بعد پنجم ماده

اکنون دسامبر ۲۰۰۵ است و تصادم دهنده عظیم هادرون ال اچ سی در سرن در نزدیکی ژنو اولین عملیات موفقیت آمیز خود را به پایان رسانده است در اتاق فرمان نیمه تاریکی در اعماق زمین, نمایشگر رایانه تصاویر رنگی دو رویداد ذوره ای از میلیلردها رویداد مشاهده شده توسط یکی از آشکارسازهای غول پیکر ال اچ سی را نشان میدهد

اکنون دسامبر ۲۰۰۵ است و تصادم دهنده عظیم هادرون (ال اچ سی) در سرن در نزدیکی ژنو اولین عملیات موفقیت آمیز خود را به پایان رسانده است . در اتاق فرمان نیمه تاریکی در اعماق زمین، نمایشگر رایانه تصاویر رنگی دو رویداد ذوره ای از میلیلردها رویداد مشاهده شده توسط یکی از آشکارسازهای غول پیکر ( ال اچ سی ) را نشان میدهد. این تصاویر برای فیزیکدانانی که دور آن جمع شده اند و طی هفته های گذشته به سختی مشغول کار بوده اند ، بسیار مهیج است آنها از خوشحالی فریاد میکشند ،زیرا بر صفحه نمایش امظای غیر قابل تردید بعد پنجم را میبینند .گروه بسیاری از فیزیکدانان بر این عقیده اند که چهار بعد چهان ما ( سه بعد مربوط به فضا و یک بعد مربوط به زمان) همانند نوک یک کوه یخ هستند که قسمت اعظم آن زیر آب قرار دارد. علاوه بر این میگویند ممکن است به زودی قادر به دیدن اثرات بعد پنجم باشند. حتی ممکن است بعد پنجم دست خود را در دور بعدی آزمایشهای شتاب دهنده، برای ما رو کند و این چشم اندازی است که دهان هر فیزیکدان ذره ای را آب خواهد انداخت ! اما این شور و شعف تنها به خاطر خود بعد پنجم نخواهد بود . زیرا چنین چیزی گامی بزرگ در پیشروی دراز مدت به سوی یک « نظریه همه چیز» خواهد بود .

نظریه ای که دانشمندان مدتها در جستجوی آن بودند و چهار نیروی اساسی فیزیک را با هم یکی خواهد کرد . کوردون کین ، نظریه پردازی از دانشگاه میشیگان ، میگوید: اگر بعد پنجم را کشف کنیم ، این مهمترین کشف پس از نظریه کوانتوم خواهد بود نظریه ای که دانشمندان مدتها در جستجوی آن بودند و چهار نیروی اساسی فیزیک را با هم یکی خواهد کرد .

اندیشه وجود بعد پنجم چیز جدیدی نیست و از کارهای انجام گرفته دو ریاضی دان‌ آلمانی به نام های تئودور-کالوتساو اسکار کلاین در دهه ۱۹۲۰ ناشی شده است ، با استفاده از کارهای انیشتین که نشان داده بود (گرانش از انحنای ساختار چهار بعدی فضا -زمان ناشی میشود ) این دو ریاضی دان که مستقل از یکدیگر کار میکردند در جستجوی این بودند که نشان دهند ممکن است نتوان نیروی الکترومغناطیسی توسط یک بعد پنجم به حساب آورد برای توضیح اینکه چرا هرگز اثرات بعد پنجم در انرژیها و فواصل عادی دیده شده است ، آنها فرض کردند که بعد پنجم به اندازه ای کوچکتر از یک اتم در هم پیچیده است در نظریه کالوتسل-کلاین(KK ) هر نقطه فضای عادی ، در واقع یک حلقه در این بعد پنجم میباشد . یک ذره باردار ( حتی اگر در فضای عادی بی حرکت باشد ) همانند موش در چرخ گردان دائماً به دور حلقه در حرکت خواهد بود آنچه ما بار الکتریکی مینامیم ، در واقع حرکت در این بعد مخفی میباشد . چند ارتباط قانع کننده بین این حرکت و نظریه کلاسیک الکترومغناطیس وجود دارد . به عنوان مثال ، اگر قانون نیوتن را که میگوید برای هر عمل در امتداد بعد در هم پیچیده یک عکس العمل وجود دارد را اعملا منید به قانون بقای بار الکتریکی خواهد رسید. کالوتسا و کلاین علی رغم موفقیتی که بدست‌آوردند نتوانستند تعریفی مه نیروی الکتومغناطیسی و گرانش را با هم در بر بگیرد ، ادامه دهنده دو نیروی اساسی دیگر در آن زمان کشف نشده بودند .

این دو نیرو عبارتند از نیروی ضعیف که روی کوارکها عمل میکنند تا «چاشی» آنها رامثلاً‌از یک کوارک بالا به یک کوارک پائین انتقال دهد . و نیروی قوی که چیزی را به نام بار «رنگی» کوارکها شناخته میشود ، تغییر میدهد . تا اینجا برای ساختن چهارچوبی که شامل همه این چهار نیرو باشد ، نسخه های جدید نظریه KK باید ابعاد بیشتری را در نظر بگیرد . خواص کوارکها مثل چاشنی و رنگ در حلقه های چند بعدی KK تبدیل به رقصهای مداری میشوند .

امروزه نظریات ابر ریسمانی که قطعات اساسی سازنده ماده را به عنوان ظهور چهار بعدی تکه های کوچکی از ریسمان ارتعاش کننده در نظر میگیرند ، به ده بعد نیاز دارد .

معمولاً بیان میشود که شش بعد اضافی ، با شعاع انحنائی معادل۱۰۳۵ متر در هم پیچیده شده اند این مقدار به عنوان طول « پلانک» نامیده میشود مقیاسی که در آن گرانش از لحاظ قدرت باسایر نیروهای طبیعت قابل مقایسه میشود اصل عدم قطعیت که یکی ار اجزای اصلی نظریه کوانتوم است ، میگوید که هر چه مقیاسی را کع میخواهید کاوش کنید کوچکتر باشد ، به انرژی بیشتری نیاز خواهید داشت بنابراین مقیاس بسیار کوچک پلانک با انرژی عظیمی معادل ۱۰۱۹ گیگا الکترون ولت (GeV ) مرتبط است . این انرژی تنها در خلال اولین کسر تأیید انفجار بزرگ در دسترس ذرات قرار داشت و مقدار آن ۱۰۰ تریلیون برابر بالاترین انرژی هایی است که امروزه در شتابدهنده های ذرات میتوان به آن دست یافت .

بنابراین هیچ تعجبی ندارد که تا قبل از این بعد پنجم تنها به عنوان یک کنجکاوی ذهنی در نظر گرفته میشد .

موضوعی که همه چیز را دستخوش تغییر کرده است ، فهمیدن این مسئله است که نیازی نیست ابعاد اضافی در اندازه ای به کوچکی طول یک پلانک در هم پیچیده شده باشند کیت دنیس از آزمایشگاه فیزیک ذره ای سرن میگوید :هیچ دلیل قابل قبولی در این مورد وجود نداشت ، جز اینکه طول پلانک یک مقیاس فیزیکی طبیعی است اگر ابعاد اضافی بزرگتر از ابعاد پلانک باشند در این صورت اثرات آنها در انرژی کمتری (که حتی ممکن است انرژی کمی معدلGeV ۱۰۰۰ باشد) توسط ذرات قابل احساس خواهد بود . و این چیزی است که توسط تصادم دهنده هادرون به آسانی قابل دسترسی خواهد بود .

این نظر که ممکن ا ست ابعاد اضافی در طولهایی بسیار بزرگتر از مقیاس پلانک ظهور کنند اولین بار توسط ایگناتیوس آنتونیادلیس ار دانشکه فنی پاریس مطرح شد . در سال ۱۹۹۰ او سعی میکرد که یک مسله پیچیده در مسئله ابر آسمانی را حل کند ، و متوجه شد که مسئله را می توان با ابعاد اضافی بزرگی که دقیقاً‌چنین ویژگی هائی را دارا بودند حل کرد . با این حال او به مشکل جدیدی برخورد کرد ابعاد بیشتر به طور خودکار ذرات جدیدی را به وجود می آورند و این ذرات اثرات مشکل برانگیزی دارند . ذرات جدید به این دلیل به وجود می آیند که تمامی ذرات اصلی میتوانند شبیه موج نیز رفتار کنند تصور این مسئله مشکل است اما هنگامی که یک ذره اساسی در ابعاد بالاتر حرکت می کند مؤلفخ موج مانند آن به حرکت در اطراف آن در بعد بالاتر می پردازند و تولید یک مجموعه «پژواک» میکند این پژواکها که حالات کالوسا -کلاین نامیده میشوند برای ما به عنوان ذرات کاملاً‌جدید به نظر خواهند رسید به عنوان مثال بوزون که یکی از حمل کنندگان نیروی هسته ای ضعیف است دارای مجموعه کاملی از خویشاوندان بزرگتر است که در تصادمهای پرانرژی موجودیت خواهند یافت.

مسئله ای که آنتونیادیس با آن برخورد کرد مبدأ تلاشهای دانشمندان برای یافتن بک «‌نظریه بزرگ واحد»‌ (GUT ) گردید چنین نظریه ای باید توضیح دهد که چگونه نیروهای ضعیف ،قوی و الکترومغناطیسی، همچنان که جهان اولیه سرد میشد از حل یک نیروی واحد تنها بیرون آمدند و از هم جدا شدند و برعکس چگونه در انرژی های بسیار زیاد این سه نیرو مجدداً‌ یکی میشوند طبق این نظریه با افزایش انرژی نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف ، قویتر و نیروی قوی ضعیفتر میشود آنها در انرژی حدودGeV ۱۰۱۶ تبدیل به یک نیروی واحد میشوند متأسفانه ظهور گروه هایی از ذرات جدید حامل بعد نیرو از دل بعد پنجم نیروهای ضعیف الکتریکی و قوی را قویتر را قویتر از آنچه که انتظار میرود میسازد و اغلب فیزیکدانان از جمله آنتونیادیس گمان میکنند که آنها آنقدر قوی خواهند شد که نمی توان شیوه های مرشوم ریاضی را در موردشان بکار برد .

کوارکهای آزاد به نظر میرسد که این مسئله مانع بزرگی بر سر راه باشد ، دنیس میگوید: این چیزی بیشتر از یک مشکل ریاضی است نیروها آنقدر قوی خواهند شد که کل روش نظری برای اتحاد نیرو ها را نا معتبر میکند این همانند آن است که بخواهیم کوارکها را هنگامی که نیروهای بین آنها آنقدر قو ی است که وجود کوارکهای آزاد را امکان پذیر میسازد به عنوان ذرات آزاد در نظر بگیریم .

آنتونیادیس با خنثی کردن اثرات پژواکهای KK راهی را برای حل مسئله و در نتیجه حفظ اتحاد در انرژی GeV ۱۰۱۶ پیدا کرد اما در اوایل سال ۹۸ برای دنیس و دو نفر از همکارانش در سرن به نامهای ایملیان دوداس و تونی کرکتا این سؤال پیش خواهد آمد که چه روی خواهد داد اگر به پژواکهای KK اجازه داده شود تا در قدرت نیروهای ضعیف الکتریکی و قوی دستکاری کنند . این سه نفر خیلی خود ه این نتیجه رسیدند که بعضی از نیروها خیلی زود قوی میشوند اما در کمال تعجب دریافتند که نیروها هنوز یکی «متحد»‌ شوند علاوه بر این اتحاد هنگامی روی داد که نیروها هنوز ضعیفتر از آن بودند که بتوان شیوه های مرسوم ریاضی را در مورد آنها بکار بود دنیس می گوید : بر خلاف تصور همه اتحاد در انرژی کمتر از GeV ۱۰۱۶ امکان پذیر است در حقیقت اگر ابعاد اضافی در طولی معادل m ۱۰۱۹ متر در هم پیچیده شده باشند انرژی اتحاد می تواند مقداری برابر GeV ۱۰۰۰ داشته باشد .

محققان از این موضوع شگفت زده شدند زیرا گمان میرفت که اتحاد در چنین انرژی کمی غیر ممکن است یکی از دلایل برای این موضوع واپاشی پروتون بود اگرچه نظریه های GUT پیش بینی میکنند که پروتون ها باید واپاشیده شوند اما این واپاشی هرگز مشاهده نشده است توضیح معمول برای این مسئله این بود که واپاشی شامل یک ذره حامل نیروی GUT است این ذره آنقدر سنگین است که تا کنون شناخته نشده است اما اگر مقیاس GUT از GeV ۱۰۱۶ پائین تر آورده شود حاملین نیروی GUT نسبتاً ‌سبکتر خواهند شد و بنابراین شاهد واپاشی پروتون های بسیاری خواهیم بود دنیس می گوید : خوشبختانه یک بعد پنجم ما را نجات خواهد داد واپاشی پروتون باید به حفظ اندازه حرکت در ۵ بعد بپردازد بنابراین خواص بعد پنجم را می توان چنان انتخاب کرد که بسیاری از عواملی که در فروپاشی پروتون دخالت دارند بقای اندازه حرکت در ۵ بعد را نقض کنند و بدین ترتیب واپاشی پروتون روی ندهد .