یک نظریه برای همه چیز (Theory of everything)
سالهای متمادی است که بحث تئوری همه چیز در فیزیک مطرح شده است. منظور از این تئوری چیست؟ یک تئوری برای همه چیز به چه سئوالاتی باید پاسخ دهد؟
اجازه دهید بحث را با سخنان هاوکینگ دنبال کنیم. هاوکینگ می گوید.
نظریه نسبیت عام اینشتین نظریه‌ای در باره جرم‌های آسمانی بزرگ مثل ستارگان، سیارات و کهکشان‌هاست که برای توضیح گرانش در این سطوح بسیار خوب است.
مکانیک کوانتومی نظریه‌ای است که نیروهای طبیعت را مانند پیام‌هایی می‌داند که بین فرمیونها (ذرات ماده) رد و بدل می‌شوند. مکانیک کوانتومی در توضیح اشیاء، در سطوح بسیار ریز خیلی موفق بوده بوده است.
یک راه برای ترکیب این دو نظریه بزرگ قرن بیستم در یک نظریه واحد آن است که گرانش را همانطور که در مورد نیروهای دیگر با موفقیت به آن عمل می‌کنیم، مانند پیام ذرات در نظر بگیریم. یک راه دیگر بازنگری نظریه نسبیت عام اینشتین در پرتو نظریه عدم قطعیت است.
با توجه به سخنان هاوکینگ دو نظریه مهم فیزیک و مکانیک کوانتوم، هریک به تنهایی خوب عمل می کنند، اما با یکدیگر ناسازگارند. بنابراین مسئله اصلی این است که راهی بیابیم تا این دو نظریه را با یکدیگر ترکیب کنیم.
برای ترکیب این دو نظریه تلاشهای زیادی انجام شده است که به چند مورد آنها اشاره می کنیم:
ابر گرانش
همه ی مواد موجود در طبیعت از دو نوع ذره ی بنیادی به نام فرمیون ها و بوزن ها تشکیل شده اند. تفاوت فرمیون ها و بوزن ها در اسپین آنها می باشد به طوری که اسپن فرمیون ها نیمه درست و اسپین بوزن ها عددی درست است. همه ی انواع ذرات دست کم از دو خاصیت ذاتی جرم و اسپین برخوردارند. جرم خاصیتی آشنا برای تمام مواد است که به همان صورتی که برای اجسام بزرگ مقیاس در نظر گرفته می شود ، در مورد کوچک ترین اجزا تشکیل دهنده ی ماده نیز کاربرد دارد . اسپین خاصیت ظریف تری است که در اجسام بزرگ مقیاس به سادگی قابل شناسایی نیست . اسپین ، در واقع ، خاصیتی است که در قرن بیستم کشف شد تا رفتار بی هنجار الکترون ها را در میدان مغناطیسی توضیح دهد.
هر تقارنی که در جست و جوی ارتباط میان فرمیون ها و بوزون ها ، یعنی ذراتی با اسپین های متفاوت ، باشد ابَرَتقارن نامیده می شود. و اما ابَرَگرانش ، نظریه ای پیشنهادی در فیزیک بنیادی است که ابرتقارن و گرانش را در هم می آمیزد. اولین نظریه ی ابرگرانش توسط سه فیزیکدان در سال 1976 فرمول بندی شد.
ابر ریسمان
در مطالعات و بررسی های مرسوم در فیزیک کوانتومی نسبیتی ، ذرات بنیادی را به صورت نقاط ریاضی و بدون گستردگی فضایی در نظر میگیریم. این رهیافت موفقیت های بسیار چشمگیری داشته است ، ولی در انرژی های خیلی خیلی زیاد یا فاصله های بسیار بسیار کوتاه که بزرگی میدان گرانشی با بزرگی نیروهای هسته ای و الکترو مغناطیسی قابل مقایسه می شود این رهیافت با شکست رو به رو می شود. در سال 1974 ژوئل شرک و جان شوارتز به منظور غلبه بر این مشکل توصیف وحدت یافته ای از ذرات بنیادی را بر اساس منحنی های یک بعدی بنیادی به نام ریسمان مطرح کردند . به نظر میرسد که نظریه های ریسمان از هر نوع ناسازگاری که در تمام تلاش های قبلی دست یابی به نظریه ای وحدت یافته برای توصیف گرانش و سایر نیرو ها ایجاد مزاحمت کرده است ، مبراست . نظریه ابرریسمان که در آنها از نوع خاصی تقارن به نام ابرتقارن ، بهره گیری می شود ، بیشترین امیدواری را برای ارائه ی نتایج واقع بینانه پدید آورده اند.
بوزون هگز
در دهه های اخیر فیزیکدانان یک مدل تحت عنوان مدل استاندارد را ارائه کردند تا یک چوب بست نظری برای فهم ذرات بنیادی و نیروهای طبیعت فراهم آورند. مهمترین ذره در این مدل، یک ذره ی فرضی موجود در همه ی میدانهای کوانتومی است که نشان می دهد سایر ذرات چگونه جرم به دست می آورند. در واقع این میدان پاسخ می دهد که همه ی ذرات در حالت کلی چگونه جرم به دست می آورند. این میدان، میدان هگز Higgs field خوانده می شود. نتیجه ی منطقی دوگانگی موجو - ذره این است که همه ی میدانهای کوانتومی دارای یک ذره ی بنیادی باشند که با میدان در آمیخته است. این ذره که با همه ی میدانها در آمیخته و موجب کسب جرم توسط سایر ذرات می شود، هگز بوزون Higgs boson نامیده می شود.
جمع بندی
حال مطلب بالا را جمع بندی می کنیم:
یک - نسبیت عام باید مکانیک کوانتوم ترکیب شود تا مشکلات موجود در فیزیک نظری بر طرف گردد. طبق نسبیت عام مسیر نور در میدان گرانشی خمیده است که آن را تحت عنوان فضا - زمان مطرح می کنند. مکانیک کوانتوم به ویژگیها و رفتار ذرات زیر اتمی می پردازد و با کوانتومها یا کمیتهای گسسته سروکار دارد. در حالیکه در نسبیت عام فضا - زمان پیوسته است.
دو - باید ارتباط بین فرمیونها و بوزونها توضیح داده شود. همجنانکه می دانیم فرمیونها شامل ذراتی نظیر الکترونها و پروتونها هستند که دارای اسپین نادرست می باشند و بوزونها دارای اسپین درست هستند.
سه - هگز بوزونها باید توضیح داده شوند، یعنی اینکه ذرات چگونه جرم به دست می آورند. با توجه به رابطه جرم - انرژی می دانیم هرگاه ذره ای در یک میدان شتاب بگیرد، انرژی و در نتیجه جرم آن افزایش می یابد. بنابراین مسئله این است که این پدیده یعنی افزایش جرم را چگونه می توان توجیه کرد؟
راه حل
برای رسیدن به یک راه حل اساسی که بتواند مشکلات عمده ی فیزیک معاصر را بر طرف سازد، راه های مختلفی وجود که به نتایج متفاوت و گاهی ناسازگار می انجامد. نظریه های مختلفی که در این زمینه مطرح شده اند، بخوبی نشان می دهند که نگرش بانیان آنها بر اساس دو گانگی بین بوزونها و فرمیونها شکل گرفته است. سئوال اساسی این است که آیا حقیقتاً بوزون و فرمیون دو موجود کاملاً متفاوت از یکدیگرند؟ در نظریه ریسمانها، ریسمان به عنوان یک بسته فوق العاده کوچک انرژی تلقی می شود و که با پیوستن آنها به یکدیگر و با ارتعاشات مختلف آنها سایر ذرات نمود پیدا می کنند. در نظریه هگر بوزون به دنبال ذره ای هستند که موجب ایجاد یا افزایش جرم می شود. اگر این مسئله ی هگز بوزون را با دقت بیشتری بررسی کنیم شاید بتوانیم به نتایج جالب توجه تری برسیم.
اجازه بدهید تصورات خود را از بوزون و فرمیون یا به عبارت دیگر از جرم - انرژی و نیرو تغییر دهیم. در فیزیک مدرن جرم و انرژی دو تلقی مختلف از یک کمیت واحد هستند. جرم هر ذره را می توان با محتویات انرژی آن اندازه گرفت و همچنین انرژی یک ذره را می توان با جرم آن هم ارز دانست. لذا در فیزیک معاصر ما با دو کمیت بیشتر سروکار نداریم، انرژی و نیرو.
اگر رابطه ی نیرو و انرژی را با دید متفاوتی مورد بحث قرار دهیم، می توانیم به نتایج جالب توجهی برسیم. نیرو به عنوان انرژی در واحد طول مطرح می شود که برای آن رابطهی زیر داده شده است:
F=-dU/dx => du= - Fdx
حال ذره ای را در نظر بگیرید که انرژی آن در حال تغییر است. این تغییرات را از دو جهت می توان مورد توجه قرار داد. یکی از جهت افزایش و دیگری از جهت کاهش. از نظر افزایش نسبیت برای آن محدودیتی قائل نشده است و طبق رابطه ی جرم نسبیتی، جرم آن بینهایت قابل افزایش است. اما از جهت کاهش طبیعت خود برای آن محدودیت قائل شده و آن این است که تمام ذره تمام انرژی خود یا به عبارت دیگر، جرم - انرژی خود را از دست بدهد.
ذره ای را در نظر بگیرید که در یک میدان دارای شتاب منفی است. اگر فاصله به اندازه ی کافی بزرگ و میدان بسیار قوی باشد، آیا انرژی آن به صفر خواهد رسید؟ چنین آزمایشی برای اجسام مثلاً یک فطعه فلز چندان قابل تصور نیست، اما برای یک کوانتوم انرژی( فوتون) به خوبی قابل درک است. زیرا در نسبیت فوتون نمی تواند از یک سیاه چاله بگریزد. این پدیده را چگونه می توان توجیه کرد؟ یکبار دیگر به رابطه نیرو - انرژی بر گردیم.
F=-dU/dx => du= - Fdx
در رابطه ی بالا انرزِ و فاصله تغییر می کنند، اما نیرو ثابت است. اگر نیرو یعنی F یک کمیت ثابت و تغییر ناپذیر است، چگونه می توان هگز بوزون را توجیه کرد؟ یعنی واقعاً این کاهش یا افزایش جرم چگونه امکان پذیر است. متاسفانه این دیدگاه از مکانیک کلاسیک به نسبیت تسری یافت و هیچگونه بخثی در این زمینه مطرح نشد. اگر بخواهیم با همان نگرش کلاسیکی مشکلات فیزیک و ناسازگاری نسبیت و مکانیک کوانتوم را بر طرف سازیم، راه به جایی نخواهیم برد، همچنانکه تا به حال این چنین بوده است.
اشکال بعدی که مانع رسیدن به یک نتیجه ی قابل توجه می شود این است فیزیکدانان به مشکلات به گونه ای پراکنده برخورد می کنند. هگز بوزون مسیر خود را می پیماید، مکانیک کوانتوم می خواهد مشکلات فیزیک را در چاچوب قوانین کوانتومی حل کند، و مهمتر از همه اینکه مکانیک کلاسیک تقریباً به فراموشی سپرده شده است. همه اینها هر کدام نگرشی خاص به جهان دارند و عمومیت ندارند. در حالیکه طبیعت یگانه است و قانون نیز بایستی از یک وحدت برخوردار باشد که هست. ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت زمانی امکان پذیر است که نگرش هگز بوزون همراه با مکانیک کلاسیک نیز در این ترکیب منظور گردد .
هر کدام از این تئوری ها قسمتی از قوانین حاکم بر طبیعت را نشان می دهند. اگر در یک نگرش همه جانبه این قسمتهای مختلف را که با تجربه تایید شده اند توام در نظر بگیریم می توانیم به یک فیزیک یا یک نظریه برای همه چیز برسیم .
از کجا شروع کنیم؟
1 - با روند تکامل نظریه ها پیش می رویم. نخست مکانیک کلاسیک را در نظر می گیریم و به مورد خاص آن قانون دوم نیوتن توجه می کنیم، این قانون را با جرم نسبیتی یعنی
m=m0/(1-v2/ c2)1/2 , E=mc2
و نظریه هگز بوزون می توان ترکیب کرد. اگر ذره/جسمی تحت تاثیر نیرو جرمش تغییر می کند، این تغییر جرم ناشی از این است که بوزون (نیرو) تبذیل به انرژی می شود. البته این روند جهت معکوس نیز دارد، یعنی در روند عکس با کاهش سرعت، انرژی به نیرو یا بوزون تبدیل می شود.
2 - در مورد قضیه کار انرژی
W=DE
برخوردی دوگانه وجود دارد. قسمت کار آن را با مکانیک کوانتوم مد نظر قرار می دهند و کار را کمیتی پیوسته در نظر می گیرند، در حالیکه با انرژی آن برخوردی کوانتومی دارند. در واقع بایستی هر دو طرف رابطه را با دید کوانتومی در نظر گرفت. در این مورد مثالهای زیادی می توان ارائه داد که با این برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. اگر این مورد را بکار بندیم مشکل ارتباط فرمیونها و بوزونها بر طرف خواهد شد. این مورد مکمل قسمت پیشین است و حرف تازه ای نیست.
3 - اگر بپذیریم که کار کوانتومی است، الزاماً به این نتیجه خواهیم رسید که نیرو بطور کلی و از جمله گرانش نیز کوانتومی است. مفهوم صریح و در عین حال ساده آن این است که فضا - زمان کوانتومی است. با نگرش کوانتومی به گرانش یا به تعبیر نسبیت فضا - زمان، مکانیک کوانتوم و نسبیت با یکدیگر ترکیب خواهند شد. تنها موردی که در این جا باید متذکر شد این است که کوانتومی بودن فضا - زمان می تواند انحنای آن را نیز نتیجه دهد.
چنین نگرشی می تواند به یک نظریه برای همه چیز منتهی شود. نظریه ای که تحت عنوان نظریه سی. پی. اچ.
/www.atcce.com
---------- Post added at 11:35 PM ---------- Previous post was at 11:32 PM ----------
در کمبريج انگلستان، خيابان قديمي و تنگي وجود دارد که خيابان فري اسکول ناميده مي شود. اين خيابان از کليساي سنت بنت که در قرن يازدهم ساخته شده است شروع مي شود، در محلي که دوچرخه ها به نرده هاي حياط کليسا مهار شده و گل ها و شاخه ها از نرده ها آويزان اند، پيچ مي خورد و در کنار ديواري سياه با سنگ هاي زمخت و پنجره هاي باريک که پشت بناي قرن چهاردهم کورپوس کريستي قرار دارد، عريض مي شود. در نزديکي اين محل در آن طرف خيابان، لوحه اي در کنار يک در ورودي به سبک گوتيک قرار دارد که روي آن عبارت «آزمايشگاه کاونديش» را مي توان خواند.
درهاي ورودي ديگر کمبريج به حياط هاي با شکوه و بسيار قديمي راه پيدا مي کنند. حياطي که در آن طرف در «کاونديش قديمي» قرار دارد، شبيه به اين حياط ها نيست. از صومعه اي که در قرن دوازدهم در اينجا برپا بوده، يا باغچه هايي که پس از آن روي خرابي ها ايجاد شده، چيزي باقي نمانده است. به جاي آن سنگ فرش هاي پوشيده از آسفالت خاکستري و ساختمان هاي شبيه کارخانه ديده مي شود که بيشتر به زندان مي مانند. با وجود اين، در طول يک قرن، پيش از آنکه دانشگاه کمبريج آزمايشگاه هاي «جديد» کاونديش را در سال 1974 بسازد، اينجا يکي از مهم ترين مراکز تحقيقات فيزيک دنيا بود. در اين بناها بود که، ج. ج. تامسون الکترون را کشف کرد، ارنست رادرفورد تحقيقات خود را درباره ساختار اتم انجام داد و کارهاي ديگري از اين قبيل به سامان رسيد.
در 29 آوريل 1980 در اينجا در سالن کنفرانس کوکرافت دانشمندان و مقامات دانشگاه روي صندلي هاي رديف شده بر کف شيب دار سالن که مقابل ديواري پوشيده از تخته سفيد و پرده اسلايد بود، گرد هم آمدند. اين جلسه به مناسبت اولين خطابه يک پروفسور جديد کرسي لوکاشين رياضي بر قرار مي شد. اين پروفسوراستيون ويليام هاوکينگرياضيدان و فيزيکدان سي و هشت ساله بود.
عنوان خطابه يک سوال بود: «آيا دورنماي پايان فيزيک نظري ديده مي شود؟» و هاوکينگ با اعلام اينکه پاسخ او به اين سوال مثبت است شنوندگان را شگفت زده کرد. او از آنان دعوت کرد که به او بپيوندند. و با گريزي شورانگيز از ميان زمان و مکان جام مقدس علم را بيابند: نظريه اي را بيابند که جهان و هر چه را که در آن روي مي دهد، تبيين کند.
هاوکينگ معتقد است که شانس زيادي وجود دارد که آنچه به نظريه همه چيز معروف است، تا قبل از پايان قرن پيدا شود و در اين صورت کار چنداني براي امثال او در زمينه فيزيک نظري باقي نخواهد ماند.
استيون هاوکينگ، در حالي که يکي از شاگردانش خطابه او را براي جمعيت گرد آمده در سالن، قرائت مي کرد روي يک صندلي چرخدار نشسته بود. با يک قضاوت ظاهري، به نظر نمي آمد که هاوکينگ انتخاب مناسبي براي رهبري يک کار خطير باشد. فيزيک نظري براي او گريز بزرگي از يک زندان بود، زنداني بسيار بدتر از آنچه درباره آزمايشگاه هاي قديمي کاونديش گفته مي شد. از اوايل بيست سالگي او با بيماري از کار افتادگي روزافزون که از مرگ زودرس او خبر مي داد، مي ساخت. هاوکينگ مبتلا به بيماري اسکلروز جانبي آميوتروفيک است. اين بيماري، در آمريکا، لوگربک ناميده مي شود، لوگريک يک بازيکن بيسبال بود که به اين بيماري مبتلا شد و در اثر آن در گذشت. پيشرفت اين بيماري، درمورد هاوکينگ، کند بود ولي زماني که او کرسي لوکاشين را عهده دار شد، ديگر توانايي راه رفتن، نوشتن، غذا خوردن را نداشت و اگر سرش به پايين مي افتاد، نمي توانست آن را بلند کند. صحبت کردن او غير مفهوم و تنها براي کساني که او را خيلي خوب مي شناختند، قابل درک بود. براي خطابه لوکاشين، او با زحمت زياد متن مورد نظر خود را قبلاً ديکته کرده بود تا شاگردش بتواند آن را در جلسه بخواند. اما هاوکينگ معلول نبوده و نيست. او يک رياضيدان و فيزيک دان فعال و برجسته است و بعضي ها او را برجسته ترين فيزيکدان پس از اينشتين مي دانند. کرسي لوکاشين يک مقام آکادميک ممتاز است که زماني سر ايزاک نيوتنعهده دار آن بود.
اين يک شجاعت ناشي از خصوصيت هاوکينگ بود که مقام استادي ممتاز را با پيشگويي پايان رشته کار خودش آغاز کند. او گفت که شانس زيادي وجود دارد که آنچه به نظريه همه چيز معروف است، تا قبل از پايان قرن پيدا شود و در اين صورت کار چنداني براي امثال او در زمينه فيزيک نظري باقي نخواهد ماند.
پس از اين کنفرانس، خيلي اشخاص فکر مي کردند که استيون هاوکينگ پرچمدار کنکاش براي يک نظريه توجيه کننده جهان خواهد بود. اما او نزديک ترين نظريه به نظريه همه چيز را، نه يکي از نظريه هاي خود، بلکه نظريه «ابرگرانش 8 = N» دانست. نظريه اي که بسياري از فيزيکدانان اميد داشتند بتواند به يگانگي کليه ذرات و نيروهاي طبيعت بينجامد. هاوکينگ از همان ابتدا به اين موضوع اشاره مي کند که کار او تنها قسمتي از تصوير بسيار گسترده تري است که به همکاري فيزيکدانان همه دنيا نياز دارد؛ همچنين جزيي از يک تصوير ذهني بسيار کهن است:lاشتياق درک جهان تقريباً به قدمت هوشياري انسان است. از همان ابتدا که متوجه شده ايم طبيعت طرح و نقشي دارد، کوشيده ايم تا آن طرح را با اسطوره ها، مذهب و سپس با رياضيات و علم، توضيح دهيم. شايد ما خيلي بيشتر از اجداد دورمان نسبت به درک کامل اين طرح نزديک نشده باشيم، ولي بيشتر ما، مانند استيون هاوکينگ به اين فکر تمايل داريم که نزديکتر شده ايم.
