سرانجام نوبت به فیزیکدان میرسد. فیزیکدان به ستارهها خیره میشود و رفتار آن ها را به دقت ثبت میکند و تشخیص میدهد که ستارهها از طریق گرانش، که مطابق با مربع فواصل متقابل آن ها کاهش مییابد، یکدیگر را جذب میکنند. سپس فکر میکند که سه بعد وجود دارد. با این حال، وقتی معادله را برای نحوه حرکت نور از فضا محاسبه میکند، متوجه میشود که به بهترین وجه در چهار بعد بیان شده است. سپس، پس از فکر بسیار، سعی میکند به شیوه های توصیف گرانش و نور در نظریهای معمولی فکر کند، که به نظر میرسد نیازمند به حداقل ده بعد است. و میگوید «سه، چهار، یا شاید هم بیشتر».
ببینیم فیزیکدان چگونه به نتایج خود رسید. در سال ۱۹۱۷ پاول ارنفست فیزیکدان اتریشی، جملهای تفکر برانگیز نوشت: «چطور از قوانین بنیادی فیزیک معلوم میشود که فضا سه بعد دارد؟». وی در این مقاله شواهدی را ذکر میکند که سه بعد برای توصیف جهان ما عالی و کامل است. به عنوان مثال، وی اشاره میکند که مدارهای ثابت سیارات در منظومه شمسی و حالتهایحرکت الکترون در اتم، نیازمند به قوانین نیروی مربع معکوس است. به عنوان مثال اگر گرانش، به جای مربع فاصله از خورشید، با توجه به مکعب فاصله از خورشید کاهش یابد، سیارات مسیرهای بیضوی ثابت را دنبال نخواهند کرد.
حال ببینیم قانون مربع معکوس به جه معنی است. حبابی را تصور کنید که تقریبا شامل مدار سیاره ای میباشد. قدرت میدان گرانشی خورشید در آن فاصله، روی مساحت سطح حباب ضعیف میشود. مساحت سطح متناسب با مربع فاصلهی شعاعی است، و توضیح میدهد که چرا گرانش با آن ضریب کاهش مییابد. از آنجایی که حباب، از جمله درون آن، سه بعدی است، خود فضا نیز باید سه بعدی باشد. به طور خلاصه، این حقیقت که گرانش با توجه به مربع فاصله-میزان مساحت سطح حباب- به تدریج کاهش مییابد، دلالت بر سه بعدی بودن دارد.
هر چند که کیهان، فقط فضا نیست. همان طور که ریاضیدان روسی-آلمانی، هرمن مینکوفسکی، نشان داد، اصل نظریهی نسبیت خاص اینشتین بر این است که توضیح دهد چگونگی حرکت نور با سرعتی ثابت نسبت به همه ناظران را میتوان به بهترین وجه در چهار بعد بیان کرد. وی به جای در نظر گرفتن فضا و زمان به طور مستقل، تصوری واحد و یکپارچهای از فضا-زمان را پیشنهاد میدهد. اینشتین در نظریه نسبیت عام، از این مفهوم استفاده میکند و گرانش را با استفاده از مدل چهار بعدی پویا توصیف میکند.
معاصران کلین در اواخر دههی ۱۹۲۰، که اصول مکانیک کوانتومی را شکل میدادند، به جای بررسی ابعاد فیزیکی که مکمل فضا-زمان است، تصمیم به بررسی امکان ابعاد داخلی (مربوط به فضای ریاضیاتی انتزاعی) گرفتند. آن ها نظریه های خود را در فضای هیلبرت، ساختاری ریاضیاتی که از تعداد نامحدودی بعد برای امکان بودنِ مجموعهی نامحدود بزرگی از حالات کوانتومی استفاده میکند، توسعه دادند. به جز اینشتین و دستیاران او، پیتر برگمان و ولنتاین برگمان، چند فیزیکدان مفهوم ابعاد اضافی پنهان در جهان فیزیکی را بررسی کردند. (در اواخر دهه ی ۱۹۳۰ و اوایل دههی ۱۹۴۰، اینشتین، پیتر و ولنتاین برگمان، به وسیله بعد فیزیکی دیگری برای تلفیق در الکترومغناطیس، تلاش ناموفقی برای گسترش فضا-زمان چهار بُعدی نسبیت عام، کردند.)
در دههی ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، نظریهی کالوزا-کلین به لطف ظهور نظریه ابرریسمان و ابرگرانش احیا شد: این ایده که مؤلفههای بنیادی طبیعت، رشته های انرژی را به ارتعاش در میآوردند. به لحاظ ریاضیاتی، نظریه ابر ریسمان تنها در ده بُعد یا بیشتر، عملی میشود. در نتیجه، محققان به فکر راههایی هستند که بتوانند به وسیله آن، شش یا بیش از شش بُعد دیگر را فشرده سازند. نظریه ابرریسمان در دهه ۱۹۹۰ به صورت رویکردی کلی تر به نام نظریهی M تکامل یافت، که غشاهای پرانرژی با نام مستعار «بَرین» (Brane) را با ریسمانها یا رشتهها تلفیق میکند. نظریه M شامل امکان یک بعد بزرگ دیگر میباشد که مکمل آن ده بُعد ضروری برای حیات ابرریسمانها است. «بزرگ» در این زمینه به معنای «قابل مشاهده» است نه کوچک و فشرده.
در طرح «جهان بَرین» که اولین بار توسط نیما ارکانی حامد، ساواش دیموپولوس، و گیا دوالی (همکاری که به اختصار «ADD» نام دارد) مطرح شد، و بعد از آن توسط لیزا راندال، رامان ساندروم و دیگران توسعه یافت، واقعیت متشکل از دو برین است که با شکافیاز بعد بالاتر، این شکاف بالک (Bulk) نام دارد، در پیکربندی ای مانند گراند کانیون، از هم جدا شدهاند. مانند گردشگران ترسو که در لبه درّه عمیق و باریکی نشستهاند، بیشتر ذرات هم به یکی از بَرینها چسبیدهاند. در نتیجه، جهان فیزیکی آشنا در آنجا واقع شده است. به کوهنوردان بیباک، یعنی گراویتونها، که حاملان ثقل هستند، استثنایی ارائه میشود و قادر به کشف بالک هستند. از آنجایی که چون عوامل گرانش زمان بسیار کمتری را صرف تعامل با برین آشنای ما میکنند، گرانش بسیار ضیفتر از نیروهای دیگر به نظر میرسد.
حدس اصلی ADD پیشبینی کرد که وقتی در مقیاسهای ریز اندازهگیری میکنیم، گرانش باید به طور کامل از رابطهی کامل فاصله مربع معکوس، منحرف شود. با این حال آزمایشات تعادل چرخش دقیق که توسط تیمی به رهبری اریک آدلبرگر از دانشگاه واشنگتون، محدودیتهای سفت و سختی تا سطح دقیقه را بر چنین اختلافی، وضع کرد. با این وجود این ایده ابعاد اضافی، منجر به پیشرفت در طرحهای مختلف برای وحدت و یکی شدن نیروهای طبیعی میشود.
یکی از ماموریتهای برخورد دهندهی هادرونی بزرگ(LHC)، شتاب دهنده عظیم واقع در مرز فرانسه و سوئیس، امکان ابعاد اضافی پنهان را آزمایش میکند. از زمان کشف بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲، تکمیل مدل استاندارد فیزیک ذرات، ایدهی توجه به چنین گسترشهایی، مهمتر و مرکزیتر شده است. برای ایجاد وجود ابعاد اضافی با LHC، سه راه عمده وجود دارد. اولین راه، یافتن ورژنهای اکو از ذرات موجود است، که حالات کالوزا-کلین نام دارد؛ که از تمام جهات مانند ذرات شناخته شده هستند به جز اینکه، مانند لایهها در موسیقی، عظیمتر هستند. جستجو برای گراویتونهای کالوزا-کلین، گلوئونهای کالوزا-کلی و غیره،در انرژی ۷ تریلیون ولت الکترونی از برخورد پروتون-پروتون، تا کنون فایدهای نداشته است.
اول میِ ۲۰۱۷ برای اولین بار در سال جاری، برخورد دهنده هادرونی بزرگ، پس از یک وقفۀ فنی ۱۷ هفته ای، شروع به چرخاندن پرتوهای پروتون کرد. به روزرسانی آن، شانس بیشتری برای شناسایی شواهدی از ابعاد دیگر را به همراه دارد. بدون شک مهندسین نسبت به مکانیزم درخشان آن ها شگفتزده خواهند شد؛ ریاضیدانان نسبت به مقدار مطلق دادههای جمعآوری شدهی آنها و الگوریتمهای قدرتمند غربال شده از میان آن، وحشتزده خواهند شد؛و همهی فیزیکدانان مشتاقانه منتظر امکان نخستین شواهد عرصه بُعدی بالاتر فراتر از فضا و زمان خواهند بود.
منبع: http://bigbangpage.com
