داستان شکل گیری نظریۀ گرانش کوانتومی -آکا

سایت علمی ، اخبار علمی آکااخبار علمی تازه های فناوری اخبار آموزشی

آکاایران: بیگ بنگ: داستان شکل گیری نظریه گرانش کوانتومی حلقوی به دهه ۱۹۸۰ بازمی گردد. در آن زمان، آبهای آشتکار(Abhay Ashtkar) که اکنون در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است معادلات نسبیت عام اینشتین را در یک چارچوب کوانتومی بازنویسی کرد. بعدها «اسمولین» و فیزیکدانی به نام «کارلو روولی» از دانشگاه مارسی در فرانسه، ایده آشتکار را بسط داده و کشف کردند که در تصویری که این چارچوب نظری جدید ارائه می دهد، فضا برخلاف تصور، پیوسته نبوده بلکه از بخش هایی مجزا به ابعاد ۱۰ به توان منهای ۳۵ متر تشکیل شده است.

به گزارش آکاایران: ,افت و خیزهای کوانتومیِ,بافت فضا- زمان,بیگ بنگ,[categoriy]

داستان شکل گیری نظریۀ گرانش کوانتومی

داستان شکل گیری نظریۀ گرانش کوانتومی -آکاافت و خیزهای کوانتومیِ,بافت فضا- زمان,بیگ بنگ,بیگ بنگ و گرانش کوانتومی,تار و پود فضا زمان,ذرات بنیادی,شکل فضا,فضا- زمان,فیزیک,فیزیک گرانش کوانتومی,کارلو روولی,کامپیوتر کوانتومی,کیهان شناسی,گرانشِ کوانتومی,گرانش کوانتومی حلقوی,گرانش و کوانتوم,مدل استاندارد ذرات بنیادی,مقاله گرانش کوانتومی,منشاء ماده و انرژی,نسبیت و کوانتوم,نظریه گرانش کوانتومی

آکاایران: داستان شکل گیری نظریۀ گرانش کوانتومی

بدین ترتیب براساس نظریه گرانش کوانتومی حلقوی، فضا- زمان در واقع شبکه ای است از پیوندهایی که این کوانتوم های فضا را به همدیگر متصل می کنند. از همان آغاز، فیزیکدان ها دریافته بودند که این پیوندها می توانند دور همدیگر پیچیده و ساختارهایی بافته مانند را تشکیل دهند. اما تا پیش از این، کنجکاوی فیزیکدان ها برای درک مفهوم این بافته ها راه به جایی نبرده بود. «اسمولین» در این باره می گوید: «ما از سال ۱۹۸۷ به وجود این بافته ها در ساختار فضا- زمان پی برده بودیم اما فکر نمی کردیم که آنها با هویت های فیزیکی جهان ما مرتبط باشند.»

ماجرا به همین روال گذشت تا اینکه «ساندانس بیلسون تامپسون» که یک فیزیکدان نظری در دانشگاه آدلاید در جنوب استرالیا بود وارد صحنه این نمایش شد. هنگامی که او در سال ۲۰۰۴، کار بر روی مساله یی قدیمی در حوزه فیزیک ذرات بنیادی را آغاز کرد عملاً چیز چندانی در مورد گرانش کوانتومی نمی دانست. در آن زمان «بیلسون تامپسون» در تلاش برای درک بهتر ماهیت ذراتی بود که فیزیکدان ها آنها را بنیادی می پنداشتند. ذرات بنیادی، ذراتی هستند که از اجزای بنیادی تری تشکیل نشده اند. او که از تعدد بیش از حد این ذرات در مدل استاندارد ذرات بنیادی سرگشته شده بود، نسبت به بنیادی بودن همگی ذرات مزبور دچار تردید شده بود. به همین دلیل هم برای پاسخ به سوالات خود، در گام اول به سراغ مدل هایی رفت که در دهه ۱۹۷۰ بسط داده شده بودند و بسیاری از ذرات به ظاهر بنیادی را متشکل از ذرات بنیادین دیگری به نام پریون ها می دانستند.

همان گونه که هسته اتم ها از پروتون و نوترون تشکیل شده، این مدل های پریونی نیز ذراتی نظیر الکترون ها، کوارک ها و نوترینوها را که جزء ذرات بنیادی محسوب می شدند، متشکل از ذرات فرضی و بنیادین دیگری می دانستند که حامل بار الکتریکی بوده و با همدیگر برهم کنش داشتند. البته مدل های پریونی نهایتاً با مشکل مواجه شدند چرا که براساس این مدل ها، پریون ها انرژی فوق العاده بیشتری نسبت به ذراتی که خود، جزئی از آن محسوب می شدند، داشتند. این تناقض بزرگ نهایتاً سبب شد محققان، کار بر روی مدل های پریونی را کنار بگذارند. (هرچند این مدل ها به طور کامل به فراموشی سپرده نشدند.)

اما «بیلسون تامپسون» در مطالعه این مدل های پریونی، رویه ای متفاوت را نسبت به سایرین اتخاذ کرد. او به جای تمرکز بر ویژگی خود این ذرات، بر نحوه برهم کنش مابین آنها متمرکز شد. این رویه از نظر او، رویه یی منطقی بود چرا که آنچه «ویژگی ذرات» نامیده می شود، عملاً حاصل نحوه برهم کنش ذرات مزبور با سایر ذرات و محیط پیرامون است. در واقع او می خواست از طریق شناخت نحوه برهم کنش این ذرات، به ماهیت آنها پی ببرد.

«بیلسون تامپسون» فرض نقطه ای بودن پریون ها را کنار گذاشت و ایده یی را مطرح کرد که براساس آن، پریون ها شکلی نوارمانند داشته و بنابراین دارای طول و عرض بودند. براساس نظریه او، برهم کنش پریون ها با همدیگر همانند پیچیدن نوارها به دور همدیگر بود. بنابراین، گردهم آمدن سه پریون برای تشکیل ذره ای جدید، به معنای تنیده شدن سه نوار در همدیگر و ایجاد بافته مشخصی بود. در این تصویر حتی هریک از نوارهای منفرد نیز ممکن بود در امتداد طولی به دور خود پیچیده و تاب بردارد. هر تاب به لحاظ ریاضی معادل یک سوم بار الکتریکی الکترون بود و مثبت یا منفی بودن این بار نیز به ساعتگرد یا پادساعتگرد بودن تاب مزبور برمی گشت. در مدل «بیلسون تامپسون»، ساده ترین بافته معادل نوترینوی الکترون بود. تصویر آینه ای این بافته نیز پادنوترینوی الکترون را نشان می داد.

حال اگر هریک از سه نوار این بافته، یک بار در جهت عقربه های ساعت تاب برمی داشتند، بافته دیگری به وجود می آمد که همانند الکترون رفتار می کرد و اگر این تاب ها در خلاف جهت عقربه های ساعت بودند، پوزیترون به دست می آمد. به همین ترتیب مدل «بیلسون تامپسون» قادر بود حتی فوتون ها و بوزون های W و Z را (که حاملان نیروی الکترومغناطیسی و ضعیف هستند) نیز به وجود آورد. در واقع این نوارهای بافته شده می توانستند تمامی ذرات مختلف مدل استاندارد ذرات بنیادی را ایجاد کنند.

«بیلسون تامپسون» نتیجه تحقیقات خود را منتشر کرد، اما به رغم دستاوردهای قابل توجهی که از این تحقیقات بدست آمده بود، ماهیت خود پریون ها برای او همچنان ناشناخته بود. سوال این بود که ماهیت خود این نوارها چیست؟ «بیلسون تامپسون» در این باره می گوید: «در آن هنگام، مشغول بررسی این ایده بودم که شاید آنها ریزکرمچاله هایی باشند که به دور همدیگر می پیچند. شاید هم این نوارها عارضه های دیگری در ساختار فضا- زمان باشند.» در همین زمان بود که «اسمولین» با مقاله «بیلسون تامپسون» برخورد کرد. او در این باره چنین می گوید: «ما با دیدن این مقاله بسیار هیجان زده شدیم چرا که در آن زمان به دنبال هر ایده ای که بتواند ساختارهای بافته مانند را توضیح دهد می گشتیم.» آیا بافته های فضا-زمانی و بافته های نظریه «بیلسون تامپسون» در واقع یکی بودند؟ آیا ممکن است ذرات، در واقع چیزی جز بافته هایی از تار و پود فضا-زمان نباشند؟

,افت و خیزهای کوانتومیِ,بافت فضا- زمان,بیگ بنگ,[categoriy]

داستان شکل گیری نظریۀ گرانش کوانتومی

بدین ترتیب «اسمولین»، «بیلسون تامپسون» را به دانشگاه واترلو دعوت کرد تا با همدیگر پاسخی برای این پرسش بیابند. در ضمن او فیزیکدان دیگری به نام «فوتینی مارکوپولو» را نیز که در همان دانشگاه به تحقیق مشغول بود و از مدت ها قبل حدس زده بود که ممکن است بافته های فضایی، منشاء ماده و انرژی در کائنات باشند به همکاری با تیم دعوت کرد. البته «مارکوپولو» می دانست که نشان دادن صحت این ایده در قالب نظریه گرانش کوانتومی حلقوی، کار بسیار دشواری خواهد بود چرا که براساس این نظریه، افت و خیزهای کوانتومی به طور لحظه به لحظه، شبکه پیوندهای فضا- زمانی را درهم می ریزد. در واقع این بافته ها به حدی ناپایدارند که در زمانی در حدود ۱۰ به توان منهای ۴۴ ثانیه فروپاشیده و به شکل جدیدی تبدیل می شوند. بنابراین همانگونه که «مارکوپولو» هم می گوید چنانچه این بافته ها مستمراً و با چنین سرعتی متحول می شوند، پس چگونه می توانند ساختارهای پایدار و یا نسبتاً پایداری نظیر ذرات بنیادی را به وجود آورند؟

اما «مارکوپولو» پیش از آن و به کمک فیزیکدان دیگری به نام «دیوید کریبز» که متخصص کامپیوترهای کوانتومی در دانشگاه گولف ایالت اونتاریوی کانادا بود، نسخه دیگری را از نظریه گرانش کوانتومی حلقوی بسط داده بود که قادر به ارائه پاسخی به این پرسش بود. در حالی که کامپیوترهای معمولی، از بیت هایی که یا «صفر» هستند و یا «یک» برای ذخیره سازی اطلاعات استفاده می کنند، کامپیوترهای کوانتومی واحد دیگری به نام «کیوبیت» را برای پردازش اطلاعات به کار می گیرند که می تواند مقادیر «صفر» و «یک» را تواماً داشته باشند. همین مساله است که به این کامپیوترها توانمندی خارق العاده ای می بخشد. هرچند این ویژگی دوگانه و ظریف هریک از کیوبیت ها به واسطه برهم کنش با جهان بیرونی همواره در معرض فروپاشی است اما محاسبات نشان می دهد که مجموعه یی از این کیوبیت ها، بسیار پایدارتر از تک تک آنها بوده و داده هایی که توسط آنها ذخیره شود، از هرگونه اختلال، در امان خواهند بود.

در نسخه ای از «گرانش کوانتومی حلقوی» که توسط «مارکوپولو» و «کریبز» ارائه شده نیز، جهان همانند یک کامپیوتر کوانتومی عظیم است که در آن هر کوانتوم فضا جانشین یک کوانتوم اطلاعات خواهد شد. محاسبات آنها نشان می دهد که انعطاف پذیری گروهی کیوبیت ها منجر به پایداری بافته های کوانتومی فضا- زمان شده و همین مساله قادر خواهد بود علت عمر طولانی ذرات را به رغم وجود تلاطم های کوانتومی توضیح دهد. بر همین اساس اخیراً «اسمولین»، «مارکوپولو» و «بیلسون تامپسون» بالاخره موفق شدند سبک ترین خانواده ذرات در مدل استاندارد ذرات بنیادی- یعنی الکترون، کوارک های «بالا» و «پایین»، نوترینوی الکترون و پادذره آنها – را براساس بافته های فضا- زمانی استخراج کنند.

همه چیز، بافته ای از فضا-زمان است

البته این نظریه تاکنون تنها موفق به بازسازی برخی از ویژگی های ذرات در مدل استاندارد ذرات بنیادی شده است. (ویژگی هایی نظیر «بار الکتریکی» و «دستوارگی» تاکنون توسط این مدل تبیین شده است. «دستوارگی» کمیتی است که ارتباط میان اسپین یک ذره بنیادی را با امتداد و جهت حرکت آن در فضا مشخص می کند.) اما «اسمولین» با همین نتایج نیز به هیجان آمده و می گوید: «این دستاوردی بسیار شگفت انگیز است چرا که پس از ۲۰ سال تحقیق، بالاخره یک ارتباط طبیعی مابین نظریه «گرانش کوانتومی حلقوی» و فیزیک ذرات بنیادی به دست آمده است، ارتباطی که به طور ساختگی وارد نظریه نشده بلکه به طور ذاتی از دل نظریه بیرون آمده است.»

با توجه به انطباق موجود میان بافته های فضا-زمانی و ذرات بنیادی، به احتمال زیاد سایر ویژگی های ذرات مزبور نیز به زودی از دل این نظریه استخراج خواهد شد. «اسمولین» معتقد است که مهم ترین پیشرفت در این زمینه هنگامی خواهد بود که بتوانیم جرم ذرات بنیادی را براساس رفتار این بافته های فضا- زمانی محاسبه کنیم. این هدف بزرگی است چرا که فیزیکدان هایی که بر روی نظریه ریسمان ها کار می کردند نیز طی ۲۰ سال گذشته در تلاش برای انجام چنین کاری بودند اما هنوز به نتیجه رضایت بخشی نرسیده اند. اما همان گونه که تایید تجربی نظریه ریسمان ها مشکل است، طراحی آزمایشی که بتواند صحت نظریه «گرانش کوانتومی حلقوی» را نشان دهد نیز کار بسیار دشواری به نظر می رسد چرا که چنین آزمایشی باید قادر باشد ابعاد بسیار کوچک فضا (تا حد ۱۰ به توان منهای ۳۵ متر) را کاوش کند.

,افت و خیزهای کوانتومیِ,بافت فضا- زمان,بیگ بنگ,[categoriy]

داستان شکل گیری نظریۀ گرانش کوانتومی

اما برخلاف تصور، بهترین عرصه ای که می توان در آن به جست وجوی تایید تجربی این نظریه پرداخت، بزرگ ترین مقیاس های جهان است و نه کوچک ترین آنها. «جان بائز» ریاضیدان متخصص در گرانش کوانتومی در دانشگاه ایرواین کالیفرنیا در این باره می گوید: «بهترین آزمون های تجربی مطرح شده تاکنون برای ارزیابی صحت این نظریه، در حوزه کیهان شناسی بوده اند.» به عنوان مثال اکنون «مارکوپولو» در جست و جوی راه هایی برای آزمون مدل بافته های فضا-زمانی براساس بررسی ویژگی های تابش زمینه کیهانی است. این تابش از زمان بیگ بنگ در کل جهان باقی مانده و تمامی کیهان را پر کرده است. فیزیکدان ها بر این باورند که الگویی که امروزه در این تابش مشاهده می شود ریشه در افت و خیزهای کوانتومی اولین لحظات پیدایش جهان داشته است.

اما نکته جالب تر آنکه برخی از نظریه پردازان، مشابهت مابین کل جهان با یک کامپیوتر عظیم کوانتومی را که توسط «مارکوپولو» بیان شده است، نه صرفاً یک قیاس بلکه یک واقعیت می دانند. اما اگر این ایده صحیح باشد، یک پیامد فوق العاده شگفت انگیز خواهد داشت: ممکن است خود فضا نیز اصلاً وجود نداشته باشد، آری، چنانچه کوانتوم های فضا را در نظریه گرانش کوانتومی حلقوی با کیوبیت ها جایگزین کنیم، خود فضا -که تا پیش از این به عنوان یک چارچوب مرجع مورد استفاده قرار می گرفت – عملاً به تار و پودی از اطلاعات تبدیل خواهد شد.

به هر حال، چنانچه نظریه گرانش کوانتومی حلقوی بتواند تمامی ویژگی های ذرات در مدل استاندارد ذرات بنیادی را بازسازی کرده و در عین حال، محک آزمون های تجربی را نیز با موفقیت پشت سر بگذارد، در آن صورت می توان گفت که ما به بهترین نظریه مطرح شده از زمان اینشتین تاکنون برای تبیین جهان دست پیدا کرده ییم. «کارلو روولی» در این باره می گوید: «این ایده یی بسیار زیباست. ایده یی شجاعانه و شگفت انگیز و ایده ای که در عمل هم جواب می دهد.» بدین ترتیب، نظریه گرانش کوانتومی حلقوی، حس غریبی در مورد جایگاه ما در جهان برایمان به ارمغان می آورد. اگر الکترون ها و کوارک ها – و نتیجتاً اتم ها، درختان، انسان و کهکشان ها – همگی بافته هایی از فضا- زمان باشند، پس ما حقیقتاً با کل کیهان یگانه ایم.

نوشته: دیوید کاستلوچی / مترجم: شهاب شعری مقدم

 

VN:F [1.9.22_1171]

[ منبع این خبر سایت آکاایران-علمی می باشد، برای مشاهده متن اصلی خبر می توانید روی این قسمت کلیک کنید ]

برای نمایش تمام اخبار مرتبط با عنوان «داستان شکل گیری نظریۀ گرانش کوانتومی -آکا» اینجا کلیک کنید. شفاف سازی:
خبر فوق در سایت آکاایران-علمی منتشر شده و صرفا در این سایت بازنشر شده است. چنانچه به خبر فوق اعتراض دارید برای حذف آن روی این قسمت کلیک کنید.

نکته: با توجه به جمع آوری خودکار مطالب از سطح وب در صورت مشاهده هرگونه تخلف و یا اخبار غیر مجاز و یا اعتراض به انتشار مطالب سایت ها با ایمیل khabargroup.info@gmail.com در تماس باشید

تبلیغات





جدیدترین اخبار منتشر شده

تبلیغات