یک مقالهی جدید در فیزیک، گامی مهم بهسوی ساخت «نظریهی همهچیز» برداشته است؛ نظریهای که هدف آن یکیکردن گرانش با دنیای کوانتومی است. با این حال، این نظریهی نوین هنوز فاصلهی زیادی تا اثبات تجربی دارد.
فیزیکدانان رویکردی نوین برای حل یکی از کهنهترین چالشهای فیزیک نظری ارائه دادهاند: یکپارچهسازی گرانش با دنیای کوانتومی.
در مقالهای که بهتازگی در ژورنال Reports on Progress in Physics منتشر شده، پژوهشگران بازنویسیای از گرانش ارائه کردهاند که میتواند به توصیفی کاملاً سازگار با مکانیک کوانتومی منجر شود — آنهم بدون نیاز به ابعاد اضافی یا عناصر عجیبوغریب نظریههایی مانند نظریه ریسمان.
در قلب این پیشنهاد، بازاندیشی در رفتار گرانش در سطح بنیادی قرار دارد. در حالی که سه نیروی بنیادی دیگر — الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی — همگی در چارچوب نظریه میدانهای کوانتومی توصیف میشوند، گرانش همچنان استثناست.
نسبیت عام، نظریه گرانش اینشتین، بهطور کامل کلاسیکی است و گرانش را بهصورت خمیدگی فضا-زمان در اثر جرم و انرژی توصیف میکند. اما تلاشها برای آشتی دادن این نظریه با مکانیک کوانتومی اغلب با ناسازگاریهای ریاضی جدی مواجه شدهاند، مانند احتمالهای بینهایت یا نتایج فیزیکی ناممکن.
گرانشی شبیه به نظریه میدانهای کوانتومی
در این نظریه جدید، میدان گرانشی به گونهای بازتفسیر شده که با ساختار نظریههای میدان کوانتومی شناختهشده هماهنگ است.
میکو پارتانن، فیزیکدان دانشگاه آلتو در فنلاند و یکی از نویسندگان مقاله، در ایمیلی به Live Science گفت:
«یافتهی کلیدی این است که نظریهی ما رویکردی تازه برای گرانش کوانتومی ارائه میدهد که ساختاری شبیه به توصیف دیگر برهمکنشهای بنیادی در مدل استاندارد دارد.»
در این مدل، گرانش دیگر حاصل خمیدگی فضا-زمان نیست، بلکه از طریق چهار میدان درهمتنیده منتقل میشود که هر یک مشابه میدان الکترومغناطیسی عمل میکنند. این میدانها به جرم پاسخ میدهند، همانطور که میدانهای الکتریکی و مغناطیسی به بار و جریان واکنش نشان میدهند.
آنها همچنین با یکدیگر و با میدانهای مدل استاندارد برهمکنش دارند، بهگونهای که در مقیاس کلاسیکی همان نتایج نسبیت عام را بازتولید میکنند و در عین حال امکان وارد کردن اثرات کوانتومی را بهطور سازگار فراهم میسازند.
سادهتر، بدون فرضیات پیچیده
از آنجا که ساختار این مدل شبیه نظریههای کوانتومی جاافتاده است، از مشکلات ریاضی رایج در کوانتیدهسازی نسبیت عام — مانند بینهایتهای ناسازگار و احتمالهای منفی — جلوگیری میکند.
یوکا تولکی، استاد دانشگاه آلتو و از نویسندگان مقاله، میگوید:
«برتری اصلی نظریه ما نسبت به بسیاری از نظریههای گرانش کوانتومی این است که نیازی به ابعاد اضافی ندارد؛ ابعادی که هنوز هیچ پشتیبانی تجربی مستقیمی برای آنها وجود ندارد. همچنین، این نظریه به هیچ پارامتر آزاد جدیدی جز ثابتهای فیزیکی شناختهشده نیاز ندارد.»
این بدان معناست که نظریه میتواند با آزمایشهایی که اکنون یا در آینده انجام میشوند، مورد ارزیابی قرار گیرد — بدون آنکه منتظر کشف ذرات ناشناخته یا بازنویسی قوانین فیزیک باشیم.
تولکی اضافه کرد:
«هر آزمایش آینده در زمینه گرانش کوانتومی میتواند مستقیماً برای آزمودن پیشبینیهای این نظریه به کار رود.»
آیندهای پر از پرسش
با وجود ویژگیهای امیدوارکننده، این مدل هنوز در مراحل آغازین خود است. اگرچه محاسبات اولیه نشان میدهد که نظریه در برابر آزمونهای سازگاری رایج، خوب عمل میکند، اثبات کامل انسجام آن هنوز انجام نشده است.
علاوه بر این، این چارچوب هنوز به پرسشهای عمیقتری در فیزیک گرانشی نپرداخته است — مانند ماهیت واقعی تکینگیهای سیاهچاله یا فیزیک مهبانگ.
پارتانن در اینباره میگوید:
«این نظریه هنوز قادر به پاسخ به آن چالشهای بزرگ نیست، اما پتانسیل آن را دارد که در آینده به آنها بپردازد.»
راستیآزمایی تجربی این نظریه نیز چالشی بزرگ است. چون گرانش ضعیفترین نیروی شناختهشده است و اثرات کوانتومیاش بهشدت ظریفاند، آزمودن مستقیم گرانش کوانتومی با ابزارهای فعلی ممکن نیست.
تولکی میگوید:
«آزمایش گرانش کوانتومی دشوار است، چون تعامل گرانشی بسیار ضعیف است.»
با این حال، چون این نظریه پارامتر تنظیمپذیر ندارد، هر آزمایشی در آینده که به رفتار کوانتومی گرانش بپردازد، میتواند بهطور بالقوه این نظریه را تأیید یا رد کند.
پارتانن در پایان گفت:
«با توجه به سرعت پیشرفت نظری و رصدی کنونی، ممکن است چند دهه طول بکشد تا نخستین شواهد تجربی مستقیم از گرانش کوانتومی بهدست آید. شواهد غیرمستقیم از طریق مشاهدات پیشرفته ممکن است زودتر فراهم شود.»
در حال حاضر، کار پارتانن و تولکی افق تازهای را پیش روی نظریهپردازان گشوده است — مسیری که همزمان بر پایهی چارچوبهای موفق فیزیک ذرات بنا شده و میتواند برخی از ژرفترین رازهای کیهان را آشکار سازد.
