فراتر از اینشتین

ناسا در حال طراحی سفری علمی است تا به سه سئوال اضطراری که از نظریه اینشتین برخاسته و هنوز پاسخی برایشان یافت نشده است، پاسخ گوید. اول آنکه ماهیت انرژی تاریک (Dark energy) یعنی نیرویی که باعث تسریع انبساط جهان شده است، چیست؟ دوم: در کرانه یک سیاهچاله چه اتفاقی می افتد؟

سوم: چه چیزی نیروی لازم برای انفجار بزرگ را تامین کرده است؟

این ماموریت ها کمک خواهند کرد تا مفهوم میراث عجیب اینشتین معین شود: مفاهیمی چون پیچش فضا- زمان، جهان در حال شتاب، سیاهچاله ها، ابعاد پنهان احتمالی و حتی این عقیده که همه فضا کوانتیزه۱ بوده و از دستجات مشخص و نامحدودی از ماده و انرژی ساخته شده است. (کوانتیزه: قابل تقسیم دانستن ماده و انرژی به ذرات کوچک و مشخص که در نظریه کوانتوم به آن می پردازند.)

دانشمندان ناسا در حال تکمیل مجموعه ای از ماموریت های فضایی هستند که هدفشان پاسخگویی به این سئوالات است. این سفرها با دو ماموریت بسیار مهم آغاز می شود که هم اکنون به نام های صورت فلکی (Constellation-x)X و آنتن تداخل سنج لیزری فضایی لیزا (LISA) نامیده شده اند و فضا را از طریق رهگیری اشعه x و تابش گرانشی کاوش می کنند. برای تکمیل این دو ماموریت، سه سفر کوچکتر که بر روی مطالعه سیاهچاله ها، انفجار بزرگ و انرژی سیاه متمرکز شده اند، تدارک دیده شده است. با پیشرفت های علمی و فنی به دست آمده در طول این سفرها دانشمندان به انجام هدف نهایی یعنی ماموریت راجع به دو مسئله عمده تئوری اینشتین و تصویرسازی از یک سیاهچاله و خود انفجار بزرگ دست خواهند یافت.

دانشمندان این تلاش چند ماموریتی را پروژه «فراتر از اینشتین» (Beyond Einstein) نامیده اند چرا که باعث کشفیاتی خواهد شد که ایشان را به سمت درک بهتر از فیزیک بنیادی در ورای نظریه هایی که اینشتین، همکارانش و اسلاف وی بدان پرداخته اند، راهنمایی خواهد کرد.

● بازگشت به صد سال پیش

در ماه مارس ،۱۹۰۵ چند روز بعد از بیست و ششمین سالروز تولد اینشتین، اولین مقاله از پنج مقاله علمی وی در آن سال روی میز سردبیر نشریه Annalen der physic قرار داشت. مقاله اینشتین می گفت که نور از ذرات انرژی تشکیل شده است که بعدها فوتون نام گرفتند. این نظریه، به نام اثر فوتوالکتریک، با درک عمیقاً جاافتاده ای که حرکت نور را به صورت موجی تعریف می کرد، در چالش قرار گرفت. دو مقاله بعدی در آوریل و مه همان سال به انتشار سپرده شد تا پرونده وجود اتم ها (که هنوز سرفصلی جدید و موضوعی مورد مناقشه بود) بسته شود. مقاله ماه آوریل که برای اینشتین درجه دکتری را به ارمغان آورد، نشان داد که چگونه می توان تعداد و اندازه مولکول ها را در یک محلول تعیین کرد؛ مقاله ماه مه نیز به شرح حرکت براونی می پرداخت.

این بار در ماه ژوئیه اینشتین بی تعارف نوک پیکان حمله را به سمت ایزاک نیوتن نشانه رفت (و در آنچه که بعدها به نام تئوری نسبیت خاص خوانده شد) اظهار کرد که سرعت نور یک ثابت بنیادی طبیعت بوده و فضا و زمان نسبی هستند و این نسبی بودن ارتباطی به سیستم ارجاعی مشاهده کننده ندارد.

قوانین حرکت نیوتن، مدتی نزدیک به دویست سال قوانین طلایی فیزیک بودند اما به این ترتیب تنها به تقریبی از واقعیت تبدیل می شدند که تنها در سرعت های «روزمره» معتبر بوده و در سرعت های نزدیک به سرعت نور اعتبار خود را از دست می دادند. در ماه سپتامبر اینشتین تئوری خود را کاملتر کرده و مهمترین معادله مهم همه زمان ها یعنی E=mc۲ را ارائه کرد. بنابراین نسبیت خاص، ماده و انرژی را قابل تبدیل به هم دانست.

اینشتین تازه گرم شده بود اما در سال های بعد متوجه شد که گرانش و شتاب معادل یکدگرند و نور نیز رفتار دوگانه ای (موجی و ذره ای) دارد. اینشتین پس از آن سعی کرد که تئوری نسبیت خود را به تئوری جدید گرانش مرتبط سازد و بار دیگر با قوانین گرانش نیوتن دست و پنجه نرم کرد، قوانینی که گویی درون سنگ حک شده بودند. تا انتهای سال ،۱۹۱۵ اینشتین دیگر تئوری نسبیت عام خود را منتشر کرده بود که گرانش را همچون پیامدی از جرم و انرژی توصیف می کرد که باعث تغییر فضا- زمان می شد، مفهومی چهاربعدی که عموماً به صورت ساختار خود فضا تلقی می شود. بزرگترین خدمت اینشتین به علوم در سال های دهه ۲۰ با حداکثر توان ادامه یافت. یعنی زمانی که وی و ساتیندرا نات بوز حالت جدیدی از ماده را پیش بینی کردند که به نام مگالیده بوز- اینشتین نامیده می شود و بایستی در دماهایی که تنها کسری از یک درجه بالاتر از صفر مطلق است، وجود داشته باشد. همان طور که گفته شد، اینشتین با تلاشی بیست ساله درک ما را از زمان، انرژی و جرم تغییر داد. بسیاری سئوالاتی که وی قادر به پاسخگویی آنها نبود تا زمان مرگش (در سال ۱۹۵۶) با آنها دست و پنجه نرم می کرد، امروز نیز بی پاسخ مانده اند. سئوالاتی راجع به انرژی تاریک، سیاهچاله ها، انفجار بزرگ و طبیعت گرانش در نوک پیکان علم نوری قرار دارند. جست وجوی پاسخ این پرسش ها ممکن است باعث رسیدن دانشمندان به هدف تمامی زندگانی اینشتین یعنی ترکیب کردن نسبیت با مکانیک کوانتوم در یک تئوری وحدت یافته شود که نظریه همه چیز نام دارد.

● پرسش های بی پاسخ

نظریه های اینشتین راجع به فضا و زمان دانشمندان را به سوی مجموعه ای از پیش بینی های شگفت آور کشاند که حتی خود وی نیز نمی توانست آنها را باور کند، از جمله اینکه جهان بعد از یک انفجار بزرگ در حال گسترش است، سیاهچاله ها باعث ایجاد خمیدگی در فضا می شوند و زمان را متوقف می کنند، ضمناً یک نیروی مرموز فضا را کشیده و گسترش داده و باعث می شود کهکشان ها برای همیشه از مرزهای جهانی که انسان می تواند مشاهده کند، فراتر روند. این پیشگویی ها یک به یک، بررسی شده اند که آخرین مورد آنها نیز آزمایش هایی بود که در سال ۱۹۹۸ انجام شد.

متاسفانه نظریه های اینشتین در مورد علت انفجار بزرگ و جزئیات فیزیکی سیاهچاله ها و انرژی تاریک سکوت کرده است. در نتیجه این سه حوزه به نقاطی مبدل شده اند که دانشمندان باید آنها را بررسی کنند. با تجربیات کاملی راجع به انفجار بزرگ، سیاهچاله ها و انرژی های تاریک می توان نقایص ادراک جاری از طبیعت را آشکار کرد و دانشمندان را قادر ساخت تا حرکت به سوی دوره تاریخی جدیدی از فیزیک را آغاز کنند. این رویکرد بدون سابقه نیست. در آغاز قرن بیستم، اینشتین خطاهای موجود در قوانین حرکت نیوتنی و تئوری جیمز کلارک ماکسول را که حرکت نور را درون اتری فراگیر ممکن می دانست به کناری نهاد. در آغاز قرن بیست ویکم نیز با ناهمسازی های بزرگ روبه رو هستیم. مکانیک کوانتومی و نسبیت عام هر دو در خدمت علم فیزیک قرار دارند که البته هر دوی آنها آشکارا با مسائلی حل نشده روبه رو هستند. برای مثال نوترینوها۲ به لحاظ نظری بایستی دارای جرم باشند، اما آزمایش ها نشان داده است که دارای جرم (هر چند اندک) هستند. ذرات پیش بینی شده در تئوری هنوز در حالت ابهام باقی مانده اند.احتمالاً بزرگترین نقص آن است که: گرانش نیرویی غریب باقی مانده که تاکنون برخلاف نور (فوتون ها) و نیروهای زیراتمی قوی (گلوئون ها)۳ در مقابل کوانتیزه شدن مقاومت کرده است.در حقیقت گرانش در فصل مشترک درک ما از انفجار بزرگ، سیاهچاله ها و انرژی تاریک قرار گرفته است.

●در جست وجوی وحدت

همان گونه که دیوید شرام کیهان شناس اهل شیکاگو در سال ۱۹۹۸ نوشت «مطالعه جهان در مقیاس خیلی بزرگ (کیهان شناسی) و مطالعه مواد در مقیاس خیلی کوچک (تئوری ذرات بنیادی) در کنار هم قرار گرفته اند.» این بینش راجع به اتحاد دو تئوری نسبیت عام و مکانیک کوانتوم در درون تئوری وحدت یافته همه چیز در گزارش آکادمی ملی علوم در سال ۲۰۰۳ بیان شده است، گزارشی به نام «یازده سئوال علم برای قرن جدید»، که به صورت غیررسمی با نام گزارش ترنر شناخته می شود.

در سال ۲۰۰۴ اداره سیاستگزاری علم و تکنولوژی آمریکا در جواب به گزارش ترنر، تعهدی مبنی بر هماهنگ کردن کوشش های ناسا بنیاد ملی علم و دپارتمان انرژی ارائه کرد. برنامه ناسا به نام «فراتر از اینشتین» تقریباً در برگیرنده تمامی پیشنهادهای این گزارش است که می تواند باعث کشف اسرار انرژی تاریک، ماده تاریک، سیاهچاله، ابعاد اضافی، نوترینوها و دیگر مسائل شود. در اصل این برنامه از یک مجموعه ماموریت تشکیل شده است که با فناوری های نوین و رویکردهای تکمیلی برای دستیابی به اهداف مشترک علمی طراحی شده اند.

برنامه فراتر از اینشتین با تصویب بودجه ای در سال ۲۰۰۴ توسط ناسا آغاز شد و حاصل کوشش مشترک انجمن های فیزیک ذرات و ستاره شناسی است. ناسا در فضا به دنبال پاسخ است، در حالی که سازمان های دیگر عمدتاً روی تجهیزات مستقر روی زمین و بالن ها و رصدخانه ها متمرکز شده اند، هر چند رابطه نزدیک و هیجان انگیزی میان این برنامه ها وجود دارد. همگی امیدوارند که تا انتهای دهه بعد پاسخ برخی از پرسش های مهم امروز مشخص شود.