نیما ارکانیحامد، یکی از برجستهترین فیزیکدانهای نظری جهان، با نگاهی عمیق به ساختارهای بنیادی فیزیک، تحول بزرگی را در درک انسان از طبیعت ایجاد کرد. این فیزیکدان ایرانی-آمریکایی-کانادایی پژوهشهای بسیاری در زمینههای مختلفی مانند فیزیک انرژیهای بالا، نظریهی میدانهای کوانتومی، نظریهی ریسمان و کیهانشناسی انجام داده است.
ارکانیحامد نهتنها در آمریکا بهعنوان هیئت علمی دائمی مؤسسهی مطالعات پیشرفته در پرینستون، نیوجرسی فعالیت دارد، بلکه در چین نیز فعالیتهای علمی گستردهای انجام میدهد. در این مطلب، پس از خواندن سرگذشت این فیزیکدان برجسته، با مهمترین دستاوردهای علمی او در زمینهی فیزیک کوانتوم و فیزیک ذرات بنیادی آشنا میشویم.
از ایران تا کانادا؛ مهاجرتی که سرنوشت یک نابغه را رقم زد
نیما ارکانیحامد در پنجم آوریل سال ۱۹۷۲ میلادی در خانوادهای تحصیلکرده چشم بهجهان گشود. پدر و مادر او، جعفر ارکانیحامد و حمیده الستی، از فیزیکدانهای برجستهی ایرانی بودند. پدرِ حامد که اصالتاً تهرانی بود، در دههی ۷۰ میلادی در برنامهی فضایی آپولو در آمریکا کار میکرد. او پس از بازگشت به ایران، رییس دانشکدهی فیزیکِ دانشگاه صنعتی شریف شد و سالها بعد کار خود را بهعنوان استاد در دانشگاه مکگیل در شهر مونترال کانادا ادامه داد.
نیما در شهر هیوستون آمریکا متولد شد و سالهای کودکی خود را در رفتوآمد بین ایران و آمریکا گذراند. یکی از بهترین خاطرات دوران کودکی این فیزیکدان، همراهی او با پدرش در کوهنوردیهای آخر هفته در تهران است که زمینهساز شکلگیری علاقهی او به طبیعت بود.
خانوادهی نیما در سال ۱۹۷۹ میلادی (۱۳۵۷ شمسی) برای ادامهی زندگی به ایران بازگشتند، اما با وقوع انقلاب فرهنگی و تعطیلی دانشگاهها، پدر نیما که در آن زمان استادِ دانشکدهی فیزیک دانشگاه صنعتی شریف بود، مجبور شد همراه با خانواده، خاک ایران را به مقصد کانادا ترک کند. نیمای ۱۰ ساله پس از ورود به خاک کانادا زندگی کاملاً متفاوتی را آغاز کرد.
جهانی فراتر از تصور
نیما پس از اتمام دبیرستان در کانادا، تحصیلات دانشگاهی خود را در دانشگاه تورنتو آغاز و در سال ۱۹۹۳ میلادی مدرک کارشناسی مشترک را در رشتههای ریاضی و فیزیک نظری از این دانشگاه دریافت کرد. علاقهی بیپایانش به فیزیک، او را برای ادامهی تحصیل به دانشگاه کالیفرنیا، برکلی کشاند. نیما در برکلی، تحت نظارت استاد راهنمای خود لارنس هال (Lawrence Hall) به پژوهش روی مباحث پیچیدهای مانند ابرتقارن و فیزیک ذرات بنیادی پرداخت.
نیما در سال ۱۹۹۷ از پایاننامهی دکترای خود با عنوان «ابرتقارن و سلسله مراتب» دفاع کرد. او در پایاننامهاش بهدنبال یافتن پاسخی برای یکی از اساسیترین پرسشهای فیزیک ذرات بنیادی بود: چگونه میتوانیم از ابرتقارن بهعنوان ابزاری برای توضیح تفاوتهای بزرگ بین مقیاسهای انرژی در جهان هستی استفاده کنیم؟
جهان را میتوانیم به شکل یک پازل تصور کنیم که ذرات بنیادی، تکههای مختلف این پازل هستند. فیزیکدانها برای کامل کردن پازل جهان باید به پرسشهای بسیاری مانند اینکه «چرا برخی نیروها در طبیعت بهمراتب قویتر از نیروهای دیگر هستند؟» پاسخ دهند. بهعنوان مثال، نیروی گرانش بسیار ضعیفتر از نیروی الکترومغناطیسی است و فیزیکدانها بهدنبال چرایی آن هستند. به این اختلاف قدرت بین نیروها «سلسه مراتب» میگوییم.
نیما در پایاننامهی دکترای خود بهدنبال آن بود که بفهمد چرا برخی نیروها در طبیعت بزرگتر از نیروهای دیگر هستند
نظریهای که میتواند این تفاوت را توضیح دهد، ابرتقارن نام دارد. برطبق این نظریه، هر ذرهی بنیادی (مانند الکترون یا کوارکها) یک جفت ابرتقارنی دارد که بسیاری از ویژگیهای آن، بهجز برخی خواص مانند جرم، مشابه ذرهی بنیادی است. ابرتقارن میتواند برخی از ویژگیهای مرموز ماده را در سطح بنیادی توضیح دهد، بههمیندلیل بسیاری از فیزیکدانها علاقهمند به پژوهش در این زمینه هستند.
نیما در پایاننامهی دکترای خود بهدنبال پاسخِ این پرسش بود که آیا نظریهی ابرتقارن میتواند به چرایی تفاوتِ بزرگ بین نیروها پاسخ دهد. ارکانیحامد پس از اتمام مقطع دکتری در سال ۱۹۹۷ و دفاع از پایاننامه، بهعنوان پژوهشگر پسادکتری به گروه نظری SLAC در دانشگاه استنفورد پیوست.
در این دوران، نیما بههمراه همکارانش، ایدهی نوآورانهی «ابعاد اضافی بزرگ» (Large Extra Dimension) را مطرح کرد. این نظریه یکی از ایدههای انقلابی در فیزیک ذرات است که پیشنهاد میدهد ابعاد فضایی دیگری وجود دارند که ما آنها را نمیبینیم، اما اثرات آنها میتوانند در سطح میکروسکوپی و در انرژیهای بالا ظاهر شوند. ابعاد اضافی میتوانند بهعنوان ابزاری برای توضیح برخی از اسرار حلنشده در فیزیک ذرات، مانند مسئلهی سلسله مراتب، مورد استفاده قرار گیرند.
نیما پس از گذراندن دورهی پسادکتری، در سال ۱۹۹۹ به جمع اساتیدِ دانشگاه کالیفرنیا، برکلی پیوست. این فیزیکدان برجسته برای ادامهی فعالیتهای پژوهشی خود به دانشگاه هاروارد رفت و از سال ۲۰۰۲ تا ۲۰۰۸ در این دانشگاه بهعنوان استاد، به تدریسِ دروس مختلف فیزیک پرداخت. سرانجام، نیما در سال ۲۰۰۸ به مؤسسهی مطالعات پیشرفته در پرینستون رفت و در آنجا ماندگار شد.
در سالهای اخیر، ارکانیحامد و همکارانش در زمینهی آمپلیتوهدرون (Amplituhedron) یا دامنهچندوجهی کار میکنند؛ مفهومی که توسط او و همکارش یاروسلاو ترانکا در سال ۲۰۱۳ مطرح شد.
ارکانیحامد در تلاش است تا با استفاده از این ساختار هندسی، محاسبات پیچیدهی برخورد ذرات را در نظریههای کوانتومی سادهسازی کند. در حالت کلی، محاسباتِ مربوط به برخورد و برهمکنش ذرات بنیادی با یکدیگر، بسیار پیچیده و سرشار از فرمولهای طولانی است.
آمپلیتوهدرون همانند یک میانبر هندسی به فیزیکدانها اجازه میدهد تا با روشی سادهتر و سریعتر، برهمکنشهای بین ذرات بنیادی را حل کنند.در واقع، این شکل هندسی بهجای محاسبه تمامی نمودارهای فراینمن، ساختاری سادهتر و کارآمدتر را برای محاسبه احتمال برهمکنشها در نظریه میدان کوانتومی پیشنهاد میدهد.
از سال ۲۰۲۱، نیما مسئولیت برنامهی نوآوری بینرشتهای کارل پی. فاینبرگ را در مؤسسهی مطالعات پیشرفته برعهده گرفته که با هدف ترویج پژوهشهای نوآورانه و بینرشتهای در حوزههای مختلف علمی راهاندازی شده است.
افتخاراتی به پاس یک عمر پژوهش؛ جوایز و نشانهای افتخار نیما ارکانیحامد
نیما ارکانیحامد در طول سالها پژوهش و تدریس، جوایز متعددی را دریافت کرده است. مدال گریبوف در سال ۲۰۰۳ بهدلیل دستاوردهای برجستهاش در حوزهی فیزیک ذرات بنیادی به او اهدا شد. در سال ۲۰۰۵ مهارت خارقالعادهاش در تدریس، جایزهی فی بتا کاپا را دریافت کرد. دریافت این جایزه نشان میدهد، نیما نهتنها در پژوهش، بلکه در انتقال دانش نیز موفق بوده است.
از آنجا که نیما در سالهای ابتدایی فعالیت خود، دستاوردهای برجستهای کسب کرد، جایزهی ریموند و بیورلی ساکلر در سال ۲۰۰۸ به او اهدا شد. همچنین، عضویت در آکادمی هنر و علومِ آمریکا، جایگاه بالای او را در جامعهی علمی آمریکا نشان میدهد. جایزهی پیشرفت در فیزیک ذرات بنیادی، یکی از معتبرترین جایزهها در حوزهی فیزیک است که در سال ۲۰۱۲ به ارکانیحامد اهدا شد.
نیما ارکانیحامد در طول دوران حرفهای خود جوایز و افتخارات بسیاری را کسب کرده که نشاندهندهی اهمیت کارهای او در حوزهی فیزیک نظری و تأثیرگذاری او بر جامعهی علمی است. در ادامه، دستاوردهای او را با جزئیات بیشتری بررسی میکنیم.
آیا فضازمان به پایان رسیده است؟ چالش جدید در فیزیک
مفهوم فضازمان ساختاری را توصیف میکند که همهچیز در آن رخ میدهد. اما اگر حق با نیما ارکانیحامد باشد و فضازمان به پایان رسیده باشد، شاید باید درکمان از جهان هستی را بازبینی کنیم. این ادعای جسورانه، نهتنها برای فیزیکدانان، بلکه برای برای تمام علاقهمندان به اسرار کیهان، بسیار مهم است.
فضازمان چیست؟
اگر کسی از شما موقعیت دقیق مکانیتان را بپرسد، سراغ مقدارهای x و y و z میروید. تمام افراد برای بیان موقعیت خود یا هر جسم، از این مختصات به نام مختصات سهبعدی فضایی استفاده میکنند.
حال اگر بعد چهارمی بهنام زمان را به این مختصات سهبعدی اضافه کنیم، چه اتفاقی رخ میدهد؟ مفهوم فضازمان از این ایده میآید. زمان، مفهوم بسیار پیچیدهای است و مستقل از هر چیزی در جهان، پیش میرود. فرقی ندارد در تهران باشید یا در پاریس، زمان با آهنگ یکسانی به جلو حرکت میکند. فیزیک کلاسیک چنین دیدگاهی نسبت به زمان دارد، اما این تعریف محدودیتهایی دارد و باید بدانیم پدیدههایی وجود دارند که فیزیک کلاسیک قادر به توصیف آنها نیست. اینجا همان جایی است که فیزیک کوانتوم و نسبیت پا به میدان میگذارد.
آیا ابعادی فراتر فضا زمان وجود دارند؟
آلبرت اینشتین و ماکس پلانک پایهگذاران این شاخه از فیزیک هستند. اینشتین در سال ۱۹۰۵ عنوان کرد که سرعت نور مستقل از حرکت ناظر است و فضا و زمان مستقل از هم نیستند و به شکل یک ساختار واحد و پیوسته بهنام فضازمان با هم ترکیب شدهاند. این نظریه را بهعنوان نظریه نسبیت خاص میشناسیم.
طبق نظریهی نسبیت خاص، زمان دیگر کمیتی مستقل نیست و با تغییر مکان جسم، تغییر میکند. دلیل این موضوع به مفهوم فضا زمان و درهمتنیدگی آنها با یکدیگر مربوط میشود. بنابراین، اگر بتوانیم با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کنیم، گذر زمان را کندتر احساس خواهیم کرد. اینشتین، در ادامه اثر جرم را بر فضازمان بررسی و مفهوم گرانش را بازنگری کرد. به این ترتیب، نسبیت عام در سال ۱۹۱۵ و ۱۰ سال پس از نسبیت خاص، به جامعهی فیزیک معرفی شد.
آیزاک نیوتن گرانش را بهصورت نیروی جاذبه بین دو جسم با جرمهای مشخص و بدون توجه به مقدار جرم آنها، تعریف کرد. اما گرانش در نسبیت عام، مفهوم کاملاً متفاوتی دارد. فضازمان در نزدیکی هر جسمی (مانند زمین) با جرم مشخص، خمیده میشود و مقدار این خمیدگی با جرم جسم، رابطهی مستقیم دارد. حال، هر جسم دیگری با قرار گرفتن در این خمیدگی، به سمت جسم اول (زمین) کشیده میشود.
این حالت را میتوانیم مشابه قرار گرفتنِ سنگی به جرم m در مرکز پارچهای کشیده در نظر بگیریم. سنگ با قرار گرفتن در مرکز پارچه، آن را خمیده میکند. حال هر جسم دیگری را روی پارچه قرار دهیم، بهدلیل خمیدگی ایجاد شده، بهسمت سنگ حرکت خواهد کرد. آیا فیزیکدانها بهکمک فضا زمان میتوانند هر آنچه در کیهان رخ میدهد را توضیح دهند؟ پاسخ اردکانیحامد و همکارانش به این پرسش منفی است.
یک قدم نزدیکتر به نظریهی همه چیز
در علم فیزیک، صحبت از پایان فضازمان، شاید در نگاه نخست، هیجانانگیز و حتی جنونآمیز به نظر برسد، اما در حقیقت این مفهوم چندان اغراقآمیز نیست.
ما امروز در نقطهای از فیزیک بنیادی قرار داریم که هر چند قرن یک بار اتفاق میافتد؛ نقطهای که میتواند نگاه ما به جهان را عمیقا دگرگون کند.
– نیما ارکانیحامد
مفاهیم فیزیکی که تاکنون برای توصیف دنیای اطرافمان استفاده کردهایم، بسیار موفق بودهاند و رفتار کوچکترین ذرات زیراتمی تا دورترین کهکشانها را توضیح دادهاند. فیزیکدانها به کمک همین مفاهیم توانستهاند رفتار ذراتی را در برخورددهندههای بزرگی مانند هادرون بررسی کنند که هزاران برابر از هستهی اتم کوچکتر هستند و همزمان، رازهایی را دربارهی کل کیهان که میلیاردها سال نوری وسعت دارد، کشف کنند. اما اکنون به جایی رسیدهایم که این اصول شاید دیگر کافی نباشند و ممکن است نیاز به بازتعریفی اساسی از مفاهیم بنیادین، مانند فضا و زمان، داشته باشیم.
فضازمان محکوم به پایان است.
– نیما ارکانیحامد
نیما با توضیح یک آزمایش ذهنی نشان میدهد که چرا ترکیب گرانش و مکانیک کوانتومی میتواند مفهوم فضازمان را از پایه متزلزل کند. فرض کنید ذرهبینی داریم و بهکمک آن میخواهیم بخش بسیار کوچکی از فضازمان را نگاه و بررسی کنیم. برطبق فیزیک کوانتوم و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، برای دیدن جزئیات کوچکتر، باید از نوری با طول موج بسیار کوتاه استفاده کنیم. طول موج کوتاهتر، به معنای فرکانس و درنتیجه انرژی بیشتر است. بنابراین، برای بررسی کوچکترین مقیاسها، به انرژیهای فوقالعاده بالایی نیاز داریم.
به همین دلیل، برای مطالعهی کوچکترین ابعاد، باید از ابزارهای عظیمی مانند برخورددهندهی بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider) استفاده کنیم که دستگاهی با طول ۲۷ کیلومتر است. با ورود گرانش به این آزمایش فکری، مشکل جدیدی بهوجود میآید. برطبق رابطهی معروف اینشتین، E=mc^2، جرم و انرژی معادل یکدیگر هستند. بنابراین، تمرکز انرژی در فضایی بسیار کوچک، معادل قرار دادن جرمی بسیار زیاد و تشکیل سیاهچاله در آن فضا است. با وقوع چنین اتفاقی، اطلاعات و انرژی موجود در این فضا دیگر قابل دسترس نیست و به داخل سیاهچاله فرو میرود.
ابعاد ذکرشده در این آزمایش فکری، یعنی ۱۰ به توان منفی ۳۳ سانتیمتر و ۱۰ به توان منفی ۴۳ ثانیه، بهمراتب کوچکتر از ابعاد اتمی و حتی فراتر از محدودهی قابل دسترس برخورددهندههای ذرات کنونی هستند. این مقیاسها بهقدری ریز هستند که امکان آزمایش مستقیم آنها به نظر نمیرسد.
– نیما ارکانیحامد
در شرایطِ خاص، مانند نزدیکِ سیاهچاله یا در ابتدای جهان (بیگ بنگ)، فیزیک کوانتوم و گرانش بهشدت قوی میشوند و هر دو بهطور همزمان تأثیرگذار هستند. در این شرایط، نظریههای موجود مثل نسبیت عام و مکانیک کوانتومی، دیگر نمیتوانند رفتار طبیعت را بهدرستی پیشبینی کنند.
حدود ۲۰ سال قبل، نظٰریهپردازان تئوری ریسمان، ایدهی جالبی را مطرح کردند؛ شاید فضا زمان از اجزای بنیادیتر و سادهتری ساخته شده باشد که خودشان مستقیماً فضا زمان را تشکیل نمیدهند. بهبیان دیگر، فضا زمان از اجزای اولیهای ساخته شدهاند که بهخودیخود فضای مستقلی ندارند، اما پس از قرار گرفتن در کنار هم، فضا زمان را میسازند.
برای درک بهتر این مفهوم فرض کنید کل جهان درون یک جعبه است که داخل آن فضایی با هندسهی خاص و غیرمعمول بهنام فضای پا-دوسیتری (Anti-de Sitter Space) وجود دارد. این فضا، بهدلیل انحنای زیاد، ویژگیهای عجیبی دارد که در حالت عادی در فضا زمانِ ما دیده نمیشود. انحنای این فضا منفی است، یعنی در آن خطوط موازی بهجای دور شدن از هم، به هم نزدیک میشوند. این نوع فضا با جهان ما با انحنای نزدیک به صفر یا مثبت، بسیار متفاوت است.
برهمکنشهای ذرات بنیادی در هندسهی پاد دوسیتری شکل متفاوتی پیدا میکنند، زیرا خواص این فضا با هندسهی تخت یا با انحنای مثبت (مثل جهان ما) متفاوت است.
– نیما ارکانیحامد
هندسهی پنهان کیهان: کشف ساختارهای جدید در فیزیک ذرات
نیما معتقد است که مدل فعلی فیزیک و تعریفی که از فضازمان وجود دارد، بهسختی میتواند لحظهی آغاز جهان را توضیح دهد، زیرا بهاحتمال زیاد، فضای سهبعدی و زمان به شکل کنونی، وجود نداشتهاند. براساس یافتههای این فیزیکدان، درک کنونی ما از ذرات کوانتومی در فضازمان، تقریبی است و مفاهیم عمیقتر و انتزاعیتری وجود دارند. فیزیکدانها با یافتن این مفاهیمِ عمیقتر میتوانند زبان بهتری برای درک کوانتوم، گرانش کوانتومی و منشأ جهان ارائه دهند.
در سال ۲۰۱۳، نیما بههمراهی یکی از دانشجویانش، ساختار هندسی به شکل جواهر و بهنام آمـپلیتوهدرون کشف کردند که میتوانست نتیجهی برخی برهمکنشهای ذرات را پیشبینی کند. اما یک مشکل وجود داشت؛ آمپلیتوهدرون ربطی به ذرات دنیای واقعی نداشت، در نتیجه نیما و همکارانش پژوهش خود را تا یافتن ساختارهایی که به ذرات واقعی مرتبط باشند، ادامه دادند. سرانجام در سال ۲۰۲۲، کارولینا فیگوئیدو (Carolina Figueiredo) به نمونهی دیگری از یک ساختار هندسی انتزاعی رسید که بهنظر اساس فیزیک ذرات را تشکیل میدهد.
در روشهای سنتی، برای پیشبینیِ حرکت و برخوردهای ذراتِ بنیادی در فضا زمان، از نمودارهای فاینمن استفاده میکنند. این دیاگرامها نشاندهندهی مسیرها و برخوردهای احتمالی ذرات هستند که تبدیل به معادلات پیچیده با محاسبات بسیار دشوار میشوند.
روش هندسی جدید، به نام «سطحشناسی» (Surfaceology)، به فیزیکدانها اجازه میدهد بدون نیاز به دنبال کردن تمامِ مسیرهای احتمالیِ حرکت ذرات، به نتایج مشابه برسند، اما این کار را بهصورت سادهتر و مستقیمتر و بهکمک منحنیهایی روی سطوح، انجام میدهند. فیزیکدانها بهکمک این منحنیها میتوانند بدون انجام محاسبات پیچیدهی فضا زمانی به نتایج مشابهی برسند.
در برخورد و برهمکنش دو ذرهی کوانتومی با یکدیگر، هر چیزی ممکن است رخ دهد:
- دو ذره ممکن است با یکدیگر ترکیب شوند.
- به ذرات دیگر تبدیل شوند.
- از بین بروند.
- ترکیبی از موارد فوق رخ میدهد.
اما آنچه واقعاً رخ میدهد، مجموعهای از موارد فوق خواهد بود. نمودارهای فاینمن مشابه نقشههایی هستند که مسیر حرکت ذرات زیراتمی را در فضا زمان نشان میدهند. هر نقشه، یک راه ممکن را نشان میدهد و به ما میگوید که هر اتفاق با چه احتمالی رخ میدهد.
دانشمندان معتقد هستند که با ترکیب تمام این نقشهها میتوانیم چیزهای پیچیدهتری مثل سنگها، درختان و حتی خودمان را بسازیم. به عبارت سادهتر، هر چیزی در جهان از تکرار شدن این اتفاقات کوچک و ساده، ساخته شده است. این اتفاقات مثل تکههای پازل هستند که کنار هم قرار میگیرند تا یک تصویر بزرگ و کامل را بسازند.
فیگوئیدو و استادش ارکانیحامد با معرفی روش سطحشناسی، متوجه شباهتهایی بین نظریههای مختلف کوانتومی شدند؛ نظریههایی که در نگاه اول کاملاً متفاوت و مستقل از یکدیگر بهنظر میرسیدند. این شباهتها این فرضیه را در ذهن فیزیکدانها ایجاد کرد که شاید ساختاری پنهان وجود داشته باشد که تمام نظریههای فیزیکی بهظاهر متفاوت را بههم پیوند میدهد. این ساختار همانند یک چارچوب میتواند تمام قوانین بنیادی کوانتوم و برهمکنشهای زیراتمی را در خود جا دهد. بهزبان ساده، نظریههای مختلف کوانتومی که تاکنون مستقل تصور میشدند، ممکن است بخشهایی از ساختاری یکپارچه و عمیقتر باشند.
این کشف در فیزیک از اهمیت بسیار بالایی برخورد است، زیرا در صورت درستی آن، به نوعی از زبان هندسی دست مییابیم که میتواند تمام برهمکنشهای زیراتمی و قوانین بنیادی فیزیک را با استفاده از یک ساختار هندسی مشترک توضیح دهد. در این صورت، مسیر برای رسیدن به نظریهای جامع برای گرانش کوانتومی و منشأ جهان، هموار خواهد شد.
نیما ارکانیحامد، با نگاهی ژرف به عمق کیهان و به چالش کشیدن مفاهیم بنیادی فیزیک، نهتنها مرزهای دانش را گسترش داده، بلکه مسیری نوین را برای درک واقعیت پیش روی ما قرار داده است. سفر علمی او همچنان ادامه دارد و میتوان انتظار داشت که این فیزیکدان برجسته، با ارائهی نظریههای نوآورانهاش، به رسیدن به پاسخی برای پرسشهای اساسی دربارهی کیهان و درک عمیقتری از طبیعت، کمک کند.