گرانش کوانتومی: نظریه‌ای نوین برای توضیح آغاز جهان و غلبه بر نسبیت عام اینشتین

گرانش کوانتومی و راز آغاز جهان

اثبات گرانش کوانتومی برای فیزیکدانان مانند یافتن کلید حل یک معمای بزرگ است. این نظریه می‌تواند پلی میان دو جهان متفاوت علم بسازد: جهانی که نسبیت عام در مقیاس‌های کیهانی توضیح می‌دهد و جهانی که فیزیک کوانتومی در مقیاس‌های بسیار کوچک بررسی می‌کند.

نسبیت عام تنها در مقیاس‌های کوچک با چالش مواجه نیست و در لحظات آغازین کیهان نیز از عهده توضیح آن برنمی‌آید. برای غلبه بر این مشکل، تیمی از پژوهشگران به سرپرستی نیاش افشوردی، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه واترلو و موسسه پیرامتر، نظریه‌ای موسوم به گرانش کوانتومی درجه دوم را بررسی کردند. این نظریه توانایی توضیح رخدادهای آغازین کیهان با چگالی و دمای بسیار بالا را دارد.

افشوردی توضیح می‌دهد: «نسبیت عام در بسیاری از شرایط عملکردی فوق‌العاده‌ای دارد، اما وقتی از آن برای بررسی مه‌بانگ یا داخل سیاهچاله‌ها استفاده می‌کنیم، به پیش‌بینی یک تکینگی می‌رسیم و این همان لحظه‌ای است که چگالی، انحنای فضا و دما به بی‌نهایت می‌رسند. با این اوصاف، نسبیت عام احتمالا برای توصیف نخستین لحظات کیهان کافی نیست.»

گسترش دیدگاه سنتی نسبیت عام

در رویکرد استاندارد به مه‌بانگ، دانشمندان ابتدا نظریه گرانش اینشتین را مبنا قرار می‌دهند و سپس برای توضیح نخستین لحظات کیهان، عناصر اضافی را وارد می‌کنند. معروف‌ترین این عناصر، میدان تورمی فرضی است که به توضیح رشد فوق‌العاده سریع کیهان در آغاز کمک می‌کند.

به گفته افشوردی، رویکرد جدید این است که بررسی کنیم آیا برخی ویژگی‌های کیهان در نخستین لحظات می‌تواند به طور مستقیم ناشی از خود گرانش باشد، به شرطی که گرانش به گونه‌ای گسترش یابد که در انرژی‌های بسیار بالا هم رفتار منطقی و پایدار داشته باشد. این رویکرد که فیزیکدانان به آن تکمیل فرابنفش می‌گویند، به جای اینکه مه‌بانگ را نقطه‌ای ببینند که در آن معادلات شکست می‌خورند و سپس با فرضیات اضافی مشکل را حل کنند، نظریه‌ای را بررسی می‌کند که در آن گرانش از قبل، شامل اجزایی است که می‌توانند آن مرحله بسیار اولیه را به‌طور منسجم توصیف کنند.

مدل جدید و سازگاری با داده‌ها

به باور افشوردی، مدل ایشان با داده‌های کنونی تطابق بسیار خوبی دارد و در برخی موارد حتی بهتر از بسیاری از مدل‌های تورمی استاندارد عمل می‌کند. او می‌افزاید:

• ظهور طبیعی مرحله‌ای شبیه تورم، شگفت‌انگیز است.
• معمولاً تورم را چیزی می‌دانیم که باید بر گرانش اضافه شود، اما در این مدل مستقیماً از گرانش ناشی می‌شود.
• دیدن اینکه تفسیری نسبتاً ساده از نظریه اینشتین می‌تواند گام بزرگی در حل یکی از مسائل عمیق منشأ کیهان بردارد، بسیار دلگرم‌کننده است.

مسیر آینده پژوهش

گام بعدی تیم، دقیق‌تر کردن پیش‌بینی‌های مدل‌سازی و سنجش آن‌ها در برابر داده‌های آینده است. این محقق دو مسیر اصلی را پیش رو می‌بیند:

• مسیر نظری: درک بهتر چارچوب و بررسی پایداری نتایج در شرایط پیچیده‌تر.
• مسیر مشاهده‌ای: ارائه پیش‌بینی‌های روشن‌تر درباره امواج گرانشی اولیه و دیگر نشانه‌های به‌جامانده از کیهان اولیه.

شواهد مورد نیاز دانشمندان برای تأیید این نظریه احتمالاً از نشانه‌های قدیمی به دست خواهد آمد. از جمله این نشانه‌ها می‌توان به لرزش‌های بسیار ظریف فضا – زمان که امواج گرانشی اولیه نامیده شده‌اند، اشاره کرد. همچنین بقایای تابش زمینه ریزموج کیهانی که نوعی فسیل کیهانی به شمار می‌رود و از نخستین تابش نور در جهان باقی مانده، کمک شایان توجهی به آن‌ها خواهد کرد.