مشكلات نسبيت و مكانيك كوانتوم

 

بنا بر نسبيت،  گرانش اثر هندسي جرم بر فضاي اطراف خود است. كه فضا-زمان ناميده مي شود. يعني جرم فضاي اطراف خود را خميده مي كند و مسير نور در اطراف آن خط مستقيم نيست، بلكه منحني است.

 

در سال 1919 انحنای فضا را هنگام كسوف كامل خورشید با نوری كه از طرف ستاره ی مورد نظری به سوی زمین در حركت بود و از كنار خورشيد می گذشت مورد تحقيق قرار دادند كه با پیشگویی نسبيت تطبیق می كرد. این موفقيت بسيار بزرگی برای نسبيت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسی و خواص توپولوژيك فضا بررسی واقعیت های فيز يكی  را به حاشیه راند. مضافاً اين كه گرانش را از فهرست نیروهای اساسی طبيعت در فيزيك نظری حذف كرد.

 

مشكلات اساسی نسبيت را می توان به صورت زير فهرست كرد:

 

 

 

1- مشكل نسبيت با مكانيك كوانتوم: مكانيك كوانتوم ساختار ریز و كوانتومی كميت ها و واكنش متقابل آنها را مورد بررسی قرار می دهد. به عبارت ديگر نگرش مكانيك كوانتوم بر مبنای كوانتومی شكل گرفته است. در این زمينه تا جايی پيش رفته كه حتی اندازه حركت و برخی دیگر از كميتها را كوانتومی معرفی می كند. این نتايج بر مبنای يكسری شواهد تجربی مطرح شده و قابل پذيرش است. علاوه بر آن تلاشهای زيادی انجام می شود تا پديده های بزرگ جهان را با قوانين شناخته شده در مكانيك كوانتوم توجيه كنند. حال به نسبيت توجه كنيد كه فضا-زمان را پيوسته در نظر می گيرد. بنابراين نسبیت با مكانيك كوانتوم ناسازگار است. تلاشهای زيادی انجام شده تا به طريقی يك همانگی منطقی و قابل قبول بين نسبيت و مكانيك كوانتوم ايحاد شود. در اين مورد كارهای ديراك شايان توجه است كه مكانيك كوانتوم نسبيتی را پايه گذاری كرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبيت عام موفقیت چندانی نصيب فيزيكدانان نشده است.

 

 

 

2- پيچيدگی و عدم وجود تفاهم در نسبيت: پيچيدگی نسبيت موجب شده كه تفاهم منطقی بين فيزيكدانان در مورد نتايج و پيشگويی های نسبيت وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر نسبيت شديداً قابل تفسير است. اين تفاسيرگاهی چنان متناقض هستند. البته اين برداشتهای متفاوت از نسبيت ناشی از گذشت زمان نيست، بلكه از آغاز حتی برای خود اينشتين كه نسبيت را مطرح كرد وجود داشت. به عنوان مثال: اينشتين از سال 1917 شروع به تدوين يك نظريه قابل تعميم به عالم کرد. وی با مشكلات حل نشدنی رياضی برخورد كرد. به همين دليل در معادلات گرانش عبارت مشهور " پارامتر عالم " را وارد كرد. ملاحظات وی در اين موضوع بر دو فرضيه مبتنی بود.

 

 

 

الف- ماده دارای چگالی متوسطی در فضاست كه در همه جا ثابت و مخالف صفر است.

 

ب- بزرگی " شعاع " فضا به زمان بستگی ندارد.

 

 

 

در سال 1922 فریدمان نشان داد كه اگر از فرضیه دوم چشم پوشی شود، می توان فرضیه اول را حفظ كرد بی آنكه در معادلات به پارامتر عالم نيازی باشد. فريدمان بر اين اساس يك معادله ی دیفرانسيل به صورت زير ارائه كرد:

 

(dR/dt)^2 - C/R+K=0

 

در واقع سالها قبل از كشف هابل در مورد انبساط فضا، فریدمان دقیقاً كشفيات او را پيش بينی كرده بود. معادله ی فريدمان معادله ی اصلی كيهان شناخت نيوتنی است و بدون تغيير در نظريه نسبيت عام نيز صادق است. اينشتين بر همه نتايج به دست آمده توسط فريدمان اعتراض كرد و مقاله ای نيز در اين باب انتشار داد. سپس حقايق را در فرضيه فريدمان ديد و با شجاعت كم نظيری طی نامه ای كه برای سردبير مجله آلمانی فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف كرد.

 

بيشتر مشکلات نسبيت ناشی از خواصی است كه به علت وجود ماده برای فضا قايل می شوند. كه در آن هندسه جای فیزيك را می گيرد. زمانی پوانكاره گفته بود كه اگر مشاهدات ما نشان دهد كه فضا نااقلبدسی است، فيزيكدانان می توانند فضای اقليدسی را قبول كرده و نيروهای جديدی وارد نظريه های خود كنند. اما نسبيت چنین نكرد و ماهيت پديده های فيزيكی را به دست فراموشی سپرد. هرچند پديده های فيزيكی را بدون ابزار محاسباتی، اعم از جبری و هندسی نمی توان توجيه كرد، اما فيزيك نه هندسه است و نه جبر، فيزيك، فيزيك است وبس!!!

 

 

 

 3- مشكل گرانش نيوتنی در نسبيت همچنان باقی است: در نسبيت فضا-زمان دارای انحناست. هرچه ماده بيشتر و چگالتر باشد، انحنای فضا بيشتر است. سئوال اين است كه اين انحنای فضا تا كجا می انجامد؟ در نسبيت فضا می تواند چنان تابيده شود كه حجم به صفر برسد. برای آنكه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد كه حجم به صفر برسد، بايد جرم به سمت بی نهايت ميل كند. يعنی نسبيت نتوانست مشكل قانون گرانش را در مورد تراكم ماده در فضا حل كند، علاوه بر آن بر مشكل افزود. زيرا قانون نيوتن می پذيرد كه ماده تا بی نهايت می تواند متمركز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نيست. اما نسبيت علاوه بر آن كه می پذيرد ماده می تواند تا بی نهايت متراكم شود، پيشگويی می كند كه حجم آن نيز به صفر می رسد.