تلاش برای ارائه یک نظریه کامل در علوم طبیعی، سابقه ای به مراتب طولانی تر از تحولات فیزیک قرن بیستم دارد. بطلمیوس در قرن دوم پس از میلاد در اثر مشهور خود المجسطی در پی یافتن نظریه کاملی بود که حرکات سیارات را توصیف کند و یا حتی کوپرنیک در قرن شانزدهم نیز قصد داشت نظریه ای جهانی ارائه کند که حرکت همه اجرام را به شکلی یکپارچه توضیح دهد. نیوتن در کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی: پرینکیپیا می نویسد : “در سال ۱۶۶۶ تفکر درباره گرانش را شروع کردم و آن را تا مدار ماه گسترش دادم” . آنچه نیوتن می گوید به عبارتی بیانگر تلاش او برای تلفیق مکانیک سماوی و مکانیک زمینی است. همانگونه که ماکسول در حدود سال های ۱۸۶۰ رابطه بین الکترومغناطیس و نور را توضیح داد و دو نیروی الکتریسیته و مغناطیس را یکپارچه کرد، آلبرت اینشتین نیز بر این باور بود که نظریه نسبیت باید با نظریه الکترومغناطیس ماکسول سازگار باشد. مثال دیگر در تاریخ علم جدید، تلاش فیزیکدانان در اوایل قرن بیستم برای تلفیق نظریه ماکسول، نسبیت و فیزیک کوانتومی تا زمان ریچارد فاینمن است و یا حتی تلاش برای ارائه نظریه کامل کوانتومی از الکترومغناطیس توسط فیزیکدان مشهور، پل دیراک و آنچه که الکترودینامیک کوانتومی خوانده می شود. مساله تلفیق، یکپارچه سازی و ادغام دو نظریه مهم فیزیک قرن بیستم، یعنی دو نظریه کوانتوم و نسبیت نیز از این دایره بیرون نیست. موضوعی که با گذشت بیش از یک قرن همچنان یکی از موضوعات مورد بحث در فلسفه علم به شمار می رود.
تلاش برای سازگاری، ظهور نظریه های جدید
مشهور است که فیزیکدان مشهور، لرد کلوین در سال ۱۹۰۰ گفته بود: هیچ چیز تازه ای برای کشف در فیزیک باقی نمانده است. در قرن نوزدهم سه نظریه غالب در دنیای فیزیک وجود داشت. کلوین تنها کسی نبود که چنین می اندیشید. در قرن ۱۹ میلادی واقعا به نظر می رسید که چیز تازه ای برای کشف و نظریه پردازی در فیزیک باقی نمانده و تفکر رایج این بود که پرونده فیزیک در حال بسته شدن است و بشر به فهم کاملی از طبیعت دست یافته است. در این دوران سه نظریه غالب بر سراسر فیزیک سایه افکنده بود.
- مکانیک
- الکترودینامیک
- ترمودینامیک
از نظر تاریخی این تلاش برای تلفیق مکانیک و الکترودینامیک بود که به ظهور نظریه نسبیت خاص انجامید. همان نظریه ای که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ طرح کرد و در کنار نظریه نسبیت عام (که در نوامبر ۱۹۱۵ مطرح و در مارس ۱۹۱۶ ارائه شد) نظریه نسبیت خوانده می شود. از دیگر سو، از دل تلاش هایی که برای تلفیق الکترودینامیک و ترمودینامیک صورت گرفت فیزیک کوانتومی سر برآورد. کار لودویگ بولتزمان فیزیکدان مشهور نیز در راستای تلفیق مکانیک و ترمودینامیک بود. (به عبارتی تلاش برای توضیح ترمودینامیک با قواعد مکانیک آماری) . بنابراین زمانی که از تلفیق یا سازگاری دو نظریه نسبیت و کوانتوم سخن می گوییم، نباید از یاد ببریم که خود این دو نظریه از دل تلاش برای تلفیق نظریه های دیگر علمی سر برآورده اند.
کوانتوم گرانشی، راز بزرگ علم
فیزیکدانان تا کنون چهار نیروی بنیادی را در طبیعت شناسایی کرده اند.
- گرانش
- هسته ای ضعیف
- هسته ای قوی
- الکترومغناطیس
اولین نیرو یعنی گرانش همواره به شکل جاذبه عمل می کند و از قضا همین وجه تمایز آن با سایر نیروهاست. نیروی هسته ای ضعیف در اجزای سازنده هسته اتم اثر می کند و نیروی هسته ای قوی نیز (به عنوان قوی ترین نیرو) نیروی نگاه دارنده کوارک هاست. الکترومغناطیس نیز همان نیرویی است که الکترون ها را روی مدار هسته اتم نگاه می دارد. سازگاری دو نظریه نسبیت و کوانتوم به شکل جالبی به گردآوری همه این نیروها در قالب یک نظریه منفرد جهان شمول ارتباط پیدا می کند. تا کنون تلاش های بسیاری برای یکپارچه سازی این چهار نیروی بنیادی طبیعت با یکدیگر انجام شده است لیکن هنوز هیچ نظریه نهایی که بتواند هر چهار نیرو را در قالب یک نظریه فراگیر جمع کند در دست نیست. یکی از مشهورترین نظریه ها نظریه ای است به نام نظریه الکتروضعیف که سه فیزیکدان به نام های واینبرگ، سلام و گلاشو در حدود سال ۱۹۷۰ مطرح کردند. (این سه تن بعدها برنده جایزه نوبل فیزیک ۱۹۷۹ شدند). به صورت خلاصه نظریه الکتروضعیف نشان می داد که دو نیروی بنیادی هسته ای ضعیف و الکترومغناطیس، تجلی یک نیروی منفرد با انرژی پایین هستند، ریاضیات حاکم بر این دو یکسان است و به عبارت دیگر هر دوی این نیروها با تقارن ریاضی یکسانی مقید می شوند. در دهه ۷۰ میلادی فیزیکدانان به کمک مدل استاندارد در پی یکپارچه سازی نیروهای هسته ای ضعیف، هسته ای قوی و الکترومغناطیس بودند. در پی چیزی فراتر از نظریه الکتروضعیف. به عبارتی به دنبال این که نیروی هسته ای قوی را نیز زیر بال و پر یک نظریه بزرگتر بیاورند. بر این اساس، هر سه نیروی هسته ای ضعیف، هسته ای قوی و الکترومغناطیس، در انرژی های بسیار بالا میدان یک نیروی واحدند. این همان نقطه تاریخی است که نظریه وحدت بزرگ مطرح شد. که البته به عبارت دقیق ترباید آن را نظریه های وحدت بزرگ نامید و نه نظریه وحدت . بزرگ. به عنوان مثال مدل پاتی-سلام یا جورجی-گلاشو
کار فیزیکدانان روی نظریه وحدت بزرگ برای یکپارچه سازی نیروها، برای دهه ها ادامه پیدا کرد چرا که دانشمندان حدس می زدند در مقیاس های بالای انرژی می توان هر سه نیرو را در قالب یک نظریه جامع تر متحد کرد. برای انجام چنین کاری (به خصوص پس از موفقیت نظریه الکتروضعیف) راهی نبود جز ساخت شتابدهنده های بسیار بسیار عظیم که مقیاس انرژی یک میلیون میلیارد برابر بزرگتر از انرژی پروتون را بررسی کند. ماشین عظیمی به قدر فاصله محور ماه تا زمین. طبیعتا ساخت چنین شتابدهنده ای نه ممکن است و نه در توان تکنولوژیک بشر. لیکن تلاش ها برای آزمون هایی جایگزین (به خصوص در ایالات متحده و ژاپن از سال ۱۹۸۲ به این سو) ادامه یافت. در این نقطه تاریخی نظریه پردازان فیزیک ذرات، ابرتقارن را طرح کردند.
به بیان ساده، این دیدگاه که به ازای هر ذره شناخته شده در مدل استاندارد، حداقل یک ذره بنیادی جدید متناظر با آن وجود دارد. برای هر بوزون، فرمیون و برای هر فرمیون، بوزون! بدون اینکه هیچ مدرکی دال بر وجود این ذرات داشته باشیم نظریه ابرریسمان طرح شد که نه تنها از امکان متحد کردن سه نیروی غیرگرانشی شناخته شده، بلکه از یکپارچه کردن هر چهار نیروی شناخته شده طبیعت در قالب یک نظریه میدان کوانتومی صحبت می کرد. تنها مشکل بر سر راه، نیاز ریاضیاتی به وجود ابعاد اضافی فضایی بود که تا امروز هیچ شاهد و گواهی مبنی بر وجود آنها در دست نداریم.
ایده عجیب کالوتسا
ریشه بسیاری از نظریه ها و مدل های جدید فیزیک ذرات در روزگار ما به ایده های یک ریاضیدان آلمانی به نام تئودور کالوتسا باز می گردد. او در سال ۱۹۱۹ (یعنی در حدود چهار سال پس از ارائه نظریه نسبیت عام اینشتین) پیشنهاد داد که چه بسا جهان ما بیش از سه بعد داشته باشد. به بیان دیگر شاید جهانی که در آن زندگی می کنیم، ابعاد بیشتری داشته باشد که به دلایلی تا به حال متوجه آن نشده ایم.
کالوتسا که به دنبال ارائه نظریه ای یکپارچه بود با خود اندیشید که اگر نظریه اینشتین، جاذبه را بر اساس خم هندسی فضا توضیح می دهد پس چه بسا بتوان نیروی الکترومغناطیس را نیز با همین روش توضیح داد. مشکلی که پیش می آمد این پرسش بود که کدام انحنای فضا؟ آنچه که به گرانش مربوط می شد در نظریه اینشتین با انحنای فضا توضیح داده شده بود بنابراین کالوتسا به این ایده رسید که شاید ابعاد دیگری از فضا وجود داشته باشد . بر اساس ایده کالوتسا توضیح نیروی الکترومغناطیس، مستلزم وجود ابعاد اضافی در فضا بود. او جهان را چهار بعدی فرض کرد و نه سه بعدی. به بیان ساده، کالوتسا نیروی الکترومغناطیس را انحنای این بعد چهارم فرض کرد و معادلات را برای یک فضای چهار بعدی (و نه سه بعدی) نوشت. نتیجه آن شد که به همان معادلاتی رسید که نظریه اینشتین به دست می داد. با این تفاوت که یک معادله اضافه هم ظاهر می شد (به دلیل فرض یک بعد اضافه). نکته جالب توجه اینکه این معادله اضافه، همان معادله الکترومغناطیس بود و همین مساله، این تصور را در ذهن کالوتسا ایجاد کرد که نظریه یکپارچه را یافته است. تقریبا هفت سال بعد (در ۱۹۲۶) یک فیزیکدان سوئدی به نام اسکار کلاین ایده جالب توجهی طرح کرد. کلاین پیشنهاد کرد که شاید این ابعاد اضافی واقعا وجود داشته باشند اما به قدری ریز و در خود حلقه شده باشند که قادر به مشاهده آنها نیستیم. این ایده پایه اصلی نظریه ای است که به نظریه کالوتسا-کلاین مشهور است و به عنوان تلاشی برای یکپارچه سازی دو نیروی الکترومغناطیس و گرانش شناخته می شود. اگر چه در نظریه ریسمان، دیگر صحبت از یک بعد اضافی (مانند نظریه کالوتسا-کلاین) نیست و به لحاظ ریاضیاتی به ۱۱ بعد نیاز است. ده بعد فضایی و یک بعد زمان. اثبات چنین چیزی عملا بسیار دشوار است، هرچند که می توان امید داشت، پاسخ به این پرسش ها روزی در برخورد دهنده بزرگ هادرونی در سازمان اروپایی پژوهش های هسته ای سرن یافته شود. برایان گرین فیزیکدان در سال ۲۰۰۵ حدس زده بود که ما می توانیم تا پنج سال آینده وجود این ابعاد اضافه را مورد آزمایش قرار دهیم لیکن چنین چیزی تا امروز در میانه سال ۲۰۱۹ هنوز محقق نشده است.
آیا با توان کنونی این شتابدهنده عظیم، امکان آزمودن اعتبار نظریه ریسمان وجود دارد؟
شتابدهنده ال اچ سی در سرن در حال حاضر قادر به ایجاد برخوردهایی با سطح انرژی حدود ۱۴ ترا الکترون ولت است. واقعیت این است که آزمودن نظریه ریسمان در شتابدهنده ال اچ سی فراتر از امکانات و توان تکنولوژیک بشر امروز است. در دهه هشتاد میلادی که مبانی نظریه ریسمان توسعه پیدا کرد علاقه و اشتیاق زیادی برای سازگاری مکانیک کوانتومی و نسبیت وجود نداشت و بیشتر تلاش ها معطوف به یافتن راهی برای توضیح نیروی هسته ای قوی بود. واقعیت ناامید کننده این است که امروزه برای آزمودن نظریه ریسمان، به شتابدهنده ای با یکصد میلیارد بار انرژی بیشتر از ال اچ سی نیاز است. با این وجود هنوز راه هایی برای آزمودن نظریه ریسمان وجود دارد. وجود ابعاد اضافی را با همین شتابدهنده ال اچ سی موجود نیز می توان آزمود. اما باز هم مشکلی بر سر راه است. وجود ابعاد اضافی، الزاما پیش شرط اعتبار و درستی نظریه ریسمان نیست. ضمن اینکه این ابعاد اضافی تا کنون پیدا نشده اند. همین مساله برای ابرتقارن نیز صادق است. حتی به فرض تایید وجود ابرتقارن، باز هم دلیلی بر صحت نظریه ریسمان به دست نیامده است. به بیان دیگر، ابرتقارن می تواند حتی بدون نظریه ریسمان نیز وجود داشته باشد. اما نکته مهم اینجاست که اگر ابعاد اضافی و ابرتقارن در ال اچ سی کشف شود، گواه و شاهد محکمی به سود نظریه ریسمان خواهد بود. برخورد دهنده هادرونی بزرگ در مرکز تحقیقاتی سرن حتی اگر نظریه ریسمان را ثابت نکند، چه بسا نظریه ای بهتر و کامل تر از نظریه ریسمان عاید دنیای فیزیک کند.
آیا دو نظریه نسبیت و کوانتوم روزی سازگار خواهند شد؟
ناسازگاری نسبیت خاص و گرانش بر پایه نظریه نیوتن را می توان با بیان های مختلفی توضیح داد. بر اساس نظریه نیوتن، اگر خورشید ناگهان منفجر شود زمین در فاصله حدود صد و پنجاه میلیون کیلومتر دورتر از آن، به طور آنی تاثیر می پذیرد و به عبارتی، تغییر جرم خورشید، فورا بر نیروی گرانش روی زمین اثر می گذارد. اما امواج گرانشی که با سرعت نور حرکت می کنند در حدود هشت دقیقه بعد به زمین خواهند رسید.
امواج گرانشی همان امواجی هستند که برای نخستین بار در سال ۲۰۱۶ در رصدخانه موج گرانشی با تداخل سنج لیزری لایگو آشکار سازی شدند. امواجی که به گفته دانشمندان، ناشی از برخورد دو سیاهچاله و ادغام آنها در ۱.۳ میلیاردسال قبل بوده و آشکارسازی آن نوبل فیزیک سال ۲۰۱۷ را برای کیپ تورن و همکارانش به همراه داشت. اینکه این آیا دو نظریه نسبیت و کوانتوم روزی سازگار خواهند شد، بسیاری از فیزیکدانان را به تلاش برای تبیین کوانتوم گرانشی ترغیب کرده است. در یک نظرگاه کلی، نظریه نسبیت عام یک نظریه کلاسیک محسوب می شود. درست مثل معادلات الکترومغناطیس ماکسول، شامل کمیت هایی است که پیوسته اند و نه گسسته. به عبارت دیگر رفتاری را توضیح می دهد که قطعی است و نه احتمالی. در حالی که در فیزیک کوانتوم هر چیزی به طور بنیادین شامل بسته های کوانتایی و مجزاست. به بیان دیگر در دنیای کوانتومی، در اصل عدم قطعیت صحبت از یک موضوع احتمالی است. مانع اصلی این است که نظریه نسبیت عام به تنهایی قادر به تبیین چگونگی پیدایش جهان نیست. مشکل بزرگ تر اینجاست که اگر جهان در تکینگی مهبانگ با چگالی بی نهایت آغاز شده، در این تکینگی نه تنها نسبیت عام بلکه تمامی قوانین شناخته شده فیزیک از هم خواهند پاشید. آلن گوت فیزیکدان مشهور می گوید جهان با مهبانگ بسیار داغی آغاز شده و در چنین دنیایی، نیروهای هسته ای ضعیف، هسته ای قوی و الکترومغناطیس، نیروی واحدی بوده اند. در گذار فاز، تقارن بین نیروها شکسته و این نیروها به شکل امروزی متفاوت شده اند. لیکن در نظریه کوانتومی اساسا وجود هیچ نوع تکینگی ضروری نیست. آنچه مساله را پیچیده می کند این است که نظریه الکترومغناطیس در میدان های تابشی بسیار قوی با شکست مواجه می شود. از همین رو الکترودینامیک کوانتومی با نسبیت خاص سازگار است و با نسبیت عام ناسازگار. از اینها گذشته در نظریه کوانتوم گرانشی خود فضا-زمان نیز باید کوانتیده باشد و نه پیوسته و ممتد. از دید بسیاری از فیزیکدانان، نوشتن قوانین ریاضی که قادر باشد همه نیروهای شناخته شده طبیعت را به شکل یک معادله یا نظریه واحد در بیاورد، هدف غایی علم فیزیک است. به بیان دیگر در این صورت شاید به تعبیر پیتر کلز در کتاب درآمدی بر کیهان شناسی دیگر احساس پوشیدن چند لباس روی یکدیگر را نداشته باشیم.
برخی از فیزیکدانان و فیلسوفان علم بر این باورند که نظریه فیزیکی، صرفا توصیفی از واقعیت و به مثابه نقشه ای برای آن است. به زبان ساده، هر نظریه ممکن است برای برخی تخمین ها و یا پیش بینی ها و همچنین برای درک نتایج استخراج شده از مشاهدات و آزمایش ها کاربرد داشته باشد. به بیان دیگر می توان چنین گفت که ما اکنون نقشه خاصی را برای توضیح جاذبه و نقشه دیگری را برای توضیح الکترومغناطیس و به همین منوال نقشه دیگری برای برهم کنش هسته ای ضعیف داریم. این مساله شاید مطلوب نباشد اما شاید چندان هم فاجعه بار نباشد. از این رو، نظریه همه چیز را می توان با رویکردی پراگماتیستی، صرفا به عنوان نقشه دید. ما از نظریه ها به همان دلیلی بهره می گیریم که از نقشه استفاده می کنیم. چیزی مانند نقشه مترو لندن که برای پیدا کردن مسیر حرکت قطارها مفید است اما بدیهی است که بسیاری از واقعیت های محیطی را نشان نمی دهد. یک نقشه مترو نه می تواند و نه لزومی دارد که جزییات دقیق مسیر را نشان دهد. هدف از این نقشه ها درک از کلیت مسیر و دستورالعملی برای یافتن مقصد است. نظریه های فیزیکی را نیز می توان با این رویکرد تفسیر کرد.
یکی از مشکلات فلسفی بر سر راه نظریه همه چیز این است که بپرسیم، آیا نظریه ای که بر پایه مکانیک کوانتومی باشد می تواند از هر لحاظ کامل باشد، در حالی که خود نظریه کوانتومی در ذات خود نظریه ای نامعین است؟ مشکل فلسفی دیگر این است که در منطق ریاضی بر اساس قضیه ناتمامیت گودل هر نظریه ریاضی همواره شامل مواردی است که در درون همان نظریه قابل اثبات نیستند.
تا امروز هیچ نظریه کامل و فراگیری در دست نداریم که دربرگیرنده مکانیک کوانتومی و گرانش باشد. با این وجود، استیون هاوکینگ، فیزیکدان و کیهان شناس مشهور بر این باور بود دور نمای یافتن چنین نظریه ای اکنون بسیار بهتر از گذشته به نظر می رسد. چرا که ما اکنون درباره جهان بسیار می دانیم. لیکن باید از اعتماد به نفس بیش از حد نیز پرهیز کرد. در تاریخ فیزیک بسیار پیش آمده که پرونده فیزیک به زودی بسته خواهد شد. در سال ۱۹۲۸ ماکس بورن در دانشگاه گوتینگن گفته بود: “فیزیکی که ما می شناسیم تا شش ماه دیگر به آخر می رسد!” این سخن ماکس بورن البته چندان قابل سرزنش نیست. در آن زمان کشف جدید معادله دیراک در توضیح رفتار الکترون، فیزیکدانان را بسیار مغرور کرده بود. تصور رایج این بود که رفتار پروتون (که تنها ذره شناخته شده دیگر در آن زمان بود) نیز به زودی تبیین خواهد شد و با این توضیح، پرونده فیزیک بسته می شود. کشف نوترون (پیش بینی رادرفورد) و نیروهای هسته ای، این تصور اشتباه فیزیکدانان آن زمان را زیر و رو کرد. به رغم همه اینها، هاوکینگ گفته بود که ما احتمالا در نزدیک به زمان پایان پژوهش های خود در مورد قوانین نهایی طبیعت هستیم. بزرگترین مشکل این است که هنوز نتوانسته ایم گرانش را با سایر نظریه ها سازگار کنیم. هاوکینگ بر این باور بود که مانع اصلی بر سر راه، این است که نظریه نسبیت عام یک نظریه کلاسیک است و قادر به پذیرش اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی نیست. در حالیکه سایر نظریه های محدود به طرق مختلف به شکلی ضروری به مکانیک کوانتومی وابسته هستند. از دید هاوکینگ نخستین گام به منظور برداشتن این مانع، متحد کردن نظریه نسبیت عام با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که در سال ۱۹۲۷ طرح شد.
هاوکینگ می پرسد: آیا نظریه همه چیز می تواند وجود داشته باشد یا اینکه ما در پی یک سراب هستیم؟ سه امکان می تواند وجود داشته باشد.
یک) یک نظریه واحد و فراگیر وجود دارد و اگر ما به اندازه کافی هوشمند باشیم آن نظریه را روزی خواهیم یافت.
دو) نظریه فراگیر و نهایی برای جهان هستی وجود ندارد. نظریه هایی بی پایان یکی پس از دیگری خواهند آمد و هر کدام جهان را با دقت بیشتری تبیین خواهند کرد. (این دیدگاه با تجربیات کنونی ما در تاریخ علم سازگار است)
سه) برای توصیف جهان هستی هیچ نظریه نهایی وجود ندارد و نظریه ها از حد بیشتری توان توضیح و پیش بینی ندارند و از آن به بعد رخدادهای جهان به شکلی تصادفی و دلبخواه رخ می دهند. (برخی تصور می کنند این حالت جایی برای خدا و دخالت او در امور طبیعت باز می شود)
از دید هاوکینگ، حالت سوم به کنار گذاشته می شود زیرا که حتی اصل عدم قطعیت نیز، قاعده مشخص و نظریه مندی دارد. درباره امکان دوم هم تعبیر هاوکینگ این بود که گرانش ممکن است برای توالی نظریه ها (الی الابد تا زمان بی نهایت طولانی در آینده) ایجاد محدودیت کند. به بیان ساده همانگونه که ما مدام شتابدهنده هایی با انرژی بالاتر می سازیم، برای مثال روزی قادر خواهیم بود شتابدهنده ای بزرگتر از منظومه شمسی بسازیم، اما در نهایت این مساله جایی از نظر منطقی تمام خواهد شد. جایی که قادر باشیم جهان اولیه و انفجار بزرگ را شبیه سازی کنیم. از دید او اگر انسان نظریه نهایی جهان هستی را کشف کند، فصلی طولانی و شکوهمند در تاریخ تلاش های بشر برای شناخت جهان پایان می یابد. اگر نظریه فراگیر کشف شود، درک و فهم آن همانند نظریه نسبیت با گذشت زمان به تدریج ساده خواهد شد و قواعد اصلی آن دیر یا زود به شکلی گسترده برای بسیاری قابل درک و تحلیل خواهد شد.
لینک این یادداشت در فیس بوک برنامه پرگار