نظريه اي براي همه چيز

دوران جديد فيزيك با دو تحول انقلابي كه در اوايل قرن بيستم رخ داد، شروع شد. يكي از آنها به معرفي نسبيت مربوط مي شود كه نقش مهمي در بسط و گسترش كيهان شناسي در قرن
اخير ايفا كرده است. انقلاب مهم ديگر تولد مكانيك كوانتومي بود. در مقايسه با نسبيت كاربردهاي فيزيك كوانتومي در كيهان شناسي هنوز بسيار ناشناخته است.

جهان كوانتوم

با توجه به نظريه كوانتوم، هر وجودي در جهان، طبيعتي دوگانه دارد. در فيزيك كلاسيك همواره از دو مفهوم مجزا براي تبيين دو پديده طبيعي متفاوت استفاده مي شود: موج و ذره. اما در فيزيك كوانتومي به ما مي گويند كه اين مفاهيم به طور جداگانه در دنياي ميكروسكوپي به كار نمي روند. چيزهايي كه قبلاً فكر مي كرديم ذره هستند گاهي مانند امواج رفتار مي كنند. نور مثل يك موج رفتار مي كند و مي تواند به كمك عدسي ها و منشورها آثار تداخلي و انكساري توليد كند. پيشتر ماكسول نشان داد كه در واقع نور از لحاظ رياضي با معادله اي به نام معادله موج توصيف مي شود. از سوي ديگر، ماكس پلانك كه راجع به تابش منتشر شده از اجسام داغ مطالعه مي كرد، نشان داد كه نور مي تواند به گونه اي رفتار كند كه انگار به صورت بسته هاي مجزا كه او آن را كوانتا (1) ناميد، عمل مي كند. وي ترديد داشت كه اين كوانتاها را « ذرات » معرفي كند. در واقع اين آلبرت اينشتين بود كه هنگام كار كردن روي اثر فوتوالكتريك، كه به خاطرش برنده جايزه نوبل شد، اين قدم را برداشت كه بگويد نور واقعاً از ذرات ساخته شده است.اين ذرات بعداً به فوتون معروف شدند. اما چگونه يك شيء مي تواند هم ذره باشد و هم موج؟ به واقع بايد گفت كه به طور همزمان نمي توان چيزي را با هر دو مفهوم توصيف كرد بلكه نور گاهي به صورت موج و گاهي به صورت ذره اي رفتار مي كند. تصور كنيد كه يك راهب قرون وسطايي تارك دنيا پس از نخستين سفر كوتاهش به افريقا، به صومعه اش بازگردد. در طول سفرش با يك كرگدن مواجه مي شود. حال مي خواهد اين خاطره را براي برادران دير باورش تعريف كند. از آنجا كه هيچ يك از آنها هرگز چيزي به عجيب و غريبي كرگدن نديده اند، لذا او مجبور است كه خصوصيات حيوان را تجزيه و تحليل كند. لذا چنين مي گويد كه كرگدن از برخي جنبه ها شبيه اژدهاست و در ساير موارد مثل يك تك شاخ است. سپس برادرها تصوير معقولي از چيزي كه جانور شبيه به آن است خواهند داشت. ولي نه اژدها و نه تك شاخ هيچ يك در طبيعت وجود ندارد. در حالي كه كرگدن وجود خارجي دارد. جهان كوانتومي ما هم به همين منوال است. در واقع نه با امواج ايده آل و نه با ذره ايده ال نمي توان آن را تبيين كرد. اما اين مفاهيم به ما دركي از شواهد و جوانب قطعي مربوط به چگونگي واقعيت وجودي اشياء مي دهد. اين عقيده كه انرژي به صورت بسته هاي مجزا ( يا كوانتا ) در مي آيد، همچنين به طور موفقيت آميزي در ساده ترين اتم، يعني اتم هيدروژن، توسط نيلز بور نيز در سال 1913 و در ساير جوانب فيزيك اتمي و هسته اي به كار رفت. وجود سطوح گسسته انرژي، در اتم ها و مولكول ها در زمينه اسپكتروسكوپي، ضروري و اساسي است و نقش مهمي در زمينه هاي بسيار متنوع و متفاوت همچون اخترفيزيك و پزشكي قانوني علي الخصوص در كشف هابل پيرامون دور شدن كهكشان ها ايفا مي كند.

عالم غيرقطعي

پذيرش طبيعت كوانتيده انرژي ( و نور ) ‌آغاز انقلابي است كه مكانيك كوانتومي جديد را پايه ريزي كرده است. هنوز دهه 1920 بود و كار شرودينگر و هايزنبرگ مبني بر اثبات طبيعت دوگانه موجي- ذره اي نور به صورت شفاف انجام نشده بود لذا با توجه به اينكه وجود فوتون ها در همان سال ها مورد تأييد قرار گرفته بود هيچ راهي براي توصيف و تبيين رفتار موجي نور وجود نداشت. آنچه در دهه 1920 توسعه يافت، نظريه اي از فيزيك كوانتومي بود كه براساس مكانيك موجي ساخته شد. در نسخه شرودينگر در نظريه كوانتوم، رفتار همه سيستم ها برحسب تابع موج ( كه معمولاً Ψ ، ساي ناميده مي شود ) تبيين مي شود، كه براساس معادله اي موسوم به معادله شرودينگر بسط داده مي شود. تابع موجΨ هم به فضا و زمان بستگي دارد. معادله شرودينگر امواجي را كه در فضا و زمان نوسان مي كنند توصيف مي كند. بنابراين بحث رفتار ذره اي چگونه به ميان مي آيد؟ پاسخ اين است كه تابع موج كوانتومي مانند موج الكترومغناطيسي، كه ذره وجودي فيزيكي را به گونه اي در نظر مي گيرد كه در يك نقطه از فضا قرار دارد و با زمان نوسان مي كند، توصيف نمي شود.
درواقع تابع موج كوانتومي يك « موج احتمالي » را توصيف مي كند. نظريه كوانتومي چنين ادعا مي كند كه تابع موج همه ی آن چيزي است كه مي توان درباره ی اين سيستم دانست. نمي توان با قطعيت كامل گفت كه ذره در يك لحظه دلخواه در كجا واقع شده است بلكه تنها ميتوان از احتمال حضور صحبت كرد. يكي از جنبه هاي مهم دوگانگي موج- ذره، اصل عدم قطعيت است. اين اصل مصداق هاي بسياري در فيزيك دارد، اما ساده ترين آن شامل مكان ذره و سرعت آن است. اصل عدم قطعيت هايزنبرگ بيان مي كند كه نمي توان مكان و سرعت يك ذره را مستقل از يكديگر دانست. هرچقدر مكان ذره را دقيق تر بدانيم، با دقت كمتري راجع به سرعت آن خواهيم دانست و برعكس. اگر شما با دقت كامل به مكان ذره اشاره كنيد آنگاه سرعت آن كاملاً ناشناخته خواهد بود و اگر سرعت آن را دقيقاً بدانيد، آنگاه ذره در هر جايي مي تواند واقع شود. اين اصل فقط شامل مكان و تكانه نيست بلكه به انرژي و زمان و ساير مقادير جفتي كه ما به عنوان متغيرهاي مزدوج مي شناسيم، قابل بسط است. يك نتيجه مهم و ويژه از اصل عدم قطعيت انرژي- زمان، اين است كه فضاي تهي مي تواند اين امكان را به ذرات با طول عمر كوتاه بدهد كه در يك بازه زماني محدود ( كه توسط اصل عدم قطعيت كنترل مي شود ) به وجود بيايند و سپس نابود شوند. كه خود دليلي است براي اينكه فيزيكدانان ذرات بپذيرند، خلأ مي تواند انرژي داشته باشد. به عبارت ديگر بايد يك ثابت كيهان شناسي وجود داشته باشد. تنها مشكل اين است كه نمي دانند چگونه بايد اين ثابت را به دست آورند. بهترين حدس هاي موجود بسيار بزرگ هستند ( حدوداً 100 مرتبه بزرگ ترند ).
اما اعتقاد بر اصل عدم قطعيت كيهاني، موفقيت چشمگيري را رقم زده است. عالم از ديدگاه فيزيك نيوتوني قطعيت دارد، يعني اگر مكان و سرعت تمام ذرات سيستم را در زمان داده شده بدانيد، آنگاه مي توانيد رفتار آنها را در تمام زمان هاي بعدي پيش بيني كنيد.
ولي مكانيك كوانتومي همه اينها را تغيير داده زيرا يكي از عناصر اصلي اين نظريه اين اصل است كه در يك سطح بنيادي رفتار ذرات به طور ذاتي، غيرقابل پيش بيني است و صرفاً براساس يك سري محاسبات احتمالي قابل بيان است.
تعبيري كه از اين رويكرد احتمالي مي شود جاي بحث و جدل را باز مي گذارد. به عنوان مثال سيستمي را در نظر بگيريد كه در آن ذات در يك پرتو به سمت دو شكاف جداگانه در حركتند. تابع موج Ψ مربوط به اين حالت، يك الگوي تداخلي به وجود مي آورد زيرا « موج احتمالي» از ميان هر دو شكاف عبور مي كند.
اگر پرتو قوي باشد، شامل تعداد زيادي فوتون خواهد بود. به لحاظ آماري، فوتون ها بايد با توجه به احتمال منتج از تابع موج، روي پرده نمايشي كه مقابل شكاف ها قرار دارد، فرود بيايند. از آنجا كه شكاف ها يك الگوي تداخلي به وجود مي آورند، روي اين پرده نمايش يك سري تيرگي و روشني هاي پيچيده رؤيت مي شود كه ناشي از اين است كه امواج در يك فاز، گاهي همديگر را تقويت مي كنند و گاهي نيز يكديگر را خنثي مي كنند. حال فرض كنيد كه توان پرتو كم باشد به طوري كه در هر لحظه، تنها يك فوتون از ميان شكاف ها عبور كند. فرود هر فوتون به صفحه نمايش را مي توان به راحتي آشكارسازي كرد. اگر اين آزمايش را در مدت زمان به اندازه كافي طولاني انجام دهيم مي توانيم الگويي روي صفحه نمايش مشاهده كنيم. علي رغم اين واقعيت كه در هر لحظه تنها يك فوتون از ميان آپارات عبور مي كند اما هنوز يك الگوي تداخلي روي صفحه نمايش ديده مي شود. به يك معنا هر فوتون وقتي منبع نور را ترك مي كند، از ميان دو شكاف عبور مي كند و در ميانه راه با خودش تداخل مي كند بايد به شكل موج درآيد و سپس هنگام فرود آمدن بر روي صفحه نمايش دوباره به شكل يك فوتون، در يك جاي مشخص فرود آيد. بنابراين چه اتفاقي مي افتد؟ به وضوح هر فوتون در يك مكان خاصي روي پرده مي نشيند. در اين نقطه، ما دقيقاً از مكان آن اطلاع داريم. نقش تابع موج اين ذره، در اينجا چيست؟ بر طبق يك تعبير، كه به تعبير كپنهاگي (2) معروف است، تابع موج فرو مي ريزد، به طوري كه در يك نقطه خاص متمركز مي شود. هرگاه كه آزمايشي انجام گيرد و نتيجه مشخصي حاصل شود اين امر روي مي دهد در واقع فوتون از يكي از شكاف ها عبور نمي كند بلكه يك حالت « تركيبي » دارد. عمل اندازه گيري خود، تابع موج را تغيير مي دهد و در نتيجه واقعيت تغيير مي كند. اين مسئله به تفكرات زيادي راجع به تقابل ميان « آگاهي » و « واقعيت »‌كوانتومي منجر شد. آيا اين « آگاهي » است كه باعث مي شود تابع موج رمبش كند؟
يكي از شبيه سازي هاي معروف كه به توجيه اين معما پرداخته پارادوكس گربه شرودينگر است. فرض كنيد گربه اي در يك اتاق مهر و موم شده كه حاوي يك شيشه سم است وجود داشته باشد. شيشه دارو به وسيله اي مجهز است كه مي تواند آن را در اثر وقوع يك پديده كوانتومي بشكند و گربه را مسموم كند. مثلاً اين رخداد مي تواند برخورد يك ذره α با توده اي از مواد راديواكتيو باشد. اگر شيشه داروي سمي بشكند مرگ آني حتمي است. اغلب ما خواهيم پذيرفت كه در يك زمان مشخص گربه يا زنده است و يا مرده و حالت مابين وجود ندارد. اما اگر به طور جدي از تعبير كپنهاگي استفاده كنيم به گونه اي است كه انگار هر دو حالت به طور همزمان رخ داده است. تابع موج براي گربه برهم نهشي از دو حالت احتمالي را در بردارد. تنها زماني كه اتاق باز مي شود، وضعيت گربه « اندازه گيري شده » و گربه مرده و يا زنده « ‌مي شود ».
يك بديل براي تعبير كپنهاگي، اين است كه از نظر فيزيكي در تمام زمان هايي كه اندازه گيري انجام مي شود، هيچ چيزي تغيير

( 28 ) نظریه ی همه چیز. 4 نیروی طبیعت، که ما در دنیای با انرژی پایین خود می شناسیم، به نظر می رسد که در انرژی بالاتر قابل متحد کردن باشند. با عقب کشیدن زمان در لحظه انفجار بزرگ ابتدا انتظار داریم که نیروی الکترومغناطیس و هسته ای ضعیف به صورت نیروی الکتروضعیف ادغام شوند. در انرژی های بالاتر این نیروی الکتروضعیف با نیروی هسته ای قوی در نظریه وحدت بزرگ متحد می شود ( GUT ) . در انرژی های هنوز بالاتر گرانش می تواند با اینها یکی شود و یک نظریه برای همه چیز بسازد. این همان نظریه ای است که اگر وجود داشته باشد، به تنهایی می تواند انفجار بزرگ را تبیین کند.
نمي كند. آنچه رخ مي دهد، اين است كه نوع آگاهي ناظران تغيير مي كند. اگر ادعا شود كه تابع موج Ψ، بيشتر نشان دهنده چيزي است كه توسط ناظران شناخته شده است تا چيزي كه در واقعيت درست است، آنگاه ديگر مشكلي وجود نخواهد داشت. اين تصوير، تعبيري از مكانيت كوانتومي ارائه مي دهد كه براساس آن اشياء در سطحي قطعيت دارند ولي به طور ساده، مي توان گفت كه اطلاعات ما براي پيش بيني دقيق وضعيت آنها كافي نيست.
ديدگاه ديگر، تعبير چند جهاني است. در اين تعبير هرگاه آزمايشي انجام مي شود ( ‌به عنوان مثال هر وقت فوتوني از ميان شكاف مي گذرد ) عالم به عبارتي، به دو تكه شكافته مي شود. در يك عالم، فوتون از ميان شكاف سمت چپي عبور مي كند و در ديگري از ميان شكاف سمت راستي مي گذرد. اگر چنين اتفاقي براي هر فوتون رخ دهد، در نهايت تعداد بي شماري از جهان هاي موازي خواهيم داشت. همه نتايج محتمل از همه آزمايش هاي محتمل در اين مجموعه رخ مي دهد. اما قبل از اينكه به جهان هاي موازي بپردازم اجازه دهيد سرنخ داستان را مطرح كنم.

رابطه گم شده

مدل استاندارد برهم كنش هاي اصلي را در فصل 5 توضيح دادم. سه نيرويي كه با هم متحد شدند همگي با نظريه كوانتوم تبيين مي شوند. نيروي چهارم، برهم كنش گرانش است. ثابت شده كه تلاش براي تنظيم طرحي كه بتواند اين نيرو را در يك نظريه وحدت بگنجاند با ناكامي مواجه است. اولين گام در جهت انجام چنين كاري، متحد كردن فيزيك كوانتومي با نظريه گرانش يعني به وجود آوردن يك نظريه گرانش كوانتومي است.
علي رغم تلاش هاي فوق العاده شديد، هنوز به چنين چيزي دست نيافته ايم. اگر چنين اتفاقي بيفتد، گام بعدي، متحد كردن گرانش كوانتومي با نظريه وحدت بر هم كنش هاي ذرات خواهد بود.
طرفه اينكه به نظر مي رسد نسبيت عام، كه به واقع آغازگر عصر جديدي در فيزيك نظري بوده است، بتواند مسير گذر از موانع موجود در سر راه بسط نظريه وحدت ميان نيروهاي طبيعت را نشان دهد. در بسياري از روش ها، نيروي گرانشي بي نهايت ضعيف است و اجسام مادي اغلب توسط نيروهاي الكتريكي اتم هاي سازنده ی خود كه به مراتب قوي تر از نيروي گرانشي ميان آنهاست در كنار يكديگر نگه داشته مي شوند.
نظريه نسبيت عام اينشتين يك نظريه كلاسيك است. همانطور كه معادلات الكترومغناطيس ماكسول هم كلاسيك هستند، و كميت هايي را شامل مي شوند كه پيوسته هستند، نه گسسته و رفتاري را تبيين مي كنند كه قطعي است و نه احتمالي.
در مقابل، فيزيك كوانتومي گسستگي بنيادي را بيان مي كند: هر چيزي به طور بنيادي شامل بسته هاي مجزا و يا كوانتايي است. معادلات نسبيت عام اين امكان را به دست مي دهد كه در صورت داشتن اطلاعات كافي راجع به گذشته عالم، بتوان حالت دقيق آن را در زمان دلخواه آينده محاسبه كرد. در عوض عالم كوانتومي با در برداشتن اصل عدم قطعيت هايزنبرگ از يك موضوع احتمالي سخن مي گويد.
البته نظريه الكترومغناطيس كلاسيك در بسياري از مواقع، كاملاً شايسته و مفيد عمل مي كند، اما اين نظريه در برخي مواقع نظير زمان هايي كه ميدان تابشي بسيار قوي است با شكست مواجه مي شود. به همين خاطر فيزيكدانان درصدد جست و جوي يك نظريه كوانتومي الكترومغناطيس و يا الكتروديناميك كوانتومي ( QED ) هستند ( و اخيراً اين نظريه را يافته اند ). كه اين نظريه با نسبيت خاص هم در تطابق است اما آثار نسبيتي عام را در بر نمي گيرد.
در مورد معادلات اينشتين هم كه به نظر مي رسد در اغلب موارد نسبتاً دقيق است، تلاش شده كه نظريه اي كوانتومي مبني بر نظريه گرانش كوانتومي بسازند. خود اينشتين هم همواره معتقد بود كه نظريه اش به نوعي، ناقص است و لازم است با نظريه اي كامل تر جايگزين گردد. با مقايسه با شكست الكترومغناطيس كلاسيك، مي توان چنين استدلال كرد كه وقتي ميدان هاي گرانشي بسيار قوي اند و مقياس هاي طول بي نهايت كوچك هستند، نظريه با شكست مواجه مي شود. تلاش ها براي ساختن يك نظريه كامل تاكنون ناموفق بوده است.
باوجود اينكه چيزي وجود ندارد كه نمايانگر تصوير كاملي از نظريه گرانش كوانتومي و محتويات آن باشد، اما عقايد مؤثر جالبي وجود دارد. براي مثال از آنجا كه نسبيت عام اساساً، نظريه اي درباره فضا- زمان است، خود فضا و زمان هم بايد در نظريه كوانتومي گرانش، كوانتيده شوند. گر چه فضا و زمان از ديد ما پيوسته و ممتد به نظر مي رسد، در مقياس هاي بسيار ريز، در حدود طول پلانك، ( حدوداً سانتي متر ) ‌فضا بسيار ناهموار و پيچيده عمل مي كند. به طوري كه در بردارنده ی يك توپولوژي كف مانند از حباب هاي در حال جوش و خروش است و توسط تونل هايي كه به كرمچاله معروفند به يكديگر مرتبط مي شوند و به طور پيوسته در زمان پلانك تشكيل و بسته مي شوند. اين زمان حدود ثانيه است. ضمناً به نظر مي رسد كه اين مسئله معادل اين است كه بتوان تصور كرد امواج گرانشي كوانتيده يا گراويتون ها (3)، نقش همان بوزون هاي پيمانه اي را در ساير بر هم كنش هاي اصلي ايفا مي كنند. به طور مثال، مانند فوتون ها در نظريه الكتروديناميك كوانتومي عمل مي كنند. تاكنون مدرك مستدلي وجود ندارد كه نشان دهد عقايد فوق صحت دارند.
مقياس خرد طول و زمان موجود در گرانش كوانتومي خود بيانگر اين نكته است كه گرانش كوانتومي بيشتر براي نظريه پردازها حائز اهميت است و نه براي فيزيكدانان تجربي.
هنوز وسيله اي ساخته نشده است كه قادر باشد ذرات را به ناحيه اي از مرتبه طول پلانك يا كمتر محدود كند. انرژي هاي بسيار بزرگي براي اين كار لازم است كه طبيعت كوانتومي گرانش را آشكار مي كند. ولي دقيقاً به همين دليل است كه بسياري از نظريه پردازان، از آزمايشات ذرات به سمت كيهان شناسي تغيير مسير داده اند. انفجار بزرگ بايد پديده هايي در مقياس پلانك را در بر بگيرد. لذا اصولاً، براي آموختن بيشترِ فيزيك پايه، بايد از طريق كيهان شناسي وارد عمل شد.

آغاز زمان

وجود تكينگي در لحظات بسيار اوليه عالم در مدل انفجار بزرگ، خبر خيلي بدي است. اين واقعاً يك تكينگي است درست همانند تكينگي سياهچاله. زماني كه دما و چگالي نامحدود باشند، اساساً مي توان انفجار بزرگ را به عنوان يك رمبش گرانشي عكس- زماني كه سياهچاله را تشكيل مي دهد، در نظر گرفت. همان طور كه از حل شوارتزشيلد برمي آمد، بسياري از فيزيكدانان معتقد بودند كه تكينگي اوليه كيهان شناسي مي تواند نتيجه اي از روش به خصوص حل معادلات اينشتين بوده باشد كه در مدل انفجار بزرگ به كار برده شده است. ولي امروزه معلوم شده كه چنين نيست. هاوكينگ و پنرز با تعميم قضاياي اصلي سياهچاله پنرز، نشان دادند كه تكينگي قطعاً در گذشته عالم در حال انبساط وجود داشته است درست در لحظه انفجار بزرگ كه در آن بي نهايت هاي خطرناك ظاهر مي شوند، نظريه فيزيك با شكست مواجه مي شود. لذا آيا راهي براي رهايي از اين تكينگي وجود دارد؟ اگر چنين است چگونه مي توان به اين رهايي دست يافت؟

( 29 ) کف فضا - زمان یکی از عقایدی که به گرانش کوانتومی وابسته است، این است که خود فضا - زمان ممکن است از تلاطم و جوش وخروش انبوهی از حباب ها و مجاری که همگی در مدت زمانی در حدود زمان پلانک، در حال پدیدار شدن و از میان رفتن هستند، ساخته شده باشد.
اين همان نكته اي است كه اينشتين طرح كرد. ولي چنين نظريه اي هنوز وجود ندارد لذا نمي دانيم كه آيا مي توان معماي تولد عالم را حل كرد يا خير؟

پي‌نوشت‌ها:

1.quanta
2.Copenhagen
3.gravitons

منبع مقاله :
كلز، پيتر، ( 1390)، كيهان شناسي، مترجم: ناديه حقيقتي، تهران: بصيرت، چاپ اول 1390