آیا زمان بازنویسی فیزیک فرا رسیده است؟

فیزیک‌دانان در مقاله‌ای تازه، گامی مهم در راستای حل یکی از پایدارترین مشکلات فیزیک نظری برداشته‌اند و آن متحد کردن گرانش با دنیای کوانتومی است. این نظریه جدید، گرانش کوانتومی را به واقعیت تبدیل می‌کند و ممکن است باعث نقض نظریه اینشتین شود.

به گزارش ایسنا، در مقاله‌ای که به‌تازگی در مجله «Reports on Progress in Physics» منتشر شده، پژوهشگران بازنگری‌ای اساسی در نظریه گرانش ارائه داده‌اند که می‌تواند راه را برای توصیفی کاملا سازگار با کوانتوم باز کند و آن‌هم بدون نیاز به ابعاد اضافی یا ویژگی‌های عجیب و غریب نظریه‌هایی مانند ریسمان است.

به نقل از اسپیس، در قلب این نظریه، بازتعریفی از رفتار گرانش در بنیادی‌ترین سطح وجود دارد. در حالی که نیروهای الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی همگی با استفاده از نظریه میدان کوانتومی توصیف می‌شوند، گرانش هنوز یک نظریه کلاسیک باقی مانده است. نظریه نسبیت عام اینشتین گرانش را به عنوان خمیدگی فضا-زمان در اثر جرم و انرژی توصیف می‌کند. اما هر بار که دانشمندان تلاش کرده‌اند آن را با مکانیک کوانتومی ترکیب کنند، با ناسازگاری‌های ریاضیاتی جدی مثل بروز احتمالات بی‌نهایت مواجه شده‌اند.

نظریه جدید، میدان گرانشی را به شیوه‌ای بازتعبیر می‌کند که ساختاری مشابه نظریه‌های میدان کوانتومی شناخته‌شده دارد. دکتر میکو پارتانن (Mikko Partanen)، یکی از نویسندگان مقاله از دانشگاه آلتو در فنلاند، می‌گوید: یافته کلیدی این است که نظریه ما راهی تازه برای توصیف گرانش کوانتومی فراهم می‌کند که از لحاظ ساختاری شبیه به تعاملات بنیادی مدل استاندارد فیزیک ذرات است.

در این مدل، به جای انحنای فضا-زمان، گرانش از طریق چهار میدان به‌هم‌پیوسته منتقل می‌شود که هر کدام مشابه میدان‌هایی هستند که نیروی الکترومغناطیسی را توصیف می‌کنند. این میدان‌ها به جرم همان‌طور واکنش نشان می‌دهند که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به بار و جریان واکنش نشان می‌دهند. آن‌ها همچنین با هم و با میدان‌های مدل استاندارد تعامل دارند، به‌طوری که در سطح کلاسیک نسبیت عام را بازتولید می‌کنند و در عین حال اجازه می‌دهند اثرات کوانتومی نیز به‌طور سازگار در نظریه گنجانده شوند.

از آنجا که ساختار این مدل مشابه نظریه‌های موفق کوانتومی است، از مشکلات ریاضیاتی که معمولا در تلاش برای کوانتومی کردن نسبیت عام پدید می‌آیند مانند بروز بی‌نهایت‌های غیر فیزیکی یا احتمالات منفی اجتناب می‌شود.

یکی از مزایای مهم این نظریه، سادگی آن است. برخلاف بسیاری از نظریه‌های گرانش کوانتومی که به ذرات ناشناخته یا نیروهای اضافی نیاز دارند، این مدل تنها با مفاهیم و ثابت‌های شناخته‌شده فیزیکی کار می‌کند.

به گفته پروفسور یوکا تولکی (Jukka Tulkki)، نویسنده همکار مقاله از دانشگاه آلتو می‌گوید: مزیت اصلی یا تفاوت مهم این نظریه با دیگر نظریه‌های گرانش کوانتومی این است که نیاز به ابعاد اضافی ندارد. ابعادی که هنوز هیچ شواهد تجربی مستقیمی از آن‌ها وجود ندارد. همچنین، مدل ما نیازی به هیچ پارامتر آزاد جدیدی ندارد.

این ویژگی به این معناست که می‌توان نظریه را با آزمایش‌های موجود یا آینده آزمایش کرد، بدون آن‌که منتظر کشف ذرات جدید یا بازنویسی قوانین فیزیکی باشیم.

نگاهی رو به جلو

با وجود ویژگی‌های امیدوارکننده، این نظریه هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد. اگرچه محاسبات اولیه نشان می‌دهد که نظریه در برابر آزمون‌های سازگاری معمول خوب عمل می‌کند، اما اثبات کامل سازگاری آن هنوز نیاز به کار دارد.

علاوه بر این، این چارچوب هنوز برای پاسخ به برخی از عمیق‌ترین پرسش‌ها در فیزیک گرانشی مانند ماهیت واقعی تکینگی‌های سیاه‌چاله یا فیزیک مبدا کیهان به‌کار گرفته نشده است. دکتر پارتانن در این‌باره می‌گوید:نظریه هنوز توانایی پاسخ به این چالش‌های بزرگ را ندارد، اما پتانسیل آن را در آینده دارد.

تایید تجربی این نظریه نیز کار دشواری خواهد بود. گرانش ضعیف‌ترین نیروی شناخته‌شده است و اثرات کوانتومی آن بسیار ظریف هستند. آزمایش مستقیم این اثرات با ابزارهای کنونی ممکن نیست.

با این حال، چون این نظریه فاقد پارامترهای قابل تنظیم است، هر آزمایش آینده‌ای که رفتار گرانش کوانتومی را بررسی کند، می‌تواند به‌طور مستقیم آن را تایید یا رد کند.

دکتر تولکی می‌گوید: آزمودن اثرات گرانش کوانتومی چالش‌برانگیز است، چرا که برهم‌کنش گرانشی بسیار ضعیف است.

اما به گفته پارتانن، با سرعت فعلی پیشرفت در نظریه و مشاهده، ممکن است چند دهه طول بکشد تا شواهد تجربی مستقیمی برای گرانش کوانتومی به‌دست آوریم. گرچه شواهد غیرمستقیم ممکن است زودتر در دسترس قرار گیرند.

کار پارتانن و تولکی راهی تازه پیش پای نظریه‌پردازان باز کرده تا در جست‌وجوی نظریه‌ای کوانتومی برای گرانش، به مسیرهایی پای بگذارند که با چارچوب موفق فیزیک ذرات هم‌راستا هستند و در عین حال امکان گشودن برخی از عمیق‌ترین رازهای کیهان را دارند.

*