در جست‌وجوی نظریه گرانش؛ چرا نسبیت عام اینشتین اشتباه است؟

نظریه‌‌ی گرانش اینشتین یا همان نسبیت عام با وجود عملکرد بسیار موفق به مدت بیش از یک قرن، دارای کاستی‌های نظری است. البته این مسئله چندان هم عجیب نیست؛ زیرا این نظریه شکست خود را در تکینگی‌های فضازمانی درون سیاه‌چاله‌ و حتی خود بیگ‌بنگ پیش‌بینی می‌کند.

نسبیت عام برخلاف نظریه‌های فیزیکی که سه نیروی بنیادی فیزیک شامل الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای ضعیف و قوی را توصیف می‌کنند، تنها در گرانش ضعیف آزمایش شده است. انحراف‌های گرانش از نسبیت عام در هیچ نقطه‌ای از جهان آزمایش نشده‌اند و به نقل از فیزیک‌دان‌های نظری، بروز این انحراف‌ها اجتناب‌ناپذیر است.

به باور اینشتین، جهان ما از بیگ‌بنگ سرچشمه می‌گیرد و تکینگی‌های دیگر داخل سیاه‌چاله‌ها پنهان شده‌اند. در این نقاط فضازمان معنا ندارند و کمیت‌هایی مثل چگالی انرژی و فشار به بی‌نهایت می‌رسند. این موارد نشان‌ می‌دهند نظریه‌ی اینشتین در این نقاط شکست می‌خورد و باید نظریه‌ی بنیادی‌تری را به‌عنوان جایگزین آن انتخاب کرد.

در نگاه اول، تکینگی‌های فضازمانی باید با مکانیک کوانتوم که در مقیاس‌های بسیار کوچک اعمال می‌شود، حل شوند. فیزیک کوانتوم به دو ایده‌ی ساده تکیه دارد: ذرات نقطه‌ای معنایی ندارند و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ که بیان می‌کند یک شخص هرگز نمی‌تواند مقدار جفت‌های مشخصی از کمیت‌ها مثل موقعیت و سرعت یک ذره را با دقت مطلق بداند. دلیل این مسئله هم این است که ذرات را نباید به عنوان نقاط، بلکه باید به عنوان امواج درنظر گرفت. آن‌ها در مقیاس‌های کوچک مانند امواج ماده رفتار می‌کنند.

نظریه‌ای که هم نسبیت عام و هم فیزیک کوانتوم را دربرمی‌گیرد، باید عاری از چنین مشکلاتی باشد. با این‌حال تمام تلاش‌ها برای ترکیب نسبیت عام و فیزیک کوانتوم به‌طرز اجتناب‌ناپذیر انحرافاتی را از نظریه‌ی نسبیت اینشتین به‌وجود می‌آورند.

بنابراین نمی‌توان گرانش اینشتین را نظریه‌ی نهایی گرانش درنظر گرفت. در واقع، مدتی کوتاه پس از آنکه اینشتین نظریه‌ی نسبیت عام را در سال ۱۹۱۵ معرفی کرد، آرتور ادینگتون، اخترفیزیکدان انگلیسی که بیش از همه بابت تلاش‌ها برای تایید این نظریه در خورشیدگرفتگی ۱۹۱۹ معروف است، شروع به جست‌وجوی نظریات جایگزین کرد تا دریابد وضعیت چگونه می‌تواند متفاوت باشد.

نظریه‌ی اینشتین تاکنون از تمام آزمایش‌ها جان سالم به در برده و با دقت بالایی نتیجه‌های متعددی مثل حرکت تقدیمی مدار عطارد تا وجود امواج گرانشی را پیش‌بینی کرده است؛ بنابراین انحراف‌ها از نظریه‌ نسبیت عام دقیقاً در کجا پنهان شده‌اند؟

یک قرن پژوهش به ایجاد مدل استاندارد کیهان‌شناسی موسوم به ماده‌ی تاریک سرد لامبدا (ΛCDM) انجامیده است. در اینجا، Λ (لامبدا) مخفف ثابت کیهان‌شناسی مشهور اینشتین یا انرژی تاریک اسرارآمیز با خواص مشابه است.

ستاره‌شناس‌ها مفهوم انرژی تاریک را برای توصیف افزایش شتاب انبساط کیهانی معرفی کردند. مدل لامبدا سی‌دی‌ام با اینکه تا چندی پیش به خوبی با داده‌های کیهان‌شناسی انطباق داشت، از دیدگاه نظری به شکل چشمگیری ناقص و غیرقابل قبول است.

نظریه لامبدا سی‌دی‌ام در پنج سال گذشته با تنش‌های عینی شدیدی روبه‌رو شده است. ثابت هابل را که تعیین‌کننده‌ی سن و مقیاس فاصله در جهان است، می‌توان در جهان آغازین با استفاده از تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی و در جهان جدید با استفاده از ابرنواخترها به عنوان شمع‌های استاندارد اندازه‌گیری کرد؛ اما این دو اندازه‌گیری نتایج ناسازگاری را به‌دست داده‌اند.

مهم‌تر از همه، ماهیت مواد اولیه‌ی مدل لامبدا سی‌دی‌ام یعنی انرژی تاریک، ماده تاریک و میدانی که تورم جهان آغازین را هدایت کرد (دوره‌ی کوتاهی از انبساط سریع که بذر شکل‌گیری کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را پاشید)، همه به‌صورت یک راز باقی مانده‌اند.

از دیدگاه رصدی، قانع‌کننده‌ترین انگیزه برای گرانش تغییریافته، شتاب جهان است که در سال ۱۹۹۸ با یک ابرنواختر نوع Ia آشکار شد. درخشش این ابرنواختر به دلیل این شتاب کاهش یافته بود. مدل لامبدا سی‌دی‌ام مبتنی بر نسبیت عام، فرض می‌کند که یک انرژی تاریک بسیار عجیب با فشار منفی در حال نفوذ به جهان است.

مشکل اینجا است که انرژی تاریک هیچ توجیه فیزیکی‌ای ندارد. هرچند مجموعه‌ای از مدل‌ها برای آن پیشنهاد شده‌اند، ماهیتش کاملاً ناشناخته است. جایگزین پیشنهادی انرژی تاریک، ثابت کیهانی Λ است که بر اساس محاسبات سرانگشتی و درعین‌حال پرسش‌برانگیز مکانیک کوانتوم باید مقدار بسیار بزرگی باشد.

بااین‌حال Λ به‌طرز باورنکردنی‌ای باید به مقدار کوچکی تنظیم شود تا با رصدهای کیهانی مطابقت داشته باشد. اگر انرژی تاریک وجود داشته باشد، ناآگاهی ما از ماهیت آن به شدت دردسرساز خواهد بود.

آیا در عوض ممکن است مانند پوشاندن شلواری کوچک به یک فرد، مشکل از تلاش نادرست برای تطبیق رصدهای کیهانی با نسبیت عام باشد؟ ممکن است شاهد اولین انحراف‌ها از نظریه‌ی نسبیت عام باشیم و در عین حال انرژی اسرارآمیز تاریک وجود نداشته باشد؟ این فرضیه که اولین‌بار توسط پژوهشگرهای دانشگاه ناپل ارائه شد، به محبوبیت بالایی رسید، اما اردوگاه انرژی تاریک همچنان قوی است.

چگونه می‌توان ادعای یادشده را مطرح کرد؟ انحراف از نظریه‌ی گرانش اینشتین به‌وسیله‌ی آزمایش‌های منظومه‌ی شمسی، رصدهای اخیر امواج گرانشی و تصاویر نزدیک به افق سیاهچاله‌ها اجتناب‌ناپذیر می‌شود.

امروز مجموعه‌ی بزرگی از پژوهش‌ها درباره‌ی نظریه‌ی جایگزین گرانش برای نسبیت عام وجود دارند که قدمت آن‌ها به اولین پژوهش‌های ادینگتون در سال ۱۹۲۳ بازمی‌گردد. یک گروه محبوب از جایگزین‌ها، گرانش اسکالر-تانسور نامیده می‌شود. این نظریه از نظر مفهومی بسیار ساده است، زیرا صرفاً یک عنصر اضافی (میدان اسکالر متناظر با ساده‌ترین ذره‌ی بدون چرخش) را برای توصیف هندسی گرانش اینشتین گرانش معرفی می‌کند.

امروزه‌ طیفی از جایگزین‌ها برای نظریه‌ی اینشتین به شکل گسترده‌ای ارائه شده‌اند. حتی حفظ سادگی معادله‌ها برای اجتناب از ناپایداری به مجموعه‌‌ی وسیعی از نتایج و تعمیم‌ها انجامیده است.

نظریه‌پردازها دهه‌ی گذشته را صرف استخراج پیامدهای فیزیکی این نظریه‌ها کردند. اکتشافات اخیر در رابطه با امواج گرانشی به دسته‌بندی تغییرات مجاز گرانش اینشتین کمک کردند. بااین‌حال، هنوز نیاز به کارهای زیادی در این زمینه است. امید می‌رود که پیشرفت‌های آینده در نجوم به نظریه‌های جدیدی از نسبیت بینجامند که در آن گرانش نقشی پررنگ را ایفا می‌کند.