«وحدت»، آرزوی دیرینه فیزیکدانان بوده و هست. از وقتی فیزیکدانان قرن نوزده، از قبیل ماکسول و کلازیوس درصدد اتحاد پدیده‌های پراکنده دنیای فیزیک برآمدند، جستجو برای یک ابرنظریه متحد و یکپارچه هم – که جملگی قوانین و نیروهای معلوم طبیعت را به هم بیامیزد – همیشه تلویحاً و تصریحاً آرزوهای فیزیکدانان بوده و هست. جستجو در پی یکپارچگی، جستجویی در پی هماهنگی‌ست؛ آرزوی تماشای جهان از دریچه تنها یک معادله یا قانون قشنگی که به توصیف همه‌چیز بپردازد.
اکثر تلاش‌هایى هم که در راستای تحقق چنین وحدتی صورت گرفته، با موفقیت چشمگیرى مواجه شده‌اند. پیشروان ترمودینامیک، ابتدا مکانیک و گرما را به هم آمیختند و به تعاقب‌شان فارادى و ماکسول از پیوستار واحد الکتریسیته، مغناطیس و اپتیک پرده برگرفتند. حتى معادله مشهور اینشتین را هم، که به تأکید بر هم‌ارزى ماده و انرژى پرداخته، مى‌توان گونه‌ای وحدت شمرد.
وحدت‌اندیشی، از ایجاد موجودیت دوگانه‌ى «موج-ذره» گرفته تا تعریف چارچوب مشترکى براى درک توأمان نسبیت خاص و مکانیک کوانتوم، پارادایم غالب فیزیک قرن بیستم بود. پیشروان فیزیک ذرات بنیادى، از قبیل فاینمن، واینبرگ و هوفت، ما را تا حدودى به هدف مآل‌اندیشانه صورت‌بندی یک «نظریه نهایى»، نزدیک و نزدیک‌تر کردند. اما خب «تا حدودى» چنین کردند؛ چراکه به قول معروف، نیروى گرانش افسار خودش را شل نکرد و اتحاد آن با نظریه کوانتوم، احتمالاً به بزرگترین معماى حل‌ناشده فیزیک نیم‌قرن گذشته بدل گردید. اکثر نوابغ دنیا، از اینشتین گرفته تا ادوارد ویتن (Edward Witten) درصدد حل این معما برآمدند، اما چندان موفقیتی نصیب‌شان نشد. نظریه ریسمان مدعى شده که مى‌تواند این شاخ را بشکند؛ اما در ارائه فرضیات آزمون‌پذیر و متقن، آنقدرها هم برجسته‌تر از باقى فرضیات مشابه‌اش عمل نکرده است.
از نقطه‌نظر تجربى، یکى از برجسته‌ترین ملزومات تأیید یک نظریه گرانش کوانتومى، کشف «گراویتون»هاست؛ یعنى همان ذراتى که تصور مى‌رود همچون الکترون که حامل نیروى الکترومغناطیس است، حامل نیروى جاذبه باشند. معضل اساسی‌ای که در برابر کشف گراویتون‌ها عَلَم شده، ضعف فوق‌العاده نیروى جاذبه در مقایسه با سایر نیروهای بنیادین طبیعت است. به همین‌واسطه هم پژوهش‌گران دست به طراحى ادوات چنان حساس و دقیقی زده‌اند که على‌القاعده باید از پس تشخیص حتی یک گاویتون منفرد هم برآیند. از جمله فتوحات چشمگیر این مسیر هم ابزارى‌ست تحت عنوان LIGO؛ مخفف «رصدخانه تداخل‌سنجی لیزرى امواج گرانشى»، که به کمک ادوات تداخل‌سنج فوق‌العاده حساس‌اش، درصدد تشخیص اعوجاجات ضعیفى برآمده که در پى گسیل امواج گرانشى، پیوستار فضا-زمان را به تلاطم وامى‌دارند. LIGO، اعجاز فیزیک و مهندسى است؛ و هدف از طراحى آن هم فقط و فقط تشخیص امواج گرانشى بوده، که از پیش‌بینى‌هاى نسخه کلاسیک نظریه نسبیت عام اینشتین است. آزمایشات متعارف این سامانه، مشتمل بر بررسى تداخل اجزای مختلف یک پرتو فوق‌العاده متمرکز لیزر است که از دو حفره بازتابنده – که در فواصل معینى از هم در دو تونل متعامد واقع شده‌اند – انعکاس می‌یابند؛ به‌طوریکه هر وقت یک موج گرانشى از بین این دو آینه گذشت، به قول ویکى‌پدیا:
“… فضا-زمان آن ناحیه هم دچار اعوجاج مى‌شود. بسته به منبع موج [گرانشی] و زاویه قطبش آن، این پدیده به تغییراتى در فواصل هریک از دو حفره بازتابنده یا هردوى‌شان [تا محل قرارگیری حسگر] خواهد انجامید. این تغییر، آهنگ نوسان نورى که درون حفره واقع شده بوده را در نسبت با آهنگ نوسان نورى که در شرف ورود به حفره بوده، کمى تغییر مى‌دهد. از این‌رو نور خروجی از حفره، متناوباً الگوى ناهماهنگ و البته فوق‌العاده ضعیفى را به نمایش می‌گذارد و بدین‌ترتیب آن دو پرتوئى که بنا بوده مثلاً در محل برخودشان به حسگر، الگوى نوسان همدیگر را خنثى کنند، متناوباً از بسامد مدنظر اندکى تخطّى مى‌کنند. همین مسأله به تولید سیگنالى خواهد انجامید که مى‌شود آن را به دقت محاسبه کرد. توجه کنید که تغییرات طول [مسیر لیزر]، و ناهماهنگى حاصله، یک اثر کشندى فوق‌العاده ضعیف است که دقت محاسباتی بالایى را مى‌طلبد؛ چراکه امواج نورى [حامل اطلاعات حاصل از بروز احتمالى این ناهماهنگى] هم به همان اندازه تحت تأثیر امواج گرانشى واقع مى‌شوند”.
لابد از جملات پایانى جستار بالا متوجه شده‌اید که چنین سیگنالى، چقدر ضعیف خواهد بود. اما وقتى بنا باشد از تشخیص خود گراویتون‌ها صحبت کنیم، چنین ضعفى از این هم بیشتر خواهد بود. اما سؤال اینجاست که مگر چقدر ضعیف؟ فریمن دایسون (Freeman Dyson)، فیزیکدان صاحب‌نام انیستیتو مطالعات پیشرفته پرینستون، در یکى از فصول کتاب اخیر جان براکمن (John Brockman) تلاش کرده تا چنین ضعفى را به شکل کمّى نشان بدهد. او در همین اثناء ثابت کرده تقلّا براى وحدت نیروی گرانش و مکانیک کوانتوم، احتمالاً براى همیشه شکست خواهد خورد.
کلیدی‌ترین تأثیری که فیزیکدانان طرح LIGO در پى تشخیص‌اش برآمده‌اند، اختلاف فاصله‌اى‌ست که در پى گذر یک موج گرانشى از بین دو آینه رخ خواهد داد و با برهم زدن الگوى تداخل پرتوها، یک سیگنال مشخص را گسیل می‌کند. محاسبات دایسون نشان مى‌دهند که چنین تغییرى مى‌تواند آنقدر ضعیف باشد که عملاً نتوان از اعوجاجات کوانتومى پهنه فضا-زمان تشخیص‌اش داد. خب احتمالاً بگویید که می‌توان با سنگین‌تر کردن آینه‌ها، مانع از بروز تغییرات ناخواسته ناشى از این اعوجاجات کوانتومى شد. اما دایسون به ما خواهد گفت که براى رفع این مشکل، آینه‌ها چه وزنى مى‌طلبند:
“حسگرهاى LIGO، به‌واسطه وجود محدودیت ناشى از نویز و خطاى دستگاه، فقط قادر به تشخیص امواجى فوق‌العاده قوى‌تر از [امواج ضعیف] ناشی از عبور یک گراویتون منفرد هستند. اما حتى هم اگر جهان را کاملاً آرام و آرمانى فرض بگیریم، مى‌توانم به شما بگویم که آیا یک حسگر ایده‌آل LIGO هم قادر به تشخیص یک گراویتون منفرد هست یا نه. جواب، منفى‌ست. در یک جهان آرام و آرمانی، حدود محاسباتى دقت تعیین فاصله، بستگی به عدم قطعیت‌هاى کوانتومى مستولی بر مکان آینه‌ها دارد. براى کاستن از شدّت این عدم قطعیت‌ها هم لاجرم باید آینه‌ها را سنگین گرفت. با یک محاسبه ساده، بر مبناى قوانین جاذبه و مکانیک کوانتومى، نتیجه کار حیرت‌انگیز از آب درخواهد آمد: براى تشخیص یک گراویتون منفرد از طریق ادوات LIGO، آینه‌ها را بایستی چنان سنگین گرفت که ناخواسته با نیروى مهارناپذیرى همدیگر را جذب می‌کنند و به یک سیاهچاله فرومى‌پاشند. به عبارت دیگر، خود طبیعت ما را از تشخیص یک گاویتون منفرد از طریق چنین ابزارى منع کرده”.
سال گذشته که دایسون را ملاقات کردم، او به من گفت که سخت کوشیده تا در محاسباتش ایرادى بیابد، اما موفق نشده است. در اینصورت این محدودیت، چیزی بیش از ناتوانى صرف‌مان از تشخیص یک گراویتون منفرد خواهد بود؛ چراکه مى‌شود آن را مبیّن این دانست که جهان تحت سلطه نیروی گرانش و جهان تحت سلطه ذرات زیراتمى، براى همیشه در استقلال از هم به سر می‌برند و در حضور یک سدّ بنیادین فیزیکى، از دست‌اندازى در قلمروهاى هم محروم مى‌‌مانند. یا به قول دایسون:
“اگر این فرضیه درست باشد، معنى‌اش این خواهد بود که نظریات گرانش کوانتومى، غیرقابل آزمایش‌اند و لذا به لحاظ علمى بى‌معنا. در اینصورت جهان کلاسیک و جهان کوانتوم، مى‌توانند در هم‌زیستى مسالمت‌آمیزى با هم به سر ببرند. هرگز هیچ تباینى را نمی‌توان بین این دو قلمرو نشان کرد. هر دو تصویر جهان مى‌تواند صحیح باشد؛ و جستجو در پی یک نظریه واحد، احتمالاً توهّمى بیش از آب درنخواهد آمد”.
در اینصورت آیا واقعاً باید نشست و غصّه خورد؟ فکر نکنم. فقدان یک نظریه گرانش کوانتومى شاید به معنى پایان تقلّا براى تحقق رؤیاى وحدت نهایی باشد، اما همین نشان مى‌دهد که جهان، متنوع‌تر از آن چیزى‌ست که فکرش را مى‌کنیم. اتحاد و تنوع، به یک اندازه در ترسیم زیبایى‌هاى کیهان ایفاى نقش مى‌کنند. نظریه داروین، نمونه تمام‌عیارى از این حقیقت است؛ به‌طوریکه [این نظریه] در عین ارائه مکانیسم مشترکى در پس پشت تطّور تمام موجودات زنده، ضمناٌ گواه روشنى بر تنوع خارق‌العاده این موجوادت هم هست. اگر جستجوى یک نظریه وحدت‌بخش فیزیکى، توهّمى بیش نباشد، بایستی مشتاقانه به استقبال این حقیقت برویم که هر نیرویى که تطوّر کیهان را رقم زده، آن را جذاب‌تر از آن چیزى کرده که فکرش را مى‌کرده‌ایم. در واقع فقدان یک نظریه وحدت‌بخش فیزیکى، مظهر روشنى از این جمله جان هالدین (John Halddane) (زیست‌شناس بریتانیایی) خواهد بود که: “جهان نه‌تنها عجیب‌تر از آن چیزى‌ست که فکرش را مى‌کنیم، بلکه عجیب‌تر از آن چیزى‌ست که حتی بتوان فکرش را کرد”. شکست ما در این مسیر، به معناى موفقیت‌مان در کشف این حقیقت است که جهان، منبع بیکرانى از داشته‌هاست. باید همین را قدر دانست.
پانوشت: انتخاب عنوان مقاله از رادیوزمانه است.
منبع: Scientific American
در همین زمینه:
انفجاری که ستون‌های فیزیک را لرزاند
توضیح تصاویر:
۱ آلبرت اینشتین، در سالیان واپسین عمرش در پی صورت‌بندی نظریه «وحدت میدان» بود؛ نظریه‌ای برای پیوند میدان‌های جاذبه و الکترومغناطیس، که هرگز به سرانجام مشخصی نرسید.
۲ – دورنمایی از تونل L-مانند تأسیسات آزمایشگاه LIGO در لیوینگستون لوئیزیانا، که بزرگترین و بلندپروازانه‌ترین پروژه تاریخ بنیاد ملی علوم ایالات متحده محسوب می‌شود و فاز نخست جستجوهایش، بی‌نتیجه در سال ۲۰۱۰ به پایان رسید.