رازی داغ در دل مهبانگ؛ رفتار جهان در نخستین ریزثانیه‌ها چه‌گونه بوده است؟
به گزارش ایتنا و به نقل از اینترستینگ انجینیرینگ، این حالت عجیب که با عنوان «پلاسمای کوارک-گلوئون» شناخته می‌شود، فقط چند ریزثانیه دوام آورد. سپس با کاهش دما به حدود ۲۰ تریلیون کلوین، ذرات یادشده آرام‌آرام منجمد شدند و ماده‌ای را شکل دادند که امروزه آن را می‌شناسیم.
سال‌هاست که دانشمندان تلاش می‌کنند این فاز اولیهٔ کیهان را با قوانین بنیادی فیزیک توصیف کنند، اما نیروی هسته‌ای قوی – که وظیفهٔ نگه‌داشتن کوارک‌ها در کنار هم را بر عهده دارد – آن‌قدر پیچیده است که نمی‌توان آن را با ابزارهای ریاضی معمول تحلیل کرد. در نتیجه، بیشتر مدل‌ها از توصیف دقیق رفتار این پلاسما ناتوان بوده‌اند.
اکنون پژوهشگران ایتالیایی با روشی نوین توانسته‌اند معادله‌ای دقیق برای رابطهٔ دما، فشار و انرژی در این فاز آغازین کیهان استخراج کنند؛ معادله‌ای که تصویر واضح‌تری از نقش نیروی قوی در شکل‌گیری جهان ترسیم میکند.
گفتنی است که نیروی قوی، برخلاف گرانش یا الکترومغناطیس، به‌راحتی قابل پیش‌بینی نیست. ضریب کوپلینگ آن – یعنی عددی که شدت نیرو بین ذرات را نشان می‌دهد – کوچک نیست، و همین باعث می‌شود که ریاضیاتی مثل نمودارهای فاینمن نتوانند آن را گام‌به‌گام تحلیل کنند.
در واقع، در این دماهای بالا، تصحیحات مرتبه‌بالا در نظریه، به‌جای کاهش، دچار آشفتگی می‌شوند.
برای حل این مشکل، فیزیک‌دانان به «کرومودینامیک کوانتومی شبکه‌ای» یا lattice QCD روی آوردند؛ روشی که با شبیه‌سازی فضا-زمان در قالب یک شبکهٔ چهاربعدی، رفتار ذرات را مرحله‌به‌مرحله محاسبه میکند.
اما حتی این روش نیز تاکنون محدودیت‌هایی داشت، چراکه نمی‌توانست دماهایی فراتر از ۱ گیگاالکترون‌ولت (۱ GeV = ۱۱٫۶ تریلیون کلوین) را پوشش دهد. این مقدار بسیار پایین‌تر از دمای «گذار الکتروضعیف» (حدود ۱۰۰ GeV) است؛ لحظه‌ای که در آن ذرات جرم‌دار شدند.
بر این اساس، تیم تحقیقاتی ایتالیایی با ترکیب lattice QCD و شبیه‌سازی مونت‌کارلو – روشی که از نمونه‌گیری تصادفی برای حل مسائل پیچیده بهره می‌برد – توانست محدودیت‌ها را بشکند.
آن‌ها فرض کردند جهانی متشکل از سه نوع کوارک بی‌جرم وجود دارد؛ زیرا در دماهای بسیار بالا، جرم اندک کوارک‌ها (کم‌تر از ۵۰۰ MeV/c²) در برابر انرژی کلی ناچیز به‌نظر می‌رسد.
با این تنظیمات، آن‌ها محاسبات را در گستره‌ای از دما، از سه GeV تا ۱۶۵ GeV انجام دادند؛ یعنی درست پیش از گذار الکتروضعیف. در نتیجه، توانستند معادله‌ای برای چگالی آنتروپی پلاسما استخراج کرده و از آن، مقادیر فشار و چگالی انرژی را با روابط ترمودینامیکی محاسبه کنند.
نکتهٔ مهم آن‌که توانستند خطاهای ناشی از استفاده از شبکه را – که به آن‌ها «ناهنجاری‌های شبکه‌ای» گفته می‌شود – تا حد زیادی کاهش دهند. این کار با تنظیم فاصلهٔ بین نقاط شبکه به تقریباً صفر انجام شد، که سبب شد نتایج، بازتاب‌دهندهٔ جهان واقعی و پیوسته باشند، نه صرفاً یک شبیه‌سازی رایانه‌ای.
نویسندگان مقاله اظهار داشته‌اند: «ناهنجاری‌های شبکه‌ای در این پژوهش بسیار اندک بوده‌اند. این یک پیشرفت چشمگیر نسبت به شبیه‌سازی‌های پیشین پلاسما است که تنها در دماهای زیر یک GeV امکان‌پذیر بودند.»
یافته‌های آن‌ها شگفت‌انگیز است. حتی در دماهای بسیار بالا، کوارک‌ها و گلوئون‌ها رفتاری آزاد از خود نشان نمی‌دادند. نیروی قوی هنوز هم کنترل‌کننده بود و نقش آن در کیهان بسیار زودتر از آن چیزی آغاز شده بود که پیش‌تر تصور می‌شد.
چرا این یافته‌ها اهمیت دارد؟
این مدل جدید، دیدگاه دانشمندان دربارهٔ لحظات اولیهٔ جهان را دقیق‌تر میکند و کمک میکند بفهمیم که ماده چه‌گونه شکل گرفت و نیروهای بنیادی چه مسیری را طی کردند.
همچنین این مطالعه نشان می‌دهد که ترکیب lattice QCD با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای هوشمند، ابزاری بسیار کارآمدتر از روش‌های قدیمی برای تحلیل رفتار پلاسمای کوارک-گلوئون است. البته پژوهشگران تأکید کرده‌اند که برای بهبود بیشتر دقت این نتایج، به توان محاسباتی بالاتری نیاز است.
