وبلاگ منبع:
http://www.akhtarphysic.blogfa.com/post-7.aspx
(ممکن است ماده چیزی جز بافته ای از تاروپود فضا - زمان نباشد)
دیوید کاستلوچی
ترجمه : شهاب شعری مقدم
منبع اصلی : New scientist 12 , August 2006
منبع فرعی : مجله دانشمند شماره 527
(( لی اسمالین )) یک راهب شرقی نیست . او و همکارانش به تازگی و هنگام تلاش برای وحدت بخشیدن به دو نظریه ی بزرگ فیزیک یعنی (( نظریه کوانتوم )) و (( نسبیت عام اینشتین )) ، به نتیجه ی شگفت انگیزی مشابه آنچه در تعالیم کهن شرق بیان شده است ، دست یافته اند : این که ماده اساسا چیز جز بافته ای از تاروپود فضا – زمان نیست و بنابراین همه چیز در جهان – از درختان و انسان گرفته تا کهکشان ها – ماهیتی واحد و یگانه دارند .
این کشف ، دستاوردی خارق العاده محسوب می شود ؛ زیرا نه تنها از ماهیت فضا و ماده پرده برداری می کند ، بلکه ممکن است بشر را در درک منشا قوانین بنیادین جهان نیز یاری بخشد . برای همین هم جای تعجب نیست که اسمالین که یک فیزیکدان نظری در دانشگاه (( واترلوی )) کاناداست ، به مناسبت این کشف بزرگ از خوشحالی روی پای خود بند نمی شود .
این دستاورد که درک بهتر کائنات را نوید می دهد ، بر مبنای نظریه ای به نام (( نظریه ی گرانش کوانتومی حلقوی )) حاصل شده است . این نظریه سعی دارد با تلفیق نسبیت عام و مکانیک کوانتومی ، به نظریه ای واحد و سازگار در فیزیم دست یابد ( یعنی همان هدفی که نظریه ریسمان ها از مسیری دیگر در تلاش برای رسیدن به آن است ) .
داستان شکل گیری نظریه گرانش کوانتومی حلقوی به دهه ی 1980 باز می گردد . در آن زمان ، (( آبهای آشتکار )) ( که اکنون در دانشگا ه ایالتی پنسیلوانیا است ، معادلات نسبیت عام اینشتین را در یک چارچوب کوانتومی بازنویسی کرد . بعد ها اسمالین و فیزیکدانی به نام (( کارلو روولی )) از دانشگاه مدیترانه ای مارسی در فرانسه ، ایده ی آشتکار را بسط داده و کشف کردند در تصویری که این چارچوب نظری جدید ارائه می دهد ، فضا برخلاف تصور ، پیوسته نبوده بلکه از بخش هایی مجزا به ابعاد 10 به توان منهای 35 متر تشکیل شده است . بدین ترتیب براساس نظریه ی گرانش کوانتومی حلقوی ، فضا – زمان در واقع شبکه ای است از پیوند هایی که این کوانتوم های فضا را به همدیگر متصل می کنند .
از همان آغاز ، فیزیکدان ها دریافته بودند که این پیوند ها می توانند دور همدیگر پیچیده و ساختارهایی بافته مانند را تشکیل دهند . اما تا پیش از این ، کنجکاوی فیزیکدان ها برای درک مفهوم این بافته ها راه به جایی نبرده بود . اسمالین در این باره می گوید : (( ما از سال 1987 به وجود این بافته ها در ساختار فضا – زمان پی برده بودیم ، اما فکر نمی کردیم که آنها با هویت های فیزیکی جهان ما مرتبط باشند . ))
ماجرا به همین روال گذشت تا این که (( ساندانس بیلسون تامپسون )) که یک فیزیکدان نظری در دانشگاه آدلاید در جنوب استرالیا بود وارد صحنه ی این نمایش شد . هنگامی که او در سال 2004 کار بر روی مسئله ای قدیمی در حوزه ی فیزیک ذرات بنیادی را آغاز کرد عملا چیز چندانی در مورد گرانش کوانتومی نمی دانست . در آن زمان بیلسون تامپسون در تلاش برای درک بهتر ماهیت ذراتی بود که فیزیکدان ها آنها را بنیادی می پنداشتند ( ذرات بنیادی ، ذراتی هستند که از اجزای بنیادی تری تشکیل نشده اند ) . او که از تعدد بیش از حد این ذرات بنیادی سرگشته شده بود ، نسبت به بنیادی بودن همگی ذرات مزبود دچار تردید شده بود . به همین دلیل هم برای پاسخ به سؤالات خود ، در گام اول به سراغ مدل هایی رفت که در دهه 1970 بسط داده شده بودند و بسیاری از ذرات به ظاهر بنیادی را متشکل از ذرات بنیادین دیگری به نام (( پریون ها )) می دانستند .
همان گونه که هسته اتم ها از پروتون و نوترون تشکیل شده ، این مدل های پریونی نیز ذراتی نظیر الکترون ها ، کوارک ها و نوترینو ها را ( که جزء ذرات بنیادی محسوب می شدند ) ، متشکل از ذرات فرضی و بنیادین دیگری می دانستند که حامل بار الکتریکی بوده و با همدیگر برهم کنش داشتند . البته مدل های پریونی نهایتا با مشکل مواجه شدند ؛ چرا که براساس این مدل ها ، پریون ها انرژی فوق العاده بیشتری نسبت به ذراتی که خود جزئی از آن محسوب می شدند ، داشتند . این تناقض بزرگ ، نهایتا سبب شد محققان کار بر روی این مدل های پریونی را کنار بگذارند ( هرچند این مدل ها به طور کامل به فراموشی سپرده نشدند ) .
اما بیلسون تامپون در مطالعه این مدل های پریونی ، رویه ای متفاوت را نسبت به سایرین گرفت . او به جای تمرکز بر ویژگی خود این ذرات ، بر نحوه بر هم کنش مابین آنها متمرکز شد . این رویه از نظر او ، رویه ای منطقی بود چرا که آنچه (( ویژگی ذارت )) نامیده می شود ، عملا حاصل نحوه بر هم کنش ذرات و محیط پیرامون است . در واقع او می خواست از طریق شناخت نحوه بر هم کنش این ذرات ، به ماهیت آنها پی ببرد .
بیلسون تامپون ، فرض نقطه ای بودن پریون ها را کنار گذاشت و ایده ای را مطرح کرد که بر اساس آن ، پریون ها شکلی نوار مانند داشته و بنابراین دارای طول و عرض بودند . براساس نظریه ی او ، برهم کنش پریون ها همانند پیچیدن نوارها به دور همدیگر بود . بنابراین ، گردهم آمدن سه پریون برای تشکیل ذره ای جدید ، به معنای تنیده شدن سه نوار در همدیگر و ایجاد بافته ای مشخص بود . هر تاب به لحاظ ریاضی معادل یک سوم بار الکتریکی الکترون بود و مثبت یا منفی بودن این بار نیز به ساعتگرد یا پادساعتگرد بودن تاب مزبور بر می گشت .
در مدل بیلسون تامپون ، ساده ترین بافته معادل نوترینوی الکترون بود . تصویر آینه ای این بافته نیز پادنوترینوی این الکترون را نشان می داد . حال اگر هر یک از سه نوار این بافته ، یک بار در جهت عقربه های ساعت تاب بر می داشتند ، بافته دیگری به وجود می آمد که همانند الکترون رفتار می کرد و اگر این تابها در خلاف جهت عقربه های ساعت بودند ، پوزیترون به دست می آمد . به همین ترتیب ، بیلسون تامپون قادر بود حتی فوتون ها و را ( که حاملان نیروی الکترومغناطیسی و ضعیف هستند ) نیز به وجود Z و Wبوزون های
آورد . در واقع این نوارهای بافته شده می توانستند تمامی ذرات مختلف استاندارد ذرات بنیادی را ایجاد کنند .
بیلسون تامپون نتیجه تحقیقات خود را در سال 2005 منتشر کرد . اما علی رغم دستاوردهای قابل توجهی که از این تحقیقات بدست آمده بود ، ماهیت خود پریون ها برای او همچنان ناشناخته بود . سوال این بود که ماهیت خود این نوارها چیست ؟ بیلسون تامپون در این باره می گوید : (( در آن هنگام ، مشغول بررسی این ایده بودم که شاید آنها ریزکرمچاله هایی باشند که به دور همدیگر می پیچند . شاید هم این نوارها عارضه های دیگری در ساختار فضا – زمان باشند . ))
در همین زمان بود که اسمالین به مقاله بیلسون تامپون برخورد . او در این باره چنین می گوید : (( ما با دیدن این مقاله بسیار هیجان زده شدیم ، چرا که در آن زمان به دنبال هر ایده ای که بتواند ساختارهای بافته مانند را توضیح دهد می گشتیم . )) آیا بافته های فضا – زمانی و بافته های نظریه بیلسون تامپون در واقع یکی بودند ؟ آیا ممکن است ذرات ، در واقع چیزی جز بافته هایی از تاروپود فضا – زمان نباشند ؟
بدین ترتیب اسمالین ، بیلسون تامپون را به دانشگاه واترلو دعوت کرد تا با همدیگر پاسخی برای این پرسش بیابند . در ضمن ، او فیزیکدان دیگری به نام (( فوتینی مارکوپولو )) را نیز که در همان دانشگاه به تحقیق مشغول بود و از مدت ها قبل حدس زده بود که ممکن است بافته های فضایی ، منشا ماده و انرژی در کائنات باشند ، به همکاری با گروه دعوت کرد . البته مارکوپولو می دانست که نشان دادن صحت این ایده در قالب نظریه گرانش کوانتومی ، کار بسیار دشواری خواهد بود ؛ چرا که براساس این نظریه ، افت و خیزهای کوانتومی به طور لحظه به لحظه ، شبکه پیوند های فضا – زمانی را در هم می ریزد .
در واقع ، این بافته ها به حدی ناپایدارند که در زمانی در حدود 10 به توان منهای 44 ثانیه فرو پاشیده و به شکل جدیدی تبدیل می شوند . بنابراین همانگونه که مارکوپولو هم می گوید ، چنانچه این بافته ها مستمرا و با چنین سرعتی متحول می شوند ، پس چگونه می توانند ساختارهای پایدار و یا نسبتا پایداری نظیر ذرات بنیادی را به وجود آورند ؟
اما مارکوپولو پیش از آن و به کمک فیزیکدان دیگری به نام (( دیوید کریبز )) که متخصص رایانه های کوانتومی در دانشگاه گولف ایالت اونتاریوی کانادا بود ، نسخه دیگری از نظریه گرانش کوانتومی حلقوی را بسط داده بود که قادر به ارائه پاسخی به این پرسش بود . در حالی که رایانه های معمولی از بیتهایی که یا (( صفر )) هستند و یا (( یک )) برای ذخیره سازی اطلاعات استفاده می کنند ، رایانه های کوانتومی واحد دیگری به نام (( کوبیت )) را برای پردازش اطلاعات به کار می گیرند که می تواند مقادیر (( صفر )) و (( یک )) را تواما داشته باشد ( همین مسئله است که به این رایانه ها توانمندی خارق العاده ای می بخشد ) . هر چند این ویژگی دوگانه و ظریف هر یک از کوبیت ها به فاصله برهم کنش با جهان بیرونی همواره در معرض فروپاشی است ، اما محاسبات نشان می دهد که مجموعه ای از این کوبیت ها ، بسیار پایدار تر از تک تک آنها بوده و داده هایی که توسط آنها ذخیره می شود ، از هر گونه اختلال در امان خواهند بود .
در نسخه ای از (( گرانش کوانتومی حلقوی )) که توسط مارکوپولو و کریبز ارائه شده نیز ، جهان همانند یک رایانه کوانتومی عظیم است که در آن ، هر کوانتوم فضا جانشین یک کوانتوم اطلاعات خواهد شد . محاسبات آنها نشان می دهد که انعطاف پذیری گروهی کوبیت ها ، منجر به پایداری بافته های کوانتومی فضا – زمان شده و همین مسئله قادر خواهد بود علت عمر طولانی ذرات را علی رغم وجود تلاطم های کوانتومی ، توضیح دهد .
بر همین اساس ، اخیرا اسمالین ، مارکوپولو و بیلسون تامپون بالاخره موفق شدند سبک ترین خانواده ذرات در مدل استاندارد ذرات بنیادی – یعنی الکترون ، کوارک های (( بالا )) و (( پایین )) نوترینوی الکترون و پاد ذره آنها – را براساس بافته های فضا – زمان استخراج کنند .
البته این نظریه جدید تاکنون تنها موفق به بازسازی برخی از ویژگی های ذرات در مدل استاندارد ذرات بنیادی شده است ( ویژگی هایی نظیر (( بار الکتریکی )) و (( دستوارگی )) تاکنون توسط این مدل تبیین شده است . (( دستوارگی )) کمیتی است که ارتباط میان اسپین یک ذره بنیادی را با امتداد و جهت حرکت آن در فضا مشخص می کند ) . اما اسمالین با همین نتایج نیز به هیجان آمده می گوید : (( این دستاوردی بسیار شگفت انگیز است ؛ چرا که پس از 20 سال تحقیق ، بالاخره یک ارتباط طبیعی مابین نظریه (( گرانش کوانتومی حلقوی )) و فیزیک ذرات بنیادی به دست آمده است ، ارتباطی که به طور ساختگی وارد نظریه نشده بلکه به طور ذاتی از دل نظریه بیرون آمده است . ))
با توجه به انطباق موجود میان بافته های فضا – زمانی و ذرات بنیادی ، به احتمال زیاد سایر ویژگی های ذرات مزبور نیز به زودی از دل این نظریه استخراج خواهد شد . اسمالین معتقد است مهمترین پیشرفت در این زمینه ، هنگامی خواهد بود که بتوانیم جرم ذرات بنیادی را براساس رفتار این بافته های فضا – زمانی محاسبه کنیم . این هدف بزرگی است ؛ چرا که فیزیکدان هایی که بر روی نظریه ریسمان ها کار می کردند نیز طی 20 سال گذشته در تلاش برای انجام چنین کاری بودند ، اما هنوز به نتیجه رضایت بخشی نرسیده اند .
اما همانگونه که تایید تجربی نظریه ریسمان ها مشکل است ، طراحی آزمایشی که بتواند صحت نظریه (( گرانش کوانتومی حلقوی )) را نشان دهد نیز کار بسیار دشواری به نظر می رسد ؛ چرا که چنین آزمایشی باید قادر باشد ابعاد بسیار کوچک فضا ( تا حد 10 به توان منهای 35 متر ) را کاوش کند .
اما برخلاف تصور ، بهترین عرصه ای که می توان در آن به جستجوی تایید تجربی این نظریه پرداخت ، بزرگترین مقیاس های جهان است و نه کوچکترین آنها . (( جان بائز )) ، ریاضیدان متخصص در گرانش کوانتومی در دانشگاه ایرواین کالیفرنیا ، در این باره می گوید : (( بهترین آزمون های تجربی مطرح شده برای ارزیابی صحت این نظریه ، تاکنون در حوزه کیهان شناسی بوده اند . )) به عنوان مثال ، اکنون مارکوپولو در جست و جوی راه هایی برای آزمودن مدل بافته های فضا – زمانی براساس بررسی ویژگی های تابش زمینه کیهانی است . این تابش ، از زمین مه بانگ در کل جهان باقی مانده و تمامی کیهان را پر کرده است . فیزیکدان ها بر این باورند که الگویی که امروزه دراین تابش مشاهده می شود ، ریشه در افت و خیز های کوانتومی اولین لحظات پیدایش جهان داشته است .
اما نکته ی جالب تر آنکه برخی از نظریه پردازان ، مشابهت مابین کل جهان با یک رایانه عظیم کوانتومی را که توسط مارکوپولو بیان شده است ، نه صرفا یک قیاس بلکه یک واقعیت می دانند . اما اگر این ایده صحیح باشد ، یک پیامد فوق العاده شگفت انگیز خواهد داشت : ممکن است خود فضا نیز اصلا وجود نداشته باشد ! آری ، چنانچه کوانتوم های فضا را در نظریه ی گرانش کوانتومی حلقوی با کوبیت ها جایگزین کنیم ، خود فضا – که تا پیش از این به عنوان یک چارچوب مرجع مورد استفاده قرار می گرفت – عملا به تار و پودی از اطلاعات تبدیل خواهد شد .
به هر حال ، چنانچه نظریه گرانش کوانتومی حلقوی بتواند تمامی ویژگی های ذرات در مدل استاندارد ذرات بنیادی را بازسازی کرده و در عین حال ، محک آزمون های تجربی را نیز با موفقیت پشت سر بگذارد ، در آن صورت می توان گفت که ما به بهترین نظریه مطرح شده از زمان اینشتین تاکنون برای تبیین عالم دست پیدا کرده ایم . کارلو روولی در این باره می گوید : (( این ایده ای بسیار زیبا است . ایده ای شجاعانه و شگفت انگیز و ایده ای که در عمل هم جواب می دهد . ))
بدین ترتیب ، نظریه گرانش کوانتومی حلقوی ، حس غریبی در مورد جایگاه ما در عالم برایمان به ارمغان می آورد . اگر الکترون ها و کوارک ها – و نتیجتا اتم ها ، درختان ، انسان و کهکشان ها – همگی بافته هایی از فضا – زمان باشند ، پس ما حقیقتا با کل جهان یگانه ایم .
