گرانش کوانتومی؛ وقتی دو تصویر از جهان با هم برخورد می‌کنندبخش ۱ از ۱۰ما جهان را چگونه تصور می‌کنیم؟د

گرانش کوانتومی؛ وقتی دو تصویر از جهان با هم برخورد می‌کنندبخش ۱ از ۱۰ما جهان را چگونه تصور می‌کنیم؟در نگاه اول، پاسخ ساده این است که چیزهایی در جهان وجود دارند؛ ستاره‌ها، سیاره‌ها، ذرات، میدان‌ها و ما. همه اینها در فضا قرار دارند و در طول زمان تغییر می‌کنند.اما فیزیک قرن بیستم نشان داد این تصویر ساده، آن‌قدرها هم بنیادی نیست.امروز دو نظریه در مرکز موفق‌ترین توصیف‌های ما از طبیعت قرار دارند یکی نسبیت عام و دیگری نظریه کوانتومی.هر دو با دقتی شگفت‌انگیز آزمایش شده‌اند، اما وقتی بخواهیم آنها را در بنیادی‌ترین شرایط با هم ترکیب کنیم، با مسئله‌ای روبه‌رو می‌شویم که هنوز پاسخ نهایی ندارد.جهان اینشتیندر فیزیک نیوتنی، فضا و زمان تقریبا مانند صحنه‌ای آماده‌اند. اجسام روی این صحنه حرکت می‌کنند و گرانش نیرویی است که میان جرم‌ها عمل می‌کند.اینشتین در نسبیت عام تصویر را عوض کرد.در این نظریه، گرانش دیگر صرفا یک نیرو درون فضا نیست؛ هندسه خود فضا‌ـ‌زمان در دینامیک گرانش نقش دارد. ماده و انرژی بر هندسه اثر می‌گذارند و هندسه نیز مسیر حرکت ماده را تعیین می‌کند.بنابراین زمین صرفا به این دلیل که خورشید یک نیروی نامرئی به آن وارد می‌کند، در مدار نیست؛ بلکه در هندسه فضا‌ـ‌زمانی که خورشید ایجاد کرده، مسیر طبیعی خود را طی می‌کند.این تصویر در مقیاس‌های نجومی و کیهانی فوق‌العاده موفق است.اما یک پرسش باقی می‌ماند اینکه اگر فضا‌ـ‌زمان خودش یک ساختار فیزیکی و پویاست، آیا آن هم باید از قوانین کوانتومی پیروی کند؟جهان کوانتومیدر سوی دیگر، نظریه کوانتومی قرار دارد.در اینجا طبیعت دیگر با تصویر کلاسیک ما از ذرات کوچک و مسیرهای کاملا مشخص رفتار نمی‌کند. میدان‌ها دارای نوسانات کوانتومی‌اند، حالت‌های فیزیکی می‌توانند برهم‌نهی داشته باشند و درهم‌تنیدگی نشان می‌دهد که ساختار واقعیت کوانتومی بسیار متفاوت‌تر از شهود روزمره است.نظریه میدان کوانتومی توانسته است سه برهم‌کنش بنیادی ــ الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف و قوی ــ را در چارچوبی کوانتومی توصیف کند.اما گرانش در این تصویر جایگاه متفاوتی دارد.در نظریه استاندارد میدان‌های کوانتومی، معمولا میدان‌ها را روی یک فضا‌ـ‌زمان مشخص تعریف می‌کنیم؛ در حالی که در نسبیت عام، خود فضا‌ـ‌زمان بخشی از میدان گرانشی و یک موجودیت دینامیکی است.اینجا تضاد مفهومی آشکار می‌شود؛ کوانتوم معمولا به فضا‌ـ‌زمان نیاز دارد؛ نسبیت عام می‌گوید فضا‌ـ‌زمان خودش بخشی از فیزیک است.این یکی از ریشه‌های مسئله گرانش کوانتومی است.پس مسئله دقیقا چیست؟مسئله این نیست که یکی از این دو نظریه غلط از آب درآمده است. برعکس؛ هر دو از موفق‌ترین نظریه‌های تاریخ علم‌اند.مشکل این است که وقتی به شرایطی می‌رسیم که هم آثار کوانتومی و هم گرانش شدید اهمیت پیدا می‌کنند ــ مثلا در نزدیکی تکینگی‌های سیاه‌چاله یا در شرایط بسیار ابتدایی جهان ــ توصیف‌های فعلی ما دیگر تصویر کاملی ارائه نمی‌کنند.به همین دلیل، فیزیکدانان دهه‌هاست به دنبال چارچوبی هستند که بتواند گرانش و نظریه کوانتومی را در یک توصیف سازگار کنار هم قرار دهد. رویکردهایی مانند نظریه ریسمان، گرانش کوانتومی حلقه‌ای و برنامه‌های متعدد دیگر، پاسخ‌های متفاوتی به این مسئله پیشنهاد کرده‌اند. هنوز هیچ‌کدام به‌عنوان یک نظریه‌‌ علمی پذیرفته نشده است و فعلا همگی تئوریکال و ریاضیاتی هستند و در سطح فیزیک نظری.و این نکته بسیار مهم است که ما هنوز نمی‌دانیم گرانش واقعا کوانتومی است یا نه.این جمله شاید عجیب به نظر برسد. بالاخره تقریبا همه فیزیک مدرن کوانتومی است؛ چرا گرانش استثنا باشد؟ چون باید کوانتومی باشد یک استدلال کافی برای علم تجربی نیست.حتی امروز پیشنهادهایی وجود دارند که تلاش می‌کنند گرانش را در سطح بنیادی کلاسیکی نگه دارند و در عوض، نحوه اتصال آن به جهان کوانتومی را تغییر دهند. بنابراین پرسش آیا گرانش واقعا کوانتومی است؟ خودش یک پرسش تجربی باز است. 🪐🪐🪐🪐و اینجاست که داستان ما و ۱۰ پست ما تازه آغاز می‌شود. اگر گرانش کوانتومی باشد چه؟در ساده‌ترین تصویر، می‌توانیم تصور کنیم که میدان گرانشی نیز مانند میدان‌های دیگر دارای درجات آزادی کوانتومی است. در تقریب ضعیف میدان، برانگیختگی کوانتومی این میدان را می‌توان با ذره‌ای فرضی به نام گراویتون توصیف کرد؛ ذره‌ای که در توصیف استاندارد باید بدون جرم و دارای اسپین ۲ باشد. اما این فقط یک پیش‌بینی نظری است.گراویتون تاکنون مشاهده نشده است.بنابراین هنوز نمی‌دانیم طبیعت در عمیق‌ترین سطح واقعا چنین ساختاری دارد یا نه. و این ما را به پرسشی بسیار بزرگ‌تر می‌رساند.شاید مسئله فقط این نباشد که چگونه گرانش را کوانتومی کنیم؟ شاید مجبور شویم بپرسیم که اصلا خودِ فضا و زمان چه هستند؟در تصویر معمول، فضا و زمان صحنه‌ای هستند که جهان روی آن اتفاق می‌افتد.اما اگر در بنیادی‌ترین سطح، خودِ هندسه نیز کوانتومی باشد، شاید این صحنه دیگر یک پس‌زمینه ثابت و بنیادی نباشد.و حتی امکان رادیکال‌تری مطرح می‌شود اینکه شاید فضا‌ـ‌‌زمان اصلا بنیادی نباشد.شاید چیزی عمیق‌تر وجود داشته باشد و آنچه ما فضا، زمان و حتی هندسه می‌نامیم، در مقیاس بزرگ از آن پدیدار (emergent، برآمده) شود.در این صورت، مسئله گرانش کوانتومی دیگر فقط مسئله یکپارچه‌کردن دو نظریه نیست.ممکن است پرسش این باشد که واقعیت در بنیادی‌ترین سطح، پیش از آنکه فضا و زمان وجود داشته باشند، چه شکلی دارد؟و اگر این پرسش درست باشد، شاید در پایان این مسیر متوجه شویم که جهان در فضا‌ـ‌زمان قرار نگرفته است؛ شاید خودِ فضا‌ـ‌زمان یکی از چیزهایی باشد که جهان به وجود می‌آورد.اما هنوز برای چنین ادعایی بسیار زود است.در بخش بعد، سراغ موجودی می‌رویم که اگر روزی واقعا پیدا شود، می‌تواند نخستین شاهد مستقیم ما از کوانتومی بودن گرانش باشد... سام آریامنش 🚀 @ofoghroydadبخش بعدی 🔵