المُقدّمة
يعتقد الفيزيائيون أنهم اكتشفوا عدم تناسق مذهل في ترتيبات المجرات في السماء. إذا تم تأكيده ، فإن النتيجة ستشير إلى سمات القوانين الأساسية غير المعروفة التي عملت أثناء الانفجار العظيم.
قال: "إذا كانت هذه النتيجة حقيقية ، فسيحصل شخص ما على جائزة نوبل" مارك كاميونكوفسكي، عالم فيزياء في جامعة جونز هوبكنز لم يشارك في التحليل.
كما لو كانوا يلعبون لعبة كونية من Connect the Dots ، رسم الباحثون خطوطًا بين مجموعات من أربع مجرات ، وقاموا ببناء أشكال رباعية الزوايا تسمى رباعي السطوح. عندما قاموا ببناء كل رباعي السطوح ممكن من كتالوج من مليون مجرة ، وجدوا أن رباعي الوجوه الموجهة بطريقة واحدة تفوق عدد صور المرآة الخاصة بهم.
كان أول ما يشير إلى عدم التوازن بين رباعي السطوح وصورهم المرآة وذكرت by أوليفر فيلكوكس، عالم الفيزياء الفلكية بجامعة كولومبيا في نيويورك ، في ورقة بحثية نُشرت في مراجعة البدنية د في سبتمبر. في تحليل مستقل يتم إجراؤه في وقت واحد يخضع الآن لمراجعة الأقران ، جيامين هوى و زكاري سلبيان من جامعة فلوريدا و روبرت كان مختبر لورنس بيركلي الوطني الكشف عن عدم التناسق مع مستوى اليقين الإحصائي الذي يعتبره الفيزيائيون عادةً محددًا.
ولكن مع مثل هذا الاكتشاف الرائج - والذي لا يزال قيد المراجعة - يقول الخبراء إن الحذر مطلوب.
قال "ليس هناك سبب واضح لارتكابهم خطأ" شون هوتشكيس، عالم الكونيات بجامعة أوكلاند. "هذا لا يعني أنه ليس هناك خطأ."
ينتهك عدم التوازن المفترض تناظرًا يسمى "التكافؤ" ، وهو ما يعادل اليسار واليمين. إذا قاومت الملاحظة التدقيق ، يعتقد الفيزيائيون أنه يجب أن تعكس عنصرًا غير معروف ينتهك التكافؤ في العملية البدائية التي زرعت بذور كل الهياكل التي نشأت في كوننا.
قال كاميونكوفسكي: "إنها نتيجة مذهلة - رائعة حقًا". "هل أصدق ذلك؟ سأنتظر للاحتفال حقًا ".
الكون أعسر
كان التكافؤ في يوم من الأيام تناسقًا عزيزًا في الفيزياء. ولكن بعد ذلك ، في عام 1957 ، قام الفيزيائي الأمريكي الصيني شين شيونغ وو بتجارب الاضمحلال النووي كشف أن كوننا لديه حقًا طفيف في التعامل معه: الجسيمات دون الذرية المشاركة في القوة النووية الضعيفة ، والتي تسبب الانحلال النووي ، دائمًا ما تكون موجهة مغناطيسيًا في الاتجاه المعاكس للاتجاه الذي تتحرك فيه ، بحيث تكون حلزونية مثل خيوط اليسار المسمار باليد. لا تشعر جسيمات الصورة المرآة - تلك التي تشبه براغي اليد اليمنى - بالقوة الضعيفة.
كان إعلان وو صادمًا. كتب الفيزيائي جون بلات في رسالة إلى فولفغانغ باولي: "لقد صدمنا جميعًا بوفاة صديقنا الحبيب ، التكافؤ".
إن استخدام اليد اليسرى للقوة الضعيفة له تأثيرات خفية لا يمكن أن تؤثر على الكون على المقاييس المجرية. ولكن منذ اكتشاف وو ، سعى الفيزيائيون إلى طرق أخرى يختلف بها الكون عن صورته المرآة.
على سبيل المثال ، إذا كان بعض انتهاك التكافؤ البدائي ساري المفعول عندما كان الكون في مهده ، فقد يكون قد أثر على بنية الكون.
في وقت ولادة الكون أو بالقرب منه ، يُعتقد أن مجالًا يُعرف باسم inflaton قد تغلغل في الفضاء. وسط هائج وغليان حيث تتفجر جسيمات التدفق باستمرار وتختفي ، كان مجال النفخ أيضًا مثيرًا للاشمئزاز ؛ للوقت القصير الذي قد يكون موجودًا ، كان من الممكن أن يتسبب في توسع كوننا بسرعة إلى 100 تريليون تريليون ضعف حجمه الأصلي. كل تلك التقلبات الكمومية للجسيمات في مجال التضخم تم قذفها إلى الخارج وتجميدها في الكون ، لتصبح تغيرات في كثافة المادة. استمرت الجيوب الأكثر كثافة في الالتحام جاذبيًا لإنتاج المجرات والبنية واسعة النطاق التي نراها اليوم.
في عام 1999 ، باحثون من بينهم Kamionkowski نظرت ماذا سيحدث لو كان هناك أكثر من حقل واحد قبل هذا الانفجار. يمكن أن يتفاعل حقل inflaton مع مجال آخر يمكن أن ينتج جسيمات بيد اليمنى واليسرى. إذا تعامل النفخ مع الجسيمات اليمنى بشكل مختلف عن الجسيمات اليسرى ، فمن الممكن أن يكون قد خلق بشكل مفضل جسيمات يد واحدة على الأخرى. كان من شأن اقتران Chern-Simons المزعوم أن يشبع التقلبات الكمومية المبكرة مع تفضيل اليد ، والذي كان من الممكن أن يتطور إلى اختلال في ترتيبات المجرات الرباعية السطوح اليسرى واليمنى.
بالنسبة لما قد يكون عليه المجال الإضافي ، فإن أحد الاحتمالات هو مجال الجاذبية. في هذا السيناريو ، سيحدث تفاعل Chern-Simons الذي ينتهك التكافؤ بين جسيمات inflaton و gravitons - الوحدات الكمومية للجاذبية - والتي كانت ستظهر في مجال الجاذبية أثناء التضخم. كان من الممكن أن يؤدي مثل هذا التفاعل إلى تباين في كثافة تباينات الكون المبكر ، وبالتالي في بنية اليوم واسعة النطاق.
المُقدّمة
في 2006، ستيفون الكسندر، عالم فيزياء الآن في جامعة براون ، اقترح أن جاذبية تشيرن سيمونز يمكن أن تحل أيضًا أحد أكبر الألغاز في علم الكونيات: لماذا يحتوي كوننا على مادة أكثر من المادة المضادة. لقد اعتقد أن تفاعل Chern-Simons كان من الممكن أن ينتج وفرة نسبية من الجرافيتونات اليسرى ، والتي بدورها ستخلق بشكل مفضل مادة أعسر على المادة المضادة اليمنى.
ظلت فكرة الإسكندر غامضة نسبيًا لسنوات. عندما سمع عن النتائج الجديدة ، قال: "كانت تلك مفاجأة كبيرة".
تتراهيدرا في السماء
كان كان يعتقد أن إمكانية حل لغز عدم تناسق المادة والمادة المضادة مع انتهاك التكافؤ في الكون المبكر كان "تخمينيًا ، ولكنه أيضًا استفزازي". في عام 2019 ، قرر البحث عن انتهاك التكافؤ في كتالوج المجرات في مسح Sloan Digital Sky Survey. لم يكن يتوقع العثور على أي شيء ولكنه اعتقد أنه يستحق الشيك.
لاختبار ما إذا كان توزيع المجرات يحترم التكافؤ أو ينتهكه ، كان هو ومعاونوه يعلمون أنهم بحاجة إلى دراسة الترتيبات الرباعية السطوح لأربع مجرات. هذا لأن رباعي الوجوه هو أبسط شكل ثلاثي الأبعاد ، والأجسام ثلاثية الأبعاد فقط لديها فرصة لانتهاك التكافؤ. لفهم هذا ، فكر في يديك. نظرًا لأن العقارب ثلاثية الأبعاد ، فلا توجد طريقة لتدوير اليد اليسرى لتبدو وكأنها اليمنى. اقلب يدك اليسرى بحيث يكون إبهام كلتا يديك على اليسار ، ولا تزال يداك تبدو مختلفة - راحتا اليدين متقابلتان. على النقيض من ذلك ، إذا قمت بتتبع يد يسرى على ورقة وقمت بقص الصورة ثنائية الأبعاد ، فإن قلب القصاصة يجعلها تبدو وكأنها اليد اليمنى. لا يمكن تمييز الفاصل وصورة المرآة.
في عام 2020 ، توصل كل من سلبيان وكاهن إلى طريقة لتعريف "استخدام اليد" لترتيب المجرات رباعي السطوح من أجل مقارنة عدد المجرات اليسرى واليمنى في السماء. في البداية أخذوا مجرة ونظروا إلى المسافات إلى ثلاث مجرات أخرى. إذا زادت المسافات في اتجاه عقارب الساعة مثل المسمار الأيمن ، فقد أطلقوا على رباعي السطوح اليد اليمنى. إذا زادت المسافات تسير عكس اتجاه عقارب الساعة ، فهذا يعني أنها أعسر.
لتحديد ما إذا كان الكون ككل يتمتع بسلطة مفضلة ، كان عليهم تكرار التحليل لجميع رباعي السطوح الذي تم إنشاؤه من قاعدة بياناتهم المكونة من مليون مجرة. هناك ما يقرب من 1 تريليون تريليون من هذا النوع رباعي السطوح - قائمة صعبة الحل للتعامل مع واحد تلو الآخر. ولكن تطورت خدعة التخصيم في العمل في وقت سابق في مشكلة مختلفة سمحت للباحثين بالنظر إلى تكافؤ رباعي الوجوه بشكل أكثر شمولية: بدلاً من تجميع واحد رباعي السطوح في وقت واحد وتحديد تكافؤها ، يمكنهم أخذ كل مجرة على التوالي وتجميع جميع المجرات الأخرى وفقًا لمسافاتها من تلك المجرة ، خلق طبقات مثل طبقات البصل. من خلال التعبير عن المواضع النسبية للمجرات في كل طبقة من حيث الوظائف الرياضية للزوايا المسماة التوافقيات الكروية ، يمكنهم بشكل منهجي الجمع بين مجموعات من ثلاث طبقات لتكوين رباعي السطوح جماعي.
ثم قارن الباحثون النتائج بتوقعاتهم بناءً على قوانين الفيزياء التي تحافظ على التكافؤ. قاد هو هذه الخطوة بتحليل الكتالوجات المزيفة للمجرات التي تم إنشاؤها عن طريق محاكاة تطور الكون بدءًا من اختلافات صغيرة في الكثافة تحافظ على التكافؤ. من خلال هذه الفهارس الصورية ، تمكنت هو وزملاؤها من تحديد كيفية تباين إحصاء رباعي السطوح الأيمن والأيسر بشكل عشوائي ، حتى في عالم متماثل المرآة.
وجد الفريق مستوى "سبعة سيجما" لانتهاك التكافؤ في البيانات الحقيقية ، مما يعني أن عدم التوازن بين رباعي السطوح الأيمن والأيسر كان أكبر بسبعة أضعاف مما يمكن توقعه من الصدفة العشوائية ومصادر الخطأ الأخرى التي يمكن تصورها.
وصفها كاميونكوفسكي بأنها "لا تصدق أنهم كانوا قادرين على فعل ذلك" ، مضيفًا أنه "تقنيًا ، إنه أمر مذهل للغاية. إنه تحليل معقد حقًا حقًا ".
استخدم Philcox طرقًا مماثلة (وشارك في تأليف بعض الأوراق البحثية السابقة التي تقترح مثل هذا التحليل مع Hou و Slepian و Cahn) ، لكنه اتخذ بعض الخيارات المختلفة - على سبيل المثال ، تجميع المجرات في طبقات أقل من هو وزملائه ، وحذف بعض المشكلات. رباعي السطوح من التحليل - وبالتالي وجدت انتهاكًا أكثر تواضعًا من 2.9 سيغما للتكافؤ. يدرس الباحثون الآن الاختلافات بين تحليلاتهم. حتى بعد الجهود المكثفة لفهم البيانات ، تظل جميع الأطراف حذرة.
الأدلة المؤيدة
يلمح الاكتشاف المفاجئ إلى فيزياء جديدة يمكن أن تجيب على أسئلة طويلة الأمد حول الكون. لكن العمل قد بدأ للتو.
يحتاج الفيزيائيون أولاً إلى التحقق من (أو تزوير) الملاحظة. تجري بالفعل مسوحات جديدة وطموحة حول المجرات لتكرار التحليل. المسح الطيفي للطاقة المظلمة المستمر ، على سبيل المثال ، قد سجل 14 مليون مجرة حتى الآن وسيحتوي على أكثر من 30 مليون عند اكتماله. قال كان: "سوف يمنحنا ذلك فرصة للنظر إلى هذا بتفصيل أكبر بكثير مع إحصائيات أفضل بكثير".
المُقدّمة
علاوة على ذلك ، إذا كانت إشارة انتهاك التكافؤ حقيقية ، فقد تظهر في بيانات أخرى غير توزيع المجرات. أقدم ضوء في السماء ، على سبيل المثال - حمام من الإشعاع المعروف باسم الخلفية الكونية الميكروية ، المتبقية من الكون المبكر - يوفر لنا أول لقطة للتغيرات المكانية في الكون. يجب أن يحتوي النمط المرقط لهذا الضوء على نفس الارتباطات المخالفة للتكافؤ مثل المجرات التي تشكلت لاحقًا. يقول الفيزيائيون إنه يجب أن يكون من الممكن العثور على مثل هذه الإشارة في الضوء.
هناك مكان آخر يجب البحث فيه وهو نمط موجات الجاذبية التي ربما تكون قد نشأت أثناء التضخم ، والتي تسمى خلفية موجة الجاذبية العشوائية. يمكن أن تكون هذه التموجات الشبيهة بالمفتاح في نسيج الزمكان في اليد اليمنى أو اليسرى ، وفي عالم يحافظ على التكافؤ ، قد تحتوي على كميات متساوية من كل منهما. لذلك إذا تمكن الفيزيائيون من قياس هذه الخلفية ووجدوا أن استخدام اليد الواحدة مفضل ، فسيكون هذا فحصًا لا لبس فيه ومستقل للفيزياء التي تنتهك التكافؤ في الكون المبكر.
مع بدء البحث عن الأدلة الداعمة ، سيدرس المنظرون نماذج التضخم التي كان من الممكن أن تنتج الإشارة. مع جيوفاني كاباس، عالم فيزياء نظرية في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون ، نيو جيرسي ، استخدم فيلكوكس قياسه مؤخرًا من أجل اختبار عدد كبير من النماذج المخالفة للتكافؤ من التضخم ، بما في ذلك من نوع تشيرن سيمونز. (لا يمكنهم حتى الآن أن يقولوا على وجه اليقين أي نموذج ، إن وجد ، هو الصحيح).
أعاد الإسكندر أيضًا تركيز جهوده على فهم جاذبية تشيرن سيمونز. مع المتعاونين بما في ذلك Kamionkowski و سيريل كريك ساربينوفسكي من مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية التابع لمعهد فلاتيرون ، بدأ ألكساندر في وضع تفاصيل دقيقة حول كيفية تأثير جاذبية تشيرن-سيمونز في الكون المبكر على توزيع المجرات الحالية.
قال: "كنت نوعًا ما مثل الجندي الوحيد الذي يدفع هذه الأشياء لبعض الوقت". "من الجيد أن ترى الناس يهتمون."
ملاحظة المحرر: معهد فلاتيرون ممول من مؤسسة سيمونز ، التي تدعم أيضًا هذه المجلة المستقلة تحريريًا. بالإضافة إلى ذلك ، يتلقى أوليفر فيلكوكس تمويلًا من مؤسسة سيمونز.
