اگر شما فقط یک چیز را در مورد مکانیک کوانتومی بدانید ، احتمالا این نکته  است که یک ذرّه ی کوانتومی می تواند در یک زمان هم این جا باشد و هم آنجا !   و اگر فقط یک حقیقت را درمورد گرانش بدانید احتمالا این حقیقت خواهد بود که اجسام ، میدان گرانشی داشته و یکدیگر را جذب می کنند . بنابراین به نظر می رسد که میدان گرانشی مادّه ی کوانتومی باید در آن واحد هم اینجا باشد و هم هرکجای دیگر !  نسبیت عام اینشتین ، که گرانش را توصیف می کند ، یک فرضیه ی کلاسیک است . از نسبیت عام  چیزهای زیادی آموخته ایم و عملکردهای بسیار خوبی هم دارد و کارهای زیادی هم انجام می دهد اما کاری که از پسش بر نمی آید اینست که نمی تواند میدان های گرانشی را در حالت کوانتومی توصیف کند . برای این منظور ما به یک نسخه ی کوانتومی شده ی نسبیت عام نیاز داریم یعنی در واقع تئوری گرانش کوانتومی .

حال اگر فقط یک واقعیت درمورد گرانش کوانتومی آشکار باشد  آن واقعیت احتمالا این است که هیچ کس نمی داند این پدیده چگونه عمل می کند .

ما با این حال الزامات مورد نیاز برای یک نظریه ی  موفق گرانش کوانتومی را می شناسیم  .

ما از گرانش کوانتومی چه انتظاری داریم ؟

برای شروع ، یک تئوری گرانش کوانتومی باید به ما بگوید که مادّه ی کوانتومی چگونه تحت تاثیر گرانش قرار خواهد گرفت ، بخصوص اگر گرانش قوی باشد . تا وقتی که گرانش ضعیف باشد ، می توانیم کوانتیزه کردن آن را مانند کوانتیزه کردن برهمکنش های دیگر در نظر بگیریم . اما این مدل کوانتیزه کردن میدان-ضعیف هنگامی که  گرانش قوی باشد دیگر معنا نخواهد داشت ، مثل زمانی که ذرات با انرژی های بسیار بالا با آنچنان انرژی بالایی با یکدیگر برخورد می کنند که خود ذرات تاثیر گرانشی بسیار زیادی خواهند داشت .

گرانش کوانتومی همچنین باید به ما بگوید که در زمان ابتدایی شکل گیری جهان چه رخ داده . بر طبق نسبیت عام ، جهان ما در یک تکینگی آغاز شده . این موضوع نشان می دهد ما به توضیحات اساسی بیشتری در مورد فضا و زمان نیاز داریم . از آنجایی که گرانش در لحظات ابتدایی جهان  قوی بوده ، در این زمینه تاثیرات کوانتومی گرانش نمی تواند نادیده گرفته شود .

نسبیت عام همچنین وقتی ماده درون سیاه چاله سقوط کند  تکینگی را پیش بینی می کند که در نهایت به چیزی منجر خواهد شد که از آن با نام پارادوکس فقدان اطلاعات سیاه چاله یاد می شود . همانطور که می دانیم سیاه چاله ها درنتیجه ی اثرات کونتومی  تابش گرمایی ازخود ساطع می کنند و اثرات گرانشی کوانتومی در این مساله دخیل نیستند ، اما هنگامی که سیاه چاله بطور کامل تبخیر می شود ، آنچه باقی می ماند ، بدون در نظر گرفتن اینکه سیاهچاله از چه ساخته شده فقط تابش گرمایی خواهد بود .

اطلاعات درون سیاهچاله اما در این فرآیند برگشت ناپذیر (irreversible processes) نابود شده و از بین رفته است اما از آنجایی که فرآیند برگشت ناپذیر آن طور که ما می دانیم نمی تواند در حوزه ی مکانیک کوانتوم رخ دهد این نشان دهنده ی یک تناقض است . گرانش کوانتومی باید توضیح دهد که چه بر سر اطلاعات درون سیاهچاله آمده .

(فرآیند برگشت پذیر به فرآیندی اطلاق می شود که می تواند معکوس شود بدون آنکه اثری در اطراف خود بر جای بگذارد ، یعنی سیستم و اطراف هردو در انتهای فرآیند برگشت پذیر به حالت های اولّیه ی خود بر می گردند . در چنین فرآیندی آنتروپی ثابت می ماند . )

علاوه بر این مسائل ، یک  تئوری گرانش کوانتومی باید قادر باشد تا تمامی دستاوردهای حاصل از نسبیت عام و مدل استاندارد ذرات را بازتولید کرده و آن ها را نیز پوشش دهد ، به علاوه چنین نظریه ای باید پیش بینی های قابل آزمایشی را پیش روی ما قرار دهد تا با انجام آن آزمایشات و حصول نتیجه ، این اطمینان را حاصل کنیم که نظریه ی ما دید درستی نسبت به طبیعت دارد .

ما تاکنون چه آموخته ایم ؟

دانشمندان فیزیک رویکردهای مختلفی را برای دستیابی به گرانش کوانتومی دنبال می کنند : نظریه ی ریسمان ها و گرانش کوانتومی حلقه (loop quantum gravity) ، مثلث بندی دینامیکی سببی (causal dynamical triangulation) و گرانش مجانبا امن (یا امن مجانبی)(asymptotically safe gravity) ، مجموعه های سببی (causal sets) ، نظریه ی میدان گروه  (Group field theory) ، گرانش تحریک شده (القا شده) (Induced gravity یا emergent gravity) ، و چند دستور کار پژوهشی دیگر . تاکنون نظریه ی ریسمان ها از بقیه ی نظریات پیشی گرفته چرا که تاکنون تنها رویکردی بوده که انطباق خوبی با انتظارات ما داشته ، و بعد از آن نظریه های  گرانش کوانتومی حلقه و نظریه ی گرانش امن مجانبی (asymptotically safe gravity) نسبت به بقیه ی رویکردها مقبولیت بیشتری دارند .

از دیدگاه  کسی که منتظر است تا نتایج تحقیقات دانشمندان در زمینه ی متّحد کردن گرانش و کوانتوم به بار بنشیند مسیر  پژوهش روی هرکدام از رویکردهای فوق برای رسیدن به گرانش کوانتومی مثل نگاه کردن به ساخت یک تونل است . آن چه ناظر ، شاهد آن است این است که برای مدت زمان زیادی اتفاق خاصی نمی افتد جز آنکه دستگاه های حفاری و سنگ شکن ها داخل کوه می شوند و مقدار انبوهی سنگ و خاک را بیرون می آورند ، اما کافی است پایتان را داخل محیط کار بگذارید تا با حجم انبوه عملیات روبرو شوید . اخیرا  پیشرفت های زیادی در مورد هر رویکرد رخ داده ، پیشرفت هایی که به صورت قابل ملاحظه ای فهم ما را از این مساله بهتر و کامل تر کرده . حال به این فکر کنید که کافی است فقط یکبار مسیر باز شود تا تونل قابل استفاده گردد .

تا زمانی که راه عبور کاملا باز نشده باشد ما در حال یادگیری هستیم . ما شاهد آن بوده ایم  که ویژگی هایی خاص از گرانش کوانتومی در چندین رویکرد پژوهشی ظاهر شده ، هر چند در جلوه های گوناگون  بهترین نمونه ی شناخته شده از این دست شاید پدیده ی هولوگرافی باشد ، عمل کدگزاری اطلاعات موجود در یک حجم ، روی مرز آن حجم . وجود یک مقیاس طول کمینه (minimal length scale) یکی دیگر از ویژگی هایی است که در رویکردهای مختلفی مشاهده می گردد .

من تقریبا مطمئنم که ما خواهیم توانست تا مکانیک کوانتومی و گرانش را با یکدیگر متّحد کنیم . البته بعضی از همکاران دانشگاهی من شاید حتی ادعا کنند که ما همین الان هم این کار را انجام داده ایم ، اما ما صرفا به دنبال یک تئوری در این زمینه نیستیم که اگر چنین بود همان طور که اشاره شد تئوری های زیادی در این زمینه داریم بلکه ما بدنبال تنها تئوری گرانش کوانتومی هستیم ، تئوری نهایی که جهان اطراف ما را به خوبی توصیف می کند . بنابراین انطباق با مشاهدات نه تنها اهمیت دارد که برای آن که رهیافت دستیابی به گرانش کوانتومی علمی باشد بسیار ضروری خواهد بود .

گام بعدی چه خواهد بود  ؟

تاکنون ما هیچ مدرک آزمایشگاهی برای گرانش کوانتومی مشاهده نکرده ایم . اما با این حال طی دهه ی اخیر مشخص شده است که حتی در غیاب یک تئوری تمام عیار ، چنین امکانی جهت جستجو در پی شواهدی از مشخصات عمومی پیش بینی شده ی گرانش کوانتومی از لحاظ تکنولوژیکی وجود دارد ، که البته چنین مشاهداتی هم داشتیم . مشاهدات سپس می توانند به ما کمک کنند تا بیاموزیم که چه مشخصاتی را تئوری مد نظر می تواند و یا نمی تواند که داشته باشد . من فکر می کنم که برای ساخت تئوری گرانش کوانتومی ،‌ وجود چنین راهنمای تجربی ضروری و مسیر اصلی برای پیشرفت خواهد بود .

از آنجایی که گرانش درحقیقت نتیجه ی انحنای فضا-زمان است ، ما به دنبال نظریه ای هستیم که طبیعت و رفتار کوانتومی فضا و زمان را مد نظر قرار دهد  . چنین فهم درست و واقع بینانه ای از این حقیقت ، اساسی ترین بخش در پاسخ به بسیاری از سوالات و مسائل فعلی دیگر پیش روی فیزیکدان ها است . بعد از آنکه بتوانیم فهم خود را از فضا ، زمان و مادّه دستخوش تغییرات اساسی نماییم گرانش کوانتومی قادر خواهد بود تا آشکارا دیگر حوزه های فیزیک را نیز به پیش براند . طبیعت زمان و جهت یکسویه ی آن معماهایی هستند که عمیقا با گرانش کوانتومی  پیوند خورده اند ، همچنین است فیزیک حاکم بر آغاز جهان اولیه . علاوه بر تمامی این ها من معتقدم که ما در این راستا در مورد کوانتیزه کردن ، که خود پتانسیل افزایش توانایی های ما در حوزه ی دستکاری مادّه ی کوانتومی را دارد ، درس هایی خواهیم آموخت .

بکار بردن مثال ساخت و ساز تونل شاید بیش از این بجا نباشد امّا به محض آن که راهی باز شود ، شما ترافیک سنگینی را در این مسیر جدید شاهد خواهید بود .

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40