ماهیت نیروی جاذبه چیست؟

گرانش، نیروی مرموزی است که هرچند نظریه نسبیت عام اینشتین، آن‌را به خوبی توصیف می‌کند؛ اما منشا آن کماکان ناشناخته است. آیا می‌توان جهت‌گیری 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 نمی‌دانیم چگونه خواص بنیادین جهان با هم ترکیب می‌شوند و این پدیده را ایجاد می‌کنند.

 

به گزارش نیوساینتیست، اریک ورلیند از دانشگاه آمستردام هلند، رویکرد جدیدی را برای توصیف نیروی جاذبه پیشنهاد کرده است. این فیزیکدان نظری و از تئوریسین‌های برجسته نظریه ریسمان، استدلال می‌کند که جاذبه گرانشی ممکن است ناشی از جهت آرایش اطلاعات اجسام مادی در فضا باشد. وی می‌گوید: «از نظر من به عنوان یک فیزیکدان، این بسیار متقاعد کننده است.»

 

نخستین بار نیوتن با در نظر گرفتن جاذبه به عنوان نیروی بین اجسام، نشان داد که جاذبه چطور در مقیاس‌های بزرگ عمل می‌کند. سپس اینشتین ایده‌های نیوتن را در نظریه نسبیت عام خود اصلاح کرد. وی نشان داد که توصیف جاذبه به‌وسیله انحنای چارچوب فضا-زمان توسط یک جسم، بهتر انجام می‌شود. همه ما ازآن‌رو به سمت زمین کشیده می‌شویم 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 توصیف‌های ریاضی است. این نظریه‌ها تنها نحوه عملکرد جاذبه را تشریح می‌کنند، بدون این‌که بگوید جاذبه از کجا می‌آید. فیزیکدانان نظری تلاش زیادی را برای ایجاد ارتباط بین نیروی جاذبه با دیگر نیروهای بنیادین شناخته شده جهان انجام داده‌اند. مدل استاندارد فیزیک که بهترین چارچوب ما برای توصیف دنیای زیراتمی است، شامل نیروی الکترومغناطیسی و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف است؛ اما نیروی جاذبه را دربر نمی‌گیرد.

 

بسیاری از فیزیکدانان نسبت به این‌که مدل استاندارد فیزیک بتواند در برگیرنده نیروی جاذبه باشد، تردید دارند. نیروی گرانش را می‌توان بوسیله عملکرد ذرات فرضی گراویتون توصیف کرد، اما تاکنون مدرکی دال بر وجود این ذرات به‌دست نیامده است. ضعف جنبه گرانشی نظریه‌های موجود، از دلایل اصلی ارائه تئوری‌های جدید مانند نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی در دهه‌های اخیر بوده است.

 

کارهای ورلیند، رویکرد جدیدی را برای بررسی مساله گرانش پیشنهاد می‌کند. بنابر اعتقاد وی گرانش پدیده‌ای است که از خواص بنیادین فضا و زمان ایجاد می‌شود. برای درک نگرش پیشنهادی ورلیند، مفهوم سیالیت آب را در نظر بگیرید. مولکول‌های منفرد آب هیچ سیالیتی ندارند، اما مجموعه این مولکول‌ها در کنار یکدیگر خاصیت سیالیت آب را به وجود می‌آورد. به‌طور مشابه، نیروی گرانشی جزو خواص ذاتی مواد نیست. این نیرو یک اثر اضافی فیزیکی است که از اندرکنش جرم، فضا و زمان ایجاد می‌شود. 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 می‌شود، عمل می‌کند.

 

هولوگرافی در فیزیک نظری، دارای اصول مشابه برچسب هولوگرام موجود بر روی اسکناس است. در این روش تصاویر سه‌بعدی در یک سطح دوبعدی جا داده شده است. مفهوم هولوگرافی در فیزیک در دهه 1970، توسط استیفن و جاکوب بکنشتین توسعه یافت تا بتواند خواص سیاهچاله‌ها را توصیف کند. کارهای آنها به مفهومی منجر شد که بر اساس آن، یک کره فرضی می‌تواند اطلاعات لازم را درباره جرم داخلش در خود ذخیره کند. در دهه 1990 میلادی / 1370 شمسی، هوفت و لئونارد ساسکیند از دانشگاه استنفورد پیشنهاد کردند که این چارچوب می‌تواند به تمام جهان تعمیم داده شود. اصل هولوگرافیک پیشنهادی آنها در بسیاری از تئوری‌های بنیادین علم فیزیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

ورلیند از این اصل هولوگرافیک استفاده کرد تا دریابد که برای یک جرم کوچک، در فاصله مشخصی از یک جسم بزرگ‌تر مانند یک ستاره یا سیاره چه اتفاقی می‌افتد. وی نشان داد که جابه‌جایی 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 بزرگ‌تر محتمل‌تر از سایر جابه‌جایی‌ها است. این اثر را می‌توان به صورت یک نیروی خالص که هر دو جسم را به سمت یکدیگر می‌کشد، نگاه کرد. فیزیکدانان این را نیروی آنتروپی می‌نامند؛ زیرا از تغییرات محتوای اطلاعات سرچشمه می‌گیرد.

 

با ایجاد ارتباط بین محتوای انرژی و رابطه معروف اینشتین برای جرم و انرژی، قانون جاذبه نیوتن مستقیما استخراج می‌شود. این نسخه نسبیتی تنها گام کوچکی به جلو به حساب می‌آید و می‌تواند برای هر دو جسم اعمال شود. ورلیند می‌گوید: «یافتن مجدد قوانین نیوتن می‌تواند یک تطابق خوش‌یمن باشد.»

 

مقاله ورلیند ستایش برخی از فیزیکدانان را به دنبال داشته‌است. رابرت دیجگراف از ریاضی‌فیزیک‌دانان برجسته دنیا در دانشگاه آمستردام، ظرافت مفاهیم کار ورلیند را تحسین می‌کند. وی می‌گوید: «مساله تعجب‌آور 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 نگرانی‌هایی را در خصوص ریاضیات ناچیز مورد استفاده ورلیند ابراز کرده‌اند.

 

استنلی دسر از دانشگاه برندایس ماساچوست، که کارهایش باعث گسترش قلمرو نسبیت شده می‌گوید: «به‌نظر می‌رسد کار ورلیند یک راه امیدبخش است. اما کارهای وی تمام عقاید تعصب‌آمیز ما را درباره نیوتن و هوک تا اینشتین به چالش می‌کشد، چیزی که قبول آن خیلی سخت است.»

 

ورلیند تاکید می‌کند که مقاله وی تنها گام نخست در این موضوع است. وی می‌گوید: «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.»