فیزیک

آیا افزودن ابعاد اضافی می تواند به حل معمای گرانش کوانتومی کمک کند؟

توسط آندری فلدمن | 5 سپتامبر 2024

افزودن ابعاد اضافی به نظریه ای به نام "گرانش فازی" ممکن است به پر کردن شکاف بین مکانیک کوانتومی و نسبیت کمک کند.

یک مطالعه اخیر به سمت حل یکی از بزرگترین معماهای فیزیک گام برداشته است: شامل تمام ذرات شناخته شده و برهمکنش های موجود در نظریه گرانش کوانتومی.

راه حل این است که توصیف کوانتومی گرانش را که «گرانش فازی» نامیده می‌شود، با معرفی ابعاد اضافی به فضازمان اصلاح کنیم. در این نظریه، فضازمان نه به عنوان یک موجود پیوسته بلکه توسط شبکه ای از نقاط گسسته در نظر گرفته می شود و افزودن ابعاد اضافی به این شبکه منجر به وقوع میدان ها و ذرات دیگر می شود.

اصل چالش در توسعه نظریه کوانتومی گرانش در ناسازگاری نظریه کوانتومی با نظریه نسبیت عام اینشتین است که گرانش را به عنوان انحنای فضازمان توصیف می کند.

از سوی دیگر، مکانیک کوانتومی، رفتار ذرات را در کوچکترین مقیاس ها کنترل می کند. تلاش‌ها برای یکسان کردن این چارچوب‌ها اغلب منجر به پیش‌بینی‌ها و نتایج بی‌معنی شده‌اند که به وضوح با واقعیت مشاهده‌شده در تضاد هستند.

اینها به این دلیل به وجود می آیند که هر چه مقیاسی که در آن ما هندسه فضا-زمان را با استفاده از ماشین های ریاضی ترکیبی نسبیت عام و مکانیک کوانتومی بررسی می کنیم، کوچکتر می شود، نوسانات کوانتومی در ویژگی های این هندسه وحشی تر می شود و منجر به وقوع پیش بینی های بی معنی در مورد برهم کنش میدان گرانشی با خود و با میدان ها و ذرات دیگر.

افزایش گرانش فازی

یکی از رویکردهای رایج برای پرداختن به این معم، اصلاح نسبیت عام، جایگزینی آن با یک نظریه گرانشی جایگزین است که از نزدیک پیش‌بینی‌های انیشتین را در مقیاس‌های بزرگ‌تر منعکس می‌کند، اما دیدگاه متفاوتی در مورد فضازمان در سطح کوانتومی ارائه می‌دهد.

در این مقیاس‌های میکروسکوپی، جایی که اثرات کوانتومی قابل توجه می‌شوند، هدف این نظریه‌های جایگزین ارائه توصیف دقیق‌تری است.

در مطالعه حاضر ، دانشمندان تصمیم گرفتند که یک فرضیه خاص جذاب را که به عنوان گرانش فازی شناخته می شود، بررسی کنند. برخلاف نسبیت، گرانش فازی مشاهده می‌کند که فضازمان ممکن است گسسته باشد تا پیوسته، متشکل از تعداد بی‌شماری از نقاط جدا شده و غیرجابه‌جایی است.

در فضای غیر جابه‌جایی، ترتیب ضرب مختصات فضایی مهم است - مفهومی که کاملاً در تضاد با درک معمول ما از هندسه است، جایی که مساحت یک مستطیل یکسان است چه طول آن را در عرضش ضرب کنیم یا برعکس. این ایده ریشه در مکانیک کوانتومی دارد، جایی که کمیت‌هایی که در توصیف کلاسیک طبیعت جایگزین هستند، مانند موقعیت و سرعت یک ذره، دیگر چنین نیستند.

در حالی که یک احتمال جالب، گرانش فازی بدون نقص نیست، مهم ترین آن این است که توصیف کوانتومی ثابتی از گرانش ارائه می دهد و نه از دیگر برهم کنش های فیزیکی اساسی، مانند الکترومغناطیسی، ضعیف، قوی، و همچنین اولیه. ذراتی مانند الکترون ها و کوارک ها که ماده را تشکیل می دهند. یک نظریه واقعاً بنیادی جهان زیراتمی باید همه را در بر گیرد.

برای تلاش برای حل این مشکل، تیم یک رویکرد کلی برای یکپارچه کردن تعاملات با در نظر گرفتن فضازمان با ابعاد بالاتر دنبال کرد، ایده ای که برای اولین بار نزدیک به یک قرن پیش توسط کالوزا و کلاین ارائه شد.

آنها دریافتند که اگر زمان و سه بعد فضایی توسط جهت‌های اضافی، گسسته و غیرجابه‌جایی بسط داده شوند، برهمکنش آن‌ها با یکدیگر و فضازمان چهار بعدی معمول منجر به برهمکنش ذرات بنیادی بسیار شبیه به آنچه مشاهده می‌کنیم خواهد شد.

آزمایش های آینده چگونه می توانند کمک کنند

با این حال، مانند بسیاری از تلاش‌ها برای توسعه نظریه کوانتومی گرانش، مدل آن‌ها پیش‌بینی می‌کند که انحرافات قابل توجهی از نسبیت عام تنها در مقیاس‌های فوق‌العاده کوچک - به ترتیب طول پلانک، تقریباً 10 تا 35 متر رخ می‌دهد. این تقریباً 20 مرتبه کوچکتر از مقیاسی است که حتی توسط قدرتمندترین شتاب دهنده های ذرات، مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون، بررسی می شود. در نتیجه، تأیید تجربی این مدل نظری یک کار فوق‌العاده چالش‌برانگیز باقی می‌ماند.

علیرغم این چالش ها، این امیدواری وجود دارد که اثرات گرانش کوانتومی در نهایت از طریق آزمایش های در دسترس تر آزمایش شود. برخی پیشنهادها نشان می‌دهند که حتی آزمایش‌های روی میز، مانند اندازه‌گیری دقیق رفتار آونگ ، کشش گرانشی تجربه شده توسط یک جسم معلق، یا آزمایش‌های جهانی بودن سقوط آزاد ، ممکن است اثرات گرانش کوانتومی ظریف را نشان دهد. اگر چنین آزمایش‌هایی قابل تحقق باشند، ممکن است ابزاری برای آزمایش پیش‌بینی‌های نظری نویسندگان فراهم کنند.

در همین حال، تیم تحقیقاتی هیچ برنامه ای برای توقف تحقیقات خود ندارند. آنها قصد دارند به کاوش ادامه دهند که آیا رویکرد آنها، یا رویکردهای مشابه، می تواند ذرات و تعاملاتی را که ما در طبیعت مشاهده می کنیم به طور کامل توضیح دهد - مفهومی که به عنوان پدیدارشناسی ذرات شناخته می شود.

این شامل بررسی امکان توصیف این پدیده ها در چارچوب گرانش غیر جابه جایی، حتی در یک فضای پیوسته است.

«برنامه ما این است که طرح‌های یکسان‌سازی مورد بحث در کار حاضر و همچنین طرح‌های [بررسی‌شده در مطالعات قبلی] را که نسخه پیوسته [نظریه گرانش] مورد بررسی در اینجا است، از پدیدارشناسی و نیز بررسی کنیم. دیدگاه‌های کیهان‌شناختی،” نویسندگان نوشتند.

https://www.advancedsciencenews.com/could-adding-extra-dimensions-help-solve-the-quantum-gravity-puzzle/