بیگ بنگ: در فیزیک، ما ابتدا با یک فرض و سپس با مقایسۀ نتایج آن فرض با نتایج ِ آزمایش، یک قانون جدید را کشف می‌کنیم. ریچارد فاینمن این جمله مشهور را به زبان آورده است: «مهم نیست نظریه‌تان چقدر زیباست. مهم نیست چقدر باهوش هستید، اگر با آزمایش سازگار نباشد، اشتباه است.»

به گزارش بیگ بنگ، این عامل باعث تفکیک فیزیک از ریاضی می‌شود. ریاضیدان‌ها نیز به گمانه‌پردازی روی می‌آورند و شواهد مستدل آخرین داور آنها می‌باشد. فیزیکدان‌ها شاید به ساخت و استفاده از ابزارهای ریاضی پیچیده بپردازند، اما ابزارهایشان هدف متفاوتی را دنبال می‌کند؛ آنان در صدد توضیح جهان و واقعیت‌هایش هستند. به همین منظور، هیچ چیز نمی‌تواند جای آزمایش را بگیرد.

البته شاید در مواردی، اعتبارسنجی آزمایشی قافله را به گمانه‌زنی نظری ببازد. دانشمندان برای شناسایی امواج گرانشی در زمین 100 سال و برای کشف بوزون هیگز 50 سال به تلاش ادامه دادند. هر دو اکتشاف مستلزم نبوغ، پیشرفت فناوری و سرمایه‌گذاری پولی بود. این مشاهدات آزمایشی نه تنها پیش‌بینی‌های نظری را تایید کرد، بلکه نکات تازه‌ای نیز به محققان آموخت؛ همچنین، درها را به روی بررسی‌های بیشتر گشود. انتظار می‌رفت اجرام کیهانی بتوانند امواج گرانشیِ قابل شناسایی را تولید نمایند، اما نمی‌دانستیم این منابع تا چه اندازه در جهان رایج و فراوان‌ هستند.

دلایل خوبی برای وجود بوزون هیگز در دست داشتیم، اما نمی‌توانستیم با قطعیت دربارۀ جرم آن حرف بزنیم. مطالعه گرانش کوانتومی یکی از مراحل مهم و حساس‌ِ نظریه در پیش روی آزمایش است. ما درک راضی‌کننده‌ای از فیزیک کوانتومی در مقیاس اتمی و ذرات زیرهسته‌ای داریم، اما هیچ درکی از نظریه کوانتومی که در آزمایش‌ها مورد تایید قرار گرفته باشد و قابل کاربرد به نیروهای گرانشی قوی باشد، نداریم. بدون چنین نظریه‌ای، نمی‌توانیم به درستی بفهمیم که بلافاصله پس از وقوع بیگ بنگ، جهان دچار چه تحولاتی شد و همچنین امکان پیش‌بینیِ سرنوشت دقیق فضانوردی که درون سیاهچاله به چگالی بی‌نهایتی فشرده می‌شود، از ما سلب می‌شود.

تاریخچه فیزیک ذرات می‌تواند مثال خوبی در اختیارمان بگذارد. در دهه 1950 میلادی، نظریه نیروهای هسته‌ای ظریف را داشتیم که با آزمایش‌ها سازگاری داشت. اما بنا به دلایل کاملاً نظری، از ناقص و مشکل‌دار بودن آن خبر داشتیم؛ حتی می‌توانستیم برآورد کنیم که پیش‌بینی‌های این نظریه در مقیاس‌های مربوط به فواصل بسیار کوتاه، عملکرد موفقی از خود نشان نخواهد داد. سرانجام، برخورد دهنده‌هایی که از قدرت کافی برای بررسی ماده در این مقیاس ریز برخوردار بودند، زمینه را برای اکتشاف پدیده‌های جدید فراهم کردند که از جمله آنها می‌توان به بوزون‌های w و z و ذره هیگز اشاره کرد.

بنابراین، همه چیز برای حصول نظریه کامل‌تری مهیا شد. گرانش ما را به سمت این باور هدایت کرد که نظریه فعلی ناقص است و اینجا نیز امکان تخمینِ مقیاس فاصله وجود دارد؛ مقیاسی که پدیده‌های جدید باید در آن نمایان شوند. شوربختانه، ساخت برخورد دهنده ذره‌ای که بتواند این مقیاس را با استفاده از فناوری موجود مورد بررسی قرار دهد، به ماشینی به وسعت کهکشان راه شیری احتیاج دارد.

بی‌تردید، ساخت چنین ماشین قدرتمندی تنها در آینده‌ای بسیار می‌تواند به واقعیت بپیوندد. چون بررسی گرانش کوانتومی با شرایط فعلی نمی‌تواند نتایج دلخواه ما را رقم بزند، باید روش مبتکرانه‌تر و غیرمستقیم‌تری برای حصول پیشرفت پیدا کنیم. در واقع، پیشنهادات بسیاری برای بررسی گرانش کوانتومی در آزمایشگاه ارائه شده که مستلزم تلاش بسیار از سوی محققان می‌باشد. در مقاله حاضر، یکی از این روش‌های جالب بررسی خواهد شد. برای درک این روش، بگذارید بر شکل‌گیری و تبخیر نهایی سیاهچاله به واسطه اثرات کوانتومی بپردازیم؛ پدیده‌ای که در گرانش کوانتومی مطالعه شده است.

شاید در ابتدا غیرممکن و البته خطرناک به نظر برسد که این قبیل از آزمایش‌ها را در آزمایشگاه انجام دهیم. اما باید روشی وجود داشته باشد. بررسی‌های نظریِ گرانش کوانتومی منجر به برقراری توازن خوبی میان دو فرمول متفاوت از پدیده‌های فیزیکی یکسان شده است. به پاس این توازن، چرخه حیات سیاهچاله را می‌توان به زبان کاملاً متفاوتی تبیین نمود که به اصلاً گرانش در آن نقشی ندارد. در عوض، سیستم کوانتومی دوگانه از ذرات بسیاری تشکیل یافته است که برهم‌کنش قدرتمندی با یکدیگر دارند. یکی از اهداف تحقیق حاضر این است که یکی از این زبان‌ها به زبان دیگر ترجمه شود.

ستون‌های کوانتومی

ستون کوانتومی عبارتست از یک ستون عادی که محققان کاربلد در آن به بررسی فرایندهای اکتشاف می‌پردازند. “جان پرسکیل”، استاد فیزیک نظری در موسسه فناوری دانشگاه کالیفرنیا است؛ وی عمدتاً در زمینه علوم اطلاعات کوانتومی به تحقیق مشغول است. شاید این توازن دو توصیف متفاوت از یک فیزیک یکسان، صرفاً یک مشاهده ریاضی قلمداد شود، اما معانی ژرفی برای آزمایش‌ها دارد و می‌تواند گره از مشکلات بسیاری بگشاید. بر اساس یافته‌ها، ابزارهای آزمایش مورد نیاز برای مطالعه غیرگرانشیِ سیاهچاله‌ها دقیقاً همان ابزارهایی هستند که فیزیکدان‌ها بنا به دلایل کاملاً متفاوت در حال توسعه‌شان بوده‌اند.

هدف از آن، اجرای آن دسته از دستگاه‌های کوانتومی می‌باشد که قادر به حلِ مسائل محاسباتی بسیار دشواری هستند. به همین دلیل است که در شبیه‌سازی گرانش کوانتومی و محاسبات کوانتومی، نیاز به ذخیره سیستم پیچیده‌ای متشکل از ذرات فراوان و کنترل دقیق برهم‌کنش ذرات داریم. من برای چندین سال است که با علاقه‌ شدیدی مشغول مطالعه محاسبه کوانتومی و سیاهچاله‌ها هستم. بنابراین، از نظر من، رابطه میان این دو بسیار شگفت‌انگیز است.

فناوری محاسبه کوانتومی هنوز به بلوغ نرسیده است؛ پس امکان ندارد به این زودی بتوانیم سیاهچاله واقع‌گرایانه‌ای در آزمایشگاه شبیه‌سازی کنیم. این اصلاً ایرادی ندارد؛ فعلاً باید به مطالعه مدل‌های ساده‌ای که برخی از ویژگی‌های ساده گرانش کوانتومی را بررسی می‌کنند، اکتفا کنیم. حتی این مدل‌ها نیز می‌توانند نکات آموزنده‌ای به ما یاد دهند. با پیشرفت فناوری کوانتومی، قادر به انجام آزمایش‌های فوق‌العاده پیچیده‌ای خواهیم بود.

علاوه بر این، دوگانگی به مثابه خیابان دوطرفه است. رایانه‌های کوانتومی نه تنها اطلاعات ارزشمندی دربارۀ گرانش کوانتومی به ما یاد خواهند داد؛ بلکه با مرتبط ساختن رفتار ذراتی که برهم‌کنش نیرومندی با یکدیگر دارند و پدیده‌های کوانتومی، امکان فهم بهتر این رفتار وجود خواهد داشت. بگذارید چارچوب مهمی را برایتان توصیف کنیم. کرمچاله دو نقطه در فضا را به هم پیوند می‌دهد. اطلاعات درج شده با ورود به یک انتهای کرمچاله ناپدید می‌شود. اگر اطلاعات از انتهای دیگر خارج شود، دوباره شاهد پدیدار شدن آن خواهیم بود.

فیزیکدان‌ها به شدت به دنبال توضیح این پدیده‌های پیچیده هستند. آنها ابراز امیدواری کرده‌اند که تلاش‌های مشترک آزمایش‌گران و نظریه‌پردازان بتواند بینش‌های بیشتری در این زمینه‌ها ارائه کند. ما گاهی از این امر ابراز نگرانی می‌کنیم که با پیشرفت علم، فقط متخصصان توان بررسی و درک جزئیات را خواهند داشت. اما بر اساس تجربه‌ای که ما داشتیم، دانشمندانی که در حوزه‌های مختلف مشغول به فعالیت هستند، به این نتیجه رسیده‌اند که باید چیزهای بیشتری از یکدیگر یاد بگیرند. در این راستا باید شاهد همکاری بیش از پیش آنها باشیم. ما نیز امیدواریم این پیوند بتواند به پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای در آینده ختم شود.

ترجمه: منصور نقی‌لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: quantamagazine.org