چکیده ای از گرانش و فضا-زمان کوانتومی

گرانش، مرموزترین نیروی طبیعت که در حین آن ضعیف ترین نیرو در بین چهار نیروی شناخته شده طبیعت است، همواره در تمام مباحث مرتبط با فیزیک استاندارد و نسبیت عام در این کانال مورد بحث قرار گرفته است. حال قصد داریم بیش از پیش به کنکاش در این نیرو، که حتی در نیرو بودن آن هم جای شک و تردید باقیست! بپردازیم.
در نسبیت عام گرانش را تنها ناشی از تغییر هندسی صفحه چهاربعدی فضا-زمانی و یا خمیدگی فضا-زمان میدانیم اما پرسش این است وقتی میگوییم «خمش فضا-زمان» در حقیقت چه چیزی خمیده می شود؟! آیا فضا-زمان هم کوانیته است و برای درک آن باید از مکانیک کوآنتا کمک گرفت یا چیزی پیوسته بوده که تنها با استناد به فیزیک کلاسیک قابل تشریح است؟

در ابتدا باید بدانیم در فیزیک هرآنچه که بصورت نقطه اثری بر چیز دیگری تأثیر بگذارد، در حقیقت «نیرو» است. نیرو سبب انجام کار مکانیکی میشود و ما برای انجام کار نیاز به نوعی از انرژی داریم. هرچند که در حقیقت برای انرژی تعریف دقیقی وجود ندارد اما ما اینجا میتوانیم قرارداد کنیم که نیروها نیز نقطه اثراتی از کمیتی بنام “انرژی” هستند، یا بگونه‌ای شاید بتوان گفت، نیرو در حقیقت چهره عیان انرژی است که خود را بصورت تغییر یا نقطه اثر معینی در جسم نشان میدهد. مید‌انیم گرانش نیز بصورت نقطه اثری در موقعیت یک جسم یا تأثیر غیرمستقیم و یا مستقیم بر کمیت های قابل اندازه گیری جسم، مانند تندی یا شتاب خود را برای ما قابل سنجش میکند. پس میتوان با اطمینان گفت گرانش نیز نیرو است! پس حال فهمیدیم در نیرو بودن گرانش، حداقل از دیدگاه مکانیک کلاسیک، شکی نیست.

اما باید بتوانیم از دیدگاه فیزیک جدید نیز نیرو بودن گرانش را تأیید کنیم! میدانیم تمام نیرو های شناخته شده تابحال، با نوعی ذره حامل انرژی بنام بوزون حمل میشوند که انواع گوناگونی دارند. برای مثال نیروی الکترومغناطیس با فوتون ها حمل میشود، و نیروی هسته ای قوی با گلئون ها و هسته ای ضعیف نیز با بوزن w و z. اما آیا گرانش نیز کوآنیته است و این نیرو نیز نقش یا چهره قابل سنجش از نوعی بوزون حامل انرژی است؟ حقیقت اینست تا این تاریخ هیچ کوآنتومی برای این نیروی جاذبه در شتاب دهنده ذرات مانند شتاب دهنده عظیم LHC در سرن یافت نشد! پس آیا میتوان در نیرو بودن گرانش از دیدگاه فیزیک جدید شک کرد؟ یا شاید داریم در جای اشتباهی بدنبال کوانتوم گرانش میگردیم و باید نگاه خود را بنیادی تر کنیم؟!

گرانش برخلاف سایر نیروی های طبیعت، خود در گرو صفحه چهاربعدی “فرضی” فضا-زمان نیست بلکه خود جزئی از این صفحه است(بطورکلی واژه صفحه برای دوبعد بکار میرود اما ما برای درک بهتر خواننده از منظور متن، از این واژه برای چهاربعد استفاده میکنیم.) برای فهم راحتتر میتوان چنین گفت تمام سه نیرویی که توسط فیزیک استاندارد قابل توضیح هستند، خود در مجموعه ابعاد مکانی و زمانی یا همان فضا-زمان تعریف میشوند یا بعبارتی «درون آنند». اما گرانش بر خلاف بقیه آنها، خود “ناشی” از فضا-زمان است و مستقیمأ با این صحنه نمایش هستی، یعنی فضا-زمان چهاربعدی در ارتباط است! پس با این حال شاید برای کشف “بنیاد” گرانش باید بر خود فضا-زمان تمرکز بیشتری داشته باشیم.
شاید زوم کردن روی فضا-زمان به راحتی زوم کردن بر روی ماده نباشد تا در نهایت به اتم برسیم چون ما در اینجا با بنیاد هستی درگیر خواهیم بود. در مطالب مربوط به نسبیت به وفور گفتیم فضا و زمان درهم تنیده اند و تغییر در یکی از آنها، تحریف دیگری را در پی خواهد داشت. همچنین گفتیم هرچه دقت ما در در پیمایش یا سنجش مکان(تندی) بیشتر شود، در سنجش زمان بی دقت تر خواهیم شد و اصطلاحأ زمان برایمان «کند» میگذرد. حال باید بدانیم اگر بینهایت بر روی این بنیاد هسته(فضا-زمان) زوم کنیم، در نهایت چه خواهد شد؟

کوتاه ترین طولی که ما قادر به اندازه گیری آن هستیم و در این طول کمیت های فیزیکی همچنان قابل تعریف و استفاده هستند، “طول پلانک” است پس ما در فرایند زوم کردن خود بر روی فضا-زمان دارای محدودیت هستیم. اما مشکل اینجاست که زمان نیز یکی از این کمیت های قابل سنجش فیزیکی است پس با توجه به درهم تنیده بودن و وابسته بودن آن به ابعاد مکانی، میتوان گفت در مقیاس کوچکتر از این طول، در سنجش زمان نیز دچار مشکل خواهیم بود. میدانیم تمام حرکت ها و کمیت های وابسته به آن که باعث درک و تعریف و در نهایت سنجش «حرکت» میشوند، با زمان نیز در ارتباط اند. برای مثال سرعت نیز نوعی از این کمیت هاست که میزان پیمایش مکان را در واحد زمان نتیجه میدهد و با موهومی شدن یا صفر شدن زمان، سرعت نیز غیرقابل سنجش میشود. پس در نتیجه میتوان تمام تعریفات حرکتی را ابطال دانست. بدین سان میتوان گفت حرکت نیز معنای فیزیکی خود را در این مقیاس از دست میدهد. پس آیا میتوانیم بگوییم در بنیادی ترین طولی که میتوان برای ابعاد مکانی قائل شد، فضا و زمان و در نتیجه فضا-زمان دیگر وجود ندارد؟!

در نظریه های کوانتومی گرانش که سعی در کوانیته کردن فضا-زمان دارند، گرانش را ناشی از تعاملات کوانتومی فضا-زمان میدانیم. برای مثال در نظریه گرانش کوآنتومی حلقوی، فضا-زمان را در بنیادی ترین حالت بطور حلقه هایی منبسط شونده که بصورت تارعنکبوت در شبکه هایی حلقوی که در نهایت به هم میرسند میدانیم که گرانش را نیز نتیجه میدهد اما در اینجا و در سایر نظریاتی که بر روی کوآنیته بودن فضا-زمان تمرکز دارند، دیگر خبری از کوانتوم گرانش نیست و ما با کوآنتوم فضا-زمان که گرانش را نتیجه میدهد سرو کار داریم!

اما قوانین اعمال شده تابحال به ما نشان میدهند ما قادر نیستیم فضا-زمان را در مقیاس کوچکتر از طول پلانک تعریف کنیم. پس این کوانتوم های فضا-زمانی که خود گرانش را نتیجه میدهند، کجا هستند و آیا ما قادریم آنها را مورد سنجش قرار دهیم یا باید اساس کوانتوم فضا-زمان و یا حتی تصورمان را از فضا-زمان دستخوش تغییر کنیم؟
ایا ما در حقیقت فضا-زمان یا حتی خود فضا و زمان را بدرستی درک کرده ایم و یا درک ناقص ما از این دو سبب‌شده تا نتوانیم نتیجه آنها یعنی گرانش را بخوبی تشریح کنیم و این سبب ناسازگاری قوانین فیزیک کشف شده تابحال توسط بشر با یکدیگر، مانند نسبیت عام و مکانیک کوانتوم شده است؟!

‌ نگارش؛ ادمین کانال فیزیک کوآنتوم