و همکاران به ازای هر نوترینوی چپ دست در مدل استاندارد، شریک راست دستی وجود دارد؛ اما این ذرات آینه‌ای چپ دست و راست دست برخلاف کوارک‌ها به یکدیگر نمی‌چسبند. بلکه دو نوترینوی راست دست در فضا زمان گم می‌شوند و از دید ما در جهان آغازین مخفی می‌شوند. شریک راست دست سومی هم در یکجا ثابت باقی‌مانده است.

هنوز مشخص نیست کدام یک از سه نوترینوی شناخته شده شریک هستند؛ اما امضای مشخصی از انرژی وجود دارد: ۴۸۰ پیکوالکترون ولت (PeV) که مقیاسی برای جرم ذره هستند و نوترینوی ۴۸۰ پیکوالکترون ولتی کل ماده‌ی تاریک موجود در جهان را تشکیل می‌دهد. جزئیات جهان متقارن CPT و نوترینوی ۴۸۰ پیکوالکترون ولتی پیچیده هستند و تعداد کمی از فیزیک‌دان‌ها موفق به درک آن شده‌اند. به گفته‌ی بویل:

این افراد از اعضای قابل احترام این رشته هستند؛ اما با وجود پیچیدگی‌ بالای پژوهش‌هایشان، نمی‌توان با قطعیت گفت نظریه‌های آن‌ها درست یا نادرست هستند.

به‌طور کلی پیشگویی ذره‌ی ۴۸۰ پیکوالکترون ولتی بر لرند تأثیر زیادی گذاشته است. چهار سال پیش، آشکار‌ساز ذره‌ای که از بالنی بر فراز قطب جنوب معلق بود، رویدادی را کشف کرد که با فیزیک قابل توصیف نبود: ابزار ANITA (آنتن گذار تکانشی قطب جنوب) سیگنال‌هایی از ذرات پرانرژی را دریافت کرد که از یخ‌های قطبی سرچشمه می‌گرفتند. اغلب پژوهشگران ابزار ANITA از دانشمندان ناسا نیستند؛ اما این پروژه با سرمایه‌گذاری ناسا انجام شد.

ذره‌ی قطبی هیچ نظیری ندارد. هیچ کدام از ذرات شناخته‌ی شده‌ی مدل استاندارد نمی‌توانند کل مسیر را در زمین طی کنند و با انرژی بالا به سمت دیگر راه پیدا کنند؛اما ذره‌ی قطبی چنین رفتاری داشت. در ژوئن ۲۰۲۰، استریل نوترینو به محبوب‌ترین توصیف ذره‌ی آنیتا تبدیل شد. لرند که در اوایل پروژه‌ی آنیتا حضور داشت، رقم ۴۸۰ پیکوالکترون ولتی را هم تراز با یافته‌های آنیتا می‌داند.

لرند و تیمی از چهار پژوهشگر دیگر، طرحی را ارائه دادند که در آن نوترینوی ماده‌ی تاریک ۴۹۰ پیکوالکترون‌ولتی رفتار مشابهی با ذره‌ی آنیتا داشت. آن‌ها مقاله‌ی خود را در سال ۲۰۱۸ با عنوان «رویدادهای ANITA، شواهدی برای جهان متقارن CPT» در پایگاه‌ داده‌ی arXiv منتشر کردند. بعدا دیلی استار، این عنوان را به عنوانی گیج‌کننده تغییر داد.

اگر ذره‌ی ANITA واقعا منطبق با طرح بویل باشد، می‌توان آن را شاهدی قوی بر وجود کیهان دو قیفی در نظر گرفت؛ اما این تازه آغاز راه است و برای اثبات قضیه باید ذره را به قطب جنوب نزدیک کرد. طبق مدل‌ها، ذرات کاندیدای ماده‌ی تاریک مانند نوترینوی ۴۸۰ پیکوالکترون ولتی، بلافاصله پس از برخورد با زمین به مرکز زمین سقوط می‌کنند و برای تولید ناهنجاری آنیتا به اندازه‌ی کافی نزدیک به قطب نیستند.

به اعتقاد پژوهشگرها، شاید برخورد با دیسک نامرئی ماده‌ی تاریک منجر به تحریک نوترینوهای ۴۸۰ پیکوالکترون ولتی شده است که برخی از آن‌ها به سطح زمین نزدیک شده‌اند. لرند این فرضیه را ایده‌ای هیجان‌انگیز می‌داند اما هنوز دلایل کافی و قانع‌کننده‌ای ندارد. او می‌گوید: «باید به روش‌های دیگری مثل نزدیک کردن ذره به قطب و رساندن آن‌ها به حسگرهای ANITA هم فکر کرد.»

گرچه لرند و همکاران او سخت مشغول کار روی مقاله‌ هستند، او معتقد است نتایج به دست آمده اشتباه هستند. او می‌افزاید:

بین کیهان‌شناسان این فرضیه متداول است که شاید یک بار در مدل کیهان‌شناسی به نتایج خوبی برسید؛ اما برای بار دوم کمی دشوارتر است و من معتقدم باید حداقل دو یا سه بار نتایج تکرار شوند.

بویل هم با لرند موافق است. با اینکه ایده‌ی استفاده از فرضیه‌های او برای توصیف ANITA جذاب بودند، او معتقد است اعداد به اندازه‌ی کافی معقول نیستند؛ اما او از فرضیه‌ی بنیادین جهان متقارن CPT مطمئن است. او می‌گوید: «معتقدم این فرضیه صرف‌نظر از درستی یا نادرستی در مسیر صحیحی قرار دارد و بسیار درباره‌ی آن هیجان‌زده هستم.»