آیا مکانیک کوانتومی می‌تواند وجود فضا زمان را توضیح بدهد؟

مجله ايلياد/ بر اساس يافته‌هاي فيزيکدانان «درهم تنيدگي»، توانايي توضيح معادله‌هاي جاذبه‌ي اينشتين را دارد. نظريه‌ي نسبيت خاص اينشتين نشان مي‌دهد که گرانش، حاصل رفتار يک جرم مثل سياره يا ستاره است و هندسه‌ي ادغام فضا و زمان را دچار خميدگي مي‌کند. فضاپيماي ناسا تحت عنوان «Gravity Probe B»، به‌طور دقيق ميزان خميدگي فضا-زمان توسط گرانش زمين را اندازه گرفت. با اين اوصاف، بار ديگر مُهر تاييدي بر محاسبات اينشتين زده شد. «راد سرلينگ» همه‌چيز را درباره‌ي بُعد‌هاي جهان مي‌دانست. يک بُعد تصور، يک بُعد بصري، صوتي و ذهني، يک بُعد به وسعت فضا و زماني بي¬نهايت را در بر مي‌گيرد. همه ابعاد واضح و قابل‌درک بودند، به‌جز فضا و زمان که ابعاد زندگي واقعي ما را تشکيل مي‌دهند. سرلينگ هيچ‌گاه اين ابعاد را توضيح نداد. البته از زماني که اينشتين نظريه‌هاي مشهور خود را ارائه کرد، دانشمندان مشغول اين بوده‌اند که چطور از ابعاد فضا و زمان سر در بياورند. قبل از اينشتين، همه بر اين باور بودند که «ايزاک نيوتن» کار را تمام کرده و کل ماجرا را حل کرده‌اند. نيوتن گفته بود: «زمان بدون ارتباط با هيچ‌چيز خارجي ديگري، به‌طور برابر جاري مي‌شود. فضاي مطلق نيز شرايط خودش را دارد؛ هميشه مشابه و ثابت.» اما نظريه‌هاي اينشتين، فضا و زمان مطلق نيوتن را به يک ترکيب نسبي تبديل کرد؛ معادلات فضا-زمان اينشتين مفهومي تحت عنوان «فضا-زمان ادغام‌شده» را مطرح کرد و انقلابي در دنياي فيزيک ايجاد گرديد. فضا و زمان که قبلاً مستقل و يکنواخت بود، غيرقابل‌تفکيک و متغير شد. همان‌طور که آلبرت اينشتين در نظريه‌ي نسبيت عام خود تشريح کرد، ماده و انرژي موجب تحريف و خميدگي فضا-زمان پيرامون مي‌شوند. اين واقعيت ساده توانست جاذبه را توضيح بدهد. اين شکل فضا-زمان بود که حرکت اجرام عظيم را ديکته مي‌کرد. انقلاب فضا-زمان اينشتين همان يک قرن پيش مورد تصديق قرار گرفت؛ يعني زماني که يک رويداد خورشيدگرفتگي، پيش‌بيني اوليه نظريه‌ي نسبيت عام را تاييد کرد؛ اما فضا-زمان هنوز به‌عنوان يک مفهوم پيچيده و رازآلود در محافل مختلف مورد بحث قرار مي‌گرفت. مي‌بايست اين مساله را بررسي مي‌کردند که از کجا نشات مي‌گيرد. حالا بر اساس يافته‌هاي حاصل از يکي ديگر از شگفتي‌هاي فيزيک در قرن گذشته به‌نام «مکانيک کوانتومي»، گويا در پاسخ به پرسش فوق، انقلابي در حال وقوع است. شايد امکان بازنويسي رزومه فضا-زمان با بهره‌گيري از مکانيک کوانتومي فراهم آيد. دانشمندان همچنين اميدوارند توضيح دهند که چرا مکانيک کوانتومي اين‌قدر ماهيت عجيب‌وغريبي دارد؟ فيزيکدان «برايان سوئينگل» در يکي از مطالعات مروري که در سال ۲۰۱۸ منتشر شد، اين‌چنين مي‌گويد: «فضا-زمان و جاذبه بايد از چيز ديگري نشات ‌گرفته باشند. در غير اين صورت، برقراري آشتي ميان گرانش اينشتين و جنبه‌هاي رياضي مکانيک کوانتومي امري دشوار و چالش‌برانگيز باقي خواهد ماند. ديدگاه گرانش اينشتين به‌عنوان نمايه‌اي از هندسه‌ي فضا-زمان توانسته موفقيت‌هاي بزرگي به دست بياورد. البته مکانيک کوانتومي نيز از قافله عقب نمانده و نائل به موفقيت‌هاي قابل‌توجهي شده است؛ به‌طوري که با دقتي مثال‌زدني، ويژگي‌هاي ماده و انرژي را در مقياس اتمي بررسي کرده و به توضيحشان مي‌پردازد. علي‌رغم تلاش‌هاي فراوان براي يافتن جنبه‌هاي رياضي سازگار که ويژگي‌هاي عجيب کوانتومي را با گرانش هندسي آشتي بدهد، هنوز موانع مفهومي و فني متعددي بر سر راه است که محققان بايد بر آن‌ها فائق آيند. دست‌کم تا به اينجاي کار تلاش‌هاي فراواني براي درک فضا-زمان معمولي صورت گرفته است. با مطالعه‌ي نظري ويژگي‌هاي هندسي فضا-زمان جايگزين، سرنخ‌هاي خوبي براي پيشرفت در اين مسير حاصل آمده است. يکي از اين مفاهيم جايگزين، «فضاي پاد-دو سيتر» نام دارد. اين فضا به طرز عجيبي خميده است و گويي روي خودش متلاشي مي‌شود، به‌جاي اينکه مثل جهان خودمان دچار گسترش و انبساط بشود. قطعاً چنين جايي نمي‌تواند شرايط خوبي براي حيات فراهم آورد؛ اما مي‌تواند آن‌را به‌عنوان آزمايشگاهي براي مطالعه‌ي نظريه‌هاي گرانش کوانتومي در نظر گرفت که مي‌تواند چيزهاي مفيدي در اختيارمان بگذارد. «سوئينگل» از دانشگاه مريلند در مقاله‌ي خود مي‌نويسد: «گرانش کوانتومي غني و گيج‌کننده است. لذا فضاي پاد-دو سيتر به نوع عجيبي از فضا-زمان اطلاق مي‌شود که خميدگي عجيبي دارد و شکل آن‌را در اين مقاله به تصوير کشيده‌ايم. اگرچه اين فضا با جهاني که ما در آن زندگي مي‌کنيم، تفاوت‌هاي اساسي دارد، اما به‌هرحال مي‌تواند سرنخ‌هاي درباره‌ي آن دسته از فرايندهاي کوانتومي در اختيار ما قرار بدهد که در توليد فضا-زمان عادي به ايفاي نقش مي‌پردازند.» براي مثال، مطالعه‌ي فضاي پاد-دو سيتر نشان مي‌دهد که جنبه‌هاي رياضيِ توضيح‌دهنده‌ي گرانش مي‌توانند با جنبه‌هاي رياضي فيزيک کوانتومي در فضايي با يک بُعد کمتر هم‌ارز باشد. يک هولوگرام را در نظر بگيريد؛ سطح دوبعدي و مسطحي که تصوير سه‌بعدي را در خود جاي مي‌دهد. به‌طور مشابه، شايد هندسه‌ي چهاربعدي فضا-زمان بتواند در جنبه‌هاي رياضي فيزيک کوانتومي رمزگذاري شود. يا شايد نياز به ابعاد بيشتري باشد. اينکه چند بُعد ديگر لازم است، يکي از سوال‌هاي مهمي است که محققان در پي پاسخگويي به آن هستند. در هر حال، بررسي‌هاي انجام‌شده در همين راستا از يک احتمال شگفت‌انگيز حکايت دارد؛ شايد خود فضا-زمان با فيزيک کوانتومي ايجادشده باشد؛ به‌ويژه با پديده گيج‌کننده‌اي به نام «درهم تنيدگي کوانتومي.» درهم تنيدگي به پيوستگي شبح‌واري گفته مي‌شود که ذراتي با فواصل مختلف را به يکديگر پيوند مي‌دهد. اگر چنين ذراتي از يک منبع متداول انتشار پيدا کنند، مي‌توانند به‌صورت درهم‌تنيده باقي بمانند و مهم نيست با چه فاصله‌اي از هم قرار داشته باشند. اگر ويژگي يکي از آن‌ها را مورداندازه‌گيري قرار بدهيد، در اين صورت مي‌دانيد که نتيجه همان اندازه‌گيري براي ديگري هم حاصل خواهد آمد؛ اما قبل از اندازه‌گيري، آن ذرات هنوز مشخص نشده‌اند و آزمايش‌هاي مختلف اين مساله را تاييد کرده است. به نظر مي‌رسد اندازه‌گيري در يک مکان تعيين مي‌کند که اندازه‌گيري در مکان دورِ ديگر چه خواهد بود. از بحث فوق مي‌تواند چنين استنباط کرد که ذرات درهم‌تنيده بايد بتوانند سريع‌تر از نور با يکديگر ارتباط برقرار کنند. در غير اين صورت، غيرممکن است تصور کنيم که چطور يکي از آن ذرات مي‌تواند تشخيص بدهد در گستره‌ي وسيعي از فضا-زمان چه اتفاقي بر ذره ديگر مي‌افتد؛ اما واقعيت اين است که اين ذرات هيچ پيامي به يکديگر ارسال نمي‌کنند. پس ذرات درهم‌تنيده چطور از دامنه‌ي فضا-زماني را که آن‌ها را از هم جدا مي‌سازد، گذر مي‌کنند؟ شايد جواب اين است که ذرات اصلاً مجبور به اين کار نيستند، زيرا درهم تنيدگي در فضا-زمان روي نمي‌دهد. درهم تنيدگي فضا-زمان را ايجاد مي‌کند! دست‌کم اين پيشنهادي است که تحقيقات فعلي درباره‌ي جهان‌هاي اسباب‌بازي به آن اشاره مي‌کند. سوئينگل مي‌گويد: «ظهور فضا-زمان و گرانش از جمله پديده‌هاي اسرارآميز فيزيک کوانتومي به شمار مي‌آيد که ما خواهان درک بيشتر و بهتر آن هستيم. تلاش‌هاي قابل‌توجه تعدادي از فيزيکدان‌هاي مطرح به يک سري شواهد نظري منجر شده است که مي‌گويد شبکه‌هايي از حالات کوانتوم درهم‌تنيده، تار و پود فضا-زمان را تشکيل مي‌دهند.» اين حالت‌هاي کوانتومي معمولاً با عنوان «کيوبيت» شناخته مي‌شوند. کيوبيت¬هاي درهم‌تنيده شبکه‌هايي با يک بُعد بيشتر در فضا توليد مي‌کنند. پس فيزيک کوانتوميِ کيوبيت‌ها مي‌تواند با هندسه‌ي فضايي که يک بعد بيشتر دارد، برابري کند. هندسه‌ي ‌ايجادشده با کيوبيت‌هاي درهم‌تنيده شايد به‌خوبي از معادلات نظريه‌ي نسبيت عام آلبرت اينشتين تبعيت کند. سوئينگل مي‌گويد: «ظاهراً هندسه‌اي با ويژگي‌هاي مناسب که از درهم تنيدگي ايجادشده باشد، بايد از معادلات گرانشي حرکت تبعيت کند. اين نتيجه بر اين ادعا مهر تاييد مي‌زند که فضا-زمان از درهم تنيدگي سرچشمه مي‌گيرد.» هنوز مشخص نيست که آيا سرنخ‌هاي يافت شده در جهان‌هاي اسباب‌بازي با ابعاد بيشتر مي‌تواند به داستان واقعيِ فضا-زمان معمولي ختم شود يا خير؟ هيچ‌کس به‌واقع نمي‌داند که چه فرايندهاي کوانتومي در دنياي واقعي در ايجاد تار و پود فضا-زمان نقش دارند. شايد برخي از فرضيه‌ها در محاسبات به‌دست‌آمده در نهايت اشتباه از آب در بيايند؛ اما محققان ابراز اميدواري کرده‌اند که فيزيک بتواند بنيادهاي طبيعت را به شکل عميق‌تري موردبررسي قرار بدهد. ما را در کانال «آخرين خبر» دنبال کنيد