بحران عمیقی که فیزیکدانان را مجبور به بازنگری قوانین بنیادین طبیعت می‌کند (قسمت اول)

محققان دهه‌ها به شکلی بی‌ثمر به دنبال کشف ذرات بنیادی جدیدی بودند که به وسیله آن‌ها دلیل شکل کنونی طبیعت را توضیح داده و با حل بحران‌های موجود در زمینه طبیعی بودن آن را تفسیر کنند. شکست‌های متعدد فیزیکدانان منجر به این شد که آن‌ها یک فرض قدیمی و مهم را بازنگری کنند: چیزهای بزرگ از چیزهای کوچک‌تر تشکیل شده‌اند. نوشتار حاضر ترجمه مقاله‌ای به قلم ناتالی ولچور (Natalie Wolchover) نویسنده و ویراستار ارشد وب‌سایت کوانتامگزین، درباره‌ی تلاش‌های انجام شده در این زمینه‌ی عمیق و بحث‌برانگیز است. دیپ لوک ضمن تبریک نوروز، شما را به مطالعه اولین قسمت از این نوشتار جذاب سه قسمتی دعوت می‌کند…

توماس کوهن (Thomas Kuhn)، فیلسوف علم معاصر، در کتاب ساختارهای انقلاب علمی بیان می‌کند که دانشمندان مدت زیادی را صرف می‌کنند تا قدم‌های کوچکی در زمینه پیشرفت علم بردارند. آن‌ها صبر کرده و در حالی که داده‌های جمع‌آوری شده را در چارچوب نظری مشخصی تفسیر می‌کنند به حل معماهای موجود می‌پردازند. این چارچوب نظری که جهان‌شمول بوده و تمام محققان به آن واقف و پایبند هستند را توماس کوهن یک انگاره (یا پارادایم paradigm) می‌نامد. با این حال در نهایت بحران‌هایی به وجود می‌آید. در این زمان دانشمندان از کار دست کشیده و شروع به بررسی مجدد فرض‌های اولیه خود می‌کنند، فرض‌هایی که شالوده و بنیان انگاره مذکور هستند. این کار در نهایت سبب تحولی انقلابی شده و یک انگاره جدید را می‌سازد. ویژگی مهم انگاره جدید این است که ما را به درک دقیق‌تر اما بسیار متفاوت از انگاره قبلی می‌رساند. در این مرحله دوباره روند علمی آغاز می‌شود، اما این بار با انگاره جدید. 

برای سال‌های متمادی فیزیکدانان حوزه ذرات بنیادی که به بررسی ساختارهای بنیادین طبیعت می‌پردازند، در میانه این بحران کوهنی قرار گرفته‌اند.

در سال ۲۰۱۶ این بحران به شکلی غیرقابل انکار بروز کرد و آن، زمانی بود که برخورد دهنده بزرگ ذرات (Large Hadron Collider – LHC) با وجود یک ارتقای اساسی نتوانست ذراتی را که موجودیت‌شان دهه‌هاست به شکل نظری اثبات شده‌است، آشکارسازی کند. این ذرات می‌توانستند معمایی را که به خاطر ذره معروف هیگز به وجود آمده‌ است حل کنند. این معما که به مسئله سلسله‌ مراتبی معروف است به این موضوع می‌پردازد که چرا بوزون هیگز جرم بسیار کمی دارد (صدها میلیون میلیارد بار سبک‌تر از بالاترین مقیاس‌های انرژی موجود در طبیعت). با توجه به انرژی‌های بالاتر موجود در طبیعت، به نظر می‌رسد جرم بوزون هیگز به نحوی غیرطبیعی کاهش یافته است، گویی اعداد موجود در معادله‌ای که مقدار جرم این ذره را تعیین می‌کنند به شکل معجزه‌آسایی خط خورده‌ و کنار گذاشته شده‌اند.

ذرات اضافی مورد انتظار می‌توانستند دلیل جرم کم هیگز را توضیح دهند و به این شکل معادلات فیزیکی را براساس گفته فیزیکدانان طبیعی کنند. اما پس از شکست LHC، که سومین و بزرگترین شتابدهنده در جهت پیداکردن این ذرات است، به نظر می‌رسد منطق ما پیرامون ذات طبیعت و آنچه طبیعی می‌دانیم دچار ایراد و خطاست. جیان جودیچه (Gian Giudice) مدیر بخش نظری موسسه سرن (CERN) که محل استقرار LHC  است در سال ۲۰۱۷ چنین می‌گوید:

ما در حال حاضر ملزم به بازنگری اصولی هستیم که دهه‌ها راهنمای حل بسیاری از مسائل و سوالات بنیادین دنیای فیزیک بوده است.

در ابتدا جامعه فیزیک ناامید شد. ایزابل گارسیا گارسیا (Isabel Garcia Garcia) نظریه‌پرداز ذرات بنیادی در موسسه فیزیک نظری در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، که در آن زمان دانشجوی تحصیلات تکمیلی بود می‌گوید:

می‌شد بدبینی و ناامیدی را حس کرد.

نه تنها برخورددهنده پروتونی ۱۰میلیارد دلاری در پاسخ به یک سوال ۴۰ ساله شکست خورد، بلکه تمام عقاید و راهبردهایی که فیزیک ذرات را هدایت می‌کردند، کارایی خود را از دست داده و غیرقابل اعتماد بودند. مردم نیز پیش از گذشته به این موضوع می‌پرداختند که شاید عالم یک پدیده مصنوعی (غیرطبیعی) و محصول معادلات دقیق و از پیش تنظیم شده (fine-tuned) ریاضی باشد. شاید یک مولتی‌ورس از چندین جهان وجود داشته باشد که در هر جهان جرم بوزون هیگز و دیگر ثابت‌های طبیعت به صورتی تصادفی تعیین شده‌است و تنها دلیل این که ما وجود داریم این است که مشخصات اولیه جهان ما خاص و ویژه هستند که منجر به تشکیل اتم‌ها، ستارگان، سیارات و در نهایت حیات شده‌اند. چنین مباحث انسان‌نگری باوجود این که می‌توانند صحیح باشند، به شکلی ناامیدکننده ناپایدار هستند. به گفته ناتانائیل کریگ (Nathaniel Craig) فیزیکدان نظری دانشگاه کالیفرنیا:

بسیاری از فیزیکدانان نظری به دیگر حوزه‌های فیزیک پرداخته‌اند تا با مسائلی به دشواری بحران سلسله مراتبی برخورد نکنند.

آن دسته از محققان که باقی مانده‌اند تلاش می‌کنند فرض‌های قدیمی را موشکافی کنند. آن‌ها شروع به تفکر مجدد در مورد آن دسته از ویژگی‌ها و مشخصاتی کرده‌اند که در ظاهر غیرطبیعی و از پیش تنظیم شده به نظر می‌رسند. دو مورد مهم شامل جرم پایین بوزون هیگز و دیگری (که تا حدی بی ارتباط به بورون هیگز به نظر می‌رسد) انرژی پایین خودِ فضاست. به گفته گارسیا گارسیا:

مسائل بنیادین مهم در واقع همان مسائلی هستند که به طبیعی بودن (naturalness) مربوط می‌شوند.

تفکر  این دانشمندان پیرامون روش‌شناسی، نتایجی را نیز به همراه داشته است. محققان در حال نزدیک شدن به پاسخ مسئله بوده و ضعف موجود را در نحوه استدلال مرسوم پیرامون علت طبیعی بودن می‌دانند. این ضعف ناشی از یک فرض به ظاهر ساده و بی‌خطر است، فرضی که از زمان یونان باستان در میان دیدگاه‌های علمی وجود داشته است: چیزهای بزرگ از چیزهای کوچک‌تر و بنیادی‌تر تشکیل شده‌اند. از این ایده به عنوان تقلیل ‎گرایی (Reductionism) نیز یاد می‌شود. نیما ارکانی حامد نظریه‌پرداز موسسه مطالعات پیشرفته پرینستون در نیوجرسی می‌گوید:

انگاره تقلیل‌ گرایی به سختی با مشکل طبیعی بودن گره خورده و درهم تنیده شده است.

 

حال طیف وسیعی از فیزیکدانان نظری معتقدند که مشکل طبیعی بودن و نتایج ناامیدکننده LHC می‌تواند به نابودی انگاره تقلیل‌گرایی منجر شود. ارکانی حامد می‌گوید:

آیا این موضوع می‌تواند قوانین بازی را تغییر دهد؟

محققان در تعدادی از مقالات اخیر خود تقلیل‌ گرایی را کنار گذاشته‌اند. آن‌ها سعی می‌کنند روش‌هایی را بیابند که در آن‌ها، ابعاد و فواصل بزرگ و کوچک با همکاری هم مقادیری برای پارامترهای اولیه طبیعت به وجود می‌آورند که از دیدگاه تقلیل‌ گرایی غیرطبیعی و ازپیش تنظیم شده به نظر برسد. گارسیا گارسیا می‌گوید:

برخی به این مسئله به عنوان یک بحران نگاه می‌کنند. این دیدگاه بسیار منفی‌گرایانه است و من حس خوبی نسبت به آن ندارم. در چنین زمان‌هایی من حس می‌کنم که در آستانه یک کشف فوق‌العاده هستیم.

طبیعی بودن چیست؟

برخورد دهنده بزرگ ذرات در سرن یک کشف حیاتی و مهم داشته‌است. در سال ۲۰۱۲ این آزمایشگاه موفق به آشکارسازی بوزون هیگز شد. بوزون هیگز یک مسئله کلیدی و مهم برای مجموعه‌ای از معادلات ۵۰ ساله با اسم مدل استاندارد ذرات (The Standard Model) است که رفتار ۱۷ ذره بنیادی را توصیف و تشریح می‌کند.

کشف بوزون هیگز در واقع تاییدی است بر یک داستان شگفت‌انگیز، که به صورت معادلات مدل استاندارد ذرات بیان شده‌ است. درست چند ثانیه پس از انفجار بزرگ موجودیتی به نام میدان هیگز که به درون فضا نفوذ کرده‌است ناگهان مملو از انرژی می‌شود. ذرات هیگز حاصل از میدان هیگز به دلیل انرژی میدان، دارای جرم هستند. زمانی که الکترون‌ها، کوارک‌ها و دیگر ذرات بنیادی با حرکت در میان این میدان با آن برهمکنش می‌کنند، دارای جرم می‌شوند.

در سال ۱۹۷۵ که این نظریه به وجود آمد طراحان آن متوجه وجود یک ایراد شدند. زمانی که هیگز به ذرات جرم می‌دهد، این ذرات نیز به صورت متقابل به بوزون هیگز جرم می‌دهند و یک رابطه دوسویه بینشان شکل می‌گیرد. فیزیکدانان می‌توانند برای بوزون هیگز یک معادله بنویسند که دارای جمله‌ی جرمی حاصل از ذرات دیگر باشد. تمام ذرات جرم‌دار مدل استاندارد ذرات باعث افزایش این جمله جرمی در معادله بوزون هیگز می‌شوند، اما عوامل دیگری نیز بر مقدار آن می‌افزایند. بوزون هیگز می‌بایست با ذرات سنگین‌تر دیگری نیز برهمکنش داسته باشد، ذراتی در حد و اندازه‌های مقیاس پلانک (سطحی از انرژی که با طبیعت کوانتومی گرانش، سیاهچاله‌ها و انفجار بزرگ در ارتباط است). میزان جرمی که پدیده‌هایی در مقیاس پلانک به بوزون هیگز القا می‌کنند بسیار عظیم است، در حدود یکصد میلیون میلیارد برابر جرم واقعی بوزون هیگز. ما انتظار داریم که جرم بوزون هیگز به همین اندازه باشد و در نتیجه سبب افزایش جرم دیگر ذرات (الکترون، کوارک و…) شود. این موضوع باعث سنگینی بیش از حد ذرات شده و مانع از تشکیل اتم‌ها و در نتیجه مواد موجود در عالم می‌شود.

برای این که هیگز با وجود چنین انرژی‌های عظیمی همچنان سبک باقی بماند، ما باید فرض کنیم که برخی از این عوامل پلانکی دارای جرم منفی و برخی دارای جرم مثبت هستند تا بدین وسیله یکدیگر را خنثی کنند و مقدار صحیحی برای جرم هیگز حاصل شود. در صورتی که ما دلیل خوبی برای چنین پدیده‌ای پیدا نکنیم، این فرض بسیار عجیب و غیرعادی است، به همان اندازه غیرعادی که ما از جریان باد و لرزش‌های میز انتظار نگه داشتن یک خودکار بر روی سر تیزش را داشته باشیم. فیزیکدانان به چنین پدیده‌های از پیش تنظیم شده‌ای که پارامترها با حذف یکدیگر به جوابی مشخص می‌رسند، غیرطبیعی (unnatural) می‌گویند.

در طی چند سال بعد فیزیکدانان به یک جواب سرراست رسیدند: ابرتقارن، یک فرضیه که باعث دوبرابر شدن ذرات بنیادی طبیعت می‌شود. ابرتقارن بیان می‌کند که به ازای هر بوزون یک همراه فرمیونی وجود دارد و برعکس. بوزون‌ها و فرمیون‌ها به ترتیب مقدار مثبت و منفی را به جرم هیگز اضافه می‌کنند. در نتیجه اگر این مقادیر همواره به صورت دوتایی و جفت وارد شوند، یکدیگر را خنثی می‌کنند.

جست و جو برای همراه ابرمتقارن ذرات (که به عنوان ابرهمراه نیز شناخته می‌شوند) در دهه نود میلادی و به وسیله ساخت شتابدهنده‌ بزرگ الکترون-پوزیترون آغاز شد. محققان فرض کردند که این ذرات، تنها اندکی سنگین‌تر از جفت‌های خود در مدل استاندارد ذرات هستند و نیاز به انرژی‌های بالاتری برای آشکارسازی دارند. بنابراین شروع به شتاب دادن ذرات تا سرعتی نزدیک به نور کرده، آن‌ها را به هم برخورد می‌دادند و در میان بقایای ناشی از خرد شدن ذرات به دنبال ابرهمراه‌های سنگین مورد نظر خود می‌گشتند.

 

در همین زمان بحران دیگری در زمینه طبیعی بودن بروز کرد. بافت فضا حتی زمانی که خالی از ماده است نیز در جوش و خروش می‌باشد که براثر عبور میدان‌های کوانتومی حاصل می‌شود. حال وقتی که فیزیکدانان مقادیر فرضی عوامل تاثیرگذار بر این پدیده را در کنار هم قرار می‌دهند نتیجه‌ای شبیه به جرم هیگز بدست می‌آید؛ بدین معنی که مقدار انرژی تزریق شده از طرف پدیده‌هایی در مقیاس پلانک آنقدر زیاد است که باید باعث از هم‌گسیختگی فضا شود. آلبرت اینشتین نشان داد که انرژی فضا که به آن ثابت کیهانشناسی می‌گفت، دارای نوعی دافعه گرانشی است و سبب انبساط هرچه سریع‌تر کیهان می‌شود. اگر فضا به وسیله انرژی‌های پلانکی اشباع می‌شد، باید لحظاتی پس از انفجار بزرگ از هم می‌پاشید، اما می‌دانیم که چنین اتفاقی نیوفتاده است.

در عوض مشاهدات کیهانشناسان از انبساط جهان، نشان از وجود یک شتاب نسبتا آرام دارد و بر این اساس ثابت کیهانشانسی باید مقدار عددی کمی داشته باشد. اندازه‌گیری‌ها در سال ۱۹۹۸ نشان داد این مقدار به اندازه یک میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون بار کمتر از انرژی پلانک است. دوباره به نظر می‌رسد که تمام انرژی موجود در معادلات به صورتی بی نقص همدیگر را خنثی کرده و فضا را در حالتی آرام و در عین حال بسیار وحشتناک قرار می‌دهد.

هر دو مشکل بزرگ مذکور که به بحران‌های طبیعی بودن معروفند تا اواخر دهه ۷۰ میلادی شناسایی و کشف شده بودند، اما فیزیکدانان این دو را غیرمرتبط با هم می‌دانستند. نیما ارکانی می‌گوید:

در این زمان مردم هنوز در فاز بی‌توجهی بودند.

از آنجایی که دلیل وجود انرژی فضا تنها اثرات گرانشی فرض می‌شد، مردم بحران ثابت کیهانشانسی را مسئله‌ای در ارتباط با جنبه‌های اسرارآمیز گرانش کوانتومی می‌دانستند. از طرفی بحران سلسله مراتبی نیز براساس گفته نیما ارکانی مشکلی برخاسته از جزئیات پیچیده تصور می‌شود که مانند برخی دیگر از مسائل مشابهی که بشر در گذشته با آن‌ها سروکار داشته است، با نمایان شدن قطعات جدید پازل طبیعت حل می‌شد. در واقع فرض بر این بود که (براساس گفته جودیچه) بیماری بوزون هیگز با کشف چند ذره ابرهمراه در LHC درمان می‌شود.

با نگاهی دقیق‌تر به گذشته، به نظر می‌رسد این دو بحران طبیعی بودن نه یک بیماری، که علائمی از وجود مشکلی عمیق‌تر هستند. به گفته گارسیا گارسیا:

بسیار مفید است که در مورد ریشه‌های این دو مشکل بیش‌تر فکر کنیم. بحران سلسله مراتبی و ثابت کیهانشانسی به صورت جداگانه ظاهر شدند، زیرا ما برای پاسخ به سوالات خود از ابزارهای مختلفی استفاده می‌کنیم. در واقع وجود تفاوت در این مسائل ناشی از روش‌های متفاوتی است که ما از طریق آن‌ها سعی در فهم ویژگی‌های جهان خود داریم.

ادامه دارد…