به گزارش دانش دوست
به گزارش اسپیس، فیزیکدانان در این مطالعه رویکرد نوینی برای حل یکی از سرسخت‌ترین چالش‌های فیزیک نظری اراعه کرده‌اند: متحد کردن گرانش با قواعد دنیای کوانتومی.
در مقاله‌ای که به‌تازگی در مجله Reports on Progress in Physics انتشار شده است، دانشمندان بازنگری جدیدی در فرمول‌بندی گرانش نظر داده‌اند که توصیفی کاملاً سازگار با مکانیک کوانتومی اراعه می‌دهد، بدون این که به ابعاد اضافی یا ویژگی‌های شگفت‌وغریب نظریه‌هایی همانند نظریه ریسمان نیاز باشد!
چالش فیزیکدانان برای پیوند نسبیت عام با مکانیک کوانتومی
فیزیکدانان این مطالعه اعتقاد دارند نظریه‌های قبل درمورد نحوه حرکت گرانش نیاز به بازنگری بنیادین دارد؛ چون ۳ نیروی دیگر طبیعت، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته‌ای ضعیف و قوی، همه انها با منفعت گیری از نظریه میدان‌های کوانتومی توصیف خواهد شد، اما گرانش هم چنان استثنا باقی مانده است.
(نظریه میدان‌های کوانتومی چارچوبی ریاضی است که عدم قطعیت و دوگانگی موج-ذره را دربرمی‌گیرد.)
از نظر دیگر، نظریه نسبیت عام اینشتین که گرانش را توصیف می‌کند، نظریه‌ای کاملاً کلاسیک است و گرانش را خمیدگی هندسه فضا-زمان ناشی از جرم و انرژی گفتن می‌کند. اما تا بحال کوششها برای ترکیب نظریه کوانتومی با نسبیت عام زیاد تر با ناسازگاری‌های شگفت ریاضیاتی، ازجمله گمان‌های بی‌نهایت، مواجه شده‌اند.
نظریه تازه دانشمندان امکان پذیر نادرست بودن نسبیت اینشتین را ثابت کند!
دانشمندان در نظریه تازه، میدان گرانشی را به‌طوری بازتفسیر کرده‌اند که ساختاری شبیه نظریه‌های میدان کوانتومی شناخته‌شده داشته باشد. «میکو پارتانن»، فیزیکدان دانشگاه آلتو در فنلاند و یکی از نویسندگان این مقاله، دراین‌باره می‌گوید:
«یافته کلیدی این است که نظریه ما رویکرد جدیدی به گرانش کوانتومی اراعه می‌دهد که به فرمول‌بندی دیگر برهم‌کنش‌های بنیادی در مدل استاندارد شباهت دارد.»
در مدل تازه، به‌جای این که گرانش علتخمیدگی فضا-زمان شود، از ۴ میدان به‌هم‌مدام برای انتقال نیروی گرانش منفعت گیری می‌شود که به لحاظ ساختاری شباهت بسیاری به میدان الکترومغناطیسی دارند. این میدان‌ها شبیه روشی که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به بار الکتریکی و جریان عکس العمل خواهند داد، به وجود جرم عکس العمل نشان خواهند داد.
این چنین، این ۴ میدان با یکدیگر برهم‌کنش دارند و با میدان‌های مدل استاندارد نیز تعامل می‌کنند. در سطح کلاسیک، حرکت این میدان‌ها منطبق با نظریه نسبیت عام است و درعین‌حال، امکان گنجاندن اتفاق‌های کوانتومی به‌شکلی سازگار نیز وجود دارد.
ازآنجاکه ساختار این مدل از نظریه‌های کوانتومی شناخته‌شده الگوبرداری شده است، با چالش‌های ریاضیاتی که مانع از کوانتومی کردن نسبیت عام می‌شدند، مواجه نیست. به حرف های فیزیکدانان، این رویکرد تازه نظریه کوانتومی دقیق و تعریف‌شده‌ای اراعه می‌دهد که مشکلات رایجی همانند احتمالات بی‌نهایت‌های غیرفیزیکی در کمیت‌های قابل‌مشاهده و گمان‌های منفی برای فرایندهای فیزیکی، که طبق معمولً زمان کوانتومی‌سازی مستقیم نسبیت عام رخ خواهند داد، ندارد.
نظریه گرانش کوانتومی به تعریف پارامترهای ناشناخته نیاز ندارد!
یکی از نکات کلیدی این نظریه، سادگی آن است. برخلاف تعداد بسیاری از مدل‌های گرانش کوانتومی که به ذرات کشف‌نشده و نیروهای اضافی نیاز دارند، این نظریه به قلمرو شناخته‌شده فیزیک پایبند است. «یوکا تولکی»، استاد دانشگاه آلتو و یکی از نویسندگان این مقاله، دراین‌باره می‌گوید:
«تفاوت یا مزیت مهم نظریه ما در قیاس با تعداد بسیاری از نظریه‌های گرانش کوانتومی این است که مدل ما به ابعاد اضافی که تا این مدت هیچ شواهد تجربی مستقیمی برای آنها وجود ندارد، وابسته نیست. این چنین، این نظریه نیازی به هیچ پارامتر آزاد جدیدی فراتر از ثابت‌های فیزیکی شناخته‌شده ندارد.»
به این علت، می‌توان نظریه تازه را بدون نیاز به کشف ذرات تازه یا بازنویسی قوانین حاضر فیزیک، آزمایش کرد! تولکی می‌گوید: «هر آزمایشی که در آینده برای بازدید گرانش کوانتومی انجام شود، می‌تواند مستقیماً برای آزمون هرگونه پیش‌بینی احتمالی این نظریه به‌کار گرفته شود.»
مسیر اینده امیدوارکننده، اما مبهم است
با وجود ویژگی‌های امیدوارکننده، این مدل تا این مدت در مرحله های ابتدایی گسترش قرار دارد. هرچند محاسبات اولیه نشان خواهند داد که این نظریه در آزمون‌های معمول سازگاری کارکرد مساعد دارد اما اثبات کامل و جامع سازگاری آن تا این مدت انجام نشده است.
علاوه‌براین، این چارچوب نظری تا این مدت برای جواب به برخی از عمیق‌ترین سوال‌ها در فیزیک گرانشی به کار گرفته نشده است؛ سوال‌هایی همانند «ماهیت واقعی تکینگی‌های سیاه‌چاله» یا «فیزیک بیگ‌بنگ». پارتانن می‌گوید: «این نظریه تا این مدت توانایی پرداختن به این چالش‌های بزرگ را ندارد اما در آینده پتانسیل ملزوم برای این کار را خواهد داشت.»
راستی‌آزمایی تجربی این نظریه امکان پذیر حتی دشوارتر باشد. گرانش ضعیف‌ترین نیروی شناخته‌شده در طبیعت است و نمود‌های کوانتومی آن بسیار ظریف و کم‌اثرند. به این علت، آزمایش مستقیم اثرات گرانش کوانتومی با ابزارهای جاری عملاً فراتر از توان فناوری امروز است. تولکی توضیح می‌دهد:
«آزمودن اثرات گرانش کوانتومی به‌علت ضعیف بودن برهم‌کنش گرانشی، چالش‌برانگیز است اما ازآنجاکه نظریه تازه هیچ پارامتر قابل‌تنظیمی نظر نمی‌دهد، در آینده هر آزمایشی که به بازدید حرکت گرانش کوانتومی بپردازد، می‌تواند به‌طور بالقوه این نظریه را قبول یا رد کند.»
پارتانن نیز دراین‌باره افزود: «باتوجه‌به شدت جاری پیشرفت‌های نظری و مشاهده‌ای (عملی)، امکان پذیر چنددهه زمان ببرد تا نخستین پیشرفت‌های تجربی که می‌توانند شواهد مستقیمی از اثرات گرانش کوانتومی در اختیار ما بگذارند، حاصل شوند. اما شواهد غیرمستقیم از طریق مشاهدات پیشرفته می‌تواند سریعتر حاصل شود.»
اکنون، نظریه تازه افق تازه‌ای را برای نظریه‌پردازانی که به‌جستوجو تدوین نظریه‌ای کوانتومی از گرانش می باشند، نمایان کرده است؛ رویکردی که در چارچوب‌های موفق فیزیک ذرات، امکان پذیر کلید گشودن برخی از عمیق‌ترین اسرار کیهان را در خود داشته باشد.
دسته بندی مطالب
