انجمن نجوم لیرا
بخش دوم - گرانش قسمت دوم

   نسبیت عام می‌گوید گرانش، نیرو نیست بلکه تغییر شکلی از فضا-زمان است. ماه در مسیر بیضوی حول زمین می‌چرخد اما نه به این دلیل که نیرویی آن را وادار به این کار می کند؛ بلکه علت آن این است که زمین، شکل فضا-زمان اطراف ماه را تغییر می‌دهد. در فضا-زمان تغییر شکل یافته، بدیهی‌ترین مسیر، خط مستقیم نیست بلکه بیضی است. اگر گرانش وجود نداشت بدیهی‌ترین‌ مسیر خط مستقیم بود، اما وقتی گرانش وجود دارد و فضا خمیده است، بدیهی‌‌ترین مسیر منحنی است که فاصله ها را در فضای خمیده، کمینه می‌کند. 

نسبیت عام اینشتین وجود امواج گرانشی را هم پیشگویی کرد که در فضا-زمان به شکل موج حرکت می‌کنند و وقتی ایجاد می‌شوند که اجرام شتاب زیادی می‌گیرند. این امواج با سرعت نور حرکت می‌کنند و اثرشان بسیار ناچیز است. 

+

آزمایش دو شکافت، فیزیک کوانتوم؛ ماهیت موجی یا ذره ای نور و معادله موج شرودینگر

   وقتی سعی می‌کنیم خواص غیرشهودی کوانتومی را در نسبیت عام به کار ببریم، اوضاع بدتر می‌شود. توضیح گرانش توسط تغییر شکل فضا-زمان به این معناست که ما فضا-زمانی را کوانتیزه می‌کنیم که در آن قرار داریم. که این مسئله احتمال خواهد بود چون گرانش گاهی اوقات مثل امواج و گاهی اوقات هم مانند ذرات رفتار می‌کند و تا زمانی که آن را اندازه گیری نکنیم، مشخص نمی‌شود. 

 

   اینشتین در مقاله امواج گرانشی خود می‌گوید: امواج گرانشی باید مثل امواج الکترومغناطیسی کوانتیزه باشند و همین طور که امواج الکترومغناطیسی به فوتون ها کوانتیزه می‌شوند، امواج گرانشی هم باید به گراویتون کوانتیزه شوند.

 

   در دهه ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ دانشمندان تازه در حال درک کردن برهم کنش‌های قوی و ضعیف بودند. در دهه ۱۹۹۰ آن ها تلاش می‌کردند تا از همان شیوه‌هایی که برای کوانتیزه کردن برهم‌کنش‌های قوی و ضعیف استفاده کرده بودند، برای کوانتیزه کردن گرانش هم استفاده کنند، اما به مشکل می‌خوردند. بی نهایت‌هایی به وجود آمد که حذف آنها غیرممکن بود. در طبیعت هیچ چیز نمی‌تواند بی نهایت باشد؛ بنابراین مشکلات و ناسازگاری‌هایی در زمان کوانتیزه کردن گرانش شکل گرفت که باعث اختلاف زیادی بین فیزیکدان‌ها شد. 

 

   برخی معتقد بودند مشکلات ناشی از کوانتیزه کردن نسبیت عام، گواه این است که نظریه اینشتین، نظریه درستی برای کوانتیزه کردن نیست، در پس نظریه او نظریه بنیادی‌تری وجود دارد که نظریه اینشتین را در جهان ماکرو به دست می‌دهد. نظریه بنیادی‌تر، نظریه است که کوانتیزه می‌کند.

افرادی که درباره نظریه ریسمان تحقیق می‌کنند به این امر معتقدند که نظریه ریسمان، نظریه ای است که کوانتیزه می‌کند و زمانی که با جهان ماکرو سر و کار داریم، نسبیت عام از آن حاصل می شود. 

 

   گروه دیگری که درباره گرانش کوانتومی حلقوی پژوهش می‌کنند بر این باورند که احتمال دارد نظریه اینشتن درست باشد زیرا با برهم کنش‌های دیگر فرق دارد و راهکارهایی که برای کوانتیزه کردن آنها به کار برده بودیم، روی آن عملی نمی‌شود و به روش جدیدی نیاز داریم. به ویژه اینکه نسبیت عام تقارنی دارد که نظریه‌های دیگر ندارند؛ زیرا تا زمانی که این مسئله حل شود و هندسه‌ای به دست آید که در آن نقاط فضا-زمان همگی هم ارز باشند و آزادانه حرکت کنند، نسبت عام نظریه‌ای هندسی خواهد بود. 

 

   تصور کنید در شبی ابری وسط اقیانوس، دور از ساحل هستید. نمی ‌توانید بگویید قایق‌تان کجاست.

تمام نقاط اقیانوس هم ارزند. قایق‌تان را به اطراف حرکت می‌دهید و همه چیز یکسان به نظر می‌آید. در این موقعیت با «به کارگیری هندسه» می توانید ساحل را ببینید. در این صورت نقاط اقیانوس دیگر هم ارز نیستند برخی به ساحل نزدیک تر و برخی دورترند؛ وقتی که قایق خود را به اطراف حرکت می‌دهید متوجه آن خواهید شد. 

این امر مشابه نظریه‌های هندسی گرانش است. زمانی هندسه تمام نقاط فضا-زمان [این نقاط ثابت هستند و از ابتدا به خوبی تعریف شده‌اند] را هم ارز معرفی می‌کنیم که به سوی هم جابجا می‌شوند؛ این هندسه در اصطلاح به «ناوردایی تحت دیفیومورفیسم» معروف است؛ که «مورفیسم» به معنای نگاشت و «دیفیو» به حقیقتی اشاره دارد که نگاشت «مشتق پذیر» و پیوسته است تا از دور شدن نقاط همسایگی از هم جلوگیری کند.

 

   برخی از دانشمندان معتقدند که کوانتشی که ناوردایی تحت دیفیومورفیسم را در بر می گیرد، برای توسعه نظریه گرانش کوانتومی حائز اهمیت است. گرانش کوانتومی حلقوی ناوردایی را شامل می‌شود.

 

   همانطور که دیدیم گرانش، نظریه‌ای است از جهان ماکرو که در آن اثرات کوانتومی مطرح نیستند و در جهان میکرو می‌توان از گرانش چشم‌پوشی کرد.

مثلاً دو الکترون به دلیل جرمشان، یکدیگر را به طور گرانشی جذب و به علت وجود بار الکتریکی، همدیگر را دفع می‌کنند. دافعه الکترون ۴۴^۱۰ بار قوی‌تر از جاذبه گرانشی است. این‌ها دلایلی هستند که نمی‌توان با شرایط تجربی به وجود آورد که در آن تأثیرات گرانش کوانتومی مهم باشند. این مسئله سوالی رو به وجود می‌آورد که چرا کوانتیزه کردن آن مشکل ساز شده است؟

سریع ترین جواب پیوستگی در فیزیک است و اگر مکانیک کوانتومی زیربنای فیزیک باشد پس باید زیربنای گرانش هم باشد حتی اگر بتوان از اثراتش چشم‌پوشی کرد. در ضمن پیوند دادن نظریه‌های کلاسیک و کوانتومی غیر ممکن نیست، بعضی ویژگی‌های مکانیک کوانتومی مثل کمیت‌های فیزیکی، تا وقتی اندازه گیری نشوند مقادیری نمی‌گیرند، که این کار را سخت می کند.

Loop quantum gravity for everyone, 2020


برچسب‌ها: گرانش کوانتومی حلقوی, گرانش


ادامه مطلب
نوشته شده در چهارشنبه ۲۶ آبان ۱۴۰۰ ساعت ۱۲:۰ ق.ظ توسط |