چرا گرانش با دیگر نیروها تفاوت دارد؟

ما از چهار فیزیکدان پرسیدیم چرا گرانش متمایز از دیگر نیروهای طبیعت است. ما چهار جواب مختلف بدست آوردیم.

فیزیکدان‌ها سه نیرو از چهار نیروی طبیعت یعنی نیروی الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای ضعیف و قوی را تا سرمنشاء شان در ذرات کوانتومی ردیابی کرده‌اند. اما چهارمین نیرو یعنی گرانش، متفاوت است.

چارچوب فعلی ما برای ادراک گرانش، که یک قرن پیش توسط آلبرت اینشتین طراحی شد، می‌گوید که سیب‌ها از درختان می‌افتند و سیارات حول ستارگان می‌چرخند به این دلیل که در امتداد مسیر منحنی در پیوستار فضا-زمان حرکت می‌کنند. این منحنی‌ها گرانش هستند. طبق دیدگاه اینشتین، گرانش یک مشخصه از واسط فضا-زمان است؛ که دیگر نیروهای طبیعت در صحنه آن بازی می‌کنند.

اما در مرکز یک سیاه‌چاله یا در نخستین لحظات کیهان، معادلات اینشتین دچار شکست می‌شوند. فیزیکدان‌ها نیازمند یک تصویر واقعی‌تر از گرانش هستند تا به طور دقیق این حدهای بی‌نهایت را توصیف کند. این نظریه‌ی درست‌تر می‌بایست همان پیش‌بینی‌های معادلات اینشتین را در هر جای دیگر نیز ارائه دهد.

فیزیکدان‌ها فکر می‌کنند که در این نظریه صحیح‌تر، گرانش باید یک شکل کوانتومی داشته باشد، مانند دیگر نیروهای طبیعت. محققان به دنبال نظریه گرانش کوانتومی از ۱۹۳۰ بوده‌اند. آن‌ها ایده‌های کاندیدی نیز یافته‌اند – بطور قابل توجه نظریه ریسمان، که می‌گوید گرانش و دیگر پدیده‌ها از ارتعاشات ریسمان‌های بسیار کوچکی پدیدار می‌شوند- اما تاکنون این امکان‌ها به صورت حدس باقی مانده و درک کاملی از آن‌ها نداریم. یک نظریه گرانش کوانتومیِ کارآمد شاید رفیع‌ترین هدف در فیزیک امروز است.

چه چیزی گرانش را منحصربفرد می‌کند؟ چه چیزی درباره نیروی چهارم متفاوت است که مانع می‌شود تا محققان ذات کوانتومی آن را بیابند؟ ما از چهار محقق گرانش کوانتومی مختلف پرسیده‌ایم. و چهار جواب متفاوت بدست آوردیم.

گرانش تکینگی‌ها را می‌زاید

کلادیا دی هام (Claudia de Rham) ، فیزیکدان نظری در کالج سلطنتی لندن، روی نظریه‌های گرانش جرم‌دار کار کرده است، که در آن واحدهای کوانتیزه‌ شده‌ای از گرانش ذرات جرم‌دار هستند:

نظریه نسبیت عام اینشتین به درستی رفتار گرانش را تا نزدیک به ۳۰ مرتبه بزرگی، از مقیاس‌های زیر میلی‌متری تا ابعاد کیهانی پیش‌بینی می‌کند. هیچ نیروی دیگری در طبیعت با چنین دقتی روی چنین گستره‌ی مقیاسی توصیف نشده است. با چنین سطحی از توافق بی‌عیب و نقص با آزمایش‌ها و مشاهدات، نسبیت عام می‌توانست توصیف نهایی از گرانش باشد. با این حال نسبیت عام بسیار قابل توجه است زیرا سقوط خود را پیش‌بینی می‌کند.

نسبیت عام پیش‌بینی‌هایی نظیر سیاه‌چاله‌ها و بیگ بنگ در سرآغاز جهان را نتیجه می‌دهد. «تکینگی‌ها» در این نقاط، نقاط اسرارآمیزی که انحنای فضا-زمان به ظاهر بی‌نهایت می‌شود، به عنوان پرچم‌هایی که سیگنال شکست نسبیت عام را اعلام می‌کنند عمل می‌کنند. همچنان که به یک تکینگی در مرکز یک سیاه‌چاله نزدیک می‌شوید، یا به تکینگی بیگ بنگ نزدیک می‌شویم، پیش‌بینی‌های استنتاج شده از نسبیت عام دیگر چندان درست نیستند. یک توصیف بنیادی‌تر، برای فضا و زمان باید داشته باشیم. اگر از این لایه جدید فیزیک پرده برداری کنیم، ممکن است به درک جدیدی از خود فضا و زمان دست یابیم.

اگر گرانش مانند دیگر نیروهای طبیعت بود، می‌توانستیم امیدوار باشیم تا با آزمایش‌های عمیق‌تر و رسیدن به حد انرژی‌های بالاتر و مقیاس‌های کوچک‌تر ماهیت آن را کاوش کنیم. اما گرانش یک نیروی عادی نیست. اگر سعی کنید آن را تحت فشار بگذارید تا حد مشخصی، تجهیزات آزمایش‌گاهی خودشان به صورت یک سیاه‌چاله رمبش می‌کنند.

گرانش منجر به سیاه‌چاله‌ها می‌شود

دنیل هارلو (Daniel Harlow) ، نظریه پرداز گرانش کوانتومی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) ، برای به کار بردن نظریه اطلاعات کوانتومی برای مطالعه گرانش و سیاه‌چاله‌ها شناخته می‌شود:

سیاه‌چاله‌ها دلیل این هستند که ترکیب گرانش با مکانیک کوانتومی دشوار است. سیاه‌چاله‌ها تنها می‌توانند نتیجه گرانش باشند زیر گرانش تنها نیرویی است که توسط همه انواع ماده حس می‌شود. اگر نوعی ذره وجود داشت که گرانش را تجربه نمی‌کرد، می‌توانستیم آن ذره را برای ارسال پیغام از درون سیاه‌چاله استفاده کنیم، و در نتیجه اصلا سیاه نبود.

این واقعیت که تمام ماده گرانش را تجربه می‌کند یک قید جدید روی انواع آزمایش‌های ممکن ایجاد می‌کند: هر دستگاهی که بسازید، مهم نیست از چه چیزی ساخته شده، نباید خیلی سنگین باشد، که اگر باشد الزاما به صورت یک سیاه‌چاله گرانشی رمبش می‌کند. این قید در وضعیت زندگی روزمره چندان مرتبط نیست، اما اگر تلاش کنید تا آزمایشی برای اندازه‌گیری ویژگی‌های کوانتومی گرانش بسازید این قید ضروری می‌شود.

ادراک فعلی ما از دیگر نیروهای طبیعت بر اساس اصل موضعیت است، که می‌گوید متغیرهایی که به ما می‌گویند چه چیزی در هر نقطه از فضا در حال رخ دادن است- مانند شدت میدان الکتریکی در آن‌جا- همگی می‌توانند مستقل از هم تغییر کنند. علاوه بر این، این متغیرها، که «درجات آزادی» نامیده می‌شوند، می‌توانند مستقیما همسایه نزدیکشان را تحت تأثیر قرار دهند.

موضعیت برای روش فعلی ما برای توصیف ذرات و برهمکنش‌های آن‌ها مهم هست زیر رابطه علی بین آن‌ها را حفظ می‌کند: اگر درجات آزادی در این‌جا در کیمبریج، ماساچوست، وابسته به درجات آزادی در سن فرانسیسکو باشد، ممکن است بتوانیم از این وابستگی استفاده کنیم تا ارتباط آنی بین دو شهر ایجاد کنیم یا حتی بتوانیم اطلاعات را در زمان به عقب بفرستیم، که منجر به نقض‌های احتمالی علیت می‌شود.

فرض موضعیت به خوبی در تنظیمات معمول مورد آزمایش واقع شده است، و به نظر طبیعی می‌رسد که فرض کنیم موضعیت تا فواصل بسیار کوچک (این فواصل کوچک هستند زیرا گرانش بسیار ضعیف‌تر از دیگر نیروها در این مقیاس است) که مرتبط با گرانش کوانتومی است نیز گسترش می‌یابد. برای تأیید اینکه موضعیت در این مقیاس‌ها حفظ می‌شود، لازم است دستگاهی بسازیم که قادر به آزمایش استقلال درجات آزادی جدا شده از هم در چنین فواصلی باشد. با این حال یک محاسبه‌ی ساده، نشان می‌دهد که یک دستگاه که به اندازه کافی سنگین باشد تا از افت‌وخیزهای کوانتومی بزرگ در مکان اجتناب کند، آزمایش را نابود خواهد کرد، و لزوما آن‌چنان سنگین خواهد بود به صورت یک سیاه‌چاله برمبد! بنابراین، آزمایش‌هایی که موضعیت را در این مقیاس‌ها تأیید کنند غیر ممکن هستند. و در نتیجه گرانش کوانتومی لازم نیست به موضعیت در چنین مقیاس‌هایی احترام بگذارد.

در واقع، درک ما از سیاه‌چاله‌ها تاکنون پیشنهاد می‌کند که هر نظریه گرانش کوانتومی باید بطور قابل ملاحظه‌ای درجات آزادی کمتری از آن‌چه انتظار داریم در دیگر نیروها تجربه کنیم داشته باشد. این ایده در «اصل هولوگرافی» نهفته شده، که بطور ساده می‌گوید ، تعداد درجات آزادی در یک ناحیه‌ی فضایی متناسب با مساحت ناحیه است به جای آنکه متناسب با حجم ناحیه باشد.

گرانش چیزی از هیچ‌ چیز خلق می‌کند

خوان مالداسنا (Juan Maldacena) ، نظریه پرداز گرانش کوانتومی در مؤسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، نیو جرسی، بیشتر برای کشف یک رابطه هولوگرام‌گونه بین گرانش و مکانیک کوانتومی شناخته می‌شود:

ذرات پدیده‌های شگفت‌انگیز و جالب متعددی از خود نشان می‌دهند. ما می‌توانیم خلق خود به خودی ذرات داشته باشیم، درهمتنیدگی بین حالت‌های ذراتی که از یکدیگر دور هستند داشته باشیم، و ذرات در یک برهم‌نهی از وجود داشتن در مکان‌های متعدد داشته باشیم.

در گرانش کوانتومی، فضا-زمان خودش به شکل جدیدی رفتار می‌کند. به جای خلق ذرات، خلق جهان‌ها را داریم. درهم‌تنیدگی تصور می‌شود که برای خلق ارتباطات بین نواحی دور از فضا- زمان است. ما برهم‌نهی جهان‌ها با هندسه‌های فضا-زمانی مختلف داریم.

گذشته از این، از دیدگاه فیزیک ذرات، خلاء فضایی یک موجود پیچیده است. می‌توانیم موجودات متعددی به نام میدان‌ها را تصویر کنیم که روی یکدیگر قرار گرفته‌اند و در سرتاسر فضا امتداد دارند. مقدار هر میدان دائما در فواصل کوچک در نوسان است. از این افت‌وخیزهای میدان و برهم‌کنش‌هایشان، حالت خلاء ظهور پیدا می‌کند. ذرات اغتشاشات این حالت خلاء هستند. می‌توانیم آن‌ها را به صورت نقصان‌های کوچک در ساختار خلاء تصویر کنیم.

وقتی گرانش را در نظر می‌گیریم، درمی‌یابیم که به نظر می‌رسد انبساط کیهان مقدار بیشتری از خلاء را از هیچ تولید می‌کند. وقتی فضا-زمان خلق شد، درست وقتی رخ می‌دهد که در حالتی باشد که مطابق با خلاء بدون هر نقصانی باشد. اینکه چطور خلاء دقیقا در چیدمان درست ظاهر می‌شود یکی از سؤالات اساسی است که لازم است پاسخ دهیم تا یک توصیف کوانتومی سازگار از سیاه‌چاله‌ها و کیهان داشته باشیم. در هر دو حالت یک نوع از کشیدگی فضا-زمان وجود دارد که خلق شیء خلاء بیشتر و بیشتری را نتیجه می‌دهد.

گرانش نمی‌تواند محاسبه شود

سرا کرمونینی (Sera Cremonini) فیزیکدان نظری در دانشگاه لیهای (Lehigh University) ، بر روی نظریه ریسمان، گرانش کوانتومی و کیهان‌شناسی کار می‌کند:

دلایل متعددی وجود دارد که چرا گرانش خاص است. اجازه دهید روی یک جنبه تمرکز کنم، ایده نسخه کوانتومی از نسبیت عام اینشتین «غیر قابل بهنجار شدن» است. این پیامدهایی برای رفتار گرانش در انرژی‌های بالا دارد.

در نظریه‌های کوانتومی، جملات بی‌نهایت وقتی ظاهر می‌شوند که سعی کنید این را محاسبه کنید که چطور ذرات با انرژی بسیار بالا از یکدیگر پراکنده می‌شوند و با هم برهم‌کنش می‌کنند. در نظریه‌هایی که بازبهنجارپذیر هستند- که شامل نظریه‌های توصیف کننده‌ی همه نیروهای طبیعت غیر از گرانش می‌شوند- می‌توانیم این بی‌نهایت‌ها را به روش دقیق با اضافه کردن دیگر کمیت‌های مناسب که این جملات را حذف می‌کنند انجام دهیم. این فرآیند بازبهنجارش منجر به جواب‌های فیزیکی معقول می‌شود که با دقت بسیار بالایی موافق با آزمایش‌ها هستند.

مشکل با نسخه کوانتومی نسبیت عام این است که محاسباتی که توصیف‌کننده‌ی برهمکنش گراویتون‌های بسیار پرانرژی – واحدهای کوانتیده‌ی گرانش- باشند تعداد بی‌شمار جملات بی‌نهایت دارند. برای بازبهنجارش چنین نظریه‌ای نیاز به اضافه کردن بی‌نهایت جمله‌ی خنثی کننده دارید که هرگز به پایان نمی‌رسد. و بازبهنجارش برای این نظریه شکست می‌خورد. به همین دلیل، یک نسخه کوانتومی از نسبیت عام اینشتین یک توصیف خوب از گرانش در انرژی‌های بالا نیست. می‌بایست ویژگی‌های اصلی گرانش و اجزای سازنده مفقود شده باشند.

با این حال، هنوز می‌توانیم یک توصیف تقریبی خوب از گرانش در انرژی‌های پایین‌تر با استفاده از روش‌های کوانتومی استاندارد داشته باشیم که برای دیگر برهم‌کنش‌های طبیعت کار می‌کنند. نکته حیاتی این است که این توصیف تقریبی از گرانش در برخی مقیاس‌های انرژی- یا بطور متناظر، زیر یک مقیاس طولی- دچار شکست می‌شود.

بالای این انرژی، یا زیر مقیاس طولی مرتبط، انتظار داریم که درجات آزادی جدید و تقارن‌های جدید بیابیم. برای بدست آوردن این ویژگی‌ها به صورت دقیق نیاز به یک چارچوب نظری جدید داریم. این دقیقا جایی است که نظری ریسمان یا برخی تعمیم‌های مناسب به میدان می‌آیند: طبق نظریه ریسمان، در مقیاس‌های بسیار کوچک، خواهیم دید که گراویتون‌ها و دیگر ذرات اجسام گسترده‌ای به نام ریسمان هستند. مطالعه این امکان به ما درس‌های ارزشمندی درباره رفتار کوانتومی گرانش می‌آموزد.