جهان چگونه کار می کند؟ on Telegram: “عجیب اما واقعی: انرژی در جهان در حال انبساط پایس…”

عجیب اما واقعی: انرژی در جهان در حال انبساط پایسته نیست

قانون پایستگی انرژی (conservation of energy) یکی از اساسی‌ترین قوانین حاکم بر واقعیت ما است. اما در جهان در حال انبساط، این قانون نقض می‌شود.
یکی از مهمترین قوانین در تمام فیزیک، پایستگی انرژی است: که انرژی می تواند از شکلی به شکل دیگر تبديل می‌شود، اما هرگز از بین نمی‌رود و به‌وجود نمی‌آید. با این حال، در یک سطح بنیادی، این قانون به درستی عمل می‌کند زیرا یک تقارن اساسی وجود دارد که جهان از آن پیروی می کند: تقارن انتقال زمان (time-translation symmetry)، که از یک لحظه به لحظه دیگر یکسان است. ولی، این قانون در جهان در حال انبساط نقض می‌شود: جهان از یک لحظه به لحظه دیگر متفاوت است. در نتیجه، انرژی با مفاهیم واقعاً کیهانی پایسته نیست.
در تمام جهان، یکی از اساسی‌ترین قوانین، قانون پایستگی انرژی است. در ساده ترین شکل خود، بیان می کند که انرژی نه به‌وجود نی‌آید و نه از بین می رود، بلکه فقط از شکلی به شکل دیگر تبديل می شود. صرف نظر از تبدیلات بین اشکال مختلف انرژی، از جمله: انرژی پتانسیل گرانشی، انرژی شیمیایی، انرژی تابش، انرژی حرارتی (گرمایی)، انرژی جنبشی، انرژی جرم سکون و همچنین هر شکل دیگری از انرژی که در جهان وجود دارد.
مقدار کل انرژی "اولیه" و "نهایی" در هر سیستم فیزیکی باید همیشه با مقادیر یکسانی جمع شود.
اما یک دلیل اساسی برای اینکه چرا انرژی همیشه پایسته است، وجود دارد: به این دلیل است که یک تقارن فیزیکی وجود دارد که با مقدار انرژی پایسته مطابقت دارد. در این مورد، این ناوردایی (تغییرناپذیری) انتقال زمان است: این تصور که خواص فیزیکی و قوانین با زمان تغییر و تحول نمی‌یابد. اما یک خاصیّت فیزیکی بسیار مهم وجود دارد (نه در زمین، بلکه در مقیاس کیهانی) که در واقع با گذشت زمان تغییر و تحول می‌یابد، آن خاصیّت فاصله بین هر دو جرم کیهانی که از نظر گرانشی به هم مرتبط نیستند، می‌باشد. در جهان در حال انبساط، کهکشان های دوردست از یکدیگر فاصله می‌گیرند و با گذشت زمان این فاصله‌ها بیشتر می شوند.
آیا این بدان معناست که انرژی دیگر، در جهان در حال انبساط پایسته نمی‌ماند؟ به طرز عجیبی، در واقع همینطور است. همانطور که ممکن است عجیب به نظر برسد، در واقع درست است: انرژی در جهان در حال انبساط پایسته نیست. در اینجا علم چرایی آن را توضیح می‌دهد.
در سال 1915، اتفاق جالبی در دنیای ریاضیات رخ داد. این اتفاق در مورد انتشار نسبیت عام انیشتین که نحوهٔ نگرش ما به گرانش، فضا-زمان و رفتار خود کیهان را تغییر داد، نيست. بلکه این اتفاق در مورد اثبات یک قضیهٔ بسیار ناچیز اما عمیق توسط ریاضیدان امی نوتر است، که به قضیهٔ نوتر (Noether's theorem) معروف است. این اثبات برای اولین بار نشان داد که هرگاه شما یک سیستم فیزیکی با نیروهای پایستار مؤثر (برابر و متضاد) داشته باشید که "کنش" آن دارای تقارن قابل تمایز است، آنگاه هر تقارن متمایزپذیر مستقلی که دارد به یک قانون پایستگی مرتبط و یک "کمیت پایسته" با ارتباط بیشتر منجر خواهد شد.
به عبارت ساده، به این معنی است که هر بار که شما یک تقارن فیزیکی با سیستم فیزیکی خود دارید، چیزی فیزیکی مرتبط با سیستم شما وجود دارد که پایسته خواهد بود. به عنوان مثال، اگر سیستم متحرک شما تحت چرخش متقارن باشد، صرف نظر از جهت گیری آن، به این معنی است که تکانهٔ زاویه ای پایسته است. این تنها برای اجسام کروی صادق نیست؛ ماه که به دور زمین می چرخد و منظومهٔ زمین-ماه که به دور خورشید می چرخد، تکانهٔ زاویه ای همچنان پایسته‌ای دارد، زیرا مهم نیست که این سیستم مداری را چگونه جهت دهید، قوانین فیزیکی آن تغییر نمی کند.
مثال دیگر این است که اگر سیستم شما تحت انتقال های فضایی متقارن باشد (یعنی موقعیت مختصات شما تغییر کند) در این صورت تکانهٔ خطی پایسته است. بنابراین کدام تقارن منجر به پایستگی انرژی می شود؟ این تقارنی است که به نام ناوردایی انتقال زمان (time-translation invariance) شناخته می شود. این می گوید که قوانین فیزیک، یا قاعده‌هایی که ذرات و میدان ها بر اساس آن نقش خود را ایفا می کنند، چه هر سیستم فیزیکی را در زمان به جلو ببریم چه عقب ببریم، بدون تغییر باقی می مانند.
به نظر می رسد که این به شدت یکی از خاصیّت‌های همهٔ قوانین کوانتومی ما در فیزیک است که بر ذرات منفرد و همچنین بر همهٔ میدان های کوانتومی حاکم است. همچنین بر ذرات به صورت مجزا و ذراتی که باهم برهمکنش دارند حاکم است؛ و باز همچنین بر ایجاد و انهدام جفت ذرات- پادذرات حاکم است. و بر هر آزمایش گرانشی که تا به حال روی زمین، در منظومهٔ شمسی، و حتی در کهکشان راه شیری انجام داده ایم، حاکم می باشد.

ادامهٔ مطلب
-
«Channel of Science is for all»