توصیفی متفاوت از نظریه همه چیز

در سال ۱۹۶۴ و سخنرانی در دانشگاه کورنل، ریچارد فاینمن، فیزیکدان، راز مهمی درباره‌ی دنیای فیزیکی بیان کرد. او به شنوندگانش گفت دو شئ را تصور کنند که به یکدیگر جذب می‌شوند. سپس، از آن‌ها پرسید: «باید حرکات آن‌ها را پیش‌بینی کنیم؟» فاینمن سه رویکرد را شناسایی کرد که هرکدام باور متفاوتی درباره‌ی جهان بیان می‌کنند. در رویکرد اول از قانون گرانش نیوتن استفاده کرد که طبق آن اشیاء به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. در رویکرد دوم، میدان گرانشی را تصور کرد که در فضا گسترش پیدا می‌کند و اشیاء را منحرف (خمیده) می‌کنند. در رویکرد سوم اصل کمترین کنش را به‌کار برد، که طبق این اصل هر شی مسیری را برای عبور انتخاب می‌کند که کمترین انرژی در کمترین زمان ممکن بخواهد. هر سه رویکرد یک پیش‌بینی صحیح ارائه دادند. این سه رویکرد، سه توصیف به‌یک‌اندازه مفید برای چگونگی کارکرد گرانش هستند.

فاینمن در این‌باره گفت:

یکی از شگفت‌انگیز‌ترین مشخصه‌های طبیعت این تنوع طرح‌های تفسیری است.

علاوه‌براین، این تنوع فقط شامل قوانین صحیح و واقعی طبیعت می‌شود؛ یعنی اگر قوانین غلط باشند، این موضوع درباره‌ی آن‌ها درست نیست. فاینمن گفت:

 شما هرچقدر بیشتر قوانین را اصلاح کنید، متوجه خواهید شد که می‌توانید آن‌ها را با شیوه‌های کمتری بیان کنید. این موضوع همیشه برای من اسرارآمیز بود. نمی‌دانم دلیل اینکه قوانین صحیح فیزیک می‌توانند به شیوه‌های مختلفی بیان شوند چیست. به‌نظر می‌رسد که این قوانین می‌توانند هم‌زمان از چند دروازه عبور کنند.

حتی همان‌طور که فیزیکدانان برای درک مفهوم مادی جهان (مشخصه‌های ذرات، طبیعت بیگ‌بنگ، سرچشمه‌ی ماده تاریک و انرژی تاریک) تلاش می‌کنند، تلاش‌های آن‌ها در سایه‌ی اثر راشومون است که سوالات متافیزیکی درباره‌ی معنای فیزیک و ماهیت واقعیت را مطرح می‌کند. نیما ارکانی-حامد، یک فیزیکدان در مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته، یکی از نظریه‌پردازان پیش‌گام امروزی است. او پائیز گذشته به ناتالی ولچوور، نویسنده این مقاله گفت:

تغییر شکل معجزه‌آسا ویژگی‌های قوانین تنها چیز شگفت‌انگیزی است که من درمورد آن‌ها می‌دانم. این موضوع باید یک سرنخ بزرگ برای درک ماهیت حقیقت نهایی باشد.

به‌طورسنتی، فیزیکدانان همواره ساده‌گرا بودند. آن‌ها به‌دنبال نوعی «نظریه همه‌چیز» بودند که واقعیت را از نظر بنیادی‌ترین اجزای آن توصیف کند. در این شیوه‌ی تفکر، قوانین شناخته‌شده فیزیک موقت هستند و یک توصیف دقیق‌تر که هنوز شناخته‌ نشده است را برای آن قوانین تخمین می‌زنند. یک میز درواقع مجموعه‌ای از اتم‌ها است؛ با نگاهی دقیق‌تر، اتم‌ها نیز دسته‌هایی از پروتون و نوترون هستند؛ هرکدام از این اجزا نیز از سه کوارک تشکیل شده؛ و خود کوارک نیز از ذرات بنیادی‌تر تشکیل شده است. ساده‌گرایان فکر می‌کنند که یک بازی با تلفن انجام می‌دهند: همان‌طور که پیغام واقعیت از مقیاس میکروسکوپی به مقیاس ماکروسکوپی به سمت بالا حرکت می‌کند، درهم آمیخته می‌شود و باید راه خود را رو به‌پایین برای بازیابی آن بیابند. هم‌اکنون فیزیکدانان می‌دانند که گرانش این طرح ساده را با شکل دادن جهان در دو اندازه بزرگ و کوچک خراب می‌کند. همچنین اثر راشومون پیشنهاد می‌دهد که واقعیت براساس روش ساده، پائین به‌بالا ساخته نشده است.

این اتفاق بارها و بارها تکرار می‌شود که وقتی چندین توصیف محتمل از یک موقعیت فیزیکی وجود دارد - که اگرچه همه‌ی آن‌ها پیش‌بینی‌های یکسانی ارائه می‌دهند، بااین‌حال به طرز حیرت‌آوری در بنیاد و اساس با هم متفاوت هستند - تنها یکی از آن‌ها نسبت به سایرین ارجحیت خواهد داشت، چراکه به یک واقعیت بنیادی تبدیل شده است که به نظر می‌رسد در حال حاضر بیشتر جهان را حساب می‌کند. بااین‌حال، این توصیف جدید ممکن است به نوبه‌خود، چندین فرمول‌بندی داشته باشد و یکی از آن‌ها ممکن است گسترده‌تر استفاده شود. اگرچه این موضوع مانند این است که فیزیکدانان یک بازی تلفنی اصلاح‌شده را بازی می‌کنند که در آن با هر زمزمه، پیام مخابره‌شده به یک زبان متفاوت ترجمه می‌شود. این زبان‌ها، دامنه یا اندازه‌های مختلف یک واقعیت را توصیف می‌کنند ولی همیشه از نظر اخلاقی مرتبط نیستند. در این بازی اصلاح‌شده، هدف این نیست - یا تنها این نیست - که معادله پایه‌ای را که حاکی از کوچک‌ترین ذرات واقعیت است، پیدا کرد. وجود این شاخه، شبکه‌ای به‌هم متصل‌شده از زبان‌های ریاضی، هرکدام با تصویر مربوط‌به خود از جهان، چیزی است که باید درک شود.

همیشه اینطور نیست که نظریه‌های معادل به یک اندازه خوب باشند. زیرا ممکن است یکی از آن‌ها نسبت به سایر برای پیشرفت‌های آینده مناسب‌تر باشد.

امروزه پازل‌ها و پارادوکس‌های مختلفی به نیاز برای اصلاح نظریه‌های فیزیک مدرن با یک زبان ریاضی جدید اشاره می‌کنند. بسیاری از فیزیکدانان حس می‌کنند که به دام افتادند. آن‌ها احساس می‌کنند که باید از تصور حرکت و تعامل اشیاء در فضا و زمان فراتر بروند. نظریه نسبیت عام اینشتین به‌ زیبایی زمان و فضا را در یک پارچه‌ی چهاربعدی به هم بافته که تحت عنوان فضا - زمان شناخته می‌شود و گرانش برابر با پیچ‌وتاب‌های آن پارچه در نظر گرفته شده است. اما نظریه‌ی اینشتین و مفهوم فضا - زمان در سیاه‌چاله‌ها و در لحظه‌ی بیگ‌بنگ در هم می‌شکند. به‌عبارت دیگر، فضا - زمان، ممکن است ترجمه یک توصیف دیگر از واقعیت باشد که اگرچه بیشتر انتزاعی یا ناآشنا است، ولی می‌تواند قدرت توضیح بیشتری داشته باشد.

برخی از پژوهشگران تلاش می‌کنند تا فیزیک را از قید فضا - زمان حذف کنند تا راه را برای این نظریه‌ی عمیق‌تر هموار کنند. در حال‌حاضر، فیزیکدانان برای پیش‌بینی جهش یا پراکندگی ذرات پس از برخورد در فضا - زمان، از یک طرح دیاگرامی پیچیده که توسط ریچارد فاینمن اختراع شده است، استفاده می‌کنند. این دیاگرام‌ها احتمالات «دامنه پراکندگی» نتایج برخورد ذرات مختلف را نشان می‌دهند. در سال ۲۰۱۳، نیما ارکانی-حامد و ژاروسلاو ترینکا یک فرمول‌بندی تازه از دامنه پراکندگی را کشف کردند که نه به فضا و نه به زمان اشاره داشت. آ‌ن‌ها دریافتند که دامنه‌های برخی از برخوردهای ذرات در یک حجم از یک شی هندسی جواهرمانند کدگذاری شدند که Amplituhedron نامیده می‌شود. از آن زمان تاکنون، آن‌ها و ده‌ها تن از دیگر پژوهشگران در حال بررسی این فرمول جدید هندسی دامنه پراکندگی ذرات هستند، با این امید که این امر از دیدگاه روزمره و محدود ما درباره‌ی فضا - زمان به برخی از ساختارهای توضیحی بیشتر منجر خواهد شد.

چه این پژوهشگران در مسیر درستی باشند و چه نباشند، شبکه تفسیر واقعیت وجود دارد. شاید جالب‌ترین نکته‌ای که در مورد این تفسیر‌ها وجود دارد این است که در حالی‌که هر یک از آن‌ها فقط یک تصویر جزئی از واقعیت را ترسیم می‌کنند، از لحاظ ریاضی کامل هستند. نسبیت عام را در نظر بگیرید. فیزیکدانان می‌دانند که نظریه اینشتین ناقص است. بااین‌حال یک اثر هنرمندانه با یک ساختار ریاضی معین و محکم است. اگر این معادلات را بی‌هدف تغییر دهید، خواهید دید که همه‌ی زیبایی و سادگی آن از دست می‌رود. معلوم شد که اگر شما می‌خواهید یک راه عمیق‌تر برای توضیح جهان کشف کنید، نمی‌توانید معادلات مربوط‌به توصیف موجود را انتخاب و آن‌ها را اصلاح کنید؛ بلکه باید به یک ساختار کاملاً متفاوت و به‌همان اندازه کامل از لحاظ ریاضی دست یابید. نظریه‌پردازان تعجب می‌کنند که فایده‌ی کمال موجود در هر سطح چیست اگر مقید به جایگزین شدن است؟

براساس گفته ارکانی-حامد، این تنوع قوانین یک مفهوم متفاوت از اینکه فیزیک چیست را بیان می‌کند. او گفت که ما یک ماشین نمی‌سازیم که جواب‌ها را محاسبه کند؛ درعوض، ما به‌دنبال کشف سوالات هستیم. به نظر می‌رسد که قوانین تغییر شکل طبیعت پاسخی به یک سؤال ناشناخته ریاضی هستند. به همین دلیل است که آرکانی-حامد و همکارانش مطالعات خود درباره‌ی Amplituhedron را بسیار امیدوارکننده می‌دانند. محاسبه حجم Amplituhedron یک سؤال در هندسه است؛ سوالی که احتمالا ریاضیدانان فکر کردند ابتدا موفق به کشف آن شی شده‌اند؛ به‌طریقی، پاسخ به سؤال حجم Amplituhedron، رفتار ذرات را توصیف می‌کند- و این پاسخ، به‌نوبه‌ی خود، می‌تواند باتوجه به فضا و زمان بازسازی شود.

هم‌اکنون، ارکانی-حامد هدف نهایی فیزیک را به‌عنوان فهم سؤال ریاضی می‌بیند که ازطریق آن می‌توان همه‌ی پاسخ‌ها را یافت. او دراین‌باره به نویسنده‌ی این مقاله گفت:

صعود به سطح دهم از بهشت عقلانی امکان‌پذیر خواهد بود، اگر بتوانیم پرسشی را پیدا کنیم که پاسخ آن جهان خواهد بود. ماهیت این سؤال به‌خودی‌خود توضیح می‌دهد چرا می‌توان آن‌ را به روش‌های مختلف توصیف کرد.