جدید ترین عناوین خبری امروز
مجله علمی کیهان‌شناس

توجه: کلمه عبور به آدرس ایمیل شما ارسال خواهد شد.

هدف نهایی فیزیک پیدا کردن درک مناسبی از قوانین طبیعت به نام نظریه همه‌چیز است. نظریه همه‌چیز به طور ایده‌آلی باید پاسخگوی تمامی سوالات باشد.

نظریه همه‌چیز چیست؟

حتما شما هم در گوشه و کنار گفتگوهای کیهان‌شناسی، پیرامون نظریه همه‌چیز مطالبی شنیده‌اید. اما این نظریه چیست و چه هدفی را دنبال می‌کند؟
در سال ۱۹۲۵، اینشتین در حال قدم زدن با یکی از شاگردان جوانش به نام استر سالامن بود. او فکری را که مدت‌ها ذهنش را مشغول کرده بود با سالامن در میان گذاشت. «می‌خواهم بدانم که خداوند چگونه این جهان را آفریده است. من درباره‌ی چگونگی پدیده‌ها یا حتی طیف عناصر مختلف کنجکاو نیستم؛ بلکه می‌خواهم راجع به افکاری که در ذهن او می‌گذرد بدانم. سایر چیزها، جزئیاتی بیش نیستند.»

عبارت «افکار خداوند»، استعاره‌ای متناسب با هدف غایی فیزیک مدرن است. این هدف شامل پیدا کردن درک مناسبی از قوانین طبیعت است که فیزیکدانان آن را با نظریه همه‌چیز یا TOE می‌شناسند. نظریه همه‌چیز به طور ایده‌آلی باید پاسخگوی تمامی سوالات باشد و هیچ سوالی را بدون پاسخ باقی نگذارد. این نظریه، باید سوالاتی مانند اینکه چرا آسمان آبی است یا این که چرا اساسا گرانش وجود دارد را پاسخ دهد. اگر بخواهیم به طور علمی‌تری راجع به این نظریه صحبت کنیم باید بگوییم که  نظریه همه‌چیز می‌تواند تمامی پدیده‌ها را به کمک یک نظریه‌ی واحد، یک ذره‌ی سازنده‌ی جهان و یک نیروی واحد توجیه کند. اما به نظر می‌رسد که پیدا کردن این تئوری می‌تواند صدها یا هزاران سال به طول انجامد. برای درک این مطلب، بیایید چیزهایی را که تا به امروز از جهان پیرامون خود می‌دانیم، مرور کنیم.

ما تا به امروز دو نظریه را که به کمک همدیگر، توجیه خوبی را از جهان اطراف ما ارائه می‌دهند، کشف کرده‌ایم. اما این دو نظریه سال‌های سال تا تبدیل شدن به تئوری همه‌چیز فاصله دارند.

آیا نشانه‌ای از یک قانون جدید در طبیعت پیدا شده است؟

اولین نظریه، نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین است که گرانش و رفتار ستارگان، کهکشان‌ها و جهان ماکروسکوپیک را توضیح می‌دهد. اینشتین توانست گرانش را به کمک خمیدگی فضا‌-‌زمان توصیف کند. این نظریه تا‌کنون بارها تایید شده است، به خصوص کشف امواج گرانشی در سال ۲۰۱۶، صحه‌ای دیگر بر این نظریه نهاد.

نظریه‌ی دوم را تحت عنوان نظریه‌ی مدل استاندارد می‌شناسیم، که توصیف‌کننده‌ی جهان زیر‌اتمی است. در این زمینه دانشمندان، بیشترین پیشرفت را جهت ایجاد تئوری همه‌چیز داشتند.

اگر به جهان اطرافمان، از ستارگان و کهکشان‌ها گرفته تا غذایی که می‌خوریم، نگاه کنیم، ممکن است این سوال برای ما پیش بیاید: دلیل خواصی که این پدیده‌ها از خود نشان می‌دهند، چیست؟ می‌دانیم که همه چیز از اتم ساخته شده‌ و این اتم‌ها نیز از پروتون، نوترون و الکترون ساخته شده‌اند.

در سال ۱۹۶۰، محققان کشف کردند که پروتون‌ها و نوترون‌ها از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک ساخته شده‌اند و الکترون، زیر‌مجموعه‌ی دسته‌ای از ذرات، به نام لپتون است.

پیدا کردن کوچک‌ترین ذره‌ی سازنده‌ی جهان، تنها اولین گام برای ایجاد یک تئوری همه‌چیز است. گام بعدی، درک نیروهایی است که کنترل‌کننده‌ی نحوه‌ی تعامل ذرات سازنده‌ی جهان هستند. دانشمندان چهار نیروی اصلی را می‌شناسند. تاکنون سه نیروی الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف، در سطوح زیراتمی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. نیروی الکترومغناطیس، اتم‌ها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد و توجیه‌کننده‌ی روابط شیمیایی میان عناصر است. نیروی قوی هسته‌ای، مسبب پایدارسازی هسته و اتم‌ها در کنار یکدیگر است و همچنین کوارک را درون پروتون و نوترون‌ها، نگه می‌دارد و در آخر نیروی ضعیف هسته‌ای، مسئول بعضی از واپاشی‌های هسته‌ای است.

دیوار آتشین سیاه‌چاله یا افق رویداد؟!

هر کدام از این نیروهای زیراتمی شناخته‌شده، یک ذره‌ی مربوطه دارند که حامل و ایجادکننده‌ی آن نیرو است: گلوئون، حامل نیروی قوی هسته‌ای است، فوتون‌ها به وجودآورنده‌ی نیروی الکترومغناطیسی و بوزون‌های W و Z کنترل‌کننده‌‌ی نیروی ضعیف هسته‌ای هستند. همچنین یک میدان انرژی نامرئی به نام میدان هیگز وجود دارد که در کل جهان نفوذ کرده و باعث جرم‌دهی به کوارک‌ها، لپتون‌ها و برخی ذرات حامل نیروست. تمامی این نیروها و ذرات مربوط به آن‌ها، سازنده‌ی نظریه‌ی مدل استاندارد هستند.

نظریه همه‌چیز تمامی پدیده‌های شناخته شده را توضیح می‌دهد. هنوز به آن مرحله که بتوانیم جهان را با یک نظریه واحد توجیه کنیم، نرسیده‌ایم؛ ولی با کمک مدل استاندارد توانستیم رفتار دنیای کوانتومی را به صورت یکپارچه و واحد توجیه کنیم (رنگ زرد) و همچنین اطلاعاتی در مورد گرانش به دست آورده‌ایم (رنگ صورتی). تصور می‌کنیم که در آینده بتوانیم یکپارچه‌سازی بیشتری را انجام دهیم (رنگ سبز). اما مشکل اینجاست که نمی‌توانیم یک سری پدیده‌ها را با حساب آوردن آن در یک زیرمجموعه توجیه کنیم (رنگ آبی). همچنین ممکن است با بررسی انرژی های بالاتر، پدیده‌های ناشناخته‌ی دیگری را نیز پیدا کنیم (دایره‌های قرمز).
نظریه همه‌چیز تمامی پدیده‌های شناخته شده را توضیح می‌دهد. هنوز به آن مرحله که بتوانیم جهان را با یک نظریه واحد توجیه کنیم، نرسیده‌ایم؛ ولی با کمک مدل استاندارد توانستیم رفتار دنیای کوانتومی را به صورت یکپارچه و واحد توجیه کنیم (رنگ زرد) و همچنین اطلاعاتی در مورد گرانش به دست آورده‌ایم (رنگ صورتی). تصور می‌کنیم که در آینده بتوانیم یکپارچه‌سازی بیشتری را انجام دهیم (رنگ سبز). اما مشکل اینجاست که نمی‌توانیم یک سری پدیده‌ها را با حساب آوردن آن در یک زیرمجموعه توجیه کنیم (رنگ آبی). همچنین ممکن است با بررسی انرژی های بالاتر، پدیده‌های ناشناخته‌ی دیگری را نیز پیدا کنیم (دایره‌های قرمز).

با استفاده از کوارک‌ها، لپتون‌ها و ذرات حامل نیروهای شناخته شده، می‌توان اتم‌ها، مولکول‌ها، انسان‌ها، گیاهان و تمامی چیزهای شناخته شده در جهان را ساخت. بدون شک این اتفاق یکی از بزرگترین دستاوردها و تعریف خوبی از نظریه همه‌چیز است.

اما در واقع هنوز نتوانسته‌ایم به این تئوری دست پیدا کنیم. هدف ما از ایجاد این تئوری این است که یک ذره‌ی سازنده‌ی واحد و یک نیروی واحد را که بتواند ماده و حرکت جهان را توجیه کند، پیدا کنیم. مدل استاندارد ۱۲ ذره (۶ کوارک و ۶ لپتون) و ۴ نیرو (الکترومغناطیس، گرانش، نیروهای قوی و ضعیف هسته‌ای) را شامل می‌شود. به علاوه تعریف کنونی ما از گرانش، تنها برای ذرات بزرگ‌تر از گرد‌و‌غبار پاسخگوست. پس گرانش نمی‌تواند بخشی از نظریه‌ی مدل استاندارد باشد. بنابراین فیزیکدانان به دنبال نظریه‌ی بنیادی‌تری هستند و برای انجام آن نیاز است تعداد ذرات بنیادی و نیروها را کاهش دهند.

پیدا کردن ذره‌ای کوچکتر که سازنده‌ی جهان اطراف ما باشد، بسیار سخت خواهد بود. زیرا برای این منظور به شتاب‌دهنده‌ی ذرات بسیار قوی‌تری از شتاب‌دهنده‌هایی که بشر تاکنون ساخته است، نیاز داریم. زمان مورد انتظار برای ساخت چنین شتاب‌دهنده‌ای، ده‌ها سال خواهد بود و چنین امکاناتی، تنها کمی از امکاناتی که حالا داریم پیشرفته‌تر خواهد بود. بنابراین دانشمندان در عوض باید روی این‌که این ذره‌ی سازنده‌ی کوچکتر به چه شکلی باشد، فکر کنند.
یک نظریه‌ی‌ رایج به نام ابرریسمان، ادعا می‌کند که کوچک‌ترین واحد سازنده‌ی عالم یک ذره نیست، بلکه یک ریسمان کوچک و مرتعش است. همان‌گونه که سیم ویولونسل می‌تواند بیش از یک نت را بنوازد، الگوهای مختلف ارتعاشی نیز می‌توانند انواع مختلف کوارک‌ها و لپتون‌ها را تولید کنند. از این رو یک نوع ریسمان می‌تواند کوچکترین واحد سازنده‌ی عالم باشد.

شاید جهان بر حبابی در حال انبساط در بعد اضافی سوار باشد

اما مشکل اینجاست که تاکنون شواهدی تجربی از وجود ابرریسمان مشاهده نکرده‌ایم. علاوه بر این، انرژی مورد نیاز برای مشاهده‌ی ابرریسمان که انرژی پلانک نامیده می‌شود، ده به توان پانزده بار بزرگتر از مقدار انرژی است که توان تولید آن را داریم. انرژی بسیار بزرگ پلانک به طور دقیق به آن‌چه که به نام طول پلانک می‌شناسیم مرتبط است. این طول آن‌قدر کوچک است که ابعاد کوانتومی در برابر آن بزرگ می‌نمایند و طول‌های کوچکتر از این مقدار، قابل اندازه‌گیری نیستند. در همین حال، اگر اندازه‌های کوچک‌تر از طول پلانک (یا اندازه‌های بزرگ‌تر از انرژی پلانک) را در نظر بگیریم، اثرات کوانتومی گرانش، میان فوتون‌ها اهمیت پیدا کرده و نسبیت دیگر پاسخگو نخواهد بود. بنابراین در این مقیاس، احتمالا کوانتوم گرانشی قابل درک خواهد بود. البته این مسئله تنها مسئله‌ای نظری است. با این حال بهترین پیش‌بینی حال حاضر است و اگر این پیش‌بینی درست باشد نظریه‌ی ابرریسمان برای آینده‌ی نه چندان دور، قابل قبول خواهد ماند.

در این بین تعدد نیروها نیز مشکل‌ساز خواهد بود. دانشمندان امیدوارند بتوانند نیروها را به صورت یک نیروی واحد تعریف کنند. به عبارت دیگر، نیروهایی که می‌شناسیم، تنها شمایل متفاوتی از یک نیروی واحد باشند. زمانی‌که اسحاق نیوتن نیرویی را که باعث افتادن اجسام بر روی زمین و نیرویی که باعث حرکت اجرام آسمانی می‌شد، کشف کرد. در واقع به نوعی این دو نیرو را یکسان‌سازی نمود. جیمز کلارک ماکسول نیز نشان داد که الکتریسیته و مغناطیس تنها بخش‌هایی متفاوت از یک نیروی واحد به نام الکترومغناطیس هستند.

در سال ۱۹۶۰، دانشمندان نشان دادند که نیروی هسته‌ای ضعیف و الکترومغناطیس، دو روی متفاوت از یک نیروی ترکیبی به نام الکتروضعیف هستند. حالا محققان امیدوارند که بتوانند نیروی هسته‌ای قوی و الکتروضعیف را در غالب نیرویی به نام نیروی وحدت بزرگ ادغام کنند. سپس قصد دارند که نیروی وحدت بزرگ را با نیروی گرانش تلفیق کرده و  نظریه همه‌چیز را بسازند.

نظریه نسبیت عام
از لحاظ تاریخی، دانشمندان نشان داده‌اند که پدیده‌های به ظاهر غیرمرتبط از یک نیروی اساسی به وجود آمده‌اند. ما تصور می‌کنیم که این فرآیند تا ایجاد یک تئوری همه‌چیز، ادامه خواهد داشت.
از لحاظ تاریخی، دانشمندان نشان داده‌اند که پدیده‌های به ظاهر غیرمرتبط از یک نیروی اساسی به وجود آمده‌اند. ما تصور می‌کنیم که این فرآیند تا ایجاد یک تئوری همه‌چیز، ادامه خواهد داشت. اعتبار تصویر: Don Lincoln

فیزیکدانان معتقدند این وحدت نهایی، در انرژی پلانک نیز می‌تواند اتفاق بیفتد اما در این انرژی و این مقیاس اندازه، اثرات کوانتومی در نظریه‌ی نسبیت را نمی‌توانیم نادیده بگیریم. همان‌طور که گفته شد این انرژی بسیار بزرگتر از آن است که بتوانیم در آینده‌ای نزدیک، درون یک شتاب‌دهنده‌ی ذرات به آن دست یابیم. برای درک بهتر تفاوت میان نظریه‌های حاضر و تئوری همه‌چیز، اگر انرژی ذراتی را که می‌توانیم آشکارسازی کنیم مانند عرض غشاء سلولی در نظر بگیریم؛ انرژی پلانک به اندازه‌ی سیاره زمین بزرگ خواهد بود. کسی که درک کاملی از غشاهای سلولی دارد ممکن است ساختارهای دیگری را نیز درون سلول پیش‌بینی کند (چیزهایی مانند DNA و میتوکندری) اما غیر قابل تصور است که آن‌ها بتوانند به طور دقیق زمین را نیز پیش‌بینی کنند. چقدر احتمال دارد که آن‌ها آتشفشان‌ها، اقیانوس‌ها یا میدان مغناطیسی زمین را پیش‌بینی کنند؟

درحال حاضر با توجه به فاصله‌ی زیادی که میان انرژی‌های قابل دست‌یابی در شتاب‌دهنده‌های ذرات و انرژی پلانک وجود دارد، به دست آوردن تئوری همه‌چیز به نظر غیرممکن می‌رسد.

این بدان معنی نیست که فیزیکدانان باید بازنشسته شده و فقط چشم به آینده داشته باشند. هنوز کارهای معناداری برای آن‌ها وجود دارد که بتوانند انجام بدهند. ما هنوز نیاز داریم پدیده‌های غیرقابل‌توجیهی مانند ماده تاریک و انرژی تاریک که ۹۵ درصد جهان را در‌بر‌گرفته‌اند، بفهمیم و از این دانش برای تولید نظریه‌های جدیدتر و جامع‌تر فیزیکی بهره ببریم. این نظریه‌ی جدید، تئوری همه‌چیز نخواهد بود؛ اما دقت بهتری از چارچوب نظری فعلی خواهد داشت. ما باید این روند را دوباره و دوباره تکرار کنیم.

حلقه اینشتین در فاصله‌ی ۱۰،۰۰۰ میلیون سال نوری از زمین کشف شد

آیا نا‌امید شدید؟ من هم همین‌طور. من تمام زندگی‌ام را به تلاش برای کشف برخی از اسرار کیهان اختصاص داده‌ام، اما امید دارم که شاید برخی از این نظریات درست باشند. اولین وحدت نیروها در دهه‌ی ۱۶۷۰، با نظریه‌ی گرانش جهانی نیوتن انجام شد. دومین مورد در دهه‌ی ۱۸۷۰، با نظریه‌ی الکترومغناطیس ماکسول اتفاق افتاد. همچنین نظریه‌ی الکتروضعیف تنها نیم‌قرن پیش به وجود آمد.

با توجه به این که ۳۵۰ سال از اولین گام موفقیت‌آمیز ما در این سفر گذشته‌است، اما مسیر پیش روی ما مسیر طولانی‌تری خواهد بود. این تصور که طی سال‌های آینده، یک نابغه بینش‌هایی خواهد داشت که منتج به یک تئوری همه‌چیز تمام و کمال می‌شود، برای ما، مانند یک افسانه است. ما در تلاشی بی‌وقفه و طولانی باقی خواهیم ماند و حتی نوادگان دانشمندان امروز نیز پایان این راه را نمی‌دانند.
اما طی کردن این مسیر، چه سفر شگفت‌انگیزی خواهد بود!

منبع: livescience.com

ورود به سایت دیدگاه ها 0
avatar
  Subscribe  
Notify of

رصد و اکتشافات فضایی

تمدن‌های فرازمینی
تمدن‌های فرازمینی از چه راه‌هایی می‌توانند با ما ارتباط برقرار کنند؟
56
دو سیاره شبیه به زمین در اطراف ستاره‌ای در نزدیکی ما یافت شد
دو سیاره شبیه به زمین در اطراف ستاره‌ای در نزدیکی ما یافت شد
93
نشانه‌ای از حیات فرازمینی تا ۱۳۰۰ ستاره‌ نزدیک به زمین نیست
نشانه‌ای از حیات فرازمینی تا ۱۳۰۰ ستاره‌ نزدیک به زمین نیست
69
نگرانی ستاره‌شناسان از صورت‌ فلکی وسیع اسپیس‌ایکس
نگرانی ستاره‌شناسان از صورت‌ فلکی وسیع اسپیس‌ایکس
66
بالاخره فهمیدیم کهکشان راه شیری چه زمانی با کهکشان آندرومدا برخورد خواهد کرد؟
کهکشان راه شیری چه زمانی با کهکشان آندرومدا برخورد خواهد کرد؟
65

ذرات بنیادی

ذرات بنیادی چه چیزهایی هستند؟
ذرات بنیادی چه چیزهایی هستند؟
58
فیزیکدانان با به دام انداختن ۱۰ جفت فوتون، رکورد جدیدی را ثبت کردند
فیزیکدانان با به دام انداختن ۱۰ جفت فوتون، رکورد جدیدی را ثبت کردند
91
آیا نیروی پنجم جدیدی در طبیعت یافت شده است؟
آیا نیروی پنجم جدیدی در طبیعت یافت شده است؟
14
نگاهی به آزمایشات فیزیک پیرامون یافتن ذره‌ی روح
نگاهی به آزمایشات فیزیک پیرامون یافتن ذره‌ی روح
125
هر زمانی که شما چیزی را می‌بینید، لمس می‌کنید و یا می‌بویید، در حال تجربه‌ی جهان کوانتومی هستید
هر زمانی که شما چیزی را می‌بینید، لمس می‌کنید و یا می‌بویید، در حال تجربه‌ی جهان کوانتومی هستید
129