برای دهه‌ها دانشمندان و فلاسفه طبیعی به دنبال یافتن نیروی بنیادی پنجم در طبیعت بوده‌اند. نیرویی فرضی که بتواند جنبه‌های مرموز و ناگشوده جهان ما، از جمله «انرژی تاریک» و «ماده تاریک» را تبیین کند.

این دو پدیده شگفت‌انگیز، بخش اعظم کیهان را تشکیل می‌دهند اما با هیچ‌یک از چهار نیروی بنیادی شناخته‌شده فیزیک مدرن، یعنی نیروی گرانش، الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف قابل توجیه و رمزگشایی نیستند.

چرا گرانش کوانتومی کلید ماجراست؟

در حالی که شکار این نیروی شبح‌وار و پنهان همواره در جریان بوده است، محققان به طور هم‌زمان و با ناامیدی به دنبال یافتن نظریه گرانش کوانتومی نیز بوده‌اند.

دلیل این اشتیاق فراوان آن است که گرانش کوانتومی می‌تواند بزرگ‌ترین و دقیق‌ترین توصیف ما از جهان در مقیاس‌های بزرگ (یعنی همان نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین) را با فیزیک قلمرو زیراتمی (یعنی مکانیک کوانتومی) پیوند دهد. این دو نظریه در آغاز قرن بیستم متولد شدند و بارها در بوته آزمایش‌های تجربی سربلند بیرون آمدند، اما تا به امروز به شکلی سرسختانه از ادغام در یک نظریه واحد سر باز زده‌اند.

اما اکنون یک گشایش علمی بزرگ رخ داده است. پژوهش‌های جدید دانشمندان منجر به ساخت یک چارچوب برای گرانش کوانتومی شده که نشانه‌های ارزشمندی را درباره ویژگی‌های احتمالی نیروی پنجم طبیعت در اختیار ما می‌گذارد.

محدود شدن دایره جستجوها برای نیروی پنجم

یافته‌های این تیم بین‌المللی فاش می‌کند همه فرضیات پیشین درباره نیروی پنجم با قوانین بنیادی فیزیک همخوانی ندارند. این نیروی مرموز معمولاً خود را به شکل یک انحراف بسیار کوچک از قانون گرانش نیوتن در فاصله‌های بسیار کوتاه نشان می‌دهد. تحقیق جدید توانسته است محدوده جستجو برای یافتن این نیرو را به شدت کوچک و متمرکز کند.

شکستن سد ذهنی؛ پیوند میان جهان کوانتوم و دنیای واقعی

آلفیو بونانو، پژوهشگر موسسه ملی اخترفیزیک ایتالیا (INAF)، در این رابطه می‌گوید: «یکی از چالش‌های اصلی ما، غلبه بر یک مانع کاملاً مفهومی و ذهنی بود. گرانش کوانتومی اغلب به عنوان یک موضوع بسیار انتزاعی دیده می‌شود که اتصال آن به پدیده‌های قابل مشاهده در دنیای واقعی تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسید.»

او می‌افزاید: «گام نخست در اینجا تکنیکی نبود، بلکه ذهنی بود. جستجوی یک پیوند ملموس میان فیزیک مقیاس‌های بی‌نهایت کوچک و پدیده‌هایی که پتانسیل دیده شدن در جهان ماکرو را دارند، مسیر ما را روشن کرد.»

نظریه «ایمنی مجانبی» چیست؟

چارچوب گرانش کوانتومی که توسط این تیم بررسی شده، «ایمنی مجانبی» (Asymptotic Safety) نام دارد. این نظریه اثبات می‌کند که گرانش می‌تواند حتی در انرژی‌های بسیار بالا نیز سازگار و پایدار باقی بماند.

بونانو و همکارانش دریافتند که بر اساس این نظریه، دامنه و شدت نیروی بنیادی پنجمنمی‌تواند هر مقداری باشد و به شدت محدود خواهد شد؛ امری که منجر به حذف بخش بزرگی از پارامترهای فرضی قبلی شد. این بدان معناست که اندازه‌گیری‌های با دقت بالا از نیروی گرانش در آینده نزدیک، می‌تواند به طور مستقیم این مدل‌ها را آزمایش کند.

رویکردی نوین در فیزیک مدرن؛ عصر جدید آزمایش‌های نجومی

به طور معمول، فیزیکدانان ابتدا نیروهای جدیدی را فرض می‌کنند و سپس به دنبال راهی برای اثبات آن می‌گردند. اما این پژوهش راهبرد متفاوتی پیش گرفت؛ آن‌ها با رد کردن برخی احتمالات، مسیر را مهیا کرده‌اند.

این تحقیقات نوین، فیزیک ذرات را در ریزترین مقیاس‌های کوانتومی به مقیاس اجرام بزرگ آسمانی پیوند می‌دهد. بنابراین، نشانه‌های این نظریه با طیف وسیعی از آزمایش‌ها قابل سنجش خواهند بود.

این آزمایش‌ها شامل بهره‌گیری از تکنیک‌های پیشرفته‌ای نظیر «تداخل‌سنجی اتمی»،استفاده از حسگرهای کوانتومی در سراسر منظومه شمسی و سنجش دقیق حرکت سیارات دوردست است. دانشمندان امیدوارند این رویکرد نوآورانه، قفل اسرار تاریک کیهان را یک‌بار برای همیشه بگشاید.