چرا نطریه سی. پی. اچ. مطرح شد؟

اگر همواره مانند گذشته بیندیشید، همیشه همان چیزهایی را به‌دست می‌آورید كه تا بحال كسب كرده‌اید. ( فاینمن )
● چکیده
سالهای متمادی است که بحث تئوری همه چیز در فیزیک مطرح شده است. منظور از این تئوری چیست؟ یک تئوری برای همه چیز به چه سئوالاتی باید پاسخ دهد؟
اعتقاد عمومی برای به دست آوردن یک نظریه برای همه چیز بر ترکیب دو نظریه مکانیک کوانتومی و نسبیت استوار است. کاری که در دهه های اخیر وقت و انرژی بسیاری از فیزیکدانان صرف آن شد، اما هنوز به نتیجه ی رضایت بخشی نرسیده است. هرچند بسیاری از فیزیکدانان امید زیادیبه نظریه ابر ریسمانها دارند، اما چند دستگی این نظریه شک و تردید را نسبت به نتیجه بخش بودن آن افزایش می دهد. مطرح شدن نظریه ام نشان می دهد که هیچکدام از این نظریه ها نتوانسته پاسخگوی مشکلات موجود در نظریه های مختلف ریسمانها باشد..سئوال این است که یک نظریه برای همه چیز واقعاً چسیت و چه کاری را باید انجام دهد؟
بهترین جوابی که می توان به این سئوال داد این است که یک نظریه برای همه چیز، نظریه ای است که همه ی نظریه های موجود و مورد قبول را پوشش دهد و هر یک از آنها را به عنوان حالتی خاص نتیجه دهد. براین اساس نظریه سی. پی. اچ. تلاش کرد هر چهار نظریه مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم، نسبیت و نظریه میدان های هیگز را همزمان مورد بررسی قرار داده و آنها را با هم ترکیب کند. این نظریه باید مشکلات چهار نظریه فوق را بر طرف سازد.
● مشكلات قوانین نیوتن
هنگامیكه نیوتن قوانین حركت و قانون جهانی جاذبه را ارائه کرد، این قوانین از نظر منطقی با اشكالات جدی همراه بود. قانون دوم نیوتن تا سرعتهای نامتناهی را پیشگویی می کرد که با تجربه سازگار نیست. قانون دوم به صورت F=ma ارائه شده است كه طبق آن نیروی وارد شده به جسم می تواند تا بی نهایت سرعت آن را افزایش دهد. این امر با مشاهدات تجربی قابل تطبیق نیست. مشكل بعدی كنش از راه دور بود. یعنی اثر نیروی جاذبه با سرعت نامتناهی منتقل می شد. تاثیر از راه دور همواره مورد انتقاد قرار داشت.
اما مهمترین مشكل قوانین نیوتن در قانون جهانی جاذبه وی بود و خود نیوتن نیز متوجه آن شده بود. نیوتن دریافت كه بر اثر قانون جاذبه او، ستارگان باید یكدیگر را جذب كنند و بنابراین اصلاً به نظر نمی رسد كه ساكن باشند. نیوتن در سال ۱۶۹۲ طی نامه ای به ریچارد بنتلی نوشت "كه اكر تعداد ستارگان جهان بینهایت نباشد، و این ستارگان در ناحیه ای از فضا پراكنده باشند، همگی به یكدیگر برخورد خواهند کرد. اما اكر تعداد نامحدودی ستاره در فضای بیكران به طور كمابش یكسان پراكنده باشند، نقطه مركزی در كار نخواهد بود تا همه بسوی آن كشیده شوند و بنابراین جهان در هم نخواهد ریخت.
مشكل بعدی قانون جاذبه نیوتن این است كه طبق این قانون یک جسم به طور نامحدود می تواند سایر اجسام را جذب کرده و رشد کند، یعنی جرم یک جسم می تواند تا بینهایت افزایش یابد. این نیز با تجربه تطبیق نمی كند، زیرا وجود جسمی با جرم بینهایت مشاهده نشده است
● مشکل مکانیک کوانتوم
نگاه مکانیک کوانتوم به هستی بگونه ای است که کمیتها را بصورت گسسته در نظر می گیرد. از نتایج مکانیک کوانتوم بحث دوگانگی موج - ذره است. کسانی که به مکانیک کوانتوم عادت کرده اند بخوبی می دانند که برای بررسی ساختار زیر اتمی راهی بجز مدل سازی ریاضی نداریم. بنابراین مجبور هستیم که در آنجا مدل های ریاضی ارائه دهیم. اشکال این مدلها در این است که از شهودی بودن پدیده ها می کاهند. با این وجود انجمن فیزیک آمریکا همراه با انجمن فلسفه آمریکا، مکانیک کوانتوم را بزرگترین دست آورد علمی بشریت در طول تاریخ خواند اما این نظریه ابهامات زیادی ایجاد می کند و چون بطور گسترده از مدل سازی ریاضی استفاده می کند، بشدت از شهودی بودن آن می کاهد. احتمالاً بزرگترین مانع ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت و اتحاد نیروها، همین غیرشهودی بودن مکانیک کوانتوم است که مدل های ریاضی ارائه شده با واقعیت فیزیکی پدیده ها سازگار نیست.
● مشکلات نسبیت
۱) مشکل نسبیت با مکانیک کوانتوم- مکانیک کوانتوم ساختار ریز و کوانتومی کمیت ها و رابطه ی متقابل آنها را مورد بررسی قرار می دهد. به عبارت دیگر نگرش مکانیک کوانتوم بر مبنای کوانتومی شکل گرفته است. اما نسبیت فضا-زمان را پیوسته در نظر می گیرد. بنابراین نسبیت با مکانیک کوانتوم ناسازگار است. تلاشهای زیادی انجام شده تا به طریقی یک هماهنگی منطقی و قابل قبول بین نسبیت و مکانیک کوانتوم ایحاد شود. در این مورد کارهای دیراک شایان توجه است که مکانیک کوانتوم نسبیتی را پایه گذاری کرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبیت عام موفقیت چندانی نصیب فیزیکدانان نشده است.
۲) پیچیدگی و عدم وجود تفاهم در نسبیت- پیچیدگی نسبیت موجب شده که تفاهم منطقی بین فیزیکدانان در مورد نتایج و پیشگویی های نسبیت وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر نسبیت شدیداً قابل تفسیر است. این تفاسیرگاهی چنان متناقض هستند البته این براداشتهای متفاوت از نسبیت ناشی از گذشت زمان نیست، بلکه از آغاز حتی برای خود اینشتین وجود داشت. به عنوان مثال: اینشتین از سال ۱۹۱۷ شروع به تدوین یک نظریه قابل تعمیم به عالم کرد. وی با مشکلات حل نشدنی ریاضی برخورد کرد. به همین دلیل در معادلات گرانش عبارت مشهور " پارامتر عالم " را وارد کرد. ملاحظات وی در این موضوع بر دو فرضیه مبتنی بود.
الف) ماده دارای چگالی متوسطی در فضاست که در همه جا ثابت و مخالف صفر است.
ب) بزرگی " شعاع " فضا به زمان بستگی ندارد.
در سال ۱۹۲۲ فریدمان نشان داد که اگر از فرضیه دوم چشم پوشی شود، می توان فرضیه اول را حفظ کرد بی آنکه در معادلات به پارامتر عالم نیازی باشد. فریدمان بر این اساس یک معادله ی دیفرانسیل به صورت زیر ارائه کرد:
(dR/dt)۲ - C/R+K=۰
در واقع سالها قبل از کشف هابل در مورد انبساط فضا، فریدمان دقیقاً کشفیات او را پیش بینی کرده بود. معادله ی فریدمان معادله ی اصلی کیهان شناخت نیوتنی است و بدون تغییر در نظریه نسبیت عام نیز صادق است. اینشتین بر همه نتایج به دست آمده توسط فریدمان اعتراض کرد و مقاله ای نیز در این باب انتشار داد. سپس حقایق را در فرضیه فریدمان دید و با شجاعت کم نظیری طی نامه ای که برای سردبیر مجله آلمانی فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف کرد.
بیشتر مشکلات نسبیت ناشی از خواصی است که که به علت وجود ماده برای فضا قایل می شوند. که در آن هندسه جای فیزیک را می گیرد. زمانی پوانکاره گفته بود که اگر مشاهدات ما نشان دهد که فضا نااقلیدسی است، فیزیکدانان می توانند فضای اقلیدسی را قبول کرده و نیروهای جدیدی وارد نظریه های خود کنند. اما نسبیت چنین نکرد و ماهیت پدیده های فیزیکی را به دست فراموشی سپرد. هرچند پدیده های فیزیکی را بدون ابزار محاسباتی، اعم از جبری و هندسی نمی توان توجیه کرد، اما فیزیک نه هندسه است و نه جبر، فیزیک، فیزیک است وبس
۳) مشکل گرانش نیوتنی در نسبیت همچنان باقی است- در نسبیت فضا-زمان دارای انحناست. هرچه ماده بیشتر و چگالتر باشد، انحنای فضا بیشتر است. سئوال این است که این انحنای فضا تا کجا می انجامد؟ در نسبیت فضا می تواند چنان تابیده شود که حجم به صفر برسد. برای آنکه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد که حجم به صفر برسد، باید جرم به سمت بی نهایت میل کند. یعنی نسبیت نتوانست مشکل قانون گرانش را در مورد تراکم ماده در فضا حل کند، علاوه بر آن بر مشکل افزود. زیرا قانون نیوتن می پذیرد که ماده تا بی نهایت می تواند متمرکز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نیست. اما نسبیت علاوه بر آن که می پذیرد ماده می تواند تا بی نهایت متراکم شود، پیشگویی می کند که حجم آن نیز به صفر می رسد.
● مشکل هیگز
یک تصویر که با ریاضی هماهنگی دارد نشان می دهد که فضای تهی، شامل یک ذره ی هیگز است و خودش انرژی ندارد
ذرات دیگر در کنش با این ذره ی بدون انرژی، از آن جرم کسب می کنند.
مشکل هیگز در این است که دارای انرژی نیست.
● لزوم یک نگرش جدید
اگر رابطه ی نیرو و انرژی را با دید متفاوتی مورد بحث قرار دهیم، می توانیم به نتایج جالب توجهی برسیم. نیرو به عنوان انرژی در واحد طول مطرح می شود که برای آن رابطه ی زیر داده شده است
F=-dU/dx => dU= - Fdx
در رابطه ی بالا انرزِی و فاصله تغییر می کنند، اما نیرو ثابت است. اگر نیرو یعنی F یک کمیت ثابت و تغییر ناپذیر است، چگونه می توان هیگز بوزون را توجیه کرد؟ یعنی واقعاً توجیه کاهش یا افزایش جرم چگونه امکان پذیر است؟ متاسفانه این دیدگاه از مکانیک کلاسیک به نسبیت تسری یافت و هیچگونه بحثی در این زمینه مطرح نشد. اگر بخواهیم با همان نگرش کلاسیکی در مورد نیرو مشکلات فیزیک و ناسازگاری نسبیت و مکانیک کوانتوم را بر طرف سازیم، راه به جایی نخواهیم برد، همچنانکه تا به حال این چنین بوده است اشکال بعدی که مانع رسیدن به یک نتیجه ی قابل توجه می شود این است فیزیکدانان به مشکلات به گونه ای پراکنده برخورد می کنند. تحقیقات روی هیگز بوزون مسیر خود را می پیماید، مکانیک کوانتوم می خواهد مشکلات فیزیک را در چاچوب قوانین کوانتومی حل کند، و مهمتر از همه اینکه مکانیک کلاسیک تقریباً به فراموشی سپرده شده است. همه اینها هر کدام نگرشی خاص به جهان دارند و عمومیت ندارند. در حالیکه طبیعت یگانه است و قانون نیز بایستی از یک وحدت برخوردار باشد که هست. ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت زمانی امکان پذیر است که نگرش هیگز بوزون همراه با مکانیک کلاسیک نیز در این ترکیب منظور گردد .
● برخورد دوگانه با پدیده ها
در مورد قضیه کار انرژی
W=dE
برخوردی دوگانه وجود دارد. قسمت کار آن را با مکانیک کلاسیک مد نظر قرار می دهند و کار را کمیتی پیوسته در نظر می گیرند، در حالیکه با انرژی برخوردی کوانتومی دارند. در واقع بایستی هر دو طرف رابطه را با دید کوانتومی در نظر گرفت. در این مورد مثالهای زیادی می توان ارائه داد که با این برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. اگر این مورد را بکار بندیم مشکل ارتباط فرمیونها و بوزونها بر طرف خواهد شد .
اگر بپذیریم که کار کوانتومی است، الزاماً به این نتیجه خواهیم رسید که نیرو بطور کلی و از جمله گرانش نیز کوانتومی است. مفهوم صریح و در عین حال ساده آن این است که فضا - زمان کوانتومی است. با نگرش کوانتومی به گرانش یا به تعبیر نسبیت فضا - زمان، مکانیک کوانتوم و نسبیت با یکدیگر ترکیب خواهند شد. چنین نگرشی می تواند به یک نظریه برای همه چیز منتهی شود. نظریه ای که تحت عنوان نظریه سی. پی. اچ. مطرح شده است. در نظریه سی. پی. اچ. نیرو و انرژی قابل تبدیل به یکدیگر هستند. همچنین با توجه به نسبیت که در آن جرم و انرژی هم ارزند، بنابر این، نیرو، انرژی و جرم هم ارز می باشند. و می توان نتیجه گرفت که نیرو، انرژی و جرم سه جلوه (ظاهر) متفاوت از یک ذره واحد و بنیادی هستد که آن را سی. پی. اچ. می نامیم.
● مفهوم سی. پی. اچ
سی. پی. اچ. حروف اول سه کلمه ی Creation Particle Higgs, CPH است C , Creation
به معنی آفرینش (تولید) بوجود آوردن.
P, particles ذرات هیگز نشان می دهد که ذرات چگونه جرم کسب می کنند.
سی. پی. اچ. زیر کوانتوم هستی در طبیعت است که سایر کوانتومها، اعم از فرمیونها، بوزونها و حتی کوانتومهای انرژی از تعدادی سی. پی. اچ. تشکیل می شوند .

منبع : شبکه سی. پی. اچ