آیا می توان قوانین فیزیك را تلفیق كرد

در بهترین حالت, فیزیكدانان می توانند با آشكار ساختن سادگی های زیربنایی, پیچیدگی ها را حذف كنند برای مثال, معادله های ماكسول تمام پدیده های گیج كننده و متنوع الكتریسیته و مغناطیس كلاسیك را با استفاده از چهار قاعده ساده تفسیر می كند

در بهترین حالت، فیزیكدانان می توانند با آشكار ساختن سادگی های زیربنایی، پیچیدگی ها را حذف كنند. برای مثال، معادله های ماكسول تمام پدیده های گیج كننده و متنوع الكتریسیته و مغناطیس كلاسیك را با استفاده از چهار قاعده ساده تفسیر می كند. این معادله ها زیبا هستند، تقارن اسرارآمیزی دارند و در رقص ظریف نمادها، تصویر آینه ای یكدیگرند. این چهار معادله در مجموع بسیار زیبا هستند و همان طور كه ابیات شكسپیر با همدیگر شعری می آفرینند، این چهار معادله با یكدیگر كامل می شوند. مدل استاندارد فیزیك ذرات شعری ناتمام است. عمده بخش های آن آماده شده است و به رغم آنكه ناتمام است، درخشان ترین اثر هنری در ادبیات فیزیك محسوب می شود. این مدل با دقت تمام، مواد شناخته شده را _ تمام ذرات زیراتمی همانند كوآرك ها و لپتوتن ها _ و نیروهایی كه این ذرات به وسیله آنها با یكدیگر برهم كنش می كنند، توصیف می كند. این نیروها از این قرارند: الكترومغناطیس كه چگونگی برهم كنش ذرات باردار را بیان می كند، نیروی ضعیف كه می گوید چگونه ذرات می توانند ماهیت خود را تغییر دهند و نیرویی قوی كه بیان می كند چگونه كوآرك ها به یكدیگر می پیوندند تا پروتون ها و سایر ذرات مركب را به وجود آورند. اما با آنكه توصیف مدل استاندارد دلپذیر است، از چند بخش تشكیل شده است و بعضی از این بخش ها _ همانند بخشی كه توصیف گر گرانش است _ به دست نیامده است. اما اینها فقط بخشی از زیبایی است كه توجه ما را به زیبایی عمیق تری جلب می كند، درست مثل چند خط شعر كه روی تكه ای از پاپیروس نوشته شده است. زیبایی مدل استاندارد در تقارن آن نهفته است. ریاضیدانان تقارن آن را با مفهومی با نام گروه های لی توصیف می كنند. نگاهی گذرا به گروه لی مدل استاندارد ماهیت چندبخشی بودن آن را آشكار می سازد:

U(۱)*SU(۲)*SU(۳)

هر كدام از این بخش ها نشان دهنده یك نوع خاص از تقارن است، اما تقارن كل شكسته شده است. هر كدام از نیروها به روشی كه تا حدودی متفاوت از دیگر نیروها است، رفتار می كند، در نتیجه هر كدام از این نیروها با تقارنی كه تا حدودی متفاوت از بقیه است، بیان می شود. اما شاید این تفاوت ها كم اهمیت باشد. به نظر می رسد كه الكترومغناطیس و نیروی ضعیف بسیار متفاوت از یكدیگر باشند، اما فیزیكدانان در دهه ۱۹۶۰ نشان دادند كه این دو نیرو در دماهای زیاد «وحدت» می یابند. بدین ترتیب معلوم شد كه الكترومغناطیس و نیروی ضعیف در حقیقت نیروی واحدی هستند، درست همان طور كه با حرارت دادن یخ تبدیل به آب می شود و معلوم می شود كه یخ و آب در حقیقت چیز واحدی هستند. چنین ارتباطی، این امیدواری را در فیزیكدانان ایجاد كرد كه نیروی قوی را هم بتوان با دو نیروی دیگر یكی كرد و نظریه بزرگتری را به وجود آورد كه بتوان آن را با تقارن واحدی همچون SU(۵) توصیف كرد. تئوری واحد باید نتایج قابل مشاهده ای داشته باشد. برای مثال اگر نیروی قوی همان نیروی الكترو ضعیف باشد آنگاه شاید پروتون ها واقعاً پایدار نباشند و هر از چندگاهی به طور خودبه خودی واپاشی كنند. به رغم پژوهش های بسیار كسی شاهد واپاشی پروتون نبود و هیچ كس هم ذراتی را كه تعدیل های افزایش دهنده تقارن مدل استاندارد همانند ابرتقارن پیشگویی می كند مشاهده نكرده است. گذشته از این حتی چنین نظریه های واحدی مادام كه از گرانش چشم پوشی می كند كامل نیست.

گرانش نیروی مشكل سازی است. تئوری ای كه این نیرو را توصیف می كند یعنی نسبیت فرض می كند كه فضا و زمان یكنواخت و پیوسته است درحالی كه شالوده های فیزیك كوآنتوم كه بر ذرات زیر اتمی و نیروهای آن حاكم است ذاتاً ناپیوسته و جهشی است. گرانش چنان با نظریه كوآنتوم ناسازگار است كه تاكنون هیچ نتوانسته است روشی متقاعده كننده برای ارائه نظریه واحد پیشنهاد كنند كه شامل تمام انواع ذرات نیروهای ضعیف و قوی و گرانش باشد.

اما فیزیكدانان به پیشرفت هایی دست یافتند. شاید امیدبخش ترین این روش ها نظریه ابرتار باشد. نظریه ابرتار تبعات بسیاری دارد زیرا این نظریه روشی برای وحدت همه چیز در یك نظریه بزرگ با یك تقارن واحد دارد _ برای مثال برای یك شاخه از نظریه ابرتار تقارن از نوع (۳۲) SO است- اما نیازمند جهانی با ۱۰ یا ۱۱ بعد و ذرات بسیاری است كه غیرقابل آشكارسازی هستند و پرسش های ذهنی بسیاری كه شاید هیچ وقت به جواب آنها نرسیم. شاید ده ها نظریه واحد وجود داشته باشد كه فقط یكی از آنها صحیح باشد اما دانشمندان هیچ وقت نتوانند تعیین كنند كه كدام صحیح است. شاید هم تلاش برای وحدت نیروها و ذرات جست و جویی بی ثمر باشد. در عین حال فیزیكدانان به جست و جوی خود برای یافتن واپاشی پروتون ادامه می دهند همچنان كه به جست و جوی خود برای ذرات ابرتقارنی در تله های زیرزمینی برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) در ژنو سوئیس كه در سال ۲۰۰۷ مورد بهره برداری قرار می گیرد، ادامه می دهند. دانشمندان بر این باورند كه LHC همچنین وجود بوزون های هیگز را هم آشكار خواهد ساخت. بوزون های هیگز ذراتی هستند كه اصولاً به تقارن های بنیادی در مدل فیزیك ذرات مربوط می شوند. فیزیكدانان امیدوارند روزی بتوانند شعر ناتمام را به اتمام برسانند و به آن تقارن هولناك شكل دهند.

چارلز سیف

ترجمه: سلیمان فرهادیان