کمی بیشتر درباره فیزیک بنیادی

چه در مقیاسهای بسیار ریز و چه در مقیاسهای بسیار بزرگ، سوالات فراوانی درباره بنیاد طبیعت وجود دارد. در مقیاسهای کوچک، اجزای بنیادی ماده چه هستند؟ ساختار فضازمان در این ابعاد چگونه است؟ چه قوانینی بر دینامیک فضازمان و ماده در این مقیاسها حاکم هستند؟ آیا آنها احتمالاتی هستند یا متعیّن؟ ... از سوی دیگر، در مقیاسهای بزرگ سوالات بنیادی دیگری وجود دارند. ابعاد جهان چقدر است؟ عمر جهان چقدر است؟ جهان از چه ساخته شده است؟ و دینامیک آنها چیست؟ دینامیک فضازمان چیست؟ ...

نظریه‌ای که قوانین طبیعت را در ابعاد بسیار ریز فرمول‌بندی می‌کند، نظریه میدانهای کوانتومی نام دارد. همانطور که از نامش پیداست، این نظریه یک نظریه میدان است (میدان چیزی است شبیه امواج اقیانوسها)، اما نه کلاسیک بلکه کوانتومی. در این نظریه، به هر کدام از ذرات بنیادی، یک میدان بنیادی نسبت داده می‌شود، که دوگانگی موج-ذره را یادآور می‌شود. ذرات بنیادی به دو دسته تقسیم می‌شوند: ماده و پیغام‌رسان. ذرات بنیادی ماده از فرمیونهایی مثل الکترون، میون، نوترینو، و کوارک تشکیل می‌شوند. پیغام‌رسانها بوزونهایی مثل فوتون یا گلوئون هستند.

دینامیک غالب در مقیاسهای بزرگ توسط گرانش کنترل می‌شود. گرانش مهمترین نیروی طبیعت در مقیاسهای بزرگ است. نظریه‌ای که این دینامیک را توصیف می‌کند نسبیت عام نام دارد. این نظریه از نظریه میدانهای کوانتومی قدیمی‌تر است، و توسط اینشتین در سال ۱۹۱۵ ارائه شده است. بوسیله این نظریه و تعمیم‌های آن می‌توان دینامیک سیارات، ستاره‌ها، کهکشانها، خوشه‌های کهکشانی و تمام جهان را توصیف کرد. اختر فیزیک و کیهان‌شناسی دو شاخه‌ از این نظریه هستند که زمینه‌ای برای چنین مطالعاتی فراهم می‌اورند. اخترفیزیک به توصیف دینامیک ستارگان می‌پردازد و کیهان‌شناسی علم توصیف جهان به صورت کلی می‌باشد.

جالب است که ما انسانها در مقیاسی زندگی می‌کنیم که هم گرانش و هم دیگر نیروها مخصوصا نیروی الکترومغناطیسی همزمان مهم هستند. برای درک این موضوع کافیست که به آسانسوری که از آن برای بالا رفتن در طبقات ساختمان استفاده می‌کنیم بیندیشیم، که برای بالارفتن از نیروی الکترومغناطیسی و برای پایین آمدن از گرانش استفاده می‌کند و در تعادلی میان این دو نیروست. در مقیاسهای روزانه ما، گرانش و الکترومغناطیس نیروهایی هم‌مرتبه اعمال می‌کنند. می‌توان از خود پرسید که چگونه یک میدانی که ذاتا کوانتومی است (الکترومغناطیس) با یک میدان کلاسیکی (گرانش) برهمکنش می‌کند. سیاهچاله‌ها یکی از مناسبترین سیستمهای فیزیکی برای پاسخ به چنین سوالی هستند. سیاهچاله، یک سیاه چاله است در فضازمان، اگر از دیدگاه ناظری که بیرون از آن مستقر است مورد مطالعه قرار گیرد. اگر چیزی به درون آن بیفتد، هرگز نمی‌تواند از داخل آن به بیرون فرار کند. این اجرام آسمانی، رمزآلودترین اجرام در آسمان هستند.