چگونه گرانش کوانتومی درک ما از جهان را تغییر می دهد

مکانیک کوانتومی و نسبیت عام، کشفیات دو قلوی نوابغ قرن بیستم، توضیحات بسیار قابل توجهی در خصوص نحوه‌ی عملکرد و راهی که جهان براساس آن کار می‌کند ارائه دادند. اما در زوایای مختلف و پنهان دانش، ما یاد گرفتیم که این کشفیات فقط جنبه‌هایی از تصاویر بسیار بزرگ‌تر هستند.

به گزارش بیگ بنگ، دست یافتن به الگویی بر مبنای تئوری گرانش کوانتومی، که در واقع تلفیقی از مکانیک کوانتوم و نسبیت عام می‌باشد، نظریات عجیب و غریبی به همراه داشت که باعث ایجاد آشفتگی زیادی در دانسته‌ها و نظریات پیشین دانشمندان شد. یکی از نتایج بدست آمده از این الگو به این صورت بیان می‌شود که زمان، ممکن است محصول جانبی بیت‌های کوانتومی(کیوبیت) درهم تنیده‌ای باشد که در مرزهای زمانی جهان به یکدیگر رسیده‌اند.
 

مکانیک کوانتومی در برابر نسبیت عام

این دو نظریه که در قرن بیستم میلادی مطرح شدند در واقع انقلابی بنیادین در فهم ما از فیزیک رایج و جهان ایجاد کردند. مکانیک کوانتوم، قصد دارد رفتار کوچک‌ترین چیزها در جهان از قبیل ذرات زیراتمی را در مقیاس نانو، توضیح دهد. در این مقیاس “زمان” یک مفهوم جهانی و مطلق می‌باشد. از طرف دیگر، نسبیت عام اینشتین می‌گوید که زمان یک پارامتر نسبی و دینامیک است که در واقع نتیجه‌ی حاصل از برهمکنش فضا- زمان و مواد با یکدیگر می‌باشد. بر مبنای نظریه‌ی نسبیت، هندسه‌ی فضا-زمان می‌تواند توسط ِ اجرام بزرگ‌تر منحرف شود. در واقع این نظریه بیان می‌کند که اجسامی که درون صفحه‌ی فضا-زمان حرکت می‌کنند در صورتی ظاهر خواهند شد که توسط نیروی گرانشی اجرام بزرگ‌تر از خود تحت تاثیر قرار گیرند.

به صورت کلی در علم فیزیک امروز این دو نظریه به این صورت بیان می‌شوند: نسبیت عام می‌تواند خواص گرانشی اجسام بزرگ را در صورتیکه جرم کافی داشته باشند در حدی که خواص کوانتومی آنها قابل اغماض باشد، توصیف کند؛ و توسط مکانیک کوانتوم توضیح دقیق و شفافی در خصوص اتفاقاتی که در مقیاس‌های کوچک رخ می‌دهد ارائه می‌شود البته به شرطی که ذرات به اندازه‌ی کافی کوچک و ناچیز باشند که تاثیرات گرانشی آنها نزدیک به صفر باشد. حال سوال اصلی اینجاست: ما چگونه می‌توانیم مواردی را توصیف کنیم که بسیار سنگین و در عین حال بسیار کوچک می‌باشند؟ برای توصیف این پدیده‌ها چگونه می‌توان مفهوم مطلق زمان و نسبی بودن آن که توسط هرکدام از این نظریه‌ها بیان می‌شود را با یکدیگر وفق داد؟

وفق دادن تفاوت‌ها

این گپ در فهم ما از فیزیک و چگونگی رخداد ِ برخی از رویدادها، چیزی است که تئوری گرانش کوانتومی احتمالا می‌تواند آن را توضیح دهد. پیشرفت شگرفی که تحت عنوان مطالعات گرانش کوانتوم آغاز شده است می‌تواند دیدی درخصوص اینکه چگونه می‌توان نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را مجددا حل کرد، به ما بدهد. مارک ون رامسدانک، فیزیکدان نظریه‌پرداز دانشگاه بریتیش کلمبیا در این خصوص می‌گوید: ما در حال حاضر این موضوع را متوجه شده‌ایم که فضا-زمان در واقع فقط یه توصیف هندسی از ساختار پیچیده‌ی سیستم اصولی گرانش کوانتومی می‌باشد.

آیا موضوع را کاملا متوجه شده‌اید؟ در اصل، ایده‌ی مطرح شده می‌گوید: جهانی که ما تجربه می‌کنیم با تمام مواد و فضا-زمان ِ نسبی درون آن، برخاسته از برآیند بیت‌های کوانتومی(کیوبیت ها) اطلاعاتی می‌باشد؛ دقیقا همانگونه که جهان یک بازی کامپیوتری برخاسته از بیت‌های دیجیتالی اطلاعات کامپیوتری می‌باشد. در واقع این ایده یه “مفهوم هولوگرافی” از جهان ارائه می‌دهد.

محققان مشخص کردند که چگونه منحنی هندسی فضا- زمان در جهان می‌تواند ساختار چشم ماهی، که تحت عنوان “فضای AdS (Anti-de Sitter) ” شناخته می‌شود، داشته باشد. در این ساختار با دور شدن از مرکز منحنی، افزایش فضا در زمان‌های کوتاه‌تری رخ می‌دهد تا جایی که ابعاد فضا در جایی دور از مرکز در یک مرز افزایش می‌یابند. این مرز که با نام “بالک” شناخته می‌شود نسبت به لحظه‌ی آغازش یک بُعد فضایی کمتر خواهد داشت. این منحنی در واقع ساختاری هولوگرافی از جهان با تمام مواد، انرژی و زمان متحرک درون آن، می‌باشد و این ساختار که همواره در حال حرکت است، در هر لحظه نسبت به فضایی که در آن قرار دارد خم شده و انحنا می‌گیرد و این موضوع دقیقا با آنچه در نظریه نسبیت بیان می‌شود مطابقت دارد.

در عین حال، کیوبیت های در هم تنیده، مطابق با یک الگوی از پیش تعریف شده و هم زمان با پیشرفت فضای AdS در مرزهای این فضا به یکدیگر برخورد می‌کنند.و در این حالت، طبیعت زمان همانگونه که در حالات کوانتومی ذکر می‌شود، کاملا غیرنسبی خواهد بود. این موارد را می‌توان مانند یک برنامه‌ی کامپیوتری در نظر گرفت؛ در یک برنامه‌ی کامپیوتری دستورات مطابق با الگوی تعریف شده اجرا می‌شوند اما در زمانی بر مبنای ساعت داخلی خود کامپیوتر (درواقع برنامه‌های کامپیوتری فقط در زمان‌هایی اجرا می‌شوند که شما آن‌ها را فعال می‌کنید!) در نهایت می‌توان جهان را اینگونه شبیه‌سازی کرد که زمان در آن می‌تواند در یک مرز مشخص کشیده شود اما هر وقت که نیاز بود به ظور نسبی عمل کند.

تاکنون خیلی خوب پیش رفته‌ایم!!

اما با قبول اینکه جهان ما در یک پیکربندی AdS شکل گرفته است، یعنی جاییکه فضا در فاصله‌ای بسیار دورتر از آنچه بتوان مشاهده کرد کشیده می‌شود، مشکلاتی در خصوص درک و بسط ِ یافتن زمان، پیش خواهد آمد. در این پیکربندی، مرزها در جایی ظاهر می‌شوند که زمان به پایان می‌رسد و در عین حال کیوبیت های قرار گرفته بر روی این مرزها منجر به ایجاد یک هولوگرام داخلی با یک زمان دینامیک می‌شوند.

همانگونه که برایان سوئینگل از دانشگاه هاروارد گفته است، به نظر می‌رسد تمام این تحقیقات یک موضوع را روشن می‌کنند، این موضوع که: در هر صورت، شما می‌توانید زمان را با استفاده از درهم تنیدگی آن با بینهایت درجه آزادی، بسط دهید. در نهایت تیم تحقیقاتی در خصوص این مطالعات که تاکنون کشف کرده‌اند که چگونه این نظریات می‌توانند محتمل باشند، این محققان امیدوار هستند تا در نهایت به جواب روشنی رهنمون شوند که به آنها بگوید چرا نمی‌توان سر از کار فیزیک ِ جهانی که در آن زندگی می‌کنیم، درآورد.

فیزیکدانان کریستال زمان ساختند! دانشمندان در پی حل یکی از بزرگترین اسرار فیزیک