دکتر حسن بلوری،
برلین، ۲۰۲۵٫۰۸٫۱۴
The limitations of our knowledge of spacetime۱
نظریه نسبیت عام میگوید: ماده، هندسهٔ فضازمان را شکل میدهد و فضازمان، مسیر حرکت ماده را تعیین میکند. اما، این همکنشیِ ماده و فضازمان ناشی از چیست؟
فشرده
توصیفِ مدرنِ جهانِ هستی استوار بر دو نظریه اساسی از قرن بیستم است۲: نظریه نسبیت عام و نظریه کوانتومی. اهمیت این دو نظریه در آنست که میتوانند، هر کدام در گسترهی خود، جهان هستی را با دقت بسیار بالایی توصیف کنند. با این حال، این خواست نیز مطرح است که بتوان جهان هستی را فقط با یک نظریه توصیف کرد. این خواست برخاسته از باور و نگرشی است که جهان هستی را یکتا و درهمتنیده میداند. اما، اجرای چنین خواستی، اگر اصولن امکانپذیر باشد، وابسته به امکان برطرف کردن محدودیتهای شناختِ فضازمانن۶،۵،۴،۳ و کاستیهای نظریه کوانتومی۸،۷ است.
نظریه نسبیت عام براساس اصل همارزیِ جرمِ گرانشی و جرمِ لختی بنا شده و همکنشی ماده و فضازمان را در شکل کلاسیک، با کمیتهای پیوسته، بیان میدارد. این نظریه هیچ همنوایی با نظریه کوانتومی ندارد، با اصل عدم قطعیت ناآشناست و توان توصیف بخشهایی از فضازمان به نام تکینگی را ندارد. تکینگی، به بخشهایی از فضازمان گفته میشود که نظریه نسبیت عام در آن بخشها اعتبار خود را از دست میدهد، مانند محدودهی سیاهچالهها و انفجار بزرگ.
نظریه کوانتومی با پیشفرض فضازمانِ پیوسته (؟!) و تخت، یعنی کلاسیک، بهعنوانِ پسزمینه (؟!) آن بنا شده است. مفهومهای این نظریه، بهویژه مفهوم واقعیت۹ همچنان از زمان بنای آن مورد تعبیر و تفسیر است. با این همه، باور براین است که توسعه نظریه کوانتومی و به موازات آن کوانتیزه کردن نظریه نسبیت عام میتواند زمینهی وحدت این دو نظریه را فراهم کنند. با این استدلال که جهان هستی از ماده و انرژی بنا شده که هر دو کوانتومی (دانه دانه)۸ هستند. این امکان، یعنی ارایه یک نظریه کوانتومیِ توسعه یافتهتر که گرانش را نیز شامل شود، خارج از تصور نیست: نظریهای به نام نظریه گرانش کوانتومی۷ با توانِ توضیحِ همکنشی کوانتومیِ ماده و فضازمان و یکتا و درهمتنیده بودن جهان هستی.
در اینجا این پرسش مطرح است که برای رسیدن به خواستهای نامبرده چه روشی را باید پیشه کرد: روش بازکاوشی (استقرایی) یا روش سنجشی (قیاسی)؟ و اصولن، آیا ما در انتخاب یکی از آنها آزادی عمل داریم؟
در این مقاله میخواهیم پس از پیشگفتار، به محدودیتهای شناختِ فضازمان در رابطه با ماده بسانِ اختلاف در ساختارهای نظری، محدودیت در مشاهده مستقیم پدیدهها، بازبهنجارساری نظریه میدانهای کوانتومی و مسئلهی زمان بپردازیم
پیشگفتار
گزارههای علمی نیاز به مفهوم، بهمعنای فهمیده شده، دارند. آیا ما مفهومهای ماده و فضازمان را درست فهمیدهایم؟ بهنظر چنین نمیآید. چراکه اگر چنین بود، بایستی میتوانستیم این دو مفهوم و همکنشی آنها را با فقط یک نظریه توصیف کنیم. در حالیکه اکنون دو نظریه، نظریه نسبیت عام برای توصیف دنیای ماکروسکوپی (جهانِ فراسوی اتمها) و نظریه کوانتومی برای توصیف دنیای میکروسکوپی (جهانِ اتمها و زیر اتمها) را داریم. این حالت نشان از درک ناکامل ما از مفهومهای فضازمان، ماده و همکنشی آنها دارد. از جمله و بهویژه به این خاطر که نظریه نسبیت عام، کمیتها را پیوسته و نظریه کوانتومی آنها را گسسته میدانند. این وضعیت بخوبی ناهمنوایی این دو نظریه را نشان میدهد.
نظریه نسبیت عام، بدون پسزمینه در شکل فضازمانِ پیوستهِ ۴بعدیِ انحنادار، یعنی فضازمان ریمانی ویژه، در رابطه با ماده و انرژی بر اساسِ اصل همارزیِ جرمِ گرانشی و جرمِ لختی بنا شده است. این نظریه در مقطع تکینگی، یعنی در محدودهی سیاهچالهها، اجسام آسمانی مشابه و انفجار بزرگ، با مسئلهِ کمیتهای بینهایت، مانند چگالی بینهایت و یا انرژی بینهایت، مواجه است که در علم فیزیک، بعکس ریاضیات، بیمعنا و پذیرفتنی نیستند.
نظریه کوانتومی، با پیشفرض فضازمانِ پیوستهِ ۴بعدی تخت، یعنی فضازمان مینکوفسکی، بهعنوان پسزمینهی آن بنا شده است. این در حالی است که بناست این نظریه، با کمیتهای ناپیوسته، یک نظریه بنیادی و زیربنایی برای کل علم فیزیک و جهان هستی باشد.
نکات ذکر شده نشان میدهند که ما مفهومهای فضازمان و ماده و همچنین همکنشی این دو را درست نفهمیدهایم. از اینرو، تلاش برای فهم آنها و در ادامه آمیزه (تلفیق) نظریه نسبیت عام با نظریه کوانتومی در راستای ارایه یک نظریه فراگیر به نام نظریه گرانش کوانتومی و یا تحت هر نام دیگری اجتنابناپذیر است. نظریهای که توان نوصیف همکنشی ماده، فضازمان و محدودهِ انفجار بزرگ، سیاهچالهها و اجسام مشابه را داشته باشد. یعنی، بیانگر حالتهایی باشد که در آنها اثر گرانشی و اثر کوانتومی همزمان حضور دارند. بیگمان، در صورت بنای یک چنان نظریهای لازم است، درستی یافتههای آن در تجربه نشان داده شود ـ حتا اگر لازم باشد بهصورت غیرمستقیم.
توضیحات ارایه شده نشان میدهند که جهان هستی، زمانی رضایتبخش توصیف شده محسوب میشود که شناخت دزستی از مفهومهای ماده، فضازمان، و همکنشی آنها، بهویژه در حالتهایی همزمان با اثر گرانشی و اثر کوانتومی داشته باشیم.
بهنظر، یکی از بایستگیها برای دستیابی به چنان توصیفی وحدت دو نظریه نامبرده از طریق کوانتیزه کردن نظریه نسبیت عام و توسعهی نظریه کوانتومی است. به این خاطر که جهان هستی از انرژی و ماده در شکل کوانتا (ذرهها) بنا شده است و نه به شکل پیوسته، آنگونه که در نظریه نسبیت عام تصور شده است. اما، دههها سال تلاش فیزیکدانها در راستا برای برپایی چنان نظریهای تاکنون به نتیجهی دلخواه نیانجامیده است
پیش از ورود به بحث ’محدودیتهای شناخت فضازمان‘ لازم است ابتدا با مفهوم واگرایی (divergence، دور شونده، جدا شونده) آشنا شویم. سپس توضیحاتی در بارهی دو مفهوم مهم در رابطه با نظریه میدانهای کوانتومی، یعنی مفهوم’ساماندهی (regularization)‘ و مفهوم ’بازبهنجارسازی (renormalization)‘ ارایه دهیم. و در ادامه به مفهوم ’غیرقابل بازبهنجارسازی (not renormalizable)‘ بپردازیم.
******
برای مطالعه متن کامل نوشته با فرمت پی دی اف لطفا اینجا کلیک کنید
******
به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید