یک نظریه برای همه چیز

سالهای متمادی است كه بحث تئوری همه چیز در فیزیك مطرح شده است. منظور از این تئوری چیست؟ یك تئوری برای همه چیز به چه سئوالاتی باید پاسخ دهد؟ اجازه دهید بحث را با سخنان هاوكینگ دنبال كنیم. هاوكینگ می گوید. نظریه نسبیت عام اینشتین نظریه‌ای در باره جرم‌های آسمانی بزرگ مثل ستارگان، سیارات و كهكشان‌هاست كه برای توضیح گرانش در این سطوح بسیار خوب است. مكانیك كوانتومی نظریه‌ای است كه نیروهای طبیعت را مانند پیام‌هایی می‌داند كه بین فرمیون‌ها (ذرات ماده) رد و بدل می‌شوند. مكانیك كوانتومی در توضیح اشیاء، در سطوح بسیار ریز خیلی موفق بوده بوده است.
یك راه برای تركیب این دو نظریه بزرگ قرن بیستم در یك نظریه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نیروهای دیگر با موفقیت به آن عمل می‌كنیم، مانند پیام ذرات در نظر بگیریم. یك راه دیگر بازنگری نظریه نسبیت عام اینشتین در پرتو نظریه عدم قطعیت است. با توجه به سخنان هاوكینگ دو نظریه مهم فیزیك و مكانیك كوانتوم، هریك به تنهایی خوب عمل می كنند، اما با یكدیگر ناسازگارند. بنابراین مسئله اصلی این است كه راهی بیابیم تا این دو نظریه را با یكدیگر تركیب كنیم. برای تركیب این دو نظریه تلاشهای زیادی انجام شده است كه به چند مورد آنها اشاره می كنیم:
ابر گرانش
هه ی مواد موجود در طبیعت از دو نوع ذره ی بنیادی به نام فرمیون ها و بوزن ها تشكیل شده اند. تفاوت فرمیون ها و بوزن ها در اسپین آنها می باشد به طوری كه اسپن فرمیون ها نیمه درست و اسپین بوزن ها عددی درست است. همه ی انواع ذرات دست كم از دو خاصیت ذاتی جرم و اسپین برخوردارند. جرم خاصیتی آشنا برای تمام مواد است كه به همان صورتی كه برای اجسام بزرگ مقیاس در نظر گرفته می شود ، در مورد كوچك ترین اجزا تشكیل دهنده ی ماده نیز كاربرد دارد . اسپین خاصیت ظریف تری است كه در اجسام بزرگ مقیاس به سادگی قابل شناسایی نیست . اسپین ، در واقع ، خاصیتی است كه در قرن بیستم كشف شد تا رفتار بی هنجار الكترون ها را در میدان مغناطیسی توضیح دهد. هر تقارنی كه در جست و جوی ارتباط میان فرمیون ها و بوزون ها ، یعنی ذراتی با اسپین های متفاوت ، باشد ابَرَتقارن نامیده می شود. و اما ابَرَگرانش ، نظریه ای پیشنهادی در فیزیك بنیادی است كه ابرتقارن و گرانش را در هم می آمیزد. اولین نظریه ی ابرگرانش توسط سه فیزیكدان در سال ۱۹۷۶ فرمول بندی شد.
ابر ریسمان
در مطالعات و بررسی های مرسوم در فیزیك كوانتومی نسبیتی ، ذرات بنیادی را به صورت نقاط ریاضی و بدون گستردگی فضایی در نظر میگیریم. این رهیافت موفقیت های بسیار چشمگیری داشته است ، ولی در انرژی های خیلی خیلی زیاد یا فاصله های بسیار بسیار كوتاه كه بزرگی میدان گرانشی با بزرگی نیروهای هسته ای و الكترو مغناطیسی قابل مقایسه می شود این رهیافت با شكست رو به رو می شود. در سال ۱۹۷۴ ژوئل شرك و جان شوارتز به منظور غلبه بر این مشكل توصیف وحدت یافته ای از ذرات بنیادی را بر اساس منحنی های یك بعدی بنیادی به نام ریسمان مطرح كردند . به نظر میرسد كه نظریه های ریسمان از هر نوع ناسازگاری كه در تمام تلاش های قبلی دست یابی به نظریه ای وحدت یافته برای توصیف گرانش و سایر نیرو ها ایجاد مزاحمت كرده است ، مبراست . نظریه ابرریسمان كه در آنها از نوع خاصی تقارن به نام ابرتقارن ، بهره گیری می شود ، بیشترین امیدواری را برای ارائه ی نتایج واقع بینانه پدید آورده اند.بوزون هگز
در دهه های اخیر فیزیكدانان یك مدل تحت عنوان مدل استاندارد را ارائه كردند تا یك چوب بست نظری برای فهم ذرات بنیادی و نیروهای طبیعت فراهم آورند. مهمترین ذره در این مدل، یك ذره ی فرضی موجود در همه ی میدانهای كوانتومی است كه نشان می دهد سایر ذرات چگونه جرم به دست می آورند. در واقع این میدان پاسخ می دهد كه همه ی ذرات در حالت كلی چگونه جرم به دست می آورند. این میدان، میدان هگز Higgs field خوانده می شود. نتیجه ی منطقی دوگانگی موجو - ذره این است كه همه ی میدانهای كوانتومی دارای یك ذره ی بنیادی باشند كه با میدان در آمیخته است. این ذره كه با همه ی میدانها در آمیخته و موجب كسب جرم توسط سایر ذرات می شود، هگز بوزون Higgs boson نامیده می شود.
جمع بندی
حال مطلب بالا را جمع بندی می كنیم:
یك - نسبیت عام باید مكانیك كوانتوم تركیب شود تا مشكلات موجود در فیزیك نظری بر طرف گردد. طبق نسبیت عام مسیر نور در میدان گرانشی خمیده است كه آن را تحت عنوان فضا - زمان مطرح می كنند. مكانیك كوانتوم به ویژگیها و رفتار ذرات زیر اتمی می پردازد و با كوانتومها یا كمیتهای گسسته سروكار دارد. در حالیكه در نسبیت عام فضا - زمان پیوسته است. دو - باید ارتباط بین فرمیونها و بوزونها توضیح داده شود. همجنانكه می دانیم فرمیونها شامل ذراتی نظیر الكترونها و پروتونها هستند كه دارای اسپین نادرست می باشند و بوزونها دارای اسپین درست هستند. سه - هگز بوزونها باید توضیح داده شوند، یعنی اینكه ذرات چگونه جرم به دست می آورند. با توجه به رابطه جرم - انرژی می دانیم هرگاه ذره ای در یك میدان شتاب بگیرد، انرژی و در نتیجه جرم آن افزایش می یابد. بنابراین مسئله این است كه این پدیده یعنی افزایش جرم را چگونه می توان توجیه كرد؟
راه حل
برای رسیدن به یك راه حل اساسی كه بتواند مشكلات عمده ی فیزیك معاصر را بر طرف سازد، راه های مختلفی وجود كه به نتایج متفاوت و گاهی ناسازگار می انجامد. نظریه های مختلفی كه در این زمینه مطرح شده اند، بخوبی نشان می دهند كه نگرش بانیان آنها بر اساس دو گانگی بین بوزونها و فرمیونها شكل گرفته است. سئوال اساسی این است كه آیا حقیقتاً بوزون و فرمیون دو موجود كاملاً متفاوت از یكدیگرند؟ در نظریه ریسمانها، ریسمان به عنوان یك بسته فوق العاده كوچك انرژی تلقی می شود و كه با پیوستن آنها به یكدیگر و با ارتعاشات مختلف آنها سایر ذرات نمود پیدا می كنند. در نظریه هگر بوزون به دنبال ذره ای هستند كه موجب ایجاد یا افزایش جرم می شود. اگر این مسئله ی هگز بوزون را با دقت بیشتری بررسی كنیم شاید بتوانیم به نتایج جالب توجه تری برسیم. اجازه بدهید تصورات خود را از بوزون و فرمیون یا به عبارت دیگر از جرم - انرژی و نیرو تغییر دهیم. در فیزیك مدرن جرم و انرژی دو تلقی مختلف از یك كمیت واحد هستند. جرم هر ذره را می توان با محتویات انرژی آن اندازه گرفت و همچنین انرژی یك ذره را می توان با جرم آن هم ارز دانست. لذا در فیزیك معاصر ما با دو كمیت بیشتر سروكار نداریم، انرژی و نیرو. اگر رابطه ی نیرو و انرژی را با دید متفاوتی مورد بحث قرار دهیم، می توانیم به نتایج جالب توجهی برسیم. نیرو به عنوان انرژی در واحد طول مطرح می شود كه برای آن رابطهی زیر داده شده است:
F=-dU/dx => du= - Fdx
حال ذره ای را در نظر بگیرید كه انرژی آن در حال تغییر است. این تغییرات را از دو جهت می توان مورد توجه قرار داد. یكی از جهت افزایش و دیگری از جهت كاهش. از نظر افزایش نسبیت برای آن محدودیتی قائل نشده است و طبق رابطه ی جرم نسبیتی، جرم آن بینهایت قابل افزایش است. اما از جهت كاهش طبیعت خود برای آن محدودیت قائل شده و آن این است كه تمام ذره تمام انرژی خود یا به عبارت دیگر، جرم - انرژی خود را از دست بدهد. ذره ای را در نظر بگیرید كه در یك میدان دارای شتاب منفی است. اگر فاصله به اندازه ی كافی بزرگ و میدان بسیار قوی باشد، آیا انرژی آن به صفر خواهد رسید؟ چنین آزمایشی برای اجسام مثلاً یك فطعه فلز چندان قابل تصور نیست، اما برای یك كوانتوم انرژی( فوتون) به خوبی قابل درك است. زیرا در نسبیت فوتون نمی تواند از یك سیاه چاله بگریزد. این پدیده را چگونه می توان توجیه كرد؟ یكبار دیگر به رابطه نیرو - انرژی بر گردیم.
F=-dU/dx => du= - Fdx
در رابطه ی بالا انرزِ و فاصله تغییر می كنند، اما نیرو ثابت است. اگر نیرو یعنی F یك كمیت ثابت و تغییر ناپذیر است، چگونه می توان هگز بوزون را توجیه كرد؟ یعنی واقعاً این كاهش یا افزایش جرم چگونه امكان پذیر است. متاسفانه این دیدگاه از مكانیك كلاسیك به نسبیت تسری یافت و هیچگونه بخثی در این زمینه مطرح نشد. اگر بخواهیم با همان نگرش كلاسیكی مشكلات فیزیك و ناسازگاری نسبیت و مكانیك كوانتوم را بر طرف سازیم، راه به جایی نخواهیم برد، همچنانكه تا به حال این چنین بوده است. اشكال بعدی كه مانع رسیدن به یك نتیجه ی قابل توجه می شود این است فیزیكدانان به مشكلات به گونه ای پراكنده برخورد می كنند. هگز بوزون مسیر خود را می پیماید، مكانیك كوانتوم می خواهد مشكلات فیزیك را در چاچوب قوانین كوانتومی حل كند، و مهمتر از همه اینكه مكانیك كلاسیك تقریباً به فراموشی سپرده شده است. همه اینها هر كدام نگرشی خاص به جهان دارند و عمومیت ندارند. در حالیكه طبیعت یگانه است و قانون نیز بایستی از یك وحدت برخوردار باشد كه هست. تركیب مكانیك كوانتوم و نسبیت زمانی امكان پذیر است كه نگرش هگز بوزون همراه با مكانیك كلاسیك نیز در این تركیب منظور گردد . هر كدام از این تئوری ها قسمتی از قوانین حاكم بر طبیعت را نشان می دهند. اگر در یك نگرش همه جانبه این قسمتهای مختلف را كه با تجربه تایید شده اند توام در نظر بگیریم می توانیم به یك فیزیك یا یك نظریه برای همه چیز برسیم . از كجا شروع كنیم؟
۱ - با روند تكامل نظریه ها پیش می رویم. نخست مكانیك كلاسیك را در نظر می گیریم و به مورد خاص آن قانون دوم نیوتن توجه می كنیم، این قانون را با جرم نسبیتی یعنی
m=m۰/(۱-v۲/ c۲)۱/۲ , E=mc۲
و نظریه هگز بوزون می توان تركیب كرد. اگر ذره/جسمی تحت تاثیر نیرو جرمش تغییر می كند، این تغییر جرم ناشی از این است كه بوزون (نیرو) تبذیل به انرژی می شود. البته این روند جهت معكوس نیز دارد، یعنی در روند عكس با كاهش سرعت، انرژی به نیرو یا بوزون تبدیل می شود.
۲ - در مورد قضیه كار انرژی
W=DE
برخوردی دوگانه وجود دارد. قسمت كار آن را با مكانیك كوانتوم مد نظر قرار می دهند و كار را كمیتی پیوسته در نظر می گیرند، در حالیكه با انرژی آن برخوردی كوانتومی دارند. در واقع بایستی هر دو طرف رابطه را با دید كوانتومی در نظر گرفت. در این مورد مثالهای زیادی می توان ارائه داد كه با این برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. اگر این مورد را بكار بندیم مشكل ارتباط فرمیونها و بوزونها بر طرف خواهد شد. این مورد مكمل قسمت پیشین است و حرف تازه ای نیست. ۳ - اگر بپذیریم كه كار كوانتومی است، الزاماً به این نتیجه خواهیم رسید كه نیرو بطور كلی و از جمله گرانش نیز كوانتومی است. مفهوم صریح و در عین حال ساده آن این است كه فضا - زمان كوانتومی است. با نگرش كوانتومی به گرانش یا به تعبیر نسبیت فضا - زمان، مكانیك كوانتوم و نسبیت با یكدیگر تركیب خواهند شد. تنها موردی كه در این جا باید متذكر شد این است كه كوانتومی بودن فضا - زمان می تواند انحنای آن را نیز نتیجه دهد. چنین نگرشی می تواند به یك نظریه برای همه چیز منتهی شود. نظریه ای كه تحت عنوان نظریه سی. پی. اچ. مطرح شده است.
نوشته: حسین جوادی

منبع : شبکه فیزیکی هوپا