ماهيت بنيادي فضا

در فضاي بين صفحه اي که روبرويتان قرار دارد و چشمانتان، چه چيزي هست؟ با وجود اين که مي دانيم مولکول هاي هوا در اطرافمان شناور هستند، به نظر جز يک فضاي خالي در اين بين قرار ندارد. حال اگر بتوان از شر مولکول هاي هوا نيز خلاص شد و يک خلأ کامل در فضاي بين دست ها و چشمان، ايجاد کرد، جواب سوال با اطمينان اين است که در اين حجم از فضا هيچ چيز قرار ندارد- يک فضاي تهي بدون هيچ خاصيت خاصي. در واقع اين ديدگاه عمومي از فضا اشتباه است. فيزيک نوين نشان مي دهد فضا- حتي يک خلأ مطلق- خواص تعجب آوري دارد. در واقع يک خلأ، مملو از فعاليت، همراه با ظهور و اُفول انواع مختلفي از ذرات و شامل برهم کنش بسته هاي مختلف انرژي است. در اواخر دهه1990، پژوهشگران براي درک اين شرايط نامانوس و عجيب تلاش هاي فراواني کردند تا توصيفي براي ماهيت بنيادي فضا، يکي از اسرار باقي مانده علم، بيابند. ايده اوليه در مورد فضا به زمان ارسطو و ديگر فلاسفه باستاني بر مي گردد. آنها بر اين اعتقاد بودند که فضا بدون اثر، خالي و يکنواخت با ابعادي سه گانه است- طول، عرض، ارتفاع. روندي طولاني که در دهه1600 با فعاليت " گاليليو گاليله " اخترشناس و فيزيکدان ايتاليايي و "آيزاک نيوتن" رياضي دان ودانشمند انگليسي آغاز شد، سرانجام اين ديدگاه از فضا را تغيير داد. گاليله توصيفي از سقوط آزاد اشيا ارائه کرد و نيوتن از بسط يافته هاي وي به يک تئوري جامع در مورد گرانش رسيد. نيوتن دريافت که نيروي جاذبه بين دو جسم، مانند زمين و خورشيد، بستگي به جرم و فاصله بين آنها دارد. اما نيوتن نمي دانست که گرانش يا جاذبه چگونه عمل مي کند و هرگز از اين توصيف که گرانش نيروي مرموز است که بين اجسام عمل مي کند، فراتر نرفت. يک دليل براي اين که چرا وي قادر به کشف چگونگي عملکرد گرانش نبود، اين بود که وي مفهوم باستاني از فضا را پذيرفته بود که آن را بدون اثر و يکنواخت که قادر به تغيير نيست، توصيف مي کرد. اين مفهوم ابتدايي از فضا تا دهه1990 که دانشمندان آن را کنار گذاش تند، همچنان پا برجا بود.

در سال1915 دانشمند آلماني "آلبرت اينشتين" نظريه نسبيت عام خود را مطرح کرد. نظريه اي که در آن جاذبه در رابطه با انحناي فضا- زمان توصيف مي شود. فضا- زمان مفهومي بود که از تئوري نسبيت خاص اينشتين استنتاج شد که به زمان به عنوان يک مفهوم نسبي اشاره مي کند. براي مثال بر اساس اين تئوري، زمان براي مسافران يک سفينه فضايي که با سرعت نور حرکت نورحرکت مي کند،نسبت به ناظرساکني که سفينه ازکنارش عبورمي کند،آهسته تر مي گذرد. اين تئوري همچنين کيهان را چهار بعدي مي داند که در آن سه بعد فضا با بعد زمان يکپارچه و متحد هستند.
تئوري عام اينشتين تصريح مي کند يک جسم پر حجم، شبيه خورشيد، فضا- زمان را در اطرافش خم مي کند، تقريبا مانند توپ بولينگي که وقتي روي يک صفحه لاستيکي که از اطراف مهار شده،قرارداده شود، باعث انحناي صفحه مي شود. و يک جسم کوچک تر، مانند زمين و ديگر سيارات که به دور جسم پر حجم تر در مسيرهايي در منحني فضا- زمان مي چرخند، شبيه تيله هايي در صفحه لاستيکي تحت تاثير توپ بولينگ، به دورش گردش مي کنند.( به ياد "چاه گرانش" در شماره فروردين ماه بيفتيد). بنابراين گرانش آن چنان که نيوتن فکر مي کرد يک نيروي مرموز نيست و نسبيت عام نشان داد که جاذبه گرانشي بين اجسام در واقع يک معلول هندسي در فضا و زمان است و اجسام به واسطه انحنايي که جرمشان در فضا- زمان ايجاد مي کند، به سوي يکديگر جذب مي شوند.
اگرچه نسبيت عام تشريح تاثيرات گرانش در اطراف سيارات، ستارگان، کهکشان ها وديگر اجسام پر حجم را ارئه مي دهد، اما توضيحي براي پديده اي که در فواصل بسيار کوچک، در حوزه اتم ها و ذرات زيراتمي رخ مي دهد، ندارد. اين تاثيرات توسط مکانيک کوانتومي تشريح مي شوند،شاخه اي از فيزيک که در اوايل دهه 1900به وسيله تعدادي از دانشمندان، از جمله "ماکس پلانک "، " نيلز بور"،"اروين شرودينگر" و"ورنر هايزنبرگ" بنا شد. مکانيک کوانتومي توضيح مي دهد که اتم ها چگونه واحدهاي انرژي و شتاب حرکتي ذرات را جذب و به صورت تشعشع به بيرون مي فرستند که اين خود توصيف ذرات کوانتومي (کوانتا) است که هم به صورت ذره اي و هم به صورت موجي رفتار مي کنند. مکانيک کوانتومي همچنين رفتار ذرات گوناگون تشکيل دهنده اتم ها را نيز شرح مي دهد.
فيزيکدانان با بسط نظريه کوانتومي به مدل استاندارد ذرات رسيدند که تمام ذرات بنيادي تشکيل دهنده اتم را شرح مي دهد. بر طبق اين نظريه، پروتون ها و نوترون ها که تشکيل دهنده هسته اتم هستند، خود از ذرات ريزي به نام کوارک ها تشکيل شده اند. شش نوع کوارک شناخته شده وجود دارد که در جرم و بار الکتريکي شان با يکديگر تفاوت دارند و به علاوه اتم ها از ذراتي با بار منفي به نام الکترون ها نيز تشکيل شده اند که به دور هسته در حال گردش هستند. همچنين مدل استاندارد در برگيرنده نيروهايي که در محدوده زيراتمي فعاليت مي کنند، شامل نيروي الکترومغناطيسي ( که اتم ها و هسته را در کنار يکديگر نگه داشته است). نيروي قوي هسته اي (که پروتون ها و نوترون ها در کنار هم نگه داشته است)، نيروي ضعيف هسته اي (که مسبب تشعشع راديواکتيو است) نيز مي شود. نيروهاي مذکور به وسيله ذراتي به نام "بوزون " منتقل مي شوند. براي مثال بوزون هاي مشهور به فوتون حامل نيروي الکترومغناطيسي هستند. مدل استاندارد توصيفي براي گرانش، که در محدوده زير اتمي بسيار ضعيف تر از ديگر نيروهاي مذکور است، ندارد.
بنابراين دانشمندان يک تئوري(نسبيت عام ) براي تشريح رفتار حجم هاي بزرگ مانند سيارات و تئوري ديگري (مکانيک کوانتومي) براي توصيف رفتار اتم ها و ذرات ريز اتمي در اختيار دارند. فيزيکدانان بر اين باورند که در حال حاضر نياز امروز فيزيک يک تئوري واحد است که اين دو مفهوم جدا از هم را به نوعي با هم ادغام کند. "نظريه يکپارچه" توضيحي براي اصول بنياديني است که فيزيکدانان آن را زمينه ساز عملکرد يکپارچه هر دو تئوري نسبيت عام و مکانيک کوانتوم با يکدي گر مي دانند.

فيزيکدانان به دنبال گسترش مکانيک کوانتومي همواره در پي نظريه يکپارچه بودند. با وجود پيشرفت بسيار محدود، دهه1980 زماني بود که "جان شوارتز" از موسسه فناوري کاليفرنيا و"مايکل گرين" از کالج کويين مِري انگليس، نظريه اي به نام نظريه ريسمان ها يا اَبَر ريسمان ها را مطرح کردند. اين نظريه نه تنها نسبيت و مکانيک کوانتومي را با هم ادغام مي کند، بلکه تلاشي براي توضيح پديده هاي مرموزي است که تشکيل دهنده تمامي ذرات کيهان هستند.
نظريه ريسمان ها تصريح مي کند که کوارک ها، الکترون ها و ديگر ذرات ماده بيشتر از اين که شبيه نقطه باشند، شبيه خطوطي هستند که "ريسمان " ناميده مي شوند. اين ريسمان ها بسيار کوچک هستند- کمتر از يک ميلياردم ميلياردم شعاع يک الکترون. اين ريسمان ها درست شبيه تارهاي يک ويولن، مي توانند با فرکانس هاي مختلفي مرتعش شوند و نُت هاي مختلف را توليد کند؛ يک رشته کوچک در فضا- زمان قابليت ارتعاش در وضعيت هاي مختلف براي ايجاد انواع مختلف ذرات بنيادي را دارد.
علاوه بر اين که ريسمان ها تمام ذرات ماده را در فضا- زمان شکل مي دهند، طبق اين نظريه ريسمان ها همچنين همه نيروي حامل ذراتي که بر روي ماده اثر مي کنند را نيز شکل مي دهد. به علاوه، اين نظريه حرکت ريسمان ها را در انحناي فضا- زمان پيشنهاد مي دهد. بنابراين نظريه ريسمان ها فطرتا با گرانشي که نسبيت عام شرح داده، هماهنگي دارد.
فيزيکدانان بر اين باور هستند که ريسمان ها در دو شکل اصلي هستند- باز يا بسته، يک ريسمان باز دو انتهاي آزاد دارد، در حالي که يک ريسمان بسته شکلي شبيه حلقه دارد. ريسمان ها به واسطه جدا شدن و ملحق شدن برهم کنش دارند. بنابراين يک ريسمان مي تواند به دو ريسمان مجزا تبديل شود واز به هم پيوستن دو ريسمان جدا از هم مي تواند يک ريسمان مستقل شکل بگيرد. به علاوه، يک ريسمان باز مي تواند به يک ريسمان بسته تبديل و يک ريسمان بسته مي تواند به دو ريسمان تفکيک شود. اين بر هم کنش ها و حرکات، به تعيين نوع ذرات و ايجاد نيروهايي که ريسمان ها سبب مي شوند، کمک مي کنند.
همچنين اين نظريه، فضا- زمان را داراي ابعادي فراتر از چهار بعد پيش بيني مي کند. در واقع، تفسير رياضي نظريه ريسمان ها بدون در نظر گرفتن ابعاد اضافي و ارتعاش ريسمان ها در10 بعد، امکان پذير نيست. اما اين ابعاد اضافي کجا هستند و چرا ما قادر به ديدنشان نيستيم؟ فيزيکداناني که روي اين نظريه کار مي کنند، اظهار مي کنند که به خاطر اين قادر به ديدن ابعاد اضافي نيستيم که آنها در توپ هاي کوچکي پيچيده شده اند. هر توپ به اندازه يک "طول پلانک"(27-10*163/ 16 نانومتر) است، و اين توپ ها در تمام نقاط در فضاي اطرافمان وجود دارند. فيزيکدانان معتقدند خواص اين ابعاد پيچ خورده در هم، تعيين کننده خواص ذرات بنيادي در ط بيعت هستند.
حرکت ديگر به سوي يگانه کردن مکانيک کوانتومي و نسبيت عام، به هندسه کوانتومي مشهور است؛ نظريه اي که توسط" افي اشتکار" از دانشگاه سيراکس در نيويورک در اواسط دهه1980 مطرح شد. برخلاف نظريه ريسمان ها که تلاش مي کند تا زيرساخت طبيعي کوانتومي همه ذرات و نيروهاي موجود در فضا- زمان را توضيح دهد، هندسه کوانتومي کالبد و استخوان بندي خودِ فضا- زمان را با داشتن مشخصات کوانتومي، شرح مي دهد. بر طبق اين نظريه، فواصل بسيار کوچک، فضا شبيه به پارچه اي مواج با تار و پودي درهم تنيده است. اتصالات و بر هم کنش هاي مابين اين تارهاي مواج باعث پيوستگي فضا- زمان(پيوستگي کامل) در بطن نسبيت عام مي شوند. فيزيکدانان در مورد نحوه ارتباط رفتار اين ريسمان هاي داراي انرژي و پرتکاپوي فضا- زمان به ذرات تشکيل دهنده مواد و يا به نيروهاي حامل ذرات، مطمئن نيستند.
به خاطر اين که ريسمان ها خود، فضا- زمان را مي سازند، حد فاصل بين ريسمان ها ناحيه اي است که فضا و زمان امکان وجود ندارند. حتي فيزيکدانان نيز براي اين موضوع توضيحي ندارند. هندسه کوانتومي براي تفسير فضا- زمان بر خلاف نظريه ريسمان ها نيازي به وجود ابعاد اضافي ندارد. در اين تئوري، فضا- زمان به عنوان يک پس زمينه چهار بعدي براي وجود ذرات بنيادي محسوب مي شود. با اين وجود، اين نظريه بر خلاف نظريه ريسمان ها توضيحي براي اين که چه چيزي ذرات را تشکيل مي دهد ندارد. برخي فيزيکدانان عقيده دارند که دو ايده ريسمان هاي مرتعش و هندسه کوانتومي، ممکن است سرانجام به يک نظريه واحد تبديل شوند.
منبع: ماهنامه دانشمند- ش561
/ج