به گزارش اسپیس، فیزیکدانان در این مطالعه رویکرد نوینی برای حل یکی از سرسخت‌ترین چالش‌های فیزیک نظری ارائه کرده‌اند: متحد کردن گرانش با قواعد دنیای کوانتومی.

در مقاله‌ای که به‌تازگی در مجله Reports on Progress in Physics منتشر شده است، دانشمندان بازنگری جدیدی در فرمول‌بندی گرانش پیشنهاد داده‌اند که توصیفی کاملاً سازگار با مکانیک کوانتومی ارائه می‌دهد، بدون اینکه به ابعاد اضافی یا ویژگی‌های عجیب‌وغریب نظریه‌هایی مثل نظریه ریسمان نیاز باشد!

چالش فیزیکدانان برای پیوند نسبیت عام با مکانیک کوانتومی

فیزیکدانان این مطالعه معتقدند نظریه‌های پیشین درباره نحوه رفتار گرانش نیاز به بازنگری بنیادین دارد؛ زیرا ۳ نیروی دیگر طبیعت، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته‌ای ضعیف و قوی، همگی با استفاده از نظریه میدان‌های کوانتومی توصیف می‌شوند، اما گرانش همچنان استثنا باقی مانده است.

(نظریه میدان‌های کوانتومی چارچوبی ریاضی است که عدم قطعیت و دوگانگی موج-ذره را دربرمی‌گیرد.)

از سوی دیگر، نظریه نسبیت عام اینشتین که گرانش را توصیف می‌کند، نظریه‌ای کاملاً کلاسیک است و گرانش را خمیدگی هندسه فضا-زمان ناشی از جرم و انرژی بیان می‌کند. اما تاکنون تلاش‌ها برای ترکیب نظریه کوانتومی با نسبیت عام اغلب با ناسازگاری‌های عجیب ریاضیاتی، ازجمله احتمال‌های بی‌نهایت، روبه‌رو شده‌اند.

نظریه جدید دانشمندان ممکن است اشتباه بودن نسبیت اینشتین را ثابت کند!

دانشمندان در نظریه جدید، میدان گرانشی را به‌گونه‌ای بازتفسیر کرده‌اند که ساختاری مشابه نظریه‌های میدان کوانتومی شناخته‌شده داشته باشد. «میکو پارتانن»، فیزیکدان دانشگاه آلتو در فنلاند و یکی از نویسندگان این مقاله، دراین‌باره می‌گوید:

«یافته کلیدی این است که نظریه ما رویکرد جدیدی به گرانش کوانتومی ارائه می‌دهد که به فرمول‌بندی سایر برهم‌کنش‌های بنیادی در مدل استاندارد شباهت دارد.»

در مدل جدید، به‌جای اینکه گرانش باعث خمیدگی فضا-زمان شود، از ۴ میدان به‌هم‌پیوسته برای انتقال نیروی گرانش استفاده می‌شود که به لحاظ ساختاری شباهت زیادی به میدان الکترومغناطیسی دارند. این میدان‌ها مشابه روشی که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به بار الکتریکی و جریان واکنش می‌دهند، به وجود جرم واکنش نشان می‌دهند.

همچنین، این ۴ میدان با یکدیگر برهم‌کنش دارند و با میدان‌های مدل استاندارد نیز تعامل می‌کنند. در سطح کلاسیک، رفتار این میدان‌ها منطبق با نظریه نسبیت عام است و درعین‌حال، امکان گنجاندن پدیده‌های کوانتومی به‌شکلی سازگار نیز وجود دارد.

ازآنجاکه ساختار این مدل از نظریه‌های کوانتومی شناخته‌شده الگوبرداری شده است، با چالش‌های ریاضیاتی که مانع از کوانتومی کردن نسبیت عام می‌شدند، روبه‌رو نیست. به گفته فیزیکدانان، این رویکرد جدید نظریه کوانتومی دقیق و تعریف‌شده‌ای ارائه می‌دهد که مشکلات رایجی مانند احتمالات بی‌نهایت‌های غیرفیزیکی در کمیت‌های قابل‌مشاهده و احتمال‌های منفی برای فرایندهای فیزیکی، که معمولاً هنگام کوانتومی‌سازی مستقیم نسبیت عام رخ می‌دهند، ندارد.

نظریه گرانش کوانتومی به تعریف پارامترهای ناشناخته نیاز ندارد!

یکی از نکات کلیدی این نظریه، سادگی آن است. برخلاف بسیاری از مدل‌های گرانش کوانتومی که به ذرات کشف‌نشده و نیروهای اضافی نیاز دارند، این نظریه به قلمرو شناخته‌شده فیزیک پایبند است. «یوکا تولکی»، استاد دانشگاه آلتو و یکی از نویسندگان این مقاله، دراین‌باره می‌گوید:

«تفاوت یا مزیت اصلی نظریه ما در مقایسه با بسیاری از نظریه‌های گرانش کوانتومی این است که مدل ما به ابعاد اضافی که هنوز هیچ شواهد تجربی مستقیمی برای آنها وجود ندارد، وابسته نیست. همچنین، این نظریه نیازی به هیچ پارامتر آزاد جدیدی فراتر از ثابت‌های فیزیکی شناخته‌شده ندارد.»

بنابراین، می‌توان نظریه جدید را بدون نیاز به کشف ذرات جدید یا بازنویسی قوانین موجود فیزیک، آزمایش کرد! تولکی می‌گوید: «هر آزمایشی که در آینده برای بررسی گرانش کوانتومی انجام شود، می‌تواند مستقیماً برای آزمون هرگونه پیش‌بینی احتمالی این نظریه به‌کار گرفته شود.»

مسیر پیش‌رو امیدوارکننده، اما مبهم است

با وجود ویژگی‌های امیدوارکننده، این مدل هنوز در مراحل ابتدایی توسعه قرار دارد. هرچند محاسبات اولیه نشان می‌دهند که این نظریه در آزمون‌های معمول سازگاری عملکرد خوبی دارد اما اثبات کامل و جامع سازگاری آن هنوز انجام نشده است.

علاوه‌براین، این چارچوب نظری هنوز برای پاسخ به برخی از عمیق‌ترین پرسش‌ها در فیزیک گرانشی به کار گرفته نشده است؛ پرسش‌هایی مانند «ماهیت واقعی تکینگی‌های سیاه‌چاله» یا «فیزیک بیگ‌بنگ». پارتانن می‌گوید: «این نظریه هنوز توانایی پرداختن به این چالش‌های بزرگ را ندارد اما در آینده پتانسیل لازم برای این کار را خواهد داشت.»

راستی‌آزمایی تجربی این نظریه ممکن است حتی دشوارتر باشد. گرانش ضعیف‌ترین نیروی شناخته‌شده در طبیعت است و جلوه‌های کوانتومی آن فوق‌العاده ظریف و کم‌اثرند. بنابراین، آزمایش مستقیم اثرات گرانش کوانتومی با ابزارهای کنونی عملاً فراتر از توان فناوری امروز است. تولکی توضیح می‌دهد:

«آزمودن اثرات گرانش کوانتومی به‌دلیل ضعیف بودن برهم‌کنش گرانشی، چالش‌برانگیز است اما ازآنجاکه نظریه جدید هیچ پارامتر قابل‌تنظیمی پیشنهاد نمی‌دهد، در آینده هر آزمایشی که به بررسی رفتار گرانش کوانتومی بپردازد، می‌تواند به‌طور بالقوه این نظریه را تأیید یا رد کند.»

پارتانن نیز دراین‌باره افزود: «باتوجه‌به سرعت کنونی پیشرفت‌های نظری و مشاهده‌ای (عملی)، ممکن است چنددهه زمان ببرد تا نخستین پیشرفت‌های تجربی که می‌توانند شواهد مستقیمی از اثرات گرانش کوانتومی در اختیار ما بگذارند، حاصل شوند. اما شواهد غیرمستقیم از طریق مشاهدات پیشرفته می‌تواند زودتر حاصل شود.»

درحال‌حاضر، نظریه جدید افق تازه‌ای را برای نظریه‌پردازانی که به‌دنبال تدوین نظریه‌ای کوانتومی از گرانش هستند، نمایان کرده است؛ رویکردی که در چارچوب‌های موفق فیزیک ذرات، ممکن است کلید گشودن برخی از عمیق‌ترین اسرار کیهان را در خود داشته باشد.

دانشمندان نظریه جدیدی مطرح کرده‌اند که گرانش را با مکانیک کوانتومی پیوند می‌دهد/ شاید نسبیت عام انیشتین زیر سوال رود!