در قسمت قبل ایده قدیمی تقلیل گرایی را بررسی کردیم و دیدیم که چگونه گرانش کوانتومی مانع از پایبندی طبیعت به این ایده می‌شود و در نتیجه ممکن است پاسخ به پرسش‌ها و راه‌حل بحران‌های موجود را بتوان در ادغام مقیاس‌ها به وسیله یک نظریه گرانش کوانتومی پیدا کرد. با دیپ لوک در قسمت پایانی ترجمه این نوشتار جذاب همراه باشید…
چگونه ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس می‌تواند طبیعی‌بودن را نجات دهد؟
اخیرا مطالعات زیادی در زمینه ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس و ارتباط آن با راه حل بحران‌های طبیعی‌بودن انجام شده‌است. این مطالعات عمدتا به دو مقاله منتشر شده در سال ۱۹۹۹ اشاره دارند. پاتریک دراپر (Patrick Draper) استاد دانشگاه ایلینویز که پژوهشی در ادامه کار این دو مقاله انجام داده‌است می‌گوید:
در میان دانشمندان، گرایشی به این راه‌حل‌های عجیب که شباهتی به مطالعات حوزه EFT ندارند، در حال شکل‌گیری است.
دراپر و همکارانش روی حد CKN کار می‌کنند. این نظریه بر اساس حروف اول نام پایه گذارانش در سال ۱۹۹۹ یعنی اندرو کوهن (Andrew Cohen)، دیوید کاپلان (David B. Kaplan) و ان نلسون (Ann Nelson) نام گذاری شده‌است. محققان مذکور بر روی این سوال کار می‌کردند که اگر تعدادی ذره را درون یک جعبه قرار داده و آن را گرم کنیم، حداکثر تا چه میزان می‌توانیم انرژی ذرات را افزایش دهیم، پیش از این که جعبه تبدیل به یک سیاهچاله شود. محاسبات آن‌ها نشان داد که تعداد حالات پرانرژی که ذرات می‌توانند درون یک جعبه داشته باشند، پیش از آن که جعبه تبدیل به سیاهچاله شود، با سطح جعبه به توان سه چهارم متناسب است (به عبارتی هر جعبه تا پیش از سیاهچاله شدن فقط می‌تواند تعداد مشخصی ذره با انرژی بالا داشته باشد). نکته اینجاست که در این رابطه، سطح جعبه مهم است و نه حجم آن. با این کار آن‌ها متوجه یک رابطه عجیب میان مقیاس‌های بزرگ و ریز شدند. ابعاد جعبه که بزرگ‌مقیاس به شمار می‌آید، شدیدا تعداد حالات پرانرژی برای ذرات درون آن را که یک مشخصه ریزمقیاس به شمار می‌رود، محدود و کنترل می‌کند.
سپس آن‌ها فهمیدند که اگر همین حد (حد CKN) را بر روی کیهان اعمال کنند، بحران ثابت کیهانشناسی حل می‌شود. بر این اساس جهان قابل مشاهده مانند یک جعبه بزرگ است. بنابراین تعداد حالات پرانرژی که جهان می‌تواند داشته باشد با مساحت سطح آن به توان سه چهارم متناسب است (و نه با حجمش که عددی بسیار بزرگ‌تر است).
بنابراین محاسبات معمول EFT برای ثابت کیهانشناسی بسیار ساده‌انگارانه است. چنین محاسباتی پیش‌بینی می‌کند که پدیده‌های پرانرژی در عالم که با بزرگنمایی بافت کیهان پدیدار می‌شوند (و شبیه به ذرات پرانرژی درون جعبه هستند) باید سطح انرژی عالم را در حد انفجار بالا ببرند (شبیه به سیاهچاله شدن جعبه). اما حد CKN بیان می‌کند که تعداد این پدیده‌های پرانرژی بسیار بسیار کم‌تر از پیش‌بینی‌های EFT بوده که نشان از تعداد کم حالات پرانرژی موجود در عالم برای ذرات آن دارد. محاسبات این سه نفر نشان داد که برای یک جعبه به اندازه کیهان، نظریه آن‌ها عددی تقریبا برابر با ثابت کیهانشناسی اندازه‌گیری شده برای جهان را پیش‌بینی می‌کند.
این موضوع نشان می‌دهد که رابطه میان مقیاس‌های بزرگ و کوچک زمانی که به مشخصه بزرگ‌مقیاسی در ابعاد کیهان (مانند ثابت کیهانشناسی) نگاه می‌کنید می‌توانند پدیدار شوند.
دراپر و همکارش نیکیتا بلنو (Nikita Blinov) در یک مجموعه محاسبات متفاوت تایید کردند که حد CKN مقدار مشاهده شده ثابت کیهانشناسی را به درستی پیش‌بینی می‌کند. از طرفی آن‌ها نشان دادند که نظریه مذکور بدون نابود کردن موفقیت EFT در توجیه آزمایشات ریزمقیاس، این کار را انجام می‌دهد.
نظریه حد CKN به ما دلیل رابطه میان ریزمقیاس و بزرگ‌مقیاس را نمی‌گوید؛ دلیل این که چرا ابعاد جعبه (بزرگ‌مقیاس) بر تعداد حالات پرانرژی مجاز درون جعبه (ریزمقیاس) اثر می‌گذارد. برای پی‌بردن به این موضوع احتمالا نیاز به دانستن گرانش کوانتومی داریم.
دیگر محققان پاسخ به این پرسش را در یک نظریه خاص در حوزه گرانش کوانتومی دنبال می‌کنند: نظریه ریسمان. تابستان گذشته نظریه پردازان این حوزه استیون آبل (Steven Abel) و کیث دینس (Keith Dienes) نشان دادند که چگونه ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس در نظریه ریسمان می‌تواند به بحران‌های سلسله‌مراتبی و ثابت کیهانشناسی اشاره کند.
نظریه ریسمان که یک نامزد مهم برای نظریه بنیادی گرانش و در نتیجه نظریه همه چیز است، هر ذره را به عنوان یک ریسمان مرتعش فرض می‌کند. ذرات موجود در مدل استاندارد مانند فوتون و الکترون در این نظریه، ریسمان‌هایی با ارتعاش کم انرژی هستند. اما هر ریسمان می‌تواند با انرژی بیش‌تری نوسان کند که منجر به پدید آمدن طیف نامتناهی از حالات ریسمانی (مانند حالات کوانتومی) در انرژی‌های بالاتر می‌شود. در این چارچوب، بحران سلسله مراتبی این سوال را مطرح می‌کند که اگر ابرتقارن وجود نداشته باشد، چرا تصحیحات ناشی از حالات ریسمانی منجر به افزایش شدید جرم هیگز نمی‌شود.
براساس محاسبات آبل و دینس، یک شکل متفاوت از تقارن در نظریه ریسمان به نام ناوردایی پیمانه‌ای وجود دارد که سبب می‌شود تصحیحاتی از حالات ریسمانی در تمام انرژی‌ها میان بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس ارتباط برقرار کند. این تصحیحات به شکلی دقیق سبب از بین بردن اثرات ریزمقیاس و کاهش مقدار عددی جرم هیگز و ثابت کیهانشناسی می‌شود. محققان تاکید می‌کنند که این ارتباط میان دو مقیاس ریز و بزرگ انرژی دلیل شکاف عظیم میان جرم هیگز و انرژی پلاک را توضیح نمی‌دهند. در عوض تنها علت پایدار بودن آن را بیان می‌کنند. با این حال به نظر کریگ:
این ایده، ایده بسیار خوبی است.
مدل‌های جدید در حال رشد دادن مجموعه‌ای از ایده‌ها در زمینه ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس هستند. شیوه کاری کریگ به دیگر مقاله سال ۱۹۹۹ نیز که توسط نظریه پرداز برجسته موسسه مطالعات پیشرفته پرینستون ناتان سیبرگ (Nathan Seiberg) و دو تن از همکارانش نوشته شده اشاره دارد. آن‌ها حالاتی را بررسی کردند که فضا مملو از یک میدان مغناطیسی باشد. برای درک این که چگونه ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس تحت چنین شرایطی ظهور می‌کند، جفت‌هایی از ذرات با بار مخالف را تصور کنید که به وسیله یک فنر به هم متصل شده و به صورت عمود بر این میدان مغناطیس در حال حرکت هستند. حال اگر قدرت میدان مغناطیسی را افزایش دهید ذرات باردار از هم دور شده و فنر بین خود را می‌کشند. در این مثال انرژی بیشتر (حاصل میدان مغناطیسی) سبب افزایش فاصله می‌شود.
سیبرگ و همکارانش متوجه شدند که در چنین شرایطی تصحیحات ریزمقیاس ویژگی خاصی دارند که نشان می‌دهد جهت تقلیل گرایی برعکس شده‌است. در نتیجه، این بزرگ‌مقیاس است که بر اتفاقات ریزمقیاس تاثیر می‌گذارد. چنین مدلی واقع‌گرایانه نیست، چراکه جهان یک میدان مغناطیسی ندارد که جهت‌گیری‌های پس‌زمینه را تعیین کند. با این حال کریگ سعی دارد بفهمد آیا مدلی اینچنینی وجود دارد که راه‌حلی برای بحران سلسله مراتبی باشد.
کریگ، گارسیا گارسیا و سث کورن (Seth Koren) یک تیم مطالعاتی تشکیل داده‌اند. حوزه مطالعه آن‌ها پیرامون مبحث جدیدی در زمینه گرانش کوانتومی به نام فرض گرانش ضعیف است. آن‌ها به این می‌اندیشند که اگر این فرض صحیح باشد چگونه می‌تواند باعث ایجاد شرایط با ثبات شده و از طرفی فاصله عظیم میان جرم هیگز و مقیاس پلانک را نیز به صورت طبیعی در خود داشته باشد.
دوبوفسکی در دانشگاه نیویورک حداقل از سال ۲۰۱۳ که مشخص شد ذرات مربوط به ابرتقارن برای LHC یک هدف دست‌نیافتنی است، درگیر چنین موضوعاتی بوده‌است. در همان سال او و دو همکارش به یک مدل جدید از گرانش کوانتومی دست یافتند که بحران سلسله مراتبی را حل می‌کند. در این مدل جهت پیکان تقلیل گرایی از طرف یک مقیاس واسطه به سوی هر دو جهت ریزمقیاس و بزرگ‌مقیاس می‌باشد. اما با وجود جذابیت این روش، تنها برای یک فضای دو بعدی کار می‌کرد و دوبوفسکی نمی‌توانست آن را به یک دنیای واقعی تعمیم دهد. او مدتی این مسئله را رها کرده بود، اما سال گذشته دوباره با ادغام دو مقیاس مواجه شد. او متوجه شد که بحران طبیعی بودن که در حوزه برخورد سیاهچاله‌ها بروز می‌کند به وسیله یک تقارن پنهان حل می‌شود. این تقارن سبب ارتباط بین تغییر شکل فرکانس بالا و فرکانس پایین سیاهچاله‌ها می‌شود.
دوبوفسکی هم مانند دیگر محققان معتقد است که مدل‌های کشف شده کنونی هنوز با یک انقلاب کوهنی فاصله زیادی دارند. برخی نیز فکر می‌کنند که مفهوم ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس دچار کمبود پیش‌بینی است. دیوید کاپلان (David E. Kaplan) فیزیکدان نظری دانشگاه جان هاپکینز (با دیوید کاپلان نویسنده مقاله CKN متفاوت است) می‌گوید:
در حال حاضر هیچ نشانی از نابودی چارچوب EFT وجود نداشته و من فکر نمیکنم در این مدل‌ها نیز چنین چیزی وجود داشته باشد.
این ایده (ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس) برای متقاعد کردن دیگران نیاز به شواهد آزمایشگاهی دارد. اما متاسفانه تاکنون مدل‌های ادغام موجود هیچ پیش‌بینی قابل اندازه‌گیری ارائه نداده‌اند. این مدل‌ها عموما به توجیه چرایی کشف نشدن ذرات ورای مدل استاندارد می‌پردازند در حالی که باید به پیش‌بینی وجود چنین ذراتی منجر شوند. با این حال همیشه امید به پیش‌بینی و کشف موارد جدید در حوزه کیهانشانی وجود دارد، هرچند اگر چیزی از برخورددهنده‌ها بیرون نیاید.
در نتیجه مدل‌های ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس، کوته‌بینی یک انگاره قدیمی و نظریاتی که صرفا براساس آن ساخته شده‌اند را به همگان نشان دادند: تقلیل گرایی و نظریه میدان موثر. این موضوع می‌تواند شروع یک دوره جدید باشد. دوبوفسکی می‌گوید:
من فکر می‌کنم اگر نابودی تقلیل گرایی با رفتن به مقیاس پلانک تنها سبب ضدتقلیل‌گرا شدن گرانش شود، بسیار ناامید کننده است. این موضوع احتمالا می‌تواند باعث بروز مفاهیمی عمیق‌تر در مورد پدیده‌های که در اطراف خود مشاهده می‌کنیم شود.
