جدید ترین عناوین خبری امروز
Registering new users is currently not allowed.
فیزیکدان‌ها نشانه‌هایی یافته‌اند که شاید درهمتنیدگی کوانتومی معادلات گرانش اینشتین را توضیح دهد.

آیا مکانیک کوانتومی می‌تواند ماهیت فضا-زمان را توضیح دهد؟

از زمان اینشتین، دانشمندان درگیر درک شهودی فضا و زمان هستند. قبل از آن، تقریبا همه تصور می‌کردند که اسحاق نیوتن همه چیز را درباره فضا و زمان فهمیده است. نیوتن می‌گفت زمان «بطور یکسان بدون رابطه با هر چیز خارجی در جریان است». در دیدگاه وی فضا نیز مطلق بود، «همواره یکسان و غیر قابل جابجایی است». چیزی برای مشاهده وجود ندارد. رویدادهای واقعیت فیزیکی مستقل از هم در یک صحنه‌ی خنثی رخ می‌دهند که در این صحنه بازیگران بدون تأثیر روی باقی تئاتر می‌آیند و می‌روند.

اما نظریه‌های اینشتین فضا و زمان مطلق نیوتنی را به یک شبکه نسبیتی بدل کرد. معادلات اینشتین دلالت بر فضا-زمان در هم بافته دارند، یک نوع جدید از صحنه بازی که بازیکنان خود می‌توانند فضای میدان بازی را تغییر دهند. دیگر فضا و زمان یک پس زمینه بدون ویژگی خاص برای ماده و انرژی نبود. قبلا فضا و زمان مستقل از هم و یکنواخت بودند و حالا غیر قابل جدایی و متغیر هستند. و همان‌طور که اینشتین در نظریه نسبیت عام‌اش نشان داد، ماده و انرژی فضا-زمان احاطه کننده خود را دچار خمیدگی می‌کنند. این واقعیت گرانش را نیز توضیح داد. نیروی گرانش ظاهری نیوتنی تبدیل به یک توهم اعمال شده توسط هندسه‌ی فضا-زمان شده است. این شکل و هندسه‌ی فضا-زمان است که حرکت اجسام سنگین را تعیین می‌کند، یک عدالت متقارن، چرا که جرم اجسام سنگین نیز شکل فضا-زمان را معین می‌کند.

تأیید انقلاب فضا-زمانی اینشتین یک قرن پیش رخ داد، زمانی که خورشیدگرفتگی مورد انتظار پیش‌بینی اصلی نسبیت عام (مقدار دقیق انحراف نور عبوری از کنار لبه‌ی یک جسم سنگین که در اینجا خورشید بود) را تأیید کرد. اما فضا-زمان همچنان به صورت یک راز باقی ماند. چرا که فضا-زمان به جای آن‌که هیچ چیز باشد، یک چیزی بود، و طبیعی است که درباره منشأ آن بپرسیم.

حضور یک جسم سنگین در مسیر پرتوهای نور موجب انحراف و خمیدگی مسیر فوتون می‌شود.

حال یک انقلاب جدید در مرز پاسخ به این سؤال در حال رخ دادن است، که بر مبنای بینش‌های جدید از دیگر نظریه شگفت انگیز قرن بیستم است یعنی : مکانیک کوانتومی . انقلاب امروز بطور بالقوه امکان بازنویسی رزومه‌ی فضا-زمان را فراهم می‌کند، با یک امتیاز اضافی که شاید توضیح دهد چرا مکانیک کوانتومی این‌قدر عجیب به نظر می‌رسد.

بریان سوینگل در نشریه مرور سالانه فیزیک ماده چگال سال ۲۰۱۸ می‌نویسد: «فضا-زمان و گرانش باید در نهایت از چیز دیگری پدیدار شوند». در غیر این صورت مشاهده چگونگی تطابق ناسازگاری قدیمی بین گرانش اینشتین و ریاضیات مکانیک کوانتومی دشوار است. دیدگاه اینشتین نسبت به گرانش به عنوان نمود هندسه فضا-زمان به طور عظیمی موفق بوده است. اما مکانیک کوانتومی نیز، که توصیف‌گر روابط ماده و انرژی در مقیاس‌های اتمی است با دقت بسیار زیادی تأیید شده است. تلاش‌ها برای یافتن ریاضیات منسجمی که مرموز بودن کوانتومی را با گرانش هندسی با هم در خود جای دهد، با مشکلات تکنیکی و مفهومی بسیاری مواجه بوده است.

تلاش‌های بسیاری تاکنون برای درک فضا-زمان متداول انجام گرفته است. اما سرنخ‌ها برای یک مسیر ممکن برای پیشرفت در این زمینه از مطالعات نظری هندسه‌های فضا-زمان‌های دیگر بدست آمده‌اند، که در اصل قابل فکر هستند اما ویژگی‌های غیر معمول دارند. یکی از این هندسه‌های جایگزین، فضا زمان پاد دو سیته (anti de Sitter) است، که بطور عجیبی انحنا دارد و تمایل به رمبش روی خود دارد، به جای آن‌که شبیه به جهان خودمان در حال انبساط باشد. چنین فضایی جای خوبی برای زیستن نیست. اما به عنوان یک آزمایشگاه برای مطالعه نظریه‌های گرانش کوانتومی، چیزهای زیادی برای ما دارد. سوینگل از دانشگاه مریلند می‌نویسد: «گرانش کوانتومی به اندازه کافی غنی و گیج کننده است که حتی مدل‌های جهان‌ اسباب بازی می‌توانند نور عظیمی روی فیزیک آن بیافکنند» .

فضای پاد دوسیته

بطور مثال، پژوهش‌ها روی فضای پاد دو سیته حاکی از این هستند که ریاضیات توصیف‌گر گرانش (یعنی هندسه فضا-زمان) می‌توانند معادل با ریاضیات فیزیک کوانتومی در فضایی با یک بعد کمتر باشند. یک هولوگرام را تصور کنید- یک سطح دو بعدی و تخت که یک تصویر سه بعدی را ترکیب می‌کند. به صورت مشابه، شاید هندسه فضا-زمان چهار بعدی بتواند در ریاضیات فیزیک کوانتومی که در فضای سه بعدی عمل می‌کند کدگذاری شود. یا شاید نیاز به ابعاد بیشتری داریم- این‌که چند بعد مورد نیاز است بخشی از مسأله است که باید حل شود.

در هر صورت، کاوش‌ها در این راستا یک امکان شگفت انگیز را آشکار کرده است: ممکن است خود فضا-زمان توسط فیزیک کوانتوم تولید شده باشد، بطور خاص توسط پدیده‌ی گیج کننده به نام درهمتنیدگی کوانتومی.

همان‌طور که می‌دانید، درهمتنیدگی یک ارتباط شبح‌وار است که ذراتی که حتی در فواصل دور هستند را به هم مرتبط می‌کند. اگر چنین ذراتی از یک منبع مشترک منتشر شده باشند، این ذرات بدون توجه به فاصله‌ای که از هم دارند با یکدیگر درهمتنیده باقی می‌مانند. اگر یک ویژگی یکی از این ذرات (نظیر اسپین یا قطبش) را اندازه بگیرید، نتیجه اندازه‌گیری مشابه روی ذره دیگر را نیز می‌دانید. اما قبل از اندازه‌گیری، این ویژگی‌ها معین نشده‌اند، که یک واقعیت خلاف شهود معمول است که توسط آزمایش‌های متعدد اثبات شده است. به نظر می‌رسد که اندازه‌گیری در یک مکان نتیجه اندازه‌گیری در یک مکان دیگر در فاصله بسیار دور را معین می‌کند.

درهمتنیدگی کوانتومی می‌تواند منشأ فضا زمان را توضیح دهد.

این‌طور به نظر می‌رسد که ذرات درهمتنیده باید بتوانند سریع‌تر از نور تبادل اطلاعات کنند. در غیر این‌صورت نمی‌توان تصور کرد که چطور یکی از آن‌ها می‌تواند بفهمد در نقطه‌ی دیگری از فضا-زمان بی‌نهایت وسیع چه رخ می‌دهد. اما این ذرات در واقع هیچ پیامی ارسال نمی‌کنند. پس چطور ذرات درهمتنیده فضا-زمان جدا کننده بین‌شان را در می‌نوردند؟ شاید جواب این باشد که آن‌ها مجبور به این کار نیستند چرا که درهمتنیدگی در فضا-زمان رخ نمی‌دهد. درهمتنیدگی خود فضا-زمان را خلق می‌کند. حداقل این پیشنهادی است که پژوهش فعلی در جهان‌های مدل مطرح می‌کند. سوینگل مطرح می‌کند که «ظهور فضا-زمان و گرانش یک پدیده‌ی اسرارآمیز از فیزیک بس-ذره‌ای کوانتومی است که ما می‌خواهیم بفهمیم». تلاش بسیار توسط چندین فیزیکدان بلند پرواز شواهد نظری حاکی از شبکه‌ای از حالت‌های درهمتنیده که بافت فضا-زمان را تشکیل می‌دهند فراهم آورده است. این حالت‌های کوانتومی اغلب «کیوبیت» – بیت‌های اطلاعات کوانتومی نامیده می‌شوند. کیوبیت‌های درهمتنیده شبکه‌هایی با هندسه در فضا به همراه یک بعد اضافی فراتر از تعداد ابعادی که کیوبیت‌ها در آن هستند ایجاد می‌کنند. بنابراین فیزیک کوانتومی کیوبیت‌ها می‌تواند معادل با هندسه‌ی یک فضا با یک بعد اضافه باشد. در بهترین حالت، هندسه ایجاد شده توسط کیوبیت‌های درهمتنیده ممکن است به خوبی از نسبیت عام اینشتین که توصیف‌گر حرکت ناشی از گرانش است تبیعت کند، حداقل پژوهش اخیر در این راستا اشاره می‌کند. سوینگل می‌نویسد: «ظاهرا، یک هندسه با ویژگی‌های درست از درهمتنیدگی می‌توان ساخت که از معادلات حرکت گرانشی تبعیت کند. این نتیجه این ادعا را که فضا-زمان از دل درهمتنیدگی برمی‌خیزد را توجیه می‌کند».

اما هنوز، این مسأله باقی است که سرنخ‌های یافت شده در جهان‌های مدل اسباب بازی با ابعاد اضافی منتج به یک داستان واقعی برای فضا-زمان معمول که فیزیکدان‌ها در آن هستند می‌شوند یا خیر. هیچ‌کس واقعا دقیقا نمی‌داند که چه فرآیندهای کوانتومی در دنیای واقعی مسئول ایجاد بافتار فضا-زمان هستند. شاید برخی از فرض‌های ایجاد شده در محاسبات فعلی اشتباه باشند. اما این می‌تواند نشانی از این باشد که فیزیک در آستانه‌ی اشراف عمیق‌تر به بنیان‌های طبیعت پیش‌تر از قبل است.

به اشتراک بگذارید
دیدگاه ها 0

دیدگاه بگذارید

avatar
  اشتراک  
مطلع شدن
رفتن به نوار ابزار