بعد پنجم

اكنون دسامبر 2005 است و تصادم دهنده عظيم هادرون (ال اچ سي) در سرن در نزديكي ژنو اولين عمليات موفقيت آميز خود را به پايان رسانده است . در اتاق فرمان نيمه تاريكي در اعماق زمين، نمايشگر رايانه تصاوير رنگي دو رويداد ذوره اي از ميليلردها رويداد مشاهده شده توسط يكي از آشكارسازهاي غول پيكر ( ال اچ سي ) را نشان ميدهد. اين تصاوير براي فيزيكداناني كه دور آن جمع شده اند و طي هفته هاي گذشته به سختي مشغول كار بوده اند ، بسيار مهيج است آنها از خوشحالي فرياد ميكشند ،زيرا بر صفحه نمايش امظاي غير قابل ترديد بعد پنجم را ميبينند .گروه بسياري از فيزيكدانان بر اين عقيده اند كه چهار بعد چهان ما ( سه بعد مربوط به فضا و يك بعد مربوط به زمان) همانند نوك يك كوه يخ هستند كه قسمت اعظم آن زير آب قرار دارد. علاوه بر اين ميگويند ممكن است به زودي قادر به ديدن اثرات بعد پنجم باشند. حتي ممكن است بعد پنجم دست خود را در دور بعدي آزمايشهاي شتاب دهنده، براي ما رو كند و اين چشم اندازي است كه دهان هر فيزيكدان ذره اي را آب خواهد انداخت ! اما اين شور و شعف تنها به خاطر خود بعد پنجم نخواهد بود . زيرا چنين چيزي گامي بزرگ در پيشروي دراز مدت به سوي يك « نظريه همه چيز» خواهد بود .

نظريه اي كه دانشمندان مدتها در جستجوي آن بودند و چهار نيروي اساسي فيزيك را با هم يكي خواهد كرد . كوردون كين ، نظريه پردازي از دانشگاه ميشيگان ، ميگويد: اگر بعد پنجم را كشف كنيم ، اين مهمترين كشف پس از نظريه كوانتوم خواهد بود نظريه اي كه دانشمندان مدتها در جستجوي آن بودند و چهار نيروي اساسي فيزيك را با هم يكي خواهد كرد .

انديشه وجود بعد پنجم چيز جديدي نيست و از كارهاي انجام گرفته دو رياضي دان‌ آلماني به نام هاي تئودور-كالوتساو اسكار كلاين در دهه 1920 ناشي شده است ، با استفاده از كارهاي انيشتين كه نشان داده بود (گرانش از انحناي ساختار چهار بعدي فضا -زمان ناشي ميشود ) اين دو رياضي دان كه مستقل از يكديگر كار ميكردند در جستجوي اين بودند كه نشان دهند ممكن است نتوان نيروي الكترومغناطيسي توسط يك بعد پنجم به حساب آورد براي توضيح اينكه چرا هرگز اثرات بعد پنجم در انرژيها و فواصل عادي ديده شده است ، آنها فرض كردند كه بعد پنجم به اندازه اي كوچكتر از يك اتم در هم پيچيده است در نظريه كالوتسل-كلاين(KK ) هر نقطه فضاي عادي ، در واقع يك حلقه در اين بعد پنجم ميباشد . يك ذره باردار ( حتي اگر در فضاي عادي بي حركت باشد ) همانند موش در چرخ گردان دائماً به دور حلقه در حركت خواهد بود آنچه ما بار الكتريكي ميناميم ، در واقع حركت در اين بعد مخفي ميباشد . چند ارتباط قانع كننده بين اين حركت و نظريه كلاسيك الكترومغناطيس وجود دارد . به عنوان مثال ، اگر قانون نيوتن را كه ميگويد براي هر عمل در امتداد بعد در هم پيچيده يك عكس العمل وجود دارد را اعملا منيد به قانون بقاي بار الكتريكي خواهد رسيد. كالوتسا و كلاين علي رغم موفقيتي كه بدست‌آوردند نتوانستند تعريفي مه نيروي الكتومغناطيسي و گرانش را با هم در بر بگيرد ، ادامه دهنده دو نيروي اساسي ديگر در آن زمان كشف نشده بودند .

اين دو نيرو عبارتند از نيروي ضعيف كه روي كواركها عمل ميكنند تا «چاشي» آنها رامثلاً‌از يك كوارك بالا به يك كوارك پائين انتقال دهد . و نيروي قوي كه چيزي را به نام بار «رنگي» كواركها شناخته ميشود ، تغيير ميدهد . تا اينجا براي ساختن چهارچوبي كه شامل همه اين چهار نيرو باشد ، نسخه هاي جديد نظريه KK بايد ابعاد بيشتري را در نظر بگيرد . خواص كواركها مثل چاشني و رنگ در حلقه هاي چند بعدي KK تبديل به رقصهاي مداري ميشوند .

امروزه نظريات ابر ريسماني كه قطعات اساسي سازنده ماده را به عنوان ظهور چهار بعدي تكه هاي كوچكي از ريسمان ارتعاش كننده در نظر ميگيرند ، به ده بعد نياز دارد .

معمولاً بيان ميشود كه شش بعد اضافي ، با شعاع انحنائي معادل1035 متر در هم پيچيده شده اند اين مقدار به عنوان طول « پلانك» ناميده ميشود مقياسي كه در آن گرانش از لحاظ قدرت باساير نيروهاي طبيعت قابل مقايسه ميشود اصل عدم قطعيت كه يكي ار اجزاي اصلي نظريه كوانتوم است ، ميگويد كه هر چه مقياسي را كع ميخواهيد كاوش كنيد كوچكتر باشد ، به انرژي بيشتري نياز خواهيد داشت بنابراين مقياس بسيار كوچك پلانك با انرژي عظيمي معادل 1019 گيگا الكترون ولت (GeV ) مرتبط است . اين انرژي تنها در خلال اولين كسر تأييد انفجار بزرگ در دسترس ذرات قرار داشت و مقدار آن 100 تريليون برابر بالاترين انرژي هايي است كه امروزه در شتابدهنده هاي ذرات ميتوان به آن دست يافت .

بنابراين هيچ تعجبي ندارد كه تا قبل از اين بعد پنجم تنها به عنوان يك كنجكاوي ذهني در نظر گرفته ميشد .

موضوعي كه همه چيز را دستخوش تغيير كرده است ، فهميدن اين مسئله است كه نيازي نيست ابعاد اضافي در اندازه اي به كوچكي طول يك پلانك در هم پيچيده شده باشند كيت دنيس از آزمايشگاه فيزيك ذره اي سرن ميگويد :هيچ دليل قابل قبولي در اين مورد وجود نداشت ، جز اينكه طول پلانك يك مقياس فيزيكي طبيعي است اگر ابعاد اضافي بزرگتر از ابعاد پلانك باشند در اين صورت اثرات آنها در انرژي كمتري (كه حتي ممكن است انرژي كمي معدلGeV 1000 باشد) توسط ذرات قابل احساس خواهد بود . و اين چيزي است كه توسط تصادم دهنده هادرون به آساني قابل دسترسي خواهد بود .

اين نظر كه ممكن ا ست ابعاد اضافي در طولهايي بسيار بزرگتر از مقياس پلانك ظهور كنند اولين بار توسط ايگناتيوس آنتونيادليس ار دانشكه فني پاريس مطرح شد . در سال 1990 او سعي ميكرد كه يك مسله پيچيده در مسئله ابر آسماني را حل كند ، و متوجه شد كه مسئله را مي توان با ابعاد اضافي بزرگي كه دقيقاً‌چنين ويژگي هائي را دارا بودند حل كرد . با اين حال او به مشكل جديدي برخورد كرد ابعاد بيشتر به طور خودكار ذرات جديدي را به وجود مي آورند و اين ذرات اثرات مشكل برانگيزي دارند . ذرات جديد به اين دليل به وجود مي آيند كه تمامي ذرات اصلي ميتوانند شبيه موج نيز رفتار كنند تصور اين مسئله مشكل است اما هنگامي كه يك ذره اساسي در ابعاد بالاتر حركت مي كند مؤلفخ موج مانند آن به حركت در اطراف آن در بعد بالاتر مي پردازند و توليد يك مجموعه «پژواك» ميكند اين پژواكها كه حالات كالوسا -كلاين ناميده ميشوند براي ما به عنوان ذرات كاملاً‌جديد به نظر خواهند رسيد به عنوان مثال بوزون كه يكي از حمل كنندگان نيروي هسته اي ضعيف است داراي مجموعه كاملي از خويشاوندان بزرگتر است كه در تصادمهاي پرانرژي موجوديت خواهند يافت.

مسئله اي كه آنتونياديس با آن برخورد كرد مبدأ تلاشهاي دانشمندان براي يافتن بك «‌نظريه بزرگ واحد»‌ (GUT ) گرديد چنين نظريه اي بايد توضيح دهد كه چگونه نيروهاي ضعيف ،قوي و الكترومغناطيسي، همچنان كه جهان اوليه سرد ميشد از حل يك نيروي واحد تنها بيرون آمدند و از هم جدا شدند و برعكس چگونه در انرژي هاي بسيار زياد اين سه نيرو مجدداً‌ يكي ميشوند طبق اين نظريه با افزايش انرژي نيروهاي الكترومغناطيسي و ضعيف ، قويتر و نيروي قوي ضعيفتر ميشود آنها در انرژي حدودGeV 1016 تبديل به يك نيروي واحد ميشوند متأسفانه ظهور گروه هايي از ذرات جديد حامل بعد نيرو از دل بعد پنجم نيروهاي ضعيف الكتريكي و قوي را قويتر را قويتر از آنچه كه انتظار ميرود ميسازد و اغلب فيزيكدانان از جمله آنتونياديس گمان ميكنند كه آنها آنقدر قوي خواهند شد كه نمي توان شيوه هاي مرشوم رياضي را در موردشان بكار برد .

كواركهاي آزاد به نظر ميرسد كه اين مسئله مانع بزرگي بر سر راه باشد ، دنيس ميگويد: اين چيزي بيشتر از يك مشكل رياضي است نيروها آنقدر قوي خواهند شد كه كل روش نظري براي اتحاد نيرو ها را نا معتبر ميكند اين همانند آن است كه بخواهيم كواركها را هنگامي كه نيروهاي بين آنها آنقدر قو ي است كه وجود كواركهاي آزاد را امكان پذير ميسازد به عنوان ذرات آزاد در نظر بگيريم .

آنتونياديس با خنثي كردن اثرات پژواكهاي KK راهي را براي حل مسئله و در نتيجه حفظ اتحاد در انرژي GeV 1016 پيدا كرد اما در اوايل سال 98 براي دنيس و دو نفر از همكارانش در سرن به نامهاي ايمليان دوداس و توني كركتا اين سؤال پيش خواهد آمد كه چه روي خواهد داد اگر به پژواكهاي KK اجازه داده شود تا در قدرت نيروهاي ضعيف الكتريكي و قوي دستكاري كنند . اين سه نفر خيلي خود ه اين نتيجه رسيدند كه بعضي از نيروها خيلي زود قوي ميشوند اما در كمال تعجب دريافتند كه نيروها هنوز يكي «متحد»‌ شوند علاوه بر اين اتحاد هنگامي روي داد كه نيروها هنوز ضعيفتر از آن بودند كه بتوان شيوه هاي مرسوم رياضي را در مورد آنها بكار بود دنيس مي گويد : بر خلاف تصور همه اتحاد در انرژي كمتر از GeV 1016 امكان پذير است در حقيقت اگر ابعاد اضافي در طولي معادل m 1019 متر در هم پيچيده شده باشند انرژي اتحاد مي تواند مقداري برابر GeV 1000 داشته باشد .

محققان از اين موضوع شگفت زده شدند زيرا گمان ميرفت كه اتحاد در چنين انرژي كمي غير ممكن است يكي از دلايل براي اين موضوع واپاشي پروتون بود اگرچه نظريه هاي GUT پيش بيني ميكنند كه پروتون ها بايد واپاشيده شوند اما اين واپاشي هرگز مشاهده نشده است توضيح معمول براي اين مسئله اين بود كه واپاشي شامل يك ذره حامل نيروي GUT است اين ذره آنقدر سنگين است كه تا كنون شناخته نشده است اما اگر مقياس GUT از GeV 1016 پائين تر آورده شود حاملين نيروي GUT نسبتاً ‌سبكتر خواهند شد و بنابراين شاهد واپاشي پروتون هاي بسياري خواهيم بود دنيس مي گويد : خوشبختانه يك بعد پنجم ما را نجات خواهد داد واپاشي پروتون بايد به حفظ اندازه حركت در 5 بعد بپردازد بنابراين خواص بعد پنجم را مي توان چنان انتخاب كرد كه بسياري از عواملي كه در فروپاشي پروتون دخالت دارند بقاي اندازه حركت در 5 بعد را نقض كنند و بدين ترتيب واپاشي پروتون روي ندهد .