آیا فضا زمان کوانتیزه است؟

در جستجوی گرانش کوانتومی

بوکمارک(0)

No account yet? Register

کاوش برای یافتن نشانه‌های گرانش کوانتومی در حال پیشرفت است.

بوکمارک(0)

No account yet? Register

تپه‌های شنی که از دور دیده می‌شوند مانند ورقه‌های ابریشمی که در سراسر صحرا پخش شده‌اند صاف و بدون چروک به نظر می‌رسند، اما یک بررسی دقیق چیزهای بیشتری را آشکار می‌کند. با نزدیک شدن به تپه‌های شنی ممکن است متوجه وجود ناهمواری‌هایی در شن شوید. اگر سطح آن را لمس کنید متوجه دانه‌های منفردی می‌شوید. همین امر در مورد تصاویر دیجیتال هم صدق می‌کند؛ وقتی به اندازه کافی زوم کنید تا یک پرتره ظاهرا عالی داشته باشید و اونوقت پیکسل‌های متمایز سازنده تصویر را کشف خواهید کرد.

ممکن است خود کیهان نیز به همین صورت پیکسل‌بندی شده باشد. دانشمندانی مانند رانا آدیکاری (Rana Adhikari)، استاد فیزیک در Caltech، فکر می‌کنند فضایی که ما در آن زندگی می‌کنیم ممکن است کاملا صاف و هموار نباشد بلکه از واحدهای فوق‌العاده کوچک گسسته ساخته شده باشد. او می‌گوید:«پیکسل‌های فضا-زمان آن‌قدر کوچک است که اگر بخواهیم اشیاء را به اندازه سایز یک دانه شن بزرگ بکنیم، اتم‌ها به بزرگی کهکشان‌ها خواهند بود.»

چپ: نادا ادیکاری و راست: کاترین زورک در حال گفتگو

آدیکاری و دانشمندان در سراسر جهان در جستجوی این پیکسل‌ها هستند زیرا این پیکسل‌ها پیش بینی‌ای برای گرانش کوانتومی‌ست که یکی از عمیق‌ترین اسرار فیزیک زمان ما است. گرانش کوانتومی به مجموعه‌ای از نظریه‌ها،از جمله نظریه ریسمان اشاره دارد که به دنبال یکی کردن جهان ماکروسکوپی گرانش تحت نسبیت عام، با جهان میکروسکوپی فیزیک کوانتومی است. هسته اصلی رمز این سوال است که آیا گرانش و فضا زمان می‌توانند«کوانتیزه شوند» یا به اجزای منفرد تجزیه شوند که نشانه‌ای از جهان کوانتومی است.

گرانش یک هولوگرام است

کلیف چونگ (Cliff Cheung)، استاد فیزیک نظری در دانشگاه Caltech می‌گوید:«گاهی اوقات تفسیر نادرستی در ارتباطات علمی وجود دارد که نشان می‌دهد گرانش و مکانیک کوانتومی با هم ناسازگارند. اما ما از آزمایش‌ها می‌دانیم که قادر به انجام مکانیک کوانتومی روی این سیاره هستیم که دارای گرانش است، بنابراین واضح است که آن‌ها با یکدیگر سازگارند. مشکلات زمانی پیش می‌آیند که سوالات ظریفی در مورد سیاه‌چاله‌ها بپرسید و یا سعی کنید این نظریه‌ها را در مقیاس‌های بسیار ریز ادغام کنید.»

به دلیل مقیاس‌های فوق العاده کوچک مورد بحث، برخی دانشمندان فرض را بر این گذاشته‌اند که یافتن شواهدی از گرانش کوانتومی در آینده قابل پیش‌بینی کاری غیرممکن است. اگرچه محققان ایده‌هایی برای یافتن سرنخ‌هایی از وجود آن در اطراف سیاه‌چاله‌ها، در کیهان اولیه یا حتی با استفاده از LIGO-رصدخانه‌های بنیاد ملی علوم که امواج گرانشی را شناسایی می‌کنند-ارائه کرده‌اند اما هنوز هیچ‌کس نشانه‌ای از گرانش کوانتومی در طبیعت پیدا نکرده است.

استاد فیزیک نظری، کاترین زورک (Kathryn Zurek)،مایل است این موضوع را تغییر دهد. او اخیرا یک همکاری بین چند نهاد جدید با بودجه بنیاد Heising-Simons تشکیل داده تا در مورد چگونگی مشاهده نشانه‌های گرانش کوانتومی فکر کنند. این پروژه که گرانش کوانتومی و نشانه‌های رصدی آن (QuRIOS) نام دارد، نظریه‌پردازان تئوری ریسمان را که با ابزارهای رسمی گرانش کوانتومی آشنا هستند اما تمرین کمی در طراحی آزمایش‌ها دارند، با نظریه پردازان فیزیک ذرات و سازندگان مدل که تجربه آزمایش‌ها را دارند اما با گرانش کوانتومی کار نمی‌کنند، متحد می‌کند.

او می‌گوید:«این ایده که شما ممکن است بتوانید به دنبال ویژگی‌های قابل مشاهده گرانش کوانتومی باشید بسیار دور از جریان اصلی‌ست؛ اما اگر تمرکز خود را روی راه‌هایی برای پیوند گرانش کوانتومی با دنیای طبیعی که در آن زندگی می‌کنیم نگذاریم در بیابانی از سوالات گم می‌شویم. داشتن اثرهای قابل مشاهده، ما نظریه پردازان را به هم پیوند می‌زند و به ما کمک می‌کند که در انواع جدید سوالات پیشرفت داشته باشیم.»

به عنوان بخشی از همکاری زورک، او با آدیکاری، یک متخصص فیزیک تجربی برای توسعه آزمایش جدید مدل‌سازی شده، همکاری خواهد کرد. آزمایش پیشنهادی که “گرانش از درهم‌تنیدگی کوانتمومی فضا-زمان” (GQuEST) نام دارد، می‌تواند هم خود پیکسل‌های منفرد فضا‌ زمان را شناسایی کند و هم ارتباطات بین پیکسل‌هایی را که منجر به نشانه‌های قابل مشاهده شده‌اند را آشکار کند. آدیکاری این جستجو را با تنظیم تلویزیون‌های قدیمی مقایسه می‌کند.

“زمانی که بزرگ می‌شدم، نمی‌توانستیم شبکه NBC را بگیریم ‌و سعی می‌کردیم برای دریافتش آنتن را تنظیم کنیم اما بیشتر اوقات برفک پیکسلی می‌دیدیم. می‌دانیم که بخشی از این برفک از تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی یا تولد کیهان می‌آید اما اگر دقیقا از زاویه اوج آنتن را تنظیم کنید می‌توانند برفک ناشی از طوفان‌های خورشید و دیگر سیگنال‌ها را پیدا کنید. این همان کاری است که ما سعی داریم انجام دهیم: تا با دقت با برفک یا نوسانات فضا زمان هماهنگ شویم. ما به دنبال این هستیم که ببینیم آیا برفک‌ها به گونه‌ای نوسان می‌کنند که با مدل‌های ما از گرانش کوانتومی هماهنگ باشند یا خیر. ایده ما می‌تواند پر از ایراد باشد اما باید تلاشمان را بکنیم.

طرحی جدید برای کیهان

حل کردن مسئله گرانش کوانتومی یکی از بزرگترین دستاوردهای فیزیک خواهد بود، هم‌تراز با دو نظریه‌ای که محققان می‌خواهند با یکدیگر ادغام کنند. نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، دیدگاه حاکم بر جهان را تغییر داد و نشان داد که فضا و زمان را می‌توان به عنوان یک واحد پیوسته، یعنی فضا‌زمان، در نظر گرفت که در واکنش نسبت به ماده خم می‌شود. این نظریه توضیح می‌دهد که گرانش چیزی نیست جز انحنای فضا‌زمان.

نظریه دوم، مکانیک کوانتومی، سه نیروی شناخته شده دیگر در جهان به جز گرانش را توصیف می‌کند: الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی. یکی از ویژگی‌های مشخص کوانتومی این است که می‌توان این نیروها را به دسته‌ها یا ذرات مجزا تقسیم کرد. برای مثال، کوانتیزه شدن نیروی الکترومغناطیس باعث ایجاد ذره‌ای به نام فوتون می‌شود. فوتون در پشت صحنه در مقیاس میکروسکوپی در نقش انتقال نیروی الکترومغناطیس کار می‌کند. اگرچه میدان الکترومغناطیسی در مقیاس‌های بزرگ که ما به آن عادت داریم پیوسته به نظر می‌رسد اما وقتی بزرگنمایی می‌کنیم، با وجود فوتون‌ها پر از “ناهمواری” می‌شود.پس سوال اصلی گرانش کوانتومی این است: آیا فضا-زمان نیز به دریایی کف‌آلود از ذرات تبدیل می‌شود یا مانند سطح دریاچه‌ صاف باقی می‌ماند؟ دانشمندان به طور کلی معتقدند که گرانش باید در کوچکترین مقیاس‌ها ناهموار باشد؛ این برجستگی‌های ناهموار ذراتی فرضی هستند به نام گراویتون. اما وقتی فیزیکدانان از ابزار‌های ریاضی برای توصیف این‌که چگونه گرانش ممکن است از گراویتون‌ها در مقیاس‌های بسیار کوچک به وجود آید استفاده می‌کنند، همه چیز خراب می‌شود.

پروفسور هیروسی اوگوری

هیروسی اوگوری (Hirosi Ooguri) استاد فیزیک نظری و ریاضیات کرسی فرد کاولی و مدیر موسسه فیزیک نظری والتر برم می‌گوید:«ریاضیات غیرممکن می‌شود و پاسخ‌هایی پوچ مانند بی‌نهایت را تولید می‌کند در حالی‌که در آن باید اعداد متناسب را به عنوان پاسخ دریافت کنیم. این قضیه نشان می‌دهد که چیزی اشتباه است. این‌که ساختن یک چارچوب نظری ثابت برای یکپارچه‌سازی نسبیت عام و مکانیک کوانتومی چقدر سخت است به خوبی درک نمی‌شود و به نظر غیر ممکن می‌رسد اما، ما نظریه ریسمان را داریم!»

ریسمان‌ها در پایین

بسیاری از دانشمندان موافقند که نظریه ریسمان کامل‌ترین و محتمل‌ترین نظریه گرانش کوانتومی تا به امروز بوده است. این نظریه یک جهان با ۱۰ بعد را توصیف می‌کند که شش‌ تای آن‌ها در هم مخفی شده و چهار بعد دیگر، فضا‌ و زمان را تشکیل می‌دهند. مطابق با نامش، این نظریه فرض را بر این می‌گذارد که تمام مواد موجود در جهان، در پایه‌ای ترین سطح خود از ریسمان‌های کوچک ساخته شده‌اند. درست مانند یک ویولن، سیم‌ها در فرکانس‌ها یا تن‌های مختلف طنین می‌اندازند و هر نت مربوط به یک ذره منحصر به فرد مانند یک الکترون یا فوتون است. تصور بر این است که یکی از این نت‌ها با گراویتون مطابقت دارد.

جان شوارتز (John Schwarz)، استاد فیزیک نظری هارولد براون، یکی از اولین افرادی بود که به قدرت نظریه ریسمان برای پر کردن شکاف میان دنیای کوانتومی و گرانش پی‌ برد .در دهه ۱۹۷۰ او و همکارش جوئل شرک، تلاش کردند تا از ابزارهای ریاضی نظریه ریسمان برای توصیف نیروی هسته‌ای قوی استفاده کنند. با این‌حال، آن‌ها متوجه شدند که معایب این تئوری در صورت تغییر مسیر می‌تواند به مزیت تبدیل شود.

شوارتز در مصاحبه‌ای در سال ۲۰۱۸ گفت:«به جای اصرار بر ساختن نظریه نیروی هسته‌ای قوی ما این نظریه زیبا را در نظر گرفتیم و پرسیدیم که برای چه چیزی خوب است. مشخص شد که این نظریه برای گرانش خوب است. هیچ‌یک از ما روی گرانش کار نکرده بودیم، اون موضوعی نبود که علاقه خاصی به آن داشته باشیم اما متوجه شدیم که این نظریه، که در توصیف نیروی هسته‌ای قوی دچار مشکل بود، می‌تواند باعث ایجاد گرانش شود. زمانی که این را متوجه شدیم من می‌دانستم که تا پایان دوران کاریم مشغول به چه کاری خواهم بود.»

این‌طور که مشخص شده گرانش در مقایسه با سایر نیروها بسیار عجیب است. اوگوری توضیح می‌دهد که:«”گرانش ضعیف‌ترین نیرویی است که ما می‌شناسیم. من اینجا در طبقه چهارم ساختمان “Lauristen” ایستاده‌ام و دلیل این‌که گرانش من را از کف ساختمان به پایین نمی‌کشد این است که در داخل بتن، الکترون‌ها و هسته‌هایی وجود دارند که من را نگه‌ داشته‌اند بنابراین میدان الکتریکی بر نیروی گرانش غلبه میکند.»

با این حال، نیروی هسته‌ای قوی زمانی که فواصل کوتاه و کوتاه‌تر می‌شوند ضعیف می‌شود اما گرانش قوی‌تر می‌شود. اوگوری می‌گوید:«ریسمان‌ها به کمتر شدن این رفتار پر انرژی کمک می‌کنند و”انرژی در یک رشته پخش می‌شود”.»

تست‌های مدل سازی شده برای گرانش کوانتومی

چالش نظریه ریسمان نه تنها در سازگاری آن با دنیای روزمره کم‌انرژی ماست بلکه در آزمایش آن نیز هست. برای این‌که ببینیم در مقیاس‌های کوچک فضازمان که فرض می‌شود دانه‌ای است چه اتفاقی می‌افتد، آزمایش‌ها باید فواصل را مطابق با طول پلانک یا ۳۵-۱۰ متر بررسی کنند. برای رسیدن به چنین مقیاس ریزی، دانشمندان باید یک آشکارساز که به همان اندازه افراطی باشد بسازند. آدیکاری می‌گوید:«یکی از راه‌ها، ساختن چیزی به بزرگی منظومه شمسی و جستجوی نشانه‌های گرانش کوانتومی از این طریق است اما این راه واقعا گران است و صدها سال طول می‌کشد!» در عوض زورک می‌گوید محققان می‌توانند جنبه‌های دیگری از گرانش کوانتومی را با استفاده از آزمایش‌های بسیار کوچک‌تر بررسی کنند. او می‌گوید:«تحولات نظری مرتبط با تئوری ریسمان ابزارها و درکی از آن‌چه که انتظار داریم تا در گرانش کوانتومی درست باشد را در اختیار ما قرار داده است.»

آزمایش‌های پیشنهاد شده توسط زورک، آدیکاری و همکارانشان بر روی اثرات گرانش کوانتومی‌ای تمرکز دارند که می‌توان آن‌ها را در مقیاس قابل کنترل‌تر ۱۸-۱۰ متر مشاهده کرد. این مقدار هنوز بسیار کوچک است، اما با استفاده از ابزارهای آزمایشگاهی بسیار دقیق امکان‌پذیر است.

یک پیکسل فضا-زمان آن‌قدر کوچک است که اگر بخواهیم اشیاء را به اندازه یک دانه شن بزرگ کنیم اتم‌ها به بزرگی کهکشان‌ها خواهند بود.

این آزمایش‌های مدل‌سازی شده مانند یک آزمایش مینی LIGO  هستند: تداخل سنج‌های L شکل دو پرتو لیزر را در جهت‌های عمود برهم پرتاب می‌کنند. لیزرها از آینه‌ها انعکاس پیدا می‌کنند و در محل مبدا خود به هم می‌رسند. امواج گرانشی فضا را منقبض و منبسط می‌کنند که بر زمان برخورد لیزرها تاثیر می‌گذارد. آزمایش گرانش کوانتومی به دنبال نوعی متفاوت از نوسانات فضا-زمان تشکیل شده از گراویتون‌هایی است که در چیزی که برخی آن را کف کوانتومی یا کف فضا-زمان می‌نامند، وارد و خارج می‌شوند (فوتون‌ها و سایر ذرات کوانتومی نیز به دلیل نوسانات کوانتومی وارد و خارج می‌شوند) محققان به جای جستجوی مجزای گراویتون‌ها به دنبال«همبستگی‌های دوربرد» بین مجموعه‌های پیچیده ذرات فرضی هستند که منجر به نشانه‌های قابل مشاهده می‌شود. زورک توضیح می‌دهد که این همبستگی‌های دوربرد مثل موج‌های بزرگ در دریای فضا‌زمان هستند، که در تضاد با قسمت کف آلودیست که در آن ذرات منفرد ساکن هستند.

“ما فکر می‌کنیم نوسانات فضا-زمانی وجود دارد که ممکن است پرتوهای نور را مختل کند. ما می‌خواهیم دستگاهی را طراحی کنیم که در آن نوسانات فضازمان فوتونی را از طریق تداخل‌سنج به بیرون پرتاب می‌کند و سپس از آشکارسازهای تک فوتونی برای خواندن آن اختلال در فضازمان استفاده کنیم.”

نمایان شدن فضازمان

مونیکا جین‌وو کانگ (Monica Jinwoo Kang)، دانشجوی پسا دکترای شرمن فیرچایلد در فیزیک نظری در Caltech هنگام توضیح اصل هولوگرافی که یک اصل کلیدی در مدل زورک است می‌گوید:«گرانش یک هولوگرام است. این اصل که با استفاده از نظریه ریسمان در دهه ۱۹۹۰ محقق شد، بیان‌گر این است که پدیده‌های سه بعدی مانند گرانش می‌توانند از یک سطح دو بعدی صاف بیرون بیایند. ”اصل هولوگرافیک به این معنی است که تمام اطلاعات موجود ار چیزی به روی سطح،رمزگذاری می‌شوند”»

به طور مشخص‌تر، تصور می‌شود که گرانش و فضازمان از درهم تنیدگی ذرات روی سطح دو بعدی پدید می‌آیند. درهم‌تنیدگی زمانی رخ می‌دهد که ذرات زیراتمی در سراسر فضا به هم متصل شوند. ذرات به عنوان یک موجود واحد عمل می‌کنند بدون این‌که به طور مستقیم با یکدیگر در تماس باشند که این رفتار تا حدودی مانند رفتار گله‌ای از پرنده‌های سار (starling) است. دیدگاه‌های مدرن درباره گرانش کوانتومی با الهام گرفتن از تئوری ریسمان نشان می‌دهد که فضا زمان و گرانش از درهم‌تنیدگی شبکه‌ای تحقق می‌یابد. کانگ می‌گوید در این طرز تفکر، تعریف فضازمان این است که چیزی چقدر دچار درهم‌تنیدگیست.

اگر تمرکز خود را روی راه‌هایی برای پیوند گرانش کوانتومی با دنیای طبیعی که در آن زندگی می‌کنیم نگذاریم در بیابانی از سوالات گم می‌شویم.

در آزمایش پیشنهادی زورم و آدیکاری، ایده این است که این سطح دو بعدی یا چیزی که آن را«افق کوانتومی» می‌نامند برای نوسانات گرانش بررسی شود. آن‌ها توضیح می‌دهند که گرانش و فضازمان از افق کوانتومی بیرون می‌آیند. زورک می‌گوید:«آزمایش ما مبهم بودن این سطح را بررسی می‌کند.»

این ابهام نشان‌دهنده پیکسلی شدن فضازمان است. اگر این آزمایش موفقیت‌آمیز باشد به تعریف مجدد مفهوم گرانش و فضا در اساسی‌ترین و عمیق‌ترین سطح کمک می‌کند.

آدیکاری می‌گوید:«اگر لیوان قهوه‌ام را بیاندازم و بیفتد، دوست دارم فکر کنم که این کار گرانش است. اما همان‌طور که دما «واقعی» نیست اما نحوه ارتعاش دسته‌ای از مولکول‌ها را توصیف می‌کند، فضازمان نیز ممکن است یک چیز واقعی نباشد. ما می‌بینیم که دسته‌های پرندگان و ماهی‌ها به صورت گروهی حرکت منسجمی را انجام می‌دهند اما آن‌ها در واقعیت از حیوانات منفرد تشکیل شده‌اند و ما می‌گوییم که یک رفتار گروهی پدید آمده است. ممکن است چیزی که از پیکسل‌‌سازی فضازمان به وجود می‌آید نیز گرانش نامیده شده باشد زیرا ما هنوز نمی‌دانیم که فضا‌زمان چیست.»

 

5/5 - (4 امتیاز)
به اشتراک بگذارید
منبع SciTechDaily
ممکن است شما دوست داشته باشید
ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

go2top