آیا بالاخره دانشمندان خواهند توانست نظریه همه چیز را کشف کنند؟ فیزیکدانان در تلاش هستند تا درک کامل‌تری از آن‌چه که کیهان را دربر گرفته، به دست آورند، چیزی که آن را «نظریه همه چیز» می‌نامند.

یادداشتی بر کتاب فضای کوانتومی؛ گرانش کوانتومی حلقه‌ای؛ و جستجوی فضا، زمان و گیتی/نوشته جیم باگوت؛ ترجمه: فرهاد دیرنگ

سارا اسکوئلز

19 آگوست 2023

ترجمه: فرهاد دیرنگ

آلبرت انیشتین به‌خاطر مدل خاص موها و نظریه‌های دوقلوی نسبیت و همچنین به خاطر اعتقادش به این موضوع که «همین که واقعیت دنیای فیزیکی قابل درک است، خود یک معجزه است» معروف است. منظور او از این عبارت این بود که ما انسان‌ها می‌توانیم از طریق دانش، ریاضیات و نورون‌های مغزمان، قوانین فیزیکی را (که به‌نظر می‌رسد جهان از آن‌ها تبعیت می‌کند) استنباط و استخراج کنیم. این قوانین، پدیده‌هایی را که در اطراف خود می‌بینیم – مانند روشن شدن لامپ‌ها، پایین آمدن چکش (حین کوبیدن آن به یک میخ) و یا چسبیدن اتم‌ها به هم و سپس جدا شدن‌شان از یکدیگر – را توضیح داده و به ما این امکان را می‌دهند تا رویدادهای آینده مانند برخورد کهکشان‌ها، انفجار ستارگان یا ایجاد شرایط به‌شدت ظریف شکل‌گیرنده در شتاب‌دهنده‌های ذرات را پیش‌بینی کنیم. اما حتی با وجود همه این قوانین و نیز تخصص‌های فراوانی که به وجود آمده، باز هم دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند جهان هستی را آن‌چنان که باید و شاید به‌درستی درک کنند. آن‌ها حتی به درک جهان نزدیک هم نشده‌اند. ماهیت واقعی ماده تاریک – ماده‌ای نامرئی که به عنوان داربست گرانشی کهکشان‌ها عمل می‌کند - و یا انرژی تاریک - نیروی رازگونه‌ای که انبساط پرشتاب جهان را سرعت می‌دهد - چیست؟ هر دو این اصطلاحات یک وجه مشترک تاریک دارند، چرا که فیزیک‌دانان (و حتی دانشمندان سایر علوم) در مورد هر چیزی که ورای آن‌ مفاهیم قرار گرفته، در جهل و تاریکی مطلق هستند. چنین رازهایی به جست‌وجویی تدریجی که برای درک کامل‌تر آن‌چه که فهم کیهان را دشوار می‌کند، جنبه اضطراری می‌بخشد. برخی از فیزیک‌دانان معتقدند که امکان دارد چنین درک جامع و مانع از طریق یک «نظریه همه چیز» (TOE) به دست بیاید: بنا به تعریف، نظریه همه چیز در واقع یک چهارچوب نظری و بنیادینی است که بر جهان حاکم می‌باشد. در همین‌حال، فیزیک‌دانانی هم وجود دارد که معتقدند جهان آن‌چنان هم که انیشتین گفته قابل درک نیست. به نظر این گروه، همین غیرقابل درک بودن جهان هستی، جستجو برای یافتن نظریه همه چیز (TOE) را بیهوده می‌کند. با این‌حال، هر دو گروه از فیزیک‌دانان در این نکته توافق دارند که یافتن نظریه‌ای درباره همه چیز برای انسان‌ها غیرممکن می‌باشد. مهم نیست که چنین نظریه‌ای درباره همه چیز (TOE) تا چه حد قادر خواهد بود تمامی پدیده‌های جهان را توضیح دهد، مثلاً بعید به نظر می‌رسد این نظریه توضیح دهد که چرا بعضی‌ها سس‌ ترش را بر روی چیزبرگر خود ترجیح می‌دهند و یا این‌که چرا برخی‌ آدم‌ها به‌شکلی غیرمنطقی از دلقک‌ها واهمه دارند. هنگامی که فیزیک‌دانان به نظریه همه چیز اشاره می‌کنند، منظورشان چیزی بسیار خاص است. کاترین فریز ، فیزیک‌دان و استاد دانشگاه تگزاس در شهر آستین می‌گوید: «آن‌چه که فیزیک‌دانان از نظریه همه چیز مدنظر دارند این است که بتواند تمامی نیروهای طبیعت را در یک چهارچوب و نظریه‌ای واحد گرد هم آورد. دانشمندان تا به امروز، فقط توانسته‌اند چهار نیروی اساسی را کشف کنند. فریز ادامه می‌دهد: «امروز همه، تقریباً مطمئن هستند که در طبیعت نیرویی به نام نیروی الکترومغناطیس وجود دارد؛ و همین‌طور نیرویی که باعث زمین خوردن و در نتیجه خجالت‌زدگی شما - یعنی نیروی گرانش – وجود دارد که در طبیعت عمل می‌کند». دو نیروی دیگر مبهم‌تر از قبلی‌ها هستند: نیروی هسته‌ای قوی، پروتون‌ها و نوترون‌ها را در هسته اتم کنار یکدیگر نگه می‌دارد، در حالی که نیروی هسته‌ای ضعیف به اتم‌ها و ذرات زیراتمی کمک می‌کند تا از طریق نوعی واپاشی رادیواکتیوی از یکدیگر جدا شوند. توسعه یک چهارچوب نظری واحد که بتواند ضمن توصیف این چهار نیرو، آن‌ها را ذیل یک نیروی بزرگ‌تر دیگر دور هم گرد آورد، در واقع نسخه حداقلی خواهد بود که یک فیزیک‌دان می‌تواند از یک «نظریه همه چیز» انتظار داشته باشد. دیمتریس نیکولایدس ، فیزیک‌دان نظری در کالج بلومفیلد و نویسنده کتاب در جستجوی نظریه همه چیز: فلسفه پشت فیزیک، می‌گوید: آن روز که اتحاد این چهار نیروی بنیادی به‌طور آزمایشی مورد تأیید واقع شود، بی‌شک دستآوردی شاهکار و لحظه‌ای بسیار تحسین‌برانگیز خواهد بود، ولی باز هم واقعیت چنین نظریه‌ای کاملاً با حقیقت جهان هستی در تباین خواهد بود». اما، افسوس که انسان باید همواره به این تلاش خود ادامه دهد. البته دانشمندان به دلایل منطقی بر این تصورند که قادر هستند حداقل نظریه‌ای را برای توصیف آن مفهوم از «همه چیز» که در ذهن خود دارند، تدوین کنند. از این گذشته، برخی از نیروها پیش از این به اتحاد رسیده و یک جا جمع شده‌اند: جیمز کلرک ماکسولِ فیزیک‌دان بیش از 100 سال پیش توانست نور، الکتریسیته و مغناطیس را به عنوان ویژگی‌های فردی نیرویی بزرگ‌تر تعریف و آن‌ها را گرد هم آورد. پس از این‌که دانشمندان توانستند دستگاه‌های شتاب‌دهنده‌ ذرات با انرژی بالا را بسازند، نیروی ضعیف نیروی بعدی بود که به خانواده نیروهای قبلی پیوست. درون این دستگاه‌ها، ذرات می‌توانند با سرعتی نزدیک به نور با یکدیگر برخورد کنند. فریز می‌گوید: «این حادثه در شتاب‌دهنده‌ها می‌تواند به‌طور مؤثری جهان هستی را در انرژی‌های بالاتر و در مراحل نخستین شکل‌گیری‌اش بررسی کند. هرچه انرژی برخورد در درون شتاب‌دهنده بیشتر باشد، ممکن است به تکرار شرایط داغ و متراکم تقریباً غیرقابل درک لحظات اولیه پس از انفجار بزرگ نزدیک‌تر شویم. وقتی دانشمندان از طریق شتاب‌دهنده‌های ذرات به شرایط «کیهان جوان» دسترسی پیدا می‌کنند، دو نیروی الکترومغناطیس و نیروی ضعیف را می‌بینند که همچون یک نیروی واحد عمل می‌کنند – یعنی نیروی الکتروضعیف – و نشان می‌دهد که این دو نیرو در واقع در جهان اولیه، یک نیروی واحد یکپارچه بوده‌اند. فریز گمان می‌کند که اگر شتاب‌دهنده‌های ذرات بتوانند به انرژی‌های بالا برسند. به‌گونه‌ای که بتوانند جهان داغ‌تر و حتی جوان‌تر را که در آن ذرات واسطه‌ نیروی قوی ظاهر می‌شوند - شبیه‌سازی کنند، نیروی قوی هم به آن دو نیروی یکپارچه‌شده خواهد پیوست. درست است که چنین ادعایی مطرح شده است، ولی مطمئناً عمر ما کفاف مشاهده این فن‌آوری را نخواهد داد. چالش اصلی در واقع با آخرین نیرو یعنی گرانش است که به اندازه کافی شگفت‌انگیز و در عین‌حال ضعیف‌ترین این نیروهاست ولی در عین‌حال به اتحاد رسانیدن آن با سه نیروی دیگر کار بسیار دشوارتری است: الکترومغناطیس و همچنین دو نیروی قوی و ضعیف، می‌توانند اساساً از قوانین کوانتومی عجیب و غریب ولی در عین‌حال قابل محاسبه تبعیت کنند. گرانش هم - که در حال حاضر نظریه نسبیت عام اینشتین توانسته بهترین توصیف را از آن ارائه نماید - به جهان بزرگ‌مقیاس (کهکشان‌ها، ستارگان، زمین، اشیا و غیره) مربوط می‌شود. این دو چهارچوب (جهان ماکرو یا بزرگ‌مقیاس و جهان میکرو یا ریزمقیاس زیراتمی) چندان با هم کنار نمی‌آیند و سر آشتی با یکدیگر ندارند. مکانیک کوانتومی و نسبیت هرکدام به‌ شیوه‌ای مؤثر توانسته‌اند یک سری قوانین جداگانه و متناقضی را برای تبیین کیهان ارائه نمایند. نظریه کوانتومی معمولاً با جهان ریزمقیاس و در ابعاد کوچک و با کوانتوم‌ها سر و کار دارد، در حالی‌که نسبیت عام، کلیّت کیهان را حتی در کوچک‌ترین مقیاس‌ها به‌هم پیوسته می‌داند. نیکولایدس می‌گوید: «مهم‌ترین چالش در یافتن نظریه همه چیز (TOE)، یافتن نسخه کوانتومی موفقی از گرانش است، بدین معنی که قواعد نظریه کوانتومی را بتواند با قواعد نظریه نسبیت عام اینشتین ترکیب نموده و یا کلاً قوانین جدیدی بیابد. تا زمانی‌که دانشمندان نظریه‌ای در مورد گرانش کوانتومی نداشته باشند، احتمالاً در یکپارچه نمودن گرانش با سه نیروی دیگر به توفیق اندکی دست خواهند یافت. در این رابطه هم مثل همیشه، نظریه‌پردازانی هستند که دست به برخی گمانه‌زنی‌ها و ایده‌‌پردازی‌ها زده‌اند. یکی از این ایده‌ها، گرانش کوانتومی حلقه‌ای است که فرض می‌کند فضا از قطعات ریز و غیرقابل تقسیمی تشکیل شده است. بر اساس این نظریه، خود فضازمان است که کوانتیزه می‌شود. کوانتیزه شدن فضازمان به دانشمندان امکان می‌دهد تا رفتار فضازمان را در مقیاسی بزرگ و از طریق یک عدسی کوانتومی مطالعه و درک کنند. نظریه دیگر، نظریه ریسمان است که معتقد است جهان از رشته‌های ارتعاش‌کننده تقریباً غیرقابل تصوری ساخته شده است. برخی نسخه‌های اخیر این نظریه، به وجود حداقل 11 بُعد قائل هستند. در این نظریه، ریسمان‌های ارتعاشی، گراویتون‌ها – ذرات ریزی که تحت قوانین مکانیک کوانتومی عمل ولی در عین‌حال حامل نیروی گرانشی هستند - را ایجاد می‌کنند. کارلو روولی ، یکی از طرفداران برجسته نظریه گرانش کوانتومی حلقه‌ای که دارای کرسی تحقیقاتی در مؤسسه فیزیک نظری انتاریو است، می‌گوید: «درست است که نظریه ریسمان توانست در دهه 1980 امیدها را برای یافتن یک نظریه همه چیز برانگیزد، ولی نمی‌تواند کاندیدای مناسبی برای TOE باشد، زیرا سابقه خوبی در برآوردن انتظارات از یک نظریه همه چیز را از خود نشان نداده است. روولی خاطرنشان می‌کند: «پس از نیم قرن هنوز آن‌چه را که از این نظریه انتظار می‌رفت (گرد هم آوردن نیروی گرانش در کنار سه نیروی دیگر طبیعت) نتوانسته برآورده سازد.» اگرچه کارلو روولی به شدت بر روی نظریه گرانش کوانتومی حلقه‌ای کار و پژوهش می‌کند، ولی او هم به این فکر افتاده که جستجو برای یافتن نظریه همه چیز TOE می‌تواند کار بیهوده‌ای باشد. او می‌گوید: «سؤالات باز زیادی وجود دارد که نمی‌دانیم چگونه به آن‌ها پاسخ دهیم، و فکر می‌کنم به جای این‌که شانس‌مان را بر روی یافتن یک تئوری واحد از همه چیز بیازماییم، واقع‌بینانه‌تر این است که یک به یک به حل این سؤالات بپردازیم.» علاوه بر این، دامنه شمولیت «همه چیز» بسیار گسترده است. جهان به غایت پیچیده است و می‌توان با ابزارهای نظری متعدد، آن را بهتر شناخت.» دیدگاه نسبتاً بدبینانه‌ای وجود دارد که نیکولایدس و دیگران از آن حمایت می‌کنند، مبنی بر این‌که بالاخره یک نظریه همه چیز - حتی گسترده‌تر از تعریف فیزیک‌دانان - باید در جایی وجود داشته باشد، اما ممکن است انسان‌ها هرگز به آن دست نیابند و حتی اگر موفق به این کار هم شوند، باز هم آن «همه چیز» در واقع همه چیز نخواهد بود. نیکولایدس می‌گوید: «ما در واقع می‌توانیم حداقل علت هر پدیده‌ای را شناخته و توضیح دهیم، جز یکی: «چرا چیزها به جای این‌که وجود نداشته باشند، وجود دارند، چرا «طبیعت» در وهله اول وجود دارد و یا این‌که «چرا این طبیعت با این مجموعه از قوانین خاص وجود دارد؟ چرا نوع دیگری از قوانین وجود ندارد؟» علم نمی‌تواند به این پرسش‌های بنیادین پاسخ دهد.» اما بی‌شک دانشمندان از تلاش برای یکپارچه نمودن نیروهای بنیادین طبیعت باز نخواهند ایستاد. فریز می‌گوید: «رویکردی که فیزیکدانان برای شناخت جهان در پیش گرفته‌اند «ساده‌سازی، ساده‌سازی، و باز هم ساده‌سازی هر چه بیشتر» است. «اگر به بیرون از اتاق‌تان نگاه کنید و ببینید «باد چنین می‌کند» و «صندلی چنان» و بتوانید همه این کارها را با یک معادله واحد توصیف کنید، پس بدانید که به جایی رسیده‌اید که قادرید پیش‌بینی کنید که چیزهای دیگر در وضعیت‌های مشابه چگونه رفتار می‌کنند.» همین قدرت پیش‌بینی را نباید دست کم گرفت، چرا که منجر به پیشرفت‌های عمده فراوانی در طول تاریخ شده است. بلی، اگر فیزیکدانان به یک نظریه همه چیز (TOE) دست یابند، ممکن است پیشرفت‌های حاصل از آن مسیر تاریخ بشر را عمیقاً تغییر دهد. و شاید برعکس، یک نظریه همه چیز اصلاً نتواند باعث پیشرفت بزرگی شود و صرفاً بینش‌های عمیق و مهمی در موضوعات و حیطه‌هایی ارائه دهد که کاملاً دور از تجربیات بشری هستند، موضوعاتی که برای زندگی روزمره انسان‌ها چندان اهمیتی نداشته باشند. فریز، در این مورد خوشبین است: «نظریه همه چیز تغییرات را به‌صورتی بنیادین به وجود خواهد آورد. تا زمانی‌که به آن نقطه نرسیده‌ایم نمی‌دانیم واقعاً چه اتفاقی خواهد افتاد». البته، این تغییرات چیزهایی هستند که فیزیک در حال حاضر قادر به پیش‌بینی آن‌ها نیست.