دکتر حسن بلوری
برلین، ۲۰۲۳٫۰۵٫۰۵
گرانشِ کوانتومی
Quantum gravity
تصویر۱: نمودار، جایگاه گرانش کوانتومی را در سلسله مراتب نظریه‌‌های فیزیک نشان می‌دهد.۱
فشرده
گرانش کلاسیک را در مقاله‌ی ’کیهانشناسی کلاسیک‘۲ توضیح دادیم. در آنجا گفتیم که چهار نیروی بنیادی فیزیک بسیار متفاوت از یکدیگر هستند، برای مثال در قدرت و دامنه‌ی تاثیرگذاریشان. با این حال همه‌ی این نیروها بر اساس یک مفهوم هندسی، همسان می‌باشند. به این معنا که همکنش (تعامل) بین دو ذره توسط یک ’میدانِ واسطه‘ یا ’میدانِ پیمانه‘ای صورت می‌گیرد.۳ و همچنین اضافه کردیم که در قرن بیستم موفق به‌شناخت مراحل سهگانهی هندسه‌سازی فیزیک در فضازمان ۴بعدی شدیم که عبارتند از: ۱. فضازمانِ شبه اقلیدسیِ مینکوفسکی۲ (۱۹۰۸)، ۲. فضازمانِ شبهِ ریمانیِ اینشتین۴ (۱۹۱۵) و ۳. فضازمانِ میکروسکوپیِ یانگ ـ میلز۵ (از سال‌های۱۹۵۴). دو حالت اول را که به فیزیک کلاسیک مربوط می‌شود در مقاله‌ی۲ توضیح دادیم. حالت سوم از آنِ دنیای کوانتوم است که در مقاله‌ی پیش‌رو در رابطه با گرانش کوانتومی توضیح می‌دهیم.
پژوهش‌ها نشان داده‌اند که درک و فهم مِهبانگ۶ (بیگ بنگ) و آنچه در سیاه‌چاله‌ها۷ رخ می‌دهد نیازمند نظریه‌ا‌یست بنیادی‌تر از نظریه نسبیت عام و نظریه کوانتوم. نظریه‌ای که توان برطرف نمودن ناسازگاری‌‌های دو نظریه‌ی نسبیت و کوانتوم را که در طول‌های کوچکِ غیرقابلِ تصور (در ابعاد پلانک مانند طول پلانک ۳۳–۱۰سانتی‌متر) ظاهر می‌شوند داشته باشد.۸ به احتمال نظریه‌ای که چنین توانی را دارد، نظریه گرانش کوانتومی می‌باشد. اما مشکل بزرگ و اساسی در بنای آن اینست که طبیعت در این مورد اطلاعات بسیار کمی را از خود بروز می‌دهد. صرف‌نظر از اینکه ما در اینجا با چنان ابعاد کوچکی سروکار داریم که بررسی آنها نیازمند ابزارهای بسیار پرتوانی است که در اختیار نداریم. یعنی، امکان بررسی و مشاهده‌ی مستقیم پدیده‌های گرانش کوانتومی در آزمایشگاه وجود ندارد. با این حال فیزیکدان‌ها امیدوارند بتوانند برای مثال در پرتو پس‌زمینه کیهانی۹و۱۰، یعنی به‌شکل غیرمستقیم شواهدی را برای گرانش کوانتومی پیدا کنند.
در این مقاله می‌کوشم پس از پیشگفتار و توضیح مفهوم کوانتوم و نظریه کوانتوم به شرح هندسه‌سازی فیزیک در فضازمانِ میکروسکوپیِ یانگ ـ میلز۳ بپردازم و در ادامه نظریه گرانش کوانتومی را تا سطح دانش موجود (تنها نظری) بیان دارم.
یادآوری:
۱. در مقاله‌ی ’مهبانگ و پیدایش کیهان۶‘ مفهوم مهبانگ، تاریخچه‌ی مهبانگ و کیهان، مهبانگ کجا بود و … را توضیح دادیم.
۲. در مقاله‌ی ’کیهانشناسی کلاسیک‘۲، هندسه‌سازی فیزیک، گرانش کلاسیک و کیهانشناسی کلاسیک را شرح دادیم.
پیشگفتار
در پایان مقاله‌ی ’قوانینِ طبیعی و انبساطِ کیهان‘۹ آمده است: “ما اکنون درعلم کیهانشناسی صحبت از کیهانِ کوانتومی۶ می‌کنیم. کیهانشناسی کوانتومی ترکیبی از نظریه نسبیت عام و نظریه کوانتوم است. وقتی پای نظریه کوانتوم به بحث کیهان و قوانین آن باز می‌شود صورت مسئله از حالت به اصطلاح کلاسیک خارج و شکل بغرنج‌تر ولیکن در عین حال پُررنگ‌تر با امکانات به‌مراتب بیشتر را به خود می‌گیرد. قوانین کیهان کوانتومی کیهان‌های (به اصطلاح جهان‌های موازی) زیادی را ممکن می‌انگارد. هر یک از آنها می‌تواند قوانین طبیعی ویژه‌ی خود را داشته باشد. برای مثال ممکن است توزیع عناصر شیمیائی در آنها به نوع دیگری باشد و امکان شکل‌گیری حیات به‌شکلی که ما می‌شناسیم وجود نداشته باشد.”۹
بی‌شک بحث در باره‌ی کیهان کوانتومی نشان می‌دهد که انسان در مقایسه با چند صده‌ی گذشته تا چه اندازه در شناخت از جهانِ پیرامون خود پیشرفت کرده است. علم اکنون از چنان جایگاهی برخوردار است که به سختی می‌توان باور کرد که دانشمندان بزرگی در گذشته‌ای نه چندان دور با چه موانعی و رنج‌هایی مواجه بودند. نمونه بارز آن سرگذشت غم‌انگیز گالیلئو گالیله ریاضیدان، فیزیکدان و اخترشناس ایتالیایی (۱۶۴۲ـ۱۵۶۴) و معتقد به اینکه کتاب طبیعت به زبان ریاضی نوشته است می‌باشد.۳
لازم است گفته شود که مدل‌های نظری ارائه شده برای توضیح انفجار بزرگ، مِهبانگ و یا بیگ بنگ۷هیچ‌یک تاکنون به اثبات نرسیده‌اند. این مسئله از جمله ریشه در کامل نبودن نظریه نسبیت عام اینشتین دارد که اغلب مبنای این مدل‌ها می‌باشد. نظریه نسبیت عام که انرژی‌تکانه را با فضازمان پیوند می‌دهد و از یک میلیونیم ثانیه پس از مهبانگ به این سو بخوبی عمل می‌کند برای لحظات قبل از آن نه تنها کارکرد درستی ندارد بلکه کاملن غیرفیزیکی می‌شود و به پاسخ‌های غیرقابل قبول مانند دمای بی‌نهایت و یا چگالی بی‌نهایت در نقطه‌ی به اصطلاح تکینگی۴ می‌رسد. به عبارت دیگر، نظریه نسبیت عام تنها در محدوده‌ی یک میلیونیم ثانیه اول و ’ماقبل‘ آن۱۱و۱۲ عملکرد درستی ندارد. در این محدوده، فیزیک کلاسیک بهطور عام و نظریه نسبیت عام اینشتین بهطور خاص ناکارامد و فاقد اعتبار می‌شوند. این محدوده از آنِ فیزیک کوانتوم و خواهان بررسی با اصول، قوانین و روش‌های نظریه کوانتوم است.
عمده‌ی مدل یا طرح‌های ارائه شده برای محدوده‌ی مزبور عبارتند از نظریه ریسمان‌ها و نظریه گرانش کوانتومی. در حال حاضر چنان به‌نظر می‌رسد که نظریه گرانش کوانتومی، به‌ویژه حالت خاصی از آن به نام نظریه گرانشِ کوانتومیِ حلقه (Loop Quantum Gravity)، بیشترین شانس موفقیت را دارد. در مقابل، در نظریه ریسمان‌ها با ۱۱بُعد (!) می‌باید از میان ۱۰۵۰۰ حالت (!!) آن حالت یا امکان را جستجو و انتخاب کرد که می‌تواند احتمالن درست باشد. بی‌تردید انجام یک چنین پروسه‌ای به‌خاطر دامنه‌ی وسیع حالت‌های ممکن عملن غیرقابل اجرا می‌باشد. در این‌باره در مقاله‌ی ’روزِ بدونِ دیروز‘۱۲می‌خوانیم:
“ابژکت‌های بنیادین نظریه ریسمان‌ها، مدل ریسمان‌های باز و بسته (ارتعاشات فضازمان) می‌باشند. … نظریه ریسمان‌ها می‌خواهد توضیحی برای ذرات بنیادی و نیروهای بنیادی میان آنها باشد. … تمامی تلاش‌ها برای اثبات بُعدهای اضافی در نظریه ریسمان‌ها تاکنون به نتیجه نرسیده است. … البته این گفته به‌معنای آن نیست که نظریه ریسمان‌ها می‌باید نادرست باشد. … نظریه ریسمان‌ها مورد تایید همه‌ی فیزیکدان‌ها نیست. به این نظریه نقدهای زیاد و تندی شده است. … برای مثال Robert Laubhlinبرنده‌ی جایزه‌ی نوبل معتقد است که نظریه ریسمان‌ها نتیجه‌ی غم‌انگیز یک سیستم باور قدیمی است.”۱۲و۱۳
ابژکت‌های بنیادی که در مقاله‌ی پیش رو مدنظر هستند نه از نوع مدل ریسمان‌ها بلکه از نوع مدل ذراتِ به اصطلاح “نقطه‌ای” می‌باشند که در نظریه کوانتوم، در مدلِ استانداردِ ذراتِ کوانتومی، مطرح هستند.
برای مطالعه متن کامل نوشته با فرمت پی دی اف لطفا اینجا کلیک کنید
******
به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید