چرا “گرانش” همانند نیروهای دیگر نیست؟

1
1468

بیگ بنگ: فیزیکدانان هنوز هم در حال تفکر هستند که دقیقاً چرا سیب‌ها می‌افتند. فیزیکدانان منشاء سه نیرو از چهار نیروی طبیعت، یعنی نیروی الکترومغناطیسی و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف را در ذرات کوانتومی ردیابی کرده‌اند، اما نیروی بنیادی چهارم یعنی گرانش متفاوت است.

Gravity x Ledeبه گزارش بیگ بنگ، چارچوب کنونی ما برای درک گرانش که یک قرن پیش توسط آلبرت اینشتین ابداع شد، به ما می‌گوید به این دلیل سیب‌ها از درختان می‌افتند و سیارات به دور ستاره‌ها می‌چرخند که آنها در امتداد منحنی‌هایی در پیوستار فضا- زمان حرکت می‌کنند. این منحنی‌ها گرانش هستند. به گفتۀ اینشتین، گرانش ویژگیِ محیط فضا- زمان است؛ و نیروهای دیگر در آن صحنه نقش آفرینی می‌کنند.

اما در نزدیکی سیاهچاله‌ها یا در لحظات آغازین کیهان، معادلات اینشتین در هم شکسته می‌شوند. فیزیکدانان به تصویر درست‌تری از گرانش جهت توصیف دقیق‌تر این موارد نامتعارف نیاز دارند. این نظریه درست‌تر، باید باعث پیش بینی‌های مشابهی شود که معادلات اینشتین هر جای دیگری انجام می‌دهند.

فیریکدانان فکر می‌کنند که در این نظریه درست‌تر، گرانش باید مانند نیروهای دیگر طبیعت، فرمی کوانتومی داشته باشد. پژوهشگران از دهۀ ۱۹۳۰ به دنبال نظریه کوانتومی از گرانش بوده‌اند. آنها ایده‌هایی را یافته‌اند که نامزد نظریه گرانش کوانتومی هستند، نظیر تئوری قابل ملاحظۀ ریسمان که می‌گوید گرانش و همۀ پدیده‌های دیگر از ارتعاشات ریسمان‌های بسیار کوچک به وجود می‌آیند. اما تا به اینجا این امکان پذیری‌ها به صورت فرضی باقی مانده و به طور ناقص درک شده‌اند. یک نظریه کوانتومی کارآمد از گرانش شاید بزرگترین هدف در فیزیک امروز باشد.

چه چیزی گرانش را منحصر به فرد کرده است؟ تفاوت نیروی چهارم با نیروهای دیگر در چیست که پژوهشگران را از یافتن توصیف کوانتومی بنیادینش باز می‌دارد؟ ما این پرسش‌ها را از چهار پژوهشگر گرانش کوانتومی پرسیدیم و چهار پاسخ متفاوت به دست آوردیم.

گرانش نوعی تکینگی است

“کلودیا دِ هام” فیزیکدان نظری در کالج سلطنتی لندن که روی نظریه گرانش کلان کار کرده، نظریه‌ای که فرض می‌کند واحدهای کوانتای گرانش ذراتی سنگین هستند، می‌گوید: نظریه نسبیت اینشتین رفتار گرانش را با مرتبه بالاتر از ۳۰ از نظر اندازه، از مقیاس‌های پایین‌تر از میلی‌متر گرفته تا همۀ مسافت‌های کیهانی، توصیف می‌کند. هیچ نیروی دیگری از طبیعت با چنین دقت و تنوعی از مقیاس‌ها توصیف نشده است. با چنین سطحی از سازگاریِ بی کم و کاست با مشاهدات و آزمایشات، به نظر می‌رسد که نسبیت عام می‌تواند توصیف نهایی گرانش را میسر سازد. با این حال خیلی جالب توجه است که نسبیت عام سقوط خودش را هم پیش‌بینی می‌کند.

image e Quantum Gravityحاصل این نظریه، پیش بینی‌هایی از سیاهچاله‌ها و  بیگ بنگ در سرچشمۀ کیهان ماست. با این حال، در این مکان‌ها، “تکینگی‌ها” نقاط اسرارآمیزی هستند که به نظر می‌رسد انحنای فضا-زمان در آنها بی‌نهایت می‌شود. این نقاط بعنوان بیرق‌هایی که نشانۀ فروپاشی نسبیت عام هستند عمل می‌کنند. همان‌طور که به تکینگیِ مرکز سیاهچاله و بیگ بنگ نزدیک شوید، پیش بینی‌های استنباط شده از نسبیت عام، پاسخ‌های صحیحی نمی‌دهند. لذا توصیفی بنیادی و اساسی تر از فضا و زمان باید جایگزین نسبیت عام شود. اگر ما این لایه‌ی جدید از فیزیک را کشف کنیم، ممکن است قادر باشیم به درک جدیدی از خود فضا و زمان دست یابیم.

اگر گرانش هر نیروی دیگری از طبیعت بود، می‌توانستیم به کاوش بسیار عمیق‌ترش به وسیلۀ آزمایشات مهندسی با قابلیت دستیابی به انرژی‌های بیشتر و فواصل کوچکتر امیدوار باشیم. اما گرانش یک نیروی معمولی نیست. اگر سعی کنید آن را جهت افشای رازهای گذشته‌اش به سوی نقطه‌ای معلوم (تکینگی) برانید، آن وقت خواهید دید که خود دستگاه آزمایش در سیاهچاله سقوط خواهد کرد.

گرانش به سیاهچاله منتهی می‌شود

“دانیل هارلو”، که نظریه‌پرداز گرانش کوانتومی در موسسۀ تکنولوژی ماساچوست است و به واسطه کاربرد نظریه اطلاعات کوانتومی در مطالعۀ گرانش و سیاهچاله‌ها مشهور است می‌گوید: سیاهچاله‌ها علت دشوار شدن ترکیب گرانش با کوانتوم هستند. آنها صرفاً می‌توانند پیامد گرانش باشند، زیرا گرانش تنها نیرویی است که به وسیلۀ انواع ماده احساس می‌شود. اگر هر نوع ذره‌ای وجود داشت که گرانش را حس نمی‌کرد، می‌توانستیم از آن جهت ارسال پیام از درون سیاهچاله استفاده کنیم، آن وقت سیاهچاله واقعاً سیاه نبود.

این واقعیت که همۀ مواد گرانش را احساس می‌کنند، محدودیتی بر آزمایشاتِ ممکن اِعمال می‌کند: هر دستگاهی که بسازید، مهم نیست از چه ساخته شده باشد، نمی‌تواند زیاد سنگین باشد یا ضرورتاً به صورت گرانشی به درون یک سیاهچاله سقوط خواهد کرد. این محدودیت مربوط به موقعیت‌های روزمره نیست، بلکه وقتی اهمیت می‌یابد که سعی کنید آزمایشی جهت اندازه‌گیری خصوصیات مکانیک کوانتومی گرانش ترتیب دهید.

درک ما از نیروهای دیگر طبیعت بر “اصل محلیت” بنا نهاده شده است که می‌گوید متغیرهایی که آنچه در هر نقطه از فضا رخ می‌دهد را توصیف می‌کنند (مانند قدرت میدان الکتریکی در آنجا)، همگی می‌توانند به طور مستقل تغییر کنند. علاوه بر این، این متغیرها، که آنها را “درجۀ آزادی” می‌نامیم می‌توانند فقط به طور مستقیم بر همسایگان خود تاثیر بگذارند. محلیت برای شیوه‌ای که ما مستقیماً ذرات و برهمکنش‌هایشان را توصیف می‌کنیم دارای اهمیت است، زیرا روابط علت و معلولی را حفظ می‌کند. اگر درجه آزادی اینجا در کمبریجِ ماساچوست به درجه آزادی در سن فرانسیسکو بستگی داشته باشد، ممکن است بتوانیم از این وابستگی برای دستیابی به ارتباط آنی بین دو شهر و یا حتی فرستادن اطلاعات در جهت رو به عقب در زمان استفاده کنیم که این مساله منجر به نقض علیت می‌شود.

فرضیۀ محلیت در موقعیت‌های معمولی به خوبی مورد آزمایش قرار گرفته و طبیعتاً ممکن است به نظر برسد که این فرضیه برای فواصل خیلی کوتاه که به گرانش کوانتومی مربوط هستند، بسط می‌یابد(این فواصل کوچک هستند زیرا گرانش نسبت به نیروهای دیگر خیلی ضعیف‌تر است). جهت تایید این که محلیت در آن فواصل باقی می‌ماند یا نه، نیاز به ساختن دستگاهی داریم که مستقل از درجۀ آزادیِ جدا شده به وسیلۀ چنین فواصل کوچکی، قابل تست باشد. یک محاسبه کوچک نشان می‌دهد که چنین دستگاهی جهت جلوگیری از نوسانات کوانتومی در محل خودش، به قدر کافی سنگین خواهد بود، لذا آزمایش را خراب می‌کند. همچنین به قدر کافی سنگین خواهد بود که ضرورتاً به درون یک سیاهچاله سقوط کند! بنابراین، آزمایشاتی که محلیت را در این مقیاس‌ها تایید کنند غیرممکن است. و لذا گرانش کوانتومی نیازی به رجوع به محلیت در چنین مقیاس‌های طولی ندارد.

در واقع، درک ما از سیاهچاله‌های بسیار دور پیشنهاد می‌دهد که هر نظریه گرانش کوانتومی بایستی اساساً درجات آزادی کمتری را نسبت به آنچه ما بر اساس تجربه با نیروهای دیگر انتظار داریم، دارا باشد. این ایده در “اصل هولوگرافیک” رمزگذاری شده است، که می‌گوید: به طور کلی عدد درجه آزادی در یک منطقۀ فضایی به جای حجمش، با مساحت رویه‌اش متناسب است.

گرانش از هیچ، چیزی به وجود می‌آورد

“جان مالداسِنا” که یک نظریه‌پرداز گرانش کوانتومی در موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستونِ نیوجرسی است، و به جهت کشف روابط هولوگرام مانند بین گرانش و مکانیک کوانتومی مشهورترین فرد می‌باشد، می‌گوید: ذرات می‌توانند پدیده‌های جالب و شگفت‌انگیز زیادی را به نمایش بگذارند. ما می‌توانیم ایجاد خود به خودی ذرات، درهم تنیدگی بین حالات ذراتِ دور از هم و ذراتی که در یک بر هم نهی، در مکان‌های متعددی هستند را داشته باشیم.

در گرانش کوانتومی، خود فضا – زمان به شیوه‌های مختلفی رفتار می‌کند. به جای پدیدار شدن ذرات، ما ایجاد کیهان را داریم. من فکر می‌کنم در هم تنیدگی بین مناطق دور از همِ فضا – زمان، ارتباط ایجاد می‌کند. ما بر هم نهیِ کیهان‌ها با هندسه‌های مختلفی از فضا – زمان را داریم.

علاوه بر این، از دیدگاه فیزیک ذرات، خلاءِ فضا یک چیز پیچیده است. ما می توانیم موجودات بسیاری به نام میدان را تصور کنیم، که در سراسر فضا بر روی هم قرار گرفته‌اند. مقدار هر میدان در فواصل کوتاه، دائماً در حال نوسان است. به واسطۀ این میدان‌های نوسانگر و برهمکنش‌هایشان، حالت خلاء پدیدار می‌شود. ذرات در حالت خلاء آشفته هستند. ما می‌توانیم آنها را بعنوان نقص‌های کوچکی در ساختار خلاء تصور کنیم.

هنگامی که گرانش را در نظر می‌گیریم، در می‌یابیم که گسترش کیهان جهت تولید بیشتر این خلاء‌ها از هیچ پدیدار گردید. زمانی که فضا – زمان ایجاد شد، از قضا فقط در حالتی بود که با خلاء بدون نقص تطابق داشت. این که چگونه خلاء در چیدمانی دقیقاً درست پدیدار شد، یکی از پرسش‌هایی است که ما برای پاسخ دادن به آن، نیازمند به دست آوردن یک توصیف کوانتومی منسجم از سیاهچاله‌ها و کیهان‌شناسی هستیم. در هر دوی این موارد، نوعی کِش آمدن فضا – زمان وجود دارد که پیامدش ایجاد بیشتر جوهرۀ خلاء است.

گرانش را نمی‌توان محاسبه کرد

“سِرا کریمُنینی” که یک فیزیکدان نظری در دانشگاه لی های پنسیلوانیا است و روی نظریه ریسمان، گرانش کوانتومی و کیهان‌شناسی کار می‌کند، می‌گوید: دلایل زیادی وجود دارد که چرا گرانش نیرویی خاص است. اجازه دهید روی یک جنبه تمرکز کنم، ایده‌ای که نسخۀ کوانتومی نسبیت عام اینشتین و “غیرقابل بازبهنجارش” است. این ایده برای رفتار گرانش در انرژی‌های بالا پیامدهایی دارد.

SoundWavesGravityNegative webدر نظریه‌های کوانتومی، هنگامی که سعی در محاسبه این موضوع دارید که چگونه ذرات بسیار پر انرژی از یکدیگر پراکنده شده و برهمکنش می‌کنند، ترم‌های بی‌نهایتی ظاهر می شوند. در نظریه‌هایی که قابل بهنجارش(نرمال‌سازی) هستند (شامل نظریه‌های توصیف کنندۀ همه نیروهای طبیعت به جز گرانش) ما می‌توانیم این بی‌نهایت‌ها را در روشی خیلی دقیق به اقتضای مساله، با اضافه کردن مقادیر دیگری که به طور موثر آنها را خنثی کرده و اصطلاحاً “ترم‌های معکوس” نامیده می‌شوند، از بین ببریم. این فرآیندِ بازبهنجارش، منجر به جواب‌هایی می‌شود که از نظر فیزیکی معقول بوده و با آزمایش‌ها با درجۀ بسیار بالایی از نظر دقت مطابقت دارند.

مشکلی که با نسخه کوانتومی از نسبیت عام وجود دارد این است که محاسباتی که برهمکنش‌های بسبار پر انرژی گرانشی را توصیف می‌کنند (واحدهای کوانتیزه شدۀ گرانش)، ترم‌های بی‌نهایتِ فوق‌العاده زیادی دارند. لذا شما نیاز به اضافه کردن ترم‌های معکوسِ فوق‌العاده زیادی در یک فرآیند بی‌پایان دارید. این است که بازبهنجارش با شکست مواجه می‌شود. به همین دلیل، نسخۀ کوانتومیِ نسبیت عام اینشتین، توصیف خوبی از گرانش در انرژی‌های بالا نبوده و فاقد برخی از ویژگی‌ها و عناصر کلیدی آن است.

با این حال، ما هنوز هم می‌توانیم یک تخمین کاملاً مناسب جهت توصیف گرانش در انرژی‌های پایین با استفاده از تکنیک‌های استاندارد کوانتومی که برای برهمکنش‌های دیگرِ طبیعت به کار می‌روند، داشته باشیم. نکتۀ خیلی مهم این است که این توصیفِ تخمینی از گرانش، در برخی مقیاس‌های انرژی (یا به صورت معادل، زیر برخی طول‌ها)، فرو می‌ریزد.

بالاتر از این مقیاسِ انرژی، یا زیر مقیاس طولی مرتبط با آن، ما انتظار داریم که درجات آزادی و تقارن‌های جدیدی را بیابیم. جهت به دست آوردن این ویژگی‌ها، نیازمند یک چارچوب نظری جدید هستیم. این دقیقاً همان جایی است که نظریه ریسمان یا برخی تعمیم‌های مناسب وارد صحنه می‌شوند: طبق نظریه ریسمان، در فواصل خیلی کوتاه، ما می‌بینیم که گراویتون‌ها و ذرات دیگر اشیائی امتداد یافته به نام ریسمان هستند. مطالعۀ این امکان می‌تواند به ما درس‌های ارزشمندی در مورد رفتار کوانتومی گرانش بیاموزد.

ترجمه: سیدامین مهناپور/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: quantamagazine.org



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.

یک دیدگاه

  1. چرا نور ازخورشید به سمت زمین می آید؟
    در حالیکه جاذبه و گرانش خورشید بسیار بیشتر از زمین است.
    آیا دلیل آن سرعت ساطع شدن نور است؟
    از اینرو تنها جاذبه یک سیاه چاله می تواند مانع گذر آن بشود.
    آیا نور در زمان ایجاد شدن چنین سرعتی را دارد؟ تاثیر جاذبه خورشید بر روی کاهش سرعت نور به چه حد است؟