نظریه نسبیت عام Albert Einstein بیش از یک قرن است که بهعنوان یکی از قابلاعتمادترین چارچوبهای علمی در اخترفیزیک و کیهانشناسی شناخته میشود. این نظریه توانسته بسیاری از پدیدههای مهم جهان را توضیح دهد؛ از حرکت سیارات و رفتار ستارگان گرفته تا سیاهچالهها و انبساط کیهان. در واقع، بسیاری از دستاوردهای بزرگ علم مدرن بر پایه همین نظریه شکل گرفتهاند و هنوز هم نسبیت عام بخش اصلی درک ما از ساختار جهان را تشکیل میدهد.
با این حال، این نظریه یک محدودیت اساسی دارد: نمیتواند آغاز جهان یا همان رویداد مهبانگ (Big Bang) را بهطور کامل توضیح دهد. طبق پیشبینی نسبیت عام، اگر زمان را به عقب برگردانیم و به لحظه آغاز جهان برسیم، شرایط به نقطهای میرسد که چگالی و دما بینهایت میشوند. این وضعیت که «تکینگی» یا Singularity نام دارد، نقطهای است که قوانین فیزیک عملاً از کار میافتند و معادلات ریاضی دیگر پاسخ معناداری ارائه نمیدهند.
دانشمندان مدتهاست تلاش میکنند راهی برای حل این مشکل پیدا کنند؛ زیرا وجود تکینگی نشان میدهد که نظریه نسبیت عام در توضیح نخستین لحظات جهان کامل نیست. اکنون پژوهشگران University of Waterloo در مطالعهای جدید راهحلی جالب و غیرمنتظره برای این مسئله ارائه کردهاند.
این پژوهش که نتایج آن در مجله علمی Physical Review Letters منتشر شده، نظریهای جدید به نام «گرانش کوانتومی درجه دوم» یا Quadratic Quantum Gravity که به اختصار QQG نامیده میشود را معرفی میکند. این نظریه در واقع نسخه توسعهیافتهای از نسبیت عام اینشتین است که در آن برخی جملهها و اصلاحات اضافی به معادلات گرانش اضافه شدهاند.
پژوهشگران توضیح میدهند که این اصلاحات تنها در شرایط بسیار پرانرژی فعال میشوند؛ شرایطی مشابه آنچه در لحظات اولیه شکلگیری جهان وجود داشته است. به بیان ساده، در شرایط عادی و در مقیاسهای روزمره، نظریه جدید تقریباً همان رفتار نسبیت عام را دارد، اما در انرژیهای فوقالعاده بالا تفاوتهای مهمی ایجاد میکند.
یکی از مهمترین نتایج این نظریه آن است که جهان در لحظه آغازین خود به یک تکینگی بینهایت چگال فرو نرفته است. در عوض، طبق مدل QQG، جهان وارد یک حالت پایدار با انرژی بسیار بالا شده است. این موضوع باعث میشود مشکل «بینهایت شدن» چگالی و فروپاشی قوانین فیزیک برطرف شود.
به گفته پژوهشگران، این راهحل از نظر ریاضی بسیار زیباتر و منسجمتر از بسیاری از نظریههای قبلی است. نکته جالبتر اینکه نظریه QQG میتواند بهطور طبیعی دورهای از انبساط سریع اولیه جهان، یعنی «تورم کیهانی» یا Inflation را توضیح دهد.
تورم کیهانی یکی از مهمترین مفاهیم در کیهانشناسی مدرن است. طبق این ایده، جهان در کسری بسیار کوچک از ثانیه پس از تولد خود با سرعتی فوقالعاده زیاد منبسط شده است. این انبساط سریع میتواند بسیاری از ویژگیهای کنونی جهان، مانند یکنواختی دمای کیهان و توزیع ماده در فضا را توضیح دهد.
اما مشکل اینجاست که بیشتر نظریههای موجود برای توضیح تورم کیهانی نیازمند فرض وجود میدان خاصی به نام «اینفلاتون» یا Inflaton هستند؛ میدانی فرضی که تاکنون هیچ شواهد مستقیمی برای آن پیدا نشده است. در مقابل، نظریه QQG بدون نیاز به معرفی چنین میدان اضافی، بهصورت طبیعی مرحله تورم کیهانی را ایجاد میکند. این ویژگی باعث شده بسیاری از فیزیکدانان به این مدل جدید توجه ویژهای نشان دهند.
یکی از جذابترین بخشهای این نظریه آن است که برخلاف برخی مدلهای نظری پیچیده، QQG قابلیت آزمایش تجربی دارد. در علم فیزیک، قابلیت آزمایشپذیری اهمیت بسیار زیادی دارد، زیرا هر نظریهای در نهایت باید بتواند با دادههای واقعی تأیید یا رد شود.
طبق پیشبینی نظریه QQG، در لحظات آغازین جهان مقدار مشخصی از امواج گرانشی تولید شدهاند. این امواج احتمالاً بر اثر نوسانات کوانتومی ذرات فرضی گرانش یعنی «گراویتونها» ایجاد شدهاند. گراویتون ذرهای فرضی است که دانشمندان تصور میکنند حامل نیروی گرانش باشد، هرچند تاکنون مستقیماً مشاهده نشده است.
این امواج گرانشی اولیه ممکن است هنوز در ساختار کیهان باقی مانده باشند و بتوان آنها را در آینده شناسایی کرد. دانشمندان امیدوارند با پیشرفت فناوری و افزایش حساسیت آشکارسازها، بتوانند این سیگنالها را پیدا کنند.
یکی از ابزارهای مهم برای انجام این کار، مطالعه تابش زمینه کیهانی یا Cosmic Microwave Background است. این تابش در واقع نور باقیمانده از دوران اولیه جهان است و اطلاعات ارزشمندی درباره نخستین لحظات پس از مهبانگ در خود دارد. اگر آثار امواج گرانشی پیشبینیشده توسط QQG در این تابش مشاهده شوند، میتواند یکی از مهمترین کشفیات تاریخ فیزیک باشد.
پژوهشگران میگویند طی سالهای آینده، با توسعه آشکارسازهای پیشرفتهتر و پروژههای جدید مطالعه تابش زمینه کیهانی، احتمال کشف این سیگنالها بیشتر خواهد شد. در صورت تأیید، نظریه QQG میتواند یکی از بزرگترین تحولات در فیزیک مدرن از زمان ارائه نسبیت عام اینشتین باشد.
در مجموع، این پژوهش تلاش میکند شکاف میان نسبیت عام و مکانیک کوانتومی را کاهش دهد؛ دو نظریه بزرگی که هرکدام بخشی از جهان را توضیح میدهند اما هنوز بهطور کامل با یکدیگر سازگار نشدهاند. اگر نظریه جدید بتواند از آزمایشهای علمی سربلند بیرون بیاید، ممکن است درک ما از منشأ جهان، گرانش و حتی ساختار بنیادی واقعیت را بهطور اساسی تغییر دهد.
