یک نظریه نوین گرانش کوانتومی احتمالا شکاف بین نسبیت عام انیشتین و کوانتوم را پُر کند_صبح سریع

بعد از دهه‌ها تلاش، دانشمندان احتمالا سرانجام به یکی از بزرگترین معما‌های فیزیک نزدیک شده باشند، نحوه ترکیب گرانش با دیگر نیرو‌های بنیادی طبیعت. قرن‌ها است که فیزیکدانان در پی هماهنگ کردن دو نظریه قوی، اما ناسازگار، نظریه گرانش انیشتین و مکانیک کوانتومی، می باشند. اکنون، یک دستاورد بزرگ از سوی محققان فنلاندی امکان پذیر ما را یک قدم به «نظریه همه چیز» نزدیک‌تر کند.

فیزیکدانان دانشگاه آلتون تئوری کاملا جدیدی از گرانش کوانتومی اراعه داده‌اند که با مدل استاندارد سازگار است؛ مدلی که همه ذرات و نیرو‌های شناخته شده جهان، به جز گرانش، را توصیف می‌کند. کار آنها می‌تواند به دانشمندان پشتیبانی کند تا معما‌های کیهانی همانند اغاز جهان یا آنچه درون سیاهچاله‌ها رخ می‌دهد را بهتر فهمیدن کنند. احتمالا این نوشته به نظر عمیق و مجرد برسد، اما پیشرفت‌هایی از این دست زیاد تر تبدیل فناوری‌های واقعی خواهد شد؛ سیستم GPS گوشی شما بدون نظریه گرانش انیشتین حتی یک دقیقه هم کار نمی‌کرد.

مقاله تازه می‌تواند راز‌های مهبانگ را آشکار کند

در یک مقاله تازه انتشار شده در مجله Reports on Progress in Physics، دو محقق فنلاندی، «میکو پارتانن» و «یوکا تولکی»، نظریه انقلابی خود درمورد گرانش کوانتومی را اراعه داده‌اند. این مقاله پیامد‌های بزرگی برای فیزیک دارد.

او می‌گوید: «اگر این نظریه به یک نظریه کامل از میدان گرانش کوانتومی منجر شود، سرانجام ما قادر خواهیم می بود به سوالات زیاد سختی همانند وجود تکینگی در سیاهچاله‌ها و مهبانگ جواب دهیم.» 

پارتانن می‌افزاید: «نظریه‌ای که بتواند همه نیرو‌های بنیادی طبیعت را به طور هماهنگ توصیف کند، زیاد تر «نظریه همه چیز» نامیده می‌شود، هرچند من شخصاً از این گفتن استقبال نمی‌کنم. تا این مدت سوالات بنیادی بسیاری در فیزیک باقی مانده است. برای مثالً نظریه‌های جاری تا این مدت نمی توانند توضیح دهند چرا در جهان قابل مشاهده، ماده زیاد تر از پادماده است.» 

گرانش در قالب «نظریه گیج»

به گزارش scitechdaily، نقطه کلیدی در این نظریه، اشکار کردن روشی است که بتوان گرانش را در چارچوب یک «نظریه گیج» (Gauge Theory) توصیف کرد، نوعی نظریه که در آن ذرات از طریق یک میدان با یکدیگر تعامل دارند.

تولکی توضیح می‌دهد: «معروف‌ترین میدان گیج، میدان الکترومغناطیسی است. هنگامی ذرات باردار با یکدیگر تعامل دارند، این تعامل از طریق میدان الکترومغناطیسی انجام می‌شود که یک میدان گیج مناسب است. بعد هنگامی ذراتی با انرژی داریم، تعاملی که تنها برای داشتن انرژی دارند باید از طریق میدان گرانشی رخ دهد.» 

چالشی که فیزیکدانان دهه‌ها با آن روبه رو بوده‌اند، یافتن یک نظریه گیج از گرانش است که با نظریه‌های گیج سه نیروی دیگر، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف و قوی هسته‌ای، سازگار باشد. مدل استاندارد فیزیک ذرات، یک نظریه گیج است که این سه نیرو را توصیف می‌کند و دارای تقارن‌های خاصی است.

پارتانن، نویسنده مهم مطالعه، می‌گوید: «ایده مهم این است که یک نظریه گیج برای گرانش داشته باشیم که تقارنی همانند به تقارن‌های مدل استاندارد داشته باشد، نه این که همانند نسبیت عام، فقط بر تقارن‌های فضازمانی متکی باشد.» 

بدون این چنین نظریه‌ای، فیزیکدانان نمی توانند دو نظریه قوی فیزیک، نظریه میدان کوانتومی و نسبیت عام، را با هم هماهنگ کنند.

نظریه کوانتومی دنیای ذرات زیاد کوچک را توصیف می‌کند، ذراتی که به طور احتمالی با یکدیگر تعامل دارند، در حالی که نسبیت عام دنیای اجسام بزرگ و تعامل های گرانشی آنها را شرح می‌دهد. این دو نظریه از دیدگاه‌های گوناگون به جهان نگاه می‌کنند و هر دو با دقت فوق العاده‌ای قبول شده‌اند، اما با هم ناسازگارند.

علاوه بر این، چون تعامل های گرانشی ضعیف می باشند، دقت بیشتری برای مطالعه اثرات واقعی گرانش کوانتومی ملزوم است، اثراتی که فراتر از نظریه کلاسیک نسبیت عام می باشند.

پارتانن می‌گوید: «برای فهمیدن اتفاق‌هایی که در وجود میدان گرانشی شدید و انرژی بالا رخ خواهند داد، همانند آنچه در اطراف سیاهچاله‌ها یا در دقایق اولیه راه اندازی جهان رخ داده، به یک نظریه کوانتومی گرانش نیاز داریم؛ جایی که نظریه‌های حاضر دیگر کار نمی‌کنند.» 

مدام علاقه‌مند به بزرگترین سوالات فیزیک، او راهکاری مبتنی بر تقارن برای نظریه گرانش کشف کرد و با همکاری تولکی، این ایده را گسترش داد. کار حاصل پتانسیل تعداد بسیاری دارد تا دوره جدیدی از فهمیدن علمی را رقم بزند، همانطور که فهمیدن گرانش، عرصه‌ساز تشکیل فناوری GPS شد.

دعوتی باز از سوی جامعه علمی

هرچند نظریه امیدوارکننده است، این دو محقق اذعان می‌کنند که تا این مدت اثبات کامل آن انجام نشده است. نظریه آنها از یک رویه تخصصی به نام «نُرم‌کردن» (Renormalization) منفعت گیری می‌کند، یک روش ریاضی برای مقابله با بی‌نهایت‌هایی که در محاسبات ظاهر خواهد شد.

تا بحال پارتانن و تولکی ثابت کرده‌اند که این روش تا حدی کار می‌کند، برای آنچه «جملات مرتبه اول» نامیده می‌شود، اما باید یقین شوند که این بی‌نهایت‌ها را در همه سطوح محاسباتی نیز می‌توان حذف کرد.

تولکی توضیح می‌دهد: «اگر نُرم‌کردن برای جملات مرتبه بالاتر کار نکند، نتایج به بی‌نهایت می‌رسند؛ به این علت مهم است که نشان دهیم این روش در همه مرحله های عملیاتی است. ما تا این مدت اثبات کاملی نداریم، ولی باور داریم که موفق خواهیم شد.» 

پارتانن هم با او موافق است. او می‌گوید تا این مدت چالش‌هایی در پیش دارند، اما با زمان و تلاش، انتظار دارد آنها را پشت سر بگذارند. وی می‌گوید: «نمی‌توانم بگویم کی، اما می‌توانم بگویم که چند سال دیگر زیاد زیاد تر از این نوشته خواهیم دانست.» 

در حالی که این نظریه تا این مدت در دست اثبات است، آنها آن را به طور عمومی انتشار کرده‌اند تا دانشمندان دیگر هم با آن آشنا شوند، نتایج آن را بازدید کنند، به گسترش آن پشتیبانی کنند و بر پایه آن کار کنند.

پارتانن در آخر می‌گوید: «همانند مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت قبل از آن، امیدواریم نظریه ما دروازه‌های بی‌شماری را برای دانشمندان برای کشف و تحقیق باز کند.»