با این حال، این نظریه همچنان فاصله زیادی تا تأیید تجربی دارد.
فیزیکدانان رویکردی نوین برای حل یکی از ماندگارترین مسائل فیزیک نظری ارائه دادهاند: یکپارچهسازی گرانش با دنیای کوانتوم.
در مقالهای که بهتازگی در نشریه Reports on Progress in Physics منتشر شده، پژوهشگران بازنگریای در نظریه گرانش ارائه کردهاند که میتواند به توصیفی کاملاً سازگار با نظریههای کوانتومی منجر شود — بدون نیاز به ابعاد اضافی یا ویژگیهای عجیب و غریب که در مدلهایی مانند نظریه ریسمان مطرح میشود.
در قلب این پیشنهاد، بازاندیشی در رفتار بنیادین گرانش قرار دارد. در حالی که سه نیروی بنیادی دیگر — الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی — همگی با نظریه میدان کوانتومی توصیف میشوند (چارچوبی که عدم قطعیت و دوگانگی موج-ذره را در بر دارد)، گرانش همچنان استثنا باقی مانده است. نظریه نسبیت عام اینشتین، توصیفی کاملاً کلاسیکی از گرانش بهعنوان خمیدگی هندسه فضا-زمان توسط جرم و انرژی ارائه میدهد. اما تلاشها برای تلفیق این نظریه با فیزیک کوانتومی معمولاً با ناسازگاریهای ریاضی غیرقابل حل — مانند احتمالهای بینهایت — مواجه میشوند.
در رویکرد جدید، میدان گرانشی بهگونهای بازتفسیر میشود که ساختاری مشابه نظریههای میدان کوانتومی شناختهشده داشته باشد.
به گفتهی میکو پارتانن، فیزیکدان دانشگاه آلتو فنلاند و یکی از نویسندگان مقاله:
«یافته کلیدی ما این است که نظریهمان رویکردی جدید به گرانش کوانتومی ارائه میدهد که شبیه به فرمولهسازی سایر برهمکنشهای بنیادی در مدل استاندارد فیزیک ذرات است.»
در این مدل، گرانش نه با خمکردن فضا-زمان بلکه با چهار میدان مرتبط توصیف میشود — میدانهایی که رفتاری مشابه با میدان الکترومغناطیسی دارند. این میدانها به جرم پاسخ میدهند؛ همانگونه که میدانهای الکتریکی و مغناطیسی به بار و جریان واکنش نشان میدهند. این میدانها نهتنها با یکدیگر، بلکه با میدانهای مدل استاندارد نیز تعامل دارند؛ بهگونهای که در سطح کلاسیک معادلات نسبیت عام را بازتولید میکنند و در عین حال، اجازه میدهند اثرات کوانتومی به شکلی سازگار در نظریه وارد شوند.
از آنجا که ساختار این مدل مشابه نظریههای کوانتومی تثبیتشده است، از مشکلات ریاضیاتی پرچالشی که همواره تلاش برای کوانتومیکردن نسبیت عام را مختل کردهاند، اجتناب میکند. به گفته نویسندگان، این چارچوب منجر به نظریهای کوانتومیِ خوبتعریفشده میشود که از مسائلی نظیر بینهایتهای فیزیکیِ ناسازگار یا احتمالهای منفی برای فرایندهای طبیعی دوری میجوید — مشکلاتی که در روشهای رایجِ کوانتومیسازی نسبیت عام بروز میکنند.
یکی از مزیتهای مهم این رویکرد، سادگی آن است. برخلاف بسیاری از نظریههای گرانش کوانتومی که نیازمند ذرات شناسایینشده یا نیروهای اضافیاند، این نظریه با مفاهیم آشنا باقی میماند.
ییوکا تولکی، استاد دانشگاه آلتو و نویسنده دیگر مقاله، در ایمیلی گفت:
«مزیت یا تفاوت اصلی نظریه ما نسبت به بسیاری از نظریههای دیگر گرانش کوانتومی این است که به ابعاد اضافی — که هنوز هیچ شاهد تجربی مستقیمی برای آنها وجود ندارد — نیاز ندارد. همچنین، نظریه ما پارامتر آزاد جدیدی جز ثابتهای شناختهشده فیزیکی وارد نمیکند.»
این بدان معناست که میتوان این نظریه را بدون کشف ذرات جدید یا بازنویسی قوانین فیزیکی موجود آزمایش کرد.
تولکی افزود: «هر آزمایش آینده در زمینه گرانش کوانتومی میتواند مستقیماً برای آزمون پیشبینیهای احتمالی این نظریه به کار رود.»
چشمانداز آینده
با وجود ویژگیهای امیدوارکننده، این مدل هنوز در مراحل ابتدایی توسعه قرار دارد.
هرچند محاسبات اولیه نشان میدهند که نظریه از آزمونهای رایج انسجام نظری سربلند بیرون میآید، اما هنوز اثبات کامل انسجام ریاضیاتی آن انجام نشده است.
افزون بر این، این چارچوب هنوز برای پاسخ به برخی از بنیادیترین پرسشهای فیزیک گرانشی، مانند ماهیت واقعی تکینگیهای سیاهچاله یا فیزیک آغازین مهبانگ، به کار گرفته نشده است.
پارتانن در اینباره گفت:
«این نظریه هنوز توانایی پرداختن به این چالشهای بزرگ را ندارد، اما در آینده این ظرفیت را خواهد داشت.»
تأیید تجربی این نظریه ممکن است حتی دشوارتر باشد. گرانش ضعیفترین نیروی شناختهشده است و جلوههای کوانتومی آن بسیار ظریف و ریز هستند. آزمونهای مستقیم برای اثرات گرانش کوانتومی فراتر از توان ابزارهای کنونیاند.
تولکی گفت: «آزمون اثرات گرانش کوانتومی به دلیل ضعف برهمکنش گرانشی چالشبرانگیز است.»
با این حال، از آنجا که این نظریه هیچ پارامتر دلخواهی ندارد، هر آزمایش آیندهای که رفتار کوانتومی گرانش را بررسی کند، میتواند به تأیید یا رد این نظریه بیانجامد.
پارتانن افزود:
«با توجه به سرعت کنونی پیشرفتهای نظری و مشاهدهای، ممکن است چند دهه طول بکشد تا اولین شواهد تجربی مستقیم از اثرات گرانش کوانتومی بهدست آید. اما شواهد غیرمستقیم میتوانند زودتر و از طریق مشاهدات پیشرفته فراهم شوند.»
در حال حاضر، کار پارتانن و تولکی مسیر جدیدی برای نظریهپردازان باز کرده است — مسیری که همراستا با چارچوبهای موفق فیزیک ذرات حرکت میکند و در عین حال، نوید پاسخگویی به برخی از عمیقترین اسرار کیهان را میدهد.