فیزیکدانان گامی جسورانه برای حل یکی از پیچیده‌ترین معماهای فیزیک نظری برداشته‌اند: یکپارچه‌سازی گرانش با دنیای کوانتومی. مقاله‌ای که به تازگی در نشریه «Reports on Progress in Physics» منتشر شده، نظریه‌ای نوین در مورد گرانش ارائه می‌دهد که می‌تواند راه را برای توصیفی کاملاً سازگار با مکانیک کوانتومی هموار کند، آن هم بدون نیاز به ابعاد اضافی یا ویژگی‌های عجیب و غریب نظریه‌هایی مانند نظریه ریسمان. این رویکرد جدید ممکن است حتی به بازنگری در نظریه نسبیت عام اینشتین منجر شود.
چالش دیرینه ادغام گرانش با کوانتوم
برای مدت‌ها، فیزیکدانان تلاش کرده‌اند تا گرانش را، که اینشتین آن را به عنوان خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم و انرژی توصیف می‌کند، با سه نیروی بنیادی دیگر طبیعت (الکترومغناطیسی، هسته‌ای ضعیف و هسته‌ای قوی) که همگی توسط نظریه میدان کوانتومی توضیح داده می‌شوند، ادغام کنند. هر بار که این تلاش صورت گرفته، با مشکلات ریاضیاتی جدی مانند بروز احتمالات بی‌نهایت و ناسازگاری‌های غیرفیزیکی مواجه شده‌اند.
رویکردی نوین: گرانش به مثابه میدان‌های کوانتومی
نظریه جدید، میدان گرانشی را به شیوه‌ای متفاوت تعبیر می‌کند که ساختاری مشابه نظریه‌های میدان کوانتومی موفق دارد. دکتر میکو پارتانن از دانشگاه آلتو در فنلاند، یکی از نویسندگان این مقاله، می‌گوید: “یافته کلیدی این است که نظریه ما راهی تازه برای توصیف گرانش کوانتومی فراهم می‌کند که از لحاظ ساختاری شبیه به تعاملات بنیادی مدل استاندارد فیزیک ذرات است.”
در این مدل، به جای انحنای فضا-زمان، گرانش از طریق چهار میدان به‌هم‌پیوسته منتقل می‌شود. این میدان‌ها رفتاری مشابه میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در واکنش به بار و جریان دارند، اما در اینجا به جرم واکنش نشان می‌دهند. این میدان‌ها با یکدیگر و با میدان‌های مدل استاندارد در تعامل هستند، به گونه‌ای که در سطح کلاسیک، نسبیت عام اینشتین را بازتولید می‌کنند، در حالی که امکان گنجاندن اثرات کوانتومی را نیز به صورت سازگار فراهم می‌آورند.
سادگی و عدم نیاز به فرضیات اضافی
یکی از بزرگترین مزایای این نظریه، سادگی آن است. برخلاف بسیاری از نظریه‌های گرانش کوانتومی که به ذرات ناشناخته، ابعاد اضافی یا نیروهای جدید نیاز دارند، این مدل تنها با مفاهیم و ثابت‌های شناخته‌شده فیزیکی سروکار دارد. پروفسور یوکا تولکی، نویسنده همکار از دانشگاه آلتو، بیان می‌کند: “تفاوت مهم این نظریه با دیگر نظریه‌های گرانش کوانتومی این است که نیاز به ابعاد اضافی که هنوز هیچ شواهد تجربی مستقیمی از آن‌ها وجود ندارد، ندارد. همچنین، مدل ما نیازی به هیچ پارامتر آزاد جدیدی ندارد.” این ویژگی بدان معناست که این نظریه می‌تواند با آزمایش‌های موجود یا آینده، بدون انتظار برای کشف ذرات جدید یا بازنویسی قوانین فیزیکی، مورد آزمون قرار گیرد.
چالش‌های پیش‌رو و چشم‌انداز آینده
با وجود ویژگی‌های امیدوارکننده، این نظریه هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد و نیاز به کار بیشتری برای اثبات کامل سازگاری آن وجود دارد. همچنین، این چارچوب هنوز برای پاسخ به برخی از عمیق‌ترین پرسش‌ها در فیزیک گرانشی، مانند ماهیت واقعی تکینگی‌های سیاه‌چاله یا فیزیک مبدأ کیهان، به کار گرفته نشده است. دکتر پارتانن اذعان دارد که نظریه هنوز توانایی پاسخ به این چالش‌های بزرگ را ندارد، اما پتانسیل آن را در آینده دارد.
تایید تجربی این نظریه نیز کار دشواری خواهد بود، زیرا گرانش ضعیف‌ترین نیروی شناخته‌شده است و اثرات کوانتومی آن بسیار ظریف هستند. آزمایش مستقیم این اثرات با ابزارهای کنونی ممکن نیست. با این حال، چون این نظریه فاقد پارامترهای قابل تنظیم است، هر آزمایش آینده‌ای که رفتار گرانش کوانتومی را بررسی کند، می‌تواند به‌طور مستقیم آن را تأیید یا رد کند. دکتر تولکی می‌گوید: “آزمودن اثرات گرانش کوانتومی چالش‌برانگیز است، چرا که برهم‌کنش گرانشی بسیار ضعیف است.” اما به گفته پارتانن، با سرعت فعلی پیشرفت در نظریه و مشاهده، ممکن است چند دهه طول بکشد تا شواهد تجربی مستقیمی برای گرانش کوانتومی به‌دست آوریم، گرچه شواهد غیرمستقیم ممکن است زودتر در دسترس قرار گیرند.
کار پارتانن و تولکی راهی تازه پیش پای نظریه‌پردازان باز کرده تا در جست‌وجوی نظریه‌ای کوانتومی برای گرانش، به مسیرهایی پای بگذارند که با چارچوب موفق فیزیک ذرات هم‌راستا هستند و در عین حال امکان گشودن برخی از عمیق‌ترین رازهای کیهان را دارند. آیا این نظریه سرانجام به رویای دیرینه فیزیکدانان برای یک نظریه “همه‌چیز” جامه عمل می‌پوشاند؟