سوالات بزرگ بی‌پاسخ در فیزیک با دکتر دان لینکلن

قبل از بیگ‌بنگ چه اتفاقی افتاد؟ چرا زمان فقط رو به جلو حرکت می‌کند؟ آیا ما بخشی از یک چندجهانی هستیم؟ آیا ممکن است کیهان در یک لحظه ناپدید شود؟ این پرسش‌ها و موارد دیگر در خط مقدم فیزیک، کیهان‌شناسی و نظریه کوانتوم قرار دارند و برخی از بهترین ذهن‌های فیزیک مدرن را به خود مشغول کرده‌اند.

دوره «سوالات بزرگ بی‌پاسخ در فیزیک» به شما این فرصت را می‌دهد تا در این اسرار کیهان کاوش کنید. این دوره که توسط دکتر Don Lincoln، فیزیکدان ذرات برجسته و پژوهشگر ارشد در Fermilab تدریس می‌شود، شامل 24 درس جذاب است که به برخی از پیچیده‌ترین معماهای کیهانی و کوانتومی می‌پردازد. از رفتار عجیب ذرات زیراتمی گرفته تا معماهای سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در مرکز کهکشان، مدرس با تلفیق داستان‌سرایی جذاب و علم دقیق، مسائل پیشرو در فیزیک قرن 21 را زنده می‌کند.

او با دهه‌ها تجربه در دنیای واقعی، مفاهیم چالش‌برانگیز فیزیک را هم در مقیاس کیهانی،  ستارگان، کهکشان‌ها، سیاه‌چاله‌ها و بیگ‌بنگ و هم در مقیاس کوانتومی ماده تاریک، نیروهای اساسی و جستجو برای یک «نظریه همه چیز» یکپارچه رمزگشایی می‌کند. دکتر Lincoln به همان اندازه که به «چیستی» این معماها می‌پردازد، «چگونگی» آن‌ها را نیز ارائه می‌دهد. شما یاد می‌گیرید که مانند یک دانشمند فکر کنید و مسیر نظریه‌پردازی، آزمایش، بازاندیشی و آزمایش مجدد را طی کنید. بسیاری از این پرسش‌های بی‌پاسخ در طول عمر ما پاسخ داده نخواهند شد، اما همان‌طور که خواهید دید، لذت کاوش علمی در مسیر است، نه در مقصد.

01: کیهان چقدر بزرگ است؟

دکتر Don Lincoln، فیزیکدان ذرات در Fermilab، زمینه را برای دوره با یک پرسش اساسین فراهم می‌کند: همه چیز چقدر بزرگ است؟ از آنجا که جهان قابل مشاهده محدود به مسافتی است که نور توانسته در طول 14 میلیارد سال گذشته طی کند، ما باید برای سنجش وسعت کامل کیهان به تابش زمینه کیهانی (CMB) روی بیاوریم.

02: شکل کیهان چیست؟

به اولین ثانیه‌های کیهان سفر کنید تا چگالی و دمای آن را بررسی کنید. با استفاده از آن اطلاعات، به علاوه نظریه نسبیت عام اینشتین، می‌توانیم بینشی درباره اندازه کلی و شکل کیهان به دست آوریم. اگرچه تصویر هنوز مبهم است، پیشرفت‌ها در اندازه‌گیری دما سرنخ‌های احتمالی را ارائه می‌دهند.

03: آیا اصل کیهان‌شناختی معتبر است؟

«اصل کیهان‌شناختی» فرض می‌کند که کیهان همگن است. با این حال، تحلیل‌های اخیر CMB، نقاط سرد در کیهان و توزیع کهکشان‌ها این پرسش را باز می‌گذارد که آیا کیهان اساساً در همه جا یکسان است یا اینکه برخی نقاط، مانند نقطه ما، ممکن است خاص باشند.

04: قبل از بیگ‌بنگ چه اتفاقی افتاد؟

مدل سنتی بیگ‌بنگ این بود که کیهان از یک تکینگی بی‌نهایت چگال منفجر شد، اما ما هیچ راهی برای اندازه‌گیری آن لحظات اولیه یا آنچه ممکن است قبل از آن‌ها آمده باشد نداریم. در اینجا، درک فعلی ما از بیگ‌بنگ را مرور کنید و گمانه‌زنی‌هایی مانند کیهان‌های چرخه‌ای و برخورد چندجهانی‌ها را بررسی کنید.

05: زمان چیست؟

زمان برای همه ما آشنا به نظر می‌رسد، اما در دنیای فیزیک یک معماست. در فیزیک نیوتنی، زمان به صورت خطی رو به جلو حرکت می‌کند، اما نظریه نسبیت خاص اینشتین پیچ و تابی به آنچه ما «فضا-زمان» می‌نامیم اضافه می‌کند. مفهوم «پیکان زمان» را با مقدمه‌ای بر آنتروپی و ترمودینامیک بررسی کنید.

06: چرا کیهان با آنتروپی پایین شروع شد؟

در اینجا، بررسی شما در آنتروپی (بی‌نظمی در یک سیستم) منجر به نگاهی حیرت‌انگیز به تاریخ کیهان می‌شود. آیا کیهان اولیه دارای آنتروپی بالا بود یا پایین؟ و اگر کیهان اولیه آنتروپی بالاتری نسبت به امروز داشت، چگونه پیکان زمان را توضیح دهیم، در حالی که آنتروپی معمولاً با گذشت زمان افزایش می‌یابد؟

07: فضا چیست؟

توجه خود را از زمان به فضا معطوف کنید، که متوجه خواهید شد چیزی بیش از یک پس‌زمینه کیهانی برای ستارگان و کهکشان‌هاست. از نظر ریاضی، فضا چارچوبی برای معادلات فیزیکی است، اما از نظر فیزیکی، فضا یک موجودیت پویا است که از نور، میدان‌ها و گرانش پشتیبانی می‌کند. برای دانشمندان، ماهیت واقعی فضا همچنان یک راز باقی مانده است.

08: آیا جهان‌های متعدد وجود دارند؟

فرضیه «چندجهانی» پیشنهاد می‌کند که ممکن است جهان‌های متعددی فراتر از جهان ما وجود داشته باشد. فیزیکدان Max Tegmark یک سیستم طبقه‌بندی برای چنین واقعیتی ایجاد کرده است، از جهان‌های بی‌نهایت تا انشعابات کوانتومی و موارد دیگر. شواهد و نقدهای این گمانه‌زنی جذاب را بررسی کنید.

09: چرا گرانش از سایر نیروها ضعیف‌تر است؟

در یک دوره مقدماتی فیزیک، نیروی گرانش بسیار مهم است، با این حال ضعیف‌ترین نیرو در میان چهار نیروی اصلی است. نیروهای هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف و الکترومغناطیسی بسیار قدرتمندتر هستند، اما چرا؟ آیا گرانش به ابعاد دیگر نشت می‌کند؟ در نظر بگیرید که در سطح زیراتمی واقعیت چه چیزی ممکن است در جریان باشد.

10: چرا گرانش با سرعت نور حرکت می‌کند؟

با وجود اینکه گرانش ضعیف‌ترین نیروی اساسی است، نقشی برجسته در مقیاس کیهانی ایفا می‌کند و بر سیارات و ستارگان با سرعت نور اثر می‌گذارد. این چگونه کار می‌کند؟ و ما اصلاً چطور می‌دانیم؟ این پدیده مرموز را با کمی کمک از برخورد ستاره نوترونی رمزگشایی کنید.

11: تابع موج چه معنایی دارد؟

برخلاف دنیای گسسته مکانیک کلاسیک، دنیای کوانتومی بر اساس احتمالات عمل می‌کند. ریشه دنیای کوانتومی تابع موج شرودینگر است که به ما کمک می‌کند مکان یک ذره را تعیین کنیم. دنیای غیرشهودی فیزیک ذرات را که در آن اشیاء هم‌زمان موج نیز هستند، باز کنید.

12: تمام پادماده‌ها کجا رفتند؟

ماده در اطراف ماست، اما شواهد مربوط به بیگ‌بنگ و نظریه نسبیت خاص اینشتین هر دو نشان می‌دهند که جهان باید پر از پادماده باشد. این ماده عجیب کجاست؟ در اینجا، دکتر Lincoln شما را از طریق جستجوی مداوم راهنمایی می‌کند و نظریه‌ها و آزمایش‌هایی را که دانشمندان امیدوارند این پدیده گیج‌کننده را حل کنند، تشریح می‌کند.

13: آیا ماده تاریک واقعی است؟

همانند پادماده، پدیده‌های مشاهده‌شده و ریاضیات پشت آن وجود چیزی به نام «ماده تاریک» ذرات نامرئی که با گرانش در تعامل هستند را پیش‌بینی می‌کنند. از دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده (MOND) تا برخوردهای خوشه گلوله در میان کهکشان‌ها، ببینید شواهد درباره لایه پنهان واقعیت به کجا اشاره دارند.

14: آیا انرژی تاریک در طول زمان ثابت است؟

شما قبلاً در این دوره یاد گرفتید که کیهان در حال انبساط است. در اینجا، درک خود را با نگاهی به اینکه چگونه انرژی تاریک انبساط را شتاب می‌دهد، عمیق‌تر خواهید کرد. فیزیکدانان در حال بررسی هستند که آیا انرژی تاریک ثابت است یا در حال تغییر، و آیا سرنوشت جهان ما «بیگ ریپ» خواهد بود یا «بیگ کرانچ» 

15: آیا تورم کیهانی نظریه بیگ‌بنگ را نجات می‌دهد؟

نظریه بیگ‌بنگ به نظر می‌رسد با شکل نسبتاً تخت کیهان در تضاد است. مفهوم «تورم» (اخترفیزیکی، نه اقتصادی) ممکن است حفره‌های متعددی را در نظریه بیگ‌بنگ توضیح دهد، از جمله تخت بودن و یکنواختی کیهان. دریابید که همه این‌ها چه معنایی دارند و آزمایش‌های آینده چه چیزی ممکن است به ما بگویند.

16: تنش هابل را چگونه توضیح دهیم؟

مطالعه خود را درباره تناقضات در حوزه کیهان‌شناسی ادامه دهید. «تنش هابل» به تضاد دو ثابت ریاضی در نرخ انبساط فعلی کیهان اشاره دارد که از نگاه به ستارگان دوردست و ابرنواخترها ناشی می‌شود. دکتر Lincoln شما را از طریق نردبان فاصله کیهانی در مقابل پیش‌بینی‌های مبتنی بر CMB راهنمایی می‌کند.

17: کوچک‌ترین واحد سازنده چیست؟

یونانیان باستان مفهوم اتم‌ها را به عنوان واحدهای سازنده کوچک ماده به ما دادند، اما تا قرن 20 طول کشید تا فیزیک ذرات به صحنه بیاید. از معرفی کوارک‌ها توسط Murray Gell-Mann و George Zweig تا نتایج برخورد اتم‌ها در برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) امروز، درباره عمیق‌ترین ساختار ماده اطلاعات کسب کنید.

18: درون یک سیاه‌چاله چه اتفاقی می‌افتد؟

چه چیزی فراتر از افق رویداد یک سیاه‌چاله نهفته است؟ نسبیت عام پیشنهاد می‌کند که آن‌ها ممکن است تکینگی‌هایی با اندازه صفر و چگالی بی‌نهایت باشند، جایی که حتی نور نمی‌تواند فرار کند. در این درس، شما کهکشان راه شیری را می‌پیمایید، امواج گرانشی را بررسی می‌کنید، در اتساع زمان تامل می‌کنید و با قلمرو غیرقابل آزمایش اخترفیزیک آشنا می‌شوید.

19: اولین کهکشان‌ها چگونه شکل گرفتند؟

شکل‌گیری اولین ستارگان و کهکشان‌ها به اندازه بیگ‌بنگ مرموز است. دانشمندان گمان می‌کنند که پس از سرد شدن کیهان اولیه، اتم‌های هیدروژن و هلیوم شکل گرفتند، ماده تاریک باعث توده شدن گرانشی شد و گازهای اولیه به عنوان ابرنواختر منفجر شدند، که در نهایت منجر به ستارگان و کهکشان‌هایی شد که امروز می‌شناسیم.

20: سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم چگونه شکل گرفتند؟

به مرکز کهکشان سفر کنید تا با یک سیاه‌چاله کلان‌جرم روبرو شوید. آیا ارتباطی بین این اجرام مرموز خورشیدی و شکل‌گیری کهکشان‌ها وجود دارد؟ آیا آن‌ها رشد یک کهکشان را تنظیم می‌کنند؟ شواهد مربوط به چگونگی شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم و نقشی که در تکامل کیهانی ایفا می‌کنند را دنبال کنید.

21: آیا ثابت‌های طبیعت واقعاً ثابت هستند؟

در فیزیک روزمره، ما بدیهی می‌دانیم که قوانین اساسی طبیعت مانند سرعت نور ثابت هستند. اما کیهان پس از بیگ‌بنگ مکانی عجیب بود و ممکن است تحت مدلی که برای 10 میلیارد سال گذشته ثابت مانده است، عمل نکرده باشد. برای بررسی این موضوع به قلمرو اختروش‌ها (Quasars) و شتاب‌دهنده‌های ذرات وارد شوید.

22: گرانش کوانتومی چگونه کار می‌کند؟

یکی از ناشناخته‌های مهم فیزیک مدرن این است که چرا قوانین نیوتن در سطح کوانتومی شکست می‌خورند. فیزیکدانان به دنبال یک به اصطلاح «نظریه همه چیز» هستند تا گرانش در مقیاس کیهانی را با نظریه‌های کوانتومی یکپارچه کنند. این درس دو راه‌حل ممکن را بررسی می‌کند: نظریه ابرریسمان و گرانش کوانتومی حلقه

23: انرژی نقطه صفر را چگونه می‌توان اندازه گرفت؟

فیزیک کیهانی و کوانتومی هر دو پیشنهاد می‌کنند که مقدار عظیمی از انرژی ممکن است در فضاهای خالی کیهان وجود داشته باشد. شبه‌دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند که کسی می‌تواند از برداشت این «انرژی نقطه صفر» ثروتمند شود، اما دانشمندان واقعی دیدگاه متفاوتی دارند. واقعیت را از افسانه در دنیای انرژی جدا کنید.

24: آیا کیهان پایدار است؟

دوره شما با یک پرسش تحریک‌آمیز به پایان می‌رسد: آیا ممکن است کیهان در یک لحظه ناپدید شود؟ از تورم کیهانی تا نظریه الکتروضعیف و اندازه‌گیری‌های ذره بوزون هیگز، دریابید که کیهان ما چقدر پایدار است و چگونه جهان کیهانی ممکن است از طریق یک رویداد کوانتومی غیرمحتمل از هم بپاشد.