بسیاری از پژوهشگران باور دارند که تنها زمانی فیزیک کارش را انجام داده که افزون بر دانستن رفتار فضا و زمان، دریابیم که این دو از کجا می‌آیند و یا چگونه ساخته‌می‌شوند. برای پاسخ‌‌گویی به این پرسش‌ها و برای پوشش دادن آن‌چه که با مدل‌های پیشین توجیه نمی‌شود، دست به توسعه‌ی مدل‌هایی جدید زده و با وجود دشواری فراوان آن‌ها را می‌آزماییم. این روزها شبیه‌سازی تبدیل به ابزاری مهم در این مسیر شده‌است. در شبیه‌سازی‌های اخیر مشاهده‌شده که افزودن علیت می‌تواند به تولید جهان‌هایی شبیه به جهان ِ ما بیانجامد.

به گزارش انجمن فیزیک ایران، مارک ون رامسدونک در توضیح آن که داستان تا چه اندازه شبیه به نقطه‌ی اوج فیلم‌های علمی-تخیلی است، می‌گوید:‌ «یک روز صبح را در خیال آورید که از خواب برخواسته و ناگهان درمی‌یابید که در یک بازی کامپیوتری زند‌گی می‌کنید». اما برای مارک ون رامسدونک، فیزیک‌دانی از دانشگاه British Columbia، در Vancouver، Canada، این نمایش‌نامه، روشی‌ست برای اندیشیدن به حقیقت. او می‌گوید: «اگر درست باشد، هر آنچه که در پیرامون ماست –تمام این دنیای ملموس سه بعدی- توهمی‌ست زاییده‌ی داده‌هایی که جایی دیگر، مثلا روی یک تراشه‌ی دو بعدی، نوشته‌شده‌اند». این گونه، دنیای ما، با تمام سه بعد فضایی‌اش، گونه‌ای ازتصویر برجسته‌نما یا هولوگرام است که بر رویه‌ای با ابعاد کم‌تر تصویر شده‌است.

این اصل هولوگرافی حتی برای فیزیک نظری هم عجیب است. اما ون رامسدوک از جمله اندک پژوهش‌گرانی‌ است که می‌اندیشند هنوز حرف عجیبی نزده‌اند. از نظر آن‌ها، هیچ یک از دو حرکت نوین در فیزیک -نسبیت عام که گرانش را به عنوان خمیده‌گی فضا-زمان توصیف می‌کند، و مکانیک کوانتومی که در محدوده‌ی اتمی حاکم است- وجود فضا و زمان را توجیه نمی‌کند. نظریه‌ی ریسمان هم که به مسائل پایه‌ در انرژی می‌پردازد، کاری از پیش نمی‌برد.

ون رامسدوک و همکاران، قانع شده‌اند که فیزیک تا زمانی که توضیح ندهد فضا و زمان چه‌گونه از یک چیز بنیادی‌تر به وجود آمده‌اند، کامل نمی‌شود –هدفی که در راه آن به مفاهیمی شگفت مانند اصل تمام‌نگاری، نیاز داریم. به سبب وجود تکینگی در مرکز سیاه‌چاله‌ها، ساختار فضا-زمان تغییر می‌کند؛ از سوی دیگر علاقه‌مندیم نظریه‌ی کوانتومی و نسبیت عام را یکی کنیم -برنامه‌ای که سال‌هاست با وجود تلاش پژوهش‌گران بی‌نتیجه مانده‌است؛ بنابر نظر این دانشمندان، برای روبه‌رو شدن با این مسائل، باید به دنبال مفهوم جدیدی از حقیقت باشیم.

آبهای آشتکار، فیزیکدانی در دانشگاه ایالتی Pennsylvania ، در دانشگاه Park، می‌گوید: «تمام تجربه‌های‌مان می‌گویند که نباید دو مفهوم به شدت متفاوت از حقیقت داشته‌باشیم –باید یک نظریه‌ی همه‌کاره‌ وجود داشته‌باشد». یافتن آن تک‌نظریه‌ی بزرگ یک دشواری جدی‌است. در اینجا، Nature برخی مسیرهای امیدوارکننده‌ی بررسی این مساله را –به همراه نظراتی پیرامون چگونگی بررسی این مسائل (‘ساختار حقیقت ‘ ) -توضیح می‌دهد.

1- گرانش مانند ترمودینامیک

یکی از بدیهی‌ترین پرسش‌ها این است که آیا این تلاش بیهوده است. چه شاهدی وجود دارد که در واقع چیزی بنیادی‌تر از فضا و زمان وجود دارد؟ در اوایل دهه‌ی ۱۹۷۰ که آشکار شد مکانیک کوانتومی و گرانش با ترمودینامیک، دانش مربوط به گرما، از نزدیک با یکدیگر مرتبط هستند، مجموعه‌ای کشف تکان‌دهنده انجام شد. از این مجموعه نشانه‌ای برمی‌آید که بسیار بحث‌برانگیز است.

شناخته‌شده‌ترین مورد، در ۱۹۷۴، کاری از استیون هاوکینگ از دانشگاه Cambridge، در بریتانیای کبیر، بود؛ هاوکینگ نشان داد که اثرهای کوانتومی در فضای پیرامون یک سیاه‌چاله به فوران تابش‌هایی می‌انجامند؛ چنان که گویی سیاه‌چاله گرم است. دیگر فیزیکدان‌ها به سرعت، تعیین کردند که این پدیده کاملا همه‌گیر است. آن‌ها دریافتند که حتی یک فضانورد که در فضای کاملا خالی شتاب می‌گیرد نیز حس می‌کند که با یک حمام گرما احاطه شده‌است. این اثر کوچک‌تر از آن خواهد بود که برای راکت‌ها با هر شتابی که بدان دست می‌یابند، محسوس باشد، اما بنیادی به نظر می‌آید. اگر نظریه‌ی کوانتومی و نسبیت عام –که هردو به دفعات با آزمایش تایید شده‌اند– درست باشند، آن‌گاه وجود تابش هاوکینگ گریزناپذیر به نظر می‌رسد.

یک کشف کلیدی دیگر نیز در همین زمینه انجام شد. در ترمودینامیک استاندارد، یک شی می‌تواند با کاهش انتروپی‌ که نماینده‌ی تعداد حالت‌های کوانتومی درونی‌اش می‌باشد، تابش کند. برای سیاه‌چاله‌ها هم همین گونه است: حتی پیش از مقاله‌ی هاوکینگ در ۱۹۷۴ نیز، ژاکوب بکنشتاین نشان داده‌بود که سیاه‌چاله‌ها انتروپی دارند. اما یک تفاوت وجود دارد؛ در بیش‌تر اشیا، انتروپی با تعداد اتم‌هایی‌ که آن شی دارد، و در نتیجه حجمش تناسب دارد. اما دریافته‌اند که انتروپی یک سیاه‌چاله با سطح افق رویدادش متناسب است –مرزی که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد. گویی سطح، داده‌های درون را رمزگذاری (کد) کرده‌است، همان‌گونه که یک همانمای دوبعدی یک تصویر سه‌بعدی را رمزگذاری می‌نماید.

در ۱۹۹۵، تد جاکوبسون، فیزیکدانی از دانشگاه Maryland، در College Park، این دو دسته داده را ترکیب و فرض کرد که هر نقطه در فضا روی مرز یک سیاه‌چاله‌ی کوچک که از رابطه‌ی انتروپی-سطح نیز تبعیت می‌کند، قرار می‌گیرد. او، از آن جا، ریاضیاتی که به معادلات نسبیت عام انشتین می‌انجامد را به دست آورد -اما تنها با استفاده از مفاهیم ترمودینامیک و نه نظریه‌ی خم شدن فضا-زمان.

جاکوبسون می‌گوید: «به نظر می‌رسید که در این جا، نکته‌ای عمیق درمورد منشا گرانش وجود داشته‌باشد». نمونه‌اش این که قوانین ترمودینامیک در طبیعت آماری‌اند – یک میانگین‌گیری بزرگ‌مقیاس بر بی‌شمار اتم و ملکول. بنابر یافته‌های او، گرانش نیز آماری‌ست یعنی یک تقریب بزرگ‌مقیاس، بر اجزای نامرئی فضا و زمان، می باشد. در سال ۲۰۱۰، این ایده یک گام جلوتر رفت؛ اریک ورلینده، نظریه‌پرداز ریسمانی از دانشگاه آمستردام، نشان داد که ترمودینامیک آماری ِ اجزای فضا و زمان –هر آن چه که هستند- می‌تواند به طور خودکار قانون جاذبه‌ی گرانشی نیوتون را بدهد.

ثانو پادمانابهام، کیهان‌شناسی از مرکز دانشگاهی ستاره‌شناسی و اخترفیزیک در Pune، در هند، در کاری جداگانه، نشان داد که –همانند بسیاری از نظریه‌های گرانشی دیگر -می‌توان معادله‌های اینشتین را به شکلی نوشت که با قوانین ترمودینامیک هم‌ارز شوند. پادمانابهام این روزها برای توضیح منشا و بزرگی انرژی تاریک، ره‌یافت ترمودینامیکی ارائه داده‌است: یک نیروی کیهانی رازآلود که انبساط فضا را تندتر می‌کند.

بررسی چنین ایده‌هایی درآزمایشگاه بسیار سخت خواهد بود. همان طور که آب تا زمانی که در مقیاس ملکول‌هایش –کسری از نانومتر- بررسی نشود، کاملا نرم و سیال به چشم می‌آید، فضا-زمان هم بنابر تخمین‌ها تا مقیاس پلانک پیوسته دیده‌می‌شود: ۳۵-۱۰ متر یا ۲۰ مرتبه‌ی کوچک‌تر از اندازه‌ی یک پروتون. اما نمی‌تواند غیرممکن باشد. برای بررسی وجود اجزای گسسته در فضا-زمان، بیش‌تر به جست‌وجوی تاخیر در فوتون‌های پرانرژی‌ در سفرشان از پدیده‌های کیهانی (مانند انفجار پرتوی گاما و ابرنواختر) به زمین، پرداخته‌می‌شود. در واقع، فوتون‌های دارای طول‌موج کوتاه، این گسسته‌گی‌ها را که مایه‌ی کند شدن‌شان می‌شوند، مانند دست‌اندازهایی ظریف در مسیر سفر احساس می‌نمایند.

جیوانی آملینو-کاملیا، یک پژوهشگر گرانش کوانتومی از دانشگاه Rome، و هم‌کارانش نشانه‌هایی از چنین فوتون‌های تاخیری، از یک انفجار پرتوی گاما که در آوریل ثبت شده‌است، یافته‌اند. آملینو-کاملیا می‌گوید این یافته‌‌ها تعیین‌کننده نیستند اما این گروه گسترش این پژوهش را در برنامه‌ی خود داشته و به زمان مسافرت نوترینوهای پرانرژی که در روی‌دادهای کیهانی تولید شده‌اند، خواهدپرداخت. او می‌گوید که اگر نتوان نظریه‌ها را آزمود، «دست کم برای من دیگر دانش به حساب نمی‌آیند. تنها خرافه‌اند و برای من جذابیتی ندارند.»

فیزیکدان‌های دیگری نیز بر آزمون‌‌های تجربی کار می‌کنند. به عنوان نمونه، در ۲۰۱۲، پژوهشگرانی از دانشگاه Vienna و کالج سلطنتی لندن، آزمایشی را پیشنهاد دادند که در آن یک آینه‌ی ریزمقیاس با لیزر چرخانده می‌شود. به نظر آن‌ها باید دانه‌بندی‌های مقیاس پلانک در فضا-زمان تغییرات ملموسی در نور بازتابیده از آینه ایجاد کند (به Nature http://doi.org/njf  نگاه کنید ).

2- گرانش کوانتومی حلقه‌ای

حتی اگر درست هم باشد، ره‌یافت ترمودینامیکی نمی‌گوید که این اجزای بنیادین فضا و زمان چه هستند یا می‌توانند باشند. اگر فضا و زمان یک سازه است، رشته‌ها‌ی پیوند‌دهنده‌اش چیستند؟

نخستین پاسخی که به ذهن می‌آید کاملا ساده است؛ نظریه‌ی گرانش کوانتومی حلقه‌ای، از نیمه‌ی دهه‌ی ۱۹۸۰ به دست آشتکار و دیگران در حال توسعه است. در این نظریه سازه‌ی فضا-زمان به عنوان شبکه‌ای عنکبوتی از رشته‌ها توصیف شده‌است؛ این رشته‌ها داده‌هایی درمورد سطح کوانتیده یا حجم نواحی که از میانش می‌گذرند، در خود دارند۶. رشته‌های منفرد در این شبکه باید دست آخر دو سرشان را به هم متصل کنند –همان طور که از نام نظریه برمی‌آید- اما باید توجه داشت که ارتباطی با ریسمان‌های نظریه‌ی ریسمان ِ شناخته‌شده وجود ندارد. اگر این رشته‌ها به راستی فضا-زمان باشند، داده‌هایی در خود دارند و شکل سازه‌ی فضا-زمان را در همسایه‌گی خود تعیین می‌کنند.

از آن جا که این حلقه‌ها اجسامی کوانتومی‌اند، همانند انرژی حالت پایه‌ی الکترون در اتم هیدروژن، باید سطح این اجسام، اندازه‌ی کمینه‌ای داشته‌باشند. این بسته‌ی سطح یک لکه خواهد بود که در هر سو به اندازه‌ی یک مقیاس پلانک است. اگر بکوشید رشته‌ای که سطح کم‌تری دارد را وارد کنید، از کل شبکه جدا خواهد شد؛ نمی‌تواند به هیچ چیز دیگری متصل شده و در عمل از فضا-زمان جدا می‌شود. یک نتیجه‌ی دل‌خواه وجود سطح کمینه این است که گرانش کوانتومی حلقه‌ای نمی‌تواند در یک نقطه‌ی کوچک با تقعر بی‌نهایت چلانده‌شود. دیگر آن‌که وجود تکینگی به شکستن معادله‌های نسبیت عام انشتین در لحظه‌ی بیگ بنگ یا مرکز سیاه‌چاله‌ها می‌انجامد؛ با توجه به وجود سطح کمینه، در این جا چنین تکینگی نمی‌تواند ایجاد شود.

در ۲۰۰۶، آشتکار و همکاران یک مجموعه شبیه‌سازی‌ معرفی کردند. این مجموعه با توجه به این حقیقت و با به کار بستن نسخه‌ی گرانش کوانتومی حلقه‌ای معادله‌های انشتین کار کرده و در آن تلاش شده زمان را به عقب بازگردانده و به پیش از بیگ بنگ بپردازند. همان طور که انتظار می‌رفت، کیهان معکوس و منقبض شده، و به ببگ بنگ می‌رود. اما زمانی که به حد بنیادینی که گرانش کوانتومی حلقه‌ای بر اندازه می‌گذارد، می‌رسد، یک نیروی دافعه وارد شده و تکینگی را باز نگاه داشته و آن را تبدیل به تونلی می‌کند که به کیهانی که از آن ما پیشی گرفته‌است، می‌رود.

رودولفو گمبینی، فیزیکدانی از دانشگاه Uruguayan،در سال جاری، یک شبیه‌سازی مشابه برای سیاه‌چاله‌ها گزارش کرده‌‌اند. آن‌ها دریافتند که وقتی یک مشاهده‌گر به قلب سیاه‌چاله سفر می‌کند، تکینه‌گی نمی‌بیند مگر یک تونل فضا-زمان نازک که به یک بخش دیگر فضا می‌رود. آشتکار که به هم‌راه دیگر پژوهشگران بر شناسایی تکینه‌گی‌هایی که از یک جهش، و نه انفجار، ایجاد شده و بر تابش کیهانی پس‌زمینه برجای مانده‌اند، –تابشی که از انبساط جهان در لحظه‌ی تولدش مانده‌است- کار می‌کنند، می‌گوید «خلاص شدن از دست مسئله‌ی تکینگی یک موفقیت بزرگ است.»

گرانش کوانتومی حلقه‌ای یک نظریه‌ی یک‌پارچه‌ی کامل نیست چراکه نیروی دیگری در خود ندارد. افزون بر این، فیزیکدان‌ها هنوز باید نشان دهند که چه‌گونه این شبکه‌ی داده، فضا-زمان معمولی را می دهد. از طرفی فیزیکدان‌های ماده‌ی چگال فازهای عجیبی از ماده را که گذار تجربه می‌کنند، ایجاد می‌نمایند؛ این گذارها عموما با نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی توضیح داده‌می‌شوند. دنیل اریت، فیزیکدانی از موسسه‌ی فیزیک گرانشی Max Planck در Golm امید دارد که در این کارها سرنخ‌‌هایی بیابد. اوریتی و همکاران به دنبال روابطی هستند که توضیح دهد چه‌گونه ممکن است جهان نیز تغییر فاز داده و از یک مجموعه‌ی حلقه‌ها به یک فضا-زمان هموار و پیوسته برود. اریتی می‌گوید: «به زودی خواهد بود… البته بسیار سخت است… چراکه مانند ماهی‌هایی هستیم که درون این فضا-زمان شناوریم.»

ادامه دارد »»»

Read More : http://www.nature.com/news/theoretical-physics-the-origins-of-space-and-time-1.13613

ترجمه: سعیده هوشمندی