میکو پارتانن و یوکا تولکی فیزیکدانان دانشگاه آلتو فنلاند، رویکرد جدیدی برای درک نیروی گرانش ارائه کردهاند که به گفتهی آنان با مدل استاندارد فیزیک ذرات، یعنی نظریهای که سه نیروی بنیادی دیگر جهان (نیروی قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی) را توصیف میکند، سازگار است.
به گزارش تکناک، سالها است که دانشمندان میکوشند گرانش را با مدل استاندارد فیزیک ذرات، که سه نیروی اصلی طبیعت یعنی الکترومغناطیس، نیروی هستهای قوی و نیروی هستهای ضعیف را توصیف میکند، یکپارچه کنند.
اما گرانش به دلیل ناسازگاری با قوانین فیزیک کوانتومی همواره معما باقی مانده است.اما اکنون امید میرود میککو پارتانن و یوکا تولکی با این نظریه این گره علمی را بگشاید.
پارتانن میگوید: «اگر این نظریه به یک نظریه کامل میدان کوانتومی گرانش تبدیل شود، میتواند به پرسشهای کلیدی همچون درک تکینگیهای سیاهچالهها و لحظه آغازین مهبانگ پاسخ دهد.»
وی میافزاید: «نظریهای که تمامی نیروهای بنیادی طبیعت را در قالبی منسجم توصیف کند، نظریه همهچیز خوانده میشود. هنوز سوالاتی مانند چرایی برتری ماده نسبت به پادماده در جهان قابل مشاهده، بیپاسخ باقی مانده است.»
مدل استاندارد با استفاده از قواعد دقیق ریاضی، تعاملات ذرات را توصیف میکند، اما نیروی گرانش در قالب نسبیت عام اینشتین، بر مبنای مفاهیمی پیچیده و بینهایتبعدی از فضا-زمان بنا شده و به همین دلیل در چارچوب مدل استاندارد جای نگرفته است.
پارتانن و تولکی راهکاری نوین ارائه کردهاند که در آن نیروی گرانش همچون نیروی الکترومغناطیس در مدل استاندارد، در قالب یک نظریه پیمانهای تعریف میشود. آنان با استفاده از نمایش هشتاسپینوری لاگرانژین و افزودن کمیتی به نام میدان ابعاد فضا-زمان، موفق به انتقال اطلاعات اسپینوری هشتبعدی به فضا-زمان چهاربعدی شدهاند.
پژوهشگران با بهرهگیری از چهار تقارن U(1)، نظریه جدیدی از گرانش را تدوین کردهاند. در این نظریه، عملکرد گرانش ناشی از همین تقارنها است و به ارائه توصیف دقیق ریاضی از تانسور انرژی-تکانه که منشأ گرانش محسوب میشود، منجر شده است.
این نظریه در حالت خاصی موسوم به پیمانه وایتسنبوک، نسخهای از نسبیت عام با عنوان معادل تلهپاراالل نسبیت عام (TEGR) ارائه میدهد و همچنین گرانش را در قالب متریک مینکوفسکی که در نظریههای میدان کوانتومی نقش کلیدی دارد، تعریف میکند.
برخلاف نسبیت عام اینشتین که متریک فضا-زمان را مستقیماً به گرانش پیوند میدهد، در نظریه جدید، متریک مینکوفسکی به عنوان بخش بنیادی ساختار شناخته میشود و این امکان را فراهم میآورد که گرانش و سایر نیروهای مدل استاندارد در یک چارچوب ریاضی واحد توصیف شوند.
یکی از چالشهای اساسی در نظریههای کوانتومی گرانش، جلوگیری از بروز نتایج بینهایت در محاسبات است. به همین منظور، پارتانن و تولکی روش تنظیم مجدد (Renormalization) را بهکار گرفتهاند تا محاسبات در سطوح پایین نظریه به نتایج محدود ختم شود و قوانین فاینمن را برای نظریه خود تدوین کردهاند.
این پژوهش همچنین نشان داده است که نظریه از تقارن BRST که شرط اصلی نظریههای پیمانهای است، پیروی میکند و برخوردار بودن این مدل از ثابت کوپلینگ بدون بعد، نویدبخش ارائه یک نظریه کامل و قابل تنظیم کوانتومی از گرانش است؛ مسئلهای که پیشینیان موفق به حل آن نشده بودند.
با این حال، پژوهشگران تأکید کردهاند که باید کارایی تنظیم مجدد در سطوح بالاتر محاسبات نیز بررسی شود. تولکی توضیح میدهد: «در صورت عدم موفقیت تنظیم مجدد در سطوح بالاتر، نتایج بینهایت حاصل خواهد شد. بنابراین باید اثبات شود که این فرآیند در مراتب بالاتر نیز پابرجاست.»
پارتانن در پایان ابراز امیدواری میکند و میگوید: «نمیتوانم زمان دقیق را بگویم، اما مطمئن هستم که در چند سال آینده اطلاعات بیشتری در این زمینه خواهیم داشت.» پژوهشگران امیدوارند که انتشار یافتههای خود، دیگر دانشمندان را به بررسی، آزمایش و توسعه بیشتر این نظریه ترغیب کند.
در صورت موفقیت این نظریه، درک بشر از گرانش دچار تحولی اساسی خواهد شد؛ چنان که کشفیات اینشتین در زمان خود موجب توسعه فناوریهایی چون سامانههای موقعیتیابی جهانی (GPS) شد. به همین ترتیب، این نظریه جدید نیز میتواند دروازههایی تازه به سوی دستاوردهای شگرف علمی بگشاید.
