جدید ترین عناوین خبری امروز
Registering new users is currently not allowed.
اصل طبیعی بودن
یک جهان طبیعی، پیچیدگی را از دل قوانین ساده می‌سازد

جهان بی‌ قواره

پائول دیراک می‌خواست مفتون نظریه باشد، و از اقرار به آن نیز هراسان نبود. در مقاله‌ای که در سال ۱۹۶۳ نوشت، با یادآوری نقش وی در کشف قوانین عجیب ولی درستِ نظریه‌ی کوانتوم، بیان داشت که

مهم‌تر این است که معادلات زیبا باشند تا این‌که در آزمایشگاه تأیید شوند.

پائول دیراک

ممکن است این دیدگاه دیراک عجیب به نظر آید. در نهایت، این آزمایش و تجربه است که داوری نهایی را درباره توانایی معادلات در توصیف پدیده‌های طبیعی را مشخص می‌کند. اما برای یک فیزیکدان نظری مانند دیرک، آزمایش ممکن است اشتباه کرده باشد: تنها زیبایی خطا ناپذیر است.

یک حالت نسبتا پرستش‌گونه‌ی مذهبی نسبت به زیباییِ نظریه بین نظریه‌پردازان فیزیک بنیادی رواج دارد، حتی اگر معیارهای جذابیت طی زمان تغییر کرده باشد. به ویژه چشم‌اندازی از زیبایی و ظرافت به این بیان مطرح است: اصل طبیعی بودن(۱) . بیان مطرح، این اعتقاد است که قوانین طبیعت باید رفیع، اجتناب‌ناپذیر و جامع باشند، در تضاد با مصنوعی بودن و اختیاری بودن.

اما اگر این‌گونه نباشند چه؟ این یک احتمال ناامیدانه است که در بین گروهی از فیزیکدانان پس از کشف پیشتازانه یک دهه‌ی اخیر، یعنی به دام انداختن بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲ در حال گسترش است. کشف هیگز در برخورد دهنده‌ی هادرونی بزرگ (LHC) در آزمایشگاه CERN در ژنوِ سوئیس، نظریه‌ی قدیمی درباره چگونگی جرم‌دار شدن ذرات را تأیید کرد. اما مایکل داین(۲) نظریه‌پرداز در دانشگاه کلیفرنیا ، سانتا کروز معتقد است آن‌چه که ما در امتداد این اتفاق، کشف کرده (یا نکرده‌ایم) در نگاه ما به واقعیت فیزیکی پیامدهای عمیقی خواهد داشت. وی می‌گوید

ممکن است بفهمیم که طبیعت به شکلی که ما تصور می‌کنیم، طبیعی نیست.

حتی در میان شکارچیانِ ذرات، واژه‌ی «طبیعی» معانی مختلفی دارد. گسترده‌ترین تعبیر آن، این مفهوم را در خود دارد که جهان باید محتمل باشد، به جای آن‌که بطرز غیرعادی برآیند نامحتملِ یک چرخ شانس کیهانی باشد. بن آلاناخ(۳) نظریه‌پرداز در دانشگاه کیمبریج می‌گوید:

طبیعی بودن این باور است که هیچ چیز تصادفی نیست، دلیلی پشت همه چیز وجود دارد. ایده این است که همه چیز تنها یک شانس و تصادف نیست.

ممکن است این به نظر مبهم برسد، اما نظریه‌پردازان یک تعریف دقیق و عملی دارند که به «طبیعی بودن تکنیکی»(۴) مشهور است. در اوایل دهه‌ی ۱۹۸۰ فیزیکدان نظری خرارد تهوفت(۵) در دانشگاه اوترخت در هلند این تعریف را فرمول‌بندی کرد. این فرمول‌بندی برای این طراحی شد که هر نشانه‌ای از این‌که وجود جهان ممکن است به تصادف‌های پنهان غیر جذابی وابسته باشد را مشخص کند. به بیان ساده‌تر، می‌توان گفت که نظریه‌ها یا مدل‌ها نباید شامل ثوابتی باشند که مقادیرشان از یک نظریه به نظریه‌ی دیگر خیلی متفاوت باشد. جز آن‌که یک نظریه‌ی بزرگ‌تر و جامع‌تر می‌تواند یک اختلاف را توجیه نماید، هیچ‌یک از اعدادی که رفتار جهان را در یک نظریه دیکته می‌کنند نباید بیش از یک ضریب ۱۰ از هم فاصله داشته باشند.

اجناس عجیب نیستند

این دیدگاه فیزیک‌دان‌ها را نسبت به اعدادی که در این چارچوب نمی‌گنجند مشکوک می‌کند. به این فکر کنید: اگر صدمین چرخش متوالی چرخ رولتِ شما باز هم روی همان عدد بنشیند، وسیع‌ترین فرض‌های شما از بازی عادلانه را به چالش می‌کشد. این آن‌چنان مسخره‌ و بعید است که نیازمند به توضیح ندارد. شاید یک آهن‌ربا در چرخ رولت باشد یا یک ریسمان کوچک غیر قابل دیدن؟ همین منطق برای نیروهایی که بطور غیر عادی ضعیف یا قوی هستند، یا ذراتی با جرم‌های غیر عادی زیاد یا کم نیز به کار می‌رود: باید چیز دیگری در حال رخ دادن باشد.

فیزیک نوین تا حدی همواره در امتداد این مسیر به پیش رفته است، همیشه به دنبال توجیهات بسیار ساده‌تر برای یک جهان همیشه پیچیده‌تر بوده است. اگرچه، فیزیک ذرات همواره به سختی ادامه داده است. درست است، مدل استاندارد فیزیک ذرات یک نظریه‌ی موفق است، می‌تواند همه انواع ذرات شناخته شده و سه نیرو از چهار نیروی طبیعت را در یک مجموعه فشرده از معادلات توصیف کند. اما درباره گرانش یا ماده تاریک چیزی نمی‌گوید، و نشان از آن دارد که چیزی حتی بزرگتر از آن باید جایگزین شود.

خرارد تهوفت

شاید مقصر ما هستیم که به مدل استاندارد ذرات از پشت شیشه‌ی رنگی نگاه می‌کنیم. در عین حال که معادلات مدل استاندارد اغلب طبیعی هستند، تعدادی استثنای ناشیانه نیز وجود دارد. چگالی انرژی فضای تهی، که به عنوان ثابت کیهان‌شناختی شناخته می‌شود، ۱۲۰ مرتبه بزرگی کم‌تر از مقداری است که انتظار داریم. و سپس هیگز وجود دارد. جرم خود هیگز، به طرز غیر قابل تحملی کم است. خرارد تهوفت می‌گوید

به نظر می‌رسد که طبیعت از توصیه‌های من پیروی نمی‌کند یا حداقل کاملا پیروی نمی‌کند.

برای آن‌که عمل‌کرد هیگز را به عنوان جرم‌دهنده‌ی جهان تحقق ببخشیم، فرض می‌شود که هیگز با هر ذره‌ی دیگری که وجود دارد از طریق میدان هیگز برهم‌کنش می‌کند. این یک فرآیند پیچیده است، و باید طی آن مقداری جرم نیز به هیگز داده شود: حدود ۸-۱۰ کیلوگرم یا بر حسب واحدهای فیزیک ذرات، حدود ۱۹ ۱۰ گیگا الکترون ولت (GeV) . در دنیای ذرات این یک جرم بی‌نهایت عظیم است. پس چرا وقتی آن را اندازه‌گیری می‌کنیم، هیگز این‌قدر سبک وزن است، حدود ۱۲۵ گیگا الکترون ولت؟ یک گزینه عجیب و غریب این است که جرم ذاتی هیگز یک عدد بسیار عظیم منفی است، به اندازه‌ای که جرم اضافی که در برهمکنش ایجاد می‌شود را خنثی کند و تنها ۱۲۵ گیگا الکترون ولت باقی بگذارد. اما چنین ایده‌ای مسأله‌ی غیرطبیعی بودن را ایجاد می‌کند: چرا باید دو عدد بسیار بزرگ و ظاهرا نامرتبط یکدیگر را بطور منظمی حذف کنند؟

طبیعی بودن یک تعصب ادراکی است که فیزیک تلاش می‌کند آن را حذف کند.

پاسخ این است که باید آن اعداد را مرتبط کرد. گزینه اصلی برای بازگرداندن هیگز به حالت طبیعی، ابرتقارن(۶) یا SUSY است، نظریه‌ای که یک همزاد سنگین وزن برای هر ذره‌ی شناخته شده‌ای را مطرح می‌کند. اضافه کردن این اَبَر جفت ذرات جرم هیگز را دقیقا به اندازه‌ای که از ذرات عادی اندازه گرفته می‌شود کم می‌کند، معادلات را دور می‌زند و هیگز را به جرمی که طبیعی بودن تکنیکی مشخص می‌کند باز می‌گرداند. نظریه‌ی SUSY همچنین از نظر ریاضیاتی نیز زیبا و خوش‌قواره است، بطوری‌که می‌تواند سه نیرو از چهار نیروی بنیادی را بطور یکپارچه توصیف کند در عین این‌که هم‌زمان می‌تواند ماده تاریک را نیز توضیح دهد.

در جستجوی ذرات ابرمتقارن

فیزیکدان‌ها وقتی به چنین نظریه‌ی خوش-منظر و چند کاره‌ای برخوردند، بسیاری متقاعد شدند که SUSY مشکلات را حل خواهد کرد. آن‌ها انتظار داشتند که ذرات ابرمتقارن(۷) به زودی در مقیاس‌های انرژی کمتر از هیگز نمایان شوند، و فیزیک پیروزمندانه کار کند. دوست داشتنی است. فقط آن‌طور که دوست داشتیم کار نکرد. در واقع، جستجوها برای ذرات جدید ابرمتقارن در سه نسل از شتاب‌دهنده‌ها، شامل برخورددهنده‌ی هادرونی قدرتمند (LHC)، ما را دست خالی گذاشته‌اند.

نظریه‌ی ابرتقارن برای هر یک از ذرات شناخته شده یک جفت سنگین ابرمتقارن پیش‌بینی می‌کند.

البته، همچنان ممکن است ذرات جایی آن بیرون مخفی شده باشند. آخرین تلاش‌ها در LHC برای یافتن این نوع از ذرات بی‌نتیجه مانده است و ما به سرعت امکان‌هایمان را از دست می‌دهیم. این بدین معناست که ما گیر افتاده‌ایم، مگر این‌که منطقی که ما را به رؤیای مشاهده‌ی این جفت‌های ابرمتقارن رهنمون کرده است را مورد بازبینی قرار دهیم. آلاناخ می‌گوید

ابرتقارن ذراتی را پیش‌بینی می‌کند که باید LHC قادر به دیدن آن‌ها باشد، و این چیزی است که مرا مشکوک می‌کند که وقتی به طبیعی بودن می‌رسیم، شاید ما عصا را از سمت اشتباه آن گرفته‌ایم. من هنوز متقاعد نشده که ما … اما من مشکوک هستم.

در واقع، هر روز فیزیکدان‌های بیشتر و بیشتری درباره این اصل دچار تزلزل می‌شوند، حتی آن‌هایی که تمام عمر حرفه‌ای خود را با این اصل گذرانده‌اند. جیان گویدایس(۸) ، رئیس بخش نظریِ سرن (CERN) ، اخیرا تصدیق کرده است که

طبیعی بودن ممکن است ابزار درست برای پیشروی نباشد.

در سال ۲۰۱۷ وی در مقاله‌ای حتی بیش از نیز پیش رفت و وضعیت فعلی فیزیک را به «نقطه‌ی بازگشت» در فیزیک نظری توصیف کرد.

سابینه هسنفلدر(۹) فیزیکدان نظری در مؤسسه مطالعات پیشرفته‌ی فرانکفورت در آلمان، معتقد است که تنها یک راه برای دور شدن از طبیعی بودن است. وی در کتاب خود به نام: «گمشده در ریاضیات: چطور زیبایی موجب گمراهی فیزیک می‌شود»(۱۰) نه تنها از مفید بودن اصل طبیعی بودن، بلکه از سازگاری منطقی آن سؤال می‌کند. هسنفلدر می‌گوید که طبیعی بودن بیان می‌دارد که، جرم هیگز مانند چرخ رولت دستکاری شده نامحتمل است. اما در مورد چرخ رولت، یک طول عمر برای آزمایش داریم که می‌گوید برآمدن نتایج یکسانِ تکراری چقدر نامحتمل است، چیزی که فیزیکدانان به آن توزیع احتمال می‌گویند. اما ما تنها یک جهان داریم، و چیز دیگری نداریم که با آن مقایسه کنیم.

سابینه هسنفلدر و کتاب جدیدش: Lost in Math

اما همه فیزیکدانان خیلی مشتاق به پذیرفتن جهانِ بی‌قواره (ugly-verse) نیستند. به یک دلیل، رد کردن زیبایی به عنوان یک اصل راهنما، بطرز خطرناکی نزدیک به این دور می‌زند که منطق دوریِ اصل انتروپیک(۱۱) (انسان‌مداری) را بپذیریم، که طبق این اصل جهان ویژگی‌های خاصی را دارد به این دلیل که ما در آن زندگی می‌کنیم و درباره آن می‌اندیشیم. برای بسیاری، این یک تسلیم شدن تمام عیار است. آلاناخ می‌گوید

مشکل ما با برهان انسان‌مداری این است که آن عقب‌نشینی از پرسش‌گری علمی است. انسان‌مداری پذیرفتن این است که ما اساسا هرگز نخواهیم دانست.

هسنفلدر در این‌باره بحث می‌کند که رها کردن طبیعی بودن تکنیکی الزاما ما را به جاده انتروپیک و فلج علمی نمی‌رساند. اغلب نظریه‌پردازان هنوز آماده‌ی کنار گذاشتن اصل طبیعی بودن نیستند. به عنوان مثال، آلاناخ، می‌گوید که اگرچه دیده است که همکارانش از فقدان شواهد تجربی برای ابرتقارن، ابراز خستگی می‌کنند، اما او تصور نمی‌کند که حوزه فیزیک در حال یک شورش علیه طبیعی بودن به عنوان اصل راهنما باشد. در واقع، برخی مانند مایکل داین، همچنان امیدوار هستند که ذراتِ SUSY در مقیاس‌های انرژی بالاتر از پیش‌بینی و حتی بالاتر از مقداری که هر شتاب‌دهنده‌ای بتواند برسد وجود داشته باشند. اما برای آن‌هایی که بعد از اصل طبیعی بودن دچار رنج و ناراحتی می‌شوند یعنی کسانی که از عشقِ SUSY جدا می‌شوند، یک نظریه‌ی جایگزین پدیدار شده که آن‌ها را تسلی می‌دهد. به جای آن‌که دنبال یک توصیف طبیعی برای جرم هیگز با وارد کردن ذرات جدید باشیم، یک کار بهتر انجام دهیم: میلیاردها جهان جایگزین را وارد مسأله کنیم.

یک جهان طبیعی، پیچیدگی را از دل قوانین ساده می‌سازد.

وجود چنین چندجهانی‌های پیشنهاد شده‌ای چیز جدیدی نیست. کیهان‌شناسان از مدت‌ها قبل پیشنهاد کرده‌اند که در لحظاتی پس از بیگ بنگ، انبساط تورمی نماییِ جهان نواحی‌ای تولید کرده است که از یکدیگر آن‌چنان جدا افتاده‌اند که هر یک به عنوان یک جهان مجزا شناخته می‌شود. تعداد دقیق این جهان‌ها ناشناخته است، اما از مرتبه‌ی ۵۰۰ ۱۰ جهان تخمین زده می‌شود که هر یک دارای ویژگی‌های فیزیکی منحصربفرد خود است.

البته هیچ شاهد تجربی‌ای وجود ندارد که چنین چشم‌اندازی از جهان واقعا وجود داشته باشد، مستقل از آن‌که چه تعداد جهان ممکن است وجود داشته باشد یا چه ویژگی‌هایی دارند. با این‌حال، وجود یک چنین تعداد عظیم از پیکربندی‌های محتمل می‌تواند نمایان‌گر توزیع احتمالی باشد که فیزیکدان‌هایی نظیر هسنفلدر طبیعی بودن را متهم به حمایت از لزوم آن می‌کنند. در عین حال که اکثریت عظیم این جهان‌ها ممکن است یک هیگز با جرم منطقی‌تری داشته باشند، ما ممکن است به سادگی در یک حاشیه‌ی آماری بمانیم. داین می‌گوید: «تنها مدل واقعی برای این‌که چرا اعدادی نظیر جرم هیگز و ثابت کیهان‌شناختی این‌چنین عجیب هستند این مدل چشم‌انداز است.»

این دیدگاه ممکن است به نظر برسد که ما را به بن‌بست انتروپیک بازگرداند: شاید، میان همه‌ی این جهان‌های متفاوت، ما در تنها جهانی زندگی می‌کنیم که هیگز به اندازه‌ی کافی سبک است تا تشکیل ساختارهایی که در نهایت منتج به پیدایش حیات و انسانی که به آن می‌اندیشد شده است. اما اغلب نظریه‌پردازان چیز قوی‌تری می‌خواهند. آن‌ها سازوکاری می‌خواهند که تضمین کند که هیگز را منتج به راهی کند که در کیهان نزدیک ما عمل می‌کند. و در حالی‌که چشم‌انداز چندجهانی ممکن نیست جواب نهایی باشد، می‌تواند گامی در راستای درست باشد. داین می‌گوید: «این به من امیدواری می‌دهد که راه خود را به شکل یک توصیف معقول خواهیم یافت.»

نیما ارکانی-حامد

در واقع، برخی فیزیکدانان معتقدند که ما اکنون جواب را یافته‌ایم. به جای آن‌که میلیاردها ذره در میلیاردها جهان، را حدس بزنیم، چه می‌شود اگر همه‌ی این بوزون‌های هیگز جایگزین در همین جهان خودمان وجود داشته باشند، و برخی فرآیندهای پنهان آن نوع هیگز را که ما امروزه دیده‌ایم را انتخاب کرده باشند؟ این الزاما همان چیزی است که یک گروه از فیزیکدانان به رهبری نیما ارکانی-حامد(۱۲) در مؤسسه مطالعات پیشرفته‌ در پرینستون، نیو جرسی در نظریه‌ی N-طبیعی بودن(۱۳) پیشنهاد کرده‌اند. این نظریه، N نسخه‌ی رونوشت از مدل استاندارد را پیشنهاد می‌کند که N یک عدد بزرگ است، که این نظریه‌ها همزمان در جهان یکسانی وجود دارند. این رونوشت‌ها همگی بطور یکسان جدا از جرم هیگز هستند، که البته جرم تمام دیگر ذرات در هر رونوشت از مدل استاندارد را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

توجیه وجودِ ما

پس چیزی باید رونوشتی از هیگزِ سبک که ما امروزه دیده‌ایم را انتخاب کرده باشد. طبق نظریه‌ی ارکانی-حامد و همکارانش، این می‌تواند به وجود ذرات فرضی به نام ریهیتون (reheaton) منتج شود ، که تمام انرژی جهان اولیه را در خود شامل می‌شوند. این ذرات بسیار پر انرژی‌تر از آن هستند که به مدت طولانی بتوانند پایدار باشند، و ریهیتون‌ها سرانجام به ذراتی سبک‌تر از خودشان واپاشی می‌کنند، که ذره‌ی هیگز با جرم پایین را نیز شامل می‌شود، در نتیجه انرژی جهان را باز تنظیم می‌کند. همان‌طور که جرم هیگزی که امروزه دیده‌ایم درست به اندازه‌ای سبک است که برای یک هیگز امکان می‌دهد که خانواده‌ای از ذراتی که ما می‌شناسیم بطور مرجح انتخاب شوند.

دیوید پینر(۱۴) از دانشگاه پرینستون که یکی از همکاران ارکانی-حامد در این نظریه است می‌گوید

فرآیند بازگرمایش در کیهان نخستین ، مدل استاندارد شناخته شده را از میان دیگر رونوشت‌ها انتخاب می‌کند.

نشانه‌های این فرآیندِ انتخاب ممکن است در تابش پس زمینه‌ی کیهانیِ باقی‌مانده از بیگ بنگ با استفاده از تلسکوپ‌های آینده آشکار شوند.

اگر شما تصور می‌کنید که این نظریه بطرز مشکوکی مشابه با انواعی از تنظیم‌های ظریف نامحتمل و حذف کردن است که فرض می‌شود اصل طبیعی بودن ما را به دور شدن از آن راهنمایی می‌کند، شما تنها نیستند. هسنفلدر می‌گوید: «برخی از این توجیه‌ها بطرز مسخره‌ای پیچیده هستند، بسیار بیشتر از آن‌که بطور ساده آن را در یک ثابت قرار دهیم و بپذیریم برای آن‌چه هست. آن‌ها تقریبا شبیه به توجیه‌های مذهبی هستند که فرشتگانی را معرفی می‌کند که شما نمی‌توانید ببینید.»

در انتهای روز، طبیعی بودن، مانند زیبایی، در چشمان بیننده است؛ یک راه حل ساده‌ی هر شخص، یک هیولای روکوکوی دیگر است. اما مانند دیراک، اغلب نظریه‌پردازان همچنان می‌خواهند مفتون زیبایی باشند. اگر این بدین معناست که آن‌ها باید چشم‌انداز خود از زیبایی را با تغییرات زمان به روزرسانی کنند، یا حتی آن را رها کنند، پس بگذارید همان‌طور باشد. ناتان سیبرگ(۱۵) از موسسه مطالعات پیشرفته می‌گوید

عمیق‌ترین پیشرفت‌های غیرمنتظره در فیزیک زمانی اتفاق می‌افتند که یک تناقض، پژوهشگران را مجبور می‌کند که فرض‌هایشان را مورد بازنگری قرار دهند. مشکلاتی که با اصل طبیعی بودن وجود دارد باید به عنوان یک فرصت دیده شوند نه یک دلیل برای تسلیم شدن.


(۱) principle of naturalness
(۲) Michael Dine
(۳) Ben Allanach
(۴) Technical naturalness
(۵) Gerard ‘t Hooft
(۶) SuperSymmetry
(۷) sparticles
(۸) Gian Guidice
(۹) Sabine Hossenfelder
(۱۰) Lost in Math: How beauty leads physics astray
(۱۱) Anthropic principle
(۱۲) Nima Arkani-Hamed
(۱۳) Nnaturalness
(۱۴) David Pinner
(۱۵) Nathan Seiberg

به اشتراک بگذارید

منبع: New Scientist, 3 March 2018

دیدگاه ها 0

دیدگاه بگذارید

avatar
  اشتراک  
مطلع شدن
رفتن به نوار ابزار