چرا جهان ما ممکنه بر لبه یک چاقو قرار داشته باشه
متن سخنرانی :
سال گذشته، چهارم جولای آزمایش‌ها در سیستم بزرگ برخورد دهنده‌ی هادرون‌ها (ذرات بنيادی تركيبی) منجر به کشف بوزون "هیگز" شد (بوزون: عناصر با عدد جرمی زوج). این یک روز تاریخی بود. هیچ شکی نیست که از امروز به بعد، روز چهارم جولای در ذهن‌ها خواهد ماند نه مثل چیز‌هایی چون "روز استقلال" آمریکا، بلکه به عنوان روز کشف بوزون هیگز. خوب، لااقل، اینجا در مرکز "سرن".اما برای من، بزرگترین سورپرایز اون روز این بود که هیچ سورپرایز بزرگی وجود نداشت. از دیدگاه فیزیک نظری، بوزون هیگز یک توضیح هوشمندانه از پدیده جرم یافتن ذرات بنیادی است، اما به نظر می‌رسه به اندازه کافی راه حل راضی کننده و کاملی نباشه. سوالات بسیاری بدون پاسخ باقی مونده. بوزون هیگز، از زیبایی، تقارن و ظرافت ذرات بنیادی دیگر سهمی نبرده. به همین دلیل، عمده فیزیکدانهای نظری اعتقاد دارن که بوزون هیگز نمی‌تونه تمام داستان باشه. ما انتظار ذرات بنیادی جدید و پدیده‌های جدیدی داشتیم که بوزون هیگز رو همراهی کنه. در عوض، تا کنون، اندازه گیری‌هایی که از این شتاب دهنده به دست اومده،هیچ نشانی از ذرات جدید یا پدیده‌های غیر منتظره نشون نمی‌ده.
البته این نظر قطعی نیست. در سال ۲۰۱۵ شتاب دهنده LHC تقریبا انرژی برخورد پروتون‌ها رو دو برابر خواهد کرد، و این برخورد های پر انرژی تر به ما اجازه خواهد داد که بیشتر در دنیایذرات بنیادی کاوش کنیم، و ما مطمئناً چیز‌های بسیار بیشتری خواهیم آموخت.
لیکن برای این لحظه، از زمانی که ما پی بردیم که هیچ شاهدی برای پدیده جدیدی وجود نداره،بگذارید فرض کنیم که این ذرات بنیادی که ما امروز می‌شناسیم، از جمله بوزون هیگز، تنها ذرات بنیادی در طبیعت هستند، حتی در انرژی‌های بسیار بزرگتری که ما تا کنون کشف کرده ایم. بگذارید ببینیم این فرضیه ما رو به کجا می‌رسونه. نتیجه‌ای شگفت انگیز و جذاب درباره جهان خواهیم یافت، و برای اینکهنظرم رو توضیح بدم بگذارید ابتدا بهتون بگم که هیگز چی هست، و برای این کار، بایستی به یک دهم از یک میلیاردم ثانیه بعد از انفجار بزرگ برگردیم. و بر طبق نظریه هیگز، در اون لحظه، یک اتفاق دراماتیک در جهان رخ داد. بُعد فضا - زمان دستخوش یک انتقال فاز شد. چیزی بسیار شبیه انتقال فازی که موقع تبدیل آب به یخ در دمای زیر صفر درجه اتفاق می‌افته. اما در قضیه ما، این انتقال فاز یک تغییر در نحوه قرار‌گیری ملکول‌ها در داخل یک ماده نیست، بلکه در مورد تغییری اساسی در تار و پود بُعد فضا - زمان است. بلکه در مورد تغییری اساسی در تار و پود بُعد فضا - زمان است.
در طول این تغییر فاز، فضای خالی با ماده ای که ما اکنون بهش میدان هیگز می‌گیم پر شد. و این ماده ممکنه برای ما نامرئی باشه، اما واقعیت فیزیکی داره. این میدان، همیشه ما رو احاطه کرده، درست مثل هوایی که در این محل تنفس می‌کنیم. و بعضی ذرات بنیادی با این ماده از طریق به دست آوردن انرژی ذاتیاثر متقابل دارن. و این انرژی ذاتی همون چیزیه که بهش جرم یک ذره می‌گیم، و با کشف بوزون هیگز، شتاب دهنده LHC به طور قطع ثابت کرد که این ماده وجود داره، چون چیزی هست که بوزون‌های هیگز ازش ساخته شدن. و این، مختصری از اساس و بنیاد داستان هیگز هست.
اما این داستان از این چیزی که گفتم بسیار جذاب‌تره. با مطالعه نظریه هیگز، فیزیک‌دانان نظری نه از طریق آزمایش بلکه با قدرت و کمک ریاضیات، پی بردند که میدان هیگز لزوما، منحصرا به شکلی که ما امروز مشاهده می‌کنیم وجود نداره. درست مثل مواد که می‌تونن به صورت مایع یا جامد باشن، میدان هیگز هم، که ماده‌ای هست که همه‌ی بُعد فضا - زمان رو پر می‌کنه، می‌تونه در دو حالت وجود داشته باشه. در کنار حالت شناخته شده هیگز، می‌تونه حالت دومی هم که میدان هیگز در اون میلیاردها میلیارد چگال‌تر از چیزی که امروز مشاهده می‌کنیم باشه، و صرف وجود یک حالت دیگه از میدان هیگز، یک سوال بالقوه رو مطرح می‌کنه. به خاطر اینکه، بر اساس قوانین مکانیک کوانتوم، این امکان وجود داره که انتقال بین دو حالت حتی در حضور یک سد انرژی که دو فاز رو از هم جدا می‌کنه، به وقوع بپیونده. و به این پدیده می‌گن تونل زنی کوانتومی، که اسم کاملاً مناسبی هم هست. به علت تونل زنی کوانتومی، من می‌تونم در این اطاق غیب بشم و در اطاق بغلی ظاهر بشم، عملاً دیوار رو سوراخ می‌کنم! اما از من انتظار نداشته باشید که فعلا این شعبده بازی رو در پیش چشمان شما انجام بدم، چون برای من احتمال اینکه دیوار رو سوراخ کنم، فوق العاده کمه. شما باید مدت زمان بسیار طولانی صبر کنید تا چنین اتفاقی بیفته، اما به حرف من اعتماد کنید، تونل زنی کوانتومی یک پدیده واقعی هست، و در بسیاری سیستم‌ها مشاهده شده. برای مثال، دیود تونلی، قطعه ای که در الکترونیک به کار می‌ره، به لطف عجایب شگفت انگیز پدیده تونل زنی کوانتومی کار می‌کنه.
اما بیاید به میدان هیگز برگردیم. اگر این میدان فوق چگال هیگز وجود داشته باشه، آنگاه، به خاطر پدیده تونل زنی کوانتومی، یک "حباب" از این حالت، به طور ناگهانی، در مکان مشخصی از این جهان، و در زمان مشخصی، می‌تونه پدید بیاد، و این مشابه چیزی هست که موقع جوشاندن آب رخ می‌ده. حباب‌های بخار در داخل آب شکل می‌گیره، سپس، در حالی که دارن آب رو به بخار تبدیل می‌کنن، منبسط می‌شن. به شکل مشابهی، یک حباب از حالت فوق چگال هیگز به دلیل تونل زنی کوانتومی می‌تونسته به وجود بیاد. آنگاه این حباب با سرعت نور منبسط بشه، به تمام فضا هجوم بیاره، و این میدان هیگز رو از حالت آشنای فعلی، به یک حالت جدید تبدیل کنه.
آیا این یک مشکل محسوب می‌شه؟ بله،این یک مشکل بزرگه. ما ممکنه در زندگی روزمره این رو متوجه نشیم، اما "شدت" میدان هیگز برای ساختار ماده حیاتی هست. اگر میدان هیگز فقط چند برابر بیشتر شدت داشت، می‌دیدیم که اتم‌ها فشرده می‌شدن، نوترون‌ها در هسته اتم از بین می‌رفتن، هسته اتم از هم می‌پاشید، و هیدروژن، تنها عنصر شیمیایی بود که می‌تونست در جهان وجود داشته باشه. و میدان هیگز، در حالت فوق چگالش، نه فقط چند برابر شدید‌تر از حالت امروزش، بلکه میلیاردها برابر شدید‌تر بود، و اگر بُعد فضا - زمان با این حالت از هیگز پر می‌شد، همه مواد اتمی از هم فرو می‌پاشید. نه هیچ ساختار ملکولی امکان وجود داشت، و نه حیاتی.
پس، من می‌خوام بدونم، آیا ممکنه در آینده، این میدان هیگز دستخوش یک تغییر فاز بشه، و از طریق تونل زنی کوانتومی، به این حالت فوق چگال ناخوش آیند تبدیل بشه؟ به بیان دیگه، از خودم می‌پرسم، سرنوشت این میدان هیگز در جهان ما چیست؟ و جزء حیاتی که لازمه تا به وسیله اون به این سوال پاسخ بدیم، جرم بوزون هیگز هست. و آزمایشات در شتاب دهنده LHC نشون داد که جرم بوزون هیگز تقریبا ۱۲۶ گیگا الکترون ولت هست. این مقدار اگر با واحد های آشنا بیان بشه خیلی کوچیکه، چون این مقدار، معادل چیزی حدود ۱۰ به توان منفی ۲۲ گرم هست. اما این مقدار بزرگی در مقیاس فیزیک ذرات هست، چون معادل تمام جرم یک جزء اصلی تشکیل دهنده DNA هست.
پس با اتکا به این اطلاعات که از شتاب دهنده LHC به دست اومده، با همراهی بعضی همکاران در مرکز سرن، احتمال اینکه جهان ما می‌تونسته از طریق تونل کوانتومی به حالت فوق چگال هیگز تبدیل بشه رو حساب کردیم، و نتیجه جذابی به دست آوردیم. محاسبات ما نشون داد که جرم محاسبه شده بوزون هیگز خیلی "استثنایی" هست. جرم این ذره دقیقا همون مقدار درستی رو داره تا بتونه جهان رو در آستانه حالت ناپایداری که داره، حفظ کنه. میدان هیگز، در یک پیکربندی لرزانی قرار داره که تا کنون دوام آورده اما نهایتا از هم پاشیده خواهد شد. بنابراین، بر اساس این محاسبات، ما شبیه کاروانی هستیم که به طور تصادفی، چادر‌هاشون رو بر لبه صخره برپا کرده اند. و نهایتا، این میدان هیگز دستخوش یک تغییر فاز خواهد شد و ماده، بر روی خودش فرو خواهد ریخت.
پس این شکلی انسان قراره نابود بشه؟ من اینطور فکر نمی‌کنم. محاسبات ما نشون می‌ده که تونل زنی کوانتومی این میدان هیگز به احتمال زیاد تا ۱۰ به توان ۱۰۰ سال دیگه رخ نخواهد داد، و این یک مدت خیلی طولانیه. این زمان حتی طولانی‌تر زمانی هست که طول بکشه ایتالیا یک دولت با ثبات داشته باشه.
(خنده حضار)
با این وجود، در اون زمان، ما مدت زیادی هست که از بین رفته‌ایم. در حدود ۵ میلیارد سال دیگه خورشید ما به یک ستاره غول پیکر قرمز، به بزرگی مدار زمین تبدیل خواهد شد، و زمین ما از بین خواهد رفت، و هزار میلیارد سال دیگه، اگر "انرژی تاریک" به دامن زدنش به انبساط فضا با سرعت فعلی اش ادامه بده، شما حتی قادر نخواهید بود که انگشتای پاتون رو نگاه کنید، چون همه چیز پیرامون شما با سرعتی بیش از سرعت نور منبسط می‌شه. پس واقعا بعیده که ما وقتی میدان هیگز متلاشی می‌شه، این اطراف باشیم.
ولی دلیل اینکه من به تبدیل میدان هیگز علاقه مندم اینه که می‌خوام به این سوال بپردازم که چرا جرم بوزون هیگز این قدر استثناییه؟ چرا مقدارش اونقدر دقیق و درسته که این جهان رو بر لبه یک تغییر فاز نگه داشته؟ فیزیکدانهای نظری، همیشه سوال‌های "چرایی" می‌پرسن. اون‌ها، بیش از اینکه به چگونگی انجام پدیده‌ها علاقه داشته باشن، همیشه به اینکه چرا یک پدیده همون طوری که داره رخ می‌ده، اتفاق می‌افته علاقه دارن. ما فکر می‌کنم که این پرسش‌های چرایی، می‌تونه به ما سرنخ‌هایی در مورد قوانین اساسی طبیعت بده. و قطعا، یک پاسخ محتمل به سوال من عیناً، یک جهان جدید خواهد گشود. اینطور فکر شده که جهان ما تنها یک حباب در یک صابون مانندِ چند جهانی هست که از حباب‌های زیادی ساخته شده، و هر حباب یک دنیای متفاوت هست با ثابت‌های بنیادین متفاوت و قوانین متفاوت فیزیکی. و در این زمینه، شما تنها می‌تونید در مورد احتمال پیدا کردن یک مقدار مشخص برای جرم بوزون هیگز صحبت کنید. اونوقت، کلید این معما می‌تونه در خواص آماری این چند جهانی قرار داشته باشه. این امر می‌تونه چیزی شبیه اتفاقی باشه که برای تپه‌های شنی در ساحل می‌افته. اصولا، شما می‌تونید تصور کنید که تپه‌های شنی رو با زاویه شیب‌های متفاوت در ساحل پیدا کنید، و در عین حال، زاویه شیب تپه‌های شنی عموماً بین ۳۰، ۳۵ درجه هستن. و دلیلش هم ساده است: چون باد، ماسه‌ها رو بالا می‌بره،و گرانش باعث سقوطشون می‌شه. در نتیجه، اکثر قریب به اتفاق تپه‌های شنی زاویه شیب‌هایی نزدیک به مقدار بحرانی دارند، مقداری نزدیک به فرو ریختن. و چیزی مشابه می‌تونسته برای جرم بوزون هیگز در چند جهانی اتفاقی بیفته. در اکثر حباب‌های جهان‌ها، جرم بوزون هیگز می‌تونسته در حدود مقدار بحرانی نزدیک یک فروریختن کیهانی از میدان هیگز باشه، به دلیل دو اثر رقابتی، درست مثل مثال تپه های شنی.
داستان من یک پایان نداره، چون ما هنوز پایان داستان رو نمی‌دونیم. این علم در حال پیشرفت هست، و برای اینکه این راز رو کشف کنیم،به اطلاعات بیشتری نیاز داریم، و امیدوارم که شتاب دهنده LHC، به زودی سرنخ های جدید رو به این داستان اضافه کنه. فقط یک عدد، جرم بوزون هیگز، و هنوز، از این عدد، ما خیلی چیز ها یاد می‌گیریم. من از این فرضیه، که ذرات بنیادی شناخته شده که همگی در این جهان وجود دارن، در ورای محدوده ای که تا کنون کشف شده هم وجود دارن، شروع کردم. با این فرض، ما چنین نتیجه گرفتیم که میدان هیگز که در بُعد فضا - زمان نفوذ کرده، ممکنه بر لبه یک چاقو قرار، و در آستانه سقوط کیهانی قرار داشته باشه. و ما نتیجه گرفتیم که این ممکنه اشاره ای باشه که جهان ما تنها یک دانه ماسه در یک ساحل عظیم، دنیای چند جهانی، هست.
ولی من نمی‌دونم که این فرض درست باشه. این همون روشی هست که فیزیک کار می‌کنه:یک اندازه گیری تنها می‌تونه ما رو در مسیری جدید از فهم این جهان قرار بده یا می‌تونه ما رو به انتهای یک بن بست برسونه. اما، به هر کدوم که ما رو ببره، من از یک چیز مطمئن هستم: این سفر، پر از چیز‌های شگفت انگیز خواهد بود.
متشکرم.
(تشویق حضار)
