آیا مکانیک کوانتوم توضیحی برای وجود فضا-زمان دارد؟

[Mohammad Aref 120452]

فیزیک‌دانان شواهدی یافته‌اند که نشان می دهد درهم تنیدگی کوانتومی ذرات، می تواند معادلات گرانشی اینشتین را توضیح دهد.

نظریه نسبیت عام اینشتین می گوید گرانش نتیجۀ وجود جرم است، مانند یک ستاره یا سیاره،که باعث خمش توامان زمان و فضا گشته و به نام فضا-زمان شناخته می شود. فضاپیمای گراویتی پروب B ناسا که در این تصویر نشان داده شده دقیقاً نشان می دهد که گرانش زمین چطور فضا-زمان را خم کرده و در نهایت محاسبات انیشتین را تایید می کند.

به گزارش بیگ بنگ، راد سرلینگ به تمامی ابعاد آگاه بود. سریال تلویزیونی او، “منطقه گرگ و میش” بُعدی از تخیل، دید، صدا و ذهن بود، بُعدی به گستردگی فضا و بی زمان همچون بی نهایت. همه چیز در آن به وضوح آشکار بود به غیر از بخش مربوط به فضا و زمان، یعنی ابعاد زندگی واقعی. سرلینگ هیچگاه توضیحی در این مورد نداد.

البته از زمان اینشتین تاکنون دانشمندان نیز از درک فضا-زمان عاجز بوده‌اند. پیش از آن گمان می کردند آیزاک نیوتن آن را تمام و کمال درک کرده است. او گفته: زمان بطور مستمر و بی ارتباط با هیچ ماهیت بیرونی در جریان است. زمان ِ مطلق نیز ماهیت خود را دارد، “همواره یکسان و ثابت است”. چیزی برای یافتن وجود ندارد. رویدادهای واقعیت فیزیکی به طور مستقل در یک صحنه طبیعی اجرا می شوند که در آن بازیگران بدون تاثیر بر بقیه تئاتر بازی می کنند.

اما نظریات اینشتین نظریه زمان مطلق نیوتن را تبدیل به یک فضا-زمان نسبی تبدیل کرد – در  واقع معادلات او تلفیقی از فضا-زمان را پیشنهاد داد، عرصه‌ای جدید که بازیکنان آن فضای زمین بازی را تغییر دادند. این نظریه تغییر دهندۀ بازی فیزیک بود. فضا و زمان دیگر زمینه بی روح و مرده ماده و انرژی نبودند. فضا و زمان که تا قبل از آن مستقل از هم و تک ماهیتی بودند، ناگسستنی و متغیر گشتند. و همانطور که اینشتین در نظریه نسبیت عام خود نشان داد، ماده و انرژی  فضا-زمان اطراف خود را خمیده می کردند. همین حقیقت ساده، مسئله گرانش را توضیح داد. هندسه فضا-زمان نیروی کشش ظاهری نیوتن را به یک توهم تبدیل کرد. این شکل فضا – زمان بود که حرکات اجرام بزرگ را تبیین میکرد، یعنی عدالتی متقارن چرا که از طرفی اجرام بزرگ شکل فضا-زمان را تعیین می کنند.

راستی آزمایی انقلاب فضا-زمان اینشتین یک قرن پیش اتفاق افتاد، یعنی زمانی که گروهی رصد خورشید گرفتگی مهمترین پیش‌بینی نظریه عام وی را تایید کردند (مقدار دقیق خم شدن نور در نزدیکی لبه یک جرم عظیم، مثلاً خورشید). اما فضا-زمان همچنان یک راز باقی ماند. سوال در مورد اینکه فضا-زمان از کجا پدید آمده طبیعی به نظر می رسید چرا که نمی شد وجود آن را انکار کرد.

اینک انقلابی نوپا در آستانۀ پاسخگویی به آن سوال است. آنهم بر پایه نظریات ارائه شده در یکی دیگر از شاخه‌های علم فیزیک یعنی مکانیک کوانتومی. انقلاب کنونی امکان دیگری را برای بازنویسی پیشینه فضا-زمان ارائه می دهد و در کنار آن شاید بتواند توضیح دهد که چرا مکانیک کوانتوم تا این حد عجیب راست.

برایان سوئینگل فیزیکدان در سالنامه فیزیک مواد فشرده در سال ۲۰۱۸ نوشت، “داستان فضا-زمان و گرانش دست آخر سر از جای دیگری در می آورد“. اگر اینطور نشود بسیار سخت خواهد بود که بپذیریم چطور گرانش اینشتین و ریاضیات فیزیک کوانتوم پس از مدت‌ها ناهمخوانی با یکدیگر کنار می آیند. دیدگاه گرانش اینشتین بعنوان توجیهی برای هندسه فضا-زمان بسیار موفق بوده است. اما این موفقیت را برای  فیزیک کوانتوم نیز می توان قائل شد که چگونگی تعامل ماده و انرژی در مقیاس اتمی را با ضریب ِ دقت بالایی توضیح می دهد. تلاش برای یافتن ریاضیاتی که اعجاب‌انگیز بودن کوانتوم را با هندسه گرانشی همسو سازد با موانع فنی و ذهنی زیادی مواجه است.

حداقل، درک ایدۀ فضا-زمان مدت‌ها چنین بوده است. اما با مطالعه هندسه فضا-زمان ِ جایگزین، سرنخ‌هایی در جهت پیشرفت ظاهر گشته که در اصول ارزش فکر کردن را دارند اما دارای ویژگی‌های نامتعارف هستند. یکی از این جایگزین‌ها با نام آنتی دو سیتر ( anti de Sitter) به طرز عجیبی منحنی است و هر لحظه ممکن است در خود فرو بریزد و با جهان ِ در حال انبساطی که ما در آن زندگی می کنیم متفاوت است. این چنین جهانی جای مناسبی برای زندگی نیست، اما در عوض آزمایشگاه ِ مناسبی برای مطالعه نظریات ِ گرانش کوانتومی، میباشد. سوئینگل استاد دانشگاه مریلند می نویسد، ” گرانش کوانتومی آنقدر غنی و گیج کننده است که حتی جهان‌های فرابعدی مدلسازی شده، هم می توانند برای فیزیک بسیار آشکار کننده باشند.”

در این تصویر نوع عجیبی از فضا-زمان با انحنای نامتعارف که با نام  anti de Sitter شناخته می شود، هیچ شباهتی به جهانی که ما در آن زندگی می کنیم، ندارد. با این وجود نشانه‌هایی از روند کوانتومی که شاید دلیل ایجاد فضا-زمان شناخته شده ما باشد، ارائه می دهد.

بررسی فضای anti de Sitter، بیان می‌کند که معادلات مربوط به گرانش( یا همان هندسه فضا-زمان) می تواند با ریاضیات ِ فیزیک کوانتومی در فضایی با یک بُعد کمتر تطبیق یابد. یک هولوگرام را تصور کنید – همان تصویر دو بُعدی که بر روی تصویری سه بُعدی قرار می گیرد. به همین شکل، شاید هندسه چهار بُعدی فضا-زمان بتواند در معادلات فیزیک کوانتومی که سه بُعدی ایست کدگذاری شود. یا شاید به ابعاد بیشتری نیاز داشته باشیم و اینکه چند بُعد لازم داریم سوالی است که باید پاسخ داده شود.

در هر صورت، کنکاش در طول این مسیر احتمال غافلگیرکننده‌ای را فاش نموده: شاید خود فضا-زمان زاییدۀ فیزیک کوانتومی باشد، زاییده پدیده ای اعجاب‌انگیز بنام درهم تنیدگی کوانتومی. تعریف عام درهم تنیدگی کوانتومی می گوید این تنیدگی ارتباطی موهوم است که ذرات جدا از هم را با هر فاصله‌ای به هم مرتبط می سازد. اگر ذرات از منبع یکسانی رها شوند، در هم تنیده باقی خواهند ماند و هرگز مهم نیست که تا چه مسافتی از هم دور شوند. اگر یک ویژگی (مانند اسپین یا قطبیدگی) را در یکی از ذرات اندازه‌گیری کنید براحتی می توانید نتیجۀ همان اندازه‌گیری را در ذره دیگر پیش‌بینی کنید، اما پیش از اندازه‌گیری، آن ویژگی‌ها نامعین باقی می مانند. این واقعیتی مغایر است که توسط آزمایش‌های بسیاری به اثبات رسیده است. گویا اندازه‌گیری در یک مکان، تعیین کننده نتیجۀ اندازه‌گیری در یک مکان بعید دیگر است.

چنین به نظر می رسد که ذرات درهم تنیده با سرعتی بیش از سرعت نور قابلیت انتقال اطلاعات را داشته باشند چرا که در غیر اینصورت نمی توان تصور کرد که چگونه یکی از ذرات در گسترۀ فضا-زمان از احوال دیگری باخبر است. اما در واقع هیچکدام از این ذرات پیامی ارسال نمی کنند. پس ذرات درهم تنیده چگونه از خلیج حائل فضا-زمان که آنها را از هم جدا کرده می گذرند؟ شاید پاسخ آن باشد که مجبور نیستند این کار را بکنند – چرا که در هم تنیدگی در فضا-زمان اتفاق نمی افتد. درهم تنیدگی خود سازندۀ فضا-زمان است. دست کم این پیشنهادی است که تحقیقات اخیر در جهان‌های فرابعدی مدلسازی شده، ارائه می نمایند.

سوئینگل در مقاله خود در سالنامه فیزیک بیان کرد: «ظهور فضا-زمان و گرانش پدیده‌ای رازآلود از فیزیک کوانتوم چند- پیکره است که ما آرزوی درک آن را داریم.» بسیاری از فیزیکدانان تراز اول با تلاش‌های بی‌وقفه، شواهد نظریه پردازانه‌ای ارائه دادند که نشان می دهد شبکه‌هایی از وضعیت‌های کوانتومی ِ در هم تنیده بافت ِ فضا-زمان را ایجاد می کنند. این وضعیت‌های کوانتومی را کیوبیت( qubits) می نامند. ذراتی از اطلاعات کوانتومی ( مانند بیت‌های معمولی کامپیوتر اما وضعیتی ترکیبی از صفر و یک و نه به حالت صفر یا یک).

کیوبیت‌های درهم تنیده شبکه‌هایی با هندسه فضایی در بُعدی غیر از ابعادی که کیوبیت‌ها در آن وجود دارند را تشکیل می دهند. بنابراین فیزیک کوانتومی کیوبیت‌ها می تواند از طریق یک بُعد اضافی با هندسه فضایی وارد یک معادله شود. در بهترین شکل آن و حداقل بر اساس آنچه آخرین تحقیقات نشان می دهند، هندسه ایجاد شده توسط کیوبیت‌های درهم تنیده ممکن است از معادلات نسبیت عام اینشتین تبعیت کرده که در اینصورت حرکت بر پایه گرانش را توجیه می کنند.

سوئینگل می نویسد: “ظاهراً هندسه‌ای با خصوصیات مدنظر که توسط درهم تنیدگی ایجاد شده، می بایست تابع ِ معادلات گرانشی حرکت باشد. این نتیجه‌گیری بعداً منتهی به اثبات این ادعا خواهد شد که فضا-زمان برخاسته از درهم تنیدگی است. البته هنوز باید ثابت شود که سرنخ‌های جهان‌های فرابعدی مدلسازی شده، ما را بسوی داستان حقیقی فضا-زمان عادی خودمان می برد که فیزیکدان‌ها در آن مشغول ِ تلاش هستند. هیچکس به درستی نمی داند چه فرآیندهای کوانتومی مسئول ایجاد بافت فضا-زمان است. شاید برخی نتایج ناشی از محاسبات، اشتباه از آب درآیند. اما مشخصاً علم فیزیک در شرف دستیابی به درکی عمیق‌تر از مسائل بنیادین طبیعت است و به فضایی دارای موجودیت پای می گذارد که تا پیش از این با نام ابعاد فضا-زمان شناخته می شد و شاید روزی سریال تلویزیونی “منطقه گرگ و میش” به واقعیت تبدیل شود.

ترجمه: رامین محمودپور - بیگ بنگ