آیا نظریه‌ معروف اینیشتین باید تغییر کند؟

زومیت - اینیشتین و تلاش‌های بسیارش برای ارائه‌ی نظریه‌ی نسبیت عام شهره‌ی عام و خاص هستند اما کمتر کسی می‌داند که او به پدید آمدن مکانیک کوانتوم کمک شایانی کرده است، خود او نیز توجه زیادی به این موضوع نداشت. اما آیا برای مطرح کردن «نظریه همه چیز» نیاز به بازنویسی نسبیت عام خواهیم داشت؟

نسبیت عام و مکانیک کوانتوم دو دیدگاه به جهان اطراف هستند، که پایه و اساس فیزیک مدرن را تشکیل داده‌اند. بدون این دو ما امکان سفر در فضا، تصویربرداری پزشکی، سیستم‌های موقعیت یاب جهانی و استفاده از انرژی هسته‌ای را نخواهیم داشت.

نسبیت عام در زمینه‌ی شرح جهان در ابعاد بزرگ بدون رقیب است. اجرامی مانند کهکشان‌ها و سیاره‌های که در گذشته جواب قانع‌کننده‌ای برای توضیح تمامی رفتار آن‌ها نداشتیم. در حالی که مکانیک کوانتوم فیزیک را در کوچک‌ترین ابعادش مانند اتم‌ها و حتی بخشی از اتم‌ها، توضیح می‌دهد. جمع‌آوری این دو نظریه در یک نظریه‌ی واحد با نام نظریه‌ی همه چیز در حال حاضر بزرگ‌ترین چالش پیش روی فیزیک مدرن است و پیشرفت‌ها در این زمینه به کندی جلو می‌روند.

به دنیا آمدن فیزیک مدرن

دانش ما از دنیای اطرافمان براساس دسته‌ای از قوانین طبیعی است. با گذر زمان و در نتیجه‌ی مشاهدات تجربی یا تغییرات در مفهوم، این قوانین دچار تغییراتی نیز شده‌اند. یکی از اساسی‌ترین تغییرات که شاید بزرگ‌ترین تحول در تاریخ فیزیک نیز باشد، تغییر مفهوم زمان توسط اینیشتین بود. در نتیجه‌ی این تغییرات، شاهد بزرگ‌ترین پیشرفت‌ها در درک ما از دنیای اطراف بودیم.

با ترکیب سه بعد فضا (طول، عرض و ارتفاع) با جهت زمان ساختاری جدید با نام فضازمان پدید آمد که پنجره‌ای جدید به دنیا را بر ما گشود. زمانی که اینیشتین جاذبه را نیز به نظریه‌ی خود افزود، نظریه‌ی او توانایی اثبات از طریق آزمایش را نیز یافت. در نتیجه توانستیم امواج جاذبه و سیاه چاله‌ها را با این نظریه شرح دهیم.

اما نسبیت تنها زمینه‌ی کاری اینیشتین نبود. بزرگ‌ترین مشکل در آن زمان این بود که قوانین مکسول از توضیح پدیده‌ای الکتورمغناطیسی عاجز بودند. در نتیجه‌ی این اتفاق، اینیشتین بیان کرد که نور متشکل از فوتون‌های دارای انرژی است که در ارتباط مستقیم با رنگ آن است. بسیاری از دانشمندان در مورد صحت نظریه‌ی اینیشتین شک داشتند چرا که آزمایش‌ها نشان داده بودند که نور ماهیت موج دارد و نه ذره.

یکی از این افراد رابرت میلیکان بود، فردی که در نهایت توانست نظریه‌ی اینیشتین را به صورت آزمایشی نیز اثبات کند. به علاوه میلیکان نشان داد که اجزای باردار که با نام الکترون شناخته می‌شوند، مشخصات موج مانند نیز دارند. این آزمایش‌ها با نظریه‌ی اینیشتین همراه شدند تا نشان دهند که هر دوی ماده و نور می‌توانند به عنوان ذره یا موج شناخته شوند. ایده‌ای که توسط دانشمندان دیگر دنبال شد و پیشرفت‌های زیادی را در مکانیک کوانتوم بوجود آورد.

این نظریه حتی قابل اعمال بر روی کوچک‌ترین اجزا نیز بود، جایی که می‌توان از جاذبه صرفنظر کرد چرا که این نیرو در مقایسه با سایر نیروهای موثر، ناچیز است. نه تنها این نظریه باعث شد تا شرح قانع کننده‌ای برای تابش‌ها و مواد در زندگی روزمره داشته باشیم بلکه ذرات و روندهای جدیدی را نیز پیش‌بینی کرد که امروزه آن‌ها را در شتاب دهنده‌های با انرژی بالا بر روی زمین یا پدیده‌های کهکشانی در فضا مشاهده می‌کنیم.

مدعیان

نظریه‌ی ریسمان به عنوان نظریه‌ای برای یکپارچه کردن شرح ماده و امواج با نیروی جاذبه خودنمایی کرد. این نظریه بیان می کند که ماده از اجزایی دارای لرزش که مانند ریسمان به هم متصل شده‌اند، تشکیل شده است نه از ذرات ریز و جدا. هر لرزش از سوی این ریسمان متناظر با حالتی از ماده است که ما آن را مشاهده می‌کنیم.

یکی از این لرزش‌ها متناظر با کوانتوم جاذبه‌ای نیز هست. با این حال برای این که بتوان این نظریه را صحیح دانست باید بعد جدید را به فضازمان افزود که فناوری امروز از دیدن آن عاجز است. تا به امروز هیچ آزمایش خوبی برای اثبات نظریه‌ی ریسمان انجام نشده است.

در نقطه‌ی مقابل جایی که نیروی جاذبه قابل صرفنظر باشد، مکانیک کوانتوم با وجود شرح دنیای عجیب، بدون رقیب است. این نظریه بیان می‌کند که ذرات می‌توانند در یک آن در چند حالت به صورت همزمان وجود داشته باشند، اما این نظریه کاستی‌هایی دارد و در نتیجه‌ی آن نمی‌تواند پیش‌بینی کند که کدام حالت در دنیای قابل مشاهده برای ما، اتفاق خواهد افتاد.

به علاوه بنابر نظریه‌های مکانیک کوانتوم، حالت یک ماده می‌تواند تحت تاثیر حالت مواد دیگر قرار بگیرد حتی اگر در فاصله‌ی بسیار زیادی از یکدیگر قرار گرفته باشند. اینیشتین این نظریه را قبول نداشت چرا که آن را نقضی بر نظریه‌ی خود می‌دانست که هیچ چیزی نمی تواند با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت کند. او احساس می‌کرد که تاثیر مواد بر یکدیگر از فواصل دور اثباتی بر غیرجامع بودن نظریه است اما تا به امروز شواهد آزمایشگاهی عکس آن را نوید داده‌اند.

تحقیقات بسیاری در این زمینه در حال انجام است و مشخص نیست که مکانیک کوانتوم یا نسبیت عام برای توضیح مشاهدات در آینده آیا نیاز به تغییرات مفهومی یا محاسباتی خواهند داشت یا خیر. در حالی که نتایج این تحقیقات در حال حاضر مشخص نیست اما تاثیر عمیق اینیشتین بر علم فیزیک غیرقابل انکاراست.