آیا نیروی جاذبه ریشه در ذرات کوانتومی دارد؟

منتشر‌شده در: مجله quanta به تاریخ ۱۵ ژوئن ۲۰۲۰
لینک منبع: Why Gravity Is Not Like the Other Forces

فیزیکدانان سه نیروی از چهار نیروی طبیعت-نیروی الکترومغناطیسی و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف-را به ریشه در ذرات کوانتومی ردیابی کرده‌اند. اما چهارمین نیروی بنیادی، گرانش، متفاوت است.

چارچوب فعلی ما برای درک جاذبه، که یک قرن پیش توسط آلبرت انیشتین ابداع شد، به ما می‌گوید که سیب‌ها از درختان و سیاره‌ها در مدار ستارگان قرار می‌گیرند زیرا آن‌ها در امتداد منحنی‌ها در زنجیره فضا-زمان حرکت می‌کنند. این منحنی‌ها جاذبه هستند. طبق نظر انیشتین، جاذبه یک ویژگی فضا-زمان است؛ دیگر نیروهای طبیعت در آن مرحله بازی می‌کنند.

اما نزدیک مرکز یک سیاه‌چاله یا در اولین لحظات جهان، معادلات انیشتین می‌شکند. فیزیک‌دانان برای توصیف دقیق این افراط و تفریط به یک تصویر دقیق‌تر از جاذبه نیاز دارند. این نظریه حقیقی‌تر باید همان پیش‌بینی‌هایی را داشته باشد که معادلات انیشتین در همه جای دیگر انجام می‌دهند.

فیزیک‌دانان فکر می‌کنند که در این نظریه واقعی، جاذبه باید مانند دیگر نیروهای طبیعت، یک شکل کوانتومی داشته باشد. محققان از دهه ۱۹۳۰ به دنبال نظریه کوانتومی جاذبه بوده‌اند. آن‌ها ایده‌های کاندید را یافته‌اند-به ویژه نظریه ریسمان، که می‌گوید جاذبه و همه پدیده‌های دیگر از رشته‌های مرتعش کوچک ناشی می‌شوند-اما تا کنون این احتمالات به صورت حدس و گمان باقی مانده‌اند و کاملا درک نشده‌اند. امروزه نظریه کوانتومی گرانش، شاید والاترین هدف در فیزیک باشد.

چه چیزی جاذبه را منحصر به فرد می‌کند؟ چه چیزی در مورد نیروی چهارم متفاوت است که محققان را از پیدا کردن توصیف کوانتومی اساسی آن باز می‌دارد؟ ما از چهار محقق جاذبه کوانتومی مختلف پرسیدیم. ما چهار جواب مختلف گرفتیم.

ممکن است به مطالعه مقاله کامپیوتر کوانتومی نوری قابل‌برنامه‌ریزی دیر اما پربار به بازار می‌آید! علاقمند باشید.

نیروی جاذبه انفرادی

کلودیا دو رهم، یک فیزیکدان نظری در کالج سلطنتی لندن، بر روی نظریه‌های گرانش عظیم کار کرده ‌است، که فرض می‌کند واحدهای کوانتیزه شده گرانش ذرات بزرگ هستند:

نظریه نسبیت عام انیشتین به درستی رفتار گرانش را نزدیک به ۳۰ درجه بزرگی از مقیاس‌های زیر میلی‌متر تا فواصل کیهان‌شناسی توصیف می‌کند. هیچ نیروی دیگری از طبیعت با چنین دقت و با چنین مقیاس‌های متنوعی توصیف نشده است. با چنین سطحی از توافق بی‌نظیر با آزمایش‌ها و مشاهدات، به نظر می‌رسد که نسبیت عام می‌تواند توصیف نهایی گرانش را ارایه دهد. با این حال، نسبیت عام از این لحاظ قابل‌توجه است که سقوط خود را پیش‌بینی می‌کند.

نسبیت عام، پیش‌بینی‌های سیاهچاله‌ها و انفجار بزرگ در منشا جهان ما را به دست می‌دهد. با این حال، «تکینگی» در این مکان‌ها، نقاط اسرارآمیز که انحنای فضا-زمان به نظر نامحدود می‌رسد، به عنوان پرچم‌هایی عمل می‌کنند که شکست نسبیت عام را نشان می‌دهند. وقتی کسی به تکینگی در مرکز یک سیاهچاله یا تکینگی بیگ بنگ نزدیک می‌شود، پیش‌بینی‌هایی که از نسبیت عام استنتاج می‌شوند، ارایه جواب‌های درست را متوقف می‌کنند. یک توصیف اساسی و اساسی از فضا و زمان باید به عهده بگیرد. اگر ما این لایه جدید فیزیک را کشف کنیم، ممکن است بتوانیم به درک جدیدی از فضا و زمان دست یابیم.

اگر جاذبه نیروی دیگری از طبیعت بود، می‌توانستیم امیدوار باشیم که با آزمایش‌های مهندسی که قادر به رسیدن به انرژی‌های بیشتر و فواصل کم‌تر بودند، آن را عمیق‌تر بررسی کنیم. اما جاذبه نیروی معمولی نیست. سعی کنید آن را وادار کنید تا رازهایش را از یک نقطه مشخص آشکار کند، و دستگاه آزمایش خودش به درون یک سیاه‌چاله سقوط خواهد کرد.

ستون‌های جاذبه به دره‌های سیاه

دانیل هارلو، نظریه‌پرداز گرانش کوانتومی در موسسه فن‌آوری ماساچوست، به خاطر کاربرد نظریه اطلاعات کوانتومی در مطالعه گرانش و سیاه‌چاله‌ها مشهور است:

سیاه‌چاله‌ها دلیل سخت بودن ترکیب گرانش با مکانیک کوانتومی هستند. سیاه‌چاله‌ها فقط می‌توانند نتیجه جاذبه باشند چون جاذبه تنها نیرویی است که توسط تمام مواد احساس می‌شود.

این واقعیت که تمام ماده احساس می‌کند که جاذبه، محدودیتی را بر روی انواع آزمایش‌هایی که ممکن است، ایجاد می‌کند: هر دستگاهی که شما بسازید، مهم نیست از چه چیزی ساخته شده‌است، نمی‌تواند خیلی سنگین باشد، و یا لزوما به صورت گرانشی به درون یک سیاه‌چاله سقوط خواهد کرد.

درک ما از دیگر نیروهای طبیعت براساس اصل محل ساخته شده‌است، که می‌گوید متغیرهایی که آنچه را که در هر نقطه از فضا اتفاق می‌افتد توصیف می‌کنند-مانند قدرت میدان الکتریکی آنجا-می‌توانند به طور مستقل تغییر کنند. علاوه بر این، این متغیرها، که ما آن‌ها را «درجات آزادی» می‌نامیم، تنها می‌توانند مستقیما بر همسایگان فوری آن‌ها تاثیر بگذارند. محلی بودن برای روشی که ما در حال حاضر ذرات و تعاملات آن‌ها را توصیف می‌کنیم مهم است زیرا روابط علی را حفظ می‌کند: اگر درجات آزادی در اینجا در کمبریج، ماساچوست، به درجه آزادی در سان‌فرانسیسکو بستگی داشته باشد، ممکن است قادر باشیم از این وابستگی برای دستیابی به ارتباط آنی بین دو شهر یا حتی ارسال اطلاعات به عقب در زمان، که منجر به نقض احتمالی علیت می‌شود، استفاده کنیم.

فرضیه محل در شرایط معمولی به خوبی آزمایش شده ‌است، و ممکن است طبیعی به نظر برسد فرض کنیم که تا فواصل بسیار کوتاهی که مربوط به گرانش کوانتومی هستند امتداد می‌یابد (این فواصل کوچک هستند زیرا جاذبه بسیار ضعیف‌تر از نیروهای دیگر است). یک محاسبه ساده نشان می‌دهد، با این حال، دستگاهی که به اندازه کافی سنگین است تا از نوسانات بزرگ کوانتومی در موقعیت خود جلوگیری کند، که این آزمایش را خراب خواهد کرد، لزوما به اندازه کافی سنگین خواهد بود که به درون یک سیاه‌چاله سقوط کند! و بنابراین جاذبه کوانتومی نیازی به احترام به موقعیت در چنین مقیاس‌های طولی ندارد.

در واقع، درک ما از سیاهچاله‌ها تا کنون نشان می‌دهد که هر نظریه گرانش کوانتومی باید اساسا درجات آزادی کمتری نسبت به آنچه که براساس تجربه با دیگر نیروها انتظار داریم داشته باشد. این ایده در «اصل هولوگرافیک» تدوین شده‌است که به طور کلی می‌گوید تعداد درجات آزادی در یک منطقه فضایی با مساحت آن به جای حجم آن متناسب است.

مطالعه مقاله تکنولوژی GPT-3 چیست و چرا انقلابی در هوش مصنوعی ایجاد می‌کند؟ توصیه می‌شود.

جاذبه چیزی را از هیچ به وجود می‌آورد:

خوان مالدازنا، نظریه‌پرداز گرانش کوانتومی در موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، نیوجرسی، به خاطر کشف رابطه هولوگرام مانند بین گرانش و مکانیک کوانتومی مشهور است:

ذرات می‌توانند بسیاری از پدیده‌های جالب و شگفت‌انگیز را نمایش دهند. ما می‌توانیم ایجاد ذرات خود به خودی، درهم‌تنیدگی بین حالت‌های ذرات جدا از هم، و ذرات در برهم‌نهی وجود در موقعیت‌های چندگانه را داشته باشیم.

در گرانش کوانتومی، خود فضا-زمان به روش‌های جدید رفتار می‌کند. به جای خلق ذرات، ما آفرینش دنیاها را داریم. تصور می‌شود که درهم‌تنیدگی تانژانت باعث ایجاد ارتباط بین مناطق دور از فضا-زمان می‌شود. ما برهم‌نهی جهان‌ها با فضا-زمان هندسی متفاوت داریم.

نسبیت عام از این لحاظ قابل‌توجه است که سقوط خود را پیش‌بینی می‌کند.

علاوه بر این، از دیدگاه فیزیک ذرات، خلا فضا یک شی پیچیده است. می‌توانیم بسیاری از هویت‌ها را به نام فیلدهایی که بر روی هم قرار گرفته‌اند و در سراسر فضا گسترده شده‌اند، تصور کنیم. ارزش هر میدان به طور مداوم در فواصل کوتاه در حال نوسان است. ذرات اختلالی در این حالت خلا هستند. می‌توانیم آن‌ها را به عنوان عیوب کوچک در ساختار خلا تصور کنیم.

وقتی جاذبه را در نظر می‌گیریم، متوجه می‌شویم که گسترش جهان به نظر می‌رسد که بیشتر این ماده خلا را از هیچ تولید می‌کند. زمانی که فضا-زمان ایجاد می‌شود، فقط در حالتی است که با خلا بدون هیچ نقصی متناظر است. اینکه چگونه خلا دقیقا در آرایش درست ظاهر می‌شود یکی از سوالات اصلی است که ما باید پاسخ دهیم تا یک توصیف کوانتومی سازگار از سیاهچاله‌ها و کیهان‌شناسی به دست آوریم. در هر دوی این موارد نوعی کشش فضا-زمان وجود دارد که منجر به ایجاد بیشتر ماده خلا می‌شود.

نمی‌توان گرانش را محاسبه کرد

سرا کریمونینی، یک فیزیکدان نظری در دانشگاه لیف، بر روی نظریه ریسمان، گرانش کوانتومی و کیهان‌شناسی کار می‌کند:

دلایل زیادی وجود دارد که چرا جاذبه خاص است. اجازه دهید روی یک جنبه تمرکز کنم، این ایده که نسخه کوانتومی نسبیت عام انیشتین «غیرقابل اصلاح» است.

در نظریه‌های کوانتومی، وقتی که سعی می‌کنید محاسبه کنید که چگونه ذرات بسیار پر انرژی از یکدیگر پراکنده می‌شوند و با هم در تعامل هستند، جملات بی‌نهایت ظاهر می‌شوند. در نظریه‌هایی که قابل تعمیر هستند-که شامل نظریه‌هایی است که همه نیروهای طبیعت را به غیر از گرانش توصیف می‌کنند-ما می‌توانیم این بین‌هایت ها را به روشی سخت با اضافه کردن مقادیر دیگر که به طور موثر آن‌ها را لغو می‌کنند، به اصطلاح ضد عبارات حذف کنیم. این فرآیند اصلاح مجدد منجر به پاسخ‌های منطقی فیزیکی می‌شود که با آزمایش‌ها تا درجه بسیار بالایی از دقت موافق هستند.

مساله در مورد یک نسخه کوانتومی از نسبیت عام این است که محاسباتی که تعاملات گراوین‌های بسیار پر انرژی-واحدهای کوانتیزه گرانش-را توصیف می‌کند، جملات بی‌نهایت زیادی خواهد داشت. شما باید بی‌نهایت ضد عبارات را در یک فرآیند بی‌پایان اضافه کنید. نرمالیزه شدن با شکست مواجه خواهد شد. به همین دلیل، یک نسخه کوانتومی از نسبیت عام انیشتین توصیف خوبی از گرانش در انرژی‌های بسیار بالا نیست. باید برخی از ویژگی‌ها و اجزای اصلی جاذبه زمین را از دست بدهد.

با این حال، ما هنوز هم می‌توانیم با استفاده از تکنیک‌های کوانتومی استاندارد که برای دیگر برهمکنش‌های طبیعت کار می‌کنند، یک توصیف کاملا خوب تقریبی از گرانش در انرژی‌های پایین‌تر داشته باشیم. نکته حیاتی این است که این توصیف تقریبی جاذبه در مقیاس انرژی-یا به طور معادل، زیر برخی طول شکسته خواهد شد.

بالاتر از این مقیاس انرژی، یا پایین‌تر از مقیاس طول مربوطه، ما انتظار داریم که درجات جدیدی از آزادی و تقارن‌های جدید را بیابیم. برای درک دقیق این ویژگی‌ها به یک چارچوب نظری جدید نیاز داریم. این دقیقا جایی است که نظریه ریسمان یا تعمیم مناسب می‌آید: طبق نظریه ریسمان، در فواصل بسیار کوتاه، خواهیم دید که گراوین‌ها و ذرات دیگر اشیا گسترده‌شده‌ای هستند که رشته‌ها نامیده می‌شوند. مطالعه این احتمال می‌تواند درس‌های ارزشمندی در مورد رفتار کوانتومی جاذبه به ما بدهد.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله در حوزه فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.