ذره از نظر علم فیزیک چیست؟

مرضیه فرجی

کارشناس مهندسی مکانیک.
کارشناس ارشد کیهانشناسی.
مترجم و مدرس زبان انگلیسی.
گاهی کوهنورد!
علاقه‌مند به نویسندگی.
محقق نوپیشه کیهان‌شناسی :)

با دانستن این نکته که تمام آنچه در عالم میبینیم، در کوچکترین مقیاس‌ها خود شامل ذرات مختلف است، این سوال را در ذهن ایجاد می‌کند که ذره چیست؟

پاسخ‌های زیادی می‌توان به این سوال داد اما هیچ یک از آن‌ها حقیقتا متقاعد کننده نیستند. الکترون‌ها، پروتون‌ها، کوارک‌ها و دیگر ذرات بنیادی، آن دسته اجرامی هستند که فاقد ذرات کوچکتر هستند و نمی‌توان آن‌ها را بسط داد. Mary Gaillard، فیزیکدان ذرات در دانشگاه برکلی کلفرنیا که موفق شده است در سال 1970 جرم دو نوع از کوارک‌ها را به درستی پیش‌بینی کند، در این باره می‌گوید: ما اساسا فرض می‌کنیم ذرات، اجسام نقطه‌گونه هستند که بار و جرم دارند. بدین ترتیب این سوال مطرح می‌شود که یک نقطه بدون بُعد چگونه می‌تواند دارای وزن باشد؟

فیزیکدان نظری دیگری با نام Xiao Gang Wen از دانشگاه ماساچوست پاسخ می‌دهد:

ما ذرات را “بنیادی” می‌نامیم. اما فراتر از این مفهوم، هیچ چیز برای ما مشخص نیست. هنگامی که دانشجویان از من در این مورد سوال می‌پرسند، پاسخی فراتر از این کلمه برای آن‌ها ندارم.

هنگامی که یک جسم را بررسی می‌کنیم، برای مطالعه دقیق آن می‌توانیم سراغ ذرات سازنده آن و جزئیاتش برویم. اما در مورد ذرات، از آنجایی که از هیچ ذره دیگری تشکیل نشده‌اند، باید به سراغ الگوهای ریاضیاتی برویم و ارتباط آن‌ها با واقعیت را با تمام عدم قطعیت‌هایش به عنوان تعریف ذره در نظر بگیریم.

هنگامی که مدت‌ها پیش از چندین فیزیکدان ذرات در مورد مفهوم ذره پرسیدم، هر کدام از آن‌ها تعاریف متفاوتی ارائه دادند. با این‌حال، تعاریف بیان شده نه تنها با یکدیگر در تضاد نیستند، بلکه هرکدام تعریف ذره را به صورت مختلفی بیان می‌کنند. آن‌ها همچنین از دو موضوع تحقیقاتی صحبت کردند که در تلاش هستند تا تعریف متقاعد کننده‌ای از ذره ارائه دهند.

این سوال که ذره چیست، حقیقتا سوال جالبی است. Wen می‌گوید:

امروزه شاهد پیشرفت‌های شگرفی در زمینه پاسخ‌دهی به این سوال هستیم. اما مسئله اینجاست که هنوز به یک تعریف جامع و یکتا نرسیده‌ایم. توصیف‌های مختلفی از یک ذره وجود دارد که همگی آن‌ها به نظر جالب می‌آیند.

ذره، تابع موج فروپاشیده است.

طرح چنین سوالی به دوران یونان باستان بازمی‌گردد که دموکریت فیلسوف، درباره حضور چنین اجسامی ادعا کرد. دو هزار سال بعد، آیزاک نیوتن و کریستین هویگنس در تلاش برای فهم این موضوع بودند که آیا نور از ذره ساخته شده است و یا حالت موجی دارد. کشف نظریه‌ی مکانیک کوانتومی در حدود 250 سال بعد نشان داد که هردو حالت برای نور پذیرفتنی است: نور از بسته‌های انرژی که فوتون نامیده می‌شوند تشکیل شده است. فوتون‌ها می‌توانند رفتاری ذره‌گونه و یا موج‌گونه داشته باشند.

با کشف این موضوع، مسئله دوگانگی موج-ذره تبدیل به یک موضوع عجیب در علم فیزیک شد. نظریه مکانیک کوانتومی در دهه 1920 نشان داد که برای توصیف ذرات و دیگر اجرام کوانتومی، نه توصیف ذره‌گونه و نه موج‌گونه کارایی ندارد و آنچه قابل استفاده است تابعی با نام تابع موج است – توابع ریاضیاتی تحول یابنده که احتمال در برداشتن ویژگی‌های مختلف توسط ذره را به نمایش می‌گذارند. تابع موجی که الکترون را نمایش می‌دهد، به عنوان مثال، اطلاعاتی در مورد مکان‌های محتملی که ذره امکان دارد در آن قرار بگیرد صحبت می‌کند. بدین ترتیب هیچگاه نمی‌توان با قاطعیت از مکان مشخص الکترون صحبت کرد. نکته عجیب اینجاست که وقتی یک آشکارساز شروع به اندازه‌گیری می‌کند، تابع موج الکترون به یک نقطه فرو می‌پاشد و ذره در آن موقعیت در آشکارساز مشخص می‌شود.

بدین ترتیب می‌توان یک ذره را تابع موج فرو پاشیده دانست. اما در دنیای واقعی این مفهوم چه معنایی دارد؟  چرا مشاهده کردن سبب فروپاشی یک تابع ریاضیاتی و در نتیجه آن ظاهر شدن یک ذره می‌شود؟ نتیجه اندازه‌گیری بر روی ذره چیست؟ تا نزدیک به یک قرن بعد، فیزیکدانان هیچ پاسخی برای این سوالات نداشتند.

یک ذره، حالت برانگیخته کوانتومی یک میدان است.

باوری که فیزیکدانان از ذره داشتند، با چنین تعریفی عجیب‌تر هم شد. در دهه 1930 فیزیکدانان دریافتند که مجموعه توابع موج تعداد زیادی فوتون منفرد، همانند موجی رفتار می‌کند که به علت حضور میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در فضا در حال گسترش است – تصویری کلاسیک از نور که در قرن 19 توسط جیمز کلارک مکسول ارائه شد. محققان پس دریافتند که می‌توانند نظریه میدان کلاسیک را کوانتیزه کنند. به عبارت دیگر میدان را طوری محدود کنند که فقط مجاز به در برداشتن مقادیر مشخصی از میدان به نام کوانتا باشد. علاوه بر فوتون‌ها – کوانتای نور- پاول دیراک و دیگر دانشمندان دریافتند که این ایده را می‌توان به الکترون و دیگر ذرات بنیادی نیز تعمیم داد:

براساس نظریه میدان‌های کوانتومی، ذرات حالت برانگیخته‌ای از میدان‌های کوانتومی هستند که تمام فضا را پر کرده‌اند.

در اثبات وجود چنین میدان‌های بنیادی، نظریه میدان کوانتومی ذرات را از مفاهیم حالت‌ مجزا می‌کند و آن‌ها را به عنوان بسته‌هایی از انرژی در نظر می‌گیرد که مفهومی به نام میدان را پدید می‌آورند. برخلاف تمام تعاریفی که از مفهوم میدان در عالم وجود دارد، دانشمندان آن را بدلی از ذره در نظر می‌گیرند زیرا بدین ترتیب می‌توانند اندازه‌گیری‌های دقیقی در هنگام اندرکنش بر روی ذره انجام دهند – ذرات در سطوح پایه‌ای با یکدیگر اندرکنش‌هایی انجام می‌دهند که در نتیجه آن‌ها عالم ما شکل گرفته است.

همزمانی که فیزیکدانان مطالعاتی بر روی حقیقت ذره و میدان‌های مربوطه انجام می‌دادند، دیدگاه موازی دیگری در حال شکل گرفتن بود. به نظر می‌رسد که خواص ذرات و میدان‌ها از الگوهای عددی خاصی پیروی می‌کند. با بسط دادن این الگوها، فیزیکدان‌ها قادر بودند حضور ذرات بیشتر را پیش‌بینی کنند. “هلن کوئین”، فیزیکدان برجسته ذرات در دانشگاه استنفورد می‌گوید:

هنگامی که الگوهای ریاضیاتی را رمزنگاری می‌کنیم، ریاضیات تبدیل به مفاهیم قابل پیش‌بینی می‌شود. در نتیجه فراتر از آنچه که می‌توان مشاهده کرد، در اختیارمان قرار می‌گیرد.

الگوها حتی قادر هستند با ارائه مفاهیم پیشرفته انتزاعی، دید ما از مفهوم ذره را گسترش دهند.

یک ذره حالتی از گروه است که غیرقابل تقلیل است.

Mark Van Raamsdonk روزی از شروع کلاس‌های خود در دوره تحصیلات تکمیلی در دانشگاه پرینستون را به یاد می‌آورد که در اولین جلسه درس نظریه میدان کوانتومی، استاد پس از ورود به کلاس پرسید: ذره چیست؟

و یکی از دانشجویان در پاسخ به این سوال گفت: حالتی غیرقابل تقلیل از گروه پوانکاره.

استاد با دریافت چنین پاسخ عمیقی، بدون هیچ توضیح اضافه‌ای به سراغ درس رفت. Mark Van Raamsdonk در ادامه می‌گوید: در طول این درس حتی یک کلمه هم یاد نگرفتم. او اکنون یک فیزیکدان نظری در دانشگاه بریتیش کلمبیا است.

پاسخی که دانشجو به سوال استاد داده بود، یعنی نمایشی از گروه‌های تقارنی، پاسخی است که افراد دارای مطالعه در این زمینه، می‌توانند ارائه دهند.

برای مثال یک مثلث متساوی الاضلاع را در نظر بگیرید. چرخش آن با زوایای 120 یا 240 درجه، منعکس کردن آن در امتداد یک خط از هر گوشه، یا از نقطه میانی درون مثلث، هیچ تغییری در آن ایجاد نمی‌کند. دسته‌ای از تقارن‌ها وجود دارند که تعریف میدان را بیان می‌کنند. گروه‌ها را می‌توان به کمک مجموعه‌ای از ماتریس‌ها در ریاضی بیان کرد –آرایه‌ای از اعداد که وقتی در مختصات مثلث ضرب می‌شوند، نتایج مشابه را برمی‌گردانند. چنین مجموعه‌ای از ماتریس‌ها نمایشی از یک گروه متقارن است.

به طور مشابه، الکترون‌ها، فوتون‌ها و سایر ذرات بنیادی نیز اجسامی هستند که در صورت اعمال عملیاتی خاص، ثابت و بدون تغییر باقی می‌مانند. به عبارت دیگر ذرات نمودهایی از گروه پوانکاره هستند: گروهی از 10 روش مختلف که در فضا-زمان پیوسته جابجا می‌شوند. اجسام می‌توانند در راستای فضایی سه بعدی حرکت کنند و یا در زمان جابجایی داشته باشند. همچنین می‌توانند در سه جهت بچرخند و یا در هر کدام از این جهت‌ها، خیز (boost) داشته باشند. در سال 1939، ریاضی فیزیکدان مشهور Eugene Wigner، ذره را جسمی ساده توصیف کرد که می‌تواند تغییر مکان دهد، بچرخد و یا بخیزد.

او دریافت جسمی که می‌تواند تحت این ده تبدیل پوانکاره تغییر شکل دهد،  مجموعه حداقلی از ویژگی‌های مشخصی وجود دارد که می‌توان چنین ویژگی‌هایی را به ذره اطلاق کرد. یکی از این ویژگی‌ها انرژی است. به بیان دقیق، انرژی خاصیتی از ذره است که در هنگام جابجایی ذره در راستای زمان بدون تغییر باقی می‌ماند. تکانه ویژگی دیگری از ذره است که هنگام جابجایی آن در راستای مکانی بدون تغییر می‌ماند.

ویژگی سوم برای تعیین چگونگی تغییر ذره تحت خیز و چرخش فضایی به صورت همزمان است (چنین حالتی را چرخش در فضا-زمان می‌نامیم). این ویژگی مهم، اسپین نام دارد. در زمانی که Wigner بر روی این مباحث مطالعه می‌کرد، فیزیکدانان از وجود اسپین اطلاع داشتند و آن را به عنوان تکانه زاویه‌ای ذاتی ذره می‌دانستند که به تعیین بسیاری از جنبه‌های رفتاری ذره کمک می‌کند. به عنوان مثال در تعیین اینکه آیا ذره همانند ماده (مثلا الکترون) رفتار می‌کند و یا همانند نیرو (مانند فوتون) مفید است. او نشان داد: اسپین همانند برچسبی است که هر ذره بر روی خود دارد و این ناشی از چرخش جهان است. نیما ارکانی حامد، فیزیکدان ذرات در مرکز مطالعات پیشرفته در پرینستون نیز با این دیدگاه موافق است.

نمایش‌های مختلف گروه پوانکاره، ذراتی با تعداد مختلف برچسب چرخشی یا درجه آزادی است که تحت تاثیر چرخش عالم هستند. برای مثال، ذراتی وجود دارند که سه درجه آزادی اسپینی دارند. این ذرات همانند اجسام سه بعدی، چرخش می‌کنند. با این‌حال، تمام ذرات عالم، دو درجه آزادی اسپینی دارند که اسپین بالا و اسپین پایین نامیده می‌شوند و هرکدام به صورت مختلفی می‌چرخند. اگر شما یک الکترون را تحت زاویه 360 درجه بچرخانید، حالت آن همانند یک بردار که به دور نوار پیچیده Möbius شده است، برعکس می‌شود.

در طبیعت می‌توان ذراتی با یک اسپین تا پنج اسپین نیز پیدا کرد. تنها حالتی از گروه پوانکاره با چهار اسپین تاکنون مشاهده نشده است.

مطابقت بین ذرات بنیادی و نمایش آن‌ها آنچنان زیبا است که برخی فیزیکدانان – همانند استاد Van Raamsdonk آن‌ها را یکسان می‌دانند. برخی دیگر این دو را به عنوان همبستگی می‌بینند. Sheldon Glashow، فیزیکدان ذرات در دانشگاه هاروارد و بوستون که برنده جایزه نوبل نیز می‌باشد در این‌باره گفت:

نمایش ارائه شده در واقع همان ذره نیست. بلکه راهی برای توصیف ویژگی‌های ذره است. اجازه دهید تفکیکی برای این دو مفهوم در نظر بگیریم.

ذرات لایه‌های متعددی دارند.

خواه تمایزی وجود داشته باشد یا خیر، در طول قرن بیستم رابطه بین فیزیک ذرات و تئوری‌های توصیف کننده پیشرفت چشمگیری داشته است. اکتشافات نشان داد ذرات بنیادی برای پیمایش فضا-زمان نه تنها برچسبی همانند اسپین را دارند، بلکه دارای برچسب‌های اضافه دیگری نیز هستند.

ذراتی که دارای انرژی، تکانه و چرخش یکسان تحت ده تبدیل گروه پوانکاره هستند، باز هم تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند. به عنوان مثال، آن‌ها می‌توانند مقادیر مختلفی از بار الکتریکی را حمل کنند. همانطور که Quinn می‌گوید، باغ وحشی از ذرات در قرن 20ام شکل گرفت که برچسب‌های دیگری همانند رنگ و طعم نیز به ذرات تعلق گرفت.

همانطور که ذرات نمایش‌هایی از گروه پوانکاره هستند، نظریه‌پردازان دریافتند که خصوصیات اضافی می‌توانند اطلاعاتی از روش‌های تبدیلی را در اختیارشان قرار دهند. اما این تغییرات جدید، انتزاعی‌تر و پیچیده‌تر از تغییراتی همچون جابجایی هستند. آن‌ها حالات داخلی ذره را تغییر می‌دهند- به علت فقدان کلمه‌ای بهتر، از حالات داخلی استفاده می‌کنیم.

خصوصیتی که به عنوان رنگ معرفی شده است را در نظر بگیرید: در دهه 1960، فیزیکدانان تائید کردند کوارک‌ها، عناصر اصلی سازنده هسته‌ اتم، می‌توانند در یک ترکیب احتمالی از سه حالت ممکن وجود داشته باشند که آن‌ها را قرمز، سبز و آبی نامیدند. این حالت‌ها در اصل هیچ ارتباطی با رنگ‌های واقعی ندارند. تنها تفاوت آن‌هاست که به معنای برچسب‌های مختلف بر روی هر ذره است. کوارک‌ها با سه برچسب خود، نمایشی از گروهی از تحولات به نام SU(3) هستند که از بی‌نهایت روش‌های ترکیبی ریاضیاتی سه برچسب تشکیل شده‌اند.

درحالیکه ذرات دارای نمایش رنگی از گروه تقارن SU(3) هستند، ذراتی که دارای خصوصیات طعم و بارالکتریکی هستند، به ترتیب نمایشگر گروه‌های تقارن SU(2) و U(1) هستند. بنابراین، معمولا گفته می‌شود که مدل استاندارد فیزیک ذرات- نظریه میدان کوانتومی تمام ذرات بنیادی شناخته شده و اندرکنش‌های آن‌ها- نشان دهنده گروه SU(3) × SU(2) × U(1) است که متشکل از همه ترکیبات عملیات تقارن در سه زیر گروه است.

مدل استاندارد نیم قرن پس از روی کار آمدن، هنوز نیز در مسند قدرت است. اما توصیف ما از عالم همچنان ناقص است. نیروی گرانش، نیرویی گم شده است که نظریه میدان کوانتومی نمی‌تواند جایی برای آن در عالم متصور شود. نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین به صورت جداگانه گرانش را خمیدگی فضا-زمان معرفی می‌کند. به همین ترتیب Dimitri Nanopoulos این سوال را با شوخ‌طبعی مطرح می‌کند که چنین آشفته بازاری از کجا آمده است؟ او فیزیکدان ذرات در دانشگاه تگزاس است و اینطور ادامه می‌دهد:

فرض کنیم که این مدل به خوبی کار کند، اما جایگاه گرانش در این نظریه کجاست؟ من عقیده دارم خدا بهتر از این‌ کار کرده است.

ممکن است ذرات ریسمان‌های مرتعش باشند.

در دهه 1970، Glashow، Nanopoulos و سایرین تلاش کردند که تا گروه‌های SU(3)، SU(2) و U(1) را درون یک گروه تبدیلات متقارن بزرگتر جای دهند که بتوانند عالم را از ابتدا به کمک نمایش‌هایی از یک گروه تکی تقارنی توصیف کنند. (هنگامی که تقارن شکسته می‌شود، پیچیدگی‌ها ظاهر می‌شوند). بهترین کاندید برای این نظریه بزرگ واحد، گروه تقارنی است که SU(5) نامیده می‌شود. اما آزمایشات به سرعت این گروه را رد کردند.

بدین ترتیب محققان به نظریه ریسمان امیدوار شدند: در این ایده دانشمندان عقیده دارند که اگر ذرات را به اندازه کافی بزرگنمایی کنید، نه به نقاط بلکه به رشته‌های مرتعشِ یک‌بعدی می‌رسیم. در این نظریه می‌توان شش بعد فضایی اضافی را مشاهده کرد. همانطور که می‌دانیم در هر نقطه می‌توان چهار بعد داشت. اما وجود ریسمان‌های مرتعش، خصوصیات جهان میکروسکوپی را دچار تغییر می‌کند. در این صورت تقارن‌های ذاتی همانند رنگ، معنای فیزیکی بدست می‌آورند: در تصویری که نظریه ریسمان ارائه می‌دهد، این خصوصیات تبدیل به ابعاد کوچک چرخشی می‌شوند – همانطور که اسپین چرخش در ابعاد بزرگ را به نمایش می‌گذارد. Nanopoulos می‌گوید: هندسه به ما تقارن‌ها و تقارن به ما ذره را می‌دهد و بدین ترتیب همه چیز به دنبال هم می‌آیند.

با اینحال، اگر هر ریسمان یا ابعاد اضافی وجود داشته باشد، آنها بسیار کوچک هستند و نمی‌توانند به صورت آزمایشگاهی شناسایی شوند. در غیاب ریسمان‌ها، ایده‌های دیگری شکوفا می‌شوند. طی دهه گذشته، دو ایده درخشان در ذهن فیزیکدانان معاصر ظهور کرده است. این دو ایده هر دو تصویر ذرات را در ذهن تازه می‌کنند.

ذره، دگردیسی در اقیانوس کیوبیت‌ها

اولین تلاش‌ها در این زمینه با این شعار پیش رفتند که همه چیز از کیوبیت‌ها آغاز می‌شود. در این ایده باور افراد بدین صورت است که تمام ذرات موجود در عالم که فضا-زمان را خمیده می‌کنند، از بیت‌های کوانتومی اطلاعات و یا همان کیوبیت‌ها تشکیل می‌شوند. کیوبیت‌ها احتمالا ترکیبی از دو حالت  0 و 1 هستند (کیوبیت‌ها را می‌توان در سیستم‌های فیزیکی جمع‌آوری کرد. همانطور که می‌توان بیت‌ها را درون ترانزیستور ذخیره کرد و به چشم اطلاعات به آن‌ها نگاه کرد). وقتی چندین کیوبیت داشته باشیم، حالت‌های ممکن آن‌ها می‌توانند درهم گره بخورند به طوری که حالت هرکدام از آن‌ها، به حالت دیگری وابسته باشد. به همین دلیل می‌توان در تعداد کمی کیوبیت درهم تنیده شده، مقدار زیادی اطلاعات ذخیره کرد.

در این مفهوم، اگر می‌خواهید بدانید ذره چیست ابتدا باید فضا زمان را به درستی درک کنید. در سال 2010، Van Raamsdonk، یکی از طرفداران این ایده، مقاله‌ای تاثیرگذار نوشت و با جسارت تمام محاسبات مختلف خود در این زمینه را عمومی کرد. او استدلال کرد که کیوبیت‌های درهم‌پیچیده می‌توانند بافت فضازمان را بهم بزنند.

محاسبات، آزمایشات فکری و نمونه‌های آزمایشگاهی که به دهه‌های گذشته برمی‌گردند، نشان می‌دهند فضازمان دارای ویژگی‌های هولوگرافیک است: رمزگذاری کلیه اطلاعات مربوط به هر نقطه از فضازمان در درجه آزادی یک بعدی. Raamsdonk می‌گوید: در ده سال گذشته، اطلاعات بیشتری در مورد چنین رمزگذاری‌هایی بدست آورده‌ایم.

آنچه در مورد این هولوگرافیک‌ها بسیار جذاب است، خمیدگی فضازمان است زیرا به خودی خود شامل گرانش است. اما ابعاد سیستم که اطلاعات مربوط به خمیدگی فضازمان را رمزگذاری می‌کند، یک سیستم کاملا کوانتومی است که فاقد هرگونه انحنا، گرانش و یا هندسه است. این سیستم را می‌توان به عنوان سیستمی از کیوبیت‌ها نیز در نظر گرفت.

در این فرضیه، تمام خصوصیات فضازمان مثل تقارن، از نحوه درهم تنیدگی 0 و 1 ها ایجاد می‌شود. تلاش‌های طولانی مدت برای توصیف جنبه کوانتومی نیروی گرانش سبب شناسایی الگوی پیچیده‌ای از درهم تنیدگی کیوبیت‌ها شده است که نوعی بافت خاص فضازمان در جهان واقعی را رمزگذاری می‌کند.

تاکنون محققان، درباره چگونگی عملکرد بافت‌های فضازمان که دارای انحنای منفی، زین شکل، هستند اطلاعات بسیاری بدست آورده‌اند – بیشتر به این دلیل که کار با آن‌ها آسان‌تر است. محققان با تعجب دریافته‌اند هنگامی که یک فضای دارای انحنای منفی، مانند یک هولوگرام تغییر شکل می‌دهد، سروکله ذرات پیدا می‌شود. به همین دلیل هنگامی که مجموعه‌ای از کیوبیت‌ها به صورت هولوگرافی در ناحیه‌ای از فضازمان رمزگذاری می‌شوند، الگوهایی از درهم تنیدگی کوبیت‌ها ظاهر می‌شود که متناسب با بیت‌های موضعی از انرژی است. این بیت‌های موضعی در جهان در ابعاد بالاتر غوطه‌ور هستند.

مهمتر اینکه، به گفته Raamsdonk، عملیات جبری روی کیوبیت‌ها همانند چرخشی است که بر روی ذرات اعمال می‌شود. و درمی‌یابیم که این تصویری از سیستم کوانتومی غیرچرخشی است که بدست آورده‌ایم. اگر بتوان به نوعی این رمزها را خواند، نشان داده می‌شود که ذرات در فضا حضور دارند.

این واقعیت که فضازمان هولوگرافی همیشه شامل حالت‌های مختلف ذره است، درواقع یکی از مهم‌ترین مواردی است که چنین سیستمی را از سایر سیستم‌های کوانتومی متمایز می‌کند. او در صحبت‌های خود ادامه می‌دهد:

گمان می‌کنم هیچکس قادر نیست معنای دقیق هولوگرافی را درک کند.

وسوسه انگیز است که کیوبیت‌ها دارای نوعی آرایش فضایی باشند که جهان هولوگرافی ایجاد می‌کند. و این کار به صورتی انجام می‌شود که هولوگرام‌های شناخته شده از الگوهای فضایی تهیه می‌شوند. اما در واقع، روابط کیوبیت‌ها و درهم تنیدگی میان‌شان، می‌تواند بسیار انتزاعی‌تر باشد و از هیچ قانون فیزیکی پیروی نکند.  Netta Engelhardt فیزیکدان در دانشگاه MIT که اخیرا جایزه New Horizons in Physics را به علت انجام محاسبات در زمینه محتوای اطلاعات کوانتومی سیاهچاله، برنده شده است، گفت: نیازی نیست این 0 و 1 ها را در فضای خاصی در نظر بگیریم. می‌توانیم در مورد وجود انتزاعی آن‌ها و چگونگی اعمال یک عملگر بر رویشان صحبت کنیم. همه این‌ها روابط انتزاعی ریاضیاتی هستند.

بدین ترتیب مطالب بیشتری برای فهمیدن داریم. اگر تصویر ما از کیوبیت درست باشد، ذرات از نظر کیوبیت، هولوگرام هستند، دقیقا مانند فضازمان.

آیا ذرات همانی هستند که آشکارسازها اندازه می‌گیرند؟

دیدگاه دیگری نیز در زمینه شناخت مفهوم ذره وجود دارد. برخی محققان عقیده دارند که نظریه میدان کوانتومی، زبان بین‌المللی فیزیک ذرات، داستان را بیش از حد پیچیده می‌کند. فیزیکدانان از نظریه میدان کوانتومی برای محاسبه فرمول‌هاس اساسی مثل دامنه پراکندگی استفاده می‌کنند. هنگام برخورد ذرات، دامنه‌ها نشان‌دهنده نحوه شکل‌گیری یا میزان پراکندگی ذره هستند. اندرکنش‌های ذرات سبب ایجاد جهان می‌شود. بنابراین در یک دیدگاه جدید، روشی که فیزیکدانان به کمک آن جهان را با آزمایشات تطبیق می‌دهند، شامل مقایسه دامنه پراکندگی در برخورد ذرات در آزمایش‌هایی مثل برخورد دهنده بزرگ ذرات هادرونی در اروپا است.

به طور معمول فیزیکدانان برای محاسبه دامنه، تمام حالت‌های مختلفی که ممکن است ذرات بر اثر برخورد منعکس شوند، را بررسی می‌کنند. در این حالت ذرات پیش از آنکه بتوانند به ذرات دیگر واپاشیده شوند، از بین می‌روند.

به طرز عجیبی، محاسبات طولانی در نهایت به جواب یک خطی می‌رسند. به همین ترتیب فیزیکدانان استدلال می‌کنند که تصاویر میدانی الگوهای ریاضیاتی ساده‌ را به نمایش می‌گذارند. نیما ارکانی حامد، سرپرست این گروه، میدان کوانتومی را توهمی قانع‌کننده می‌نامد و می‌گوید:

در فیزیک بارها پیش می‌آید که درگیر یک فرمالیسم اشتباه می‌شویم. ما بارها تلاش کردیم تا ثابت کنیم میدان‌های کوانتومی حقیقت دارند و ذرات حالت برانگیخته آن‌ها هستند. ما در مورد ذرات مجازی صحبت می‌کنیم. اما این موضوع سبب نمی‌شود که انتظار خاصی از آشکارسازها داشته باشیم.

فیزیکدانان عقیده دارند که از نظر ریاضیاتی، تصویری ساده از اندرکنش میان ذرات وجود دارد.

در برخی موارد، آن‌ها دریافته‌اند که دیدگاه نظری Wigner در مورد ذرات می‌تواند برای توصیف اندرکنش، بدون حضور میدان‌های کوانتومی، تحت مطالعه بیشتر قرار گیرد.

Lance Dixon فیزیکدان برجسته در آزمایشگاه شتاب دهنده SLAC توضیح می‌دهد: محققان از چرخش‌های پوانکاره برای تحلیل دامنه سه نقطه‌ای استفاده می‌کنند – فرمولی که یک ذره را به دو قسمت تقسیم می‌کند. آن‌ها همچنین نشان داده‌اند که دامنه‌های سه نقطه‌ای به عنوان عناصر سازنده دامنه‌های چهار و یا بالاتر هستند که متعاقبا ذرات بیشتری را درگیر می‌کنند. چنین اندرکنش‌هایی ظاهرا از روی تقارن‌های اساسی ظاهر می‌شوند.

نکته جالب به عقیده او این است که دامنه‌های پراکندگی شامل گراویتون‌ها، حامل‌های گرانش، مربع دامنه گلوئون‌ها، ذرات چسبنده کوارک‌ها هستند. ما گرانش را با فضا-زمان مرتبط می‌دانیم، در حالیکه گلوئون‌ها در فضا پراکنده هستند. با این وجود کوارک‌ها و گلوئون‌ها از تقارن‌های موجود سرچشمه می‌گیرند. وی ادامه داد: درک این موضوع اندکی دشوار است زیرا عقاید بسیار متفاوت هستند.

در همین حال، ارکانی حامد و همکارانش دستگاه‌های کاملا جدیدی را پیدا کرده‌اند که مستقیما ما را به جواب می‌رسانند، مانند amplituhedron – یک جسم هندسی که دامنه پراکندگی ذرات را در حجم‌شان رمزگذاری می‌کند. نیما می‌گوید: ما در تلاش هستیم تا این اجسام را در عالم افلاطونی خود پیدا کنیم تا بتوانیم علیت‌ها را به راحتی درک کنیم. در این صورت می‌توانیم بگوییم نظریاتی که داریم، تکامل یافته است.

نظریه‌های دامنه شناسی و کیوبیت‌ها به گونه‌ای با یکدیگر تفاوت دارند که سوالات عمیق بسیاری را مطرح می‌کنند. بدین ترتیب نمی‌توان گفت که آیا در تضاد با یکدیگر هستند و یا مکمل هم! Engelhardt در پایان گفت: نظریه گرانش کوانتومی دارای برخی ساختارهای ریاضیاتی است که باید کم کم کنار بروند. نظریه مکانیک کوانتومی و گرانش در فضازمان باید به این سوال پاسخ دهند که بلوک‌های سازنده عالم در مقیاس اولیه چیست؟ و یا به عبارت دیگر، ذره چیست؟

وی با این جمله که ” ما نمی‌دانیم” به صحبت‌های خود خاتمه داد.

 

به اشتراک بگذارید