بحرانی عمیقی که فیزیکدانان را مجبور به بازنگری قوانین بنیادی طبیعت می‌کند(قسمت دوم)

در قسمت قبل به بررسی بحران طبیعی بودن پرداختیم و دو مورد از نتایج آن را بررسی کردیم و دیدیم که با وجود آزمایشگاه چندین میلیاردی سرن هنوز نتوانسته‌ایم پاسخی برای این دو مسئله غامض فیزیک بنیادی پیدا کنیم؛ با این وجود دانشمندان دست از تلاش برنداشته و راه‌حل‌هایی جذاب اما انقلابی ارائه داده‌اند. حال با ادامه ترجمه این نوشتار با دیپ لوک همراه باشید…

تقلیل‌گرایی به شکلی دقیق ساخته شده است!

فیزیکدانان عوامل موثر بر جرم هیگز و ثابت کیهانشناسی را با روشی عجیب بررسی می‌کنند. این روش محاسبه نمایانگر ساختار عجیب و تودرتوی طبیعت می‌باشد (شبیه به عروسک‌های روسی که عروسک‌های کوچک‌تری در دل هر عروسک بزرگ‌تر قرار دارد).

با دقیق شدن در هرچیزی متوجه می‌شویم که در حقیقت از چیزهای کوچکتری ساخته شده‌است. چیزی که از دور یک کهکشان دیده می‌شود، اجتماعی از چندین ستاره است و هریک از ستارگان از تعداد زیادی اتم، و هر اتم از تعدادی ذره زیراتمی به وجود آمده است. به همین ترتیب، اگر با دقت به مقیاس‌های کوچک فاصله نگاه کنیم، شاهد ذرات و پدیده‌های سنگین‌تر با انرژی‌های بیش‌تر خواهیم بود؛ یک ارتباط فوق‌العاده بین فواصل کوتاه و انرژ‌ی‌های بالا وجود دارد که توضیح می‌دهد چرا شتابدهنده‌های پرانرژی ذرات، میکروسکوپ‌های کیهانی هستند. در فیزیک برای نشان دادن رابطه بین انرژی زیاد و ابعاد کوچک از تمثیل‌های زیادی استفاده می‌کنند. برای مثال در مکانیک کوانتومی، هر ذره یک موج می‌باشد و هرچه جرم ذره بیش‌تر شود، طول موج آن کوتاه‌تر است. همچنین برای تشکیل ذرات کوچک‌تر نیاز است که انرژی بیشتری صرف کنید. فیزیکدانان برای اشاره به فیزیک انرژی‌های پایین و اندازه‌های بزرگ از عبارت فروسرخ (IR) و در مقابل برای فیزیک انرژی‌های بالا و انداره‌های کوچک از ماورابنفش (UV) استفاده می‌کنند که اشاره به رابطه معکوس طول موج و انرژی امواج نور دارد.

در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ میلادی کنت ویلسون (Kenneth Wilson) و استیون واینبرگ (Steven Weinberg) دو فیزیکدان نامی در حوزه ذرات بنیادی، نگاه خود را به شگفتی ساختار سلسله‌مراتبی در طبیعت معطوف نمودند. نکته جالب در این ساختار این است که به ما اجازه می‌دهد بدون دانستن اتفاقاتی که در سطح ریزمقیاس یا همان ماورابنفش می‌افتد، بتوانیم در سطح بزرگ‌مقیاس یا همان فروسرخ کار کرده و مدل‌سازی کنیم. برای مثال ما می‌توانیم جریان آب را با معادلات هیدرودینامیکی به صورت مایعی روان توصیف کنیم، بدون اینکه به جزئیات مربوط به دینامیک پیچیده مولکول‌های آب بپردازیم. معادله هیدرودینامکی مذکور شامل جمله‌ای می‌شود که نشانگر گرانروی (viscosity) مایع است؛ این جمله تنها یک عدد است که در شرایط فروسرخ (بزرگ‌مقیاس) اندازه‌گیری شده و شامل تمام برهمکنش‌هایی است که در سطح ماورابنفش (ریزمقیاس) میان مولکول‌های مایع وجود دارد. فیزیکدانان می‌گویند که بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس از هم جدا هستند، چرا که آن‌ها می‌توانند بدون دانستن جزئیات و ویژگی‌های مقیاس پلانک، جهان و ویژگی‌های آن را توصیف کنند. در حقیقت مقیاس پلانک، حد نهایی مقیاس ماورابنفش (ریزمقیاس) است که در آن فاصله چیزی در حدود یک میلیارد تریلیارد تریلیاردم سانتی‌متر (۱۰^-۳۳ cm) و انرژی چیزی در حدود ۱۰ میلیارد میلیارد گیگا الکترون‌ولت می‌باشد. در این مقیاس نیز احتمالا ساختار فضازمان از چیز دیگری تشکیل شده است.

 

به گفته ریکاردو راتاتزی (Riccardo Rattazzi) فیزیکدان نظری موسسه پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL) سوئیس:

ما می‌توانیم تحقیقات خود را در حوزه فیزیک پیش ببریم تنها به این دلیل که نیازی به دانستن جزئیات ریزمقیاس نداریم.

ویلسون و واینبرگ به صورت جداگانه، قطعات چارچوبی را توسعه دادند که فیزیکدانان ذرات برای مدل‌سازی جهان تودرتوی ما از آن استفاده می‌کنند. در قالب همین چارچوب نظری، که به نظریه میدان موثر (Effective Field Theory-EFT) مشهور است، بحران‌های طبیعی بودن بروز می‌کنند.

هر نظریه در قالب EFT، یک سیستم مشخص (برای مثال مجموعه‌ای از پروتون‌ها و نوترون‌ها) را در محدوده‌ی معینی از مقیاس‌های فیزیکی، توصیف و مدل‌سازی می‌کند. اگر به پروتون‌ها و نوترون‌های این سیستم به شکل دقیق‌تر نگاه کنیم بعد از مدتی همچنان شبیه به پروتون و نوترون رفتار می‌کنند. چنین سیستمی به وسیله نظریه میدان موثر کایرال (chiral effective field theory) توصیف می‌شود. اما یک EFT زمانی که به مقطع (cutoff یا محدوده جداکننده) ریزمقیاس خود می‌رسد، در ابعاد کوچک و انرژی‌های بالا توانایی توصیف خود را از دست داده و اصطلاحا بی‌اثر می‌شود. برای مثال در سیستم پروتون-نوترونی با رسیدن به انرژی ۱ گیگا الکترون‌ولتی، نظریه میدان موثر کایرال بی‌اثر شده و دیگر نمی‌تواند سامانه را توصیف کند (بنابراین برای این سیستم محدوده ۱ گیگا الکترون‌ولتی مقطع انرژی به شمار می‌آید). در این شرایط هر یک از ذرات مذکور شکل تک ذره‌ای خود را از دست داده و طوری رفتار می‌کنند که انگار از سه ذره دیگر یعنی کوارک‌ها تشکیل شده‌اند. اینجاست که یک نظریه جدید بوجود می‌آید.

اما موضوع مهم‌تر این است که یک نظریه در قالب EFT، بنا به یک دلیل مشخص در مقطع ریزمقیاس خود دچار ایراد شده و نابود می‌شود. مقطع ریزمقیاس جایی است که یک ذره یا پدیده نوظهور با انرژی بالاتر نمایان می‌شود در حالی که وجود آن در نظریه پیشین پیش‌بینی نشده بود.

به منظور سازگاری کردن یک EFT با حالات پایین‌تر از مقطع ریزمقیاس، تصحیحاتی به آن اضافه می‌شود که نمایانگر تاثیرات ناشناخته در این شرایط است. دقیقا شبیه به جمله گرانروی در معادله هیدرودینامیکی یک مایع. این جمله نمایانگر برخوردهای ریزمقیاس در سطح مولکول‌هاست، اما هیچ جزئیاتی از آن را شامل نمی‌شود. فیزیکدانان برای اضافه کردن تصحیحات مورد نظر نیازی به دانستن جزئیات فیزیکی این پدیده‌ها ندارند؛ آن‌ها تنها از این مقیاس‌ها برای تخمین بزرگی اثرات حاصل از پدیده‌های ریزمقیاس (و در نتیجه بزرگی مقدار عددی تخمین‌ها) استفاده می‌کنند.

معمولا زمانی که در حال اندازه‌گیری پدیده‌ه‍ایی در حالت بزرگ‌مقیاس هستیم، تصحیحات ریزمقیاس به نسبت ابعاد طول مقطع آن کوچک است (و بعضا قابل چشم پوشی). اما زمانی که با استفاده از EFT سعی در اندازه‌گیری پارامترهای مربوط به جرم و انرژی (مانند جرم هیگز یا ثابت کیهانشناسی) دارید، شرایط متفاوت می‌شود. در این شرایط تصحیحات مربوط به ریزمقیاس بزرگ می‌شوند، چرا که جهت دستیابی به مقادیر صحیح، لازم است پارامترها متناسب با انرژی مقطع ریزمقیاس (و نه ابعاد طول آن) محاسبه شوند. در این شرایط با وجود کوچک بودن ابعاد طول، انرژی بسیار بزرگ است. چنین پارامترهایی را اصطلاحا حساس به ریزمقیاس (UV-sensitive) می‌گویند.

در دهه ۷۰ میلادی، مفهوم طبیعی بودن با نظریه میدان موثر ترکیب شد تا یک استراتژی برای تعیین نقطه قطع نظریه EFT و ظهور یک فیزیک جدید ایجاد شود. منطق حاصل به این ترتیب بیان می‌شود: اگر مقدار جرم یا انرژی یک پارامتر، مقطع ریزمقیاس بالایی دارد، مقدار آن به شکلی طبیعی باید بزرگ باشد و در نتیجه تصحیحات ریزمقیاس نیز مقدار آن را افزایش می‌دهند. و برعکس، اگر مقدار پارامتر کوچک باشد، مقطع ریزمقیاس انرژی نیز کوچک است.

برخی منتقدان، طبیعی بودن را به عنوان یک ترجیح زیبایی‌شناسی محض شناخته و رد می‌کنند. اما دیگران به زمانی اشاره می‌کنند که این استراتژی، حقایق پنهان و دقیقی از طبیعت را آشکار می‌کند. ناتانیل کریگ می‌گوید:

این منطق جوابگوست. بحران‌های طبیعی بودن همواره به عنوان یک علامت مشخص کننده مکان‌هایی هستند که تصویر طبیعت تغییر کرده و چیزهای جدید ظاهر می‌شوند.

طبیعی بودن چه کاری می‌تواند انجام دهد؟

در سال ۱۹۷۴ میلادی یعنی چند سال پیش از ابداع واژه طبیعی بودن، ماری کاترین گیلارد (Mary K. Gaillard) و بن لی (Ben Lee) به وسیله همین استراتژی موفق به پیش‌بینی ذره‌ای شدند که تا آن زمان فرضی قلمداد می‌شد. این ذره که اکنون کوارک افسون (Charm Quark) نام دارد ظرف مدت چند ماه بعد از این پیش‌بینی، مشاهده شد. کریگ در این زمینه می‌گوید:

موفقیت این دو نفر و ارتباط آن با بحران سلسله‌مراتبی به شکلی گسترده در حوزه کاری ما نادیده گرفته می‌شود.

در تابستان سال ۱۹۷۴، گیلارد و لی در حال حل مشکل اختلاف جرم میان دو ذره کائونی بودند (ذراتی که از ترکیب کوارک‌ها به وجود می‌آیند). مقدار تفاوت اندازه‌گیری شده کم بود. اما زمانی که آن‌ها سعی در محاسبه این اختلاف جرم به وسیله یک معادله EFT داشتند، مقدار محاسبه شده بسیار زیاد بدست آمد (شبیه به اختلاف موجود میان جرم واقعی هیگز و جرم محاسبه شده برای آن). از آن‌جایی که پارامتر مورد بررسی از نوع جرم است، نسبت به ریزمقیاس حساس بوده و نیازمند تصحیحاتی با انرژی بالاست که حاصل یک فیزیک ناشناخته در مقطع ریزمقیاس است. اندازه مقطع این نظریه هنوز ناشناخته بود اما فیزیکدانان معتقد بودند که نمی‌تواند مقدار خیلی زیادی داشته باشد؛ چرا که در غیراینصورت اختلاف جرم کائون متناسب با تصحیحات بسیار کم می‌شد (یا به عبارت امروزی جرم به شکلی غیرطبیعی کاهش می‌یافت.) گیلارد و لی این مقطع کوچک را (که از EFT حاصل می‌شود) به عنوان محل ظهور فیزیک جدید قلمداد کردند. آن‌ها ادعا کردند که کوارک جدید (همان کوارک افسون) باید جرمی کمتر از ۱.۵ گیگا الکترون‌ولت داشته باشد.

سه ماه بعد کوارک افسون با جرمی معادل ۱.۲ گیگا الکترو‌ولت آشکارسازی شد. این کشف آغازگر دوره‌ای از رنسانس در مفاهیم و بینش فیزیکدانان شد که به انقلاب نوامبر شهرت دارد و در نهایت منجر به تکمیل مدل استاندارد ذرات شد. گیلارد که اکنون ۸۲ سال سن دارد در یک تماس تصویری عنوان کرد که در زمان آشکارسازی این ذره درحال بازدید از سرن و در اروپا به سر می‌برده است. لی برای او یک تلگرام فرستاد:

افسون پیدا شد!

 

چنین دستاوردهایی باعث می‌شود فیزیکدانان مطمئن باشند که بحران سلسله‌مراتبی نیز به ذرات جدیدی منتهی می‌شود که چندان سنگین‌تر از ذرات فعلی در مدل استاندارد ذرات نیستند. اگر ابعاد مقطع مدل استاندارد ذرات به مقیاس پلانک نزدیک بود (جایی که محققان می‌دانند مدل استاندارد کارایی ندارد چون شامل گرانش کوانتومی نمی‌شود)، تصحیحات ریزمقیاس برای هیگز بسیار بزرگ می‌شد در نتیجه وزن سبک آن غیرطبیعی به نظر می‌رسید. وجود یک مقطع انرژی با اندازه‌ای کمی بیش‌تر از جرم بوزون هیگز سبب می‌شود که جرم هیگز نیز به سنگینی تصحیحاتی باشد که ناشی از مقطع بوده و همه چیز طبیعی به نظر برسد. گارسیا گارسیا می‌گوید:

این گزینه نقطه شروع کاری است که به مدت چهل سال در جهت حل بحران سلسله‌مراتبی انجام شده‌است. در این مدت مردم ایده‌های جذابی را پیشنهاد می‌دادند. برای مثال ابرتقارن و یا غیربنیادی (مرکب) بودن هیگز. اما ما هیچ شاهدی برای آن‌ها در طبیعت پیدا نکردیم.

گارسیا گارسیا چندسالی مشغول کار بر روی رساله دکترای خود در موضوع فیزیک ذرات در دانشگاه هاروارد بود که در سال ۲۰۱۶ تصمیم به تحقیق در این حوزه گرفت. او می‌گوید:

در همان زمان من مشتاق به کار بر روی موضوع از قلم‌افتاده‌ای شدم که معمولا در حین چنین پروژه‌هایی (در حوزه ذرات بنیادی) وارد نمی‌شود: گرانش. و این موضوع که احتمالا چیزهای زیادی در حوزه گرانش کوانتومی وجود دارد که در نظریه میدان موثر به آن اشاره‌ای نشده است.

گرانش همه چیز را به هم می‌ریزد!

نظریه‌پردازان در دهه ۸۰ میلادی متوجه شدند که گرانش از قوانین تقلیل‌ گرایی پیروی نمی‌کند. اگر شما دو ذره را با سرعت کافی به هم برخورد دهید، انرژی حاصل در نقطه برخورد به قدری متراکم می‌شود که یک سیاهچاله به وجود می‌آید؛ یک ناحیه با گرانش بسیار زیاد که امکان فرار هیچ ماده‌ای از آن وجود ندارد. حال اگر سرعت ذرات را از این هم بیش‌تر کنیم نتیجه یک سیاهچاله بزرگ‌تر می‌شود. در این حالت می‌بینیم که انرژی بیش‌تر سبب دسترسی به فواصل کم‌تر نمی‌شود؛ درست برعکس چیزی که قبلا مشاهده کرده‌ایم. پس هرچه ذرات را محکم‌تر به هم بزنید منطقه غیرقابل مشاهده (افق رویداد ساهچاله) بزرگ‌تر می‌شود. سیاهچاله‌ها و نظریه گرانش کوانتومی که شرایط درون آن‌ها را توصیف می‌کند، رابطه معمول بین انرژی‌های بالا و فواصل کوتاه را برعکس می‌کنند. سرگئی دوبوفسکی (Sergei Dubovsky) فیزیکدان دانشگاه نیویورک می‌گوید:

گرانش ضدتقلیل‌گراست.

به نظر می‌رسد گرانش کوانتومی ساختار طبیعت را با تمسخر سیستم‌های بی‌عیب و تودرتویی که فیزیکدانان حوزه EFT به آن عادت دارند، به بازی گرفته‌است. کریگ نیز مانند گارسیا گارسیا پس از نتایج بی‌حاصل LHC شروع به تفکر درباره استفاده از گرانش در نظریاتش کرد. کریگ، مقاله‌ی سال ۲۰۰۸  جودیچه را برای دست‌یابی به ایده‌های جدید در جهت حل بحران سلسله‌مراتبی فراخوانی کرد. او مشتاق بود بداند منظور جودیچه از بیان این که “راه‌حل بحران ثابت کیهانشناسی ممکن است شامل برخی از تعاملات پیچیده میان حالت ریزمقیاس و بزرگ‌مقیاس باشد” چیست. اگر میان دو حالت بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس تعاملی وجود داشته باشد، باعث جلوگیری از فاصله معمول میان این دو شده و کارایی نظریه میدان موثر را از بین می‌ببرد. کریگ می‌گوید:

من فقط در گوگل عبارت ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس (UV-IR mixing) را جست و جو کردم که در نتیجه، به دو مقاله فوق‌العاده در سال ۱۹۹۹ رسیدم.

ادغام بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس توانایی این را دارد که با کنار گذاشتن ساختار تقلیل‌گرایی در EFT، مسائل طبیعی بودن را حل کند. در چارچوب EFT بحران‌های طبیعی‌بودن مانند جرم هیگز و ثابت کیهانشناسی نسبت به ریزمقیاس حساس هستند، اما با این حال شرایط را ناپایدار نکرده و سیستم از بین نمی‌رود. انگار که بین متغیرهای فیزیکی در سطح ریزمقیاس هماهنگی وجود دارد که اثرات پارامترهای آن سطح را بر روی سطح بزرگ‌مقیاس از بین ببرند و شرایط را پایدار کنند. در حالی که کریگ معتقد است براساس منطق نظریه میدان موثر چنین چیزی ممکن نیست. تقلیل‌گرایی بیان می‌کند که فیزیک بزرگ‌مقیاس از فیزیک ریزمقیاس به وجود آمده‌است و نه برعکس (درست مانند اثر گرانروی آب که به خاطر دینامیک مولکولی مایع است، یا ویژگی‌های پروتون که ناشی از مشخصات کوارک‌های تشکیل دهنده آن است). ریزمقیاس نمی‌تواند از بزرگ‌مقیاس تاثیر بپذیرد و یا به وسیله آن توصیف شود؛ بنابراین اثرات ریزمقیاس نمی‌توانند با هم دسیسه‌چینی کنند تا باعث شوند شرایط پایداری برای وجود ذره هیگز در مقیاس دیگر فراهم شود. در اینجا کریگ یک سوال مهم می‌پرسد:

آیا در چنین شرایطی منطق نظریه میدان موثر از بین نمی‌رود؟

شاید واقعا یک رابطه دوطرفه میان ریزمقیاس و بزرگ‌مقیاس وجود دارد که به صورت متقابل یکدیگر را توصیف و توجیه می‌کنند. به گفته کریگ:

این موضوع چندان هم نامحتمل نیست، چرا که ما می‌دانیم گرانش چنین کاری را می‌کند. گرانش استدلال‌های عادی EFT را نقض می‌کند، زیرا باعث ترکیب فیزیک در تمام مقیاس‌ها (بزرگ‌مقیاس و ریزمقیاس) می‌شود. به همین دلیل گرانش عبور از EFT را ممکن می‌کند.

ادامه دارد…