فصل 9: مرزهای نسبیت

در فصل‌های پیشین، تاریخچه توسعه نظریه‌های خاص و عام نسبیت را پیگیری کرده‌ایم و بررسی کرده‌ایم که چه تأثیرات عمیقی بر فهم ما از فضا، زمان، جاذبه و کیهان به طور کلی داشته‌اند. این نظریه‌ها دنیای فیزیک را به شکل قابل تغییری برگردانده‌اند، جایگزین فضا و زمان مطلق مکانیک نیوتون با بافت فضایی-زمانی انعطاف‌پذیری شده است که به‌صورت پویا با ماده و انرژی تعامل دارد.

با این وجود، علی‌رغم موفقیت‌های بزرگ نسبیت، این نظریه نیست که کلمه‌ی نهایی را در تلاش‌مان برای درک کارکرد اصولی طبیعت می‌گوید. هنوز سوالات عمیقی وجود دارد که پاسخ نداده شده‌اند و مرزهایی که نظریه‌های فعلی ما به محدودیت‌های خود می‌رسند. در این فصل، به بررسی برخی از این مرزها می‌پردازیم و تمرکزمان را بر دستاوردهای برای اتحاد نسبیت عام با مکانیک کوانتومی، امکان ساختارهای فضای زمانی ناگونج و دستگاه‌های زمان، و مسائل بزرگ حل‌نشده‌ای که هنوز هم فیزیکدانان چالش‌برانگیز و الهام‌بخش در حال تلاش برای حل آنها هستند، معطوف می‌کنیم.

گرانش کوانتومی: اتحاد نسبیت و مکانیک کوانتومی

یکی از مهم‌ترین مسائل بی‌حلال در فیزیک نظری، تضاد موجود بین نسبیت عام و مکانیک کوانتومی است. این دو نظریه ستون‌های موازی فیزیک قرن 20 هستند و توصیفات نمایانگر قدرتمند و بسیار دقیقی از طبیعت در مقیاس‌های بزرگ و کوچک به‌ترتیب ارائه می‌دهند. نسبیت عام دنیای ماکروسکوپیکی از سیارات، ستاره‌ها و کهکشان‌ها را توصیف می‌کند، در حالی که مکانیک کوانتومی دنیای میکروسکوپیکی از اتم‌ها، ذرات و میدان‌ها را توصیف می‌کند.

اما وقتی سعی می‌کنیم این دو نظریه را در دامین‌هایی اعم از جذب گرانشی و اثرات کوانتومی مهم باشند مورد استفاده قرار دهیم، مانند ابتدایی‌ترین کیهان یا داخل سیاه‌چاله‌ها، با مشکلات مفهومی و ریاضی مواجه می‌شویم. فضای-زمان صاف و پیوستهٔ نسبیت عام به‌نظر ناسازگار با دنیای کوانتومی کوچک، گسسته و احتمالی است.

ریشه مشکل در این است که نسبیت عام یک نظریهٔ کلاسیکی است که فضای-زمان را به‌عنوان یک پیوستگی صاف و تعیین‌پذیر می‌شناسد، در حالی که مکانیک کوانتومی به‌طور ذاتی غیرکلاسیکی است و براساس توابع موج احتمالی و کوانتایی انرژی غیرکلاسیکی است. تلاش‌های برای کوانتایی کردن گرانش با استفاده از تکنیک‌های استاندارد نظریهٔ میدان کوانتومی به نتایج ناپذیر و غیرقابل بازسازی منجر شده است.

حل این کاستی و توسعهٔ یک نظریهٔ کوانتومی دربارهٔ گرانش یکی از جواهرات مقدس فیزیک نظری است. چنین نظریه‌ای نه تنها توصیفی واحد از تمامی نیروهای بنیادی طبیعت (زیرا گرانش در حال حاضر بیگانه است و در چارچوب کوانتومی که توصیفگرهای الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی را توصیف می‌کند، ناگنجیده است) ارائه خواهد داد، بلکه به سؤالات عمیق دربارهٔ طبیعت فضا، زمان و ماده در سطح بنیادی پاسخ خواهد داد.

چندین رویکرد در جستجوی گرانش کوانتومی پیگیری شده است، هرکدام با مجموعهٔ خود از ایده‌ها، تکنیک‌های ریاضی و پیامدهای فیزیکی. به‌طور خلاصه به بررسی برخی از رقابت‌کنندگان اصلی می‌پردازیم.

نظریهٔ رشته

یکی از رویکردهای برجسته و خوب‌توسعه شده دربارهٔ گرانش کوانتومی، نظریهٔ رشته است. ایدهٔ اساسی نظریهٔ رشته این است که سازوکارهای بنیادی جهان ذراتی با صفر بعد هستند، بلکه اشیاء بزرگ یک بعدی به نام رشته هستند. این رشته‌ها می‌توانند به‌صورت مختلف ویبره بزنند و هر حالت ارتعاشی با ذره‌ای متفاوت متناظر است (الکترون، کوارک، فوتون، و غیره).

یکی از جذابیت‌های بزرگ نظریهٔ رشته این است که به‌صورت خودکار گرانش را شامل می‌شود. یکی از حالت‌های ارتعاشی رشته با گرانتون، ذرهٔ کوانتومی فرضی که واسطه‌کنندهٔ نیروی گرانش است، متناظر است. از این رو، نظریهٔ رشته توصیف کوانتومی یکپارچه‌ای از تمامی نیروها و ذرات طبیعت ارائه می‌دهد.

با این حال، نظریهٔ رشته شرایط و چالش‌های خاص خود را دارد. برای سازگاری ریاضی، نظریهٔ رشته وجود بعدی فضایی اضافه به سه بُعدی که مشاهده می‌کنیم را نیاز دارد، به‌واقع، نظریه به تعداد 10 بُعد (9 بُعد فضایی به‌علاوه زمان) نیاز دارد. فضاهای اضافی اینگونه ذکر شده به نظر می‌رسد "متناهی" شده‌اند - به‌صورت نهشته در خود رشته در هر نقطه در فضا، به‌گونه‌ای تنیده شدند که در انرژی‌ها و مقیاس‌های طولی که هم‌اکنون می‌توانیم کم‌رنگ وارد کنیم، قابل مشاهده نیستند.

نظریهٔ رشته همچنین در چندین نسخه مختلف (نوع I، نوع IIA، نوع IIB، هترواتیک SO(32)، هترواتیک E8×E8) حاضر است، که در گذشته فکر می‌شد نظریه‌های متمایزی هستند، اما اکنون درک می‌شود که آنها محدوده‌های متفاوتی از یک چارچوب برجسته به نام نظریهٔ ام-نظریه هستند. با این حال، فرمولهٔ ریاضی کامل نظریهٔ ام-نظریه هنوز به‌دست نیامده است.

با وجود اینکه نظم ریاضی و قدرت اتحادی که ارائه می‌دهد، نظریهٔ رشته به خاطر عدم وجود پیش‌بینی‌های آزمایشگاهی مستقیم مورد انتقاد قرار گرفته است. مقیاس انرژی که اثرات نظریهٔ رشته قابل رصد شدن خواهد بود، احتمالاً دور از دسترس هر شتابدهندهٔ ذره‌ای قابل پیش‌بینی خواهد بود. با این حال، نظریهٔ رشته می‌تواند نشانه‌های غیرمستقیم را از طریق پیامدهای فیزیکی با انرژی‌های پایین، کیهان‌شناسی و فیزیک سیاه‌چاله، همچنان آزمایش شود.

گرانش دورهٔ کوانتومی

یک دیگر از رویکردهای اصلی به گرانش کوانتومی، گرانش دورهٔ کوانتومی است (LQG). برخلاف نظریهٔ رشته که اندازه‌گیری‌های بنیادی جدیدی فرض می‌کند، گرانش دورهٔ کوانتومی به سعی در تکنیک‌های مکانیک کوانتومی برای کوانتایی مستقیم ضدفضای-زمان نسبیت عام است.

ایدهٔ اساسی گرانش دورهٔ کوانتومی این است که فضا به‌صورت ناپایدار نیست، بلکه در مقیاس طولی پلانک (مقیاس طولی با اندازه بسیار ریز ترین اندازه پذیر، حدود ۱۰^-۳۵ متر، جایی که اثرات گرانش دورهٔ کوانتومی مهم می‌شوند) به‌صورت برخه‌ای گراندار است. زمان-فضا به‌عنوان یک شبکه‌ای از حلقه‌های کوانتایی، شبکه‌های گردشی نامیده می‌شود که با گذشت زمان تکامل می‌کنند و یکجاها دارای کف زیستی هستند. یکی از موفقیت‌های عمده LQG این است که پیش‌بینی می‌کند که مساحت و حجم کوانتمی شده‌اند - آنها در واحدهای گسسته قابل اندازه‌گیری هستند، مانند سطوح انرژی یک اتم. این یک راه حل ممکن برای بیان ناخواسته سایر تلاش‌ها برای کوانتم سنجی جاذبه می‌باشد.

LQG همچنین راه‌حلی ممکن برای مشکلات سینگولاریته‌های فضا-زمان ارائه می‌دهد، مانند آنهایی که در مرکز سیاه‌چاله‌ها و در آغاز بیگ بنگ مشاهده می‌شوند. در LQG، این سینگولاریته‌ها توسط مناطقی با انحنای بسیار بالا ولی محدود جای‌گزین می‌شوند.

با این حال، مانند نظریه رشته‌ای، LQG دارای چالش‌های خود است. این تئوری به صورت ریاضی پیچیده و هنوز در حال توسعه است. هنوز مشخص نیست که آیا آن می‌تواند به طور کامل جامعه ریلاتیویته را در حد مناسب بازتولید کند یا پیش‌بینی‌هایی که با گرانش کلاسیک متفاوتند ارائه کند.

رویکردهای دیگر

جزیره ریاضه و گرانش کوانتمی حلقه ای، دستاوردهایی در راستای جاذبه کوانتمی است که تلاش شده است و هرکدام دارای مجموعه خود از ایده‌ها و تکنیک‌های ریاضی هستند. این تلاش‌ها شامل موارد زیر است:

• ترکیبات دینامیکی موثر: رویکردی است که سعی می‌کند چارچوب فضا-زمان را به عنوان یک همبستگی کوانتومی از ترکیبات گسسته سازد که به یک نحو که ساختار مقیاس بزرگ فضا-زمان را تکرار می‌کند، مربوط باشد.

• هندسه غیر دهانی: یک رویکرد است که چندوجهی هندسی ژنرالیته را به منظور دربر گیری غیر کمی از کوانتومی مکانیکی (آن ایده که ترتیب در آن شما مقدارهای خاصی را اندازه‌گیری می‌کنید) عمومی می‌کند.

• نظریه تویستور: رویکردی است که گرانش کوانتمی را با استفاده از تویستورها، اشیاء ریاضی که هندسه پرتوهای نور را در فضا-زمان رمزگذاری می‌کنند، بازنویسی می‌کند.

• ایمنی لامته: رویکردی است که فرضیه می‌کند که گرانش غیر خوشه‌ای ایمن است، به این معنی که اگر تمام تعاملات ممکن را (نه فقط تعداد کمی که در انرژی‌های پایین مهم هستند) در نظر بگیرید، ممکن است به طور پیوسته کوانتومی شده تکرار شود.

هر این رویکردها دیدگاه منحصر به فردی را در مسئله کوانتوم گرانش ارائه می‌دهند، و هنوز مشخص نیست که کدام (اگر هیچ کدام) در نهایت موفق خواهد شد تا یک نظریه کامل و سازگار ارائه دهد. احتمالا اینکه نظریه نهایی کوانتوم گرانش شامل عناصری از تعدادی از این رویکردها باشد یا چیزی کاملاً جدید است که هنوز به ذهنمان نرسیده است.

آنچه روشن است، این است که پیگیری گرانش کوانتومی یکی از ماجراجویی‌های هوشیار نسبت به درک ما از جهان فیزیکی است. اتحاد موفقیت‌های ژنرالیته و مکانیک کوانتومی علامتی مهم در تاریخ فیزیک است که مقایسه‌پذیر است با واقعه اتحادهای عظیم نیوتن و آینشتاین. این ما را به "نظریه همه چیز" می‌رساند - یک توصیف کامل و سازگار از تمام قطعات سازنده اساسی طبیعت و نیروهایی که آنها را اداره می‌کنند.

ساختارهای خارج از عادت: لوپ‌ها، ماشین‌های زمان، و مانند آن

یکی از دلالت‌های جذاب و تحریک‌کننده ژنرالیته، امکان ساختارهای خارج از عادت فضا-زمان است - تنظیماتی از فضا-زمان که بسیار متفاوت از فضا-زمان نسبتاً یکنواخت و رفتار مناسبی است که در زندگی روزمره خود تجربه می‌کنیم. این ساختارهای خارج از عادت مرزهای آنچه که طبق فهم فعلی ما از گرانش و فضا-زمان ممکن استفاده شود درجا می‌زنند.

شاید مشخص‌ترین مثال از ساختارهای خارج از عادت فضا-زمان، لوله کرم است. لوله‌کرم به طور اساسی یک تونل یا مؤسسه ای است که از طریق فضا-زمان، دو منطقه دوردست را به گونه‌ای متصل می‌کند که سفر با سرعت بالاتر از نور ممکن است. اگر وارد یک لوله کرم شوید، احتمالاً تصور چیزی در بخش کاملاً متفاوتی از جهان (یا حتی در یک جهان متفاوت به طور کامل) خواهید شد، بدون اینکه نیاز به عبور از فضای وسیعی که در بین آن وجود دارد.

لوله‌کرم‌ها به عنوان یک موضوع علمی مورد مطالعاتی هستند ولی سوالاتی همچون ساختار علی‌القاعدن لوله‌کرم‌ها - آیا به وجود تناقضات زمانی می‌انجامد - وجود دارد.

با وجود چالش‌هایی که وجود دارد، لوله‌های کرم همچنان یک حوزه فعال از تحقیقات در فیزیک نظری هستند. بعضی فیزیک‌دان‌ها اظهار داشته‌اند که لوله‌های کرم می‌توانند نقشی در یک نظریه آینده از گرانش کوانتومی ایفا نمایند، شاید به عنوان یک راه برای بررسی ساختار میکروسکوپی فضا-زمان. همچنین پیشنهادهایی وجود دارد که لوله‌های کرم ممکن است برای آزمون فرضیه "ER=EPR" -یک ارتباط عمیق بین لوله‌های کرم و انباشت کوانتومی- استفاده شوند.

یک ساختار دیگر خارج از عادت فضا-زمان که جلب توجه دانشمندان و عموم علاقه‌مندان شده‌است، ایده یک ماشین زمان است - یک دستگاه که به شما اجازه می‌دهد برای سفر به گذشته یا آینده. مانند لوله‌کرم، ماشین‌های زمان استابل علمی هستند. معادلات ژنرالیته اجازه وجود ماشین‌زمان را می‌دهند، حداقل به طور اصولی. بااینحال، مشکلات عمده‌ای در ساخت و نگهداری یک ماشین زمان وجود دارد. امکان سفر در زمان در ساختار نسبیت خاص و عمومی موجود است. در نسبیت خاص، زمان نسبی است - مشاهده کنندگان مختلف ممکن است درباره ترتیب رویدادها اختلاف نظر کنند و برای یک مشاهده کننده با حرکت سریع، زمان اضافه کمتری نسبت به یک مشاهده کننده ساکن (معروف به "پاراداکس دوقلوها") وجود داشته باشد. در نسبیت عمومی، انعطاف پذیری فضا-زمان امکانات عجیب و غریب دیگری را فراهم می کند، مانند منحنی های زمانی بسته - مسیرهایی در فضا-زمان که خود به خود پیچ می‌زنند و امکان سفر در زمان را به سمت عقب فراهم می کنند.

با این حال، قابل اجرا بودن واقعی سفر در زمان یک سؤال بسیار پیچیده و مورد بحث است. چندین مانع و پارادوکس عمده مرتبط با سفر در زمان وجود دارد که باعث شده است تا بسیاری از فیزیکدانان شکوهمند باور کنند که در نهایت امکان پذیر نیست.

معروفترین این مسائل پارادوکس پدربزرگ است - ایده این است که اگر بتوانید در زمان به سمت عقب سفر کنید، ممکن است چیزی انجام دهید (مانند قتل پدربزرگ خود قبل از زمان تولد والدین شما) که باعث مانع شدن از وجود خود شود. این منجر به تناقض منطقی می شود - اگر هرگز به دنیا نیامدید، چگونه می توانید در ابتدا به گذشته برگردید؟

همچنین در حضور ماشین زمان مشکلاتی با ساختار علیبندمعلوم فضا-زمان وجود دارد. اگر منحنی‌های زمانی بسته روا داشته باشیم، منجر به نقض علیت خواهد شد - اثرات به طور احتمالی می توانند به مراتب پیش از علامت های خود بروند و منجر به ناهمسنگی های منطقی شوند.

بعضی از فیزیکدانان بر این باورند که این مقدارهای متضاد می تواند توسط اصل خودسازگاری نوویکف حل شوند، که بیان می کند احتمال یک رویداد که باعث پیدایش پارادوکس می شود، صفر است. به عبارت دیگر، قوانین فیزیک اقدام می کنند تا از شما جلوگیری کنند که هر چیزی را انجام دهید که باعث نقض علیت شود.

دیگران معتقدند که مکانیک کوانتومی می تواند نقشی در حل پارادوکس های سفر در زمان ایفا کند. به طور مثال، تفسیر بسیاری از جهان‌های موازی مکانیک کوانتومی، می فرضد هر رویداد کوانتومی جهان را به چند تاختن موازی تقسیم می کند. به این تفسیر بر می گردیم که اگر به زمانی پیش از این برگشته و پدربزرگتان را بکشید، یک خط زمانی جدید ایجاد می کنید که در آن تولد نشده اید، در حالی که خط زمانی اصلی (که در آن هستید) باقی خواهد ماند.

با وجود این تأملات، پیش بینی واقعی امکان سفر در زمان یک سوال مفتوح مانده است. مانند لوله های کرم، ماشین های زمان مرزهای درک کنونی ما از فیزیک را پیش می‌برند و قابل اجرا بودن نهایی آنها بستگی به جزئیات یک نظریه آینده مربوط به گرانش کوانتومی خواهد داشت.

فراتر از لوله های کرم و ماشین های زمان، تعداد زیادی ساختار فضا-زمان عجیب دیگری که در زمینه نسبیت عمومی و توسعه آن بررسی شده است وجود دارند. این شامل موارد زیر می شوند:

• سیه چاله ها: مناطقی در فضا-زمان که جاذبه آنها بیشترین است و هیچ چیز، حتی نور، نمی تواند فرار کند. سیه چاله ها بجهتی از جهت پژوهشهای مشخص کننده وجود آنها شناخته شده اند. با این حال، آنها نمایانگر انحراف شدیدی از فضا-زمان هستند و ویژگی های آنها (مانند وجود سینگولاریتی و حوزه وقوع) همچنان به درک ما از فیزیک چالش هایی ارائه می دهند.

• سفید چاله ها: معکوس تجارت زمان سیه چاله ها، مناطقی در فضا-زمان که ماده و نور تنها می توانند فرار کنند و به آن وارد نشوند. وجود سفید چاله ها به شدت احتمالی است و هنوز شواهد دیدگاهی در این زمینه وجود ندارد.

• لوله های کرم: تونل های فرضی یا میان راه ها در فضا-زمان که به طور اصولی می توانند به تنهایی امکان سفر با سرعت بالاتر از نور بین مناطق دوردست جهان را فراهم کنند. همانطور که در بالا بحث شد، لوله های کرم توسط معادلات نسبیت عمومی مجاز هستند، اما نیاز به ماده عجیب با چگالی انرژی منفی برای بازماندن دارند که ما شواهدی برای آن نداریم.

• منحنی های زمانی بسته: مسیرهایی در فضا-زمان که بر خود بازمی گردند و امکان سفر در گذشته را فراهم می کنند. چنین منحنی ها در برخی از حل های معادلاتِ اینشتین، مانند جهان گودل و داخل سیه چاله های چرخان، ممکن است وجود داشته باشند. با این حال، قابل اجرایی آن‌ها به دلیل پارادوکس هایی که بدنبال دارند و شرایط ویژه مورد نیاز، مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

• سینگولاریتی ها: نقاطی در فضا-زمان که انحراف و چگالی آنها به بی‌نهایت می‌رسد و نسبیت عمومی خراب می‌شود. سینگولاریتی ها در مرکز سیه چاله ها و در آغاز جهان در مدل بزرگان بیگ بنگ رخ می‌دهند. منتظر است یک نظریه ی کوانتومیِ گرانش برای درک واقعیت فیزیکی سینگولاریتی ها مورد نیاز باشد.

این ساختارهای عجیب فضا-زمان، در چارچوب نسبیت عمومی، امکان ریاضی دارند، اما نظریه را به حد و حدود خود می رسانند. آنها در شرایط افراطی ظاهر می شوند که در آن فهم کلاسیک خود از جاذبه به یک توصیف کوانتومی وجود است. بررسی این ساختارها و آثار آنها بخش زنده ای از پژوهش هستند که به مبانی نسبیت عمومی و ساختار فضا-زمان در سطح عمیق پرداخت می کند.

مشکلات حل نشده و جهت‌های آینده

با وجود موفقیت‌های چشم‌گیر نسبیت عمومی در یک قرن گذشته، هنوز کلی مسائل عمیق و مشکلات برطرف نشده وجود دارند که همچنان به تحقیقات در فیزیک جاذبه انگیزه می بخشند. در اینجا به طور خلاصه به برخی از مسائل بزرگ باز و حوزه هایی که در آنها تحقیقات آتی مورد بررسی قرار خواهد گرفت، خواهیم پرداخت.

یکی از بزرگترین مسائل برطرف نشده در فیزیک نظری، یکی راه یابی نسبیت عمومی با مکانیک کوانتومی است. همانطور که دیدیم، نسبیت عمومی توصیف عالی ای از گرانش و فضا-زمان در مقیاس های بزرگ فراهم می کند، در حالیکه مکانیک کوانتومی رفتار ماده و انرژی در مقیاس های کوچک را کنترل می کند. با این حال، وقتی بخواهیم این نظریه ها را در دامان هایی که هردو اثرات گرانشی و کوانتومی مهم هستند، مانند دوران فراوانی از جهان یا داخل سیه چاله ها، اثبات کنیم، در مسائل مفهومی و ریاضی عمیق برمی خوریم. توسعه یک نظریه کوانتومی متناسب با گرانش از مهم­ترین مسائل فیزیک نظری است. چنین نظریه­ای نه تنها توضیح یکپارچه­ای از تمام نیروهای بنیادی طبیعت را ارائه خواهد داد، بلکه نور اندازی از طبیعت نهایی فضا، زمان و ماده در سطح بنیادی­تر نیز خواهد داشت. همانطور که قبلاً بحث شد، نظریه رشته و گرانش حلقوی کوانتومی دو رهبرد برجسته در راه­حل این مسئله هستند، اما یک نظریه کامل و قابل آزمایش هنوز پیدا نشده است.

مسئله بعدی مهم طبیعت ماده تاریک و انرژی تاریک است. مشاهداتی از کهکشان­ها و خوشه­ها، و همچنین اندازه‌گیری­های دقیق سیمای میانگین موجهای رادیویی کیهانی نشان می­دهد که حدود ۸۵٪ از ماده در جهان به شکل ماده تاریک وجود دارد . یک ماده پنهان و رازآلود نامرئی است که فقط بر طبق گرانش تاثیر می­گذارد و به طور الکترومغناطیسی تاثیر ندارد. همچنین نگران‌کننده­تر این است که انرژی تاریک، نوعی انرژی است که در تمام فضا وجود دارد و باعث شتاب دهنده جهان می­شود. در کل، ماده تاریک و انرژی تاریک تقریبا ۹۵٪ محتوای انرژی کل جهان را شامل می­شود، اما طبیعت فیزیکی آنها هنوز نامعلوم است.

توضیح بخشی ماده تاریک و انرژی تاریک و نیز نشات و نوع آنها، هدف اصلی کیهان­شناسی و فیزیک ذرات است. نظریه­هایی از پارتیکل­های المانی ناکشف مانند آکسیون یا ذرات جمع و جور متفاوت (WIMPs) برای ماده تاریک، تا میدان­های اسکالار یا تغییراتی از گرانش برای انرژی تاریک متنوع هستند. آزمایشات پی درپی و آینده مانند آزمایش‌های تشخیص ماده تاریک مستقیم و بررسی ساختار در مقیاس بزرگ، هدف از روشن ساختن درباره این عناصر پنهانی جهان هستند.

نظریه نسبیت عمومی نیز در توضیح ابتدایی­ترین جهان چالش­ها روبه رو است. مدل بزرگ-بانگ استاندارد مبتنی بر نسبیت عمومی پیش­بینی می­کند که جهان در شرایطی از چگالی و انحنا بی نهایت، به­وجود آمده است - یعنی یک تک ­انگارگی. با این حال، در این نقطه شروع، نظریه واهمه می­کند و نشان می­دهد که اثرات گرانش کوانتومی مهم می­شوند. نظریه‌هایی مانند پرده­های کیهانی هدف راه­حل برخی معماهای مدل بزرگ-بانگ گسترده، مانند مسئله شیب و مسئله افق، را دارند، اما فیزیک پرده­های کیهانی و ارتباط آن با گرانش کوانتومی هنوز ابهام­زد است.

سایر سؤالات باز شامل طبیعت یکانگی­های فضایزمان در داخل سیاه چاله­ها، پارادوکس اطلاعات (که اتفاق می­افتد به اطلاعاتی که به سیاه‌چاله می‌افتد؟)، امکان مشاهده ابعاد اضافی یا شواهدی از نسبیت رشته به طور پیشرفته، و ناسازگاری­هایی مانند جریان تاریک و محور شرارت که می­توانند به فیزیک جدیدی فراتر از مدل کیهان­شناختی استاندارد اشاره کنند.

در نهایت، پاسخ به این سؤالات عمیق نیازمند ترکیبی از پیشرفت­های نظری و داده­های مشاهده­ای جدید است. تلسکوپ­های قدرتمند جدید، تشخیص­دهنده­های امواج گرانشی، فشرده­کننده‌های ذره و دستگاه­های اندازه­گیری دقیق، دریافت کرده­های جدید در اقوام کیهان و بررسی گرانش در مناطق همیشه­رو به ما باز می­کنند. در عین حال، رشد­های نظری و محاسباتی امکان می­دهند که به جزئیات و پیش­بینی­هایی از نسبیت عمومی و توسعه­های آن به شکلی بی‌سابقه بپردازیم.

همانطور که ادامه می­دهیم و حدود دانش خود را گسترش می­دهیم، نظریه نسبیت عمومی بدون شک یکی از ستون­های اصلی فهم است که ما از جهان داشته­ایم. اما احتمالا این نظریه نیازمند توسعه یا تغییراتی است تا به ظواهر جدید تطبیق و یا به چارچوب کلی­تری که شامل مکانیک کوانتومی نیز شود بگنجانیم. تلاش برای یکپارچه­سازی گرانش با سایر نیروهای طبیعت و همچنین برداشتن رموز عمیق فضا و زمان، یکی از بزرگترین ماجراهای علمی عصر ما است.

نتیجه گیری

در این فصل، به بررسی بعضی از مرزهای نسبیت عمومی پرداختیم، از جستجو برای یک نظریه کوانتومی گرانش تا امکانات هندسی شگرفی که توسط این نظریه ممکن است. ما دیدیم که یکپارچگی نسبیت عمومی با مکانیک کوانتومی هنوز یکی از مسائل مهمِ نحوِ حل‌نشده در فیزیک نظری است، هر چند نظریه رشته و گرانش حلقوی راه­حل­های واعده‌ای ارائه می­دهند، اما هنوز ناقصند. همچنین دیدیم که نسبیت عمومی امکان لوله­های کشی، ماشین­های زمان و ساختارهای فضای-زمان دیگری را که مرزهای آنچه قابل مقدار­گذاری است فشار می­دهند ممکن می­کند.

در راه پیش، برخی از مسئله­های حل نشده و حوزه­های تحقیقات آینده، از طبیعت ماده تاریک و انرژی تاریک تا فیزیک ابتدای جهان و سیاه چاله­ها شرح داده­شده­است. پاسخ به این سوالات نیازمند ترکیبی از پیشرفت­های نظری، شبیه­سازی­های محاسباتی و داده­های مشاهده­ای جدید از طیف الکترومغناطیسی و فراتر از آن تا امواج گرانشی و تصادمات ذرات هستند.

در حالی که ادامه راه‌اندازی و بررسی دلالت­های نسبیت عمومی، ما می­توانیم انتظار داشته باشیم که مبتلایان به متفاوت و چالش‌های جدید در فهم خود باشیم. اما ما همچنین مطمئن هستیم که نظریه قابل­توجهی از نظر بیزینز و الهام دهنده­ی ماست و ما را در جستجوی تفسیری عمیق درباره معماهای عمیق جهان همراهی می­کند. نسبیت عمومی قبلاً درک­مان ما از فضا، زمان و گرانش را ثورت داده است و بدون شک همچنان ادامه خواهد داد.

داستان نسبیت عمومی، از ولادت آن در ذهن اینشتین تا اینکه امروز به پیش­بینی­های جدیدی تغییر کرده، یکی از بزرگ­ترین ملودیهای تاریخ فکری انسان است. این یک داستان از ایده­های دلیرانه، محاسبات دقیق و تأییدهای خیره­کننده است، از خم شدن نور ستاره­ها تا لرزش فضا و زمان خود. اما این همچنین یک داستان ناتمام است با بسیاری از فصل­هایی که هنوز نوشته نشده است.

همانطور که به قرن نسبیت عمومی بعدی می­رویم، می­توانیم از آزمون­های جدید، کاربردهای جدید و ساختارها و گسترشهای جدیدی از نظریه انتظار داشته باشیم. از بزرگترین مقیاس­های گرانش کوانتومی تا بزرگترین مقیاسهای کیهانی، نسبیت عمومی همچنان به عنوان راهنمایی و الهام­بخش درک ما از کیهان خواهد بود. و همانطور که ادامه می‌یابیم در سرشت گرانش و فضایزمان فشار می­آییم، بر کشف جهان زیبا و الگوهای آن استوار خواهیم ماند که تئوری فوق‌العاده اینشتین آشکار‌شان نمود.