مروری بر گرانش کوانتومی در نظریۀ ریسمانها

2
875

بیگ بنگ: در ابتداي قرن بيستم دو نظريه ي مهم در فيزيك پايه گذاري شد، مكانيك كوانتومي و نظريه نسبيت. بر خلاف موفقيت هاي فراواني كه هر كدام از اين نظريه ها به طور جداگانه بدست آوردند، با يكديگر ناسازگار به نظر مي رسيدند. اين تناقض در قلب فيزيك نظري همچنان يكي از جنجالي ترين مطالب علم است.

string-theoryنظريه نسبيت عام در محاسبه ي دقيق گرانش موفق عمل مي كند. اگر در ميدان گرانش، مكانيك كوانتومي را به كار بگيريم، به گرانش كوانتومي دست مي يابيم. در نگاه اول ساختن نظريه گرانش كوانتومي مشكل تر از نظريه ي الكترو ديناميك كوانتومي به نظر نمي رسيد. الكترو ديناميك كوانتومي نيم قرن پيش ابداع شد. اساس QED يا همان الكتروديناميك كوانتومي توصيف نيروهاي الكترومغناطيسي بر حسب تبادل ذراتي است كه آنها را فوتون مي ناميم. به عبارت ديگر فوتون كوانتاي ميدان الكترومغناطيس است. اين فوتون ها گسيل شده و بلافاصله جذب مي شوند. در نتيجه گسيل و جذب فوتون ها انرژي و تكانه ذرات ثابت نمي ماند. بنابراين دافعه ي الكتروستاتيك بين دو الكترون را مي توان در نتيجه ي گسيل فوتون از يك الكترون و جذب آن توسط الكترون ديگر دانست.

به طور مشابه مي توان جاذبه ي گرانشي بين دو جسم را در نتيجه ي تبادل گراويتون، يعني كوانتاي ميدان گرانشي، دانست. اين واقيعت كه تاكنون گراويتون توسط هيچ وسيله اي آشكار نشده است، چندان تعجب آور نيست، چون نيروي گرانشي بسيار ضعيف تر از نيروهاي مغناطيسي و الكتريكي است. ثابت مي شود كه تبادل گراويتون بين جرم هاي نقطه اي باعث ايجاد ميدان گرانشي با قانون معروف عكس مجذور فاصله مي شود.

اما هنگامي كه فرآيندهاي پيچيده تر، كه در آنها تعداد زيادي گراويتون وجود دارند، در نظر گرفته مي شود مشكلي به وجود مي آيد. يك فرق مهم بين ميدان گرانشي و الكترومغناطيسي وجود دارد. ميدان گرانشي غير خطي است. اين غير خطي بودن از آنجا ناشي مي شود كه ميدان گرانشي شامل انرژي است و اين انرژي داراي معادل جرم است كه ميان ان جرم ها مجددا نيروي گرانشي وجود دارد. به زبان كوانتومي اين مطلب بر اين نكته دلالت دارد كه گراويتون ها با گراويتون هاي ديگر اندركنش مي كنند، در حالي كه فوتون ها با بارهاي الكتريكي و جريان ها اندركنش دارند و با هيچ فوتون ديگري اندركنش ندارند. چون بين گراويتون ها اندركنش وجود دارد مي توان گفت كه ذرات مادي با شبكه ي پيچيده اي از گراويتون ها احاطه شده است كه حلقه هاي بسته اي را تشكيل مي دهند، مانند يك درخت پر از شاخ و برگ.

در نظريه ميدان كوانتومي حلقه هاي بسته نشانه ي دردسر مي باشند و موجب توليد جواب هاي بي نهايت در محاسبه ي فرآيندهاي فيزيكي مي شوند. در الكتروديناميك كوانتومي اين مسئله هنگامي به وجود مي آيد كه يك الكترون فوتوني را گسيل و مجددا جذب كند. بي نهايت هاي بدست آمده را با يك روش رياضي با نام «باز بهنجارش» بر طرف مي كنند. اگر اين روش به درستي به كار گرفته شود، جواب هاي قابل قبولي به دست مي آيد. چون در الكتروديناميك كوانتومي جواب هاي بي نهايت را مي توان با اين روش مشخص برداشت به ان يك نظريه ي «باز بهنجار پذير» مي گويند. روش ياد شده مجمو عه اي از اعمال رياضي است كه براي برداشتن بي نهايت ها كافي است.

متاسفانه هنگامي كه مكانيك كوانتومي را در نسبيت عام به كار مي گيريم چنين روشي وجود ندارد. بنابراين در اين حالت نظريه بازبهنجار(تغییر شاخص) نا پذير است. هر فرآيند شامل حلقه هاي بسته ي بيشتر و بيشتري از گراويتون ها خواهد بود كه موجب جملات بي نهايت بيشتري مي شوند. وجود اين جملات بي نهايت باعث مي شود نظريه گرانش كوانتومي براي بررسي اكثر پديده هاي طبيعي بي استفاده می شود.

در چند دهه ي گذشته تلاش هاي زيادي براي گريز از بازبهنجارناپذيري در گرانش كوانتومي شده است. برجسته ترين آنها نظريه ی « ابر ريسمان ها» است. اين نظريه بر اين فرض بنا شده است كه كوچكترين چيزي كه دنياي فيزيكي از آن ساخته شده است ذرات نيستند، بلكه ریسمان های مرتعشی مي باشند كه 20^10 بار كوچكتر از هسته ي اتم هستند. مدهاي ارتعاشي مختلف اين ریسمانها را مي توان به ذرات گوناگوني مانند الكترون ها، كوارك ها، نوتريون ها، فوتون ها، گراويتون ها و ديگر ذرات نسبت داد. بين ریسمانها مانند ذرات اندركنش وجود دارد، اما وقتي فرآيندهايي كه شامل حلقه هاي بسته باشند مورد امتحان قرا گيرند، جواب هايي كه بدست مي آيند ديگر بي نهايت نيست.

مقياس انرژي ها در نظريه ریسمانها از مرتبه ي (بخوانيد گيگا الكترون ولت) 19^10Gev است. اين انرژي 17^10 بار بيشتر از انرژي است كه در حال حاظر بزرگترين شتاب دهنده هاي ذرات مي توانند توليد كنند. بنابراين به نظر مي رسد كه در حال حاضر مشاهده ي ساختار ريسماني ماده غير ممكن باشد. فيزيكدانان نظري اميد دارند كه در حد انرژي هاي كمتر و قابل دسترس بتوانند نظريه هاي فيزيكي آشناتر مانند نسبيت عام، الكترومغناطيس، نيروهاي ضعيف و قوي هسته اي و ذرات بنيادي آشنا را به عنوان تقريبي از نظريه ریسمانها بيرون بكشند. بنابراين نظريه ابر ريسمان يك توصيف پذيرفته شده از گرانش كوانتومي نيست، بلكه تلاشي براي وحدت نيروها و ذرات بنيادي است كه آلبرت اینشتين آرزوي تحقق آن را داشت. اما متاسفانه تاكنون نظريه ریسمانها واحدي وجود ندارد و همچنين حد پايين انرژي واحدي نيز برآورده نشده است.

M_Theory__Sol_YOU_tion_by_umiyumiبراي مدت ها اين مسئله مانند يك مانع بزرگ مي نمود اما در سال هاي اخير يك راهكار رياضي مجرد با نام « نظريه ي M» ساخته شده است و معلوم شده كه اين نظريه، نظريات ابر ريسمان گوناگون را در بر مي گيرد. هنوز زود است كه گفته شود نظريه ي M در نهايت بين گرانش و كوانتوم آشتي ايجاد كند، ولي اگر اين نظريه مطابق انتظارات باشد مي بايست واقعيت هاي بنيادي دنياي فيزيك را توضيح دهد. به عنوان مثال فضا- زمان چهار بعدي مي باسيت از نظريه بيرون آيد، بدون آنكه خودمان آن را به نظريه بيفزاييم. نيروها و ذرات طبيعت نيز مي بايست بر اساس خواص كليدي شان مانند قدرت اندركنش ها و جرم هايشان توضيح داده شوند. به هر صورت تا زماني كه نتوان در حد انرژي شتاب دهنده هاي موجود نظريه M را مورد آزمون قرار داد، اين نظريه در حد يك تمرين زيباي رياضي باقي خواهد ماند.

سایت علمی بیگ بنگ/ منابع بیشتر: Quantum gravity , M-theory , String theory

نویسنده: دکتر داوود افشار

اطلاعات بیشتر در این خصوص را در کتاب « ذرات بنیادی یا نظریه ریسمان ها» که از سایت بیگ بنگ منتشر شده است، بخوانید.



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

2 دیدگاه‌ها

  1. ممنون از شما جناب دکتر افشار. خیلی وقت بود دنبال یه توضیح غیر ریاضی (و توصیفی) برای علت بینهایت شدن سری ها در ترکیب روش کوانتومی و نسبیت بودم که شما خیلی خوب مشکلم رو حل کردید. بازم ممنونم.