ابعاد نادیده ی کیهان

این مقاله نیمه تخصصی است ، اما مخاطب غیر متخصص با اندکی آشنایی می تواند آن را بفهمد و مثال ها و مفاهیم تخصصی آن تاثیری در فهم کلی مطالب ندارد.
در داستان کلاسیک ۱۸۸۴ تختستان ،به نگارش ادوین ابوت (به فارسی ترجمه شده) به اتفاق های “جناب مربع” پرداخته شده است.کسی که در کیهان ۲بُعدیِ مملو از اشکال هندسی زنده (مثلت ها، مربع ها، پنج ضلعی ها …) زندگی می کند.در انتهای داستان ، در اولین روزِ دوهزار، موجودی کروی از سرزمین فضا (spaceland) سه بعدی از درون تختستان می گذرد و جناب مربع را از حوزه ی تخت خود به بیرون می برد تا به او ماهیت سه بعدی حقیقی جهان بزرگ تر را نشان دهد. هنگامی که او سرگرم درک آن چیزی است که کره به او نشان می دهد، جناب مربع به این فکر فرو می رود که نکند خود سرزمین فضا هم به صورت زیر فضایی کوچک از گیتی چهار بعدی باز هم بزرگ تری وجود داشته باشد..
جالب است که در دو سال گذشته (از سال ۱۹۹۸ به بعد) فیزیکدانان با جدیت شروع کرده اند به بررسی همین ایده: هر آن چیزی را که می توانیم در کیهان خودمان ببینیم مقید است به غشایی سه بعدی که درون محدوده ای با بعد بالاتر جا دارد. ولی بر خلاف جناب مربع که برای نگرش خود چاره ای به جز مداخله ی آسمانی از سرزمین فضا نداشت، شاید فیزیکدانان به زودی بتوانند وجود ابعاد اضافی واقعیت را آشکار و تأیید کنند، که می تواند در مسافت هایی به بزرگی یک میلی متر گسترده شده باشد. محققان پیشاپیش مشغول جستجوی اثر ابعاد اضافی بر نیروی گرانش هستند. اگر این نظریه درست باشد، آزمایش های ذرات پر انرژی در اروپا شاید بتواند فرایندهایی شامل گرانش کوانتومی را ببینید، مثلا خلق ریزسیاهچاله های گذرا. این نظریه، بیش از آن که عشق ورزی خشک و خالی ابعاد بسیار باشد، بر پایه ی برخی از جدید ترین پیشرفت ها در نظریه ی ریسمان است و شاید برخی از معماهای دیرین در فیزیک ذرات و کیهان شناسی را حل و فصل کند.مفاهیم راز آلود نظریه ی ریسمان و ابعاد چندگانه در عمل ناشی از تلاش برای فهم آشناترین نیروها هستند: گرانش.
بیش از سه قرن پس از اینکه آیزاک نیوتون قانون گرانش خود را پیشنهاد کرد، فیزیک کماکان توضیحی در دست ندارد که چرا گرانش این همه ضعیف تر از همه ی نیروهای دیگر است. کم مایگی گرانش چشمگیر است. هنگامی که آهنربایی کوچک سوزنی را از زمین بلند می کند، به سادگی بر کشش گرانشی کل جرم زمین چیره می شود. ربایش گرانشی بین دو الکترون ۱۰ به توان ۴۳ بار ضعیف تر از نیروی پس زننده ی الکتریکی میان آنهاست. گرانش برای ما با اهمیت به نظر می رسد – پاهایمان را روی زمین نگه می دارد و زمین را به دور خورشید می چرخاند – تنها چون این توده های بزرگ ماده از نظر الکتریکی خنثی هستند و سبب می شوند نیروهای الکتریکی بسیار ناچیز باشند و گرانش را، هر اندازه هم که ضعیف باشد، به عنوان تنها نیروی محسوس بر جا می گذارند.
کم مایگی توضیح ناپذیر گرانش الكترونها باید ۱۰۰ به توان ۲۲ بار پر جرم تر بودند تا نیروهای الکتریکی و گرانشی بین آنها برابر می شدند. ساختن چنین ذره ی سنگینی نیازمند ۱۰ به توان گیگاالکترون ولت (GeV) انرژی است، کمیتی به نام انرژی پلانک.

مقیاس انرژی و طول پلانک از تیررس توانمندترین شتابدهنده ها بسیار دور است. حتی برخورد دهنده ی بزرگ هادرون در سرن که به کاویدن مسافت هایی تا حدود۱۰ به توان -۱۹ متر خواهد پرداخت. چون در طول پلانک گرانش با الكترومغناطیس و دیگر نیروها مقایسه پذیر می شود، فیزیکدانان به طور سنتی تصور کرده اند که نظریه ی وحدت بخش گرانش با دیگر برهم کنش ها تنها در این انرژی ها خود را نمایان خواهد ساخت. بنابراین سرشت نظریه ی وحدت بخش به طرزی ناامید کننده خارج از دسترس بررسی مستقیم تجربی در آینده ی قابل تصور قرار خواهد داشت. توانمندترین شتابدهنده های امروزین به کاوش در قلمروی انرژی بین ۱۰۰تا Gev۱٫۰۰۰ (یک تر الكترون ولت یا TeV) می پردازند. در این گستره آزمایشگران دیده اند که نیروی الکترومغناطیسی و برهم کنش ضعیف (نیروی بین ذرات زيراتمی که مسئول انواع معينی واپاشی پرتوزاست) متحد می شوند.
اگر از ضریب ۱۰ به توان ۱۶ که مقياس الكتروضعیف را از مقیاس پلانک جدا می کند سر از ضریبدر بیاوریم، از سستی خارق العاده ی گرانش نیز سر در می آوریم.افسوس، نظریه ی بسیار موفق فیزیک ذرات، موسوم به مدل استاندار نمی تواند اندازه این شکاف عظیم را توضیح دهد، چون این نظریه به دقت برای برازش مقياس الكتروضعیف مشاهده شده تنظیم شده است. خبر خوش آن است که این تنظیم (در کنار تقریبا ۱۶تای دیگر ) تنها یک بار برای برازش مشاهدات بیشمار به کار می آید. خبر ناگوار آن است که ما باید نظریه؛ی زیربنایی را تا صحت یک بخش در ۱۰ به توان ۳۲- تنظیم دقیق کنیم؛ وگرنه، اثرات کوانتومی – ناپایداری ها – مقياس الكتروضعیف را به سوی مقیاس پلانک پس می کشند. حضور چنین توازن شکننده ای در این نظریه مانند قدم گذاشتن درون اتاقی است و دیدن مدادی که در میانه ی میزی روی نوکش صاف ایستاده باشد. هر چند که ناممکن نیست، این وضعیت به شدت ناپایدار است، و ما سردرگم مانده ایم که چطور چنین چیزی پدید آمد.برای ۲۰ سال نظریه پردازان با تغییر دادن سرشت فیزیک ذرات در نزدیکی ۱۰ – ۱۹ متر (یا TeV ۱) برای پایدار ساختن مقياس الكتروضعیف ، با این معما، معروف به مسئله ی سلسله مراتب، کلنجار رفته اند.
محبوب ترین اصلاح در مدل استاندارد که به این هدف می رسد شامل تقارن تازه ای است به نام ابر تقارن. اگر به همانندی مداد برگردیم، ابر تقارن مانند نخی نادیدنی است که مداد را گرفته و مانع از افتادن آن می شود. گرچه شتابدهنده ها هنوز هیچ مدرک مستقیمی از ابر تقارن را رو نکرده اند، نوعی مدرک غیرمستقیم اغواگر از بسط ابر تقارنی مدل استاندارد پشتیبانی می کند.
برای نمونه، هنگامی که قدرت های اندازه گیری شدهی نیروهای قوی، ضعیف، و الكترومغناطیسی به طور نظری تا مسافت های کوتاه تر برونیابی شوند، تنها اگر قواعد ابر تقارنی بر این رهیافت حاکم باشند، در مقدار مشترکی با دقت بالا به هم می رسند. این نتیجه بیانگر وحدت یافتگی ابر تقارنی این سه نیرو در نزدیکی ۱۰ به توان۳۲- متر یا ۱٫۰۰۰ برابر بزرگتر از طول پلانک است، ولی باز هم بسیار دور از تیررس برخورد دهنده های ذرات.
گرانش و ابعاد فضایی بزرگ
برای دو دهه، تنها چارچوب معتبر برای سرشاخ شدن با مسئله ی سلسله مراتب تغییر دادن فیزیک ذرات در نزدیکی ۱۹-۱۰ متر با آوردن فرایندهایی تازه مانند ابر تقارن بوده است. ولی در سال های گذشته نظریه پردازان رهیافت انقلابی متفاوتی را پیشنهاد کرده اند، اصلاح کردن فضازمان، گرانش و خود مقیاس پلانک. مفهوم اصلی آن است که اندازهای خارق العاده کوچک مقیاس پلانک، پذیرفته شده برای یک سده از هنگامی که پلانک آن را مطرح کرد، بر پایه ی فرضی است ناآزموده در باره ی چگونگی رفتار کردن گرانش در مسافت های کوچک.

تصویر۱-خطوط گرانشی نیرو در ۳ بعد از زمین به بیرون گسترش می یابند. با افزایش مسافت از زمین، این نیرو با پخش شدن روی مساحتی بزرگتر (کره ها) رنگ میبازد. مساحت هر کره به صورت توان دوم شعاعش افزایش می یابد، پس گرانش در ۳ بعد به صورت وارون توان دوم فاصله افت می کند.

قانون وارون توان دوم گرانش نیوتن (که میگوید نیروی بین دو جسم به صورت توان دوم فاصله ی بین آنها کاهش می یابد) در مسافت های ماکروسکوپی بسیار عالی کار می کند ، و مدار زمین به دور خورشید، مدار ماه به دور زمین و غیره را تشریح می کندـ
اما چون گرانش بسیار ضعیف است ، این قانون بطور تجربی تا حد فواصل تا حدود یک میلی متر آزموده شده، و برای نتیجه گیری در مورد این که گرانش تنها در مقیاس پلانک ۱۰ به توان ۳۵- متر قوی می شود، باید روی ۳۲ درجه ی بزرگی برونیابی کنیم.
قانون وارون توان دوم در فضای ۳ بعدی طبیعی است. خطوط نیروی گرانشی را در نظر بگیرید که به یکنواختی از زمین گسیل می شوند. دورتر از زمین، این خطوط روی پوسته ای کروی با ناحیه ای بزرگ تر پخش می شوند. مساحت به صورت توان دوم فاصله افزایش پیدا می کند، و در نتیجه نیرو با همان آهنگ رنگ می بازد.
حتی اگر فرض کنیم تنها یک بعد بیشتر داشتیم و فضا ۴ بعدی می شد. آنوقت خطوط میدان سرچشمه گرفته از یک نقطه روی پوستهوای ۴ بعدی گسترش می یافتند که مساحتش به صورت توان سوم فاصله افزیش می یافت، و گرانش هم از قانون وارون توان سوم پیروی می کرد.

هنگامی که خطوط میدان خیلی نزدیک از فاصله ی R به جرم باشند، می توانند به یکنواختی در هر ۴ بعد گسترده شوند، و در نتیجه نیروی گرانش به صورت وارون توان سوم فاصله کاهش می یابد. با این حال، پس از این که خطوط به طور کامل در اطراف دایره گسترده شدند، تنها ۳ بعد در اختیارشان می ماند تا درون آن به گسترش ادامه دهند، و در نتیجه برای مسافت های خیلی بیشتر از R این نیرو به صورت وارون توان دوم فاصله تغییر پیدا می کند.

تصویر-۲:بعد اضافی کوچک در هم فرورفته به صورت دایره (محیط لوله) چگونگی گسترش یافتن گرانش(خطوط سرخ) را اصلاح می کند. در مسافت های کوچکتر از شعاع دایره (تکه ی آبی) خطوط نیرو به سرعت در همه ی بعدها پخش می شوند. در مسافت های خیلی بزرگتر (دایره زرد) این خطوط بعد اضافی را آکنده اند، و دیگر هیچ تأثیری بر آنها ندارند.اگر ابعاد اضافی بسیاری باشند، که همگی در دایره هایی به شعاع R درهم رفته باشند، همین اثر رخ می دهد. برای n بعد فضایی اضافی در مسافت های کوچک تر از R ، نیروی گرانش از قانون وارون توان n + ۲ پیروی می کند.
چون ما گرانش را تنها تا یک میلی متر اندازه گرفته ایم، از تغییرات در گرانش ناشی از بعدهایی اضافی که اندازه شان R کوچک تر از یک میلی متر باشد بی خبریم. گذشته از آن، قانون توان n + ۲ باعث می شود که گرانش به خوبی در بالای ۱۰ به توان ۳۵- متر به “قدرت مقیاس پلانک” برسد. یعنی طول پلانک آن اندازه کوچک نخواهد بود، و مسئله ی سلسله مراتب با فرض گرفتن تعداد کافی از ابعاد اضافی برای بردن مقیاس پلانک به فاصله ای خیلی نزدیک به مقياس الكتروضعیف، می توان مسئله ی سلسله مراتب را حل کرد. بنابراین وحدت یافتگی غایی گرانش با دیگر نیروها به جای ۱۰ به توان ۲۵- متر که به طور سنتی در نظر گرفته می شود، در نزدیکی ۱۰ به توان ۱۹- متر رخ خواهد داد. تعداد بعدهای لازم بستگی به بزرگی آنها دارد. بر عکس، برای تعداد مشخصی ابعاد اضافی می توانیم حساب کنیم آنها باید چقدر بزرگ باشند تا گرانش در نزدیک ۱۰ به توان ۱۹- متر قوی شود. اگر تنها یک بعد اضافی باشد، شعاعش R باید کمابیش فاصله ی بین زمین و خورشید باشد. بنابراین، این مورد پیشاپیش با مشاهده کنار گذاشته می شود. با این حال، در صورتی دو بعد اضافی می توانند مسئله ی سلسله مراتب را حل کنند، که اندازه ای در حدود یک میلی متر داشته باشند – دقیقا همان جایی که دانش مستقیم ما از گرانش پایان می گیرد.
اگر تعداد بیشتری از آنها را بیفزاییم، این بعدها باز هم کوچک اند، و برای ۷ بعد اضافی باید در حدود ۱۰ به توان ۱۴- متر باشند، نزدیک به اندازه ی هسته ی اورانیم. بنا به استانداردهای روزمره این اندازه ای ناچیز است ولی در مقیاس فیزیک ذرات غول آساست.

به عنوان مثال، فرض کنیم که همه ی ذرات در مدل استاندارد، مانند الکترونها و پروتونها، توپهای بیلیاردی باشند که روی میز بیلیارد بزرگی حرکت می کنند. تا جایی که به آنها مربوط است، کیهان دو بعدی است. با وجود این، ساکنین میز بیلیاردی ساخته شده از “توپ های بیلیارد” باز هم می توانند جهان با بعد بالاتر را آشکارسازی کنند: هنگامی که دو توپ محکم به هم بخورند، موج های صوتی تولید می کنند، که در هر سه بعد پیش می رود، و مقداری از انرژی را از روی میز به بیرون می برد. این موج های صوتی همانند گراویتون هستند، که می تواند در فضای کامل به بعد بالاتر سفر کند. در برخوردهای ذرات پرانرژی، انتظار داریم که از دست رفتن انرژی را مشاهده کنیم، ناشی از گراویتونهای فراری به بعدهای بالاتر.
گرچه شاید عجیب به نظر برسد که برخی ذرات می باید به دیواری مفید باشند، پدیده های مشابه کاملا آشنا هستند. برای نمونه، الکترونها در سیم مسی می توانند تنها در جهت فضای یک بعدی سیم پیش بروند. به همین ترتیب، موج های آب عمدتا روی سطح اقیانوس حرکت می کنند، نه در ژرفایش. سناریوی خاصی که داریم شرح می دهیم، که در آن همه ذرات به جز گراویتون به دیواری چسبیده اند، می تواند به طور طبیعی در نظریه ی ریسمان پدیدار شود. در واقع، یکی از نگرش های اصلی که دستاوردهای اخیر در نظریه ی ریسمان را به راه انداخته، این نکته بوده که این نظریه دربرگیرنده ی «دیوارهایی» است، موسوم به دی-برین ها، که در آن «برین» از واژه ی «ممبرین» (غشاء) و «D» از «دیریکله»، که نشانگر خاصیتی ریاضی برای برین هاست، می آیند. دی برین ها دقیقا دارای این ویژگی لازم اند: ذراتی مانند الکترونها و فوتونها با طولهای ریزی از ریسمانی با دو سر عرضه می شوند که باید به دی برینی چسبیده باشند. از سوی دیگر، گراویتونها، حلقه های بسته ی ریزی اند که می توانند درون همه ی بعدها ول بچرخند، چون هیچ انتهایی ندارند که آنها را در دی برینی گیر بیندازد.
آیا زنده است؟
هنگامی که نظریه پردازان کارکشته نظریه ای تازه دارند، یکی از نخستین کارهایی که انجام می دهند آن است که می کوشند با یافتن ناسازگاری با نتایج تجربی شناخته شده آن نظریه را از پا در آورند. نظریه ی بعدهای اضافی بزرگ در مسافت های ماکروسکوپی گرانش را تغییر می دهد و در انرژی های زیاد فیزیک را دگرگون می کند، پس بی تردید از پا در آوردنش ساده است. با این حال، نکته در آن است که با وجود در هم شکستن بنیان برانداز تصویر معمول ما از کیهان، این نظریه با هیچ نتیجه ی تجربی شناخته شده ای سر ناسازگاری ندارد. نمونه هایی چند از این دست آزمونهای از سر گذارنده شده نشان می دهند که این نتیجه گیری تا چه حد غافلگیر کننده است.
شاید در ابتدا نگران باشیم که تغییر دادن گرانش بر اجسامی که با گرانش گرد هم آمده اند، مانند ستارگان و کهکشان ها، تأثیر بگذارد. ولی آنها با نمی پذیرند. گرانش تنها در مسافت های کوتاه تر از یک میلی متر تغییر می کند در حالی که مثلا در یک ستاره، برای کنار هم نگه داشتن بخش های دوردست گرانش در چندین هزار کیلومتر عمل می کند. از آن کلی تر، حتی اگر ابعاد اضافی در مسافت های کوتاه گرانش را خیلی سریع تر تقویت کنند، باز هم تنها در نزدیکی ۱۰ به توان ۱۹- متر به دیگر نیروها می رسد و در مسافت های بیشتر در مقایسه با آنها بسیار کم مایه باقی می ماند.

نگرانی بسیار جدی تر به گراویتونها بر می گردد، همان ذرات فرضی که در نظریه کوانتوم، گرانش را انتقال می دهند. در نظریه ی ابعاد اضافی، گراویتون ها بسیار قوی تر با ماده برهم کنش می کنند که هم ارز قوی تر شدن گرانش در مسافت های کوتاه است، پس باید در برخوردهای ذرات پرانرژی تعداد بسیار زیادتری از آنها تولید شوند. در ضمن، آنها در همه ی جهت ها انتشار می یابند، و در نتیجه انرژی را از دیوار، یا غشاء، یعنی همان گیتی ای که در آن به سر می بریم، بیرون می برند.

تصویر-۳ابرنواختر هنگامی پدید می آید که رمبش ستارهای پرجرم، موج شوکی انفجاری ایجاد کند. بیشتر انرژی به شکل نوترینو ( آبی) گسیل می شود. چنانچه ابعاد اضافی وجود داشته باشند، گراویتونهای گسیلی (سرخ) بیشتر انرژی را به نسبتی که در سه بعد می توانند، با خود می برند. نظریه پردازان با این الزام که نشت انرژی توسط گراویتونها باعث کم مایگی ابرنواختران نمی شود، بر ویژگی های ابعاد اضافی مهار می زنند.هنگامی که ستاره ای میرمبد و سپس به صورت ابرنواختر می ترکد، دماهای زیاد به راحتی می توانند گراویتونها را به بعدهای اضافی پرتاب کنند. با این حال، از رصدهای ابرنواختر مشهور ۱۹۸۷A می دانیم که انفجار ابرنواختری بیشتر انرژی خود را به شکل نوترینو گسیل می کند، پس جای اندکی را برای هر گونه نشت انرژی توسط گراویتونها بر جا می گذارد.
بنابراین درک ما از ابرنواختر ها، محدود است به میزان استحکام جفت شدگی گراویتون ها با ماده. این قید به سادگی می تواند ایده ی ابعاد اضافی بزرگ را زیر پا بگذارد، ولی محاسبات دقیق نشان می دهند که این نظریه از بین نمی رود. شدیدترین حد تنها برای دو بعد است، که در آن اگر مقیاس پلانک به زیر تقریبا TeV۵۰ کاهش داده شود، گراویتونها بیش از اندازه ابرنواختر ها را خنک می کنند. برای سه یا چهار بعد اضافی، این مقیاس می تواند به کوچکی چند TeV باشد بدون این که ابرنواختران از تب و تاب بیفتند.
نظریه پردازان، بسیاری از دیگر قیدهای ممکن را آزموده اند، از تصویر موفقیت آمیز کیهان ابتدایی، بیگ بنگ، گرفته تا برخوردهای بسیار پرانرژی پرتوهای کیهانی، این نظریه همه ی این بررسی های تجربی را، که معلوم شده به اندازه قید ابرنواختری سفت و سخت نیستند از سر گذرانده.
شاید شگفت انگیز باشد که با افزوده شدن ابعاد بیشتر به این نظریه، این قیدها سست تر می شوند. ما این را در همان آغاز می بینیم: مورد یک بعد اضافی بی درنگ کنار گذاشته شد چون در فواصل منظومه ی خورشیدی گرانش تغییر پیدا خواهد کرد. این بیانگر آن است که چرا ابعاد بیشتر امن تر هستند؛ مستحکم شدن چشمگیر گرانش در مسافت های کوتاه تر آغاز می شود و بنابراین تأثیر کمتری بر فرایندهای بلند بردتر دارد.

کاویدن پاسخ ها
این نظریه با تبدیل گرانش به نیرویی قوی در نزدیک انرژی های TeV، درست همان مقیاس انرژی که باید با شتابدهنده های ذرات پیش رو کاویده شود، مسئله ی سلسله مراتب را حل می کند. بنابر این آزمایشگران در برخورد دهندهی بزرگ هادرون (LHC) که در ۲۰۰۸ آغاز به کار کرد، می باید پرده از سرشت گرانش کوانتومی بردارند.
برای مثال، اگر نظریه ی ریسمان توصیف درستی از گرانش کوانتومی باشد، ذرات مانند حلقه های ریزی از ریسمان اند، که می توانند مانند زههای ویلن ارتعاش کنند. ذرات بنیادی شناخته شده متناظرند با ریسمانی که ارتعاش نمی کند، بسیار شبیه به زه ولنی که آرشه به آن نمی خورد. هر “نت موسقیایی” متفاوت که ریسمان می تواند با ارتعاش حمل کند، به صورت ذرهی راز آلود متفاوت تازه ای پدیدار می شود. در نظریه های ریسمان متداول، ریسمان ها تنها به بزرگی ۱۰ به توان ۳۵- متر در نظر گرفته می شدند، و ذرات تازه جرم هایی در اندازه ی انرژی پلانک معمول دارند – “موسیقی” چنین ریسمانی برای “شنیدن” ما در هر برخورد دهنده ی ذرات بسیار زیر است. ولی با بعدهای اضافی بزرگ تر، ریسمانها بسیار درازترند، نزدیک به ۱۰۰ متر، و ذرات تازه در انرژی های Tev پدیدار می شوند – به حد کافی بم تا در LHC شنیده شود.به همین ترتیب، انرژی های لازم برای ایجاد ریزسیاهچاله ها در برخوردهای ذرات به گسترهی تجربی فرو می افتد. چنین چاله هایی در اندازه ی نزدیک به ۱۰ به توان ۱۹- متر، چنان کوچک اند که دردسر ساز نمی شوند . آنها انرژی را به شکل تابش هاوکینگ گسیل می کنند و در کمتر از ۱۰ ثانیه بخار می شوند. با مشاهده ی چنین پدیده هایی، فیزیکدانان می توانند به طور مستقیم به کاویدن راز های فیزیک سیاهچاله ی کوانتومی بپردازند.

تصویر-۴:ریزسیاهچاله ها را می توان با شتابدهنده های ذرات مانند برخورد دهنده ی بزرگ هادرون ساخت که پروتونها (زرد) را در انرژی های زیاد به هم می کوبد. این چاله ها با گسیل تابش هاکینگ از ذرات مدل استاندارد ( آبی) و گراویتون ها (سرخ) به سرعت بخار می شوند.
حتی در انرژی های بسیار کم برای ایجاد ریسمان های مرتعش یا سیاهچاله ها، برخوردهای ذرات تعداد عظیمی گراویتون تولید خواهند کرد، فرایندی که در نظریه های متداول قابل چشم پوشی است. آزمایش ها نمی توانند به طور مستقیم گراویتون های گسیلی را آشکار سازی کنند، ولی انرژی حمل شده توسط آنهابصورت از دست رفتن انرژی در ترکش های برخورد نمایان می شود. این نظریه ویژگی هایی مشخص را برای این انرژی از دست رفته پیش بینی می کند – مثلا چگونه باید با انرژی برخورد تغییر کند و مانند این – پس مدرک تولید گراویتون را می توان از دیگر فرایندهایی که انرژی را در ذرات نادیده بیرون می برند، متمایز کرد. داده های فعلی از شتاب دهنده هایی با بالاترین انرژی، پیشاپیش قیدی ملایم بر سناریوی بعدهای بزرگ می زند. آزمایشگران در LHC می باید یا مدرکی از گراویتون ببینند یا با نبود آن این نظریه را کنار بگذارند.

آزمایشی کاملا متفاوت هم می تواند مدرکی برای نظریه بیابد، شاید خیلی زودتر از برخورد دهنده های ذرات. به یاد بیاورید برای آن که دو بعد بزرگ بتوانند از پس مسئلهری سلسله مراتب برآیند، باید به بزرگی یک میلی متر باشند.
بنابراین اندازه گیری های گرانش باید تغییری از قانون وارون توان دوم نیوتون به قانون وارون توان چهام در فواصل نزدیک به یک میلی متر را آشکار سازی کنند. بسط های چارچوب نظری پایه به مجموعه ی کامل تازه ای از دیگر انحراف های ممکن از گرانش نیوتون می انجامد، که جالب ترین آنها عبارت است از نیروهای پس زننده ی بیش از یک میلیون بار قوی تر از گرانشی که بین دو جرم در فاصله ی کمتر از یک میلی متر رخ می دهد. آزمایش های رومیزی با استفاده از آشکارسازهای بسیار دقیق اکنون در دست جریان است، که سرگرم آزمودن قانون نیوتون در گستره ی یک سانتی متر تا دهها میکرون هستند.
برای کاویدن نیروی گرانشی در مسافت های زیر میلی متری، باید از اجسامی استفاده کرده که از یک میلی متر خیلی بزرگتر نباشند، که بدین ترتیب جرم های بسیار اندکی دارند. باید با احتیاط اثرات بیشماری همچون نیروهای الكترواستاتیکی بازمانده را زدود که می توانند ربایش گرانشی را بپوشانند با آن را وانمود کنند. چنین آزمایش هایی دشوار و ظریف اند، ولی نکته ی هیجان انگیز آن است که شاید پرده از فیزیک تازه ی چشمگیری بردارند.
حتی سوای جستجو برای ابعاد اضافی، افزایش دانش مستقیم ما از گرانش در این فواصل کوتاه از اهمیت برخوردار است. سه پژوهشگر هم اکنون سر گرم چنین آزمایش هایی اند:از دانشگاه کلرادو، آرون کاپیتولنیک از دانشگاه استنفورد و اریک الدلبرگر از دانشگاه واشینگتن. در ۲۰۰۳، نتایج تجربی نشان داد که قانون وارون جان پر ایس توان دوم تا ۰/۰۱ میلی متر معتبر است.
ایده ی ابعاد اضافی در عمل امتداد سنت کوپرنیکی است در فهم مكان ما در این جهان: زمین مرکز منظومه ی خورشیدی نیست، خورشید مرکز کهکشان ما نیست، کهکشان خودمان تنها یکی است از میلیاردها ، در کیهانی که هیچ مرکزی ندارد، و اکنون گیتی سه بعدی خودمان شاید تنها غشایی نازک باشد در فضایی کامل از ابعاد. اگر برش هایی را در ابعاد اضافی در نظر بگیریم، کیهان خودمان تک نقطه ای ریز در هر برش را به خود اختصاص می دهد، که دور تا دور آن خالیست.شاید این همه ی داستان نباشد. همان طور که راه شیری تنها کهکشان در کیهان خودمان نیست، آیا نمی شود که کیهان ما نیز در ابعاد اضافی تنها نباشد؟ غشاهای دیگر کیهان های سه بعدی می توانند در موازات با مال خودمان قرار بگیرند، تنها با یک میلی متر فاصله از ما در ابعاد اضافی. به همین ترتیب، گرچه همه ی ذرات مدل استاندارد به کیهان غشایی خودمان چسبیده اند، دیگر ذرات ورای مدل استاندارد در کنار گراویتون شاید از درون ابعاد اضافی انتشار پیدا کنند. این ابعاد اضافی، بیش از آن که تهی باشند، می توانند دارای لشگری از ساختارهای جالب باشند.اثرات ذرات تازه و کیهان ها در ابعاد اضافی چه بسا جواب هایی برای بسیاری از رازهای پابر جای فیزیک ذرات و کیهان شناسی فراهم کنند. برای نمونه، شاید آنها مسئول جرم های ذرات بنیادی شبح واری موسوم به نوترینوها باشند. مدرک برجسته ای از آزمایش Super Kamiokande در ژاپن نشان می دهد که نوترینوها، که مدت ها بی جرم در نظر گرفته می شدند، دارای جرم بسیار اندک ولی غیرصفر هستند. نوترینو می تواند در برهم کنش با میدان باری که در بعد اضافی است، جرم پیدا کند. همانند گرانش، این برهم کنش توسط یاری که در سرتاسر ابعاد اضافی گسترده می شود، به شدت رقیق می شود، و در نتیجه نوترینو تنها جرمی اندک به دست می آورد.
جهان های موازی
نمونه ای دیگر این راز در کیهان شناسی این است که جنس “ماده تاریک” چیست؟همان ماده ی گرانش دهنده ی نادیدنی که بیش از ۹۰درصد جرم کیهان را تشکیل می دهد. چه بسا ماده تاریک در جهان های موازی جا گرفته باشد. چنین ماده ای از راه گرانش بر کیهان ما تاثیر می گذارد و الزاماً”تاریک” است چون گونه های فوتون خودمان به غشای خودمان چسبیده اند، ما برسند. پس فوتونهای آمده از ماده ی موازی نمی توانند با گذر از تهی گاه به چشمان ما برسند. چنین جهان های موازی شاید کاملا بی شباهت به مال ما باشند، با داشتن ذرات و نیروهای متفاوت و شاید حتی مقید بودن به غشاهایی با ابعاد کمتر یا بیشتر. با این حال، در یک سناریوی جالب، آنها از ویژگی های یکسان با جهان ما برخوردارند. تصور کنید که دیوار در جایی که زندگی می کنیم چندین بار در ابعاد اضافی تا بخورد. اجسام آن سوی تاخوردگی، بسیار دوردست به چشم می آیند، حتا اگر کمتر از یک میلی متر با ما در ابعاد اضافی فاصله داشته باشند: نوری که گسیل می کنند باید از چین و شکن ها بگذرد تا به ما برسد. اگر این چین و شکن ده ها میلیارد سال نوری طول داشته باشد، هیچ نوری از سمت دیگر نمی توانسته از زمان آغاز کیهان به ما رسیده باشد.

تصویر-۵: جهان های موازی شاید در کنار دستمان به طرزی نادیدنی وجود داشته باشند، روی غشاهای خودشان در کمتر از یک میلی متری ما. چنین جهان های موازی همچنین می توانند ورقه هایی متفاوت از کیهان ما باشند که روی خود تا خورده اند. ماده ی تاریک را می توان با ستارگان و کهکشان های عادی در ورقه های کناری توضیح داد: گرانش آنها (سرخ) می تواند با میانبرزدن از درون بعدهای اضافی به ما برسد، ولی نمی توانیم آنها را ببینیم، چون نور (زرد) باید میلیاردها سال نوری از درون چین و شکنها بگذرد.ماده ی تاریک می تواند از جنس همین ماده ی عادی باشد، شاید حتی ستارگان و کهکشان های معمولی ، که به روشنی در تا خوردگی خود می درخشندـچنین ستارگانی اثرات مشاهده پذیر جالبی ایجاد می کنند، مانند موج های گرانشی آمده از ابرنواختران و دیگر فرایندهای خشن اخترفیزیکی. آشکارسازهای موج گرانشی که برای تکمیل در چند سال آینده برنامه ریزی شده اند شاید بتوانند با مشاهده ی سرچشمه های بزرگ تابش گرانشی که نمی توان آن را با ماده ی عادی در کیهان خودمان توضیح داد، مدرکی برای این تاخوردگی ها پیدا کنند.نظریه ای که ما در این جا ارائه کرده ایم نخستین پیشنهاد دربرگیرنده ی ابعاد اضافی بزرگ تر از ۱۰ به توان ۳۵- متر نیست. در ۱۹۹۰ ایگناسیوس آنتونیادیس از دانشکده ی پلی تکنیک فرانسه پیشنهاد کرد که شاید برخی از ابعاد نظریه ی ریسمان به بزرگی ۱۰ به توان ۱۹- متر باشند، ولی او مقیاس گرانش کوانتومی را نزدیک به ۱۰ به توان ۳۵- متر گرفت. در ۱۹۹۶ پتر هوراوا از انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا و ادوارد ويتن از انستیتو مطالعات پیشرفته در پرینستون خاطرنشان ساختند که تک بعد اضافی ۱۰ به توان ۳۰- متری به خوبی گرانش را در کنار وحدت بخشی ابرمتقارن دیگر نیروها، همگی در ۱۰ به توان ۳۴- متر، وحدت می بخشد. پیرو این ایده، جوزف ليكن از آزمایشگاه شتابدهنده ی ملی فرمی کوشید تا مقیاس وحدت بخشی را به نزدیک۱۰ به توان ۳۲- متر برساند (بدون ابعاد اضافی بزرگ). كیث دیس از دانشگاه آریزونا و امیلیان دوداس و تونی گرگتا از سرن در ۱۹۹۸ مشاهده کردند که ابعاد اضافی کوچک تر از ۱۰ به توان ۱۹- متر شاید بتواند به نیروها اجازه دهد تا در مسافت هایی خیلی بیشتر از ۱۰به توان ۳۲- متر متحد شوند.از هنگام پیشنهاد ما در ۱۹۹۸ تعدادی از گونه های جالب پدیدار شده اند، با بهره گیری از همان اجزای سازنده ی پایه ی ابعاد اضافی و کیهان روی دیوار خودمان. در مدلی جالب، ليزا رندال از دانشگاه پرینستون و رامان ساندرام از استنفورد پیشنهاد کردند که خود گرانش شاید روی غشایی در فضازمان پنج بعدی متمرکز باشد که در هر جهتی نامتناهی است. اگر ما روی غشایی متفاوت باشیم گرانش به طور طبیعی در کیهان ما بسیار ضعیف نمایان می شود. برای سالیان متمادی، رهیافت متداول سرشاخ شدن با مسئله ی سلسله مراتب، و بنابراین درک چرایی کم مایگی زیاد گرانش، آن بوده است که فرض کنیم مقیاس پلانک در نزدیک ۱۰به توان ۲۵- متر بنیادی است و این که فیزیک ذرات باید در نزدیک ۱۰ به توان ۱۹- متر تغییر پیدا کند. پس گرانش کوانتومی در قلمرو گمان پردازی نظری باقی می ماند، ناامیدانه بیرون از دسترس آزمایش. در اواخر دهه ی ۱۹۹۰، ما دریافتیم که چنین چیزی ناگزیر نیست. اگر ابعاد تازه ی بزرگی باشند،می توان انحراف ها از قانون نیوتن را، مثلا، در نزدیک ۱۰×۶ به توان ۵- متر کشف کرد و ارتعاش های ریسمانی یا سیاهچاله ها را در LHC آشکارسازی خواهیم کرد. گرانش کوانتومی و نظریه ریسمان شاید به علمی آزمون پذیر تبدیل شوند. هر چه پیش بیاید ، آزمایش ها جواب به سوال سیصدساله را نشان می دهند . و چه بسا دریابیم که در تختستان عجیب و غریبی هستیم، کیهانی غشایی که در آن گرانش کوانتومی همین کنار گوش ماست.

#arian_x

برگردان: آرین رسولی

منبع اصلی:Scientific American 283,62-69. (Agust 2000)