بیگ بنگ: چرا هیچ ذره‌ای در میدان گرانشی زمین به سمت بالا نمی‌افتد؟ قانون گرانش نیوتن و قانون کلن برای نیروی الکتریکی بین دو بار همین فرم ریاضیاتی را دارد. اگر ثابت کلمب را با یک ثابت گرانشی و بارها را با جرم عوض می‌کردید، آنها کاملأ مشابه یکدیگر می‌شوند. بنابراین، چطور است که ما بارهای الکتریکی مثبت و منفی داریم اما جرم‌های گرانشیِ مثبت و هم منفی نداریم؟

به گزارش بیگ بنگ، خب پاسخ سریع به این سئوال این است که ما هرگز چیزی را ندیدیم که به سمت بالا حرکت کند. اما اگر یک مادۀ پادگرانشی داشتیم، توسط سیاره‌ ما دفع می‌شد. اگر مادۀ پادگرانشی وجود داشت، به سمت فضا پرتاب می‌شد، و از سوی خورشید و حتی کهکشان ما دفع می‌شد. بنابراین، تعجب‌آور نیست که هیچ ماده پادگرانشی در اینجا نمی‌بینیم. آیا ممکن است ماده‌ پادگرانشی در جایی دیگر وجود داشته باشد؟

این یک سئوال دشوار است، حتی دشوارتر از آن چیزی که بیشتر فیزیکدانان بتوانند به آن پاسخ دهند. اختلاف بین گرانش و فعل‌وانفعال الکترومغناطیسی – که قانون کولن را تشکیل می‌دهد – نوع میدان پیام‌رسان است. فعل‌وانفعالات بین ذرات توسط میدان‌ها تعدیل می‌شوند. برای الکترومغناطیس، تعدیل‌گر یک میدان برداری است. برای گرانش، تعدیل‌گر یک میدان بسیار پیچیده‌تر است: یک میدان کششی مرتبه دوم که خود فضا-زمان را توصیف می‌کند.

اگر یک فعل‌وانفعال را از لحاظ کوانتومی اندازه‌گیری کنید، میدان این فعل‌وانفعال با یک ذره همراه خواهد بود. برای الکترومغنایس، این همراه یک فوتون است و برای گرانش یک گراویتون (فرضی) است. ذرات دارای خواص مشابهی در این میدان هستند اما برای پاسخ به این سئوال که آیا پادگرانش وجود دارد یا خیر باید بگوییم که کوانتیزاسیون این میدان هیچ نقشی در این زمینه ایفا نمی‌کند.

تفاوت اصلی بین دو مورد به یک نشانه برمی‌گردد. برای یک میدان برداری، همانند نمونۀ الکترومغناطیس، بارهای موافق یکدیگر را دفع و بارهای مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند. در مقابل، در یک میدان کششی مرتبه دوم، بارهای موافق یکدیگر را جذب و بارهای مخالف یکدیگر را دفع می‌کنند. این مسئله به ما می‌گوید که یک ذرۀ پادگرانشی با هر چیزی دفع نمی‌شود، بلکه با یک جرم گرانشی نرمال – که به اتفاق آن را «مثبت» در نظر می‌گیریم – دفع می‌شود اما با جرم‌های گرانشی نوع خودش جذب می‌شود – که آنها را «منفی» می‌نامیم.

سپس، این سئوال مطرح می‌شود: ذرات با جرم گرانشی منفی کجا هستند؟

برای درک بهتر این پس‌زمینۀ نظری، باید بین جرم اینرسی و جرم گرانشی تمایز قائل شویم. جرم اینرسی چیزی است که منجر به اینرسی (سکون) یک شی می‌شود، یعنی مقاومت آن در برابر تسریع. جرم اینرسی همیشه مثبت است. از طرف دیگر، جرم گرانشی چیزی است که میدان گرانشی شی را به وجود می‌آورد. در نسبیت عام، دو جرم به طور فرضی با یکدیگر برابرند: این اصل هم‌ارزی اینشتین است. با جزئیات بیشتر می‌توان گفت که فقط دربارۀ هم‌ارزی تمام انواع جرم‌ها صحبت نمی‌کنیم، بلکه در مورد تمام انواع انرژی‌ها که بصورت تنش-انرژی-کشش قرار دارند حرف می‌زنیم. مجددأ، جزئیات خیلی سریع ریاضیاتی می‌شوند اما چندان ارتباطی به درک ساختار کلی ندارند.

تمام ذراتی که اکنون می‌شناسیم در یک مدل استاندارد از فیزیک ذره‌ای گردآوری می‌شوند که با دقت بالایی مطابق با داده‌ها است. این مدل استاندارد همچنین شامل تمام پادذرات است که مشابه با ذرات‌ همتایشان هستند، به استثناء اینکه بار الکتریکی مخالف دارند. آیا این امکان وجود دارد که پادذرات دارای پادگرانش نیز باشند؟

نظریه با یک استدلال به طور شفاف به این سئوال پاسخ «خیر» می‌دهد. از مدل استاندارد متوجه می‌شویم که گرانشِ یک پادماده چگونه است – پادماده دقیقأ همانند یک ذره‌ نرمال گرانش دارد. و شواهد مشاهده‌ای این نتیجه‌گیری را به روش زیر تأیید می‌کنند. ما معمولأ پادذرات را در اطرافمان نمی‌بینیم زیرا در هنگام برخورد با یک ماده‌ معمولی نابود می‌شوند و فقط یک جرقّۀ نور از آنها باقی می‌ماند. هیچکس واقعأ نمی‌داند که چرا مقادیر یکسانی از ماده و پادماده در جهان وجود ندارد – این اسرار بزرگی است که «عدم‌تقارن باریون» نامیده می‌شود– اما شواهد حاکی از آن است که جهان با ماده احاطه شده است. اگر پاذرات را – در پرتوهای کیهانی یا در برخورددهنده‌های ذره‌ای – ببینیم، به طور غیرمعمول ذراتی تکی هستند که هم خیلی روشنند و هم طول عمرشان به حدی کوتاه است که به طور معتبر نمی‌توان جرم گرانشی آنها را اندازه‌گیری کرد.

هرچند، این بدان معنا نیست که نمی‌دانیم پادماده تحت تأثیر گرانش چگونه رفتار می‌کند. هم ذرات ماده و پادماده کوارک‌هایی که نوترون‌ها و پروتون‌ها را تشکیل می‌دهند در کنار هم نگه می‌دارند. در واقع، انرژی پادذرات سهم نسبتأ بزرگی در مجموع جرم نوترون‌ها و پروتون‌ها و در نتیجه مجموع جرم هر چیزی در اطراف ما دارد. این یعنی اگر پادماده دارای جرم گرانشی منفی بود، اصل هم‌ارزی به شدت نقض می‌شد. اما اینگونه نیست و در نتیجه از قبل می‌دانستیم که پادماده فاقد پادگرانش است.

ممکن است کسانی که اعتقاد چندانی به استدلالات نظری ندارند بخواهند استدلال کنند که می‌توان یک روش برای ایجاد پادگرانش در پادماده پیدا کرد. من هیچ قضیه‌ای را نمی‌شناسم که بتواند ثابت کند این امر غیرممکن است، اما آیا – تا جاییکه می‌دانیم – هیچ مثالی از یک نظریۀ ثابت وجود دارد که این کار عملی شده باشد؟

اگر این توضیحات هنوز شما را قانع نکرده، آزمایش ALPHA در CERN تنها پادهیدروژن خنثی را از آنتی‌پروتون و پوزیترون (آنتی‌الکترون) نساخته، بلکه تلاش کرده تا چگونگی رفتار پادهیدروژن در میدان گرانشی زمین را دقیقأ اندازه‌گیری کند. حدس بزنید چه اتفاقی افتاد؟ تاکنون، هیچ شواهدی وجود ندارد که نشان پادهیدروژن به سمت بالا حرکت می‌کند – گرچه دقت اندازه‌گیری کنونی رد می‌کند که جرم گرانشی پادهیدروژن (منفی!) 65 برابر جرم اینرسی آن نیست. بنابراین، حداقل ما نظریه‌پردازان کاملأ مطمئنیم که هیچکدام از ذراتی که می‌شناسیم پادگرانش ندارند. اما آیا ذرات دیگر می‌توانند چنین خاصیتی داشته باشند که هنوز آنها را کشف نکرده‌ایم.

در اصل، بله، اما هیچگونه شواهد مشاهده‌ای برای اثبات آن وجود ندارد. برخلاف چیزی که اغلب گفته می‌شود، انرژی تاریک پادگرانش ندارد. خاصیت متمایز انرژی تاریک این است که نسبت تراکم انرژی آن به فشار نه تنها منفی است، بلکه در مقدار درستی قرار دارد تا بتواند کهکشان‌های دوردست را از یکدیگر دور کند. هرچند، برای ماده‌ای با خاصیت ضدگرانش، هم تراکم انرژی و هم فشار علامت خود را از دست می‌دهند، به گونه‌ای که این نسبت مثبت خواهد بود. یعنی ماده‌ای با خاصیت پادگرانش اگر وجود داشته باشد درست شبیه یک مادۀ معمولی عمل می‌کند، به استثناء اینکه این دو نوع ماده یکدیگر را دفع می‌کنند. چیزی شبیه ماده‌ تاریک به وجود نمی‌آید زیرا جرم گرانشی منفی دقیقأ همان تأثیر مخالفی را خواهد داشت که برای توضیح ماده‌ تاریک نیاز دارد.

اگر منصف باشم باید بگویم هیچ آزمایشی را نمی‌شناسم که به وضوح به دنبال اثرات مادۀ پادگرانشی بوده باشد، مثلأ مثل همگرایی گرانشی یا لنز گرانشی مقعر. بنابراین، این امر رد نشده، بلکه یک فرضیه است که چندان مورد توجه قرار نگرفته و هیچ مشاهده‌گری هیچگونه اثری از آن را پیدا نکرده است. بسیاری از فیزیکدانان نظری که با آنها صحبت کردم معتقدند که جرم‌های گرانشی منفی واپاشی خلاء را ایجاد می‌کنند زیرا جفت ذرات می‌توانند از هیچ تولید شوند. هرچند، این استدلال در نظر نمی‌گیرد که جرم‌های اینرسی مثبت باقی‌ می‌مانند که مانع از تولید جفت می‌شود. (به طور فنی‌تر، این حقیقت که چندان مورد توجه قرار نگرفته نشان می‌دهد که تنسور تنش-انرژی استاندارد همانند تنسور تنش-انرژی گرانشی نیست.)

حتی در این صورت، فرض کنید یک مادۀ پادگرانشی که از لحاظ نظری امکانپذیر است در یک جای دنیا وجود دارد. چه سودی خواهد داشت؟ به نظر هیچ. این ماده با ماده‌ معمولی ما فعل‌وانفعال برقرار خواهد کرد که حتی ضعیف‌تر از نوترینوهای ما خواهد بود. اگر این ماده فعل‌وانفعالاتی از طریق یکی از نیروهای بنیادی دیگر برقرار نکند، هیچ آزمایش واقعی وجود نخواهد داشت که بتواند آن را تشخیص دهد. یعنی حتی اگر بتوانیم مقداری از آن را در مجاورتمان پیدا کنیم – که امکانپذیر نیست – نخواهیم نتوانست آن را بگیریم و از آن استفاده کنیم زیرا به سادگی از کنارمان عبور می‌کند. متأسفانه وزن پادگرانشی که دوست دارم بر روی مبل اعمال کنم همچنین به صورت یک تخیل باقی خواهد ماند.

ترجمه: سحر  الله‌وردی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: forbes.com