A Theory for Everythings

نوشته: حسين جوادي

سالهاي متمادي است كه بحث تئوري همه چيز در فيزيك مطرح شده است. منظور از اين تئوري چيست؟ يك تئوري براي همه چيز به چه سئوالاتي بايد پاسخ دهد؟

اجازه دهيد بحث را با سخنان هاوكينگ دنبال كنيم. هاوكينگ مي گويد.

نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است.

مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها (ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است.

يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.

با توجه به سخنان هاوكينگ دو نظريه مهم فيزيك و مكانيك كوانتوم، هريك به تنهايي خوب عمل مي كنند، اما با يكديگر ناسازگارند. بنابراين مسئله اصلي اين است كه راهي بيابيم تا اين دو نظريه را با يكديگر تركيب كنيم.

براي تركيب اين دو نظريه تلاشهاي زيادي انجام شده است كه به چند مورد آنها اشاره مي كنيم:

ابر گرانش

همه ي مواد موجود در طبيعت از دو نوع ذره ي بنيادي به نام فرميون ها و بوزن ها تشكيل شده اند. تفاوت فرميون ها و بوزن ها در اسپين آنها مي باشد به طوري كه اسپن فرميون ها نيمه درست و اسپين بوزن ها عددي درست است. همه ي انواع ذرات دست كم از دو خاصيت ذاتي جرم و اسپين برخوردارند. جرم خاصيتي آشنا براي تمام مواد است كه به همان صورتي كه براي اجسام بزرگ مقياس در نظر گرفته مي شود ، در مورد كوچك ترين اجزا تشكيل دهنده ي ماده نيز كاربرد دارد . اسپين خاصيت ظريف تري است كه در اجسام بزرگ مقياس به سادگي قابل شناسايي نيست . اسپين ، در واقع ، خاصيتي است كه در قرن بيستم كشف شد تا رفتار بي هنجار الكترون ها را در ميدان مغناطيسي توضيح دهد.

هر تقارني كه در جست و جوي ارتباط ميان فرميون ها و بوزون ها ، يعني ذراتي با اسپين هاي متفاوت ، باشد ابَرَتقارن ناميده مي شود. و اما ابَرَگرانش ، نظريه اي پيشنهادي در فيزيك بنيادي است كه ابرتقارن و گرانش را در هم مي آميزد. اولين نظريه ي ابرگرانش توسط سه فيزيكدان در سال 1976 فرمول بندي شد.

ابر ريسمان

در مطالعات و بررسي هاي مرسوم در فيزيك كوانتومي نسبيتي ، ذرات بنيادي را به صورت نقاط رياضي و بدون گستردگي فضايي در نظر ميگيريم. اين رهيافت موفقيت هاي بسيار چشمگيري داشته است ، ولي در انرژي هاي خيلي خيلي زياد يا فاصله هاي بسيار بسيار كوتاه كه بزرگي ميدان گرانشي با بزرگي نيروهاي هسته اي و الكترو مغناطيسي قابل مقايسه مي شود اين رهيافت با شكست رو به رو مي شود. در سال 1974 ژوئل شرك و جان شوارتز به منظور غلبه بر اين مشكل توصيف وحدت يافته اي از ذرات بنيادي را بر اساس منحني هاي يك بعدي بنيادي به نام ريسمان مطرح كردند . به نظر ميرسد كه نظريه هاي ريسمان از هر نوع ناسازگاري كه در تمام تلاش هاي قبلي دست يابي به نظريه اي وحدت يافته براي توصيف گرانش و ساير نيرو ها ايجاد مزاحمت كرده است ، مبراست . نظريه ابرريسمان كه در آنها از نوع خاصي تقارن به نام ابرتقارن ، بهره گيري مي شود ، بيشترين اميدواري را براي ارائه ي نتايج واقع بينانه پديد آورده اند.

بوزون هگز

در دهه هاي اخير فيزيكدانان يك مدل تحت عنوان مدل استاندارد را ارائه كردند تا يك چوب بست نظري براي فهم ذرات بنيادي و نيروهاي طبيعت فراهم آورند. مهمترين ذره در اين مدل، يك ذره ي فرضي موجود در همه ي ميدانهاي كوانتومي است كه نشان مي دهد ساير ذرات چگونه جرم به دست مي آورند. در واقع اين ميدان پاسخ مي دهد كه همه ي ذرات در حالت كلي چگونه جرم به دست مي آورند. اين ميدان، ميدان هگز Higgs field خوانده مي شود. نتيجه ي منطقي دوگانگي موجو - ذره اين است كه همه ي ميدانهاي كوانتومي داراي يك ذره ي بنيادي باشند كه با ميدان در آميخته است. اين ذره كه با همه ي ميدانها در آميخته و موجب كسب جرم توسط ساير ذرات مي شود، هگز بوزون Higgs boson ناميده مي شود.

جمع بندي

حال مطلب بالا را جمع بندي مي كنيم:

يك - نسبيت عام بايد مكانيك كوانتوم تركيب شود تا مشكلات موجود در فيزيك نظري بر طرف گردد. طبق نسبيت عام مسير نور در ميدان گرانشي خميده است كه آن را تحت عنوان فضا - زمان مطرح مي كنند. مكانيك كوانتوم به ويژگيها و رفتار ذرات زير اتمي مي پردازد و با كوانتومها يا كميتهاي گسسته سروكار دارد. در حاليكه در نسبيت عام فضا - زمان پيوسته است.

دو - بايد ارتباط بين فرميونها و بوزونها توضيح داده شود. همجنانكه مي دانيم فرميونها شامل ذراتي نظير الكترونها و پروتونها هستند كه داراي اسپين نادرست مي باشند و بوزونها داراي اسپين درست هستند.

سه - هگز بوزونها بايد توضيح داده شوند، يعني اينكه ذرات چگونه جرم به دست مي آورند. با توجه به رابطه جرم - انرژي مي دانيم هرگاه ذره اي در يك ميدان شتاب بگيرد، انرژي و در نتيجه جرم آن افزايش مي يابد. بنابراين مسئله اين است كه اين پديده يعني افزايش جرم را چگونه مي توان توجيه كرد؟

راه حل

براي رسيدن به يك راه حل اساسي كه بتواند مشكلات عمده ي فيزيك معاصر را بر طرف سازد، راه هاي مختلفي وجود كه به نتايج متفاوت و گاهي ناسازگار مي انجامد. نظريه هاي مختلفي كه در اين زمينه مطرح شده اند، بخوبي نشان مي دهند كه نگرش بانيان آنها بر اساس دو گانگي بين بوزونها و فرميونها شكل گرفته است. سئوال اساسي اين است كه آيا حقيقتاً بوزون و فرميون دو موجود كاملاً متفاوت از يكديگرند؟ در نظريه ريسمانها، ريسمان به عنوان يك بسته فوق العاده كوچك انرژي تلقي مي شود و كه با پيوستن آنها به يكديگر و با ارتعاشات مختلف آنها ساير ذرات نمود پيدا مي كنند. در نظريه هگر بوزون به دنبال ذره اي هستند كه موجب ايجاد يا افزايش جرم مي شود. اگر اين مسئله ي هگز بوزون را با دقت بيشتري بررسي كنيم شايد بتوانيم به نتايج جالب توجه تري برسيم.

اجازه بدهيد تصورات خود را از بوزون و فرميون يا به عبارت ديگر از جرم - انرژي و نيرو تغيير دهيم. در فيزيك مدرن جرم و انرژي دو تلقي مختلف از يك كميت واحد هستند. جرم هر ذره را مي توان با محتويات انرژي آن اندازه گرفت و همچنين انرژي يك ذره را مي توان با جرم آن هم ارز دانست. لذا در فيزيك معاصر ما با دو كميت بيشتر سروكار نداريم، انرژي و نيرو.

اگر رابطه ي نيرو و انرژي را با ديد متفاوتي مورد بحث قرار دهيم، مي توانيم به نتايج جالب توجهي برسيم. نيرو به عنوان انرژي در واحد طول مطرح مي شود كه براي آن رابطهي زير داده شده است:

F=-dU/dx => du= - Fdx

حال ذره اي را در نظر بگيريد كه انرژي آن در حال تغيير است. اين تغييرات را از دو جهت مي توان مورد توجه قرار داد. يكي از جهت افزايش و ديگري از جهت كاهش. از نظر افزايش نسبيت براي آن محدوديتي قائل نشده است و طبق رابطه ي جرم نسبيتي، جرم آن بينهايت قابل افزايش است. اما از جهت كاهش طبيعت خود براي آن محدوديت قائل شده و آن اين است كه تمام ذره تمام انرژي خود يا به عبارت ديگر، جرم - انرژي خود را از دست بدهد.

ذره اي را در نظر بگيريد كه در يك ميدان داراي شتاب منفي است. اگر فاصله به اندازه ي كافي بزرگ و ميدان بسيار قوي باشد، آيا انرژي آن به صفر خواهد رسيد؟ چنين آزمايشي براي اجسام مثلاً يك فطعه فلز چندان قابل تصور نيست، اما براي يك كوانتوم انرژي( فوتون) به خوبي قابل درك است. زيرا در نسبيت فوتون نمي تواند از يك سياه چاله بگريزد. اين پديده را چگونه مي توان توجيه كرد؟ يكبار ديگر به رابطه نيرو - انرژي بر گرديم.

F=-dU/dx => du= - Fdx

در رابطه ي بالا انرزِ و فاصله تغيير مي كنند، اما نيرو ثابت است. اگر نيرو يعني F يك كميت ثابت و تغيير ناپذير است، چگونه مي توان هگز بوزون را توجيه كرد؟ يعني واقعاً اين كاهش يا افزايش جرم چگونه امكان پذير است. متاسفانه اين ديدگاه از مكانيك كلاسيك به نسبيت تسري يافت و هيچگونه بخثي در اين زمينه مطرح نشد. اگر بخواهيم با همان نگرش كلاسيكي مشكلات فيزيك و ناسازگاري نسبيت و مكانيك كوانتوم را بر طرف سازيم، راه به جايي نخواهيم برد، همچنانكه تا به حال اين چنين بوده است.

اشكال بعدي كه مانع رسيدن به يك نتيجه ي قابل توجه مي شود اين است فيزيكدانان به مشكلات به گونه اي پراكنده برخورد مي كنند. هگز بوزون مسير خود را مي پيمايد، مكانيك كوانتوم مي خواهد مشكلات فيزيك را در چاچوب قوانين كوانتومي حل كند، و مهمتر از همه اينكه مكانيك كلاسيك تقريباً به فراموشي سپرده شده است. همه اينها هر كدام نگرشي خاص به جهان دارند و عموميت ندارند. در حاليكه طبيعت يگانه است و قانون نيز بايستي از يك وحدت برخوردار باشد كه هست. تركيب مكانيك كوانتوم و نسبيت زماني امكان پذير است كه نگرش هگز بوزون همراه با مكانيك كلاسيك نيز در اين تركيب منظور گردد .

هر كدام از اين تئوري ها قسمتي از قوانين حاكم بر طبيعت را نشان مي دهند. اگر در يك نگرش همه جانبه اين قسمتهاي مختلف را كه با تجربه تاييد شده اند توام در نظر بگيريم مي توانيم به يك فيزيك يا يك نظريه براي همه چيز برسيم .

از كجا شروع كنيم؟

1 - با روند تكامل نظريه ها پيش مي رويم. نخست مكانيك كلاسيك را در نظر مي گيريم و به مورد خاص آن قانون دوم نيوتن توجه مي كنيم، اين قانون را با جرم نسبيتي يعني

m=m0/(1-v2/ c2)1/2 , E=mc2

و نظريه هگز بوزون مي توان تركيب كرد. اگر ذره/جسمي تحت تاثير نيرو جرمش تغيير مي كند، اين تغيير جرم ناشي از اين است كه بوزون (نيرو) تبذيل به انرژي مي شود. البته اين روند جهت معكوس نيز دارد، يعني در روند عكس با كاهش سرعت، انرژي به نيرو يا بوزون تبديل مي شود.

2 - در مورد قضيه كار انرژي

W=DE

برخوردي دوگانه وجود دارد. قسمت كار آن را با مكانيك كوانتوم مد نظر قرار مي دهند و كار را كميتي پيوسته در نظر مي گيرند، در حاليكه با انرژي آن برخوردي كوانتومي دارند. در واقع بايستي هر دو طرف رابطه را با ديد كوانتومي در نظر گرفت. در اين مورد مثالهاي زيادي مي توان ارائه داد كه با اين برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. اگر اين مورد را بكار بنديم مشكل ارتباط فرميونها و بوزونها بر طرف خواهد شد. اين مورد مكمل قسمت پيشين است و حرف تازه اي نيست.

3 - اگر بپذيريم كه كار كوانتومي است، الزاماً به اين نتيجه خواهيم رسيد كه نيرو بطور كلي و از جمله گرانش نيز كوانتومي است. مفهوم صريح و در عين حال ساده آن اين است كه فضا - زمان كوانتومي است. با نگرش كوانتومي به گرانش يا به تعبير نسبيت فضا - زمان، مكانيك كوانتوم و نسبيت با يكديگر تركيب خواهند شد. تنها موردي كه در اين جا بايد متذكر شد اين است كه كوانتومي بودن فضا - زمان مي تواند انحناي آن را نيز نتيجه دهد.

چنين نگرشي مي تواند به يك نظريه براي همه چيز منتهي شود. نظريه اي كه تحت عنوان نظريه سي. پي. اچ. مطرح شده است.