آیا به پایان فیزیک رسیده‌ایم؟
متن سخنرانی :
صد سال پیش در چنین ماهی،آلبرت انیشتین ۳۶ ساله مقابل آکادمی علوم پروس برلین ایستاد تا نظریه بنیادی جدیدی را دربارهفضا، زمان و جاذبه ارائه کند: نظریه نسبیت عمومی.نسبیت عمومی، بدون شک شاهکار انیشتین است، نظریه ای که عملکرد جهان را در بزرگ ترین اندازه ها آشکار می‌کند، که در یک معادله زیبای معادله خلاصه می‌شود۰ همه چیز از اینکه چرا سیب‌ها از درختمی‌افتند گرفته تا آغاز زمان و فضا.
احتمالا ۱۹۱۵ سال خوبیبرای فیزیکدان شدن بوده. دو ایده جدید که مسیررا کاملا تغییر می‌دادند. یکی نظریه نسبیت انیشتین بود، دیگری مشخصا حتی انقلابی‌تر بود: مکانیک کوانتوم، راهی عجیب و دیوانه‌وار اما در عین حال به شدت موفقیت‌آمیز برای درک ریز جهان، دنیای اتم‌ها و ذرات.
طی قرن اخیر، این دو ایده کاملا درک ما از دنیا جهان را تغییر دادهاند. به لطف نسبیت و مکانیک کوانتوم است که آموخته‌ایم جهان از چه چیزی به وجود آمده است، چگونه آغاز شده و چطور به تکاملادامه می‌دهد. صد سال بعد، حالا ما خود را در نقطه عطف دیگری از فیزیک می‌بینیم، اما آنچه اکنون مورد توجه قرار داردکمی متفاوت است. چند سال آینده به ما خواهد گفتآیا قادر خواهیم بود تا همچنان درک خود را از طبیعت افزایش دهیم، یا اینکه ممکن است برای اولین باردر تاریخ علم، با سوالهایی مواجه شویمکه نتوانیم به آنها پاسخ گوییم، نه برای اینکه فکر یا فناوری نداریم، بلکه برای اینکه قانون های فیزیک خود این را ناممکن می کنند.
این مساله اصلی است:جهان خیلی خیلی جالب است. به نظر می‌رسد نسبیت و مکانیک کوانتوم پیشنهاد می‌کنند که جهان جایی خسته کننده است. باید تاریک، مرگبار و مرده باشد. اما وقتی به اطراف نگاه می‌کنیم، می‌بینیمدر دنیایی بسیار جالب زندگی می‌کنیم، پر از ستاره‌ها، کهکشان‌ها، درختها، سنجابها. نهایتا، سوال این است، چرا این همه چیزهای جالب وجود دارند؟ چرا هستی بجای نیستی وجود دارد؟ این تضاد، مهم ترین مسالهدر فیزیک بنیادی است. و درچند سال آتی، ممکن است بتوانیم بفهمیم که آیا هیچوقت می‌توانیم حلش کنیم.
در قلب این مساله دو عدد وجود دارد، دو عدد بسیار خطرناک. آنها ویژگیهای جهانی هستند که می توانیم اندازه‌گیری کنیم، و بسیار خطرناکند برای اینکه اگر متفاوت بودند، حتی ذره‌ای، آن وقت جهانی که می‌شناسیم وجود نداشت. اولین عدد مربوط به کشفی است که در چند کیلومتری این سالن، در سرن، زادگاه این دستگاه پیدا شد، بزرگ ترین دستگاه علمی که تا به حالتوسط انسان ساخته شده، ابر برخورد دهنده هاردون یا LHC. LHC ذرات زیراتمی را دور یک حلقه ۲۷ کیلومتری سرعت می‌دهد، و آنها را به سرعت نورنزدیک و نزدیکتر می‌کند تا آنکه آنها را درون ردیابهای غول آسا در برخورد با هم خرد کند. در تاریخ چهارم ژوئیه سال ۲۰۱۲ فیزیکدان‌هادر سرن به دنیا اعلام کردند یک ذره بنیادی جدید مشاهده کرده‌اند که طی برخوردهای شدید در سرن ایجاد شده: بوزون هیگز.
حالا اگر پیگیر خبرهای آن وقتهابوده‌اید، احتمالا فیزیکدان‌های زیادی را دیده‌اید که واقعا خیلی هیجان داشتند، و ممکن است فکر کرده باشید هر بار که یک ذره جدید را کشف می‌کنیمهمینطور می‌شویم. خب، این تا حدی درست است، اما بوزون هیگز مشخصا متفاوت است. همه ما خیلی هیجان زده شدیم چون پیدا کردن هیگز وجود یک میدان انرژی کیهانی راتایید می‌کند. حالا، ممکن است نتوانید یک میدان انرژی را تصور کنید، اما همگی یک بارتجربه کرده‌ایم. اگر تابه حال آهنربایی را نزدیک تکه‌ای فلز گرفته باشید و نیرویی بین آنها حس کرده باشید، پس اثر یک میدان را حس کرده‌اید. و میدان هیگز کمی مانند یک میدان مغناطیسی است، به جز اینکه همه جا مقدارش ثابت است. همین الان اطراف ما وجود دارد. نمی‌توانیم ببینیمش یا حسش کنیم، اما اگر وجود نداشت، ما هم وجود نداشتیم. میدان هیگز به ذرات بنیادی جرمی که ما از آن ساخته شده‌ایم را می‌دهد. اگر وجود نداشت، این ذرات جرمی نداشتند، و هیچ اتمی شکل نمی‌گرفت و ما هم وجود نداشتیم.
اما نکته‌ای عجیب درباره میدان هیگزوجود دارد. نسبیت و مکانیک کوانتوم به ما می‌گویند که دو وضعیت دارد، کمی مثل کلید برق. یا باید خاموش باشد، تا در همه جای فضا مقدارش صفر باشد، یا باید روشن باشد تا مقدارش واقعابزرگ باشد. در هر دو وضعیت، نمی‌شودتا اتم‌ها وجود داشته باشند، و در نتیجه تمامی چیزهای جالب دیگری که دراطرافمان می‌بینیم در جهان وجود نداشت. درواقع، کلید میدان هیگز کمی وصل است، نه صفر اما ۱۰٬۰۰۰ تریلیون بار ضعیف‌تر از مقدار واقعی آن، چیزی مثل یک کلید برق که درست قبل ازخاموش شدن، گیر کرده. و این مقدار حیاتی است. اگر حتی کمی فرق می‌کرد، در نتیجههیچ ساختار فیزیکی در جهان ایجاد نمی‌شد.
پس این اولین عدد خطرناک ما بود، اندازه نیروی میدان هیگز. فرضیه پردازها، دهه‌ها برای فهم اینکه چرا این عدد خیلی عجیب و دقیق تنظیم شده تلاش کرده‌اند، و فرضیاتی را برای توضیح آن ایجاد کرده اند. آنها اسم‌های جالب توجهی مانند «ابر تقارن» یا « ابعاد بزرگ دیگر» را دارند. نمی‌خواهم حالا واردجزئیات این ایده‌ها شوم. اما نقطه اصلی اینجاست: اگر هر کدام از اینها توضیحیبرای این مقادیر عجیب میدان هیگز داشتند، پس ما باید ذرات جدیدی که توسط LHC همراه با بوزون هیگز ایجاد می‌شدرا می‌دیدیم. اگرچه ، تاکنون، هیچ نشانیاز انها را ندیده‌ایم.
اما در واقع حتی مثال بدتری از تنظیم یک عدد خطرناک وجود دارد، و این بار از آن سوی مقیاس می‌آید، از بررسی جهان در فاصله های بسیار بزرگ. یکی از مهمترین نتایج نظریهنسبیت عام انشتین کشف این بود که جهان از طریق گسترشسریع فضا و زمان آغاز شد در ۱۳/۸ میلیارد سال پیش، کهمهبانگ نامیده می‌شود. بر مبنای نسخه‌های اولیه نظریه مهبانگ، جهان از آن پس مداوما گسترده شده واینکه جاذبه تدریجا ترمزی بر این توسعه بوده است. اما در ۱۹۹۸، ستاره شناس‌هاکشف فوق العاده‌ای کردند اینکه گسترش جهان در حال سرعت است. جهان سریع و سریعتربزرگتر و بزرگتر می‌شود و دلیل آن نیروی دافعه اسرار آمیزی استکه آن را انرژی تاریک می‌نامیم.
هرجا در فیزیک کلمه «تاریک» را شنیدید، حتما باید خیلی شک کنید چون احتمالا معنی آن این استکه نمی‌دانیم در باره چه صحبت می کنیم.
( خنده حضار )
ما نمی‌دانیم انرژی تاریک چیست، اما بهترین نظریه این است کهآن انرژی خود فضای خالی است، انرژی خلاء. اکنون، اگر با کمک مکانیک کوانتومخوب و قدیمی بخواهید بدانید که قدرت انرژی تاریک چقدر باید باشد، قطعا نتیجه شگفت آوری بدست خواهید آورد. خواهید دید که انرژی تاریک باید ۱۰ به توان ۱۲۰ بار قویتر از مقداری باشد که دراختر شناسی مشاهده می‌شود. معادل ۱ با ۱۲۰ صفر بعد از آن. این عدد بصورت دیوانه کننده‌ای بزرگ است امکان ندارد که بتوانی راه دیگری پیدا کنی. خیلی وقتها از کلمه «نجومی» برایتوصیف عددهای بزرگ استفاده می‌کنیم. خوب، حتی این هم اینجا مفید نیست. این عدد بزرگتراز هر عدد دیگری در اختر شناسی است. هزار میلیارد میلیارد میلیارد بار بزرگتر از کل تعداد اتم‌های کل جهان است.
پس این پیش بینی کاملا بدی است. در حقیقت، آن را بدترین پیش‌بینیدر فیزیک نام گذاری کرده‌اند، و این بیشتر تنها یک کنجکاوی نظری است. اگر انرژی تاریک حتینزدیک این مقدار هم بود، باعث می‌شد تا جهان از هم گسیخته گردد، ستاره‌ها و کهکشان‌ها شکل نمی‌گرفتند،و ما اینجا نبودیم. پس این دومین عدد خطرناک است، قدرت انرژی تاریک، و توضیح آن نیازمند سطح خارق العاده‌ای از تنظیماتی است که در میدان هیگز دیدیم. اما برخلاف میدان هیگز،این عدد توضیح شناخته شده‌ای ندارد.
امید آن بود که ترکیب کاملی از نظریه نسبیت عام انشتین، که نظریه جهان در اندازه‌های بزرگ است، با مکانیک کوانتوم، که نظریه جهان در اندازه‌های کوچک است، ممکن است راهکاری ایجاد کند. خود انشتینبیشتر ادامه زندگی خود را در جستجوی بیهودهبرای یک نظریه وحدت در فیزیک صرف کرد، و فیزیکدان‌ها این رااز آن پس ادامه دادهاند.
یکی از امیدوارانه ترین نامزدها براینظریه وحدت نظریه ریسمان است، و ایده اصلی آن عبارت است از اگر بتوانی ذرات بنیادی که جهان را ساخته اند را بزرگ کنی، واقعا خواهی دید که آنها ذره نیستند، بلکه ریسمان‌های کوچکی از انرژی هستند، که با هر فرکانسی از نوسانمتناظر با یک ذره می‌شوند، کمی شبیه به نت‌های موسیقی روی سیم گیتار.
پس این نوعی نگاه زیبا،تا حدی شاعرانه به جهان است، اما یک مشکل فاجعه بار دارد، مشخص شده که نظریه ریسماندر کل یک نظریه نیست، بلکه مجموعه‌ای از نظریه‌هاست، در واقع، تخمین زده می‌شود که، بین ۱۰ تا ۵۰۰ نسخه ازنظریه ریسمان وجود دارد. که هر کدام میتواند یک جهان را تعریف کند با قوانین فیزیکی متفاوت. منتقدین اکنون می‌گوینداین باعث غیر علمی شدن نظریه ریسمان می‌شود. نمی‌توانی نظریه را رد کنی. اما دیگران در حقیقت مسیرشان را تغییر دادهاند و می‌گویند، خوب،ممکن است این شکست ظاهری بزرگترین پیروزی نظریه ریسمان باشد. چه می شود اگر همه این۱۰ تا ۵۰۰ جهان ممکن متفاوت واقعا جایی آن بیرون وجود داشته باشند دریک «بس گیتی» بزرگ؟ یکباره می‌فهمیم که دلیل تنظیم شدن مقادیر این اعداد خطرناک چیست. در بیشتر جاهای بس گیتی، انرژی تاریک بسیار قوی استو جهان آن، از هم گسیخته می‌شود، یا میدان هیگز بسیار ضعیف استو اتمی نمی‌تواند تشکیل شود. ما در یکی از محلهایبس گیتی زندگی می‌کنیم که این دوعدد کاملا مناسبند. ما در جهانی کاملا مناسب زندگی می کنیم.
این نظریه ای بسیار جنجالی است،و فهمیدن دلیلش هم ساده. اگر این مسیر تفکر را دنبال کنیم، هیچوقت قادر به پاسخ گویی، « چرا هستی به جای نیستی وجود دارد؟»نخواهیم بود در بسیاری از محل های بس گیتی،چیزی وجود ندارد، وما در یکی از چند جایی زندگی می‌کنیم که قوانین فیزیکاجازه می‌دهد تا چیزی وجود داشته باشد. حتی بدتر، ما نمی توانیمنظریه بس گیتی را آزمایش کنیم. ما به این جهان‌های دیگر دسترسی نداریم، پس راهی برای فهمیدن اینکهآیا آنجا هستند یا نه وجود ندارد.
پس در وضعیتی بسیارنا امید کننده قرار داریم. معنی آن این نیست که بس گیتی وجود ندارد. سیاره‌های دیگر، ستاره‌های دیگر،کهکشان‌های دیگر وجود دارند، پس چرا جهان‌های دیگر وجود نداشته باشند؟ مشکل این است که راهی برای اینکه با اطمیناناین را بفهمیم، وجود ندارد. نظریه بس گیتیمدتی است که مطرح شده، اما در چند سال اخیر،شروع به یافتن اولین شواهد محکم از اینکه این شیوه استدلالمی‌تواند نتیجه بخش باشد. با وجود امیدهای زیاددر اولین کاوش‌های LHC، آنچه به دنبالش هستیم -- به دنبال نظریه های جدید فیزیک بودیم: ابر تقارن و یا ابعاد بزرگ دیگر که بتواند این اندازه تنظیم شده و عجیب میدان هیگز را توضیح دهد. اما با وجود امیدهای زیاد، LHCبیابان خشکی از ذرات زیر اتمی را نمایان کرد که در آن تنها یک بوزون هیگز وجود دارد. آزمایشات من مقاله پس از مقاله منتشر شد و ما با ناراحتی مجبور به نتیجه گیری شدیمکه نشانه ای از فیزیک جدید دیده نشد.
اوضاع از این خطرناکتر نمی‌تواند باشد. تابستان امسال، LHCدومین دور عملیات خود را آغاز کرد با میزان انرژی تقریبا دو برابر آنچه در مرحله اول بدست آمده. آنچه تمامی فیزیکدانان ذرات به آن امیدوارند نشانه هایی از ذرات جدیدی است،ریز حفره‌های سیاه، یا شاید چیزی کاملا غیر منتظره که از برخوردهای شدیددر LHC ایجاد گردند. اگر چنین شود، می‌توانیم این مسیر طولانیرا همچنان ادامه دهیم که ۱۰۰ سال پیشبا آلبرت انشتین آغاز شد بسوی درکی عمیق‌تر از قوانین طبیعت.
اما اگر، در دو یا سه سال آینده، هنگامی که LHC مجددا برای دوره دوم توقف خاموش شد، و ما چیزی جز بوزون هیگز نیافته باشیم، ممکن است به عصر جدیدی در فیزیک وارد گردیم: عصری که در آن ویژگیهای عجیبی در جهان وجوددارند که نمی‌توانیم آنها راتوضیح دهیم؛ عصری که نشانه‌هایی از اینکهدریک فرضیه چندجهانی زندگی می‌کنیم که همواره امیدی از دسترسی به آن نداریم؛ عصری که هیچگاه قادر به پاسخ به سوالاتمان نخواهیم بود، « چرا هستی بجای نیستی وجود دارد؟»
متشکرم.
(تشویق حضار )
برونو گیوسانی: هری، حتی اگر هم گفتی که ممکن است علم هیچگاه پاسخی نداشته باشد، دوست دارم سوال هایی از تو بپرسم،که اولی این است: ساختن چیزی مثل LHCپروژه‌ای است که نسل‌ها ادامه دارد. وقتی که تو را معرفی می‌کردم، اشاره کردمدر دنیایی کوتاه مدت زندگی می‌کنیم. چطور اینقدر بلند مدت فکر می‌کنی، وقتی چیزی مثل این می‌سازیچگونه برنامه‌هایت فراتر از دورانت است؟
هری کلیف: من شانس زیادی آوردم که به تحقیقاتی پیوستمکه در ۲۰۰۸ در LHC انجام شد، درست وقتی که راهش می‌انداختیم، و آدمهایی در گروه تحقیقاتی من هستندکه به مدت سه دهه روی آن کار می‌کردند،تمام عمر شغلی‌شان با یک دستگاه. فکر می‌کنم اولین صحبت هادر مورد LHC در سال ۱۹۷۶ شروع شده، و باید طراحی دستگاه را بدون فناوری‌هایی انجام می‌دادی که می‌دانستی به آنها درصورت ساختش نیاز خواهی داشت. توان محاسباتی رایانه‌ای دراوایل ۱۹۹۰ وجود نداشت هنگامی که طراحی‌های جدی شروع شد. یکی از آشکار سازهای بزرگیکه برخوردها را ثبت می‌کند، فکر نمی‌کرد فناوریی وجود داشته باشد که تحمل تشعشعاتی که درLHC تولید می‌شود را داشته باشد، در واقع تکه‌ای از سربدر وسط این قطعه بود با تعدادی آشکار ساز اطرافش در بیرون، اما بعدا فناوری را ایجاد کردیم. پس باید به نبوغ آدمها تکیه کنی،اینکه مشکلات را حل می‌کنند، اما شاید یک دهه یا بیشتر طول بکشد.
برونو گیوسانی: دو یا سه هفتهپیش چین اعلام کرد که می‌خواهند یک ابر برخورد دهنده دو برابر LHC بسازند. دوست دارم بدانم نظر تو وهمکارانت درباره این خبر چیست.
هری کلیف: اندازه همه چیز نیست، برونو.برونو گیوسانی: مطمئنم. مطمئنم.
( خنده حضار )
خنده دار به نظر می رسد اگر یک فیزیکدان ذرات این را بگوید. اما جدا منظورم این استکه خبر خیلی خوبی است. ساختن دستگاهی مثل LHC نیازمند آن است که تمامی کشورهایدنیا منابعشان را مشارکت دهند. هیچ کشوری تنها امکان ساختندستگاهی به این بزرگی را ندارد، شاید بجز چین، چون می‌توانند منابع زیادی را فراهم کنند، نیروی انسانی و پول برایساختن دستگاهی مثل این. پس واقعا چیز خوبی است. کاری که واقعا می‌خواهند انجام دهندساختن دستگاهی است برای بررسی جزئیات بوزون هیگز که میتواند نشانه‌هایی در اختیارمان بگذارد از اینکه آیا این ایده‌های جدید،مانند ابر تقارن، واقعا وجود دارند، پس فکر می‌کنم،این خبر خوبی برای فیزیک است.
برونو گیوسانی: هری، متشکرم.هری کلیف: خیلی متشکرم.
( تشویق حضار )
