23 مه 2023 -توسط دانشگاه فلوریدا-اعتبار: دامنه عمومی Pixabay/CC0
برای نسل‌ها، فیزیکدانان مطمئن بودند که قوانین فیزیک کاملاً متقارن هستند. تقارن یک ایده مرتب و جذاب است که در جهان نامرتب ما از هم می پاشد. در واقع، از دهه 1960، نوعی تقارن شکسته برای توضیح اینکه چرا ماده بیش از پادماده در جهان وجود دارد، مورد نیاز بوده است – چرا، یعنی اصلاً هر یک از اینها وجود دارد.
اما تعیین منبع پشت این نقض تقارن وجودی، حتی یافتن مدرکی برای آن، غیرممکن بوده است.
با این حال، اخترشناسان دانشگاه فلوریدا در مقاله جدیدی که در ماهنامه اعلامیه های انجمن سلطنتی نجوم منتشر شده است، اولین شواهد از این نقض ضروری تقارن را در لحظه خلقت یافته اند. دانشمندان UF میلیون ها تریلیون چهارقلوهای کهکشانی سه بعدی را در جهان مطالعه کردند و کشف کردند که جهان در یک نقطه یک مجموعه از اشکال را بر تصاویر آینه ای خود ترجیح می دهد.
این ایده که به عنوان نقض تقارن برابری شناخته می‌شود، به دوره‌ای بینهایت کوچک در تاریخ جهان ما اشاره می‌کند که در آن قوانین فیزیک با امروز متفاوت بودند و پیامدهای بسیار زیادی برای چگونگی تکامل جهان داشت.
این یافته که با سطح بالایی از اطمینان آماری ایجاد شده است، دو پیامد اصلی دارد. اولاً، این نقض برابری تنها می‌توانست خود را در کهکشان‌های آینده در دوره‌ای از تورم شدید در نخستین لحظات کیهان حک کند، و مؤید مؤلفه‌ای مرکزی از نظریه انفجار بزرگ درباره منشأ کیهان.
نقض برابری همچنین می تواند به پاسخ شاید حیاتی ترین سوال در کیهان شناسی کمک کند: چرا چیزی به جای هیچ وجود دارد؟ دلیل آن این است که نقض برابری برای توضیح اینکه چرا ماده بیش از پادماده وجود دارد، لازم است، شرطی ضروری برای شکل گیری کهکشان ها، ستارگان، سیارات و حیات به شکلی که دارند.
زاخاری اسلپیان، استاد نجوم UF که بر این مطالعه جدید نظارت داشت، گفت:
“من همیشه به سوالات بزرگ در مورد جهان علاقه مند بوده ام. آغاز جهان چیست؟ قوانینی که تحت آن تکامل می یابد؟ چرا چیزی وجود دارد نه هیچ؟”. “این کار به آن سوالات بزرگ می پردازد.”
اسلپیان با محقق فوق دکتری UF و نویسنده اول مطالعه، جیامین هو، و فیزیکدان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، رابرت کان، برای انجام این تحلیل کار کرد. این سه نفر یافته های خود را در 22 مه در مجله Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر کردند. همان محققان ابتدا ایده جستجوی نقض برابری با استفاده از چهار قلو کهکشان را در مقاله ای که اخیراً در Physical Review Letters نیز منتشر شد، ارائه کردند.
تقارن برابری این ایده است که قوانین فیزیکی نباید یک شکل را بر تصویر آینه ای آن ترجیح دهند. دانشمندان معمولاً از زبان “دست بودن” برای توصیف این ویژگی استفاده می کنند، زیرا دست چپ و راست ما تصاویر آینه ای هستند که همه ما با آنها آشنا هستیم. هیچ راهی برای چرخاندن دست چپ به صورت سه بعدی وجود ندارد تا شبیه دست راست شما شود، به این معنی که آنها همیشه از یکدیگر قابل تشخیص هستند.
نقض برابری به این معنی است که جهان برای اشکال چپ دست یا راست دست ترجیح دارد. برای کشف دست بودن جهان، آزمایشگاه اسلپیان تمام ترکیب های ممکن چهار کهکشان را که با خطوط خیالی در فضا به هم متصل شده اند تصور کرد. این امر باعث ایجاد یک شی سه بعدی به نام چهار وجهی می شود، مانند یک هرم کج – ساده ترین شکلی که تصویر آینه ای دارد. آنها چهار وجهی کهکشانی راست و چپ را بر اساس نحوه اتصال کهکشانها به نزدیکترین و دورترین شرکای خود در این اشکال خیالی تعریف کردند.
روش آنها مستلزم تجزیه و تحلیل یک تریلیون چهار وجهی خیالی برای هر یک از یک میلیون کهکشان بود، تعداد شگفت انگیزی از ترکیبات. اسلپیان گفت: «در نهایت متوجه شدیم که به ریاضیات جدید نیاز داریم.
بنابراین تیم اسلپیان فرمول‌های ریاضی پیچیده‌ای را توسعه دادند که امکان انجام محاسبات عظیم را در یک دوره معقول فراهم می‌کرد. هنوز به مقدار قابل توجهی از توان محاسباتی نیاز دارد. او گفت: «فناوری منحصر به فرد UF که در اینجا با ابررایانه HiPerGator در اختیار داریم، به ما این امکان را می دهد که تجزیه و تحلیل را هزاران بار با تنظیمات مختلف اجرا کنیم تا نتیجه خود را آزمایش کنیم.
جنبه‌های فنی این تجزیه و تحلیل، گفتن اینکه آیا کیهان شکل‌های «راست دست» یا «چپ دست» را ترجیح می‌دهد، دشوار است، اما دانشمندان شواهد روشنی دیدند که کیهان ترجیح دارد. آنها یافته‌های خود را با درجه‌ای از اطمینان به نام هفت سیگما اثبات کردند، که معیاری است که نشان می‌دهد دستیابی به نتیجه تنها بر اساس شانس چقدر بعید است. در فیزیک، نتیجه ای با مقدار سیگمای پنج یا بالاتر معمولاً قابل اعتماد در نظر گرفته می شود زیرا احتمال یک نتیجه تصادفی در این سطح بسیار ناچیز است. تجزیه و تحلیل مشابهی که توسط یکی از اعضای سابق آزمایشگاه Slepian انجام شد، همان ترجیح شکل جهانی را شناسایی کرد، البته با اطمینان آماری کمی کمتر به دلیل تفاوت.
اگرچه دانشمندان به این سیگنال نقض برابری اطمینان دارند، این احتمال وجود دارد که عدم قطعیت در اندازه گیری های اساسی بتواند عدم تقارن را توضیح دهد. خوشبختانه، نمونه‌های بسیار بزرگ‌تر از کهکشانها از تلسکوپ‌های نسل بعدی می‌توانند داده‌های کافی برای پاک کردن این عدم قطعیت‌ها را تنها در چند سال فراهم کنند. گروه Slepian در UF تجزیه و تحلیل خود را بر روی این داده های جدید و قوی تر به عنوان بخشی از تیم تلسکوپ ابزار طیف سنجی انرژی تاریک انجام خواهند داد.
این اولین بار نیست که نقض برابری مشاهده می شود، اما این اولین شواهدی از نقض برابری است که می تواند بر خوشه بندی سه بعدی کهکشان ها در جهان اثر بگذارد. یکی از نیروهای بنیادی، نیروی ضعیف نیز برابری را زیر پا می گذارد. اما دسترسی آن بسیار محدود است و نمی تواند بر مقیاس کهکشان ها تأثیر بگذارد. این نفوذ کهکشانی مستلزم نقض برابری است تا درست در لحظه انفجار بزرگ رخ دهد، دوره ای که به عنوان تورم شناخته می شود.
اسلپیان گفت: «از آنجایی که نقض برابری فقط در زمان تورم می تواند در جهان حک شود، اگر آنچه ما پیدا کردیم درست باشد، شواهدی برای تورم ارائه می دهد.
همچنین نقض برابری نیروی ضعیف نمی تواند فراوانی ماده را توضیح دهد. در یک جهان متقارن، انفجار بزرگ باید مقادیر مساوی از ماده و پادماده ایجاد می‌کرد که همدیگر را نابود می‌کرد و جهان را خالی از ستارگان و سیارات می‌کرد. از آنجایی که به وضوح به جهانی که بیشتر از ماده تشکیل شده بود رسیدیم، فیزیکدانان مدتهاست که به دنبال نشانه ای از عدم تقارن در خلقت اولیه بوده اند.
یافته‌های آزمایشگاه اسلپیان هنوز نمی‌تواند توضیح دهد که چگونه ما به این فراوانی مهم ماده رسیدیم. “چگونه” نیاز به فیزیک جدیدی دارد که فراتر از مدل استاندارد است، که جهان کنونی ما را توضیح می دهد. اما نتایج جدید به شدت حاکی از عدم تقارن در اولین لحظات انفجار بزرگ است.
اکنون رقابت برای دانشمندان در جریان است تا نظریه‌ای را ارائه کنند که بتواند ترجیح آینه‌ای جهان و مازاد ماده را توضیح دهد.
