گراویتون؛ کوانتومِ گرانش چیست؟بخش ۲ از ۱۰ اگر در قسمت قبل دیدیم که نسبیت عام و نظریه کوانتومی در بنی

گراویتون؛ کوانتومِ گرانش چیست؟بخش ۲ از ۱۰ اگر در قسمت قبل دیدیم که نسبیت عام و نظریه کوانتومی در بنیادی‌ترین سطح به یکدیگر می‌رسند و مسئله‌ای حل‌نشده ایجاد می‌کنند، حالا باید یک پرسش طبیعی بپرسیم:اگر گرانش واقعا کوانتومی باشد، کوانتومِِ گرانش چیست؟ برای پاسخ، باید با مفهومی آشنا شویم که گراویتون نام دارد.از میدان به ذرهدر فیزیک کلاسیک، می‌توانیم گرانش را با میدان گرانشی توصیف کنیم. اما در نظریه کوانتومیِ میدان‌ها، میدان‌ها فقط یک مقدار پیوسته و کلاسیک نیستند؛ آنها دارای درجات آزادی کوانتومی‌اند و برانگیختگی‌هایشان می‌توانند به صورت ذرات ظاهر شوند.برای مثال، میدان الکترومغناطیسی را در نظر بگیرید.‌ وقتی این میدان را کوانتومی می‌کنیم، کوانتومِ آن فوتون است. اگر میدان گرانشی را نیز در یک تقریب مناسب کوانتومی کنیم، برانگیختگی کوانتومی آن را گراویتون می‌نامیم. اما این جمله یک نکته مهم دارد اینکه گراویتون در حال حاضر یک ذره فرضی است، نه ذره‌ای مشاهده‌شده.وجود گراویتون از چارچوب‌های نظری خاصی ناشی می‌شود و هنوز هیچ آشکارسازی مستقیم و پذیرفته‌شده‌ای از یک گراویتون منفرد نداریم. حتی پژوهش‌های جدیدی که امکان آشکارسازی اثر یک گراویتون منفرد را بررسی کرده‌اند، هنوز آن را یک هدف تجربی آینده می‌دانند.گراویتون چه ویژگی‌هایی دارد؟در ساده‌ترین توصیف، گراویتون باید ذره‌ای بدون جرم و با اسپین ۲ باشد.«اسپین در اینجا به معنای چرخیدن معمولی یک گلوله کوچک نیست. اسپین یک ویژگی کوانتومی است که نوع رفتار یک ذره تحت دوَران‌ها و تبدیلات فضایی را مشخص می‌کند.فوتون اسپین ۱ دارد؛ الکترون اسپین ۱/۲ دارد؛ و گراویتون، در توصیف استاندارد، اسپین ۲ دارد.این تفاوت صرفا یک عدد نیست. وجود یک میدان بدونِ جرم با اسپین ۲، همراه با اصولی مانند موضعیت و سازگاری برهم‌کنش‌ها، محدودیت‌های بسیار شدیدی بر نظریه ایجاد می‌کند. حتی در برخی تحلیل‌های نظری، ساختار نسبیت عام از ویژگی‌های برهم‌کنش گراویتون‌های بدون جرم اسپین ۲ به دست می‌آید.اینجا یک نکته شگفت‌انگیز وجود دارد اینکه ممکن است گرانش کلاسیکی اینشتین، در یک نگاه، رفتار جمعی و کم‌انرژیِ گراویتون‌ها باشد.یعنی شاید آنچه ما به صورت خمیدگی فضاـ‌زمان می‌بینیم، در توصیف کوانتومی بنیادی‌تر، به زبان برانگیختگی‌های یک میدان گرانشی بیان شود. البته این هنوز به معنی آن نیست که مسئله گرانش کوانتومی حل شده است.آیا گراویتون همانند فوتون است؟نه، دست‌کم نه به این سادگی.فوتون کوانتومِ میدان الکترومغناطیسی است و نظریه الکترودینامیک کوانتومی می‌تواند آن را با موفقیت بسیار بالا توصیف کند.اما گرانش یک تفاوت بنیادی دارد، در الکترومغناطیس، میدان روی یک فضاـ‌زمان مشخص تعریف می‌شود. در نسبیت عام، خودِ هندسه فضاـ‌زمان بخشی از میدان گرانشی است.بنابراین وقتی می‌گوییم میدان گرانشی را کوانتومی کنیم، در واقع با مسئله‌ای بسیار عمیق‌تر روبه‌رو هستیم اینکه اگر خود هندسه فضاـ‌زمان بخشی از چیزی باشد که باید کوانتومی شود، پس دقیقا داریم چه چیزی را کوانتومی می‌کنیم؟این همان جایی است که داستان گراویتون از یک مسئله معمول نظریه میدان‌ها فاصله می‌گیرد.پس چرا تاکنون گراویتون را ندیده‌ایم؟گرانش فوق‌العاده ضعیف است.ما امروز امواج گرانشی را آشکار کرده‌ایم؛ یعنی اختلالات بسیار کوچک در میدان گرانشی که در فضا منتشر می‌شوند. اما آشکارسازی یک موج گرانشی کلاسیک با مشاهده یک کوانتوم منفرد از میدان گرانشی یکی نیست.در واقع، پیشنهادهای جدید برای آشکارسازی گراویتون نشان می‌دهند که باید سامانه‌های کوانتومی بسیار دقیق، مانند تشدیدگرهای مکانیکی سردشده تا نزدیک حالت پایه، به کار گرفته شوند تا بتوان انتقال انرژی در حد یک کوانتوم را بررسی کرد. این آزمایش‌ها هنوز پیشنهادی‌اند و به پیشرفت‌های قابل توجه تجربی نیاز دارند.این تمایز مهم است که دیدن موج گرانشی به معنای دیدن گراویتون نیست؛ همان‌طور که مشاهده یک موج الکترومغناطیسی کلاسیک به‌تنهایی به معنی مشاهده یک فوتون منفرد نیست.اگر گراویتون پیدا شود چه غوغایی به پا می‌شود؟تایید تجربی گراویتون می‌تواند یکی ازبزرگ‌ترین لحظات تاریخ فیزیک، از زمان ظهور نسبیت عام و مکانیک کوانتومی، باشد. بزرگتر از بوزون هیگز ۲۰۱۲ و امواج گرانشی ۲۰۱۵.پس اینجا اهمیت واقعی ماجرا مشخص می‌شود.فرض کنیم روزی آزمایشی انجام شود که نشان دهد یک موج گرانشی می‌تواند با یک سامانه کوانتومی، دقیقا به صورت انتقال‌های گسسته انرژی برهم‌کنش کند؛ و شواهد آن به اندازه‌ای قوی باشد که جامعه فیزیک آن را به عنوان یک اثر گراویتون بپذیرد. آن وقت دیگر فقط یک ذره جدید کشف نکرده‌ایم. ما شاهد مستقیمی در اختیار داریم که میدان گرانشی دارای ساختار کوانتومی است. این یکی از مهم‌ترین مرزهای فیزیک امروز است؛ زیرا تاکنون هیچ شواهد تجربی مستقیمی از کوانتومی بودن میدان گرانشی در اختیار نداریم. اما اینجا باید جلوی یک سوبرداشت مهم را هم بگیریم.کشف گراویتون الزاما به معنی اثبات بنیادی بودن فضاـ‌زمان نیست. یک پدیده می‌تواند واقعی باشد اما بنیادی نباشد.فونون را در نظر بگیرید؛ فونون رفتار کاملا کوانتومی و ذره‌مانند دارد، اما یک ذره بنیادی نیست؛ یک برانگیختگی جمعی در یک ماده است. بنابراین حتی اگر گراویتون پیدا شود، هنوز می‌توان پرسید که آیا گراویتون واقعا یکی از اجزای بنیادی واقعیت است، یا خودش از ساختاری عمیق‌تر پدیدار می‌شود؟و این پرسش ما را به مرز بسیار عجیب‌تری می‌رساند. شاید مسئله فقط این نباشد که گرانش کوانتومی است.شاید خودِ چیزی که ما آن را فضاـ‌زمان می‌نامیم، در سطح بنیادی وجود نداشته باشد. شاید گراویتون، فضا، زمان و هندسه همگی در یک سطح عمیق‌تر، صورت‌های متفاوتی از یک ساختار ناشناخته باشند.فعلا این فقط یک امکان نظری است.اما اگر روزی گراویتون واقعا پیدا شود، یک درِ بزرگ به روی این پرسش باز خواهد شد:آیا ما بالاخره در حال مشاهده(اندازه‌گیری) ذراتی هستیم که در فضاـ‌زمان حرکت می‌کنند، یا داریم نخستین نشانه‌های ساختاری را می‌بینیم که خودِ فضاـ‌زمان از آن پدیدار می‌شود؟در قسمت بعد، فرض کنیم این اتفاق بزرگ رخ داده است که گراویتون پیدا شده و کوانتومی بودن گرانش تایید شده است. آن روز دقیقا چه چیزی در تصویر ما از جهان تغییر خواهد کرد؟سام آریامنش 🚀 @ofoghroydadبخش قبلیبخش بعدی : لغو پروژه به علت استقبال کم🚫