هفت نامزد برای نظریه همه‌چیز

محمود حاج‌زمان: دستیابی به نظریه همه‌چیز، نظریه واحدی که می‌تواند رفتار عالم را توصیف کند، یکی از بزرگ‌ترین رویاهای علم است. اگر این نظریه روزی کشف شود، طرزکار عالم را در بنیادی‌ترین سطح آن توصیف خواهد کرد و درک کاملی از طبیعت را برای ما فراهم می‌کند. این نظریه همچنین پاسخی برای برخی از معماهای دیرپای فیزیک خواهد بود، معماهایی مانند اینکه ماده تاریک چیست، چرا زمان تنها در یک جهت حرکت می‌کند و یا اینکه گرانش چطور عمل می‌کند. استیفن هاوکینگ در این خصوص جمله مشهوری دارد که می‌گوید: «چنین نظریه‌ای پیروزی نهایی عقل انسان خواهد بود و در آن هنگام، ما از آن‌چه در فکر خداوند می‌گذرد، آگاه خواهیم بود.»

به گزارش نیوساینتیست، لازم نیست که علمای مذهبی و متخصصان الهیات خیلی هم نگران باشند. علی‌رغم دهه‌ها تلاش، پیشرفت به کندی صورت می‌گیرد. به غیر از یک یا دو تئوری که می‌توان به واسطه شواهد موجود درباره آنها قضاوت کرد، تعداد زیادی نظریه و تعداد بسیار اندکی نشانه برای بررسی درستی هرکدام از این نظریه‌ها وجود دارد.

نظریه ریسمان
این نظریه احتمالا بهترین نامزد شناخته شده برای نظریه همه‌چیز است. همچنین بیشترین مطالعات نیز درباره این نظریه انجام شده است. بر اساس این نظریه، ذرات بنیادینی که ما مشاهده می‌کنیم در واقع اصلا ذره نیستند، بلکه ریسمان‌های کوچکی هستند که به دلیل کوچکی زیاد، از نظر ابزارهای علمی به شکل ذره دیده می‌شوند.

ریاضیات مربوط به نظریه ریسمان مبتنی بر ابعاد فضایی اضافه‌ای است که بشر نمی‌تواند آنها را مستقیما تجربه کند. اگرچه این نظریه خیلی افراطی به نظر می رسد، اما بسیاری از نظریه‌پردازها رویکرد ریسمان را بسیار ظریف و هوشمندانه یافته‌اند. بر همین اساس نسخه‌های فراوانی بر مبنای نظریه پایه ارائه شده که به‌نظر می‌رسد قادر به حل معماهای عالم باشند؛ با این وجود دو چالش مهم وجود دارد که این نظریه باید بر آنها غلبه کند.

نخست اینکه نظریه‌پردازان ریسمان باید تلاش کنند تا پیش‌بینی‌های جدیدی را که قابل آزمایش کردن باشد، ارائه دهند؛ در غیر این‌صورت نظریه ریسمان تنها در حد یک نظریه باقی خواهد ماند.

چالش دوم این است که نسخه‌های زیادی از نظریه ریسمان وجود دارد. هر کدام از این نسخه‌ها می‌تواند درست باشد و به سختی می‌توان تنها یکی از آنها را انتخاب کرد. برای حل این مشکل، برخی از فیزیکدانان، چارچوب کلی‌تر را که اِم.تئوری (M-Theory) نامیده می‌شود پیشنهاد می‌کنند که بسیاری از نسخه‌های نظریه‌های ریسمان را با یکدیگر متحد کند.

اما این نسخه هم مشکلات خود را دارد. بسته به اینکه شما چطور این نظریه را تنظیم کنید، نظریه ام می‌تواند 10 به توان 500 دنیا را توصیف کند. برخی از فیزیکدانان استدلال می‌کنند که این دلیلی بر وجود دنیاهای موازی است، اما برخی دیگر می‌گویند این مساله نشان‌دهنده آزمون ناپذیر بودن نظریه ریسمان است.

مثلث‌بندی دینامیکی سببی (CDT)
مثلث‌بندی دینامیکی سببی (Causal Dynamical Triangulations) در نگاه اول بسیار شبیه نظریه گرانش کوانتومی حلقوی به‌نظر می‌رسد. مشابه نظریه گرانش کوانتومی حلقوی که فضا را به قطعات‌های پایه تفکیک می‌کند، در نظریه CDT فرض می‌شود که ساختار فضا-زمان از اجزای پایه چهاربعدی به نام پنتاکرون (Pentachoron) تشکیل شده است.

پنتاکرون‌ها می‌توانند به یکدیگر بچسبند و یک جهان بزرگ مقیاس را به‌وجود آورند، جهانی که 3 بعد فضایی و یک بعد زمانی را مانند دنیای واقعی تولید می‌کند. اما یک اشکال بزرگ در این نظریه وجود دارد: نسخه فعلی نظریه CDT نمی‌تواند وجود ماده را توضیح دهد.

گرانش کوانتومی حلقوی (Loop Quantum Gravity)
اگرچه مانند نظریه ریسمان هنوز آزمایشی برای اثبات این نظریه نیز وجود ندارد، گرانش کوانتومی حلقوی تنها رقیب جدی نظریه ریسمان به شمار می‌رود.

ایده اصلی نظریه این است که فضا بر خلاف آنچه که ما معمولا فکر می‌کنیم پیوسته نیست، بلکه به قطعات کوچکی به اندازه 10 به توان منفی 35 متر تفکیک می‌شود. این قطعات توسط پیوندهایی به یکدیگر متصل شده و فضایی را که ما تجربه می‌کنیم شکل می‌دهند. هنگامی‌که این پیوندها به شکل گره درهم پیچیده می‌شوند، ذرات بنیادی را به‌وجود می‌آورند.

گرانش کوانتومی حلقوی یک سری پیشگویی‌های تجربی از اثرات دنیای واقعی را و تصوری را درباره لحظه تولد عالم فراهم می‌کند. اما طرفداران این نظریه هنوز باید تلاش کنند تا گرانش را به نظریه خود اضافه کنند. همچنین این نظریه همانند نظریه ریسمان، به یک آزمایش تجربی واقعی برای اثبات نیاز دارد.

گرانش کوانتومی اینشتینی
ایده اصلی این نظریه توسط مارتین روتر از دانشگاه ماینز آلمان ارائه شده است. بخشی از مشکلی که برای متحد کردن گرانش و مکانیک کوانتومی وجود دارد، اتفاقی است که برای گرانش در مقیاس‌های کوچک رخ می‌دهد. هر قدر دو جسم به یکدیگر نزدیک‌تر شوند، جاذبه گرانشی بین آنها قوی‌تر می‌شود. اما این جاذبه بر خود آن نیز اثر می‌گذارد و در فواصل بسیار نزدیک، یک حلقه بازخوردی آغاز می‌شود. در نتیجه و بر اساس تئوری‌های مرسوم، نیرو باید به طرز بی‌معنایی افزایش یابد. این بدان معناست که یک جای تئوری‌های متداول فعلی غلط است.

با این وجود روتر راهی با ایجاد یک نقطه ثابت راهی برای حل این مشکل یافته‌است. این نقطه ثابت فاصله‌ای است که به ازای فواصل کمتر از آن، جاذبه دیگر افزایش نمی‌یابد. حاصل کار یک نظریه گرانشی کوانتومی است.

گرافیته کوانتومی (Quantum Graphity)
تمام نظریات قبلی فرض می‌کنند که فضا و زمان وجود دارد، سپس تلاش می‌کند تا بقیه جهان را بنا کنند. اما گرافیته کوانتومی که زاییده افکار فوتینی مارکوپولو، فیزیکدان انستیتو فیزیک تئوری واترلوی کانادا و همکارانش است، تلاش می‌کند تا این را روند را تغییر دهد.

مارکوپولو می‌گوید: «هنگامی‌که جهان در مهبانگ شکل گرفت، آنچه که ما آن را به عنوان فضا می‌شناسیم وجود نداشت. در عوض یک شبکه انتزاعی از نقاط فضا وجود داشت که در آن، هر نقطه به سایر نقاط متصل بود. اما خیلی زود پس از مهبانگ، این شبکه متلاشی شد و برخی از این نقاط از یکدیگر جدا شدند و جهان بزرگی را که ما امروزه می‌بینیم به‌وجود آوردند.

E8
در سال 2007 / 1386 فیزیکدانی به نام گرت لیزی نظریه‌ای را ارائه کرد که به عنوان نامزدی جدی برای نظریه همه‌چیز توانست تیتر روزنامه‌ها را به خود اختصاص دهد.

ماجرا با انتشار مقاله‌ای از سوی لیزی درباره E8، یک الگوی ریاضی پیچیده هشت بعدی با 248 نقطه آغاز شد. لیزی نشان داد که ذرات بنیادین مختلف و نیروهای شناخته شده فیزیک می‌توانند در نقاط الگوی E8 قرار گیرند و در نتیجه بسیاری از اثرات متقابل آنها به طور طبیعی پدیدار می‌شود.

برخی از فیزیکدانان به‌شدت به مقاله تاختند، در حالی‌که دیگران محتاطانه از آن استقبال کردند. در اواخر سال 2008 لیزی توانست یک بودجه پژوهشی را برای ادامه مطالعات خود درباره E8 به‌دست آورد.

نسبیت داخلی
این نظریه که توسط اولاف درایر از انستیتو تکنولوژی ماساچوست (MIT) بسط داده شده، تلاش می‌کند توضیح دهد که چگونه نسبیت می‌تواند در یک دنیای کوانتومی به‌وجود آید.

هر ذره در عالم دارای یک مشخصه است که اسپین نامیده می‌شود. این مشخصه را می‌توان به صورت اتفاقی که برای یک ذره هنگام دوران رخ می‌دهد تصور کرد. مدل درایر سیستمی از اسپین‌ها را پیشنهاد می‌کند که مستقل از ماده وجود دارند و به طور تصادفی مرتب شده‌اند. وقتی که سیستم به یک دمای بحرانی می‌رسد، اسپین‌ها جهت می‌گیرند و الگوهای مرتب را شکل می‌دهند.

اشخاصی که در داخل این سیستم اسپینی زندگی می‌کند، آنها را نمی‌بیند. چیزی که آنها می‌بینند، تاثیرات اسپین‌ها است. نظریه داریر شامل فضا-زمان و ماده می‌شود. درایر همچنین تلاش کرده است تا جاذبه نیوتنی را از مدل خود استخراج کند. با این وجود هنوز نمی‌توان نسبیت عام را از این نظریه به‌دست آورد.