سریع‌تر از نور، بحثی در باب نظریه‌ی اطلاعات – قسمت پنجم

بیگ بنگ: دو فرض اینشتین، یعنی اصل نسبیت و اصل ثبات سرعت نور، پیامدهای عجیب و غریب بی‌شماری به دنبال داشته‌اند، اما تقارن زیبایی در این نظریه وجود دارد. این احتمال می‌رود که ناظران مختلف، برداشت‌های گوناگونی از جهان داشته باشند. ممکن است بر سر طول، زمان، جرم یا چیزهای بنیادین دیگر با هم توافق نداشته باشند، اما در یک زمان، همه‌ی ناظران صحیح و بی‌غلط هستند.

به بیان دیگر، نظریه‌ی اینشتین، در اساس می‌گوید شما نمی‌توانید استنباط و برداشت‌تان (اطلاعاتی که از محیط کسب می‌کنید) را از واقعیت مجزا بدانید. اگر ناظری اطلاعات دقیقی راجع به چیزی، مثلاً اینکه راننده متخلف با چه سرعتی حرکت می‌کند را جمع‌آوری کند، آنگاه اطلاعات صحیح خواهند بود ولی مشروط به یک سری شروط خاص. نکته مهم اینکه نتیجه تنها از دید خود آن ناظر صحیح است. ناظران گوناگون که اندازه‌گیری‌های یکسانی را انجام داده و اطلاعات مشابهی را جمع‌آوری می‌کنند، اغلب پاسخ‌های متفاوتی به دست می‌آورند. با این وجود، اطلاعات هیچ کدام از آن‌ها کمابیش با بقیه فرق نخواهد کرد. اطلاعات هر کدامشان به یک اندازه صحیح است، هرچند پاسخ‌های مربوط به اندازه طول، سرعت، جرم و زمان ممکن است متفاوت از بقیه باشد.

قبول این مسئله دشوار است اما معادلات نسبیت عام به طرز عالی حل شده و نتیجه می‌دهند. اگر بدانید هر ناظری چطور حرکت می‌کند، می‌توانید از این معادلات برای پیش‌بینی دقیق آنچه که آن ناظر مشاهده می‌کند، استفاده کنید. به بیان دیگر، قادرید اطلاعاتی را که جمع‌آوری نموده‌اید، گرفته و از معادلات برای درک آنچه سایر ناظران می‌بینند، استفاده کنید. این کلید درک نسبیت است. قوانین نسبیت حاکم بر چگونگی انتقال اطلاعات از ناظری به ناظر دیگر بوده و به شما می‌گوید که ناظران مختلف چگونه پدیده یکسانی را به طرق مختلف تفسیر می‌کنند.

روش ساده و زیبایی که این معادلات بر اساس آن به نتیجه می‌رسند، نه مشاهداتی که آنها را شرح می‌دهند، فیزیک‌دانان را قانع کرد که حق با اینشتین بود. در اوایل دهه‌ی ۱۹۲۰، شایعه‌ای پخش شد که آزمایشی از گونه مایکلسون-‌مورلی با دقت بسیار بیشتر، اثرات ضعیفی از اتر شیدزا را آشکار کرده، که از آن طریق نظریه‌ی نسبیت رد می‌شود. اینشتین کاملاً مطمئن بود که نظریه‌اش درست است. نسبیت آنقدر زیبا بود که نمی‌توانست اشتباه باشد. بسیاری سعی کردند نظریه‌ی نسبیت را از دور خارج سازند. چون انجام آزمایش‌های نسبیت دشوار است و برخی پیش‌بینی‌های نسبیت عام به خاطر همین دشواری هنوز آزموده نشده‌‌اند. نظریه‌پردازان، نسبیت اینشتین را با یک ابزار متفاوت مورد تهاجم قرار دادند، آزمون ذهنی.

در یک آزمون ذهنی، فیزیک‌دانان سناریویی را ترتیب داده و تلاش کردند با استفاده از قوانین نظریه‌ای که دارد آن را تست می‌کند، مسأله را حل کنند. اگر نظریه شکافی داشته باشد و فیزیک‌دانان به اندازه‌ی کافی باهوش باشند، می‌توانند سناریویی را بچینند که سبب بروز تناقضی ذاتی گردد، یعنی نقطه‌ای که در آن نظریه با خودش مخالفت کند. اگر چنین اتفاقی بیافتد، اگر نظریه ناهماهنگ باشد، پس باید اشتباه باشد. اما اگر به نظر بیاید که نظریه دارای پارادوکسی ظاهری است، آنگاه توضیحی سازگار و بی‌تناقض باید وجود داشته باشد و همه چیز در نهایت درست از آب در می‌آید. برای مثال شیطانک ماکسول اساساً یک آزمون ذهنی بود و پایانی بر مشکلات ترمودینامیک به شمار نرفت.

اینشتین خود عاشق آزمون‌های ذهنی بود و در تلاش برای از هم گسیختن نظریه‌های سایرین از آنها استفاده می‌کرد. اما اوضاع نسبیت برعکس بود. حال او مجبور بود با آزمون‌های ذهنی دیگر دانشمندان دست و پنجه نرم کند. یکی از دشوارترین و دغل‌کارترین آزمون‌های ذهنی، چیزی بود که ما امروز آن را «پارادوکس زوبین در کاهدانی» می‌نامیم. نیزه‌داری را مجسم کنید که زوبینی به طول ۱۵ متر در دست دارد. وی به سمت درب‌های یک انبار کاه که بین درب جلویی و درب عقبی ۱۵ متر فاصله است، می‌دود. در ابتدای کار درب جلویی باز است و درب عقبی بسته. این نیزه‌دار به خوبی کارش را بلد است. در واقع، او می‌تواند با تندی معادل ۸۰ درصد سرعت نور وارد انبار کار شود.

از دید ناظر ساکنی که روی تیر زیر سقف انبار نشسته، زوبین نیزه‌دار ما منقبض شده است (به خاطر اثر نسبیتی که نوار متر دونده را تحت تأثیر قرار داده). در حقیقت زوبین ۱۵ متری تنها ۹ متر طول دارد. اگر ناظر روی تیر زیر سقف انباری عکسی فوری از زوبین می‌انداخت یا به طریقی دیگر آن‌را اندازه می‌گرفت، می‌دید که تنها ۹ متر طول دارد، در حالی‌که طول انبار همان ۱۵ متر باقی می‌ماند. به بیان دیگر اگر ناظر ساکن سعی کند اطلاعاتی راجع به طول زوبین کسب کند، درمی‌یابد که طول آن نه متر است. به علاوه آنطور که اینشیتن می‌گوید، اطلاعات واقعیت است. مهم نیست که زوبین در ابتدا طولش ۱۵ متر بوده است، اطلاعات طول آن را ۹ متر ثبت کرده است.

زوبین ۹ متری به خوبی در انبار ۱۵ متری جا می‌شود. یک سنسور الکترونیکی می‌تواند درب جلویی را به محض آنکه تمام زوبین وارد انبار شد ببندد. برای یک لحظه، زوبین کاملاً در انبار جا می‌گیرد در حالی‌که هر دو در بسته هستند. سپس درست زمانی‌که نوک زوبین به انتهای انبار می‌رسد، سنسور دیگری درب عقبی را باز کرده و می‌گذارد نیزه‌دار خارج شود. تا اینجا که همه چیز خوب پیش می‌رود. حال وقتی از دیدگاه نیزه‌دار به رویدادها نگاه می‌کنیم، اوضاع واقعاً عجیب و غریب می‌شود. از نگاه او انبار کاهدانی دارد با سرعتی معادل با ۸۰ درصد سرعت نور به سمتش می‌آید. اگر قرار بود اطلاعاتی راجع به درازای انبار جمع‌آوری کند، می‌دید که فقط ۹ متر طول دارد و استنباط او هم که درست است. هرچند به نظر می‌رسد که زوبینش طول کامل ۱۵ متر دارد، اطلاعات نیزه‌دار می‌گوید انبار فقط ۹ متر درازا دارد به همین خاطر زوبین در انبار جا نمی‌شود! پس چطور ممکن است هر دو درب در یک زمان بسته باشند؟

پاسخ در آخرین واژه این سوال نهفته است. راه حل این پارادوکس به زمان ارتباط می‌یابد. اما کمی پیچیده‌تر از ساعتی است که صرفاً کند می‌شود. یکی از اثرات جانبی نسبیت این است که مفهوم همزمانی، یعنی اینکه دو رویداد بتوانند در یک زمان رخ دهند، از بین می‌رود. ناظران مختلف می‌توانند درباره‌ی آنکه دو رویداد در یک زمان اتفاق افتاده‌اند یا اینکه یکی قبل ازدیگری و برعکس رخ داده، با هم توافق نظر نداشته باشند.
در این حالت، رویدادهای این سوال عبارتند از

یک: بستن درب جلویی
دو: باز کردن درب عقبی

از دید ناظر ساکن که روی تیرچه زیر سقف نشسته، نیزه‌دار به سمت انبار کار می‌دود:
یک: سنسور جلویی درب جلو را می‌بندد در حالی‌که نیزه‌دار داخل انبار است و آنگاه
دو: سنسور عقبی درب پشتی را باز می‌کند و می‌گذارد نیزه‌دار از انبار خارج شود.

اما از دید ناظر نیزه‌دار، ترتیب رویدادها برعکس است. او به سمت انبار می‌دود:
دو: وقتی نوک زوبین به انتهای انبار می‌رسد، درب پشتی باز می‌شود و سنسور عقبی را به کار می‌اندازد. وی ادامه می‌دهد تا آنکه
یک: به محض رد شدن انتهای زوبینش از آستانه‌ی درب جلویی، آن درب نیز بسته می‌شود و سنسور جلویی را به کار می‌اندازد.

نیزه‌دار و ناظری که روی تیرچه سقف نشسته در مورد ترتیب وقایع با هم اتفاق نظر ندارند. اما از نظر ریاضی تناقضی بین آنها وجود ندارد. دو سنسور از یکدیگر مستقل‌اند و هیچ دلیل خاصی وجود ندارد که یکی قبل از دیگری به کار افتاده شود. در یک چارچوب مرجع، نخست سنسور جلویی عمل می‌کند و در چارچوب مرجع دیگر، سنسور عقبی اول به راه می‌افتد. یکبار دیگر باید بگوییم که در همه اینها موضوع انتقال اطلاعات مطرح است.

اطلاعات بلادرنگ از جایی به جای دیگر منتقل نمی‌شود. حداکثر می‌تواند با سرعت نور حرکت کند. این بدان‌معنی است که مفهوم «همزمان» اساساً بی‌معنا است. چون باید این واقعیت را مد نظر قرار دهید که انتقال اطلاعات به ناظرین، مستلزم گذر زمان است. به علاوه آن‌که حرکت ناظر روی ترتیبی که در آن اطلاعات به او می‌رسند، تأثیر می‌‌گذارند. اطلاعاتی که می‌گوید درب جلویی بسته و درب عقبی باز است، ممکن است در یک زمان به یکی از ناظرین برسد. برای ناظری دیگر، اطلاعات «درب جلویی بسته است» ممکن است اول برسد. برای یکی دیگر، این اطلاعات که درب پشتی باز است، ممکن است زودتر برسد. سه ناظر درباره‌ی آن‌که درب جلویی اول بسته می‌شود، یا درب پشتی اول باز می‌شود یا هر دو رویداد در یک زمان رخ می‌دهند، با هم توافق ندارند. کدامیک درست می‌گویند؟

باید بگوییم که هر سه ناظر درست می‌گویند. نظریه‌ی نسبیت می‌گوید که یک رویداد از دید شما زمانی‌ »رخ می‌دهد» که اطلاعات مربوط به رخداد آن به شما برسد. یک رویداد به واقع رخ نمی‌دهد تا آنکه آن اطلاعات فاصله‌ی میان رویداد و شما را در نوردد. یکبار دیگر، برداشت و استنباط (اطلاعات) است که حقیقت دارد. به همین خاطر است که مفهوم «همزمانی» به هم می‌خورد. از آنجا که این سه ناظر از راه‌های مختلفی اطلاعات به دست می‌آورند، پس واقعیت این است که رویدادهایی که آنها مشغول نظاره‌شان بودند، به ترتیب‌های مختلف برای هر یک از آنها رخ می‌دهند.

مفهوم، شگفت‌انگیز و غیر عادی است. اما فروپاشی همزمانی در نظریه‌ی نسبیت، دقیقاً چیزی است که فیزیک‌دانان باید با آن بسازند. این مقوله هیچیک از اصول فیزیکی به جز انقباض طول و اتساع زمان را نقض نمی‌کند. جلوی بحران گرفته شد. اما آیا واقعاً اینطور است؟ آیا می‌توانیم از این فروپاشی همزمانی برای ارائه‌ی یک سناریوی غیر ممکن استفاده کنیم.

ادامه دارد »»»

منبع:
کتاب کشف رمز عالم، مقدمه‌ای بر نظریه‌ی اطلاعات کوانتومی، اثر چارلز سیِف، ترجمه‌ی دکتر میثم تهرانی، نشر پدیده

لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=34883

(۱۲ نفر , میانگین : ۵,۰۰ از ۵)