ممکن است فضا-زمان پیوسته نباشد

وحدت بخشیدن بین مکانیک کوانتومی با نسبیت عام، رویای نهایی – یا شاید هم کابوس – فیزیکدانان است. این اتحاد، راهی برای توصیف نیروی گرانش با ابزارهای مکانیک کوانتومی خواهد بود و نحوه رفتار گرانش در جایی که شدت آن بسیار زیاد و ابعاد فاصله بسیار کوچک است را توصیف خواهد کرد.

نظریه نسبیت عام اینشتین به ما می‌گوید که خمیدگی فضا و زمان همان چیزی است که ما به عنوان نیروی گرانش تجربه می‌کنیم. و مکانیک کوانتومی بیان می‌کند که آن‌چه ما به عنوان نیروهای بنیادی طبیعت تجربه می‌کنیم، در واقع به صورت تکه‌های گسسته و ریزی به نام کوانتا هستند.

بنابراین، اگر گرانش طبق دیدگاه نسبیت عام ناشی از خمش فضا-زمان باشد، و از طرف دیگر چون گرانش یک نیرو است و همه نیروها کوانتیزه می‌شوند، پس شاید خود فضا-زمان در بلوک‌های بسیار کوچک گسسته وجود داشته باشد. شاید واحدهای بنیادی فضا-زمان (اتم‌های فضا-زمان) در مقیاس‌های بسیار کوچک (ابعاد پلانک) وجود داشته باشد.

این‌جاست که باید بگوییم:

 به نظریه‌ی گرانش کوانتومی حلقه (Loop Quantum Gravity) خوش آمدید.

محو شدن در پس‌زمینه

یکی از آزاردهنده ترین چیزهایی که نسبیت عام و مکانیک کوانتومی درباره آن اختلاف نظر دارند، نقش فضا-زمان در فیزیک است. از نظر مکانیک کوانتومی، فضا-زمان فقط یک پس‌زمینه، یک مرحله، یک طبقه، یک ظرف برای تمام فعل و انفعالات جالبی است که فیزیک جهان را تشکیل می‌دهند. بله، آن پس‌زمینه ممکن است خم و دچار اعوجاج شود، و این خمیدگی و تاب برداشتن مسیر ذرات را تحت تأثیر قرار می‌دهد – اما فقط همین. تمام فیزیک در سطح بالاترِ فضا-زمانِ پس‌زمینه اتفاق می‌افتد.

حتی نظریه‌ی ریسمان – که نوعی “نظریه همه چیز” است و ادعا می‌کند که  همه ذرات و نیروها از ریسمان‌های در حال ارتعاش ساخته شده‌اند – وجود یک پس‌زمینه‌ی فضا-زمان را برای کار کردن نظریه فرض می‌کند. در نتیجه، این فرض نظریه ریسمان را به نظریه ای در مورد … تقریباً همه چیز تبدیل می‌کند.

اما از نظر نسبیت عام، فضا-زمان صرفا یک صحنه‌ی پس‌زمینه برای بازیگران نیست. نسبیت عام وجود یک پس‌زمینه را فرض نمی‌کند بلکه آن را ایجاد می‌کند. نسبیت عام زبان خمیدگی فضا-زمان است و همین تاب برداشتن فضا زمان، فیزیکِ گرانش را ایجاد می‌کند.

بنابراین، در تلاش برای متحد کردن مکانیک کوانتومی با گرانش، شاید بهتر باشد نظریه اینشتین را به صورت اسمی در نظر بگیریم. اگر گرانش صرفاً مکانیک فضا-زمان است، پس برای جستجوی یک نظریه کوانتومی برای گرانش، واقعاً باید به دنبال نظریه کوانتومی فضا-زمان باشیم. اگر بتوانیم از پس کوانتومی کردن فضا-زمان برآییم، به طور پیش‌فرض، به یک نظریه کوانتومی گرانش می‌رسیم و مشکل حل خواهد شد.

به دنبال یک حلقه

این رویکردی است که به عنوان گرانش کوانتومی حلقه شناخته می‌شود. کلمه‌ی “حلقه” در این نظریه به این دلیل مطرح می‌شود که این نظریه بر اساس بازنویسی نظریه نسبیت عام اینشتین بر حسب خطوط (به جای نقاطی که به طور معمول انجام می‌شود) است. این بازنویسی فیزیک را تغییر نمی‌دهد، اما برخی از محاسبات را آسان‌تر می‌کند، به خصوص زمانی که صحبت از کمی‌سازی فضا-زمان می‌شود.

اما کوانتیزه کردن فضا-زمان به چه معناست؟ در نظریه گرانش کوانتومی حلقه، این بدان معناست که فضا-زمان به صورت واحدهایی بنیادی، اجزاء گسسته (کوانتا)، در مقیاس بسیار کوچک و نامحسوس وجود دارد. اگر بطور مثال بخواهیم همین صفحه را بزرگنمایی کنیم، منحنی‌های صاف و لبه‌های تمیز حروف کلمات به صورت تعداد زیادی مربع کوچک – پیکسل نمایان می‌شوند.

به همین ترتیب، اگر بخواهید روی فضا-زمان زوم کنید، می‌بینید که زمان به طور پیوسته به آینده پیش نمی‌رود، بلکه ساعت به صورت تیک‌ تاک‌های بسیار کوچک و گسسته پیش می‌رود. وقتی مثلا حرکت می‌کنید، یک حرکت نرم و یکنواخت نخواهد بود، بلکه به صورت گام‌های گسسته از یک پیکسل فضا-زمان به پیکسل دیگر است.

بزرگترین فایده این کوانتیزه کردنِ فضا-زمان این است که تکینگی‌ها به سادگی از بین می‌روند. در نسبیت عامِ اینشتین ، تکینگی‌ها به عنوان مکان‌هایی پدیدار می‌شوند که در آن نقاط، چگالی به سمت بی نهایت میل می‌کند و گرانش بی‌نهایت قوی می‌شود. این تکینگی‌ها در مکان‌هایی مثل مرکز سیاه‌چاله که گرانش بی‌نهایت قوی می‌شود و ابعاد بسیار کوچک می‌شود ظاهر می‌شوند. همچنین در بیگ‌بنگ (انفجار بزرگ) نیز تکینگی داریم. ما با وجود این تکینگی‌ها، درک فیزیکی درستی از آن‌چه که در اعماق سیاه‌چاله یا در لحظه نخست آغاز کیهان رخ داده نداریم. پس باید راهی برای رفع این تکینگی‌ها و فهم فیزیک آن‌ها بیابیم.

در گرانش کوانتومی حلقه، این تکینگی‌ها با قطعات بسیار کوچکِ ماده‌ی فوق متراکم (و احتمالاً فوق‌العاده عجیب و غریب) جایگزین می‌شوند. ما به سادگی آن شیاطین تکینگی را از جهان خود بیرون می‌کنیم و چیزی قابل درک را جایگزین آنها می‌کنیم.

نه یک دایره کامل

اما آن بلوک‌های فوق متراکم ماده چگونه به نظر می‌رسند؟ خوب، ما مطمئن نیستیم. ببینید، گرانش کوانتومی حلقه هنوز دقیقا کامل نیست. اگرچه ما موفق شده‌ایم بخشی از ریاضیات فضا-زمان “پیکسلی” را با استفاده از یک ابزار ریاضیاتی به نام شبکه‌های اسپین توسعه دهیم، اما بزرگترین مشکل این است که گرانش کوانتومی حلقه یک نظریه گرانش قوی در مقیاس‌های کوچک است، که باید به طور خودکار به یک نظریه گرانش ضعیف در مقیاس‌های عادی تقلیل یابد. این بدان معناست که اگر از ریاضیات گرانش کوانتومی حلقه را در موقعیت‌های معمول (گرانش ضعیف)، مانند چرخش زمین به دور خورشید، استفاده کنید، باید همان نتایجی را به دست آورید که از نسبیت عام یا فیزیک نیوتنی قدیمی به دست می‌آورید. به بیان دیگر، گرانش کوانتومی حلقه باید نسبیت عام اینشتین را در دل خود داشته باشد، و ما هنوز نمی‌دانیم که آیا این‌طور هست یا خیر. شما باید بتوانید از نمای فضا-زمان کوانتومی و پیکسلی در کوچکترین مقیاس‌ها، بزرگنمایی کنید و به بافت هموار و موج‌دار فضا-زمانِ نسبیت عام برسید و هیچ کس نمی‌داند چگونه می‌توان این کار را انجام داد.

البته مسائل دیگری نیز وجود دارند. نسبیت خاص به ما می‌گوید که ادراک زمان و مکان به سرعت ما بستگی دارد، اما درک ما از فیزیک بنیادی باید برای همه ناظرها یکسان باشد. اما ناظران مختلف دیدگاه‌های متفاوتی از اندازه پیکسل‌های کوانتیزه‌ شده‌ی فضا-زمان خواهند داشت که به‌ طور جدی برداشتِ آن‌ها از فیزیک را تغییر می‌دهد. پس این یک مشکل است.

گرانش کوانتومی حلقه هنوز ناقص است و ممکن است جواب ندهد. درست مانند خود، پسر عموی نظریه ریسمان، که آن نیز ادعا می‌کند یک نظریه کوانتومی برای گرانش است، ریاضیات گرانش کوانتومی حلقه نیز هیچ راه حل قابل اجرایی را نشان نمی‌دهد. ممکن است دانشمندان در آینده بتوانند رمز را بشکنند و راه را برای درک کامل نیروی گرانش هموار کنند.