فیزیک‌دانان می‌گویند درک ما از نحوه عملکرد گرانش کاملاً اشتباه بوده است

مقاله‌ای جدید در حوزه فیزیک، گامی مهم به سوی دستیابی به «نظریه‌ همه‌چیز» برداشته است که تلاشی برای تلفیق گرانش با جهان کوانتومی به‌شمار می‌رود. بااین‌حال، این نظریه تا تایید و اثبات تجربی فاصله زیادی دارد.

دانشمندان در مقاله‌ی جدید که در مجله‌ی Reports on Progress in Physics منتشر شده است، بازنگری جدیدی در نظریه گرانش ارائه کرده‌اند که می‌تواند بدون نیاز به ابعاد اضافی یا فرضیات پیچیده‌ای که در مباحثی مانند نظریه ریسمان مطرح می‌شود، زمینه‌ساز توصیفی کاملاً سازگار با مکانیک کوانتومی باشد.

در قلب نظریه تازه فیزیکدانان، بازنگری در نحوه رفتار گرانش در سطح بنیادی وجود دارد. درحالی‌که نیروهای الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی همگی با نظریه میدان کوانتومی (چارچوبی ریاضی که عدم قطعیت و دوگانگی موج-ذره‌ را در بر می‌گیرد)  توضیح داده می‌شوند، گرانش همچنان استثنا مانده است.

نسبیت عام، یعنی همان نظریه گرانش انیشتین، گرانش را به عنوان انحنای هندسه فضا-زمان ناشی از جرم و انرژی توصیف می‌کند. اما تلاش‌ برای ادغام نظریه کوانتومی با نسبیت عام اغلب به مشکلات جدی ریاضی ازجمله احتمال‌های بی‌نهایت منتهی می‌شود.

رویکرد جدید، میدان گرانشی را طوری بازتعریف می‌کند که با ساختار نظریه‌های شناخته‌شده میدان کوانتومی جور درمی‌آید. میکو پارتانن، فیزیک‌دان دانشگاه آلتو در فنلاند و یکی از نویسندگان مطالعه، در ایمیلی به لایوساینس نوشت: «نظریه ما رویکردی جدید برای گرانش کوانتومی ارائه می‌دهد که شباهت زیادی به فرمول‌بندی سایر برهم‌کنش‌های بنیادی مدل استاندارد دارد.»

از‌آنجایی که مدل جدید ساختاری مشابه نظریه‌های کوانتومی شناخته‌شده دارد، از مشکلات ریاضی که پیش‌تر مانع کوانتومی‌شدن نسبیت عام می‌شدند، اجتناب می‌کند.

به‌گفته‌ی نویسندگان، چارچوب پیشنهادی آن‌ها نظریه‌ای کوانتومی و منسجم ارائه می‌دهد که از مشکلات رایجی همچون بی‌نهایت‌های غیرفیزیکی (اعداد بی‌نهایتی که در دنیای واقعی معنا ندارد و نمی‌توان اندازه گرفت یا مشاهده کرد) و احتمال‌های منفی اجتناب می‌کند. چنین مشکلاتی معمولا هنگام کوانتومی‌کردن نسبیت عام به روش‌های معمول و ساده رخ می‌دهند.

یکی از مهم‌ترین مزایای رویکرد جدید، سادگی آن است. برخلاف بسیاری از مدل‌های گرانش کوانتومی که نیازمند ذرات ناشناخته و نیروهای اضافی هستند، این نظریه بر مبنای مفاهیم آشنا و پذیرفته‌شده باقی می‌ماند.

جوکا تولکی، استاد دانشگاه آلتو و از نویسندگان مقاله، توضیح می‌دهد یکی از مهم‌ترین مزایا و تفاوت‌های نظریه‌ی آن‌ها با بسیاری از نظریه‌های گرانش کوانتومی دیگر این است که نیازی به ابعاد اضافی ندارد که هنوز به طور مستقیم توسط آزمایش‌ها تایید نشده‌اند. علاوه‌بر‌این، این نظریه از پارامتر آزاد جدیدی فراتر از ثابت‌های فیزیکی شناخته‌شده بی‌نیاز است. به عبارت ساده‌تر، نظریه‌ی جدید می‌تواند بدون نیاز به کشف ذرات جدید یا تغییر قوانین فیزیکی موجود، مورد آزمایش قرار گیرد.

با وجود ویژگی‌های امیدوارکننده، مدل جدید در مراحل اولیه قرار دارد. گرچه محاسبات اولیه نشان می‌دهند نظریه در آزمون‌های استاندارد سازگاری عملکرد قابل قبولی دارد، اثبات کامل و نهایی سازگاری آن همچنان در دست بررسی است. همچنین این چارچوب هنوز برای پاسخ به برخی از عمیق‌ترین پرسش‌های فیزیک گرانش، مانند ماهیت واقعی تکینگی‌های سیاه‌چاله یا فیزیک بیگ‌بنگ، به کار گرفته نشده است.

تایید تجربی نظریه جدید ممکن است چالشی بزرگی باشد. گرانش ضعیف‌ترین نیروی شناخته‌شده است و ویژگی‌های کوانتومی آن بسیار ظریف و پیچیده‌اند. انجام آزمایش‌های مستقیم برای بررسی اثرات گرانش کوانتومی، فراتر از قابلیت‌های تجهیزات کنونی است.

آزمایش اثرات گرانش کوانتومی به‌دلیل ضعیف‌بودن نیروی گرانش، بسیار دشوار است. با‌این‌حال، از‌آنجا که این نظریه فاقد پارامترهای مبهم و قابل دستکاری است،  اگر آزمایشی انجام شود که رفتار گرانش در سطح کوانتومی را بررسی کند، می‌تواند این نظریه را تأیید یا رد کند. به عبارت ساده‌تر، این نظریه مشخص بوده و قابل دستکاری نیست، پس هر آزمایشی که بخواهد آن را بسنجد، پاسخی قطعی به همراه خواهد داشت.

پارتانن می‌گوید با توجه به سرعت فعلی پیشرفت‌های نظری و تجربی، ممکن است چند دهه طول بکشد تا نخستین دستاوردهای آزمایشگاهی که شواهد مستقیم از اثرات گرانش کوانتومی را نشان می‌دهند، حاصل شود. اما شواهد غیرمستقیم ازطریق مشاهدات پیشرفته‌تر می‌تواند زودتر به دست آید.

تحقیقات اخیر پارتانن و تولکی مسیر جدیدی را پیش روی پژوهشگرانی قرار داده است که در پی دستیابی به نظریه‌ای کوانتومی برای گرانش هستند. ویژگی مهم رویکرد نوین، تکیه‌ی آن بر چارچوب‌های معتبر و موفق فیزیک ذرات است که تاکنون دستاوردهای قابل‌توجهی در توصیف نیروهای بنیادین طبیعت داشته‌اند. مسیر تازه می‌تواند دریچه‌ای به‌سوی پاسخ به برخی از بنیادی‌ترین و پیچیده‌ترین پرسش‌های مربوط به ماهیت جهان، ازجمله چگونگی تعامل گرانش با سایر نیروها و چیستی فضا و زمان بگشاید.