فیزیکدانان «کریستال‌های شبه‌زمانی» را تصور می‌کنند که می‌توانند جهان را پایه‌ریزی کنند

ایالات متحده - خبرگزاری اخباری

فیزیکدانان «کریستال‌های شبه‌زمانی» را تصور می‌کنند که می‌توانند جهان را پایه‌ریزی کنند

در یک جهش نظری عمیق، فیزیکدانان در حال بررسی این احتمال هستند که ساختار خود جهان ما ممکن است به صورت «کریستال‌های شبه‌زمانی» سازماندهی شده باشد. اینها بلورهای معمولی نیستند؛ آنها نظم ذاتی دارند اما فاقد الگوهای تکراری هستند که در جامدات بلوری متعارف یافت می‌شوند. در حالی که کریستال‌های شبه در مواد و حتی در شهاب‌سنگ‌ها مشاهده شده‌اند، ایده وجود آنها در ابعاد درهم‌تنیده فضا و زمان، همانطور که در نظریه نسبیت اینشتین توضیح داده شده است، نمایانگر گسترش رادیکال مفاهیم فیزیکی است.

بلورهای متعارف با یک شبکه اتمی بسیار منظم و تکراری مشخص می‌شوند. می‌توان تصور کرد که اگر یک بلور را به میزان معینی جابجا کنید، الگوی آن کاملاً با خودش هم‌تراز می‌شود. این قابلیت پیش‌بینی، بنیادی برای خواص آنهاست. کریستال‌های شبه، از سوی دیگر، این تکرار ساده را به چالش می‌کشند. آنها نظم دوربرد را نشان می‌دهند، به این معنی که ساختار کلی آنها قابل پیش‌بینی و سازمان‌یافته است، اما چیدمان خاص اتم‌ها یا واحدهای آنها به روشی ساده و دوره‌ای تکرار نمی‌شود. این ویژگی منحصر به فرد منجر به کشف آنها در زمینه‌های مختلف شده است، از قطعات شهاب‌سنگ گرفته تا موادی که در اثر انفجارهای اتمی تولید شده‌اند.

آخرین کار نظری، که به arXiv.org ارائه شده است، بیان می‌کند که این ساختارهای شگفت‌انگیز می‌توانند به طور نظری نه تنها در سه بعد فضایی، بلکه در خود فضا-زمان – پیوستار چهاربعدی که فضا و زمان را در هم می‌آمیزد – وجود داشته باشند. این «کریستال‌های شبه‌زمانی» به جای محدود شدن به آرایش‌های فضایی، به طور ذاتی شامل ابعاد فضایی و زمانی خواهند بود و ساختاری پویا، منظم و در عین حال غیرتکراری را در چارچوب بنیادی جهان ایجاد می‌کنند.

فیزیکدان نظری فلیکس فلیکر از دانشگاه بریستول انگلستان، که مستقیماً در مطالعه شرکت نداشته اما با تحقیق آشناست، در مورد اهمیت یافته‌ها اظهار نظر کرد. فلیکر اذعان داشت: «احساس من این بود که احتمالاً ایجاد یک کریستال شبه‌زمانی واقعی امکان‌پذیر نخواهد بود.» با این حال، او موفقیت محققان را تأیید کرد و کار آنها را به عنوان پیشنهاد «زیباترین چیزهایی که می‌توان در فضا-زمان به عنوان یک موجودیت ترکیبی داشت» توصیف کرد.

یکی از جنبه‌های حیاتی این کریستال‌های شبه‌زمانی نظری، پایبندی آنها به تقارن لورنتس است. این اصل اساسی نسبیت خاص بیان می‌کند که قوانین فیزیک برای همه ناظران، صرف نظر از وضعیت حرکتی آنها، به ویژه در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور، یکسان است. بلورهای استاندارد و کریستال‌های شبه شناخته شده قبلی به طور ذاتی این تقارن را ندارند؛ ناظر در حال حرکت با سرعت بالا، به دلیل اثرات نسبیتی مانند انقباض طول، ساختار آنها را به طور متفاوتی درک خواهد کرد. با این حال، کریستال‌های شبه‌زمانی پیشنهادی به گونه‌ای فرموله شده‌اند که تحت تبدیلات لورنتس ناوردا باقی بمانند، به این معنی که ساختار منظم آنها برای یک ناظر ثابت همانطور به نظر می‌رسد که برای ناظر در حال حرکت با سرعتی نزدیک به نور به نظر می‌رسد.

ساختار ریاضی این کریستال‌های شبه‌زمانی شامل یک تکنیک پیچیده است. محققان با گرفتن یک برش چهاربعدی از یک شبکه نقاط با ابعاد بالاتر و سپس پرتاب این نقاط بر روی برش، آنها را مشتق کرده‌اند. عنصر حیاتی این است که این برش دارای شیب گنگ است – شیبی که نمی‌توان آن را به صورت یک کسر ساده از دو عدد صحیح بیان کرد، شبیه به عدد پی. این شیب گنگ تضمین می‌کند که برش هرگز مستقیماً با نقاط شبکه هم‌تراز نمی‌شود و در نتیجه ساختار مشخصه غیرتکراری اما منظم تولید می‌شود.

سوتریس میگدالاس از موسسه پریمیتر در واترلو، کانادا، یکی از نویسندگان همکار این مطالعه، پیشنهاد می‌کند که این چارچوب نظری ممکن است بیش از یک کنجکاوی صرفاً ریاضی باشد. میگدالاس اظهار داشت: «فضای-زمان که در آن زندگی می‌کنیم ممکن است یک کریستال شبه باشد»، که به پیامدهای عمیق برای کیهان‌شناسی و فیزیک بنیادی اشاره دارد.

مفهوم کریستال‌های شبه‌زمانی می‌تواند بینش‌های قابل توجهی را در مورد نظریه‌های گرانش کوانتومی ارائه دهد. این نظریه‌ها تلاش می‌کنند تا نسبیت عام را با مکانیک کوانتومی آشتی دهند و اغلب پیشنهاد می‌کنند که خود فضا-زمان در مقیاس‌های بسیار کوچک، دانه‌دار یا گسسته است. ماهیت منظم و غیرتکراری کریستال‌های شبه می‌تواند یک مدل ریاضی برای چگونگی ساختار فضا-زمان در این سطوح بنیادی، ضمن احترام به تقارن لورنتس، سنگ بنای فیزیک مدرن، فراهم کند.

علاوه بر این، این تحقیق به پیامدهای نظریه ریسمان می‌پردازد که وجود ابعاد فضایی اضافی فراتر از سه بعدی که ما درک می‌کنیم را فرض می‌کند. در حالی که نظریه ریسمان اغلب این ابعاد را به عنوان بیش از حد کوچک پیچیده شده برای شناسایی توضیح می‌دهد، مدل کریستال شبه‌زمانی یک جایگزین ارائه می‌دهد: هر ده بعد ممکن است به گونه‌ای پیچیده شده باشند که فضا-زمان پیوسته و به ظاهر بی‌نهایت را که ما تجربه می‌کنیم، از طریق مکانیسم گرفتن یک برش با شیب گنگ از یک فضای با ابعاد بالاتر، ایجاد کند.

خود محققان یافته‌های خود را «به اعتراف نیمه‌پخته» ('admittedly half-baked') توصیف می‌کنند و اذعان دارند که برای تأیید این ایده‌ها، نیاز به توسعه نظری بیشتر و شواهد تجربی وجود دارد. با این حال، جذابیت فکری غیرقابل انکار است. گریگوری مور، فیزیکدان نظری از دانشگاه راتگرز، که در مطالعه شرکت نداشت، این کار را «ریاضیات زیبا» ستود و در عین حال اشاره کرد که «فیزیک بسیار حدسی است». با این حال، این اکتشافات، هر چقدر هم که حدسی باشند، نمایانگر خط مقدم فیزیک نظری هستند، مرزهای درک ما را گسترش می‌دهند و به طور بالقوه حقایق عمیق‌تری را در مورد ساختار زیربنایی جهان آشکار می‌کنند.

خبرگزاری اخباری