سريع‌تر از نور، بحثي در باب نظريه‌ي اطلاعات – قسمت پنجم

5
559

بیگ بنگ: دو فرض اينشتين، يعني اصل نسبيت و اصل ثبات سرعت نور، پيامدهاي عجيب و غريب بي‌شماري به دنبال داشته‌اند، اما تقارن زيبايي در اين نظريه وجود دارد. اين احتمال مي‌رود كه ناظران مختلف، برداشت‌هاي گوناگوني از جهان داشته باشند. ممكن است بر سر طول، زمان، جرم يا چيزهاي بنيادين ديگر با هم توافق نداشته باشند، اما در يك زمان، همه‌ي ناظران صحيح و بي‌غلط هستند.

lightبه بيان ديگر، نظريه‌ي اينشتين، در اساس مي‌گويد شما نمي‌توانيد استنباط و برداشت‌تان (اطلاعاتي كه از محيط كسب مي‌كنيد) را از واقعيت مجزا بدانيد. اگر ناظري اطلاعات دقيقي راجع به چيزي، مثلاً اينكه راننده متخلف با چه سرعتي حركت مي‌كند را جمع‌آوري كند، آنگاه اطلاعات صحيح خواهند بود ولي مشروط به يك سري شروط خاص. نكته مهم اينكه نتيجه تنها از ديد خود آن ناظر صحيح است. ناظران گوناگون كه اندازه‌گيري‌هاي يكساني را انجام داده و اطلاعات مشابهي را جمع‌آوري مي‌كنند، اغلب پاسخ‌هاي متفاوتي به دست مي‌آورند. با اين وجود، اطلاعات هيچ كدام از آن‌ها كمابيش با بقيه فرق نخواهد كرد. اطلاعات هر كدامشان به يك اندازه صحيح است، هرچند پاسخ‌هاي مربوط به اندازه طول، سرعت، جرم و زمان ممكن است متفاوت از بقيه باشد.

قبول اين مسئله دشوار است اما معادلات نسبيت عام به طرز عالي حل شده و نتيجه مي‌دهند. اگر بدانيد هر ناظري چطور حركت مي‌كند، مي‌توانيد از اين معادلات براي پيش‌بيني دقيق آنچه كه آن ناظر مشاهده مي‌كند، استفاده كنيد. به بيان ديگر، قادريد اطلاعاتي را كه جمع‌آوري نموده‌ايد، گرفته و از معادلات براي درك آنچه ساير ناظران مي‌بينند، استفاده كنيد. اين كليد درك نسبيت است. قوانين نسبيت حاكم بر چگونگي انتقال اطلاعات از ناظري به ناظر ديگر بوده و به شما مي‌گويد كه ناظران مختلف چگونه پديده يكساني را به طرق مختلف تفسير مي‌كنند.

روش ساده و زيبايي كه اين معادلات بر اساس آن به نتيجه مي‌رسند، نه مشاهداتي كه آنها را شرح مي‌دهند، فيزيك‌دانان را قانع كرد كه حق با اينشتين بود. در اوايل دهه‌ي 1920، شايعه‌اي پخش شد كه آزمايشي از گونه مايكلسون-‌مورلي با دقت بسيار بيشتر، اثرات ضعيفي از اتر شيدزا را آشكار كرده، كه از آن طريق نظريه‌ي نسبيت رد مي‌شود. اينشتين كاملاً مطمئن بود كه نظريه‌اش درست است. نسبيت آنقدر زيبا بود كه نمي‌توانست اشتباه باشد. بسياري سعي كردند نظريه‌ي نسبيت را از دور خارج سازند. چون انجام آزمايش‌هاي نسبيت دشوار است و برخي پيش‌بيني‌هاي نسبيت عام به خاطر همين دشواري هنوز آزموده نشده‌‌اند. نظريه‌پردازان، نسبيت اينشتين را با يك ابزار متفاوت مورد تهاجم قرار دادند، آزمون ذهني.

albertدر يك آزمون ذهني، فيزيك‌دانان سناريويي را ترتيب داده و تلاش كردند با استفاده از قوانين نظريه‌اي كه دارد آن را تست مي‌كند، مسأله را حل كنند. اگر نظريه شكافي داشته باشد و فيزيك‌دانان به اندازه‌ي كافي باهوش باشند، مي‌توانند سناريويي را بچينند كه سبب بروز تناقضي ذاتي گردد، يعني نقطه‌اي كه در آن نظريه با خودش مخالفت كند. اگر چنين اتفاقي بيافتد، اگر نظريه ناهماهنگ باشد، پس بايد اشتباه باشد. اما اگر به نظر بيايد كه نظريه داراي پارادوكسي ظاهري است، آنگاه توضيحي سازگار و بي‌تناقض بايد وجود داشته باشد و همه چيز در نهايت درست از آب در مي‌آيد. براي مثال شيطانك ماكسول اساساً يك آزمون ذهني بود و پاياني بر مشكلات ترموديناميك به شمار نرفت.

اينشتين خود عاشق آزمون‌هاي ذهني بود و در تلاش براي از هم گسيختن نظريه‌هاي سايرين از آنها استفاده مي‌كرد. اما اوضاع نسبيت برعكس بود. حال او مجبور بود با آزمون‌هاي ذهني ديگر دانشمندان دست و پنجه نرم كند. يكي از دشوارترين و دغل‌كارترين آزمون‌هاي ذهني، چيزي بود كه ما امروز آن را «پارادوكس زوبين در كاهداني» مي‌ناميم. نيزه‌داري را مجسم كنيد كه زوبيني به طول 15 متر در دست دارد. وي به سمت درب‌هاي يك انبار كاه كه بين درب جلويي و درب عقبي 15 متر فاصله است، مي‌دود. در ابتداي كار درب جلويي باز است و درب عقبي بسته. اين نيزه‌دار به خوبي كارش را بلد است. در واقع، او مي‌تواند با تندي معادل 80 درصد سرعت نور وارد انبار كار شود.

از ديد ناظر ساكني كه روي تير زير سقف انبار نشسته، زوبين نيزه‌دار ما منقبض شده است (به خاطر اثر نسبيتي كه نوار متر دونده را تحت تأثير قرار داده). در حقيقت زوبين 15 متري تنها 9 متر طول دارد. اگر ناظر روي تير زير سقف انباري عكسي فوري از زوبين مي‌انداخت يا به طريقي ديگر آن‌را اندازه مي‌گرفت، مي‌ديد كه تنها 9 متر طول دارد، در حالي‌كه طول انبار همان 15 متر باقي مي‌ماند. به بيان ديگر اگر ناظر ساكن سعي كند اطلاعاتي راجع به طول زوبين كسب كند، درمي‌يابد كه طول آن نه متر است. به علاوه آنطور كه اينشيتن مي‌گويد، اطلاعات واقعيت است. مهم نيست كه زوبين در ابتدا طولش 15 متر بوده است، اطلاعات طول آن را 9 متر ثبت كرده است.

پارادوکس زوبین در کاهدانی ار نگاه ناظر ساکن
پارادوکس زوبین در کاهدانی ار نگاه ناظر ساکن

زوبين 9 متري به خوبي در انبار 15 متري جا مي‌شود. يك سنسور الكترونيكي مي‌تواند درب جلويي را به محض آنكه تمام زوبين وارد انبار شد ببندد. براي يك لحظه، زوبين كاملاً در انبار جا مي‌گيرد در حالي‌كه هر دو در بسته هستند. سپس درست زماني‌كه نوك زوبين به انتهاي انبار مي‌رسد، سنسور ديگري درب عقبي را باز كرده و مي‌گذارد نيزه‌دار خارج شود. تا اينجا كه همه چيز خوب پيش مي‌رود. حال وقتي از ديدگاه نيزه‌دار به رويدادها نگاه مي‌كنيم، اوضاع واقعاً عجيب و غريب مي‌شود. از نگاه او انبار كاهداني دارد با سرعتي معادل با 80 درصد سرعت نور به سمتش مي‌آيد. اگر قرار بود اطلاعاتي راجع به درازاي انبار جمع‌آوري كند، مي‌ديد كه فقط 9 متر طول دارد و استنباط او هم كه درست است. هرچند به نظر مي‌رسد كه زوبينش طول كامل 15 متر دارد، اطلاعات نيزه‌دار مي‌گويد انبار فقط 9 متر درازا دارد به همين خاطر زوبين در انبار جا نمي‌شود! پس چطور ممكن است هر دو درب در يك زمان بسته باشند؟

پاسخ در آخرين واژه اين سوال نهفته است. راه حل اين پارادوكس به زمان ارتباط مي‌يابد. اما كمي پيچيده‌تر از ساعتي است كه صرفاً كند مي‌شود. يكي از اثرات جانبي نسبيت اين است كه مفهوم همزماني، يعني اينكه دو رويداد بتوانند در يك زمان رخ دهند، از بين مي‌رود. ناظران مختلف مي‌توانند درباره‌ي آنكه دو رويداد در يك زمان اتفاق افتاده‌اند يا اينكه يكي قبل ازديگري و برعكس رخ داده، با هم توافق نظر نداشته باشند.
در اين حالت، رويدادهاي اين سوال عبارتند از

يك: بستن درب جلويي
دو: باز كردن درب عقبي

از ديد ناظر ساكن كه روي تيرچه زير سقف نشسته، نيزه‌دار به سمت انبار كار مي‌دود:
يك: سنسور جلويي درب جلو را مي‌بندد در حالي‌كه نيزه‌دار داخل انبار است و آنگاه
دو: سنسور عقبي درب پشتي را باز مي‌كند و مي‌گذارد نيزه‌دار از انبار خارج شود.

اما از ديد ناظر نيزه‌دار، ترتيب رويدادها برعكس است. او به سمت انبار مي‌دود:
دو: وقتي نوك زوبين به انتهاي انبار مي‌رسد، درب پشتي باز مي‌شود و سنسور عقبي را به كار مي‌اندازد. وي ادامه مي‌دهد تا آنكه
يك: به محض رد شدن انتهاي زوبينش از آستانه‌ي درب جلويي، آن درب نيز بسته مي‌شود و سنسور جلويي را به كار مي‌اندازد.

نيزه‌دار و ناظري كه روي تيرچه سقف نشسته در مورد ترتيب وقايع با هم اتفاق نظر ندارند. اما از نظر رياضي تناقضي بين آنها وجود ندارد. دو سنسور از يكديگر مستقل‌اند و هيچ دليل خاصي وجود ندارد كه يكي قبل از ديگري به كار افتاده شود. در يك چارچوب مرجع، نخست سنسور جلويي عمل مي‌كند و در چارچوب مرجع ديگر، سنسور عقبي اول به راه مي‌افتد. يكبار ديگر بايد بگوييم كه در همه اينها موضوع انتقال اطلاعات مطرح است.

پارادوکس زوبین از دید ناظر متحرک
پارادوکس زوبین از دید ناظر متحرک

اطلاعات بلادرنگ از جايي به جاي ديگر منتقل نمي‌شود. حداكثر مي‌تواند با سرعت نور حركت كند. اين بدان‌معني است كه مفهوم «همزمان» اساساً بي‌معنا است. چون بايد اين واقعيت را مد نظر قرار دهيد كه انتقال اطلاعات به ناظرين، مستلزم گذر زمان است. به علاوه آن‌كه حركت ناظر روي ترتيبي كه در آن اطلاعات به او مي‌رسند، تأثير مي‌‌گذارند. اطلاعاتي كه مي‌گويد درب جلويي بسته و درب عقبي باز است، ممكن است در يك زمان به يكي از ناظرين برسد. براي ناظري ديگر، اطلاعات «درب جلويي بسته است» ممكن است اول برسد. براي يكي ديگر، اين اطلاعات كه درب پشتي باز است، ممكن است زودتر برسد. سه ناظر درباره‌ي آن‌كه درب جلويي اول بسته مي‌شود، يا درب پشتي اول باز مي‌شود يا هر دو رويداد در يك زمان رخ مي‌دهند، با هم توافق ندارند. كداميك درست مي‌گويند؟

بايد بگوييم كه هر سه ناظر درست مي‌گويند. نظريه‌ي نسبيت مي‌گويد كه يك رويداد از ديد شما زماني‌ »رخ مي‌دهد» كه اطلاعات مربوط به رخداد آن به شما برسد. يك رويداد به واقع رخ نمي‌دهد تا آنكه آن اطلاعات فاصله‌ي ميان رويداد و شما را در نوردد. يكبار ديگر، برداشت و استنباط (اطلاعات) است كه حقيقت دارد. به همين خاطر است كه مفهوم «همزماني» به هم مي‌خورد. از آنجا كه اين سه ناظر از راه‌هاي مختلفي اطلاعات به دست مي‌آورند، پس واقعيت اين است كه رويدادهايي كه آنها مشغول نظاره‌شان بودند، به ترتيب‌هاي مختلف براي هر يك از آنها رخ مي‌دهند.

مفهوم، شگفت‌انگيز و غير عادي است. اما فروپاشي همزماني در نظريه‌ي نسبيت، دقيقاً چيزي است كه فيزيك‌دانان بايد با آن بسازند. اين مقوله هيچيك از اصول فيزيكي به جز انقباض طول و اتساع زمان را نقض نمي‌كند. جلوي بحران گرفته شد. اما آيا واقعاً اينطور است؟ آيا مي‌توانيم از اين فروپاشي همزماني براي ارائه‌ي يك سناريوي غير ممكن استفاده كنيم.

ادامه دارد »»»

منبع:
كتاب كشف رمز عالم، مقدمه‌اي بر نظريه‌ي اطلاعات كوانتومي، اثر چارلز سيِف، ترجمه‌ي دكتر ميثم تهراني، نشر پديده



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

5 دیدگاه‌ها

  1. انيشتين پيامبر علم بود و جاويدترين شخص در تاريخ بشريته كسي كه اعضاي بدنشو اهدا كرد و گفت ميخواهم بصورت طبيعي بميرم و ماندن بصورت مصنوعي كج سليقگي است

  2. من که گیج شدم و حوصله‌ام نگرفت بخونمش، اگه همین سال پیش بود با دقت می‌خوندمش، ولی الان وقتی بحث‌ها کمی پیچیده میشه از حوصلهٔ من خارج میشه!
    پیر شدیم… پیر… ولی خوبه که همچنان می‌نویسید، موفق باشید.

  3. درسته در زندگیش یه بارهم سلمانی نرفت ولی تک بود و شاید پیش نیاد همچین مغزی دوباره ساخته بشه اگه در این دوره زندگی میکرد چی میشد دنیا .
    ممنون از مقالات با ارزش سایتتون

    • واقعا همینطوره!!! نیوتون و انیشتین از بزرگان فیزیک کلاسیک و نوین… اگر الان بودند چه کارها که نمیکردند .. و البته اگر در اینده هم بودند همینطور!!!
      دانشمندان بزرگی وجود دارند از جمله استیون هاوکینگ وخیلی های دیگر.. با این حال هیچکس انیشتین نمیشه!!!

  4. با تشکر از سایت بسیار عالیتون.
    امیدوارم قسمت ششم به زودی اماده شود.
    در قسمت قبلی درباره اینکه ماهیت نور چیست به عنوان سوال اخر مقاله مطرح شد (منبع ایجاد موج نور)… آیا جواب این سوال در قسمت های بعد داده میشود؟