بررسی امکان وجود نظریه یکپارچه برای جهان

دانشمندان ژاپنی به مدت ۲۰ سال به نظارت دقیق یک مخزن ۱۳ طبقه پر از آب خالص پرداخته‌اند. این مخزن در اعماق یک معدن روی دفن شده است. آن‌ها امیدوارند روزی شاهد ازهم‌پاشی خودبه‌خودی پروتون‌های آب باشند. در همین حین، جایزه‌ی نوبل فیزیک به کشف دیگری در همین ارتباط داده شد. یک گروه از دانشمندان که در تحقیقی مشابه، در حال پژوهش بر ذرات زیراتمی به نام نوترون در آب داخل مخزن بودند، موفق شدند جایزه‌ی نوبل فیزیک را از آن خود کنند. با این حال،  دانشمندانی که به دنبال رصد واپاشی پروتون هستند، هنوز امیدوارانه به تلاش خود ادامه می‌دهند. در مورد واپاشی پروتون گفتنی است که این رویداد می‌تواند ثابت کند از چهار نیروی اصلی طبیعت، سه نیرو از یک نیروی بنیادین در شروع زمان سرچشمه گرفته‌اند.

ماکاتو میورا از دانشگاه توکیو که رهبری این تحقیق با نام Super-Kamiokandeا(Super-K) را بر عهده دارد، می‌گوید:

تا کنونی شواهدی از واپاشی پروتون به دست نیاورده‌ایم.

نظریه‌ی وحدت بزرگ موسوم به GUT، با برقراری ارتباط بین نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی، می‌تواند زمان مورد نیاز تا واپاشی پروتون را پیش‌بینی کند. طبق محاسبات Super-K، به‌طور میانگین هر ذره‌ی زیراتمی ۱۶ میلیارد تریلیون تریلیون سال عمر می‌کند. این رقم از کمینه‌ی عمر پروتون با ۱۳ میلیارد تریلیون تریلیون سال – که این تیم در سال ۲۰۱۲ محاسبه کرده بود –  بیشتر است. یافته‌های این تحقیق که در ماه اکتبر در Physical Review D منتشر شده بود، ثابت کرد پیش‌بینی‌های مطرح‌شده در مورد عمر بسیار زیاد پروتون نادرست هستند و نظریه‌‌های محبوب وحدت بزرگ متعلق به دهه‌ی ۱۹۷۰ را با عنوان «رؤیاهای ثابت‌نشده» توصیف کرد. استفان بار ، فیزیکدان از دانشگاه دلاوِیر در این باره می‌گوید:

محتمل‌ترین راه برای اثبات این ایده، واپاشی پروتون است.

بدون واپاشی پروتون، مدرک اثبات این نظریه که نیروهای حاکم بر ذرات بنیادین، از یک نیروی واحد بزرگ مشتق شده‌اند، به‌صورت ضمنی خواهد بود. به نظر می‌رسد این سه نیرو زمانی که به مقیاس‌های بزرگی از انرژی برسند، همگرا می‌شوند و از روی ساختار ریاضی آن‌ها می‌توان گفت این «پیراگیری» در ابعاد بزرگ بوده است، همان‌طور که شکل قاره‌های زمین نشانگر وجود یک ابرقاره به نام پانگه‌آ در زمان‌های قدیم است. استفان بار در این مورد می‌گوید:

شکل قاره‌های کنونی به‌گونه‌ای است که کاملا با یکدیگر یکپارچه می‌شوند. بسیاری از مردم معتقدند این موضوع اتفاقی نیست. همین موضوع در نیروهای بنیادین طبیعت نیز صدق می‌کند.

اگر واقعا نیروها در عصر اتحاد بزرگ و در آغاز زمان، یعنی در یک تریلیونم تریلیونم تریلیونم ثانیه‌ی ابتدایی تشکیل کیهان، یکی بوده باشند، پس ذراتی که اکنون کاملا متمایز هستند و پاسخ‌های مختلفی به سه نیرو دارند، در آن زمان کاملا متقارن و تبادل‌پذیر بوده‌اند؛ درست مانند وجوه یک کریستال. با سرد شدن عالم و از بین رفتن تقارن بین ذرات، مانند متلاشی شدن کریستال، ذراتی کاملا متفاوت به وجود آمدند و پیچیدگی جهان امروزی را شکل دادند.

در طی چهار دهه‌ی گذشته، فیزیکدانان مدل‌های گوناگونی از GUT را برای توصیف تقارن و برابری‌های ذرات ابتدایی عالم ارائه کرده‌اند. پی بردن به اینکه کدام‌یک از مدل‌های ارائه‌شده درست است، نه‌تنها ما را قادر می‌کند تا ساختار ریاضی قوانین طبیعت را درک کنیم و رابطه‌ی آن‌ها را با نیروی چهارم، یعنی نیروی گرانشی دریابیم، بلکه به ما در کشف ذرات زیراتمی احتمالی دیگر نیز کمک می‌کند. از نتایج دیگر یافته‌های تحقیق Super-K می‌تواند این باشد که به رموز دیگر دنیای فیزیک، از جمله‌ عدم وجود تعادل بین ماده و ضدماده و جرم توضیح ‌داده نشده‌ی نوترون، پی ببریم. دیمیتری نانوپولوس ، فیزیکدان از دانشگاه A&M تگزاس که اصطلاح GUT را به فیزیکدانان معرفی کرده، در این باره گفته است:

رؤیای ما این است که برای همه چیز، نظریه‌ی یکپارچه داشته باشیم.

شبیه‌سازی ادغام این نیروها به‌صورت مستقیم، به مقدار زیادی انرژی نیاز خواهد داشت که تولید آن غیرممکن است؛ اما شاید راه‌حل دیگری وجود داشته باشد. تئوری یکپارچگی بزرگ باید اثرات نامحسوسی در کیهان به جا گذاشته باشد. تمام نظریه‌های GUT بر این فرض استوار است که کوارک‌ها بلوک‌های سازنده‌ی ذرات پروتون و نوترون، در ابتدا از لپتون‌ها، آن دسته از ذراتی که الکترون را شامل می‌شود، غیرقابل‌تشخیص بوده‌اند. به علت اصل عدم قطعیت کوانتومی، این نیروی واحد بزرگ که در ارتباط با تقارن ابتدایی عالم است، باید دوباره ظاهر شود و یک کوارک یا ضدکوارک را به یک لپتون یا ضدلپتون متناظر تبدیل کند. زمانی که این اتفاق برای یکی از پروتون‌های داخل اتم اتفاق می‌افتد، پروتون به‌طور ناگهانی دچار فروپاشی می‌شود و پرتوی نور قابل ‌تشخیصی منتشر می‌کند. این همان اتفاقی است که دانشمندان پروژه‌ی Super-K به دنبال آن هستند. البته باید در نظر داشته باشیم که نوترون‌ها نیز از هم می‌پاشند. کارشناسان به این اتفاق نیز برای سهولت در ارجاع، فروپاشی پروتون می‌گویند.

رؤیای مربوط به تئوری یکپارچگی بزرگ برای اولین بار در سال ۱۹۷۴ مطرح شد، زمانی که شلدون گلاشو (فردی که بعدا برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک شد و اکنون در دانشگاه بوستون مشغول فعالیت است) و هاوارد جورجی (که اکنون در دانشگاه هاروارد فعالیت دارد)، کشف کردند گروه‌های تقارن ریاضی با نام (SU(2)، SU(3 و (U(1 که به ترتیب به توصیف نیروهای هسته‌ای قوی، ضعیف و الکترومغناطیس می‌پردازند و با ترکیب با یکدیگر «مدل استاندارد» فیزیک ذرات را تشکیل می‌دهند، این توانایی را دارند که درواقع در قالب یک گروه واحد و بزرگ تقارنی با نام (SU(5 عنوان شوند که به توصیف تمام ذرات شناخته‌شده می‌پردازد.  گلاشو می‌گوید:

ما به این فکر کردیم که موضوع اخیر تا چه حدی جالب است.

اما نادرستی طول عمر پیش‌بینی‌شده برای پروتون توسط اولین و ساده‌ترین تئوری GUT، ثابت شده است. اکنون Super-K در حال بررسی پیش‌بینی‌های ارائه‌شده توسط مدل‌های دیگر است. اما اکنون که دو دهه از شروع این تحقیق گذشته است کارها با سختی پیش برده می‌شود. اد کیرنز از دانشگاه بوستون که از شروع تحقیق در تیم Super-K حضور داشته است، باور دارد که:

هم‌اکنون بهتر شدن اوضاع بعید است، چون داده‌های خیلی زیادی برای بررسی و آزمایش جمع شده است.

همین موضوع باعث شده است  سرنوشت نظریه‌ی یکپارچه بزرگ در هاله‌ای از ابهام قرار گیرد. استفان بار، که خود از بنیان‌گذاران یکی از نظریه‌های GUT به شمار می‌رود (که البته هنوز نادرستی آن ثابت نشده است)، وضعیت فعلی تحقیق را با منتظر بودن برای برگشت همسر به خانه، مقایسه می‌کند. او می‌گوید:

اگر همسر شما ۱۰ دقیقه دیر کند، شاید توضیح ساده‌ای برای آن وجود داشته است. اگر یک ساعت دیر کند، شاید توجیه کردن آن دشوار باشد. اگر هشت ساعت دیر کرده باشد، شما نگران می‌شوید و شاید به ذهنتان برسد که همسر شما از دنیا رفته است. در اینجا منظور من این است که واقعا چه زمانی می‌توان گفت که نظریه‌ی شما مرده است؟… در حال حاضر به نظر می‌رسد ما در مرحله‌ای قرار داریم که همسر فرد یادشده در مثال، ۱۰ دقیقه دیر کرده باشد؛ یا حتی یک ساعت. درواقع هنوز ممکن است نظریه‌ی وحدت بزرگ کاملا درست باشد.

اما اگر واقعا نظریه‌ی یکپارچگی بزرگ درست باشد، به این معنی است که تشابهات بنیادین در شروع پیدایش عالم وجود داشته است و بعدا با کاهش دما این تشابهات از بین رفته است، همانند آب که از تمام جهات یکسان به نظر می‌رسد، اما با کاهش دما و انجماد، تفاوت آشکاری ظاهر می‌شود.

در اینجا منظور از تقارن، نوعی جابجایی است که باعث تغییر چیزی نمی‌شود. برای مثال، یک مکعب مربع را ۹۰ درجه بچرخانید، می‌بینید که تغییری در شکل آن ایجاد نمی‌شود. اما اگر یک جسم مستطیلی بخواهد از خود رفتار تقارن گردشی نشان دهد، باید چهار وجه آن با هم برابر باشد. به همین ترتیب، اگر نوعی تشابه و تقارن در قوانین طبیعت وجود دارد، باید یک دسته ذرات متقارن برای اثبات آن وجود داشته باشد.

(SU(3 را در نظر بگیرید که یک دسته از تقارن‌های متناظر با نیر‌وی هسته‌ای قوی است و کوارک‌ها را با پروتون و دیگر ذرات ترکیبی ارتباط می‌دهد . این تقارن، قانونی را در برمی‌گیرد که بر پایه‌ی آن کوارک‌های بالا (یکی از شش نوع کوارک‌ موجود)، در سه بار متفاوت وجود دارند که کوارک‌های آبی، قرمز و سبز نام‌گذاری شده‌اند. این کوارک‌ها تبادل‌پذیر هستند؛ یعنی اگر شما تمام کوارک‌های بالای قرمز موجود در عالم را با کوارک‌های بالای آبی و کوارک‌های آبی را با کوارک‌های سبز و کوارک‌های سبز را با کوارک‌های قرمز  عوض کنید، هیچ تفاوتی ایجاد نشود. کوارک‌های پایین و سایر انواع کوارک‌ نیز از این قانون تقارن سه‌گانه تبعیت می‌کنند. این سه‌گانگی مانند سه ضلع یک مثلث متوازی‌الاضلاع هستند. گلوئن‌ها که هشت ذره‌ی حامل نیروی قوی هسته‌ای هستند نیز در این میان به منزله‌ی گرداننده‌ی این مثلث عمل می‌کنند.

از طرف دیگر، (SU(2 که تقارن متناسب با نیروهای ضعیف هسته‌ای است (همان نیروهایی که مسئول تشعشع رادیواکتیو هستند)، شامل تقارن‌هایی بین، کوارک‌های بالا و پایین (برای مثال) هستند. نانوپولوس می‌گوید اگر جای تمام uها و dهای موجود در روابط توصیف‌کننده‌ی نیروهای هسته‌ای ضعیف را با یکدیگر عوض کنید، هیچ‌کدام از ما متوجه انجام این کار نخواهد شد.

نظریه‌های GUT مانند (Su(5، تمام تقارن‌های (SU(2)، SU(3 و (U(1 به همراه چند نمونه‌ی دیگر را شامل می‌شود. برای مثال، (SU(5 کوارک‌ها و ضدکوارک‌ها را با لپتون‌ها و ضدلپتون‌ها در گروه پنج‌تایی قرار می‌دهد، که همانند اضلاع یکسان پنج‌ضلعی منتظم هستند. ذراتی که در حال عادی مسئول حمل نیروهای قوی و ضعیف هسته‌ای و نیروی الکترومغناطیسی هستند، در این سازه‌ی بزرگ ریاضی با یکدیگر برابر گرفته می‌شوند. همه‌ی این ۱۲ ذره، به همراه ۱۲ نوع دیگر، یک نیروی واحد بزرگ را منتقل می‌کنند.

زمانی که گلاشو و جورجی موفق به کشف مدل (SU(5 شدند، در ادامه به‌سرعت پی بردند که ۱۲ منتقل‌کننده‌ی نیروی دیگر که در مدل (SU(5 حضور دارند، باعث ایجاد رویداد فروپاشی پروتون می‌شوند. زمانی که (SU(5 به سه قسمت امروزی تقسیم شد، ۱۲ ذره‌ی اصلی حامل نیروها به شکل امروزی درآمدند، اما ۱۲ مورد دیگر به جای ناپدید شدن، سنگین و ضعیف شدند. این حاملان پنهان نیرو، گاها صورت مادی به خود می‌گیرند و یک کوارک را با یک لپتون جانشین می‌کنند. جورجی و همکاران او پیش‌بینی کرده‌اند که اگر مدل (SU(5 درست باشد، عمر میانگین یک پروتون، که از سه کوارک تشکیل شده است، باید در حدود ۱۰ به توان ۲۹ سال باشد.

نادرستی این پیش‌بینی در دهه‌ی ۱۹۸۰ توسط آزمایش Michigan-Brookhaven در اوهایو و آزمایش Kamiokande (نسخه‌ی قبلی آزمایش Super-K) ثابت شد. با پیدا شدن سرنخ‌های جدید، دانشمندان پیش‌بینی کردند که عمر پروتون‌ها ۱۰۰ برابر بیشتر از تخمین‌های اولیه است، اما این مقدار هم کافی نبود. چند سال بعد از شروع پروژه‌ی تحقیقاتی Super-K در سال ۱۹۹۶، مدل (SU(5 نیز کنار گذاشته شد. استفان بار می‌گوید در آن زمان همه سرافکنده و مأیوس شده بودند.

از آن زمان تاکنون شرایط مبهم‌تر شده است. درحالی‌که (SU(5 تا جای ممکن نظریه‌ای ساده بود، اما محققان چند دسته دیگر از گروه‌های تقارنی را یافتند که احتمالا ذرات بنیادین موجود در طبیعت، به‌خوبی در آن‌ها تعریف شده‌اند. این گروه‌های تقارنی با داشتن خصوصیات و متغیر‌های بیشتر می‌توانند زمان واپاشی پروتون را بیشتر از مقادیر کنونی تخمین بزنند. برخی از این مدل‌ها با اضافه کردن تقارن‌های بیشتر، با نام سوپرتقارن، میزان ذرات موجود را به مقدار دو برابر پیش‌بینی می‌کنند. برخی دیگر مانند (SU(5 تغییریافته، با بازچیدن کوارک‌ها و ضدکوارک‌ها با لپتون‌ها و ضدلپتون‌ها تقارن‌های جدیدی را به (SU(5 اضافه می‌کنند.

آخرین یافته‌های Super-K حداقل عمر پروتون را ۱۰ به توان ۳۴ سال پیش‌بینی می‌کند و از این نظر با مدل‌های امروزی بیشتر سازگاری دارد، از جمله مدل (SU(5 تغییریافته که عمر پروتون را ۱۰ به توان ۳۴ تا ۱۰ به توان ۳۶ سال پیش‌بینی می‌کند. نانوپولوس که یکی از محققان توسعه‌دهنده‌ی (SU(5 تغییریافته در دهه‌ی ۱۹۸۰ است، در این باره چنین می‌گوید:

من از این بابت بسیار هیجان‌زده هستم.

با اینکه Super-K ممکن است در چند سال آینده کشف جدیدی ارائه دهد و منجر به اثبات یکی از این نظریه‌ها شود، اما از طرف دیگر ممکن است این تحقیق بیست سال دیگر به طول بیانجامد و حداقل عمر پیش‌بینی‌شده برای پروتون را بالاتر ببرد، بدون اینکه هیچ‌کدام از نظریه‌ها را نقض نکند.

ژاپن در حال برنامه‌ریزی برای ساخت آشکارساز عظیم یک میلیارد دلاری Hyper–Kamiokande است، که بین ۸ تا ۱۷ برابر بزرگ‌تر از Super-K خواهد بود. این آشکارساز به بازه‌های زمانی ۱۰ به توان ۳۵ ساله حساس خواهد بود. این آشکارساز ممکن است چند دهه به فعالیت ادامه دهد، شاید هم نه. بار در این مورد باور دارد:

شاید خوش‌شانس نباشیم. شاید بزرگ‌ترین آشکارساز جهان را با هزینه‌ای سرسام‌آور بسازیم، اما عمر پروتون کمی بیشتر از آن چیزی باشد که آشکارساز بتواند آن را شناسایی کند، در این صورت زحمات ما به هدر خواهد رفت.

صرف‌ نظر از اینکه آشکار‌سازها تا چه اندازه بزرگ باشند، حتی مدل‌هایی از GUT، همانند گروه‌های تقارنی E₆  و E₈ می‌توانند وجود داشته باشند که انجام آزمایش برای اثبات آن‌ها غیرممکن باشد، چون عمر پیش‌بینی‌شده برای پروتون توسط آن‌ها می‌تواند بسیاربسیار بیشتر از تخمین‌های امروزی باشد. یکی از این مدل‌ها شاید درست باشد، اما هیچ‌کس نمی‌تواند متوجه آن شود. نانوپولوس می‌گوید:

افراد مختلف می‌توانند مدل‌های تقارنی جدیدی بسازند، مدل‌هایی که عمر پروتون را تقریبا به مقدار بی‌نهایت پیش‌بینی کنند. بله، می‌توانید این کار را انجام دهید، اما ممکن است خنده‌دار به نظر برسید.

گلاشو، اما، بعد از نقض نظریه‌ی (SU (5، کاملا علاقه‌ی خود به تمام این تلاش‌ها را از دست داد. او اظهار می‌کند:

تلاش برای رصد واپاشی پروتون یک شکست بوده است. ایده‌های خوب زیادی مرده‌اند.

اما نظریه‌ی وحدت بزرگ نمرده است. مدارک ضمنی امروزه بیش از هر زمانی دیگری نشانگر وجود وحدت بزرگ هستند. اما کل این ایده ممکن است در ابهام باقی بماند، درست مانند پروتون.