نیروی گرانش ممکن است به ابعاد پنهان جهان نفوذ کند؛ واقعیتی نامرئی که شاید همه‌جا اطراف ما باشد

نیروی مغناطیسی یک آهنربای کوچک می‌تواند بر نیروی گرانشی کل سیاره زمین غلبه کند. این موضوع نشان می‌دهد که گرانش نیرویی بسیار ضعیف به نظر می‌رسد؛ اما آیا واقعاً چنین است؟ یک فرضیه علمی مطرح می‌کند که شاید گرانش فقط به این دلیل ضعیف به نظر می‌رسد که در ابعاد مکانی اضافی گسترش پیدا می‌کند.

فیزیک‌دانان برای بررسی این احتمال، به دنبال نشانه‌هایی از سیاه‌چاله‌های بسیار کوچک هستند که می‌توانند وجود ابعاد پنهان و میکروسکوپی را آشکار کنند. کشف چنین سیاه‌چاله‌هایی ممکن است نشان دهد که گرانش در مقیاس‌های فوق‌العاده کوچک، برخلاف تصور رایج، نیروی قدرتمندی محسوب می‌شود.

تصور کنید با یک آهنربای کوچک، گیره‌ای فلزی را از روی میز بلند می‌کنید. نیروی مغناطیسی آهنربا گیره را به سمت بالا می‌کشد، درحالی‌که گرانش کل سیاره زمین آن را به سمت پایین می‌کشاند؛ بااین‌حال، آهنربا برنده این رقابت می‌شود. شاید این اتفاق برایتان عادی به نظر برسد، اما همین آزمایش ساده یکی از دلایلی است که دانشمندان گرانش را نیرویی بسیار ضعیف می‌دانند. این مسئله شاید برخلاف شهود ما باشد، اما یکی از توضیحات احتمالی آن است که گرانش برخلاف تصور معمول، به سه بُعد مکانی شناخته‌شده ما محدود نباشد.

برای درک بهتر موضوع، می‌توان قدرت نیروی الکترومغناطیسی را با گرانش در یک اتم مقایسه کرد؛ جایی که این دو نیرو بر رابطه میان یک الکترون و یک پروتون تأثیر می‌گذارند. نسبت قدرت این دو نیرو به حدود ۱۰ به توان ۳۹ می‌رسد؛ یعنی نیروی الکترومغناطیسی تقریباً یک میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد برابر قوی‌تر از گرانش است.

بااین‌حال، مقایسه الکترومغناطیس و گرانش تنها نقطه شروع برای درک تصویری بزرگ‌تر و عجیب‌تر از جهان محسوب می‌شود. طی یک قرن گذشته، دانشمندان به این نتیجه رسیده‌اند که تمام پدیده‌های روزمره، از هل دادن یک تاب گرفته تا چسبیدن جوراب‌ها به یکدیگر بر اثر الکتریسیته ساکن پس از خارج شدن از خشک‌کن و حتی همجوشی هسته‌ای تأمین‌کننده انرژی خورشید، از چهار نیروی بنیادی سرچشمه می‌گیرند. این نیروها شامل الکترومغناطیس، گرانش و دو نیروی دیگر هستند که اثر آن‌ها عمدتاً در مقیاس هسته اتم آشکار می‌شود. این دو نیروی هسته‌ای، به‌ترتیب نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف نام دارند.

مقایسه قدرت این چهار نیرو، تفاوت چشمگیری را آشکار می‌کند. اگر قدرت آن‌ها را با وزن اجسام مقایسه کنیم، نیروی قوی تقریباً معادل وزن هرم بزرگ جیزه، نیروی الکترومغناطیسی معادل وزن ساختمان امپایر استیت و نیروی ضعیف هسته‌ای معادل وزن یک خانه آمریکایی متوسط با دو اتاق خواب خواهد بود. این اجسام از نظر وزن تفاوت محسوسی دارند، اما وقتی آن‌ها را با وزن متناظر با قدرت گرانش مقایسه کنیم، اختلافشان چندان چشمگیر به نظر نمی‌رسد. دلیل این مسئله آن است که قدرت گرانش در این مقایسه تنها با وزن یک الکترون برابری می‌کند؛ مقداری که در مقایسه با سه نیروی دیگر به‌شدت ناچیز است.

چرا گرانش این‌قدر ضعیف به نظر می‌رسد؟

این پرسش که چرا گرانش در مقایسه با سایر نیروهای بنیادی شناخته‌شده چنین قدرت اندکی دارد، همچنان یکی از معماهای پایدار فیزیک مدرن به شمار می‌رود. پاسخ صریح این است که هنوز کسی علت واقعی آن را نمی‌داند. بااین‌حال، در سال ۱۹۹۸، سه فیزیک‌دان به نام‌های نیما آرکانی‌حامد، ساواس دیموپولوس و جیا دووالی فرضیه‌ای جسورانه مطرح کردند که به اختصار ADD نامیده می‌شود. بر اساس این فرضیه، شاید ضعف ظاهری گرانش نه از ماهیت خود این نیرو، بلکه از ویژگی‌های فضا ناشی شده باشد.

گرانش و الکترومغناطیس ویژگی مشترکی دارند: هر دو با نزدیک شدن اجسام به یکدیگر قوی‌تر می‌شوند و با افزایش فاصله، قدرتشان کاهش پیدا می‌کند. این پدیده را می‌توان هنگام بازی با دو آهنربا به‌سادگی مشاهده کرد. اما علت تغییر قدرت این نیروها با فاصله، شاید برخلاف انتظار، به هندسه فضای سه‌بعدی مربوط باشد.

یک بار الکتریکی نقطه‌ای را در نظر بگیرید؛ باری که اندازه مشخصی ندارد و تمام آن در یک نقطه از فضا متمرکز شده است. این بار می‌تواند بر محیط اطراف خود تأثیر بگذارد و شدت این اثر به مقدار بار بستگی دارد. اگر سطحی کروی را پیرامون آن در نظر بگیریم، اثر بار به‌طور یکنواخت در سراسر سطح این کره توزیع خواهد شد.

مساحت سطح کره با مجذور شعاع آن متناسب است؛ شعاع نیز نصف قطر کره محسوب می‌شود. بنابراین، اگر شعاع کره را دو برابر کنیم، مساحت سطح آن چهار برابر خواهد شد. اگر شعاع سه برابر شود، مساحت به ۹ برابر افزایش پیدا می‌کند. در کره‌های بزرگ‌تر، اثر بار الکتریکی در سطح گسترده‌تری پخش می‌شود و در نتیجه، شدت نیروی واردشده بر اجسام در آن فاصله کاهش می‌یابد.

کره یک جسم سه‌بعدی است؛ اما اگر در جهانی دوبعدی زندگی می‌کردیم، شرایط متفاوت بود. در چنین جهانی، به‌جای کره، یک دایره پیرامون بار نقطه‌ای در نظر می‌گرفتیم و اثر بار در امتداد محیط آن توزیع می‌شد. برخلاف مساحت سطح کره، محیط دایره با شعاع رابطه‌ای مستقیم دارد. اگر شعاع دو برابر شود، محیط نیز دو برابر خواهد شد و با سه برابر شدن شعاع، محیط سه برابر می‌شود. بنابراین، قدرت الکترومغناطیس در یک جهان سه‌بعدی با افزایش فاصله سریع‌تر از یک جهان دوبعدی کاهش پیدا می‌کند.

فرضیه ADD مطرح می‌کند که شاید دلیل ضعیف به نظر رسیدن گرانش این باشد که این نیرو، برخلاف سه نیروی بنیادی دیگر، به سه بُعد مکانی محدود نیست. ممکن است گرانش بتواند در چهار، پنج، شش یا حتی ابعاد بیشتری گسترش یابد. در این صورت، گرانش شاید به‌اندازه سایر نیروها قدرتمند باشد، اما وجود ابعاد اضافی فرصت بیشتری برای پراکنده شدن اثر آن فراهم می‌کند و به همین دلیل در جهان قابل مشاهده ما ضعیف به نظر می‌رسد.

برای درک این ایده، می‌توان یک بندباز را تصور کرد که تنها در یک بُعد از طناب، یعنی به سمت جلو یا عقب، حرکت می‌کند. در مقابل، مورچه‌ای که روی همان طناب راه می‌رود، به بُعد دیگری نیز دسترسی دارد و می‌تواند علاوه بر حرکت در طول طناب، دور آن نیز حرکت کند. به همین شکل، ممکن است گرانش در ابعادی فراتر از سه بُعد قابل تشخیص برای ما گسترش پیدا کند.

چگونه می‌توان وجود ابعاد پنهان را آزمایش کرد؟

فرضیه ADD بسیار جذاب به نظر می‌رسد، اما در نگاه نخست با یک مشکل اساسی روبه‌رو است. ما آشکارا در جهانی سه‌بعدی زندگی می‌کنیم و نظریه‌های گرانش نیوتن و اینشتین نیز بر پایه چنین جهانی بنا شده‌اند. ازآنجاکه این نظریه‌ها حرکت سیارات را با دقت بسیار زیادی پیش‌بینی می‌کنند، به نظر می‌رسد وجود ابعاد مکانی بیشتر با شواهد شناخته‌شده سازگار نباشد. بااین‌حال، راهی برای حفظ فرضیه ADD وجود دارد. شاید ابعاد اضافی فضا برخلاف ابعاد آشنای ما، گسترده و بی‌نهایت نباشند، بلکه اندازه‌ای فوق‌العاده کوچک داشته باشند.

برای درک این احتمال، دوباره بندباز و مورچه را در نظر بگیرید. بندباز تنها می‌تواند در یک بُعد، یعنی در امتداد طناب، به جلو یا عقب حرکت کند. اما طناب برای مورچه یک محیط یک‌بعدی نیست، بلکه دو بُعد دارد. مورچه علاوه بر حرکت در طول طناب، می‌تواند دور آن نیز حرکت کند. البته بُعد مربوط به حرکت دور طناب بسیار کوچک‌تر از بُعد امتداد طولی آن است. به همین ترتیب، ممکن است ابعاد اضافی فضا وجود داشته باشند، اما اندازه آن‌ها به‌قدری کوچک باشد که در تجربه روزمره ما قابل تشخیص نباشند.

ایده گسترش گرانش به ابعاد مکانی بیشتر از سه بُعد، پرسش مهمی را مطرح می‌کند: چگونه می‌توان این فرضیه را به‌صورت تجربی آزمایش کرد؟ دست‌کم دو روش برای بررسی آن وجود دارد. روش نخست، نزدیک کردن دو جرم بسیار کوچک به یکدیگر و اندازه‌گیری نیروی میان آن‌ها در فاصله‌های مختلف است. سپس می‌توان بررسی کرد که آیا این نیرو از همان رابطه‌ای پیروی می‌کند که جاذبه میان سیارات و خورشید را توضیح می‌دهد یا خیر. آزمایش‌های انجام‌شده در دانشگاه واشینگتن با قانون شناخته‌شده گرانش نیوتن سازگاری خوبی داشته‌اند و رفتار سه‌بعدی جهان را تا فاصله ۵۰ میکرومتر تأیید کرده‌اند.

برای بررسی مقیاس‌هایی کوچک‌تر از این، به شتاب‌دهنده ذرات نیاز داریم. اگر گرانش در اصل نیرویی قوی باشد و وجود ابعاد اضافی قدرت واقعی آن را پنهان کرده باشد، بررسی فاصله‌هایی در حدود اندازه این ابعاد می‌تواند قدرت واقعی گرانش را آشکار کند. در چنین شرایطی، اگر قدرت گرانش با سایر نیروها قابل مقایسه باشد، امکان تولید سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی وجود خواهد داشت؛ سیاه‌چاله‌هایی که از طریق تابش هاوکینگ تجزیه می‌شوند.

دانشمندان می‌توانند با استفاده از شتاب‌دهنده ذرات، ذراتی با انرژی بسیار بالا تولید کنند؛ فرایندی که امکان بررسی فاصله‌های بسیار کوچک را فراهم می‌آورد. سپس به دنبال فورانی از فوتون‌ها می‌گردند که از یک نقطه مشخص خارج شده و در همه جهت‌ها حرکت می‌کنند. چنین الگویی می‌تواند یکی از نشانه‌های احتمالی تبخیر یک سیاه‌چاله میکروسکوپی باشد.

آشکارساز سی‌اِم‌اِس که نویسنده در آن به پژوهش می‌پردازد، یکی از ابزارهای مورد استفاده برای جست‌وجوی تابش هاوکینگ ناشی از تبخیر سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی است. این آشکارساز بخشی از سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای، موسوم به سرن، محسوب می‌شود. برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) این سازمان نیز قدرتمندترین شتاب‌دهنده ذرات جهان به شمار می‌رود.

دانشمندان از سال ۱۹۹۹ این رویکرد را دنبال کرده‌اند و محدودیت‌های دقیقی برای اندازه ابعاد اضافی تعیین کرده‌اند. مقدار نهایی به این بستگی دارد که دو، سه، چهار یا تعداد بیشتری بُعد اضافی وجود داشته باشد. بااین‌حال، برآورد کلی بر اساس داده‌های کنونی نشان می‌دهد که اگر چنین ابعادی وجود داشته باشند، اندازه آن‌ها باید کمتر از حدود ۵ در ۱۰ به توان منفی ۲۰ متر باشد.

با وجود این محدودیت بسیار سخت‌گیرانه، اشتیاق جامعه علمی به این فرضیه طی حدود ۲۵ سال گذشته تا اندازه‌ای کاهش یافته است. بااین‌حال، پژوهشگران همچنان در تلاش‌اند ابعاد مکانی کوچک‌تر را کشف کنند یا وجود آن‌ها را با شواهد تجربی رد کنند.

برنامه‌ریزی شده که برخورددهنده بزرگ هادرونی در سال ۲۰۳۰ فعالیت خود را از سر بگیرد. آزمایش‌های آینده ممکن است سرانجام توضیح دهند که چرا گرانش تا این اندازه ضعیف به نظر می‌رسد؛ هرچند تضمینی برای رسیدن به چنین پاسخی وجود ندارد. در هر صورت، این پژوهش‌ها اطلاعات ارزشمندی فراهم خواهند کرد و به روشن‌تر شدن یکی از معماهای دیرینه فیزیک مدرن کمک می‌کنند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.