مکعب برانشتاین

فیزیک در هسته خود با یک مشکل بزرگ و شرم‌آور روبروست. دو مورد از موفق‌ترین نظریه‌هایی که تاکنون توسط بشر خلق شده‌اند، اساساً با یکدیگر ناسازگارند. مکانیک کوانتومی رفتار ماده و انرژی را در مقیاس‌های بسیار ریز توضیح می‌دهد و بر اتم‌ها، الکترون‌ها و ذرات زیراتمی با دقت فوق‌العاده‌ای حاکم است. نسبیت عام رفتار فضا، زمان و گرانش را در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها توصیف می‌کند و بر سیارات، ستارگان، سیاه‌چاله‌ها و خود کیهان با همان دقت حاکمیت دارد. هر یک از این نظریه‌ها توسط بی‌شمار آزمایش به طور دقیق آزموده شده‌اند. با این حال، زمانی که سعی می‌کنید هر دو را هم‌زمان برای یک موقعیت یکسان به کار ببرید، ریاضیات به طور کامل فرو می‌پاشد و منجر به خطا می‌شود. «مکعب برانشتاین» نموداری است که کل چشم‌انداز نظریه‌های فیزیکی را ترسیم می‌کند. این مکعب نشان می‌دهد که این نظریه‌ها چگونه با یکدیگر مرتبط‌اند و مشخص می‌کند که مرز درک کنونی ما در کجا متوقف می‌شود.این مکعب بر اساس سه ثابت بنیادی طبیعت سازماندهی شده است؛ هر یک از این ثابت‌ها مرزی را مشخص می‌کند که در آن شهود روزمره ما کارایی خود را از دست می‌دهد و به فیزیک جدیدی نیاز می‌شود:
• ثابت کاهش‌یافته پلانک (hbar): عددی بسیار کوچک که مقیاس اثرات کوانتومی را تعیین می‌کند. زمانی که فرآیندهای فیزیکی به قدری کوچک می‌شوند که این ثابت اهمیت پیدا می‌کند، فیزیک کلاسیک شکست می‌خورد و مکانیک کوانتومی حاکم می‌شود.
• سرعت نور (c): نه تنها نشان‌دهنده سرعت حرکت نور است، بلکه یکی از ویژگی‌های کلیدی کیهان، حد نهایی سرعت و عاملی است که فضا و زمان را به هم پیوند می‌دهد. با نزدیک شدن سرعت‌ها به این حد، فیزیک نیوتنی دچار مشکل شده و اثرات نسبیتی پررنگ می‌شوند.
• ثابت گرانش نیوتن (G): قدرت گرانش را تعیین می‌کند. هنگامی که جرم‌ها بسیار بزرگ و به هم نزدیک باشند، گرانش بر همه چیز مسلط می‌شود و باید مورد توجه قرار گیرد.

هر نظریه در این مکعب بر اساس اینکه کدام‌یک از این سه ثابت را در نظر می‌گیرد و کدام را نادیده می‌گیرد، شناسایی می‌شود.

این ساختار هشت ترکیب ممکن را ایجاد می‌کند؛ هر ترکیب برای یکی از هشت رأس مکعب:

• مکانیک کلاسیک: هر سه ثابت را نادیده می‌گیرد و برای اجسام بزرگ و کند در مقیاس‌های انسانی به بهترین شکل کار می‌کند.

• نسبیت خاص: با اضافه کردن تنها سرعت نور به دست می‌آید و چگونگی تبدیل فضا و زمان در سرعت‌های بالا را توضیح می‌دهد.

• گرانش نیوتنی: با اضافه کردن تنها ثابت گرانش نتیجه می‌شود و مدار سیارات و سقوط اجسام را توصیف می‌کند.

• مکانیک کوانتومی: با اضافه کردن صرفِ ثابت پلانک حاصل می‌شود و بر اتم‌ها و ذرات زیراتمی با ویژگی‌های عجیبی همچون دوگانگی موج-ذره و اصل عدم قطعیت حاکم است.

• نسبیت عام: ترکیب ثابت گرانش با سرعت نور، شاهکار اینشتین را به دست می‌دهد که گرانش را به عنوان انحنای فضا-زمان نشان داده و وجود سیاه‌چاله‌ها و امواج گرانشی را پیش‌بینی می‌کند.

• نظریه میدان‌های کوانتومی: ترکیب ثابت پلانک با سرعت نور، چارچوبی را ایجاد می‌کند که زیربنای «مدل استاندارد فیزیک ذرات» است و تمام ذرات و نیروهای شناخته‌شده به جز گرانش را با دقتی شگفت‌انگیز توصیف می‌کند.

• مکانیک کوانتومی گرانشی (غیرنسبیتی): ترکیب ثابت پلانک با ثابت گرانش، یک نظریه جزئی ارائه می‌دهد که اجسام کوانتومی را در میدان‌های گرانشی در سرعت‌های پایین توصیف می‌کند.

• هشتمین رأس که هر سه ثابت را با هم ترکیب می‌کند، «گرانش کوانتومی» است. این نظریه هنوز به شکل کامل و نهایی وجود ندارد و غیاب آن، بزرگ‌ترین مسئله حل‌نشده در علم را نشان می‌دهد. وجود چنین نظریه‌ای برای درک آنچه درون سیاه‌چاله‌ها رخ می‌دهد — جایی که نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند چگالی ماده بی‌نهایت شده و نظریه به کلی فرو می‌پاشد — ضروری است.

همچنین برای درک اولین لحظه «مه‌بانگ» (Big Bang)، زمانی که کل کیهان در ناحیه‌ای کوچک‌تر از یک اتم فشرده شده بود و هم اثرات کوانتومی و هم گرانش شدید حیاتی بودند، به آن نیاز داریم. در این مقیاس‌ها، انتظار می‌رود که خودِ بافت فضا-زمان متلاطم و کف‌گونه (Quantum Foam) شود؛ جایی که افت‌وخیزهای کوانتومی هندسه فضا را نامشخص می‌کنند و ما در حال حاضر هیچ نظریه‌ای برای توصیف آن نداریم.

نام‌گذاری آن به عنوان «مکعب برانشتاین» (Bronstein Cube) به افتخار ماتوی برانشتاین (Matvey Petrovich Bronstein)، فیزیک‌دان پیشرو شوروی انجام شده است؛ او در دهه ۱۹۳۰ میلادی از اولین کسانی بود که به ناسازگاری بنیادی میان گرانش و مکانیک کوانتومی پی برد و نشان داد که برای کوانتش گرانش، باید محدودیت‌های جدیدی در اندازه‌گیری فضا-زمان در مقیاس‌های بسیار ریز در نظر گرفت.
.

@ScienceTodaymag