ماهیت نیروی جاذبه چیست؟

گرانش، نیروی مرموزی است که هرچند نظریه نسبیت عام اینشتین، آن را به خوبی توصیف می کند؛ اما منشا آن کماکان ناشناخته است. آیا می توان جهت گیری آرایش اطلاعات اجسام مادی را در فضا عامل گرانش دانست؟

اگرچه نیروی جاذبه ابتدا توسط قوانین نیوتن و سپس نسبیت عام اینشتین به خوبی توصیف شد، با این وجود ما هنوز نمی دانیم چگونه خواص بنیادین جهان با هم ترکیب می شوند و این پدیده را ایجاد می کنند.
اریک ورلیند از دانشگاه آمستردام هلند، رویکرد جدیدی را برای توصیف نیروی جاذبه پیشنهاد کرده است. این فیزیکدان نظری و از تئوریسین های برجسته نظریه ریسمان، استدلال می کند که جاذبه گرانشی ممکن است ناشی از جهت آرایش اطلاعات اجسام مادی در فضا باشد. وی می گوید: «از نظر من به عنوان یک فیزیکدان، این بسیار متقاعد کننده است.»

● اولین، دوربردترین و تنهاترین
نخستین بار نیوتن با در نظر گرفتن جاذبه به عنوان نیروی بین اجسام، نشان داد که جاذبه چطور در مقیاس های بزرگ عمل می کند. سپس اینشتین ایده های نیوتن را در نظریه نسبیت عام خود اصلاح کرد. وی نشان داد که توصیف جاذبه به وسیله انحنای چارچوب فضا زمان توسط یک جسم، بهتر انجام می شود. همه ما ازآن رو به سمت زمین کشیده می شویم که جرم سیاره، چارچوب فضا زمان پیرامون خود را خم کرده است.

اما این پایان ماجرا نیست. اگرچه نیوتن و اینشتین بینش عمیقی را برای درک نیروی جاذبه فراهم کردند، اما قوانین آنها تنها توصیف های ریاضی است. این نظریه ها تنها نحوه عملکرد جاذبه را تشریح می کنند، بدون این که بگوید جاذبه از کجا می آید. فیزیکدانان نظری تلاش زیادی را برای ایجاد ارتباط بین نیروی جاذبه با دیگر نیروهای بنیادین شناخته شده جهان انجام داده اند. مدل استاندارد فیزیک که بهترین چارچوب ما برای توصیف دنیای زیراتمی است، شامل نیروی الکترومغناطیسی و نیروهای هسته ای قوی و ضعیف است؛ اما نیروی جاذبه را دربر نمی گیرد.

بسیاری از فیزیکدانان نسبت به این که مدل استاندارد فیزیک بتواند در برگیرنده نیروی جاذبه باشد، تردید دارند. نیروی گرانش را می توان بوسیله عملکرد ذرات فرضی گراویتون توصیف کرد، اما تاکنون مدرکی دال بر وجود این ذرات به دست نیامده است. ضعف جنبه گرانشی نظریه های موجود، از دلایل اصلی ارائه تئوری های جدید مانند نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی در دهه های اخیر بوده است.

● آنتروپی، گرانش و هولوگرافی

کارهای ورلیند، رویکرد جدیدی را برای بررسی مساله گرانش پیشنهاد می کند. بنابر اعتقاد وی گرانش پدیده ای است که از خواص بنیادین فضا و زمان ایجاد می شود.
برای درک نگرش پیشنهادی ورلیند، مفهوم سیالیت آب را در نظر بگیرید. مولکول های منفرد آب هیچ سیالیتی ندارند، اما مجموعه این مولکول ها در کنار یکدیگر خاصیت سیالیت آب را به وجود می آورد. به طور مشابه، نیروی گرانشی جزو خواص ذاتی مواد نیست. این نیرو یک اثر اضافی فیزیکی است که از اندرکنش جرم، فضا و زمان ایجاد می شود. ایده وی درباره نیروی جاذبه به عنوان یک نیروی آنتروپی، بر اصل اول ترمودینامیک استوار است که در حوزه نامتعارفی از توصیف فضا زمان که هولوگرافی نامیده می شود، عمل می کند.

هولوگرافی در فیزیک نظری، دارای اصول مشابه برچسب هولوگرام موجود بر روی اسکناس است. در این روش تصاویر سه بعدی در یک سطح دوبعدی جا داده شده است. مفهوم هولوگرافی در فیزیک در دهه ۱۹۷۰، توسط استیفن و جاکوب بکنشتین توسعه یافت تا بتواند خواص سیاهچاله ها را توصیف کند. کارهای آنها به مفهومی منجر شد که بر اساس آن، یک کره فرضی می تواند اطلاعات لازم را درباره جرم داخلش در خود ذخیره کند. در دهه ۱۹۹۰ میلادی / ۱۳۷۰ شمسی، هوفت و لئونارد ساسکیند از دانشگاه استنفورد پیشنهاد کردند که این چارچوب می تواند به تمام جهان تعمیم داده شود. اصل هولوگرافیک پیشنهادی آنها در بسیاری از تئوری های بنیادین علم فیزیک مورد استفاده قرار می گیرد.

ورلیند از این اصل هولوگرافیک استفاده کرد تا دریابد که برای یک جرم کوچک، در فاصله مشخصی از یک جسم بزرگ تر مانند یک ستاره یا سیاره چه اتفاقی می افتد. وی نشان داد که جابه جایی اندک این جسم کوچک به معنای تغییر محتوای اطلاعات یا آنتروپی در سطح هولوگرافیک فرضی بین دو جسم است. این تغییر اطلاعات با تغییرات انرژی سیستم مرتبط است.

ورلیند از اصول آماری برای درنظر گرفتن تمام حرکات ممکن جرم کوچک و تغییرات انرژی مربوط به آن استفاده کرد. وی کشف کرد که از نظر ترمودینامیکی، حرکت جسم کوچک به سمت جسم بزرگ تر محتمل تر از سایر جابه جایی ها است. این اثر را می توان به صورت یک نیروی خالص که هر دو جسم را به سمت یکدیگر می کشد، نگاه کرد. فیزیکدانان این را نیروی آنتروپی می نامند؛ زیرا از تغییرات محتوای اطلاعات سرچشمه می گیرد.

با ایجاد ارتباط بین محتوای انرژی و رابطه معروف اینشتین برای جرم و انرژی، قانون جاذبه نیوتن مستقیما استخراج می شود. این نسخه نسبیتی تنها گام کوچکی به جلو به حساب می آید و می تواند برای هر دو جسم اعمال شود. ورلیند می گوید: «یافتن مجدد قوانین نیوتن می تواند یک تطابق خوش یمن باشد.»

● چرا کسی زودتر به این فکر نیفتاده بود؟

مقاله ورلیند ستایش برخی از فیزیکدانان را به دنبال داشته است. رابرت دیجگراف از ریاضی فیزیک دانان برجسته دنیا در دانشگاه آمستردام، ظرافت مفاهیم کار ورلیند را تحسین می کند. وی می گوید: «مساله تعجب آور این است که هیچ کسی قبلا به این موضوع فکر نکرده است. این ایده بسیار ساده و متقاعد کننده به نظر می رسد.»

اما برخی از فیزیکدانان نظرات مخالفی دارند. برخی اعتقاد دارند که ورلیند در استخراج معادلات خود، به دلیل اینکه از خود جاذبه شروع کرده، دچار استدلال دور شده است. برخی دیگر نیز نگرانی هایی را در خصوص ریاضیات ناچیز مورد استفاده ورلیند ابراز کرده اند.
استنلی دسر از دانشگاه برندایس ماساچوست، که کارهایش باعث گسترش قلمرو نسبیت شده می گوید: «به نظر می رسد کار ورلیند یک راه امیدبخش است. اما کارهای وی تمام عقاید تعصب آمیز ما را درباره نیوتن و هوک تا اینشتین به چالش می کشد، چیزی که قبول آن خیلی سخت است.»

ورلیند تاکید می کند که مقاله وی تنها گام نخست در این موضوع است. وی می گوید: «ایده من هنوز در حد یک نظریه نیست، اما پیشنهادی برای برای یک الگو یا چارچوب جدید است. قسمت سخت کار تازه آغاز شده است.»
   
محمود حاج زمان    
شبکه فیزیکی هوپا