آگاهي از بروزرساني وبلاگ

براي دريافت آخرين مطالب ، ايميل خود را وارد كنيد (فراموش نكنيد كه بر روي لينك فعالسازي كه براي شما ايميل ميشود كليك كنيد!):

Powered by FeedBurner

۱۳۸۹ بهمن ۲, شنبه

جهان كوانتومي - بخش دهم: ريسمان ها و تكينگي ها


ريسمان ها و تكينگي ها

براي ديدن آنچه كه در پشت غبار مِه بانگ روي داد ، بايد با چند بينهايتِ آزاردهنده دست و پنجه نرم كرد.

ترفندها و ظرافت هاي نظريه كوانتومي ، در اغلب موارد نتيجه عملي چنداني در كيهان شناسي ندارند . گرانش است كه انبساط جهان ، شكل گيري كهكشانها و متراكم شدن مواد بصورت سيارات را پيش ميبرد . گرانش ، آنگونه كه در نظر نسبيت عام انيشتن بيان شد ، يك فيزيك كلاسيكي تمام عيار است . نسبيت فرض ميكند كه جرم و انرژي را ميتوان بينهايت بار تقسيم كرد و هندسه فضا و زمان – حتي در كوچكترين مقياسها – هموار و پيوسته است . اما لحظه اي وجود دارد كه در آن ، نميتوان نظريه كوانتومي را ناديده گرفت ؛ لحظه آغاز جهان ، يعني مه بانگ يا انفجار بزرگ (Big Bang).
اين موضوع ، به دليل مشكلي است كه در توضيح كلاسيكي انفجار بزرگ پيش مي آيد . آنچه كه از نسبيت عام نتيجه ميشود ، اين است كه مه بانگ يك "تكينگي" (Singularity) بوده است . به بيان ديگر ، لحظه اي بينهايت كوتاه ، كه در آن ، انرژي ، با چگالي بينهايت ، حجم بينهايت كوچكي از فضا را اشغال كرده بود.
تكينگي ها نگران كننده اند ، زيرا با معادلات رياضي ِ توصيف كننده خود ناسازگارند . اما خبر خوب اينكه چنين به نظر ميرسد كه نظريه كوانتومي وجود تكينگي اي مثل مه بانگ را نميپذيرد ، اما كسي نميداند كه اين نظريه چه چيزي را جاي آن قرار خواهد داد.
نظريه كوانتومي با تكينگي هاي كلاسيكي ، به هر شكل كه پديدار شوند ، مخالف است . بعنوان مثال ، نظريه كلاسيكي ، ذرات بنيادي را بعنوان هستي هايي داراي جرم و بار درنظر ميگيرد كه در يك نقطه رياضي بي بعد متمركز شده اند . اما نظريه كوانتومي اندازه مشخصي به آنها ميدهد زيرا ذرات كوانتومي ميتوانند به عنوان موج – با طول موج وابسته به خود – نيز درنظر گرفته شوند.
يكي از نتايج مهم اين نگرش ، چيزي بود كه "استفن هاوكينگ" در سال 1974 كشف كرد . او به اين نتيجه رسيد كه سياه چاله ها كاملا "سياه" نيستند . بنابر نظريه نسبيت ، يك سياه چاله ناحيه اي از فضاست كه گرانش آنچنان پرقدرتي دارد كه هيچ چيز – حتي نور – نميتواند از آن بگريزد . اما اين فكر به ذهن هاوكينگ خطور كرد كه اگر بخواهيم ببينيم آيا ذره كوانتومي در درون سياه چاله است و يا بيرون از آن ، اصل عدم قطعيت ، مشكل آفرين خواهد بود . به بيان ساده ، او نشان داد كه سياه چاله ميتواند ذرات با طول موج كوانتومي تقريبا برابر شعاع خود را بيرون بفرستد كه اين پديده به "تابش هاوكينگ" معروف است.
از لحاظ علمي ، تابش هاوكينگ اثر چنداني دز محاسبات اخترفيزيكدانها ندارد: سياه چاله اي با جرم خورشيد ، در حدود يك كيلومتر قطر خواهد داشت و ذرات را با دمايي كمتر از يك ميلينيوم درجه به خارج خواهد فرستاد . كار دستاورد هاوكينگ در فيزيك اين بود كه مانعي مطلق و غيرقابل نفوذي را كه نسبيت به دور سياه چاله كشيده بود ، تبديل به يك مانع كوانتومي متخلخل و مبهم ساخت.
به همين صورت ، نظريه كوانتومي بايد تكينگي به وضوح تعريف شده مه بانگ را بايد با يك گوي مبهم جايگزين كند . اگر ساعت كيهان شناختي را به عقب بكشيد ، به لحظه اي ميرسيد كه در آن ، نظريه كلاسيكي از ذرات ميخواهد تا در فضايي كوچكتر از آنچه كه اصل عدم قطعيت اجازه ميدهد ، محبوس شوند . نظريه كوانتومي ، پرده ساده محافظي را در مقابل "تكينگي" – كه در صورت عدم وجود پرده "عريان" خواهد بود – قرار ميدهد . براي نگاه كردن به پشت اين پرده و آگاهي از چگونگي شكل گيري جهان از اين تكينگي ، نياز به نظريه اي داريم كه اصول كوانتومي را با نسبيت عام كلاسيكي تلفيق كند . اما تاكنون هيچكس راهي براي انجام اينكار نيافته است.
مشكلي كه در اين راه قرار دارد ، "بينهايت ها" هستند . در دهه 1940 ، فيزيكدانها در حاليكه سعي در بسط نظريه الكتروديناميك كوانتومي (نسخه كوانتومي نظريه الكترومغناطيس كلاسيك ماكسول) داشتند ، به مانع ظاهرا مشكل آفريني برخوردند . از لحاظ كلاسيكي ، محاسبه نيروي موجو ميان دو ذره باردار آسان است: تنها كافي است مقدار دو بار و فاصله بين ذرات را در يك رابطه ساده قرار دهيم و پاسخ را بدست آوريم . اما نسخه كوانتومي اين محاسبه مشكل ساز مينمايد ؛ زيرا فاصله بين دو ذره باردار ديگر كاملا خالي نيست . ديگر نميتوان يك خلا كامل داشت چون انرژي و ذرات ميتوانند به درون ابهام تحميل شده از اصل عدم قطعيت رفت و آمد كنند.
اين رفت و آمدهاي زياد ، چند پيامد مهم دارد . بعنوان مثال ، ميدان الكتريكي اطراف يك الكترون ، روي ذراتي كه در خلا كوانتومي در حال حركتند تاثير ميگذارد ، بدين صورت كه ذرات مثبت را جذب و ذرات منفي را دفع ميكند . در حقيقت ، خلا از بار الكترون "محافظت" ميكند ؛ متاسفانه به نظر ميرسد كه اين محافظت ناز به اين دارد كه بار الكترون بينهايت مرتبه تصحيح شود . سه فيزيكدان به نامهاي "يوليان شوينگر" ، "سين – ايتيرو توگاما" و "ريچارد فاينمن" در سال 1948 راهي براي اين مشكل يافتند كه ميتوان گفت كشفي با اهميت يا ترفندي ساده بود . كار را با يك نام نامعلوم"عريان" شروع ميكنيم و بينهايت بار آنرا تصحيح كرده تا سرانجام به مقدار معلوم  (و متناهي)بار الكترون دست يابيم و سپس كار را بصورتي ادامه ميدهيم كه انگار همه چيز در آغاز درست بوده است . آنها نشان دادند كه تنها يك تفريق دنباله دار ، براي تصحيح مسئله بصورتيكه پاسخ تمام محاسبات بعدي درست باشد ، كافي خواهد بود . اين فرآيند ، "
بازبهنجارش" (Renormalization) خوانده ميشود.
اما اين روش در مورد گرانش عمل نميكند . اگر سعي كنيد يك نظريه كوانتومي از گرانش ابداع كنيد ، خواهيد ديد كه بينهايت هاي صرفنظر شده از سوي خلا كوانتومي ، از بين نميروند . از آنجا كه انرژي و جرم هم ارزند ، انرژي ِ جاذبه گرانشي ، توليد گرانش ميكند . به اين ترتيب ، در هر مرحله از محاسبه گرانشي كوانتومي ، بينهايتها با هم جمع ميشوند و خنثي نخواهند شد . يك تفريق ِ تنها نميتواند كاري از پيش ببرد . در هر مرحله از كار بايد بايد از دست بينهايتهاي جديد خلاص شد و به اين ترتيب نميتوان در پايان به يك پاسخ قابل قبول دست يافت . اينكه اين عدم تطابق بين نظريه كوانتومي و گرانش چگونه برطرف خواهد شد ، چيزي است كه هنوز كسي نميداند . نظريه اي كه اين روزها در آين باره رايج است ، نظريه
"
ابر ريسمان" (Superstring Theory) است . اين نظريه ميگويد كه در اصل هيچ ذره اي وجود ندارد ، بلكه به جاي آن حلقه هاي جنبنده كوچكي از انرژي وجود دارند كه معادل خط هاي رياضي (به جاي نقطه هاي رياضي) هستند . ذراتي كه ما مشاهده ميكنيم (يعني كوارك ها ، فوتون ها ، الكترون ها و تمام ذرات ديگر) ، در واقع به منزله نوسان هاي متفاوتي از حلقه هاي ريسمانند.
جايگزين كردن حلقه ها به جاي ذرات ، ما را از هر بازبهنجارشي بي نياز ميكند . در واقع ، ماهيت نقطه اي الكترون است كه الكتروديناميك كوانتومي را تا اين حد مشكل آفرين ميكند . اگر نقطه را با نوسانهاي يك خط جايگزين كنيد ، خواهيد ديد كه بينهايت ها بوجود نمي آيند . علاوه بر اين ، نظريه ابرريسمان داراي يك نوسان حلقه ايست كه شبيه "
گراويتون" (Graviton) به نظر ميرسد (گراويتون يك ذره كوانتومي فرضي است كه نسبت به ميدان گرانشي ، همان رابطه اي را دارد كه فوتون نسبت به ميدان الكترومغناطيسي).
با اين حال چند مشكل نسبتا بزرگ باقي ميماند . براي تازه كارها ، جهان ابرريسمان ها 10 بعد دارد و تنها راهي كه اين نظريه ميتواند جهان چهار بعدي را كه ما در آن زندگي ميكنيم (سه بعد فضايي و يك بعد زمان) توضيح دهد ، اين است كه شش بعد از اين 10 بعد را چنان در هم بپيچد كه ما آنها را نبينيم . مشكل اين است كه اين ابعاد به دست خودشان در هم نمي پيچند ؛ بلكه براي اينكار ، زدن تلنگري از طرف يك فيزيكدان نظري لازم است!
علاوه بر اين ، اگرچه نظريه ابرريسمان براساس ذرات و برهم كنش هاي آنها با يكديگر بنا شده است  ، اما نسبيت عام در اصل نظريه اي درباره هندسه و توپولوژي است . در نهايت ، نظريه كوانتومي گرانش بايد مستقيما با اين عدم تطابق مقابله كند . آيا فضا – زمان در حقيقت از واحدهي كوانتومي كوچكي تشكيل شده است كه بنا بر قوانين خود به يكديگر وصل اند ، ولي ابعاد به ظاهر پيوسته اي را كه ما با آن آشنا هستيم توليد ميكنند؟ فضا و زمان ، در اين سطح بنيادي و ناپيوسته ، چه معنايي خواهند داشت؟ به سوال اصلي بازميگرديم:
مه بانگ از كجا آمده است؟ خلا شلوغ كوانتومي ، احتمالا فعاليت گرانشي را نيز در خود دارد – شايد فضا و زمان ، همانند كف بر روي يك درياي طوفاني ، مرتبا شكل ميگيرد و يا شايد اين فعاليت از سوي همتاي كوانتومي سياه چاله ها انجام ميشود ، كه آنقدر سريع بوجود مي آيد و نابود ميشود كه نميتوان آنرا رديابي كرد . در اينصورت ، آيا امكان ندارد كه تمام جهان ما در نهايت ، چند نوسان كوانتومي كاملا معمولي و كوچك باشد كه تنها كمي بزرگتر از نوسانهاي ديگر بود و توانست خود را كنترل كند؟ براي تمام اين سوال ها ، هيچكس هنوز پاسخي نيافته است.

هیچ نظری موجود نیست:

ارسال یک نظر