معادله جادویی فیزیک کوانتوم و نسبیت عام اینشتین را در اولین بار متحد میکند
برای اولین بار، یک چارچوب ریاضی ثابت میکند که نظریه نسبیت عام اینشتین، که رابطه بین فضا، زمان و گرانش را توضیح میدهد، با فیزیک کوانتوم که رفتار الکترونها، فوتونها و دیگر ذرات بنیادی را توصیف میکند، همسو است.
محققان در مطالعه خود میگویند، «ما ثابت کردیم که معادله میدان اینشتین از نسبیت عام در واقع یک معادله مکانیک کوانتومی نسبیتی است.»
به زبان ساده، این چارچوب جدید علوم حاکم بر جهان ماکروسکوپیک را با جهان میکروسکوپیک متصل میکند.
بنابراین، این چارچوب امکان توضیح دادن هر پدیده فیزیکی شناخته شده برای بشریت را دارد، از ماده تاریک مرموز در فضا تا فوتونهای منتشر شده توسط چراغ قوه گوشی شما.
محققان افزودند، «تا به امروز، هیچ نظریهای که به طور جهانی پذیرفته شده باشد برای توضیح همه مشاهدات فیزیکی پیشنهاد نشده است.» آنها ادعا میکنند که نظریهشان میتواند اساسهای فیزیک را به چالش بکشد و درک ما از جهان را تغییر دهد.
واگرایی بین نسبیت و دنیای کوانتوم
نظریه نسبیت عام اینشتین توضیح میدهد که چگونه گرانش کار میکند. این نظریه بیان میکند که اشیاء بزرگ مانند سیارات، ستارگان یا کهکشانها بستر فضا و زمان را خم میکنند، مانند یک توپ سنگین روی ترامپولین. این خمیدگی چیزی است که ما به عنوان گرانش احساس میکنیم.
بنابراین، به جای اینکه گرانش را به عنوان یک نیروی نامرئی که اشیاء را به هم میکشد در نظر بگیریم، نسبیت عام نشان میدهد که اشیاء در طول انحنای فضایی که در اطراف آنها ایجاد شده حرکت میکنند. هرچه جسم بزرگتر باشد، فضای بیشتری را خم میکند و اثر گرانشی قویتری دارد.
از سوی دیگر، فیزیک کوانتوم به مطالعه رفتار غیرعادی کوچکترین ذرات در جهان میپردازد.
برای مثال، این علم بررسی میکند که چگونه ذراتی مانند الکترونها میتوانند به طور همزمان در چند وضعیت یا مکان وجود داشته باشند (ابرنشینی) تا زمانی که اندازهگیری شوند. این نوع رفتار عجیب در اشیائی که ما به طور منظم با آنها سر و کار داریم مشاهده نمیشود.
تا کنون، دانشمندان نتوانستهاند نسبیت عام و فیزیک کوانتوم را آشتی دهند، زیرا این دو نظریه جهان را به روشهای اساسی متفاوتی توصیف میکنند. هنگامی که تلاش شد هر دو نظریه به طور همزمان به کار گرفته شوند — مانند در مورد سیاهچالهها، نتایج متناقضی تولید کردند که یکپارچهسازی آنها در یک چارچوب واحد را دشوار کرده است.
به عنوان مثال، نسبیت عام پیشبینی میکند که هسته یک سیاهچاله بینهایت چگال است، در حالی که فیزیک کوانتوم پیشنهاد میدهد که چنین بینهایتهایی نمیتوانند وجود داشته باشند.
پر کردن فاصله بین نسبیت و فیزیک کوانتوم
نسبیت عام برای اشیاء بزرگ مقیاسی کار میکند، در حالی که فیزیک کوانتوم پدیدههای میکروسکوپیک را به دقت توصیف میکند، اما ضرورت متحد کردن آنها چیست؟ خوب، دو دلیل بزرگ برای این وجود دارد. اول، ترکیب اینها درک کاملی از جهان در همه مقیاسها فراهم میکند.
این مهم است زیرا بسیاری از مفاهیم مانند سیاهچالهها یا بیگ بنگ احتمالاً نتایج شرایطی هستند که در آن فیزیک کوانتوم و نسبیت عام نقش ایفا کردهاند. درک آنها نیازمند یک نظریهای است که هر دو را یکپارچه کند.
دوم، برای درک کامل علم گرانش کوانتومی، تابش هاوکینگ، نظریه ریسمان و پدیدههای مختلف دیگر بدون ارتباط دادن نقاط بین نظریه نسبیت عام و فیزیک کوانتوم نمیتوان پیش رفت.
برای اتصال آنها، محققان یک چارچوب ریاضیاتی توسعه دادند که “جرم و بار لپتونها (ذرات بنیادی) را به عنوان تعاملات بین انرژی میدان و خمیدگی فضا-زمان بازتعریف کردهاند.”
محققان یادآور شدند، «معادله به دست آمده هممتقارن در فضا-زمان و همسان در مقیاس پلانک است. بنابراین، ثابتهای جهان میتوانند به تنها دو کمیت: طول پلانک و زمان پلانک کاهش یابند.»
این معادله به طور ریاضی اثبات میکند که معادله میدان اینشتین مرتبط با نظریه نسبیت معادل با معادله کوانتومی است. نویسندگان مطالعه ادعا میکنند که این میتواند پاسخهایی به سوالات مختلفی که تاکنون ناشناخته ماندهاند ارائه دهد.
برای مثال، ممکن است توضیح دهد که چرا سیاهچالهها فرو نمیریزند، شرایط در زمان بیگ بنگ چگونه بود و چگونه درهم پیچیدگی فضا-زمان کار میکند.
علاوه بر این، «در سالهای اخیر، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) چندین پدیده، از جمله کهکشانهایی که ۳۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ وجود داشتند، که هرگز فکر نمیشد وجود داشته باشند، مشاهده کرده است. نظریه پیشنهادی ما به طور مناسب این پدیده را توضیح میدهد»، محققان گفتند.
این مطالعه در مجله Astroparticle Physics منتشر شده است.