بیگ بنگ: همانطور که می دانیم جهان از یک زنجیره از فضا و زمان  ساخته شده است – یک استخوان بندی فضا-زمان که با اجسامی مثل ستاره ها و سیاهچاله ها به شکل منحنی درآمده است و حرکت ماده را فرماندهی می کند. به کمک امواج گرانشی اینشتین می دانیم که بی نظمی‌ها می توانند از طریق فضا و زمان منتشر شوند. اما آنچه کمتر برای ما روشن است این است: درحالی که خواص بافت به طور مداوم در حال تغییر است دقیقا چگونه چنین اتفاقی می‌افتد؟

به گزارش بیگ بنگ،  محققان به تازگی یک چارچوب ریاضیاتی کاملا جدید ارائه کردند که در نهایت می تواند چگونگی حرکت بی نظمی‌ها در یک بافت پویای فضا-زمان را توضیح دهد، این مفهوم به عنوان الگوهای میدانی شناخته می شود. ممکن است این بحث کمی برای ذهن ما پیچیده باشد، زیرا ما در حال بحث در حوزه ی فیزیک نظری هستیم. اما مفهوم بنیادین آن در واقع زیاد عجیب و غریب نیست. الگوهای میدانی، به بیان ساده، فضا-زمان را به یک صفحه شطرنج تقلیل می دهد، مانند صفحه ای که می توانید در زیر ببینید. مربع سیاه نشان دهنده یک ماده و مربع سفید نشان دهنده ی یک ماده ی دیگر با خواص متفاوت است. بعد افقی صفحه شطرنج نشان دهنده فضا، و بعد عمودی نشان دهنده زمان است:

حال یک بی نظمی همچون یک پالس اشعه‌ی لیزر را در نظر بگیرید که در زمان، مطابق انیمیشن نشاند داده شده (از انتهای یک صفحه‌ی شطرنج) به جلو حرکت کرده و به سمت مرز گوشه‌های صفحه‌ی شطرنج در فضا گسترش می‌یابد. تئوری الگوی میدان انتشار این پالس و جایی که پایان می‌یابد را توضیح می‌دهد. برای این کار، میلتون و همکارش اورنلا متی تلاش می‌کنند با استفاده از شبیه‌سازی کامپیوتری چگونگی عملکرد مجموعه‌ای از سیستم‌های تئوری و الگوها را مشاهده و امتحان کنند. در ویدئوی زیر می‌توانید مثالی از این مدل‌های کامپیوتری ببینید:

الگویی که در بالا قرار گرفته یک الگوی میدان است. چرا این برای ما مهم است؟ الگوهای میدان نشان‌دهنده‌ی شاخصه‌های امواج انتشاری و ذرات محلی شده می‌باشند بنابراین این چارچوب جدید ریاضیاتی می‌تواند جوابی برای برخی از بزرگترین سوالات مکانیک کوانتوم در حوزه‌ای باشد که اشیاء مرز میان ذرات و امواج را محو می‌کنند. بر اساس گفته‌های جرمی میلتون از دانشگاه یوتا، الگوی میدان می‌‌تواند نحوه‌ی به وجود آمدن برخی از اجزاء اساسی ماده در جهان را توضیح دهد. میلتون می‌گوید:« زمانی که دری به یک حوزه‌ی جدید باز می‌کنید نمی‌داند به کجا قرار است برود.» هنوز موفق به درک مفهوم نشده‌اید؟ نگران نباشید، شما تنها نیستید. گرچه قیاس با صفحه‌ی شطرنج ساده‌ترین قیاس است اما در نظر گرفتن یک درخت انشعاب، قیاس مفیدتری است.

ریشه‌های درخت را همچون آغازگر بی‌نظمی و زمین را به عنوان نقطه‌ی زمان اولیه در نظر بگیرید. با پیش‌رفتن زمان(بالا رفتن در درخت)، بی‌نظمی منشعب شده و شاخه‌ها به مرزهای مختلف برخورد می‌کنند. زمانی که به نوک درخت رسیدید، شبکه‌ای پیچیده از شاخه‌ها وجود خواهد داشت که می‌توان آن را الگوی میدان توصیف کرد. اگر به یک درخت نگاه کنید، الگوی میدان بی‌نظم به نظر می‌رسد اما با نگاه کردن به تعداد کافی درختان زیاد در زمان کافی متوجه می‌شوید این الگوها همچون صفحه‌ی شطرنج تکرار می‌شود.

میلتون می‌گوید:« الگوی میدان تا حدودی شبیه موجی درون یک درخت و از سوی دیگر شبیه موجی جداگانه درون یک درخت دیگر هست. تصور کنید که باد از یک سو روی یک درخت وزیده و باعث ایجاد حرکتی موج‌وار در درخت و در همان سمت می‌شود. اما در درختی دیگر، با مجموعه برگ‌هایی مستقل، به نظر می‌رسد باد از یک سمت دیگر می‌وزد.» کاربردهایاین پژوهش همچنان در حال پدیدار شدن است اما حوزه‌ا‌ی که بدون شک از آن بهره خواهد برد، مکانیک کوانتومی است.

یکی از سوالات قدیمی در مکانیک کوانتومی، نحوه‌ی دقیق رفتار اشیاء به عنوان ذرات و امواج است. در مکانیک کوانتومی تا زمانی که مکان ذرات را اندازه گیری نکنیم مکان نامشخصی دارند. به همین خاطر از مکان احتمالی آنها با عنوان ابرها یاد می‌شود. اما به محض این که مشاهده‌گر موقعیت یک شی را اندازه‌گیری کند، رفتار موجی‌وار آن از بین می‌رود و شی همچون یک ذره به یک نقطه‌ی مکانی تبدیل می‌شود. این پدیده به عنوان دوگانگی موج-ذره معروف است. ممکن است الگوهای میدانی این دوگانگی را مرتفع کنند، چرا که بی‌نظمی‌ها همچون ذرات به عنوان نقاط و خطوطی جدا از هم نشان داده می‌شوند، اما قابلیت این را دارند که همانند یک موج پخش شوند.

نظریه‌ی الگوی میدانی در شکل کنونی‌ خود اجازه نمی‌دهد الگو دوباره به حالت یک نقطه‌ی مجزا برگردد اما پژوهشگران فکر می‌کند احتمال آن وجود دارد. دانشمندان حتی معتقدند که الگوهای میدانی با اجزای اصلی سازنده‌ی ماده ارتباط دارند. یکی از ایده‌های در حال رشد فیزیک این است که نوسانات فضا و زمان در کوچک‌ترین مقیاس ممکن است باعث ایجاد الگوهای میدانی شود که خود را به شکل الکترون‌ها و پروتون‌ها نشان می‌دهند. میلتون می‌گوید: « آنچه که ما به شکل الکترون، پروتون یا امواج مکانیک کوانتومی می‌بینیم آشکارسازی  فوق میکروسکوپی این الگوهای میدانی می‌باشد.»

این نظریه هنوز در مراحل اولیه تئور است و مدل‌های کنونی الگوی میدانی که پژوهشگران توسعه داده‌اند، محدودیت‌های مختلفی دارد. در حال حاضر الگوهای میدانی با ویژگی‌های مشترک قادر به تعامل با یکدیگر نیستند و به نظر می‌رسد برخی از الگوهای میدانی به طور غیرمنتظره‌ای گسترش یافته و ظاهرا کنترل آنها از دست خارج می‌شود. اما این پژوهش تنها گذری کلی بر این ایده است. حال که این پژوهش منتشر شده سایر ریاضیدانان قادر خواهند بود تحقیقات خود در بر روی الگوهای میدانی را انجام داده و زمان تنها مشخص کننده‌ی نتیجه‌ی این پژوهش‌ها خواهد بود. میلتون می‌گوید: « احتمالا دستاوردهایی از این پژوهش حاصل خواهد شد و مهم‌تر از آن، مسیر جدیدی است که الگوهای میدانی در علم ایجاد خواهند کرد.» این مقاله در  proceedings of the royal society A‌‌ منتشرشده است.

ترجمه: معصومه رحیمی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com