هرگز نگویید فیزیکدانان شوخطبع نیستند. موضوعی که میتواند ذرات بنیادی را «غریب»، «جذاب»، «حقیقت» و «زیبایی» بنامد و پیشنهاد دهد که چنین اجرامی با تکههایی از چسب زیراتمی به نام گلوئون به هم چسبیدهاند، نمیتواند متهم به این شود که خود را بیش از حد جدی میگیرد. اما شاهکار واقعی نامگذاری عجیب در فیزیک، شاید «باتلاق» باشد.
باتلاق قلمروی «اینجا اژدهاست» در فراسوی مرزهای نظریه ریسمان است؛ مدلی ریاضی از واقعیت که در آن ریسمانهای ارتعاشی اجزای سازنده طبیعت هستند. همانطور که اغلب با چنین مدلهایی اتفاق میافتد، نظریه ریسمان پاسخهای زیادی دارد. در این مورد، هر پاسخ قوانین یک جهان فرضی خاص را توصیف میکند. این پاسخها که برآوردهای اولیه تعداد آنها را بیش از ۱۰۵۰۰ میدانستند، مجموعاً به عنوان «چشمانداز» شناخته میشوند.
برای تقابل صریح با این زمینِ مفهومی، کامران وفا از دانشگاه هاروارد، در سال ۲۰۰۵ اصطلاح باتلاق را برای توصیف جهانهای فراتر از محدوده نظریه ریسمان ابداع کرد. بنابراین، یک پرسش بزرگ وجودی از دیدگاه فیزیک این است که آیا جهانی که انسانها آن را خانه مینامند، بخشی از چشمانداز است یا بخشی از باتلاق. اثبات اینکه جهان بر روی خشکی است، نشان میدهد که نظریه ریسمان درست است. این خوب خواهد بود، زیرا انتقادی که اغلب به این نظریه وارد میشود این است که ظریف اما غیرقابل آزمایش است—حداقل با ابزارهایی که بشریت ممکن است تصور کند.
دکتر وفا و گروهی از علاقهمندان همفکر، بنابراین دو دهه گذشته را صرف تلاش برای یافتن راهی برای پرداختن به این پرسش کردهاند. آنها پروژه خود را برنامه باتلاق مینامند. آنها معتقدند در این مسیر، زیرمجموعهای قابل مدیریت از جهانهای ممکن نظریه ریسمان را کشف کردهاند که شبیه جهان بشریت است و بنابراین میتواند شامل آن باشد.
یکی از آزاردهندهترین مسائل حلنشده در فیزیک، ترکیب مکانیک کوانتومی (که بسیار کوچک را توصیف میکند) و نسبیت عام (که گرانش را در مقیاس اجرام بزرگتر توصیف میکند) است. برای نظریه ریسمان، این مسئله مطرح نیست. در جهانهای فرضی چشمانداز آن، مکانیک کوانتومی و گرانش در ترکیبی به نام گرانش کوانتومی به هم متصل هستند. در مقابل، برای جهانهای موجود در باتلاق، این دو غیرقابل سازش هستند. به همین دلیل است که فیزیکدانان مشتاق هستند بفهمند در مرز بین چشمانداز و باتلاق چه اتفاقی میافتد. نقشهبرداران کیهانی دکتر وفا با ترسیم این قلمرو با نظریههای خود، فکر میکنند چیزی از ماهیت واقعی گرانش کشف کردهاند.
در مرکز یافتههای آنها پدیدهای به نام انرژی تاریک قرار دارد. این پدیده در سال ۱۹۹۸ کشف شد، زمانی که اخترشناسان دریافتند انبساط جهان (که خود در دهه ۱۹۲۰ کشف شد) طبق انتظار در حال کند شدن نیست، بلکه در حال شتاب گرفتن است. چیزی—که نام «انرژی تاریک» برای آن مناسب به نظر میرسید—به طور فعال در حال جدا کردن جهان است.
شک اولیه این بود که چگالی این انرژی تاریک در کل فضا-زمان یکسان است. اما در سال ۲۰۲۴ آزمایش ابزار طیفسنج انرژی تاریک (DESI)، که دستگاهی متصل به تلسکوپی در آریزونا است، شواهدی بر خلاف این گزارش داد. اندازهگیریهای آن نشان داد که انرژی تاریک در حال تغییر است.
برای کیهانشناسان جریان اصلی، چنین فکری سخت است—و این نتیجه که انرژی تاریک در حال تکامل است، در واقع همچنان مورد مناقشه است. اما کسانی که وقت خود را صرف گذر از باتلاق کرده بودند، خوشحال شدند. در سال ۲۰۱۸ دکتر وفا و همکارانش پیشنهادی را مطرح کردند که به حدس دوسیته معروف شده است. این حدس میگوید که هر جهان ممکنی با چگالی ثابت انرژی تاریک که انبساط آن را هدایت میکند—سادهترین آن، فضا-زمان دوسیته، به نام اخترشناس هلندی که این ایده را مطرح کرد نامگذاری شده است—به باتلاق تبعید میشود. برای قرار گرفتن در چشمانداز، انرژی تاریک یک جهان باید در حال تغییر باشد. و این همان چیزی است که DESI نشان میدهد در جهان بشریت در حال رخ دادن است.
واقعیت دیگر در مورد انرژی تاریک این است که ضعیف است. این ممکن است توصیف عجیبی برای چیزی باشد که بافت جهان را از هم جدا میکند. اما فراگیری آن به این معنی است که به طور نازک پخش شده است، بنابراین در هر نقطه معین مقدار زیادی از آن وجود ندارد. باتلاقیها در این مورد نیز ایدههایی دارند. یکی دیگر از پیشبینیهای آنها، حدس فاصله، میگوید که جهانی با انرژی تاریک ضعیف باید شامل تعداد نامتناهی ذرات مرتبط با جرم کوچک نیز باشد. علاوه بر این، همه ماده دیگر باید حضور آن ذرات را فقط از طریق نیروی گرانش احساس کنند، نه از طریق هیچ نیروی دیگری از طبیعت—به ویژه نه نیروی الکترومغناطیسی که به صورت نور و امواج رادیویی ظاهر میشود.
چیزهای باتلاقی
این امیدوارکننده است زیرا، همانطور که دکتر وفا متوجه شد، جهان قابل مشاهده پر از چیزی است که با این توصیف مطابقت دارد. این چیز به عنوان «ماده تاریک» شناخته میشود. ماهیت آن ناشناخته باقی مانده است، اما گرانش آن، از جمله، مسئول نگه داشتن کهکشانها در کنار هم است، بنابراین تعداد کمی در وجود آن تردید دارند. و جرم کل آن بیش از پنج برابر جرم ماده آشنایی است که اتمها از آن ساخته شدهاند، بنابراین به وضوح فراوان است.
پیشنهاد دکتر وفا این است که دو حدس باتلاق، همراه با اندازهگیریهای انرژی تاریک، به منطقه خاصی در چشمانداز نظریه ریسمان اشاره میکنند: منطقهای که سه راز بزرگ جهان—انرژی تاریک، ماده تاریک و گرانش کوانتومی—را در یک بسته واحد و منسجم میپیچد.
ارتباط بین این سه به یکی از پیشبینیهای عجیبتر نظریه ریسمان بستگی دارد: اینکه جهان ده بعد دارد، نه فقط سه بعد فضایی آشنا و یک بعد زمانی. شش بعد دیگر ظاهراً آنقدر محکم «جمع شدهاند» که غیرقابل درک باشند. برای مطابقت با دادههای انرژی تاریک، دکتر وفا و همکارانش ادعا میکنند که نظریه ریسمان تنها یک امکان را مجاز میداند: یکی از شش بعد اضافی باید کمی کمتر از بقیه جمع شده باشد.
دکتر وفا این فضای کمی باز شده را «بعد تاریک» مینامد. باز شدن آن به گراویتونها—ذرات فرضی مسئول نیروی گرانش—اجازه میدهد تا هنگام عبور از آن جرم کسب کنند. او پیشنهاد میکند که آن گراویتونها ذرات ماده تاریک هستند. بنابراین انرژی تاریک اندازه بعد تاریک را تعیین میکند، که به نوبه خود جرم ماده تاریک را تعیین میکند، که خود چیزی نیست جز گرانش که به بعد تاریک نفوذ میکند. و به طرز وسوسهانگیزی، ماهیت باز شده این بعد به این معنی است که ممکن است بدون برخورددهندههای عظیم (و بسیار گرانقیمت) ذرات که در حال حاضر سختافزار ترجیحی فیزیک ذرات هستند، قابل مشاهده باشد.
مردمِ خمکننده
تجهیزات مورد نظر در اتریش است. در آنجا، تیمی به رهبری آرمین شایقی از مؤسسه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی در حال ساخت یک ترازوی پیچشی پیچیده هستند—نوعی دستگاه که در قرن هجدهم برای اندازهگیری جاذبه گرانشی بین دو کره سربی استفاده میشد. آنها به دنبال انحراف از پیشبینیهای نیوتن و انیشتین هستند، زیرا محدودهای که میدان گرانشی در آن عمل میکند کوچکتر میشود. تا کنون این مقدار تا ۳۰ میکرون (حدود نصف ضخامت موی انسان) اندازهگیری شده است. دکتر شایقی در تلاش است تا این مقدار را به ده میکرون برساند. در آن نقطه، طبق محاسبات دکتر وفا، اثرات بعد تاریک کمی باز شده ممکن است قابل شناسایی باشد.
آزمایشهای مربوطه فوقالعاده حساس هستند، بنابراین تیم دکتر شایقی در حال ساخت آزمایشگاه خود در رصدخانه کنراد هستند، آزمایشگاهی زیرزمینی در آلپ که مملو از دقیقترین ابزارهای لرزهای و مغناطیسی جهان است. آنقدر دقیق که دکتر شایقی با نزدیک شدن به آزمایشگاه میگوید: «آنها من را فقط از میدان مغناطیسی که ماشینم تولید میکند میبینند.» او امیدوار است در پنج سال آینده یافتههایی را گزارش دهد.
همه قانع نشدهاند—حتی در میان کسانی که به ریسمانها ایمان دارند. حدسهای باتلاق هنوز حدس هستند، و آنهایی که عمیقترین پیامدها را دارند، مانند حدس دوسیته، همچنین کمترین شواهد نظری را دارند. اما طرفداران ادعا میکنند که در بعد تاریک، نظریه ریسمان یک پیشبینی قابل آزمایش ارائه کرده است. و برای موضوعی که نیم قرن در گل گیر کرده است، این باید ستوده شود. ¦