مشترک 
چرا نیروی گرانش نسبت به چهار نیروی بنیادی دیگر اینقدر ضعیف است؟ حتی اگر میلیاردها برابر قویتر بود، باز هم ضعیفترین نیرو باقی میماند. ضعف عجیب گرانش بهقدری برجسته است که تقریبا خواهان یک پاسخ است.
بهطرز عجیبی، راهحل ضعف گرانش ممکن است در خود گرانش نباشد، بلکه در مکانیک بوزون هیگز و ذات خود فضا-زمان نهفته باشد. مسئله سلسلهمراتب یک تکه کاغذ را بلند کنید. تبریک، شما با موفقیت بر نیروی گرانشی کل سیاره غلبه کردهاید. این کار نیاز به تلاش زیادی نداشت، چون گرانش، بهطور قطع، ضعیفترین نیرو در بین چهار نیروی بنیادی طبیعت است. به یک معیار، گرانش هزار میلیارد میلیارد برابر ضعیفتر از نیروی هستهای قوی است، که قویترین نیرو از میان تمام نیروهاست.
راه دیگری برای تصور مقیاس واقعی ضعف گرانش وجود دارد. محدودیتی برای کوچکترین سیاهچالهای که میتوانید بسازید وجود دارد و به آن جرم پلانک گفته میشود. میتوان آن را با گرفتن ریشه دوم ثابت پلانک کاهشیافته، ضرب در سرعت نور و تقسیم بر G نیوتن محاسبه کرد. این جرم حدود کیلوگرم است. اگر گرانش قوی بود — یعنی اگر نیوتن بزرگتر بود — میتوانستید حتی سیاهچالههای کوچکتر و سبکتری بسازید. برای مقایسه، بوزونهای W و Z — حاملان نیروی هستهای ضعیف — حدود ۱۰ کوادریلیون بار سبکتر از جرم پلانک هستند. بنابراین نیروی هستهای ضعیف، که بعد از گرانش قدرتمندترین نیرو است، کوادریلیونها بار قویتر از گرانش است. این مسئله سلسلهمراتب برای اکثر فیزیکدانان عجیب به نظر میرسد. البته، ممکن است صرفاً اینگونه باشد که جهان همینطور است و نیازی به توضیح ندارد، اما این پاسخ چندان رضایتبخش نیست. در عوض، این موضوع بهنظر میرسد فرصتی برای بررسی عمیقتر فیزیک نیروهای بنیادی و کشف چیزهای جدید باشد.
بیایید فعلاً الکترومغناطیس و نیروی هستهای قوی را کنار بگذاریم و فقط گرانش را با «نزدیکترین رقیبش»، یعنی نیروی هستهای ضعیف مقایسه کنیم. شاید اگر بفهمیم چرا نیروی هستهای ضعیف اینقدر شگفتانگیز قویتر از گرانش است، بتوانیم کل ماجرا را درک کنیم. ما اصلاً نمیدانیم چرا گرانش اینقدر قدرت دارد. در هیچ نظریهٔ فیزیکی چیزی وجود ندارد که قدرت آن را توضیح دهد. اما چیزی وجود دارد که ویژگیهای نیروی هستهای ضعیف را توضیح میدهد، و آن بوزون هیگز است. بوزون هیگز میدانی است که تمام فضا-زمان را پوشانده و بسیاری از ذرات، مثل الکترونها، را مجبور میکند با آن برهمکنش داشته باشند. این برهمکنش باعث میشود آن الکترونها جرم بهدست بیاورند. هرچه یک ذره با میدان هیگز بیشتر برهمکنش داشته باشد، جرمش بیشتر میشود. در میان ذراتی که با بوزون هیگز برهمکنش دارند، بوزونهای W و Z نیز هستند، و آنها از طریق همین برهمکنش جرم میگیرند. و جرم بوزونهای W و Z است که ویژگیهای نیروی هستهای ضعیف را تعیین میکند، چون همین ذراتاند که کار این نیرو را انجام میدهند. و چه چیزی جرم تمام ذراتی را که با هیگز برهمکنش دارند تعیین میکند؟ هیچکس جز جرم خود بوزون هیگز. اگر جرم هیگز متفاوت بود، تمام ذرات دیگر — از جمله W و Z — تغییر میکردند.
حالا زمان مناسبی است تا اشاره کنیم که جرم بوزون هیگز بهطرز عجیبی خاص است. این جرم بزرگ است — حدود ۲۵۰ گیگاالکترونولت، که برای ذرات عدد بزرگی است — اما نه آنقدر عظیم. همچنین خیلی کوچک هم نیست. در واقع، یک درک ساده کوانتومی از نحوه عملکرد هیگز پیشبینی میکند که تمام برهمکنشهایی که هیگز بهطور مداوم در آنها شرکت میکند — که تعدادشان بسیار زیاد است — یا کاملاً یکدیگر را خنثی میکنند و جرم آن را به صفر میرسانند، یا همدیگر را تقویت میکنند و جرمش را به جایی نزدیک بینهایت میرسانند. چیزی باعث شده است که بوزون هیگز دقیقاً در یک بازه «قابل قبول» تنظیم شود تا همه چیز منطقی باقی بماند. اما همین بوزون هیگز باعث میشود که بوزونهای W و Z به مقادیر بسیار کوچک خود محدود شوند و بدین ترتیب نیروی هستهای ضعیف بسیار، بسیار قویتر از گرانش باشد. به عبارت دیگر، گرانش ضعیفترین نیرو در جهان است نه به این دلیل که مشکلی در خود گرانش وجود دارد، بلکه به این دلیل که نیروی ضعیف «تقلب» میکند.
یک پیچ کوچک در فضا-زمان هیچ راهحل پذیرفتهشدهای برای وضعیت غیرطبیعی جرم هیگز وجود ندارد، و بنابراین هیچ پاسخ پذیرفتهشدهای برای مسئلهٔ سلسلهمراتب و ضعف عجیب گرانش هم نداریم. اما تمام این بحثها بر این فرض تکیه دارند که ما همهچیز را درست محاسبه میکنیم — جرم هیگز، جرم پلانک و غیره. شاید چیزی بنیادی دربارهٔ جهان را از قلم انداختهایم. در میان راهحلهای احتمالی، برخی ایدهها خودِ درک ما از ساختار فضا-زمان را زیر سؤال میبرند. نظریهٔ ریسمان مدتهاست ذهن ما را برای چنین ایدههایی آماده کرده؛ این نظریه برای اینکه ریاضیاتش درست از آب دربیاید، نیازمند وجود ابعاد مکانی اضافه و فشرده است. اما در نظریهٔ ریسمان، این ابعاد اضافی فوقالعاده کوچک هستند، پیچیده و جمعشده در شکلهایی بسیار فشرده که بزرگتر از طول پلانک نیستند. با این حال، ممکن است برخی از این ابعاد اضافی کمی بزرگتر باشند. این نظریهها معمولاً با عنوان «ابعاد اضافی بزرگ» شناخته میشوند، اما این «بزرگ» آنقدری که تصور میکنید نیست — چیزی در حد چند میلیمتر.
در این نظریهها، سه نیروی دیگر طبیعت فقط در جهان سهبعدی معمول ما محدود شدهاند؛ جهانی که گاهی «برین» ( Brane) نامیده میشود. اما گرانش اجازه دارد در تمام ابعاد اضافی گسترده شود؛ این ابعاد را «بالک» ( Bulk ) مینامند. در این دیدگاه، گرانش دقیقاً به اندازهٔ دیگر نیروها — یا حتی قویتر — است، اما مجبور است قدرتش را بین ابعاد بیشتری پخش کند. به همین دلیل در آزمایشهای سهبعدی ما ضعیفتر به نظر میرسد. ما گرانش را با دقتهای فوقالعاده آزمایش کردهایم، اما نه لزوماً در چنین مقیاسهای کوچک. اگر جهان ما ابعاد مکانی «بزرگ» اضافه داشت، باید در فاصلههایی کمتر از یک میلیمتر اتفاقات عجیبوغریبی میدیدیم. مثلاً ممکن است گرانش در فاصلههای بسیار کوچک قویتر از حد انتظار عمل کند، چون هنوز فرصتی پیدا نکرده که «نشت کند» و در ابعاد اضافی پخش شود. یا شاید بتوانیم در برخورددهندههای ذرات، سیاهچالههای بسیار کوچک بسازیم، چون در آن مقیاسها ساختن سیاهچاله راحتتر از چیزی میشود که فکر میکردیم. تا این لحظه، هیچ آزمایشی هیچ نشانهای از ابعاد اضافی پیدا نکرده است. و گرانش همچنان به طرز آزاردهندهای ضعیف باقی مانده است.
