سرمنشاء فضا و زمان

بوکمارک (1)

No account yet? Register

فضا و زمان را می‌توان از واقعیتی بنیادی‌تر استنباط کرد. درک ماهیت بنیادی فضا- زمان می‌تواند ما را به هدف نهایی فیزیک یعنی گرانش کوانتومی نزدیک کند.

بوکمارک (1)

No account yet? Register

آدام بکر (Adam Becker) یک نویسنده علم در آزمایشگاه ملی لارنس بروکلی و نویسنده‌ی کتاب “چه چیزی واقعی است؟” می‌باشد. کتاب او درباره‌ی بخش ناگفته‌ی تاریخچه مکانیک کوانتومی‌ است. نوشته‌های او در مجلات نیویورک تایمز، ‌‌BBC و غیره چاپ می‌شود. او دکترای کیهان‌شناسی خود را از دانشگاه میشیگان کسب کرده است.

ناتالی پکت (Natalie Paquette) زمان‌های بسیاری از عمر خود را صرف فکر کردن به این کرد که چگونه می‌توان یک بعد اضافه‌تر را بوجود آورد. ابتدا با دایره‌های کوچک شروع کنیم که در هر نقطه از فضا-زمان پراکنده شده‌اند، شبیه به یک بعد خمیده که به دور خودش حلقه می‌زند. سپس اگر رفته رفته دایره‌ها را کوچک‌ و کوچک‌تر کنیم و حلقه را تنگ‌تر، یک اتفاق نادر رخ می‌دهد: ابعاد این دایره‌ها، دیگر در حال کوچک شدن به نظر نمی‌رسد و در عوض بزرگ‌تر می‌شود. درست مانند زمانی که متوجه می‌شویم چیزی که از دور کوچک به نظر می‌آید در واقع از نزدیک بسیار عظیم الجثه است. پکت معتقد است که درست است که ما در حال کوچک کردن یک بعد فضایی هستیم اما وقتی که تلاش می‌کنیم آن را از یک نقطه معینی کوچک کنیم، یک جهت فضایی جدید و بزرگی به جای آن پدیدار می‌شود.

پکت، فیزیکدان نظری در دانشگاه واشنگتن، تنها کسی نبوده است که تا کنون درباره‌ی این نوع عجیب از دگرگونی ابعادی فکر کرده است. پژوهش‌های جمع کثیری از فیزیکدان‌ها که در شاخه‌های مختلف با رویکردهای متفاوتی کار می‌کنند، به طور روزافزونی همگی به یک ایده ژرف منتهی می‌شوند: فضا و شاید حتی زمان یک پدیده‌ی بنیادی نباشند بلکه ممکن است آن‌ها ناشی از رفتار و یا ساختار مؤلفه‌های بنیادی‌تر طبیعت باشند. در عمیق‌ترین سطح از واقعیت، برای پرسش‌هایی مانند کجا؟ و چه‌ وقت؟ شاید هرگز نتوان پاسخی پیدا کرد. پکت می‌گوید: ما سرنخ‌های زیادی از فیزیک داریم که به ما می‌گویند فضا-زمانی که تا کنون درک کرده‌ایم یک مفهوم بنیادی نیست.

شاید فضا و زمان یک پدیده‌ی بنیادی نباشند بلکه ممکن است آن‌ها ناشی از رفتار و یا ساختار مؤلفه‌های بنیادی‌تر طبیعت باشند.

این ایده‌های افراطی در واقع از تلاش‌های یک قرن اخیر برای شکار نظریه گرانش کوانتومی ناشی می‌شود. بهترین نظریه‌ی گرانشی فیزیکدان‌ها، نظریه نسبیت عام است که در آن اینشتین مفهوم معروف خود را در باب این‌که چطور ماده، فضا-زمان را خمیده می‌کند، مطرح کرده‌ است. از طرفی دیگر بهترین نظریه حاکم بر سایر چیز‌ها مکانیک کوانتومی است که درباره‌ی خواص ماده، انرژی و ذرات بنیادی به طرز شگفت‌انگیزی دقیق عمل می‌کند. هر دوی این نظریه‌ها از همه‌ی راستی‌آزمایی‌هایی که فیزیکدان‌ها در طول قرن اخیر توانستند تدبیر کنند، سربلند بیرون آمده‌اند. ممکن است به نظر برسد که با کنار هم قرار دادن این دو، نظریه همه ‌چیز را خواهیم داشت.

اما این دو نظریه با هم سازگاری ندارند. اگر از نظریه نسبیت عام بخواهیم برایمان اتفاقی که در چارچوب فیزیک کوانتومی رخ می‌دهد را توضیح دهد، به تناقضاتی در معادلات با بی‌نهایت‌های رام نشده می‌رسیم که محاسبات ما را بهم می‌ریزند. طبیعت می‌داند که چطور گرانش را بر چارچوب کوانتومی اعمال کند. این اتفاق در لحظات ابتدایی مه‌بانگ رخ داده است و هنوز در قلب سیاه‌چاله‌ها در حال رخ دادن است. اما ما انسان‌ها هنوز به دنبال پی بردن به چگونگی رخ دادن این حقه هستیم. بخشی از این مشکل در رویکرد‌ی است که این دو نظریه در مواجه با فضا-زمان دارند. درحالی که فیزیک کوانتوم با فضا و زمان به عنوان یک عنصر تغییرناپذیر برخورد می‌کند، نسبیت عام آن‌ را برای صبحانه می‌پیچد.

یک نظریه گرانش کوانتومی تقریباً باید بتواند این دو ایده‌ را درباره‌ی فضا-زمان با هم تطبیق بدهد. یک راه دست‌یابی به این توافق می‌تواند این باشد که این مشکل را از سر منشاء آن حذف کرد یعنی با در نظر گرفتن فضا و زمان ناشی شده از چیزی بنیادی‌تر. در سال‌های اخیر چندین رویکرد مختلف در تحقیقات پیشنهاد کرده‌اند که در عمیق‌ترین سطح از واقعیت، فضا و زمان به آن صورتی که در دنیای هر روزه‌ تجربه می‌کنیم، وجود ندارند. در طول دهه‌ی گذشته این ایده‌ها به صورت افراطی، تفکر فیزیکدان‌ها درباره‌ی سیاه‌چاله‌ها را تغییر داده‌اند. در حال حاضر محققان از این مفاهیم برای توضیح دادن عملکرد یک مفهوم حتی عجیب‌تر استفاده می‌کنند: کرم‌چاله‌ها، اتصالات تونل-مانند فرضی میان نقاط دوردست در فضا-زمان. این موفقیت‌ها منجر به امید به یک پیشرفت حتی پربارتر شده‌ است. اگر فضا-زمان برآینده از مفاهیم بنیادی‌تری باشد، پی بردن به این‌که از کجا آمده است یعنی در واقع چطور از آن مفهوم دیگر ناشی شده است، ممکن است همان کلید گمشده ما برای دست‌یابی به نظریه‌ی همه چیز باشد.

جهان در یک دونوازی ریسمان‌ها

این روزها معروف‌ترین نظریه کاندید در میان فیزیکدان‌ها برای گرانش کوانتومی ، نظریه ریسمان است. طبق این نظریه، ریسمان‌ها سازنده‌های بنیادی ماده و انرژی هستند که منجر به بوجود آمدن ذرات بنیادی زیر اتمی بی‌شماری می‌شوند که در شتاب‌دهنده‌های بزرگ دنیا دیده شده‌‌اند. آن‌ها حتی مسئول گرانش نیز هستند، به طوری که یک ذره فرضی به نام گراویتون که حامل نیروی گرانشی‌ست، یک نتیجه‌ی بدیهی برای این نظریه محسوب می‌شود.

اما نظریه ریسمان به سختی قابل فهم است. این نظریه در قلمرو ریاضیات زندگی می‌کند که دهه‌ها طول کشیده است تا فیزیکدانان و ریاضیدانان قادر به توضیح آن شوند. اکثر ساختارهای نظری آن هنوز نامعلوم است، پیش‌بینی‌های آن در دست بررسی است و نقشه آن هنوز کامل نشده است. در این قلمرو جدید، اصلی‌ترین تکنیکی که می‌تواند راهنمای ما باشد استفاده از دوگانگی‌های ریاضی است یعنی تناظر میان یک نوع سیستم با دیگری.

یک مثال از این دوگانگی‌ها از ابتدای این مقاله می‌تواند تناظر میان کوچک و بزرگ باشد. تلاش برای جا دادن یک بعد در یک فضای کوچک به زبان نظریه ریسمان نتیجه‌اش این خواهد بود که از نظر ریاضی به چیزی مشابه با دنیایی می‌رسیم که در آن، این بعد بزرگ است. این دو موقعیت یکسان هستند و بنابر نظریه ریسمان، ما می‌توانیم آزادانه از یکی به دیگری رفته و از تکنیک‌های یکی از این موقعیت‌ها استفاده کنیم تا بفهمیم موقعیت‌ دیگری چگونه کار می‌کند. پکت می‌گوید:«اگر شما به دقت اجزای بنیادی سازنده این نظریه را دنبال کنید، به طور طبیعی نیاز به وجود یک بعد فضایی دیگر را حس می‌کنید.»

یک دوگانگی ساده به فیزیکدانان نظریه ریسمان پیشنهاد می‌کند که فضا ماهیت ناشی‌شدگی یا ظهور یافتگی (Emergence) دارد. این ایده از سال ۱۹۹۷ شروع شد وقتی که خوان مالداسنا(Juan Martín Maldacena)، فیزیکدانی در موسسه مطالعات پیشرفته، دوگانگی میان یک نوع شناخته شده‌ی نظریه میدان‌های کوانتومی به نام نظریه میدان همدیس(CFT) و یک نوع بخصوص از فضا-زمان نسبیت عام به نام فضای پاد-دو سیتر(AdS)، را مطرح کرد. این دو نظریه‌های بسیار متفاوتی به نظر می‌رسیدند. CFT هیچ گرانشی در خود ندارد و فضای AdS شامل همه‌ی نظریه‌های گرانشی اینشتین می‌شود. و حالا می‌بینیم که ریاضیات مشابهی قادر به توضیح هر دوی این‌ها است. وقتی تناظر  AdS/CFT کشف شد، منجر به پدید آمدن یک پیوند ریاضی ملموس میان نظریه کوانتوم و همه‌ی جهان دارای گرانش شد.

اگر با دقت بررسی کنیم، متوجه می‌شویم که فضای AdS در تناظر AdS/CFT یک بعد اضافه‌تر نسبت به CFT کوانتومی دارد. اما فیزیکدانان از این عدم تطابق بسیار خرسند شدند چرا که این یک نمونه کاملاً کار شده از نوع دیگری از تناظر بود که چند سال قبل‌تر توسط فیزیکدان هلندی از دانشگاه اوترخت، جرارد تهوفت (Gerard ‘t Hooft) و لئوناردو ساسکیند(Leonard Susskind) از دانشگاه استنفورد ثابت شده بود که به آن اصل هولوگرافیک می‌گویند. به دلیل بعضی از خواص منحصر به فرد سیاه‌چاله‌ها، تهوفت و ساسکیند گمان بردند که ویژگی‌های یک ناحیه از فضا ممکن است توسط مرز آن به طور کامل رمزنگاری شده باشد. به عبارتی دیگر سطح دو بعدی یک سیاه‌چاله ممکن است شامل همه‌ی اطلاعاتی باشد که داخل آن در بعد سوم وجود دارد، درست مانند یک هولوگرام. ساسکیند می‌گویند:« مردم زیادی فکر کردند ما دیوانه شدیم و انگار دو فیزیکدان خوب از دست رفته‌اند!»

به طور مشابه در تناظر AdS/CFT، در بعد چهارم CFT همه‌چیز درباره‌ی بعد پنجم فضای AdS کدگذاری شده است. در این سیستم، بقیه‌ی نواحی فضا-زمان از برهمکنش‌های میان مؤلفه‌های سیستم کوانتومی در نظریه میدان همدیس ساخته می‌شوند. مالداسنا این فرایند را به خواندن یک رمان تشبیه می‌کند:« وقتی که شما یک داستان را در یک کتاب تعریف می‌کنید، شخصیت‌هایی هم برای داستان خود دارید. اما چیزی که وجود دارد در واقع تنها یک خط از متن است. کاری که شخصیت‌ها انجام می‌دهند از این خط متن استنباط می‌شود. شخصیت‌های این کتاب مانند نظریه حجیم AdS خواهد بود و آن خط متن CFT است.»

اما سؤال این‌جاست که منظور از فضا در AdS کجاست؟ اگر این فضا ناشی شده از چیز بنیادی‌تری است، آن چیز چه خواهد بود؟ جواب در یک نوع بخصوص و عجیبی از برهمکنش‌های کوانتومی در CFT نهفته است: درهمتنیدگی، به معنای ارتباط از راه دور اجسامی که همبستگی رفتاری آن‌ها به صورت آنی از نظر آماری محتمل نیست. درهمتنیدگی همان موضوعی است که اینشتین را به دردسر انداخته بود و او آن را کنش شبح‌گون از راه دور تعبیر می‌کرد.

در حال حاضر درهمتنیدگی علیرغم ماهیت مرموزی که دارد هسته‌ی فیزیک کوانتومی است. وقتی در مکانیک کوانتومی دو جسم با هم برهمکنش می‌کنند، آن‌ها به طور کلی درهمتنیده می‌شوند و تا زمانی که از بقیه‌ی جهان جدا شوند، فارغ از این‌که چقدر از هم دور شوند، درهمتنیده باقی می‌مانند. در آزمایشات، فیزیکدان‌ها درهمتنیدگی را میان ذراتی با فاصله‌ی بیش از ۱۰۰۰ کیلومتر حفظ کردند و حتی میان ذراتی که یکی در زمین و جفت درهمتنیده آن به ماهواره‌ای چرخان فرستاده شده باشد. در اصل دو ذره‌ی درهمتنیده حتی قادر خواهند بود تا ارتباطشان را در دو قسمت مخالف کهکشان و یا حتی کیهان هم حفظ کنند. این حقیقت که فاصله در درهمتنیدگی بی‌اهمیت است، پازلی بود که تا دهه‌ها فیزیکدانان را به دردسر انداخته بود.

آیا ما در نهایت به ماهیت حقیقی فضا و زمان پی خواهیم برد؟

اگر فضا بنیادی نباشد، این خاصیت درهمتنیدگی که در فواصل دور هم ماناست، دیگر خیلی هم مرموز نخواهد بود چرا که فاصله یک چیز برساختی است. با توجه به مطالعات صورت گرفته در تناظر AdS/CFT توسط  شینسی ریو (Shinsei Ryu) از دانشگاه پرینستون و تاداشی تاکایاناگی(Tadashi Takayanagi) از دانشگاه کیوتو، درهمتنیدگی همان چیزی است که در ابتدا در فضای AdS منجر به ایجاد فواصل می‌شود. هر دو ناحیه‌ی نزدیک بهم در فضای AdS متناظر است با دو مؤلفه‌ی کوانتومی بسیار درهمتنیده در CFT. هر چقدر این درهمتنیدگی بیشتر باشد، این دو ناحیه در فضا به هم نزدیک‌تراند.

در سال‌های اخیر فیزیکدان‌ها به این نتیجه رسیده‌اند که ممکن است این رابطه برای جهان ما نیز وجود داشته باشد. ساسکیند می‌گوید:« چه چیزی فضا را کنار هم قرار داده و از اینکه به زیرفضاهای کوچک‌تر تبدیل شود جلوگیری می‌کند؟ جواب، درهمتنیدگی میان دو قسمت از فضاست. در واقع تداوم و اتصال فضا مدیون وجود درهمتنیدگی مکانیک کوانتومی است.» بنابراین درهمتنیدگی ممکن است همان زیر ساختار فضا باشد که تار و پود هندسه جهان را بوجود آورده است. ساسکیند تأکید می‌کند که اگر شما بتوانید درهمتنیدگی را نادیده بگیرید، فضا از هم‌ می‌پاشد و دیگر چیزی نخواهد بود که از آن ناشی شود.

اگر فضا از درهمتنیدگی ناشی شده باشد، معمای گرانش کوانتومی بسیار ساده خواهد شد به این صورت که به جای آن‌‌که تلاش کنیم فضا را به روش‌های کوانتومی پیچ و تاب بدهیم، خود فضا به صورت بنیادی از پدیده‌ای کونتومی زاده شده است. ساسکیند براین باور است که به همین دلیل بوده است که رسیدن به نظریه گرانش کوانتومی در ابتدا آن‌قدر مشکل به نظر می‌رسید:« من فکر می‌کنم دلیلی که این نظریه نتوانست به خوبی کار کند این بود که باید دو چیز متفاوت را کنار هم قرار داد، نسبیت عام و مکانیک کوانتومی. نکته این‌جاست که اتفاقاً این دو آن‌قدر به هم وابسته هستند که نمی‌توان آن‌ها را از هم جدا کرد تا دوباره کنار هم قرار بگیرند. اصلاً چیزی به نام گرانش بدون مکانیک کوانتومی وجود ندارد.»

با در نظر گرفتن تنها فضا به عنوان یک ماهیت غیربنیادی فقط نصف راه را آمده‌ایم. از آن‌جایی که فضا و زمان به صورت تنگاتنگی در نسبیت به هم متصل هستند، هر چیزی که برای فضا تا به حالا در نظر گرفتیم باید برای زمان هم صادق باشد. مارک فون ‌رامسدوک (Mark van Raamsdonk)، فیزیکدان دانشگاه بریتیش کلمبیا و یکی از پیشگامان برقراری ارتباط میان درهمتنیدگی و فضا-زمان می‌گوید:« زمان هم باید از چیزی ناشی شده باشد اما این مسئله شناخته شده نیست و هنوز در پژوهش‌ها دنبال می‌شود.» یک موضوع پژوهشی داغ دیگر استفاده از فضا-زمان ناشی‌‌شده (ظهور یافته) برای فهمیدن کرم‌چاله‌هاست. قبل‌تر بسیاری از فیزیکدان‌ها معتقد بودند که فرستادن اجسام به داخل یک کرم‌چاله، حتی از لحاظ نظری هم غیرممکن است. اما در سال‌های اخیر فیزیکدانانی که بر روی تناظر AdS/CFT و مدل‌های مشابه کار می‌کردند، راه‌های جدیدی برای ساخت کرم‌چاله‌ها پیدا کردند. رامسدوک می‌گوید:« ما نمی‌دانیم که آیا می‌توانیم این عمل را در کیهان خودمان انجام دهیم یا نه. اما تنها چیزی که می‌دانیم این است که تعدادی از انواع مشخص کرم‌چاله‌ها از لحاظ نظری ممکن هستند.» دو مقاله، یکی در سال ۲۰۱۶ و دیگری در ۲۰۱۸، منجر به هجوم روزافزونی به سمت این زمینه پژوهشی شد. اما حتی اگر امکان ساخت کرم‌چاله‌های برگشت‌پذیر وجود داشته باشد، خیلی نمی‌توان از آن‌ها برای سفرهای فضایی استفاده کرد. همانطور که ساسکیند معتقد است که نمی‌توان سریع‌تر از سرعت نور به درون سیاهچاله سفر کرد.

فضایی برای تفکر

اگر حق با نظریه‌پردازان ریسمان باشد، فضا از درهمتنیدگی کوانتومی بوجود آمده است و زمان نیز هم. ولی این دقیقاً به چه معناست؟ چگونه فضا از درهمتنیدگی میان اجسامی ساخته شده که خود این اجسام جایی از فضا قرار دارند؟ چگونه این اجسام قادر خواهند بود بدون تجربه‌ی زمان درهمتنیده شوند و تغییر کنند؟ و چه نوع ماهیتی بدون سکونت در فضا و زمان کسب می‌کنند؟

این‌ها پرسش‌هایی‌ست در آستانه‌ی نزدیک شدن به قسمت فلسفی علم قرار دارد و در واقع فیلسوفان فیزیک پیشه بسیار این‌گونه پرسش‌ها را جدی می‌گیرند همانطور که النور ناکس(Eleanor Knox)، فیلسوف فیزیک‌پیشه‌ از دانشگاه کینگز لندن می‌پرسد:« اصلاً چطور ممکن است که فضا-زمان از چیزی ناشی شده باشد که خودش هم ممکن است بنیادی نباشد.»  ظاهراً او فکر می‌کند که این امر غیرممکن است. اما او مشکل را از بینش ما می‌داند. انسان‌ها در ساوانای آفریقا در حال تعامل با اشیاء کلان و سیالات کلان و حیوانات بیولوژیکی هستند و تمایل به انتقال به دنیای مکانیک کوانتومی ندارد اما وقتی نوبت به گرانش کوانتومی می‌رسد، می‌پرسند کجاست؟ و کجا زندگی می‌کند؟ او فکر می‌کند این‌ها پرسش‌های درستی نیستند.

قطعاً درست است که اجسام در طول روز در مکان‌هایی زندگی می‌کنند. اما همان‌طور که ناکس و بسیاری دیگر اشاره کرده‌اند، این به معنای بنیادی بودن فضا و زمان نیست همان‌طور که به معنای مطلق ناشی‌‌‌‌شدگی آن‌ها از چیزی بنیادی‌تر هم نیست. کریستیان وتریچ (Christian Wüthrich)، یک فیلسوف فیزیک پیشه از دانشگاه ژنو، از ما می‌خواهد یک مایع را در نظر بگیریم که در نهایت تنها ذرات بنیادی است، مانند الکترون‌ها و پروتون‌ها و نوترون‌ها و یا حتی بنیادی‌تر، کوارک‌ها و لپتون‌ها. آیا کوارک‌ها و لپتون‌ها دارای خواص مایع هستند؟ این اصلاً منطقی نیست، درسته؟… با این حال وقتی که این ذرات بنیادی در تعدادی کافی کنار هم جمع می‌شوند، همه یک رفتار بخصوصی را نشان می‌دهد، جوری رفتار می‌کنند که شبیه یک مایع است.

وتریچ باور دارد که فضا و زمان هم در نظریه ریسمان و دیگر نظریه‌های گرانش کوانتومی به همین صورت باید عمل کند. فضا-زمان بخصوص ممکن است از چیزهایی ناشی شده باشد ما همیشه به عنوان عناصر زنده در جهان از آن‌ها یاد می‌کنیم، یعنی ماده و انرژی. وتریچ می‌گوید:«این‌گونه نیست که ابتدا فضا و زمان داشته باشیم و سپس مقداری ماده به آن اضافه کنیم. بلکه شاید چیزی مادی لازم باشد که فضا و زمان بوجود آیند. همچنان یک ارتباط بسیار نزدیک وجود دارد اما چیزی متفاوت از آن‌چه که از ابتدا فکر می‌کردید است.»

اما راه‌های دیگری هم برای تعبیر چیزی که گفته شد، وجود دارد. تناظر AdS/CFT همیشه به عنوان مثالی برای توضیح چگونگی ناشی شدن فضا-زمان از یک سیستم کوانتومی در نظر گرفته می‌شود اما ممکن است دقیقاً چیزی که نشان‌ می‌دهد، نباشد. با توجه به گفته‌های یک فیلسوف فیزیک ‌پیشه از دانشگاه کالیفرنیا-داویس، یعنی آلیسا نی(Alyssa Ney)، تناظر AdS/CFT به ما این قابلیت را می‌دهد تا یک فرهنگ لغت میان حقایق مربوط به فضا-زمان و مکانیک کوانتومی بدست آوریم. «این دیکشنری با این ادعا که فضا-زمان ناشی شده از چیز بنیادی‌تر است و برخی نظریه‌های کوانتومی بنیادی هستند، سازگار است.» اما برعکس این امر هم درست خواهد بود، یعنی تناظر AdS/CFT ممکن است بدین معنا باشد که آن نظریه کوانتومی ناشی شده از چیز بنیادی‌تر و فضا-زمان بنیادی باشد، یا حتی هیچ کدام بنیادی نبوده و یک نظریه بنیادی‌تر بیرون از این دو منتظر ماست. آلیسا نی بر این باور است که ناشی شدگی (Emergence) یک ادعای بزرگ است اما به هر حال از امکان آن استقبال می‌کند:« تنها با بررسی تناظر AdS/CFT، من دلیل واضحی برای دلالت بر ناشی شدگی فضا-زمان نمی‌بینم.»

یک چالش بحث‌برانگیز دیگر در تفسیر نظریه ریسمان درباره‌ی ناشی شدگی فضا-زمان، از دید عموم پنهان است که اتفاقاً در نام این تناظر دیده می‌شود. همانطور که ساسکیند می‌گوید ما در فضا پاد-دوسیتر زندگی نمی‌کنیم بلکه در چیزی بسیار نزدیک‌تر به فضای دوسیتر زندگی می‌کنیم. فضای دوسیتر یک جهان شتاب‌دار و درحال انبساطی را توصیف می‌کند که بسیار شبیه به جهان ماست. ما نمی‌توانیم این ایده‌ مبهم را که هولوگرافی چگونه در آن جهان عمل می‌کند، دریابیم. دریافتن این‌که چگونه می‌توان این تناظر را میان فضایی بسیار شبیه به جهان خودمان برقرار کرد، یکی از مسائل مشکل‌زا برای نظریه پردازان ریسمان است. امسدوک می‌گوید:« من فکر می‌کنم ما می‌توانیم به فهم بهتری دست یابیم، اگر یک نسخه کیهان‌شناسی آن را در نظر بگیریم.»

این‌گونه نیست که ابتدا فضا و زمان داشته باشیم و سپس مقداری ماده به آن اضافه کنیم. بلکه شاید چیزی مادی لازم باشد که فضا و زمان بوجود آیند.

در نهایت، خبرهای اخیری که از شتاب‌دهنده‌های ذرات می‌رسد، هیچ نشانی از وجود ذرات اضافی‌تر که توسط نظریه ابرتقارن، ایده‌ای که نظریه ریسمان بر پایه‌ی آن بنا شده، پیش‌بینی می‌شود، وجود ندارد. ابرتقارن القا می‌کند که همه‌ی ذرات شناخته شده باید ابرجفت(Superpartner) خود را داشته باشند و تعداد ذرات بنیادی را دوبرابر می‌کند. اما برخورد‌دهنده هادرونی بزرگ سرن در نزدیکی شهر ژنو که قسمتی از آن برای یافتن این ابرجفت‌ها طراحی شده است، تاکنون نشانی از وجود آن‌ها دریافت نکرده است. ساسکیند می‌گوید:« همه‌ی نسخه‌های دقیق از فضا-زمان ناشی شده در واقع در نظریه‌ ابرتقارن است. وقتی ابرتقارن را نداشته باشیم، قابلیت اینکه از نظر ریاضی بتوانیم معادلات را دنبال کنیم از دستانمان محو می‌شود.»

اتم‌های فضا-زمان

نظریه ریسمان تنها ایده‌ای نیست که فضا-زمان ناشی شده را پیشنهاد می‌دهد. ابهای اشتکار(Abhay Ashtekar)، فیزیکدان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در امریکا، می‌گوید:« نظریه ریسمان نتواست به قول خود مبنی بر متحد کردن نیروی گرانش و مکانیک کوانتومی عمل کند. قدرت نظریه ریسمان در حال حاضر در مهیا کردن ابزار بسیار قوی‌ای است که به صورت گسترده در همه‌ی طیف‌های فیزیک دارد مورد استفاده قرار می‌گیرد.» اشتکار یکی از اصلی‌ترین پیشگامان در ایده جایگزین نظریه ریسمان یعنی گرانش کوانتومی حلقه‌ای است. در این نظریه، فضا و زمان آن‌طور که در نسبیت صاف و پیوسته هستند، وجود ندارند و در عوض آن‌ها از مؤلفه‌های گسسته تشکیل شده‌اند. چیزی که او آن‌ها را تکه‌ها یا اتم‌های فضا-زمان می‌نامد.

این اتم‌های فضا-زمان در یک شبکه توسط سطوح یک‌بعدی و دوبعدی به هم متصل شده‌اند تا آن چیزی که متخصصان گرانش کوانتومی حلقه‌ای آن را کف اسپین (Spin foam) می‌نامد، را بسازند. علیرغم اینکه این فوم در دو بعد محدود شده است، منجر به وجود جهان چهار بعدی ما با سه بعد فضایی و یک بعد زمانی می‌شود. اشتکار آن را به بک لباس تشبیه می‌کند:« اگر شما تی‌شرتتان را در نظر بگیرید، یک سطح دو بعدی به نظر می‌رسد. اما اگر با یک ذره‌بین به آن نگاه کنید تنها رشته‌های یک بعدی می‌بینید. این به این صورت است که آن نخ‌ها جوری فشرده کنار هم جمع شده‌اند که برای همه‌ی اهداف عملی، شما آن را به عنوان یک تی‌شرت با سطح دو بعدی درنظر می‌گیرید. بنابراین همانند این مثال، فضای اطراف ما نیز مثل یک فضای سه بعدی پیوسته به نظر می‌رسد. اما در واقع این پیشامد حاصل تلاقی اتم‌های فضا-زمان است.»

با این‌که نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی حلقه‌ای هر دو فضا-زمان ناشی شده را پیشنهاد می‌کنند، نوع این ناشی شدگی در آن‌ها متفاوت است. نظریه ریسمان می‌گوید فضا-زمان (یا حداقل فضا) از رفتار یک سیستم به ظاهر غیروابسته به شکل درهمتنیدگی، ناشی می‌شوند. به این فکر کنید که چطور ترافیک از تصمیمات جمعی رانندگان پدید می‌آید. ماشین‌ها از ترافیک ساخته نشده‌اند بلکه ترافیک را ساخته‌اند. از طرف دیگر در گرانش کوانتومی حلقه‌ای، این ناشی شدگی بیشتر شبیه به یک تپه شنی شیب‌دار است که از حرکت جمعی دانه‌های شن در باد پدید می‌آید. فضا-زمان مسطح شناخته شده از رفتار جمعی تکه‌‌های کوچک فضا-زمان است؛ مانند آن تپه، دانه‌ها هنوز شن هستند حتی اگر، دانه‌های کریستالی درشت شبیه به تپه‌های شنی مواج عمل نکنند.

با وجود این تفاوت‌ها، هر دوی این نظریه‌ها فضا-زمان را ناشی شده از واقعیتی بنیادی‌تر می‌دانند. هیچ کدام از آن‌ها هم تنها نظریه‌ پیشنهادی برای گرانش کوانتومی نیستند. نظریه مجموعه علّی(Causal set theory)، یکی دیگر از رقبای نظریه گرانش کوانتومی است که آن هم معتقد است فضا و زمان از اجزای بنیادی‌تری ساخته شده‌اند. ناکس می‌گوید:

« واقعاً شگفت‌انگیز است که اکثر نظریه‌های قابل قبول گرانش کوانتومی‌، به نوعی پیامشان این است که فضا-زمان نسبیت عامی، در سطح بنیادی وجود ندارد. مردم بسیار هیجان زده می‌شوند، وقتی می‌بینند تئوری‌های مختلف گرانش کوانتومی حداقل بر سر یک چیز توافق دارند.»

آینده فضا در گذر زمان

فیزیک مدرن قربانی موفقیت‌های خودش است. از آن‌جایی که هر دوی فیزیک کوانتومی و نسبیت عام به شکل طبیعی‌ای دقیق هستند، گرانش کوانتومی تنها باید قادر به توضیح موقعیت‌های پرزحمت‌تر باشد یعنی حالاتی که مقدار بسیار زیادی ماده در حالات غیرقابل درک کوچکی گیر افتاده‌اند. این شرایط تنها در تعدادی کمی از مناطق طبیعت وجود دارند، مانند مرکز سیاه‌چاله‌ها. آن‌ها در حتی بزرگترین و قدرتمندترین آزمایشگاه‌های فیزیکی هم دیده نمی‌شوند. ممکن است یک شتابدهنده ذرات به اندازه‌ی یک کهکشان لازم باشد تا بتوان رفتار طبیعت را به طور مستقیم در حضور گرانش کوانتومی ارزیابی کرد. این کمبود داده‌های مستقیم آزمایشگاهی، قسمت بزرگی از دلیل طولانی شدن پژوهش‌ها در زمینه‌ی گرانش کوانتومی را شامل می‌شود.

در مواجه با فقدان شواهد برای این نظریه، اکثر فیزیکدان‌ها امید خود را به آسمان بسته‌اند. در لحظات ابتدایی مه‌بانگ، همه‌ی جهان از نظر پدیدارشناختی کوچک و فشرده بوده‌ است، دقیقا موقعیتی که گرانش کوانتومی قادر به توضیح آن است. پژواک آن دوران ممکن است در فضا مانده باشد. مالداسنا می‌گوید:

«من فکر می‌کنم بهترین برگ برنده ما برای رسیدن به گرانش کوانتومی از طریق کیهان‌شناسی باشد. شاید چیزی در کیهان‌شناسی وجود داشته باشد که در حاضرغیرقابل پیش‌بینی به نظر می‌رسد اما در آینده بتواند همه‌ی نظریه گرانش کوانتومی را پیش‌بینی کند و یا حتی به چیز جدیدتری برسیم که تا کنون فکرش را هم نمی‌کردیم.»

با این حال ممکن است آزمایشات حداقل به طور غیرمستقیم برای ارزیابی نظریه ریسمان مفید واقع شوند. دانشمندان امید دارند که بتوانند تناظر AdS/CFT را نه از طریق آشکارسازی فضا-زمان بلکه با ساختن سیستم‌هایی متشکل از اتم‌های بسیار درهمتنیده بررسی کنند و ببینند که آیا تشابهی بین این سیستم و فضا-زمان و گرانش می‌توانند پیدا کنند. مالداسنا می‌گوید:« این آزمایشات ممکن است بعضی از خواص گرانش را داشته باشند اما شاید نه همه‌ی آن‌ها را. و این مسئله البته دقیقاً به تعبیر ما از گرانش وابسته است.»

آیا ما هرگز به ماهیت اصلی فضا و زمان پی خواهیم برد؟ داده‌های مشاهده شده از فضا ممکن است که به این زودی‌ها به دست ما نرسد. آزمایشات ممکن است تنها یک شکست باشند. و همان‌طور که همه فیلسوفان بهتر می‌دانند، در واقع این پرسش‌ها درباره‌ی ماهیت اصلی فضا و زمان قدمت بسیاری دارند همانطور که فیلسوف پارمنیدس ۲۵۰۰ سال پیش گفته است که آن‌چه وجود دارد هر چیزی است که حالا هست و همان ادامه دارد. همه‌چیز پر از پرسش‌هاست. پارمنیدس اصرار داشت که زمان و تغییرات آن توهمی بیش نیستند و این‌که همه‌چیز در همه‌جا یک چیز یکسان است. شاگرد او به نام زنون پارادوکس‌های معروفی را ساخت تا نظر استادش را ثابت کند و ادعا می‌کرد می‌تواند نشان دهد حرکت در هر فاصله‌ای غیرممکن است. کار آن‌ها منجر به ایجاد این پرسش شد که آیا واقعاً فضا و زمان تا حدودی اوهام  هستند. این یک فلسفه‌ی مشوش کننده بود که فلسفه‌ی غرب را برای بیش از دو هزار سال تحت الشعاع قرار داده بود.

وتریچ می‌گوید:« این حقیقت که مردمان یونان باستان پرسش‌هایی مثل این‌که فضا چیست؟ زمان کدام است؟ تغییر چگونه است؟ را در سر داشته‌اند و این‌که ما هم هنوز از این نوع پرسش‌ها داریم، به این معناست که این‌ها پرسش‌های درستی هستند. با پرسیدن این‌گونه سؤال‌ها بوده است که تاکنون ما درباره‌ی فیزیک چیزهای زیادی آموخته‌ایم.»

4.3/5 - (6 امتیاز)
به اشتراک بگذارید
منبع Scientific American, February 2022
ممکن است شما دوست داشته باشید
ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

go2top