آیا ابعاد پنهانی در جهان وجود دارد؟ بخش سوم: برج گرانشی

ایالات متحده - خبرگزاری اخباری

آیا ابعاد پنهانی در جهان وجود دارد؟ بخش سوم: برج گرانشی

در سومین بخش از کاوش خود در مرزهای فیزیک نظری، به یکی از جذاب‌ترین مفاهیم کیهان‌شناسی مدرن می‌پردازیم: ابعاد اضافی بزرگ. پس از ایده‌های بنیادی ارائه شده در بخش‌های اول و دوم، این مقاله پدیده "برج گرانشی" را معرفی می‌کند؛ مفهومی که می‌تواند کلید درک ما از گرانش و جهان گسترده‌تر باشد.

برای درک این ایده پیچیده، از یک قیاس ساده و ملموس استفاده کنیم. تصور کنید یک برگ کاغذ برداشته و آن را محکم به شکل یک استوانه می‌پیچید. طول بلند این لوله، ابعاد آشنا و روزمره ما را نشان می‌دهد – سه بعد فضایی که کیهان همانطور که ما درک می‌کنیم در آن آشکار می‌شود. در مقابل، سمت پیچیده شده، یک بعد اضافی را نشان می‌دهد. این بعد می‌تواند از نظر استانداردهای فیزیک ذرات بسیار بزرگ باشد، شاید تا یک میلی‌متر. برای اهداف بحث ما، این یک اندازه عظیم تلقی می‌شود.

حال، تصور کنید ذره‌ای – بیایید فوتون را در نظر بگیریم، ذره نور بدون جرم – را در طول این لوله کاغذی ارسال می‌کنید. اگر جهان به یک بعد محدود بود، فوتون همانطور که معمولاً انجام می‌دهد، با سرعت نور در طول خود حرکت می‌کرد. با این حال، اگر این فوتون به بعد اضافی دسترسی داشت چه؟ اگر می‌توانست با این بعد پیچیده تعامل کند و آن را طی کند، مسیر آن بسیار پیچیده‌تر از یک خط مستقیم ساده خواهد بود. به جای اینکه فقط در طول حرکت کند، بلکه در اطراف بعد اضافی به صورت مارپیچ می‌چرخد. در حالی که سرعت آن همچنان سرعت نور باقی می‌ماند، حرکت کلی آن اکنون این بعد پنهان و اضافی را در بر می‌گیرد.

از دیدگاه ما، که به ابعاد آشنا محدود شده‌ایم، این ابعاد اضافی به قدری محکم پیچیده شده‌اند – شاید شما در پیچیدن کاغذ مهارت فوق‌العاده‌ای دارید – که ما نمی‌توانیم حرکت کامل مارپیچی فوتون را درک کنیم. ما فقط حرکت آن را در طول اصلی مشاهده می‌کنیم. در نتیجه، به نظر ما می‌رسد که فوتون با سرعتی کمتر از سرعت نور حرکت می‌کند، زیرا بخشی از حرکت آن به طور موثر در ابعادی که نمی‌توانیم مستقیماً درک کنیم "پنهان" شده است. این مشاهده به یک نتیجه‌گیری حیاتی منجر می‌شود: هر ذره‌ای که به نظر می‌رسد کندتر از نور حرکت می‌کند، باید جرم داشته باشد. بنابراین، اگر فوتون‌ها می‌توانستند به این ابعاد اضافی دسترسی داشته باشند، مانند ذرات معمولی و پرجرم رفتار می‌کردند. با این حال، از آنجایی که مشاهده شده است که فوتون‌ها بدون جرم هستند، نتیجه می‌گیریم که آنها نمی‌توانند به این ابعاد اضافی دسترسی داشته باشند.

اما در مورد گرانش چه؟ نیرویی که ساختار بزرگ مقیاس جهان را کنترل می‌کند، یکی از بزرگترین معماهای فیزیک باقی مانده است. در حالی که ما هنوز نظریه کامل کوانتومی گرانش را نداریم، فیزیکدانان قویاً گمان می‌کنند که نیروی گرانشی توسط ذره بدون جرمی به نام گرانشی واسطه می‌شود. در اینجا یک پارادوکس جذاب نهفته است: اگر گرانشی به این ابعاد اضافی "نشت" کند، ممکن است دیگر برای ما بدون جرم به نظر نرسد. به دلیل هندسه خاص این ابعاد پیچیده، ممکن است از دیدگاه محدود ما جرم داشته باشد.

اینجاست که مکانیک کوانتومی وارد عمل می‌شود، همانطور که هنگام در نظر گرفتن چنین ایده‌های عمیقی باید باشد. مکانیک کوانتومی بیان می‌کند که هر ذره دارای موج مرتبطی است. در بعد بلند قیاس لوله کاغذی ما – که ابعاد عادی واقعیت را نشان می‌دهد – گرانشی از نظر تئوری می‌تواند هر طول موج دلخواهی داشته باشد؛ هیچ محدودیتی ذاتی وجود ندارد. با این حال، در بعد فشرده و پیچیده، طول موج‌ها باید "جا شوند". این بدان معناست که فقط طول موج‌های خاص و مجزا مجاز هستند – یک طول موج کامل، دو، سه و غیره، بسیار شبیه به نت‌های موسیقی که در طول یک سیم جا می‌شوند.

عمل فشرده‌سازی یکی از ابعاد جهان، تأثیر کوانتومی را بر هر ذره‌ای که قادر به دسترسی به آن است، تحمیل می‌کند. این اثر جذاب باعث می‌شود که یک ذره واحد بدون جرم، که در غیر این صورت آزادانه از تمام ابعاد عبور می‌کند، به طور موثر به طیفی از ذرات پرجرم مختلف تقسیم شود. هر یک از این ذرات جدید با طول موج مجاز که می‌تواند در بعد پیچیده جا شود، مطابقت دارد، مشابه نت‌های متمایزی که توسط سیم گیتار تولید می‌شوند. (توجه: این قیاس صرفاً برای اهداف توضیحی استفاده شده است و هیچ ارتباط مستقیمی با نظریه ریسمان خود ندارد.)

پیامدها خیره‌کننده هستند: نه فقط چند ذره، بلکه به طور بالقوه تعداد بی‌نهایتی از ذرات، هر کدام با طول موج و جرم منحصر به فرد. در حالی که ذره اصلی یک موجود واحد و بدون جرم باقی می‌ماند، دیدگاه محدود ما – ناتوانی در ردیابی کامل مسیر آن در ابعاد اضافی – ما را به درک مجموعه‌ای از ذرات پرجرم سوق می‌دهد. این پدیده به عنوان "برج گرانشی"، یا گاهی "برج کالوزا-کلین"، یا اگر کسی عجله داشته باشد، به سادگی "برج" شناخته می‌شود.

مهمتر از همه، مفهوم برج گرانشی ابزاری بالقوه برای کاوش این ابعاد پنهان در اختیار ما قرار می‌دهد. اگرچه ممکن است نتوانیم آنها را مستقیماً مشاهده کنیم – ما هنوز مانند مورچه‌هایی روی زمین هستیم که فقط کسری از طرح بزرگ را مشاهده می‌کنیم – این "گرانشی‌های اضافی" اکنون می‌توانند به عنوان ذرات ملموس وجود داشته باشند. آنها جرم دارند، در محدوده خاصی تعامل می‌کنند، سرعت نشان می‌دهند و طول عمر قابل اندازه‌گیری دارند و ویژگی‌هایی را در واقعیت قابل مشاهده ما نشان می‌دهند. مهمتر از همه، این گرانشی‌ها می‌توانند مانند یک تبهکار در یک کلیشه علمی تخیلی "فرار" کنند و به ابعاد اضافی بروند. در لحظه‌ای که فکر می‌کنیم شرور را در گوشه رینگ انداخته‌ایم، او به بعد دیگری ناپدید می‌شود.

برای شفاف‌سازی اصطلاحات، با تأثیر چارچوب‌های نظری مانند نظریه ریسمان، جهان آشنای ما اغلب به عنوان "بران" (brane) (مشابه غشا) نامیده می‌شود، در حالی که ابعاد اضافی به عنوان "حجم" (bulk) یا فضای اطراف مفهوم‌سازی می‌شوند.

برج گرانشی مسیری قانع‌کننده، هرچند غیرمستقیم، برای آزمایش نظریه‌های گرانش کوانتومی به طور تجربی و جستجوی شواهدی برای وجود ابعاد اضافی ارائه می‌دهد. این ذرات پرجرم که ظاهراً از هم گسیخته‌اند و از یک موجود واحد بدون جرم متولد شده‌اند، می‌توانند امضای قابل مشاهده‌ای باشند که ما برای کشف عمیق‌ترین اسرار جهان به دنبال آن هستیم.

خبرگزاری اخباری