لینک دانلــــود

لینک دانلـــود

به نقل از روزنامه اعتمــاد

Quantum gravity is expected to be necessary in order to understand situations in which classical general relativity breaks down. In particular in cosmology one has to deal with initial singularities, i.e., the fact that the backward evolution of a classical space time inevitably comes to an end after a finite amount of proper time. This presents a breakdown of the classical picture and requires an extended theory for a meaningful description. Since small length scales and high curvatures are involved, quantum effects must play a role. Not only the singularity itself but also the surrounding space time is then modified. One particular theory is loop quantum cosmology, an application of loop quantum gravity to homogeneous systems, which removes classical singularities. Its implications can be studied at different levels. The main effects are introduced into effective classical equations, which allow one to avoid the interpretational problems of quantum theory. They give rise to new kinds of early-universe phenomenology with applications to inflation and cyclic models. To resolve classical singularities and to understand the structure of geometry around them, the quantum description is necessary. Classical evolution is then replaced by a difference equation for a wave function, which allows an extension of quantum space time beyond classical singularities. One main question is how these homogeneous scenarios are related to full loop quantum gravity, which can be dealt with at the level of distributional symmetric states. Finally, the new structure of space time arising in loop quantum gravity and its application to cosmology sheds light on more general issues, such as the nature of time.

در ابتداي قرن بيستم دو نظريه مهم در فيزيک پايه گذاري شد ، مکانيک کوانتومي و نظريه نسبيت. برخلاف موفقيت هاي فراواني که هرکدام از اين نظريه ها بطور جداگانه بدست آورده اند ، با يکديگر ناسازگار به نظر مي رسند. اين تنا قض در قلب فيزيک نظري همچنان يکي از جنجا لي ترين مطالب علم است.

نظريه نسبيت عام در محاسبه  دقيق گرانش موفق عمل مي کند. اگر در ميدان گرانش ، مکانيک کوانتومي را بکار بگيريم ، به گرانش کوانتومي دست مي يابيم. در نگاه اول ساختن نظريه گرانش کوانتومي مشکلتر از نظريه الکتروديناميک کوانتومي به نظر نمي رسد. الکتروديناميک کوانتومي نيم قرن پيش ابداع شد. اساس الکتروديناميک کوانتومي توصيف نيروهاي الکترومغناطيسي برحسب تبادل ذراتي است که آنها را فوتون مي ناميم. بعبارت ديگر کوانتاي ميدان الکترومغناطيس است. اين فوتون ها گسيل شده و بلافاصله جذب مي شوند. در نتيجه گسيل و جذب فوتون ها انرژي و اندازه حرکت ذرات ثابت نمي ماند. بنابراين دافعه الکتروستاتيک بين دو الکترون را مي توان در نتيجه گسيل فوتون از يک الکترون و جذب آن توسط الکترون ديگر دانست.

بطور مشابه مي توان جاذبه گرانشي بين دو جسم را در نتيجه تبادل «گراويتون» ، يعني کوانتاي ميدان گرانشي ، دانست. اين واقعيت که تاکنون گراويتون با هيچ وسيله اي آشکار نشده است ، چندان تعجب آور نيست ، چون نيروي گرانشي بسيار ضعيفتر از نيروهاي الکتريکي و مغناطيسي است. ثابت ميشود که تبادل گراويتون ها بين جرمهاي نقطه اي باعث ايجاد ميدان گرانشي با قانون معروف عکس مجذور فاصله ميشود.

اما هنگاميکه فرآيندهاي پيچيده تر ، که در آنها تعداد زيادي گراويتون وجود دارد ، در نظر گرفته شود مشکلي بوجود مي آيد. يک فرق مهم بين ميدان گرانشي و الکترومغناطيسي وجود دارد. ميدان گرانشي غير خطي است. اين غير خطي بودن از آنجا ناشي مي شود که ميدان گرانشي شامل انرژي است و اين انرژي داراي معادل جرم است که بين آن جرمها مجددا ً گرانش وجود دارد. به زبان کوانتومي اين مطلب به اين نکته دلالت دارد که گراويتون ها با گراويتون هاي ديگر اندرکنش مي کنند ، در حاليکه فوتون ها تنها با بارهاي الکتريکي و جريانها اندرکنش دارند و با هيچ فوتون ديگري اندرکنش نمي کنند. چون بين گراويتون ها اندرکنش وجود دارد مي توان گفت که ذرات مادي با شبکه پيچيده اي از گراويتون ها احاطه شده اند که حلقه هاي بسته اي را تشکيل مي دهند ، مانند يک درخت پر از شاخ و برگ!

در نظريه ميدان کوانتومي حلقه هاي بسته نشانه دردسر مي باشد و موجب توليد جوابهاي بينهايت در محاسبه ي فرآيندهاي فيزيکي مي شوند. در الکتروديناميک کوانتومي اين مسئله هنگامي بوجود مي آيد که يک الکترون فوتوني را گسيل و مجددا ً جذب کند. بينهايت هاي بدست آمده را با يک روش رياضي  به نام «بازبهنجارش» برطرف مي کنند. اگر اين روش بدرستي بکار گرفته شود ، جوابهاي قابل قبولي بدست مي آيد. چون در الکتروديناميک کوانتومي جوابهاي بينهايت را مي توان با اين روش مشخص برداشت به آن يک نظريه «بازبهنجارپذير» مي گويند. روش ياد شده مجموعه اي از اعمال رياضي است که براي برداشتن بينهايت ها کافي است.

متاسفانه هنگاميکه مکانيک کوانتومي را در نسبيت عام بکار مي گيريم چنين روشي وجود ندارد. بنابراين در اين حالت نظريه «بازبهنجارناپذير» است. هر فرآيند شامل حلقه هاي بسته بيشتر و بيشتري از گراويتون ها خواهد بود که موجب جملات بينهايت بيشتري مي شود. وجود اين جملات بينهايت باعث مي شود نظريه گرانش کوانتومي براي بررسي اکثر پديده هاي طبيعي بي استفاده شود و اين فکر را بوجود آورد که چيزي اساسا ً در نظريه نسبيت عام يا مکانيک کوانتومي و يا هر دو غلط است.

در چند دهه گذشته تلاش هاي زيادي براي گريز از بازبهنجارناپذيري در گرانش کوانتومي شده است. برجسته ترين آنها نظريه ي «ابرريسمان» است. اين نظريه بر اين فرض بنا شده است که کوچکترين چيزي که دنياي فيزيکي از آن ساخته شده است ذرات نيستند ، بلکه حلقه هاي ريسماني مي باشند که 20^10 بار کوچکتر از هسته اتم هستند. مدهاي ارتعاشي مختلف اين ريسمان ها را مي توان به ذرات گوناگوني مانند الکترونها ، کوارکها ، نوترينو ها ، فوتون ها  ، گراويتون ها و ديگر ذرات نسبت داد. بين ريسمان ها مانند ذرات اندرکنش وجود دارد ، اما وقتي فرآيندهايي که شامل حلقه هاي بسته باشند مورد امتحان قرار گيرند ، جوابهايي که بدست مي آيد ديگر بينهايت نيستند.

مقياس انرژي ها در نظريه ي ريسمان از مرتبه 10^19 Gev است. اين انرژي 10^17 بار بيشتر از انرژي اي است که در حال حاضر بزرگترين شتاب دهنده هاي ذرات مي توانند توليد کنند. بنابراين به نظر مي رسد که مشاهده ي ساختار ريسماني ماده غير ممکن باشد. فيزيکدانان نظري اميد دارند که در حد انرژي هاي کمتر و قابل دسترس بتوانند  نظريه هاي فيزيکي آشناتر مانند نسبيت عام ، الکترومغناطيس ، نيروهاي ضعيف و قوي هسته اي و ذرات بنيادي آشنا را بعنوان تقريب هايي از نظريه ابرريسمان يک توصيف پذيرفته شده از گرانش کوانتومي نيست ، بلکه تلاشي براي وحدت نيروها و ذرات طبيعت است.

متاسفانه تاکنون نظريه ابريسمان واحدي وجود ندارد و همچنين حد پايين انرژي واحدي نيز برآورده نشده است. براي مدتها اين مسئله مانند يک مانع بزرگ مي نمود اما در سالهاي اخير يک راهکار رياضي مجرد به نام «نظريهM » ساخته شده است و معلوم شده که اين نظريه ، نظريه هاي ابرريسمان گوناگون را در بر مي گيرد.

هنوز زود است که گفته شود نظريه ي M در نهايت بين گرانش و کوانتوم آشتي ايجاد کرده است ، ولي اگر اين نظريه مطابق انتظارات باشد مي بايست واقعيتهاي بنيادي دنياي فيزيکي را توضيح دهد. بعنوان مثال فضا ـ زمان چهار بعدي مي بايست از نظريه بيرون بيايد ، بدون آنکه خودمان آنرا به نظريه بيفزايم. نيروها و ذرات طبيعت نيز مي بايست بر اساس خواص کيلدي شان مانند قدرت اندرکنش ها و جرم هايشان توضيح داده شوند. به هر صورت تا زمانيکه نتوان در حد انرژي شتابدهنده هاي موجود نظريه ي M را مورد امتحان قرار داد ، اين نظريه در حد يک تمرين زيباي رياضي باقي مي ماند.