شکاکان به ایجاد انفجار بزرگ در تلاش های خود برای جلوگیری از ایده آغاز جهان ما و در نتیجه دلالت یک عامل سببی (عِلّی)، به شکافی زمانی اشاره می کنند. یک کشف جدید در مورد تابش پرتو گاما از یک کهکشان فوق غول‌پیکر میتواند به شکافی از اوایل تاریخ کیهان در «دورانی» (لحظه‌ای بسیار کوتاه پس از آغاز) به نام گرانش کوانتومی اشاره داشته باشد.
اتاق ویگل بیگ بنگ؟
همانطور که در کتابم به نام خالق و کیهان توضیح داده ام، آخرین حفره برای فرار از نظریه آغاز کیهانی که دلالت بر وجود عاملی فراتر از مکان و زمان (خدای کتاب مقدس) دارد، حدس و گمان در مورد عصر گرانش کوانتومی است.1 البته «عصر» نام اشتباهی است، این شکاف به زمانی در تاریخ جهان در حال انبساط اشاره دارد که در آن جهان کوچکتر از قطر یک ذره اساسی بوده و در زمینه مدل ایجاد مهبانگ، به زمانی اشاره دارد که کیهان کمتر از 10-43 ثانیه سن داشته است!
عصر گرانش کوانتومی آن لحظه نامحسوس کوتاهی است که:
هر چهار نیروی اساسی فیزیک (الکترومغناطیس، نیروی هسته ای ضعیف، نیروی هسته ای قوی و گرانش) در یک نیروی واحد متحد شدند.
در آن دیگر نمی توان تأثیرات مکانیک کوانتومی در اداره دینامیک جهان و نحوه ادغام آن تاثیرات با اثرات گرانشی را نادیده گرفت.
چگالی انرژی جهان به قدری شدید است که هیچ ابزار یا آزمایش قابل تصوری قادر به تکرار وشبیه سازی آن چگالی انرژی برای تعیین آنچه در آن شرایط اتفاق می افتد نیست.
محدودیت تجربی همراه با فقدان یک نظریه گرانش کوانتومی قابل آزمایش، برخی از فیزیکدانان نظری را برانگیخت تا حدس بزنند که شاید جهان هیچ آغازی نداشته و در نتیجه نیازی به آفریننده کیهانی نیز نداشته باشد. به عبارت دیگر، این فیزیکدانان از ناآگاهی ما در مورد عصر گرانش کوانتومی سوء استفاده می‌کنند تا حدس بزنند که شاید برخی فیزیک‌های عجیب و ناشناس در عصر گرانش کوانتومی کار می‌کردند که امکان گریز احتمالی از آغاز کیهانی را فراهم می‌کرده اند. من برخی از آخرین نتایج تجربی را در چندین بخش بعدی خلاصه خواهم کرد. با توجه به اینکه همه خوانندگان به جزئیات فنی نیازی ندارند، میتوانند با صرفنظر از این بخش به راحتی به بخش «پیامدهای ایجاد» بروند.
محدود کردن ناشناخته ها
همیشه چیزی ناشناخته در مورد جهان وجود خواهد داشت. بنابراین، شکاکان می توانند در مورد فیزیک عجیب و ناشناسی که به نوعی همه آنچه دانشمندان در مورد جهان شناخته شده می دانند را خنثی می کند، حدس و گمان بزنند. با این اوصاف، ما می‌توانیم آنچه را که می‌دانیم تأیید کنیم و با عقب راندن مرزهای دانش، گمانه‌زنی‌ها را درباره چیزهایی که نمی‌دانیم محدود کنیم. تشبیهی که در کتاب خالق و کیهان ارائه دادم این است که مثلا حدس بزنم که همسر 41 ساله من میتواند واقعاً وجود نداشته باشد و2 اعتراف کنم که در تمام این سال ها فریب نوعی هولوگرام سه بعدی بسیار پیچیده را که با هوش مصنوعی تعبیه شده است، خورده ام. یکی از راه‌هایی که می‌توانم بیشتر به قلمرو ناباوری برگردم، انجام آزمایشها و مشاهدات بیشتر و بیشتر بر روی همسرم است.
در شماره اخیر مجله Astrophysical، تیمی متشکل از 228 ستاره شناس گزارش داده اند که چگونه مشاهدات آنها بر روی پرتوهای گامای ساطع شده از بلازار Mrk 501 (شکل 1) مدل‌های گرانش کوانتومی که حدس می زنند تقارن لورنتس در دوران گرانش کوانتومی شکسته شده است را محدود می کنند.3تغییر ناپذیری لورنتس یا تقارن لورنتس این گزاره است که قوانین فیزیک برای ناظران مختلف بدون توجه به موقعیت، سرعت یا چرخش آنها یکسان است. این یک اصل بنیادی نسبیت خاص است.
بلازار یک کهکشان فوق غول است که درهسته سیاهچاله عظیمی که در آن جت (فوران) پرتوهای قدرتمندی که به سمت زمین نشانه می روند تولید می گردد (شکل 2). این جت ها در سراسر طیف الکترومغناطیسی شعله ور می شوند و زبانه میکشند. پرتوهای گاما با بالاترین انرژی در این شعله‌ها به اخترشناسان اجازه می‌دهند تا تأثیرات انتشار را بررسی کنند که میزان عدم تغییر لورنتز را تعیین می‌کند.
شکل 1: The Blazar, Markarian 501 اعتبار تصویر: Sloan Digital Sky Survey
شکل 2 : ایده هنرمند از یک سیاهچاله فوق عظیم در حال تولید بلازار. اعتبار تصویر: رابرت هرت، ناسا/JPL-Caltech
تأییدیه‌های محلی تغییر ناپذیری لورنتس
در آزمایشگاه و در داخل منظومه شمسی، عدم تغییر لورنتز به میزان فوق العاده بالایی تایید شده است. به عنوان مثال، محدودیتی در تغییرات فرکانس سیکلوترون آنتی پروتون در سطح 10-26 ایجاد شده است.4 دیوید متینگلی، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا، درمروری با دسترسی آزاد به داده های آزمایشگاهی نوشته است که آزمایشها تأییدات درجه بالایی از تغییر ناپذیری لورنتس را به دست می‌دهند.5در وبلاگ خود در 18 دسامبر 2017 گزارش دادم که چگونه داده‌های 48 ساله آزمایش‌های مسافت یابی لیزری ماه، محدودیت‌های بالایی را برای نقض احتمالی تغییر ناپذیری لورنتس در مقیاس سیستم خورشیدی قرار داده است که 100 تا 1000 برابر برتر از بهترین اندازه‌گیری‌های قبلی بود.6
گمانه زنی های گرانشی کوانتومی محدود کننده
چندین رویکرد گرانش کوانتومی نیاز به شکستن تقارن لورنتس در مقیاس های انرژی مربوط به دوران گرانش کوانتومی دارند که در غیر این صورت مقیاس پلانک یا انرژی پلانک نامیده می شود که برابر است با 1.22 x 1019 GeV ( 1.96 میلیارد ژول یا 543 کیلووات ساعت).7 انرژی پلانک معادل انرژی شیمیایی 57.2 لیتر (15.1 گالن) بنزین است که در یک ذره زیراتمی فشرده شده باشد.
یک مشکل عمده برای محدودیت‌های رصدی و تجربی در خصوص گمانه‌زنی‌های گرانش کوانتومی این است که فوتون‌های با بالاترین انرژی مشاهده شده توسط ستاره‌شناسان در حدود 400 گیگا ولت8 و بالاترین انرژی‌های شتاب‌دهنده ذرات در حدود 1300 گیگا ولت هستند.9 یعنی مشاهدات و آزمایش‌های مستقیم با ضریب ده کوادریلیون برای رسیدن به انرژی پلانک فاصله دارند. (برای رسیدن به انرژی پلانک به یک شتاب دهنده ذره ای به طول 170 کوادریلیون مایل یا 29000 سال نوری نیاز است!) با این حال، بر اساس پیش بینی های تغییر ناپذیری لورنتس در سطح انرژی پلانک، به طور بالقوه پیامدهای قابل مشاهده ای برای ذرات و فوتون های پر انرژی که فواصل بسیار زیادی را طی می کنند، قابل انتظاراست. فضای بین ستاره ای یا بین کهکشانی چنین مشاهداتی به عنوان اندازه گیری زمان پرواز نوترینوها و فوتون های پرانرژی از منابع دور شناخته می شود.
در شماره ژوئن 2019 مجله اخترفیزیک انرژی بالا، تیمی متشکل از ده ستاره شناس و فیزیکدان چینی در مورد تجزیه و تحلیل خود در سال 2018 از کشف یک نوترینوی پرانرژی (2.9 x 105 GeV) همزمان با شعله ور شدن زبانه های بلازار TXS 0506+056 خبر دادند.9 این بلازار حدود 5.7 میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارد. این تنها سومین جرم نجومی است (دو مورد دیگر خورشید و ابرنواختر 1987A در ابر ماژلانی بزرگ در فاصله 168000 سال نوری) که فیزیکدانان، نوترینوها را در آن کشف کرده اند.
این تیم نشان داد که ارتباط و همزمانی نوترینو با زبانه های بلازار محدودیت‌هایی را در مقیاس‌های انرژی گرانش کوانتومی برای نقض‌های خطی در بیشتر از(GeV (3.2–37 x 1015 و برای درجه دوم ثابت لورنتس بیشتر از (4.0–14 x 1010 GeV) ایجاد می‌کند. در حالی که این محدودیت ها 330 برابر کمتر از مقیاس پلانک هستند، نشان دهنده ضریب بهبود صد هزار برابری در حدود تعیین شده قبلی در مقیاس های انرژی نقض ناپذیری خطی لورنتس در انتشار نوترینو هستند.
در شماره سپتامبر 2017 سری مکمل مجله Astrophysical، تیمی متشکل از 145 ستاره شناس گزارش کردند که هیچ تغییری در زمانهای برخورد با توجه به سطوح انرژی پرتوهای گامای پرانرژی ساطع شده توسط تپ اختر سحابی خرچنگ پیدا نکرده اند. بر این اساس، آنها محدودیت‌هایی را در مقیاس انرژی نقض ناپذیری لورنتس به ترتیب بیشتر از (5.5 x 1017 GeV) برای یک سناریوی خطی و بیشتر از (5.9 x 1010 GeV) برای یک سناریوی درجه دوم تعیین کردند.10 در اینجا، حد تعیین شده در مقیاس انرژی نقض ناپذیری خطی لورنتس تنها 22 برابر مقیاس پلانک است.
تیمی متشکل از 228 ستاره شناس که قبلاً ذکر شد، بهترین حد را تا به امروز درمقیاس های انرژی نقض ناپذیری لورنتس تعیین کرده اند. محدودیت آنها از تجزیه و تحلیل مشاهدات پرتوهای گامای 100+ GeV با آرایه فاز دوم سیستم استریوسکوپی انرژی بالا (H.E.S.S.) از تلسکوپ‌های چرنکوف (شکل 3) طی رصد یک شعله درخشان بلازار Mrk 501 در شب 23 تا 24 ژوئن 2014 به دست آمده است. این 228 ستاره شناس برای سناریوی خطی با استفاده از رویکرد طیفی بر روی پرتوهای گامای مشاهده شده، حدی بیش از((2.6 x 1019 GeV و برای سناریوی درجه دوم، حدی بیش از (7.8 x 1011 GeV) تعیین کردند.11
شکل 3: آرایه فاز دوم سیستم استریوسکوپی انرژی بالا از تلسکوپ های چرنکوف در نامیبیا. اعتبار تصویر: Klepser, DESY, H.E.S.S. Collaboration, Creative Commons Attribution
مفاهیم آفرینش
برای اولین بار، دانشمندان حد اندازه گیری شده ای (بیش از ضریب دو) را فراتر از مقیاس پلانک تعیین کردند. فقدان سیگنال مثبت نقض لورنتس در این مشاهدات جدید، کیهان‌شناسان و فیزیکدانان نظری را ملزم می‌کند تا کلاس‌های نظریه‌های گرانش کوانتومی/مدل‌های فضا-زمان را که باید در نظر بگیرند، محدود کنند.
پیشرفتهای علمی برخی از گمانه‌زنی‌های غیرخداپرستانه درباره دوران گرانش کوانتومی را محدود کرده است و به نظر می رسد این روزنه تا حدودی بسته شده است. این پیشرفت نشان می‌دهد که هر چه مرزهای دانش علمی خود را از جهان عقب‌تر می‌زنیم، گمانه زنی توضیحی غیرخداگرایانه برای جهان سخت‌تر می‌شود و شواهد برای مدل آفرینش کیهانی کتاب مقدس قوی‌تر می‌شوند.12
Abdalla et al., “The 2014 TeV g-Ray Flare of Mrk 501 Seen with H.E.S.S.: Temporal and Spectral Constraints on Lorentz Invariance Violation,” Astrophysical Journal 870, no. 2 (January 10, 2019): id. 93, doi:10.3847/1538-4357/aaf1c4.
G. Gabrielse et al., “Precision Mass Spectroscopy of the Antiproton and Proton Using Simultaneously Trapped Particles,” Physical Review Letters 82 (April 19, 1999): 3198–3201,doi:10.1103/PhysRevLett.82.3198.
David Mattingly, “Modern Tests of Lorentz Invariance,” Living Reviews in Relativity 8, no. 5 (December 2005): id. 5, doi:10.12942/lrr-2005-5.
MAGIC Collaboration, “Constraining Lorentz Violation Using the Crab Pulsar Emission Observed up to TeV Energies by MAGIC,” Astrophysical Journal Supplement Series 232, no. 1 (September 2017): id. 9, doi:10.3847/1538-4365/aa8404.
Jun-Jie Wei et al., “Multimessenger Tests of Einstein’s Weak Equivalence Principle and Lorentz Invariance with a High-Energy Neutrino from a Flaring Blazar,” Journal of High Energy Astrophysics 22 (June 2018): 1–4, doi:10.1016/j.jheap.2019.01.002.
