تلاش برای کشف پنجمین نیروی اصلی مفقوده جهان طبیعت و حل معمای گرانش

درک کنونی ما از جهان چنین بیان می‌دارد که جهان ما توسط چهار نیروی بنیادی کنترل می‌شود: گرانش، الکترومغناطیس و نیروهای ضعیف و قوی هسته‌ای.

اما در این میان ردپاهایی نیز از نیروی پنجمی در جهان طبیعت به چشم می‌خورد و اگر این نیرو واقعا وجود داشته باشد؛ ما نه‌تنها قادر خواهیم بود که حفره‌ها و ابهامات باقی‌مانده در مورد قانون نسبیت عام اینیشتینرا کاملا پوشش دهیم، بلکه باید به‌طور کامل در مورد فهم و دریافت خودمان از چگونگی سازوکار جهان هستی نیز بازنگری کنیم. اکنون فیزیکدانان دریافته‌اند که ما به چه شکلی می‌توانیم این نیروی رازآلود را به‌طور کامل و نهایی مورد آزمایش قرار دهیم.

چهار نیروی موجود در طبیعت در واقع نیروهایی هستند که مدل استاندارد فیزیک را به‌طور یکپارچه در کنار هم نگه می‌دارد. مدل استاندارد در واقع مدلی است که ما از آن برای تشریح و پیش‌بینی رفتار ذرات و ماده در جهان هستی‌مان استفاده می‌کنیم.

در کوچک‌ترین بخش این معادله نیز دو نیروی هسته‌ای قرار دارند. گفتنی است که نیروی قوی هسته‌ای به نیرویی اطلاق می‌شود که هسته‌های اتم‌ها را کنار هم نگه می‌دارد و نیروی ضعیف هسته‌ای نیز به آن دسته از نیروهایی می‌گویند که اتم‌های خاصی را قادر می‌کند تا دچار فروپاشی رادیواکتیو شوند.

نیروهای گرانش و الکترومغناطیس نیز در بخش دیگر و سنگین‌تر این ترازو قرار دارند. نیروی الکترومغناطیسی برای کنار هم نگه داشتن مولکول‌ها نیاز است و نیروی گرانش هم برای این وجود دارد که ما خیالمان از گسیخته نشدن و پراکنده نشدن تمامی کهکشان‌ها و سیاره‌ها راحت باشد.

تمام این نیروها به نظر ملموس و شسته‌ورفته می‌آیند؛ اما مشکلی در این میان وجود دارد: از بسیاری نظرها، گرانش در میان این گروه بسیار مهم از نیروها به عنوان مورد «عجیب» در نظر گرفته می‌شود.

یکی از دلایل چنین برداشتی این است که با وجود پیشرفت‌های زیاد در علم فیزیک، هنوز هم گرانش به عنوان تنها نیروی از بین این چهار نیروی اصلی به شمار می‌رود که بشر نتوانسته است به چگونگی تولید یا کنترل آن پی ببرد.

از طرفی هم نیروی گرانشی که امروزه می‌شناسیم، نمی‌تواند تمامی چیزهایی را که باید، به خوبی توجیه کند. مطالعه‌های انجام‌شده در این مورد نشان داده است که میزان گرانش بیشتری در جهان هستی از مقدار مورد انتظار وجود دارد؛ بیشتر از آن مقداری که تمامی مواد مرئی شناخته‌شده در جهان هستی بتوانند آن را تولید کنند.

گزینه‌ای که ما برای توضیح این شکاف استفاده می‌کنیم، ماده‌ی تاریک است. اما این ماده‌ی نتوانسته به‌طور دقیق کمکی به حل مسئله کند، زیرا بهترین فناوری‌های ما نیز تا به امروز از ردیابی این ماده ناکام مانده‌اند.

به خاطر ناتوانی ما در پی بردن به ماهیت واقعی ماده‌ی تاریک، برخی از فیزیکدانان به‌طور بسیار گیج‌کننده‌ای قصد دارند که گرانش را به‌کل از میان نیروهای بنیادی جهان هستی حذف کنند.

اما بهتر نیست که به جای حذف همیشگی یکی از نیروهای اساسی جهان هستی به این امید که شاید توضیح جهان برایمان راحت‌تر شود، بخواهیم یک نیروی پنجم را نیز به این گروه اضافه کنیم؟ نیرویی که گرانش را به طریقی که پیش از این هرگز در موردش بحث نشده‌ است، به آن ۳ نیروی دیگر گره بزند. خانم آندرس گژ، مدیر گروه مرکز کهکشانی لس آنجلس در دانشگاه کالیفرنیا در این باره چنین توضیح می‌دهد:

تئوری اینیشتین گرانش را به‌ زیبایی و به‌خوبی توضیح می‌دهد؛ اما شواهد بسیاری وجود دارند مبنی بر اینکه این تئوری نقص‌هایی دارد. صِرفِ وجود داشتن سیاه‌چاله‌های بسیار ثقیل در جهان هستی به ما نشان می‌دهد که تئوری‌های اخیر ما در مورد چگونگی سازوکار جهان برای توضیح دادن ماهیت دقیق سیاه‌چاله‌ها نامناسب هستند.

گژ و گروهش به دنبال یافتن این نیروی فرضی پنجم جهان طبیعت هستند و می‌گویند که بهترین محل برای جستجو در پی این نیرو می‌تواند جاهایی از جهان هستی باشند که در آنها تاثیر گرانش بسیار قوی است و در نتیجه، آشکار ساختن نشانه‌هایی از برخی نیروها یا عوامل اضافی در آنجا راحت‌تر خواهد بود.

پژوهشران با تجزیه‌وتحلیل تصاویر بسیار دقیق از قلب کهکشان راه شیری که توسط رصدخانه‌ی کک در هاوایی شکار شده‌اند، توانسته‌اند تا مدارهای ستاره‌های نزدیک به سیاه‌چاله‌ی بسیار سنگین واقع در مرکز کهکشان خودمان را ردگیری کنند.

آنها برپایه‌ی این مسیرهای به دست‌آمده از مدارهای ستاره‌ها قادر خواهند بود که تاثیر مستقیم گرانش رو روی حرکت‌های ستاره‌ها اندازه بگیرند و بررسی کنند که آیا روند دیگری نیز در آن محل‌ها در جریان است یا خیر. گژ در این باره می‌گوید:

این امر واقعا هیجان‌انگیز است. کار ما در مورد مطالعه‌ی ستاره‌های واقع در مرکز کهکشان می‌تواند روش‌های جدیدی را پیش روی ما پیرامون نگرشمان به طرز کار گرانش بگذارد.

تیم پژوهشی به‌طور خاصی در مورد رویدادی کنجکاوی می‌کنند که قرار است در سال آینده رخ دهد. در این رویداد، ستاره‌ای موسوم به S0-2بیش از هر زمان دیگری به سیاه‌چاله‌ی بسیار ثقیل مرکزی کهکشان راه شیری نزدیک می‌شود و آنگاه با بیشترین نیروی گرانشی ممکن به سمت آن کشیده خواهد شد. به گفته‌ی گژ:

اگر هر گونه انحرافی از آنچه که تئوری نسبیت عام در این مورد پیش‌بینی کرده است وجود داشته باشد، در این صورت رویداد سال آینده می‌تواند بهترین فرصت برای شناسایی آن انحراف تلقی شود.

این نخستین باری نیست که فیزیکدانان در پی جستجو و یافتن نیروی پنجم جهان طبیعت هستند. سال گذشته نیز یک گروه دیگر از پژوهشگران موفق به آشکارسازی نشانه‌ای از تاثیر چنین نیروی در طیف انرژی ذره‌ای شدند که بعدتر مشخص شد یک ذره‌ی زیراتمی جدید بوده است. جاناتان فنگ، سرپرست آن گروه پژوهشی از دانشگاه کالیفرنیا ایروین در آن زمان چنین اظهار کرده بود:

اگر چنین یافته‌ای درست باشد، دگرگون‌کننده خواهد بود. اگر این یافته توسط آزمایش‌های دیگری نیز تایید شود، کشف ما از نیروی پنجم احتمالی در طبیعت می‌تواند فهم ما از جهان هستی را به‌کل دستخوش تغییر کند و نتایجی را نیز برای یکپارچه‌سازی نیروها و ماده‌ی تاریک خواهد داشت.

ما هنوز راه بسیار طولانی را تا پی بردن به این نکته داریم که آیا این نیرو اصلا وجود دارد یا خیر. اما روش جدیدی که به‌کار گرفته شده می‌تواند به عنوان نخستین باری محسوب شود که دانشمندان در میدان‌ گرانشی بسیار قدرتمندی همانند میدان گرانشی حاصل از یک سیاه‌چاله‌ی بسیار ثقیل به دنبال نیروی پنجم جستجو می‌کنند.

حتی اگر در پایان ما نتوانیم نیروی دیگری از نیروهای طبیعت را در مرکز کهکشان خودمان پیدا کنیم، در آن صورت بهتر است که دوباره در مورد درک فعلی خودمان از خود مفهوم گرانش و بهبود آن تلاش کنیم. این همان چیزی است که مدل استاندارد فیزیک در حال حاضر به‌طور نومیدانه‌ای به آن نیاز دارد. گژ در پایان می‌گوید:

بسیار هیجان‌انگیز است که ما می‌توانیم این کار انجام دهیم؛ زیرا می‌توانیم یک سوال اساسی را از خودمان بپرسیم: اینکه گرانش چطور کار می‌کند؟

گفتنی است که دستاوردهای این پژوهش در ژورنال Physical Review Letters به انتشار رسیده است.