گرانش كوانتومي

(مختصري بر نظريه تار يا ابر ريسمان)

در ابتداي قرن بيستم دو نظريه ي مهم در فيزيك پايه گذاري شد، مكانيك كوانتومي و نظريه نسبيت. بر خلاف موفقيت هاي فراواني كه هر كدام از اين نظريه ها به طور جداگانه بدست آوردند، با يكديگر ناسازگار به نظر مي رسيدند. اين تناقض در قلب فيزيك نظري همچنان يكي از جنجالي ترين مطالب علم است.
نظريه نسبيت عام در محاسبه ي دقيق گرانش موفق عمل مي كند. اگر در ميدان گرانش، مكانيك كوانتومي را به كار بگيريم، به گرانش كوانتومي دست مي يابيم. در نگاه اول ساختن نظريه گرانش كوانتومي مشكل تر از نظريه ي الكترو ديناميك كوانتومي به نظر نمي رسيد. الكترو ديناميك كوانتومي نيم قرن پيش ابداع شد. اساس QED يا همان الكترو ديناميك كوانتومي توصيف نيروهاي الكترو مغناطيسي بر حسب تبادل ذراتي است كه آنها را فوتون مي ناميم. به عبارت ديگر فوتون كوانتاي ميدان الكترومغناطيس است. اين فوتون ها گسيل شده و بلافاصله جذب مي شوند. در نتيجه گسيل و جذب فوتون ها انرژي و تكانه ذرات ثابت نمي ماند. بنابر اين دافعه ي الكتروستاتيك بين دو الكترون را مي توان در نتيجه ي گسيل فوتون از يك الكترون و جذب آن توسط الكترون ديگر دانست.
به طور مشابه مي توان جاذبه ي گرانشي بين دو جسم را در نتيجه ي تبادل گراويتون ، يعني كوانتاي ميدان گرانشي ، دانست. اين واقيعت كه تا كنون گراويتون توسط هيچ وسيله اي آشكار نشده است، چندان تعجب آور نيست، چون نيروي گرانشي بسيار ضعيف تر از نيروهاي مغناطيسي و الكتريكي است. ثابت مي شود كه تبادل گراويتون بين جرم هاي نقطه اي باعث ايجاد ميدان گرانشي با قانون معروف عكس مجذور فاصله مي شود.
اما هنگامي كه فرآيند هاي پيچيده تر ، كه در آنها تعداد زيادي گراويتون وجود دارند، در نظر گرفته مي شود مشكلي به وجود مي آيد. يك فرق مهم بين ميدان گرانشي و الكترومغناطيسي وجود دارد. ميدان گرانشي غير خطي است. اين غير خطي بودن از آنجا ناشي مي شود كه ميدان گرانشي شامل انرژي است و اين انرژي داراي معادل جرم است كه ميان ان جرم ها مجددا نيروي گرانشي وجود دارد. به زبان كوانتومي اين مطلب بر اين نكته دلالت دارد كه گراويتون ها با گراويتون هاي ديگر اندركنش مي كنند، در حالي كه فوتون ها با بارهاي الكتريكي و جريان ها اندركنش دارند و با هيچ فوتون ديگري اندركنش ندارند. چون بين گراويتون ها اندركنش وجود دارد مي توان گفت كه ذرات مادي با شبكه ي پيچيده اي از گراويتون ها احاطه شده است كه حلقه هاي بسته اي را تشكيل مي دهند، مانند يك درخت پر از شاخ و برگ.
در نظريه ميدان كوانتومي حلقه هاي بسته نشانه ي درد سر مي باشند و موجب توليد جواب هاي بي نهايت در محاسبه ي فرآيند هاي فيزيكي مي شوند.در QED اين مسئله هنگامي به وجود مي آيد كه يك الكترون فوتوني را گسيل و مجددا جذب كند. بي نهايت هاي بدست آمده را با يك روش رياضي با نام «باز بهنجارش» بر طرف مي كنند. اگر اين روش به درستي به كار گرفته شود، جواب هاي قابل قبولي به دست مي آيد.چون در QED جواب هاي بي نهايت را مي توان با اين روش مشخص برداشت به ان يك نظريه ي «باز بهنجار پذير» مي گويند. روش ياد شده مجمو عه اي از اعمال رياضي است كه براي برداشتن بي نهايت ها كافي است.
متاسفانه هنگامي كه مكانيك كوانتومي را در نسبيت عام به كار مي گيريم چنين روشي وجود ندارد. بنابر اين در اين حالت نظريه بازبهنجار نا پذير است. هر فرآيند شامل حلقه هاي بسته ي بيشتر و بيشتري از گراويتون ها خواهد بود كه موجب جملات بي نهايت بيشتري مي شوند . وجود اين جملات بي نهايت باعث مي شود نظريه گرانش كوانتومي براي بررسي اكثر پديده هاي طبيعي بي استفاده شود و اين فكر را بوجود آورد كه چيزي اساسا در نظريه ي نسبيت عام يا مكانيك كوانتومي و يا هردو غلط است.
در چند دهه ي گذشته تلاش هاي زيادي براي گريز از بازبهنجارناپذيري در گرانش كوانتومي شده است. برجسته ترين آنها نظريه « تار» يا « ابر ريسمان» است. اين نظريه بر اين فرض بنا شده است كه كوچكترين چيزي كه دنياي فيزيكي از آن ساخته شده است ذرات نيستند، بلكه تارهايي مي باشند كه 20^10 بار كوچكتر از هسته ي اتم هستند.مدهاي ارتعاشي مختلف اين تارها را مي توان به ذرات گوناگوني مانند الكترون ها ، كوارك ها، نوتريون ها، فوتون ها، گراويتون ها و ديگر ذرات نسبت داد. بين تار ها مانند ذرات اندركنش وجود دارد، اما وقتي فرآيندهايي كه شامل حلقه هاي بسته باشند مورد امتحان قرا گيرند، جواب هايي كه بدست مي آيند ديگر بي نهايت نيست.
مقياس انرژي ها در نظريه تار از مرتبه ي (بخوانيد گيگا الكترون ولت) 19^10 Gev است. اين انرژي 17^10 بار بيشتر از انرژي است كه در حال حاظر بزرگترين شتاب دهنده هاي ذرات مي توانند توليد كنند.بنابر اين به نظر مي رسد كه مشاهده ي ساختار ريسماني ماده غير ممكن باشد. فيزيك دانان نظري اميد دارند كه در حد انرژي هاي كمتر و قابل دسترس بتوانند نظريه هاي فيزيكي آشنا تر مانند نسبيت عام، الكترومغناطيس،نيروهاي ضعيف و قوي هسته اي و ذرات بنيادي آشنا را به عنوان تقريبي از نظريه تار بيرون بكشند. بنابر اين نظريه ابر ريسمان يك توصيف پذيرفته شده از گرانش كوانتومي نيست، بلكه تلاشي براي وحدت نيرو ها و ذرات بنيادي است كه آلبرت انبشتين آرزوي تحقق آن را داشت.
متاسفانه تا كنون نظريه تار واحدي وجود ندارد و همچنين حد پايين انرژي واحدي نيز برآورده نشده است.
براي مدت ها اين مسئله مانند يك مانع بزرگ مي نمود اما در سال هاي اخير يك راهكار رياضي مجرد با نام « نظريه ي M » ساخته شده است و معلوم شده است كه اين نظريه، نظريات ابر ريسمان كوناگون را در بر مي گيرد.
هنوز زود است كه گفته شود نظريه ي M در نهايت بين گرانش و كوانتوم آشتي ايجاد كند ، ولي اگر اين نظريه مطابق انتظارات باشد مي بايست واقعيت هاي بنيادي دنياي فيزيك را توضيح دهد. به عنوان مثال فضا- زمان چهار بعدي مي باسيت از نظريه بيرون آيد ، بدون آنكه خودمان آن را به نظريه بيفزاييم. نيروها و ذرات طبيعت نيز مي بايست بر اساس خواص كليدي شان مانند قدرت اندركنش ها و جرم هايشان توضيح داده شوند. به هر صورت تا زماني كه نتوان در حد انرژي شتاب دهنده هاي موجود نظريه M را مورد امتحان قرار داد، اين نظريه در حد يك تمرين زيباي رياضي باقي خواهد ماند.
ارسال مقاله توسط عضو محترم سایت با نام کاربری : sm1372
/س