یک نظریه نوین گرانش کوانتومی شاید شکاف بین نسبیت عام انیشتین و کوانتوم را پُر کند

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

فیزیکدانان دانشگاه آلتون تئوری کاملا جدیدی از گرانش کوانتومی ارائه داده‌اند که با مدل استاندارد سازگار است؛ مدلی که تمام ذرات و نیرو‌های شناخته شده جهان، به جز گرانش، را توصیف می‌کند. کار آنها می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا معما‌های کیهانی مثل آغاز جهان یا آنچه درون سیاهچاله‌ها رخ می‌دهد را بهتر درک کنند. شاید این موضوع به نظر عمیق و مجرد برسد، اما پیشرفت‌هایی از این دست اغلب منجر به فناوری‌های واقعی می‌شوند؛ سیستم GPS گوشی شما بدون نظریه گرانش انیشتین حتی یک دقیقه هم کار نمی‌کرد.

مقاله جدید می‌تواند راز‌های مهبانگ را فاش کند

در یک مقاله تازه منتشر شده در مجله Reports on Progress in Physics، دو محقق فنلاندی، «میکو پارتانن» و «یوکا تولکی»، نظریه انقلابی خود درباره گرانش کوانتومی را ارائه 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 بود به سوالات بسیار دشواری مثل وجود تکینگی در سیاهچاله‌ها و مهبانگ پاسخ دهیم.» 

پارتانن می‌افزاید: «نظریه‌ای که بتواند تمام نیرو‌های بنیادی طبیعت را به صورت هماهنگ توصیف کند، اغلب «نظریه همه چیز» نامیده می‌شود، هرچند من شخصاً از این عنوان استقبال نمی‌کنم. هنوز سوالات بنیادی زیادی در فیزیک باقی مانده است. مثلاً نظریه‌های فعلی هنوز نمی‌توانند توضیح دهند چرا در جهان قابل مشاهده، ماده بیشتر از پادماده است.» 

گرانش در قالب «نظریه گیج»

به گزارش scitechdaily، نقطه کلیدی در این نظریه، پیدا 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. وقتی ذرات باردار با یکدیگر تعامل دارند، این تعامل از طریق میدان الکترومغناطیسی انجام می‌شود که یک میدان گیج مناسب است. پس وقتی ذراتی با انرژی داریم، تعاملی که تنها به خاطر داشتن انرژی دارند باید از طریق میدان گرانشی رخ دهد.» 

چالشی که فیزیکدانان دهه‌ها با آن مواجه 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 اصلی مطالعه، می‌گوید: «ایده اصلی این است که یک نظریه گیج برای گرانش داشته باشیم که تقارنی شبیه به تقارن‌های مدل استاندارد داشته باشد، نه اینکه مانند نسبیت عام، فقط بر تقارن‌های فضازمانی متکی باشد.» 

بدون چنین نظریه‌ای، فیزیکدانان نمی‌توانند دو نظریه قدرتمند فیزیک، نظریه میدان کوانتومی و نسبیت عام، را با هم هماهنگ کنند.

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

علاوه بر این، چون تعاملات گرانشی ضعیف هستند، دقت بیشتری برای مطالعه اثرات واقعی گرانش کوانتومی لازم است، اثراتی که فراتر از نظریه کلاسیک نسبیت عام هستند.

پارتانن می‌گوید: «برای درک پدیده‌هایی که در حضور میدان گرانشی شدید و انرژی بالا رخ می‌دهند، مثل آنچه در اطراف سیاهچاله‌ها یا در دقایق اولیه تشکیل جهان رخ داده، به یک نظریه کوانتومی گرانش نیاز داریم؛ جایی که نظریه‌های موجود دیگر کار نمی‌کنند.» 

همواره علاقه‌مند به بزرگترین سوالات فیزیک، او راهکاری مبتنی بر تقارن برای نظریه گرانش کشف کرد و با همکاری تولکی، این ایده را توسعه داد. کار حاصل پتانسیل بسیاری دارد تا دوره جدیدی از درک علمی را رقم بزند، همانطور که درک گرانش، زمینه‌ساز ایجاد فناوری GPS شد.

دعوتی باز از سوی جامعه علمی

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

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

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

پارتانن هم با او موافق است. او می‌گوید هنوز 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 خیلی بیشتر از این موضوع خواهیم دانست.» 

در حالی که این نظریه هنوز در دست اثبات است، آنها آن را به صورت عمومی منتشر کرده‌اند تا دانشمندان دیگر هم با آن آشنا شوند، نتایج آن را بررسی کنند، به توسعه آن کمک کنند و بر پایه آن کار کنند.

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