دوشنبه, ۱ مرداد, ۱۴۰۳ / 22 July, 2024
مجله ویستا

بعد پنجم


بعد پنجم

گروه بسیاری از فیزیكدانان بر این عقیده اند كه چهار بعد چهان ما سه بعد مربوط به فضا و یك بعد مربوط به زمان همانند نوك یك كوه یخ هستند كه قسمت اعظم آن زیر آب قرار دارد علاوه بر این میگویند ممكن است به زودی قادر به دیدن اثرات بعد پنجم باشند

گروه بسیاری از فیزیكدانان بر این عقیده اند كه چهار بعد چهان ما ( سه بعد مربوط به فضا و یك بعد مربوط به زمان) همانند نوك یك كوه یخ هستند كه قسمت اعظم آن زیر آب قرار دارد. علاوه بر این میگویند ممكن است به زودی قادر به دیدن اثرات بعد پنجم باشند.

حتی ممكن است بعد پنجم دست خود را در دور بعدی آزمایشهای شتاب دهنده، برای ما رو كند و این چشم اندازی است كه دهان هر فیزیكدان ذره ای را آب خواهد انداخت ! اما این شور و شعف تنها به خاطر خود بعد پنجم نخواهد بود . زیرا چنین چیزی گامی بزرگ در پیشروی دراز مدت به سوی یك « نظریه همه چیز» خواهد بود .

نظریه ای كه دانشمندان مدتها در جستجوی آن بودند و چهار نیروی اساسی فیزیك را با هم یكی خواهد كرد . كوردون كین ، نظریه پردازی از دانشگاه میشیگان ، میگوید: اگر بعد پنجم را كشف كنیم ، این مهمترین كشف پس از نظریه كوانتوم خواهد بود نظریه ای كه دانشمندان مدتها در جستجوی آن بودند و چهار نیروی اساسی فیزیك را با هم یكی خواهد كرد .

اندیشه وجود بعد پنجم چیز جدیدی نیست و از كارهای انجام گرفته دو ریاضی دان‌ آلمانی به نام های تئودور-كالوتساو اسكار كلاین در دهه ۱۹۲۰ ناشی شده است ، با استفاده از كارهای انیشتین كه نشان داده بود (گرانش از انحنای ساختار چهار بعدی فضا -زمان ناشی میشود ) این دو ریاضی دان كه مستقل از یكدیگر كار میكردند در جستجوی این بودند كه نشان دهند ممكن است نتوان نیروی الكترومغناطیسی توسط یك بعد پنجم به حساب آورد برای توضیح اینكه چرا هرگز اثرات بعد پنجم در انرژیها و فواصل عادی دیده شده است ، آنها فرض كردند كه بعد پنجم به اندازه ای كوچكتر از یك اتم در هم پیچیده است در نظریه كالوتسل-كلاین(KK ) هر نقطه فضای عادی ، در واقع یك حلقه در این بعد پنجم میباشد .

یك ذره باردار ( حتی اگر در فضای عادی بی حركت باشد ) همانند موش در چرخ گردان دائماً به دور حلقه در حركت خواهد بود آنچه ما بار الكتریكی مینامیم ، در واقع حركت در این بعد مخفی میباشد . چند ارتباط قانع كننده بین این حركت و نظریه كلاسیك الكترومغناطیس وجود دارد .

به عنوان مثال ، اگر قانون نیوتن را كه میگوید برای هر عمل در امتداد بعد در هم پیچیده یك عكس العمل وجود دارد را اعملا منید به قانون بقای بار الكتریكی خواهد رسید. كالوتسا و كلاین علی رغم موفقیتی كه بدست‌آوردند نتوانستند تعریفی مه نیروی الكتومغناطیسی و گرانش را با هم در بر بگیرد ، ادامه دهنده دو نیروی اساسی دیگر در آن زمان كشف نشده بودند .

این دو نیرو عبارتند از نیروی ضعیف كه روی كواركها عمل میكنند تا «چاشی» آنها رامثلاً‌از یك كوارك بالا به یك كوارك پائین انتقال دهد . و نیروی قوی كه چیزی را به نام بار «رنگی» كواركها شناخته میشود ، تغییر میدهد . تا اینجا برای ساختن چهارچوبی كه شامل همه این چهار نیرو باشد ، نسخه های جدید نظریه KK باید ابعاد بیشتری را در نظر بگیرد . خواص كواركها مثل چاشنی و رنگ در حلقه های چند بعدی KK تبدیل به رقصهای مداری میشوند .

امروزه نظریات ابر ریسمانی كه قطعات اساسی سازنده ماده را به عنوان ظهور چهار بعدی تكه های كوچكی از ریسمان ارتعاش كننده در نظر میگیرند ، به ده بعد نیاز دارد .

معمولاً بیان میشود كه شش بعد اضافی ، با شعاع انحنائی معادل۱۰۳۵ متر در هم پیچیده شده اند این مقدار به عنوان طول « پلانك» نامیده میشود مقیاسی كه در آن گرانش از لحاظ قدرت باسایر نیروهای طبیعت قابل مقایسه میشود اصل عدم قطعیت كه یكی ار اجزای اصلی نظریه كوانتوم است ، میگوید كه هر چه مقیاسی را كع میخواهید كاوش كنید كوچكتر باشد ، به انرژی بیشتری نیاز خواهید داشت بنابراین مقیاس بسیار كوچك پلانك با انرژی عظیمی معادل ۱۰۱۹ گیگا الكترون ولت (GeV ) مرتبط است . این انرژی تنها در خلال اولین كسر تأیید انفجار بزرگ در دسترس ذرات قرار داشت و مقدار آن ۱۰۰ تریلیون برابر بالاترین انرژی هایی است كه امروزه در شتابدهنده های ذرات میتوان به آن دست یافت .

بنابراین هیچ تعجبی ندارد كه تا قبل از این بعد پنجم تنها به عنوان یك كنجكاوی ذهنی در نظر گرفته میشد .

موضوعی كه همه چیز را دستخوش تغییر كرده است ، فهمیدن این مسئله است كه نیازی نیست ابعاد اضافی در اندازه ای به كوچكی طول یك پلانك در هم پیچیده شده باشند كیت دنیس از آزمایشگاه فیزیك ذره ای سرن میگوید :هیچ دلیل قابل قبولی در این مورد وجود نداشت ، جز اینكه طول پلانك یك مقیاس فیزیكی طبیعی است اگر ابعاد اضافی بزرگتر از ابعاد پلانك باشند در این صورت اثرات آنها در انرژی كمتری (كه حتی ممكن است انرژی كمی معدلGeV ۱۰۰۰ باشد) توسط ذرات قابل احساس خواهد بود . و این چیزی است كه توسط تصادم دهنده هادرون به آسانی قابل دسترسی خواهد بود .

این نظر كه ممكن ا ست ابعاد اضافی در طولهایی بسیار بزرگتر از مقیاس پلانك ظهور كنند اولین بار توسط ایگناتیوس آنتونیادلیس ار دانشكه فنی پاریس مطرح شد . در سال ۱۹۹۰ او سعی میكرد كه یك مسله پیچیده در مسئله ابر آسمانی را حل كند ، و متوجه شد كه مسئله را می توان با ابعاد اضافی بزرگی كه دقیقاً‌چنین ویژگی هائی را دارا بودند حل كرد . با این حال او به مشكل جدیدی برخورد كرد ابعاد بیشتر به طور خودكار ذرات جدیدی را به وجود می آورند و این ذرات اثرات مشكل برانگیزی دارند .

ذرات جدید به این دلیل به وجود می آیند كه تمامی ذرات اصلی میتوانند شبیه موج نیز رفتار كنند تصور این مسئله مشكل است اما هنگامی كه یك ذره اساسی در ابعاد بالاتر حركت می كند مؤلفخ موج مانند آن به حركت در اطراف آن در بعد بالاتر می پردازند و تولید یك مجموعه «پژواك» میكند این پژواكها كه حالات كالوسا -كلاین نامیده میشوند برای ما به عنوان ذرات كاملاً‌جدید به نظر خواهند رسید به عنوان مثال بوزون كه یكی از حمل كنندگان نیروی هسته ای ضعیف است دارای مجموعه كاملی از خویشاوندان بزرگتر است كه در تصادمهای پرانرژی موجودیت خواهند یافت.

مسئله ای كه آنتونیادیس با آن برخورد كرد مبدأ تلاشهای دانشمندان برای یافتن بك «‌نظریه بزرگ واحد»‌ (GUT ) گردید چنین نظریه ای باید توضیح دهد كه چگونه نیروهای ضعیف ،قوی و الكترومغناطیسی، همچنان كه جهان اولیه سرد میشد از حل یك نیروی واحد تنها بیرون آمدند و از هم جدا شدند و برعكس چگونه در انرژی های بسیار زیاد این سه نیرو مجدداً‌ یكی میشوند طبق این نظریه با افزایش انرژی نیروهای الكترومغناطیسی و ضعیف ، قویتر و نیروی قوی ضعیفتر میشود آنها در انرژی حدودGeV ۱۰۱۶ تبدیل به یك نیروی واحد میشوند متأسفانه ظهور گروه هایی از ذرات جدید حامل بعد نیرو از دل بعد پنجم نیروهای ضعیف الكتریكی و قوی را قویتر را قویتر از آنچه كه انتظار میرود میسازد و اغلب فیزیكدانان از جمله آنتونیادیس گمان میكنند كه آنها آنقدر قوی خواهند شد كه نمی توان شیوه های مرشوم ریاضی را در موردشان بكار برد .

كواركهای آزاد به نظر میرسد كه این مسئله مانع بزرگی بر سر راه باشد ، دنیس میگوید: این چیزی بیشتر از یك مشكل ریاضی است نیروها آنقدر قوی خواهند شد كه كل روش نظری برای اتحاد نیرو ها را نا معتبر میكند این همانند آن است كه بخواهیم كواركها را هنگامی كه نیروهای بین آنها آنقدر قو ی است كه وجود كواركهای آزاد را امكان پذیر میسازد به عنوان ذرات آزاد در نظر بگیریم .

آنتونیادیس با خنثی كردن اثرات پژواكهای KK راهی را برای حل مسئله و در نتیجه حفظ اتحاد در انرژی GeV ۱۰۱۶ پیدا كرد اما در اوایل سال ۹۸ برای دنیس و دو نفر از همكارانش در سرن به نامهای ایملیان دوداس و تونی كركتا این سؤال پیش خواهد آمد كه چه روی خواهد داد اگر به پژواكهای KK اجازه داده شود تا در قدرت نیروهای ضعیف الكتریكی و قوی دستكاری كنند .

این سه نفر خیلی خود ه این نتیجه رسیدند كه بعضی از نیروها خیلی زود قوی میشوند اما در كمال تعجب دریافتند كه نیروها هنوز یكی «متحد»‌ شوند علاوه بر این اتحاد هنگامی روی داد كه نیروها هنوز ضعیفتر از آن بودند كه بتوان شیوه های مرسوم ریاضی را در مورد آنها بكار بود دنیس می گوید : بر خلاف تصور همه اتحاد در انرژی كمتر از GeV ۱۰۱۶ امكان پذیر است در حقیقت اگر ابعاد اضافی در طولی معادل m ۱۰۱۹ متر در هم پیچیده شده باشند انرژی اتحاد می تواند مقداری برابر GeV ۱۰۰۰ داشته باشد .

محققان از این موضوع شگفت زده شدند زیرا گمان میرفت كه اتحاد در چنین انرژی كمی غیر ممكن است یكی از دلایل برای این موضوع واپاشی پروتون بود اگرچه نظریه های GUT پیش بینی میكنند كه پروتون ها باید واپاشیده شوند اما این واپاشی هرگز مشاهده نشده است توضیح معمول برای این مسئله این بود كه واپاشی شامل یك ذره حامل نیروی GUT است این ذره آنقدر سنگین است كه تا كنون شناخته نشده است اما اگر مقیاس GUT از GeV ۱۰۱۶ پائین تر آورده شود حاملین نیروی GUT نسبتاً ‌سبكتر خواهند شد و بنابراین شاهد واپاشی پروتون های بسیاری خواهیم بود دنیس می گوید : خوشبختانه یك بعد پنجم ما را نجات خواهد داد واپاشی پروتون باید به حفظ اندازه حركت در ۵ بعد بپردازد بنابراین خواص بعد پنجم را می توان چنان انتخاب كرد كه بسیاری از عواملی كه در فروپاشی پروتون دخالت دارند بقای اندازه حركت در ۵ بعد را نقض كنند و بدین ترتیب واپاشی پروتون روی ندهد .

منبع :www.sarer.com