«اینجا جایی است كه واقعه اتفاق میافتد. جایی كه ما تلاش داریم به طور موثری ۱۴ میلیارد سال به عقب بازگردیم. درست بالای سرت، حدود چهار متر در هوا».
با نگاهی به بالای سرم تلاش میكنم وقایعی را كه تیم هالمن توصیف میكند تصور كنم. اتمهای طلا با سرعت ۹۹/۹۹ درصد سرعت نور با هم برخورد میكنند و دمای آنها به یك تریلیون درجه میرسد، دمایی كه ۱۵۰ هزار مرتبه داغتر از مركز خورشید است.
سپس تلاش میكنم تصویر یك سیاهچاله پنجبعدی را در نظر آورم كه بسته به زاویه دید، ممكن است درست در بالای سر من تشكیل شود یا نشود. اینها تنها قسمت كوچكی از تخیلاتی است كه در «جنگ ستارگان گالاكتیكا» به تصویر كشیده میشود.
● ماشین انفجار بزرگ
من در یك اتاق به مقیاس جنگ ستارگان در آزمایشگاه ملی بروكهاون نیویورك ایستادهام، جایی كه هالمن و ۱۲۰۰ فیزیكدان دیگر در آن فعالیت میكنند. اینجا در وسط لانگآیلند آنها در حال بازآفرینی چند میكروثانیه اول پیدایش جهان هستند، زمانی كه اولین ذرات ماده و در واقع همهچیز بهوجود آمد.
ساختمانی كه ما در آن هستیم قسمت كوچكی از برخورددهنده نسبیتی یونهای سنگینی است كه با حروف اختصاری (Relativistic Heavy Ion Collider) RHIC شناخته میشود و به آن ریك میگویند. ریك، یك شتابدهنده ذره فوققوی با محیط ۷/۳ كیلومتر است. به مدت ۹ ماه از سال یك آشكارساز ۱۲۰۰ تنی به بزرگی یك خانه تمام فضا را اشغال میكند، اما حالا تكنیسینها آن را به جای دیگری بردهاند.
حال من و هالمن درست در زیر نقطهای ایستادهایم كه شكل جدیدی از ماده در فعالیتهای اخیر شتابدهنده شكل گرفته است. جدید به این معنا كه از زمان آغاز آفرینش تا به حال دیگر به این حالت نبوده است، یا به زبان دقیق و تكنیكی فیزیكدانان از ۱۰ میلیونیم ثانیه پس از انفجار بزرگ یعنی ۷/۱۳ میلیارد سال پیش. آن موقع آخرین زمانی بود كه ذراتی به نام كوارك و گلوئون – بنیادیترین ذرات تشكیلدهنده ماده – آزادانه در كیهان جابهجا میشدند و این یك آزادی بسیار كوتاه بود.
درست ۱۰۰ میلیونیم ثانیه بعد، كواركهای جهان به صورت سهتایی تركیب شدند – بهوسیله گلوئونها در كنار هم قرار گرفتند – تا پروتونها و نوترونها را تشكیل دهند. آنها از آن زمان در قلب اتمها زندانی شدند تا اینكه ریك بار دیگر آنها را آزاد كرد. وقتی هستههای طلا درون شتابدهنده با هم برخورد میكنند، به صورت یك گوی آتشین به ابعاد بسیار كوچك متلاشی میشوند.
درون آن گوی آتشین در ابعاد نانو، دما به یك تریلیون درجه میرسد كه تقلیدی از شرایط پس از مهبانگ است. هسته اتمها به معنای دقیق كلمه به كواركها و گلوئونهای تشكیلدهنده خود ذوب میشوند. سپس ۵۰ تریلیونیم تریلیونیم ثانیه بعد، گوی آتشین سرد میشود درست مانند اتفاقی كه برای جهان نوزاد هنگام انبساط افتاد. كواركها و گلوئونها دوباره تركیب میشوند تا پروتونها و نوترونها را شكل دهند.
هالمن و همكارانش در بروكهاون با این آزمایشها در حال كشف چیز خارقالعادهای درباره جهان اولیه هستند. كواركها و گلوئونها كه از طریق كیهان تازه متولد شده و اخیرا از طریق ریك جریان پیدا كردهاند، برخلاف انتظار فیزیكدانها به شكل گاز نیستند بلكه حالت مایع دارند.
در ابتدای جهان به مدت چند لحظه تمام كیهان با سوپ رقیقی از كوارك و گلوئون پر شده بود. بیل زاك، فیزیكدانی از دانشگاه كلمبیا و سرپرست یكی از گروههای تجربی در ریك میگوید: «دوست دارم بگویم حالا نظریه ما درباره جهان اولیه كاملا خیس است.»
او ممكن است اضافه كند كه نظریهشان پر از حفره است، حفرههای كوچك سیاه از بعد پنجم، زیرا معلوم شده است كه به یك معنای عجیب ریاضی كواركها و گلوئونها در ریك معادل سیاهچالههای میكروسكوپی در یك فضای با ابعاد بالاتر هستند.
فهمیدن اینكه چرا اینگونه است مستلزم درگیر شدن در یك هزارتوی عجیب و هیجانانگیز است كه به نظر میرسد به نظریههای فیزیك ارتباطی ندارد. بهعلاوه برای به چالش كشیدن مدل استاندارد از اینكه جهان در لحظههای آغازین چه رفتاری داشته است، دادههای ریك میتواند اولین شواهد تجربی را فراهم كند.
نتایج آزمایشهای این شتابدهنده ممكن است راهنمایی باشد برای تایید ادعاهای نظریه ریسمان، كه نظریه بنیادی برای توضیح «همهچیز» در فیزیك است و اخیرا انتقادهای شدیدی به آن میشود. انتقادهایی مانند اینكه این نظریه تنها مجموعهای از معادلات ریاضی است و بیش از واقعیت با تصورات سروكار دارد.
● سیاهچاله دستساز
قبل از اینكه فیزیكدانان در بروكهاون جستوجوی خود را برای یافتن كواركها، گلوئونها و حفرههای چندبعدی در فضا زمان آغاز كنند، باید ثابت میكردند در این فرآیند آسیبی به زمین نخواهند رساند. البته خطر نابودی زمین واقعا وجود نداشت، اما نگرانی مردم از این بود كه آیا یك سیاهچاله ساخته بشر ممكن است تمام لانگآیلند را ببلعد؟ وقتی تمامی تردیدها درباره امنیت زمین به پایان رسید فیزیكدانان شتابدهنده ۵۰۰ میلیون دلاری خود را برای اولین بار در تابستان سال ۲۰۰۰ به كار انداختند.
این برای نیكسامیوز كه از سال ۱۹۸۲ تا ۱۹۹۷ مدیر آزمایشگاه بروكهاون بود، حاصل تلاشی ۲۰ ساله به حساب میآمد. سامیوز و همكارانش ۲۰ سال قبل دست به یك ریسك زدند و آن اعتماد به قانون مور بود. این قانون كه در سال ۱۹۶۵ توسط یكی از بنیانگذاران شركت كامپیوتری اینتل فرمولبندی شد، میگوید: توانایی كامپیوترها هر ۱۸ ماه دو برابر میشود. شتابدهندهای كه سامیوز میخواست طراحی كند در هر اجرا حجم اطلاعاتی حدود یك پتابایت (یك میلیون گیگابایت) تولید میكند.
این حجم و سرعت اطلاعات میتواند هارددیسك یكی از كامپیوترهای شخصی امروزی را در عرض چند دقیقه پر كند، اما در سال ۱۹۸۵ هیچ كامپیوتری حتی به این مقدار نزدیك هم نمیشد. سامیوز این استراتژی را در پیش گرفت كه اگر ما چنین شتابدهندهای بسازیم، كامپیوترها هم پیشرفت خواهند كرد و به این ترتیب رویای ماشین مهبانگ واقعی شد. برای بازآفرینی لحظههای بلافاصله بعد از مهبانگ، ریك به انرژیهایی بیش از تمام شتابدهندههای دنیا میرسد.
بهرغم دیگر شتابدهندهها كه ذرات ساده مانند پروتونهای یكتا را با یكدیگر برخورد میدهند، ریك خوشهای از صدها اتم طلا را تا سرعت نزدیك به سرعت نور شتاب میدهد. در نتیجه این برخوردهای چنداتمی، دهها هزار كوارك و گلوئون آزاد میشوند كه میتوانند هزاران ذره معمولی را شكل دهند.
سامیوز میگوید: «فیزیك ریك بسیار پیچیده است زیرا در این شتابدهنده دو هسته سنگین با هم برخورد میكنند. فیزیكدانان معمولا عادت دارند كه برخورد یك پروتون با پروتون دیگر را محاسبه كنند. ما در اینجا ۲۰۰ پروتون یا نوترون را برخورد میدهیم كه با هر برخورد هزاران ذره بهوجود میآید.
ما باید آشكارسازهایی بسازیم كه بتوانند همه این ذرات را بشمارند، كاری كه قبلا انجام نشده است. ما امیدوار بودیم كه با كمك ریك بتوانیم اكتشافات بزرگی انجام دهیم. امیدوار بودیم كه بتوانیم هسته را با كواركها بشكنیم. جهان اولیه از كوارك و گلوئون تشكیل شده بود و وقتی سرد شد پروتونها و نوترونها و ماده معمولی بهوجود آمد. ما این كار را انجام دادیم.»
● به كام نظریه ریسمان
ریك برای این ساخته شده بود كه برای اولین بار رفتار كواركهای آزاد شده از زندان هسته اتم به طور مستقیم مشاهده شود. اولین نتایج این آزمایشها كه در سال ۲۰۰۵ منتشر شد فیزیكدانان را متحیر كرد. ذرات آزاد شده كوارك در این برخوردهای پرسرعت به آزادی اتمهای یك گاز حركت نمیكردند، بلكه حركتی به كندی و روانی یك مایع داشتند.
فیزیكدانان آزمایشگاه ریك این مایع را به عنوان یك سیال ایدهآل توصیف میكنند كه اصطكاك درونی و وشكسانی بسیار كمی دارد. با استانداردهایی كه فیزیكدانان به كار میبرند، كواركها و گلوئونها مایع بهتری نسبت به آب تشكیل میدهند.
قبل از این آزمایشها و براساس مدل سیاهچاله پیشبینی شده بود كه كواركها و گلوئونها باید تقریبا و شكسانی نزدیك به صفر داشته باشند. وقتی نتایج آزمایشهای ریك منتشر شد، بر این پیشبینی مهر تایید زد كه توسط یك مدل سیاهچاله پنجبعدی محاسبه شده بود. فیزیكدانان زیاد از این موضوع مطمئن نیستند، اما به نظر میرسد آزمایشهای ریك میتواند به طور غیرمستقیم نظریه ریسمان را نیز تایید كند