جدید ترین عناوین خبری امروز
کیهان‌شناس

توجه: کلمه عبور به آدرس ایمیل شما ارسال خواهد شد.

گرانش کوانتومی چیست؟

گرانش کوانتومی چیست؟

فیزیکدانان معتقدند که در مقیاس کوچک، فضا کوانتومی می‌شود. اما این بلوک‌های ساختاری شبیه چه چیزی هستند؟
فضا-زمان در علم فیزیک، مفهومی است که یگانگی فضا و زمان را (در کنار هم) مشخص می‌کند و اولین‌بار توسط هرمان مینکوفسکی (Hermann Minkowski) ریاضیدان در ۱۹۰۸ به عنوان راهی برای فرمول‌بندی دوباره‌ی نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین (۱۹۰۵) ارائه شد.

آلبرت اینشتین خیلی زود یعنی در ابتدای نوامبر ۱۹۱۶ همه چیز را فهمید. او یک سال پیش از آن نظریه‌ی نسبیت عام خود را فرمول‌بندی کرده بود. نظریه‌ای که فرض می‌نماید ماهیت گرانش، نیرو نیست که در فضا-زمان منتشر شود؛ بلکه یک ویژگیِ ذاتی خود فضا-زمان است.
وقتی شما یک توپ را به هوا پرتاب می‌کنید، پس از مدتی در یک مسیر کمان‌شکل به سمت زمین بازمی‌گردد چرا که سیاره زمین، فضا-زمان اطراف آن را خمیده می‌کند به طوری که مسیر توپ و زمین دوباره همدیگر را قطع می‌کنند. اینشتین در نامه‌ای به یک دوست، چالش ترکیب نسبیت عام با ایده‌ی دیگرش، نظریه‌ی در حال تولد مکانیک کوانتومی را مطرح می‌کند. نظریه‌ای که نه تنها فضا را کج نمی‌کند بلکه آن را از بین می‌برد. به طور ریاضیاتی او به سختی می‌دانست که از کجا شروع کند. او در نامه‌اش نوشت: «حالا متوجه می‌شوم که چقدر خودم را در این راه به زحمت انداخته‌ام!»

اما اینشتین خیلی هم اشتباه نمی‌کرد! حتی امروزه ایده‌های پیچیده‌ی زیادی درباره‌ی نظریه‌ی گرانش کوانتومی وجود دارد که دانشمندان را مشغول خود کرده است. این مناظره‌ها یک حقیقت مهم را زیر سوال می‌برند: رویکردهای رقابتی که همگی می‌گویند فضا از چیزی عمیق‌تر نشات گرفته است، ایده‌ای که فهم فلسفی و علمی ۲۵۰۰ ساله را درهم‌می‌شکند.

آیا گرانش ویژگی ذاتی فضا-زمان است؟
آیا گرانش ویژگی ذاتی فضا-زمان است؟

ماجرا از کجا شروع شد؟

تعریفی که در گذشته رایج بود هیچ ارتباطی بین فضا و زمان در نظر نمی‌گرفت. فضای فیزیکی، تخت بود؛ یک ساختار پیوسته‌ی سه‌بعدی که برای همه‌ی مکان‌های نقطه‌ای ممکن ترتیبی (همان‌طور که اقلیدس فرض می‌نمود) در نظر می‌گرفت. برای چنین مفهومی از فضا، مختصات دکارتی به طور طبیعی سازگار است و خطوط مستقیم می‌توانند به طور مستقیم قابل تنظیم باشند.
زمان نیز به طور کاملا مستقل از فضا، تنها بررسی می‌شد. ساختاری پیوسته و یک‌بعدی که در طول گستره‌ی بی‌نهایت خود همگن است. هر «اکنونی» در زمان می‌تواند به عنوان یک مبدا برای گذشته یا آینده‌ی هر لحظه‌ی زمانی دیگری گرفته شود. چارچوب‌های مختصاتی فضایی در حال حرکت یکنواخت نسبت به زنجیره‌ی زمانی یکنواخت، حرکات بدون شتابی خواهند داشت که به عنوان تعریف خاصی از چارچوب‌های لخت مرجع بیان می‌شود.

اما در جهان مینکوفسکی، مختصه‌ی زمانی یک دستگاه مختصات، هم بر مختصه‌ی زمانی و هم بر مختصه‌ی فضایی وابسته است. وابستگی این دو کمیت نسبت به هم بر اساس یک قاعده که تغییر ضروری مورد نیاز برای نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین را می‌سازد، تعیین می‌شود.
بر اساس نظریه‌ی اینشتین هیچ چیزی همزمان در دو نقطه‌ی مختلف از فضا وجود ندارد؛ از این رو هیچ زمان مطلقی، آن‌گونه که در جهان نیوتنی در نظر گرفته می‌شد، وجود ندارد. جهان مینکوفسکی نیز، شامل یک دسته‌ی متمایز از چارچوب‌های مرجع لخت است اما اکنون جرم و سرعت‌ها همه نسبت به چارچوب لخت ناظر نسبی هستند که از قوانین خاص فرمول‌بندی شده توسط هندریک لورنتس (H.A. Lorentz) پیروی می‌کنند و سپس قواعد اصلی نظریه‌ی اینشتین و نمایش مینکوفسکی آن را می‌سازند.
تنها سرعت نور در همه‌ی چارچوب‌های لخت یکسان است. هر دستگاه مختصات یا به طور خاص رویداد فضا-زمانی در چنین جهانی، به عنوان یک «اکنون-اینجا» یا یک نقطه‌ی جهانی توصیف می‌شود. در هر چارچوب مرجع لخت همه‌ی قوانین فیزیکی بی‌تغییر می‌مانند.

هندریک لورنتس | Hendrik Lorentz

نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین (۱۹۱۶) هم از یک فضا-زمان چهاربعدی استفاده می‌کند اما آثار گرانشی را نیز با آن ترکیب می‌کند. گرانش دیگر به عنوان یک نیرو، آن‌گونه که در دستگاه نیوتنی وجود داشت، تصور نمی‌شود بلکه به عنوان یک نتیجه از پیچش فضا-زمان معرفی می‌گردد. اثری که به طور دقیق توسط یک دستگاه از معادلات اینشتین فرمول‌بندی شد. نتیجه‌ی حاصل یک فضا-زمان خمیده است در مقابل فضا-زمان تخت مینکوفسکی که مسیر حرکت ذرات، خطوط راستی در یک دستگاه مختصات لخت هستند.
در فضا-زمانِ خمیده‌ی اینشتین، به عنوان گسترشی مستقیم از مفهوم ریاضیاتیِ فضای خمیده‌ی ریمانی (ارائه شده در سال ۱۸۵۴)، ذره یک خط کلی یا ژئودزیک (مفهوم خط راست روی خمینه‌‌ها) را دنبال می‌کند؛ حرکتی مشابه با حرکت یک توپ بیلیارد روی سطح پیچ‌خورده، که مجبور است مسیر مشخص شده توسط سطح خمیده یا پیچ‌خورده را دنبال کند.

یکی از اصول بنیادی نسبیت عام این است که در موقعیت ژئودزیک از فضا-زمان، مانند هنگامی که یک آسانسور سقوط آزاد دارد یا یک ماهواره در گردش به دور زمین است، رفتارشان دقیقا مانند زمانی است که گرانش وجود نداشته باشد. مسیر پرتوهای نور نیز در ژئودزیک فضا-زمان از یک گونه‌ی خاص با نام ژئودزیک‌های نورگونه پیروی می‌کنند. در این میان سرعت نور مقدار ثابت و یکسان c را دارد.

در هر دو نظریه‌ی نیوتن و اینشتین، رفتار جرم‌های گرانشی به صورت میدان است. در فرمول‌بندی نیوتنی، جرم‌ها نیروی گرانشی برایند را در هر نقطه تعیین می‌کنند که توسط قانون سوم نیوتون شتاب ذره را مشخص می‌کنند. مسیر واقعی مثلا در مورد مدار یک سیاره، با حل یک معادله‌ی دیفرانسیل به دست می‌آید.
در نسبیت عام می‌بایست معادلات اینشتین را برای موقعیت داده شده و تعیین ساختار متناظر فضا-زمان حل کنید، سپس یک دستگاه معادلات دیگر را برای یافتن مسیر ذره انجام دهید. اما با فراخوانی اصل هم‌ارزی عام بین آثار گرانش و شتاب یکنواخت، اینشتین توانست آثار خاص مانند انحراف نور در گذر از جسمی سنگین مثل یک ستاره را نتیجه بگیرد.

سیاه‌چاله‌های سنگین جهان اولیه، با رشد سریع هاله‌های ماده تاریک، متولد شدند

نخسین حل دقیق از معادلات اینشتین برای یک جرم کروی یکتا، توسط ستاره‌شناس آلمانی، کارل شوارتزشیلد (Karl Schwarzschild) در سال ۱۹۱۶ به دست آمد. برای جرم‌های کوچک، این حل خیلی متفاوت از حل ارائه شده توسط قانون گرانش نیوتنی نیست اما برای محاسبه‌ی اندازه‌ی پیشرفت حضیض سیاره عطارد، که تا پیش از آن توجیه نشده بود، تفاوت دو راه حل بسیار قابل توجه است.
برای جرم‌های بزرگ، حل شوارتزشیلد خصوصیات نامعمولی پیش‌بینی می‌کند. رصدهای نجومی ستارگان کوتوله به طور ناگهانی منجر شد تا فیزیکدان آمریکایی رابرت اپنهایمر (J. Robert Oppenheimer) و اسنایدر (H. Snyder) در سال ۱۹۳۹ حالت‌های ابرچگال ماده را فرمول‌بندی کنند. تمام این نظریات و شرایط فرضی دیگر رمبش گرانشی امروزه در کشفیات اخیر تب‌اخترها، ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها تایید شده است.

مقاله‌ی دیگری از اینشتین در سال ۱۹۱۷ نظریه‌ی نسبیت عام را در کیهان‌شناسی به کار گرفت و تولد کیهان‌شناسی مدرن را رقم زد. در آن مقاله اینشتین به دنبال مدل‌هایی در تمام جهان برآمد که این معادلات را تحت فرض‌های مناسبی درباره‌ی ساختار بزرگ-مقیاس جهان، مانند همگنی آن، به معنای این که فضا-زمان در هر بخش همانند بخش دیگر است، (اصل کیهان‌شناختی) ارضا کنند.
اینشتین در مسیر ساختن جهانی که منبسط یا منقبض نشود، یک جمله‌ی اضافی با نام ثابت کیهان‌شناسی را به معادلاتش اضافه کرد. وقتی شواهد رصدی آشکار کردند که جهان واقعا در حال انبساط است، اینشتین از پیشنهاد خود عقب‌نشینی کرد. اما تجزیه و تحلیل‌های جدیدتر از انبساط جهان در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ منجر شد تا ستاره‌شناسان احتمال دهند که یک ثابت کیهان‌شناسی باید در معادلات اینشتین افزوده گردد.

خمیدگی فضا-زمان
خمیدگی فضا-زمان

آن سوی سیاه‌چاله

یک آهنربای آشپزخانه به سادگی مسأله‌ای که فیزیکدانان با آن رو در رو هستند را نشان می‌دهد. حتی این آهنربای ضعیف می‌تواند یک گیره کاغذی را بر خلاف گرانش کل زمین محکم نگه دارد. به این ترتیب نیروی گرانش ضعیف‌تر از مغناطیس، الکتریسیته یا نیروهای هسته‌ای است. با این حال آثار کوانتومی آن از این هم ضعیف‌تر است. تنها مدرک قابل درک که نشان می‌دهداین فرآیندها هرروزه رخ می‌دهند نوسانات کوانتومی میدان گرانشی است.

سیاه‌چاله‌ها بهترین نمونه‌ی آزمایشی برای گرانش کوانتومی هستند. تد یاکوبسون (Ted Jacobson)‌ از دانشگاه مریلند، دانشکده پارک می‌گوید: «این شبیه‌ترین چیزی است که می‌توانیم رصد کنیم.» او و دیگرنظریه‌پردازان، سیاه‌چاله‌ها را به عنوان اهرم‌های نظری مطالعه می‌کنند. وقتی معادلاتی را می‌گیرید که خیلی خوب تحت شرایط آزمایشگاهی کار می‌کنند و بهترین شرایط ممکن را برایشان استخراج می‌کنند چه رخ می‌دهد؟ آیا برخی نقوص ظریف خود را آشکار می‌کنند؟

نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند که ماده هنگام افتادن درون مرکز یک سیاه‌چاله، به یک تنگنای ریاضیاتی با نام تکینگی نزدیک می‌شود و بی‌اندازه فشرده می‌گردد. نظریه‌پردازان نمی‌توانند مسیر یک شی را فراتر از تکینگی بررسی کنند چرا که خط زمانی جسم در آن نقطه پایان می‌یابد. حتی گفتن «آن نقطه» مسأله‌برانگیز است چرا که ذات فضا-زمان که بتواند مکان تکینگی را تعریف کند، وجود ندارد. محققان امیدوارند که نظریه‌ی کوانتومی بتواند یک میکروسکوپ را روی آن نقطه متمرکز کند و مسیر فروافتادن ماده را دنبال کند.

خارج از مرز سیاه‌چاله، ماده خیلی فشرده نیست؛ گرانش ضعیف‌تر است و تمام قوانین شناخته‌شده‌ی فیزیک همچنان برقرار خواهند بود. اما پیچیدگی‌هایی هم وجود دارد که این قوانین را ناکارآمد می‌کند.
سیاه‌چاله توسط یک افق رویداد محدود شده است، نقطه‌ای بدون بازگشت. ماده‌ای که درون آن فرومی‌افتد هرگز نمی‌تواند خارج شود. این فرود، برگشت‌ناپذیر است. این مسأله‌ی  عجیبی است چرا که تمام قوانین شناخته‌شده‌ی فیزیک بنیادی شامل قوانین مکانیک کوانتومی، که عموما درک شده است، برگشت‌پذیر هستند. حداقل از لحاظ نظری باید بتوان حرکت همه‌ی ذرات را برگرداند و شرایط اولیه را بازیابی نمود.

معمای مشابهی در اواخر دهه‌ی ۱۸۰۰ برای فیزیکدانان پیش آمد. هنگامی که دانشمندان ریاضیات یک جسم سیاه را، که به عنوان یک کاواک پر از تابش الکترومغناطیس ایده‌آل سازی شده بود، درنظر گرفتند. نظریه‌ی الکترومغناطیس جیمز کلارک ماکسول (James Clerk Maxwell)‌ پیش‌بینی کرد چنین جسمی همه‌ی تابشی که به آن می‌تابد را جذب می‌کند و نمی‌تواند هرگز با ماده‌ی اطراف خود به تعادل برسد. رافائل سرکین (Rafael Sorkin)‌ نیز این گونه توضیح می‌دهد:‌ «این جسم می‌تواند مقدار بی‌اندازه‌ای از گرما را از یک مخزن نگه‌داری شده در دمای ثابت جذب کند.» به بیان گرمایی، این جسم می‌تواند به طور مؤثر دمای صفر مطلق را تجربه کند.
این نتیجه، رصدهای هر روزه از جسم‌های سیاه واقعی (مانند یک اجاق) را رد می‌کند. در ادامه‌ی کارِ ماکس پلانک (Max Planck)‌،‌ اینشتین نشان داد که یک جسم سیاه می‌تواند به تعادل گرمایی برسد، اگر انرژی تابشی در واحدهای گسسته یا کوانتا جابه جا شود.

پیامی از استیون هاوکینگ به سیاه چاله فرستاده می‌شود

فیزیکدانان نظری در حدود نیم‌قرن برای به دست‌آوردن یک حل معادل درمورد سیاه‌چاله‌ها تلاش کرده‌اند. آخرینِ آن‌ها، استیون هاوکینگ (Stephen Hawking)‌ از دانشگاه کمبریج گام بزرگی را در میانه‌ی دهه‌ی ۱۹۷۰ برداشت. او نظریه‌ی کوانتومی را در میدان تابشی پیرامون سیاه‌چاله‌ها به کار گرفت و نشان داد سیاه‌چاله‌ها دمای ناصفری دارند. همینطور این موضوع را مطرح کرد که سیاه‌چاله‌ها نه‌تنها می‌توانند امواج را جذب می‌کنند بلکه تابش انرژی هم دارند.
اگر چه تجزیه و تحلیل او سیاه‌چاله‌ها را به حیطه‌ی ترمودینامیک برد ولی مشکل برگشت‌ناپذیری را تشدید کرد. تابش خروجی دقیقا از مرز سیاه‌چاله است و هیچ اطلاعاتی درباره‌ی داخل سیاه‌چاله همراه خود ندارد. این تابش تنها یک انرژی گرمایی تصادفی است. اگر رویه را برعکس کنید و انرژی را به درون آن بازگردانید، چیزی که فروافتاده است بازنمی‌گردد، فقط گرمای بیشتری دریافت خواهید کرد.
نمی‌توان تصور کرد که اصل آن ‌چیز هنوز آن‌جا است و صرفا درون چاله گیر افتاده است؛ زیرا وقتی چاله انرژی تابش می‌کند، کوچک می‌شود و بر اساس تحلیل هاوکینگ نهایتا ناپدید می‌گردد.

این مسأله را پارادوکس اطلاعات می‌گویند زیرا سیاه‌چاله اطلاعات درباره‌ی ذرات فرو افتانی را که اجازه‌ی بازچینی حرکت‌شان را می‌دهند را از بین می‌برد. اگر فیزیک سیاه‌چاله واقعا برگشت‌پذیر باشد، چیزی باید اطلاعات را برگرداند و مفهوم ما از فضا-زمان شاید نیاز به تغییر داشته باشد تا بتواند چنین چیزی رخ دهد.

اتم‌های فضا-زمان

گرما حرکت تصادفی اجزای میکروسکوپیک مانند مولکول‌های یک گاز است. چون سیاه‌چاله‌ها می‌توانند گرم و سرد شوند، به این معناست که آن‌ها دارای بخش یا به طور عام یک ساختار میکروسکوپیک هستند. چون یک سیاه‌چاله فقط فضای خالی است (طبق نسبیت عام، مواد فروافتان از افق می‌گذرند اما نمی‌توانند درنگ کنند)، بخش‌های سیاه‌چاله باید قسمت‌هایی از خود فضا باشند. شاید به سادگی یک فضای خالی به نظر برسد ولی پیچیدگی پنهان زیادی دارد.

حتی نظریاتی که برای حفظ یک مفهوم متعارف از فضا-زمان درست شده‌اند، نتیجه‌گیری به این که چیزی در پشت پرده رخ می‌دهد را پایان می‌دهند. به طور خلاصه در اواخر دهه‌ی ۱۹۷۰ استیون واینبرگ (Steven Weinberg)‌ که اکنون در دانشگاه تگزاس در آستین است به دنبال توصیف گرانش در روشی مشابه با دیگر نیروهای طبیعت است. او به تازگی دریافت که فضا-زمان به طور مبهمی در ریزترین مقیاس‌های خود اصلاح شده است.

تورم کیهانی چگونه اتفاق افتاد؟

فیزیکدانان در ابتدا فضای میکروسکوپی را به عنوان یک موزاییک از اجزای کوچک فضا تجسم کردند. اگر شما واحد پلانک، اندازه‌ی کوچک و باورنکردنی ۳۵-۱۰ متر را در نظر بگیرید، ساختاری شبیه به یک صفحه‌ی شطرنج خواهید دید. اما خب این هم نمی‌تواند کاملا درست باشد.
در بعضی موارد، خطوط مشبک یک فضای شطرنجی در برخی جهات بر جهات دیگر برتری دارند و این موضوع ناتقارنی‌هایی می‌سازد که با نسبیت خاص در تناقض است. برای نمونه، نور با رنگ‌های مختلف شاید در سرعت‌های متفاوت حرکت کند، درست مانند یک منشور شیشه‌ای که نور را به رنگ‌های تشکیل دهنده‌اش تجزیه می‌کند. اگر چه آثار این اتفاق در مقیاس‌های کوچک سخت دیده می‌شود، تناقضات نسبیت تاحدودی واضح خواهد بود.

ترمودینامیک سیاه‌چاله‌ها شک بیشتری بر تصویرسازی فضا به عنوان یک موزاییک ساده اعمال می‌کند. با اندازه‌گیری رفتار گرمایی هر سیستم، می‌توان حداقل به طور اصولی شمار بخش‌های آن را شمارش کرد. انرژی را تخلیه کنید و به دماسنج نگاه کنید. اگر سریعا بالا می‌آید،‌ آن انرژی باید بر مولکول‌های نسبتا بیشتری رها شده باشد. شما در حال اندازه‌گیری آنتروپی سیستم هستید که نشان دهنده‌ی پیچیدگی میکروسکوپیک سیستم است.

اگر این آزمایش را روی یک ماده‌ی عادی انجام دهید،‌ شمار مولکول‌ها با حجم ماده افزایش می‌یابد. دقیقا همان‌طور که باید باشد: اگر شعاع یک توپ ساحلی را ۱۰ برابر افزایش دهید، آنگاه ۱۰۰۰ برابر مولکول بیشتری در آن خواهید داشت. اما اگر شعاع یک سیاه‌چاله را ۱۰ برابر کنید،‌ تعداد مولکول‌ها تنها ۱۰۰ برابر می‌شود. تعداد مولکول‌هایی که ساخته شده‌اند نباید با حجم آن، بلکه باید با مساحت آن متناسب باشد. هرچند که سیاه‌چاله ممکن است سه‌بعدی به نظر برسد اما طوری رفتار می‌کند که انگار دوبعدی است.

این اثر عجیب همان اصل هولوگرافیک است زیرا یادآور یک هولوگرام است که خود را به عنوان یک جسم سه‌بعدی نشان می‌دهد. اما با بررسی دقیق‌تر می‌فهمیم که تصویر تولیدشده توسط یک ورق یا فیلم دوبعدی است. اگر اصل هولوگرافیک تعداد اجزای میکروسکوپیک فضا و محتوای آن را، آن‌گونه که فیزیکدانان زیادی قبول دارند، بشمارد باید برای ساختن فضا از بهم پیوند زدن اجزای کوچک آن بیشتر بگیرد.

ستاره‌شناسان چگونه اولین تصویر از سیاه‌چاله را شکار کردند؟

اما رابطه‌ی جزء به کل خیلی سرراست نیست. یک مولکول H2O تنها یک جز کوچک از آب نیست. ماهیت آب مایع را در نظر بگیرید: جریان می‌یابد، قطره می‌سازد، موج و برآمدگی حمل می‌کند، یخ می‌زند و به جوش می‌آید. یک مولکول H2O به تنهایی هیچ‌کدام از این‌ها را انجام نمی‌دهد؛ بلکه این ویژگی‌ها رفتارهای جمعی هستند.
به طور مشابه بلوک‌های سازنده‌ی فضا نیز نباید لزوما فضایی باشند. دنیل اوریتی (Daniele Oriti) از مؤسسه‌ی ماکس پلانک در موضوع فیزیک گرانشی از پسدام آلمان می‌گوید: «اتم‌های فضا کوچک‌ترین اجزای فضا نیستند. آن‌ها اجزای سازنده‌ی فضا هستند. خصوصیات هندسی فضا، خصوصیات تقریبی،‌ جمعی و تازه‌ی یک سیستم، از کنار هم قرار گرفتن تعداد زیادی از چنین اتم‌هایی ساخته شده است.»

این که آن بلوک‌های ساختاری دقیقا چه چیزی هستند در هر نظریه متفاوت است. در گرانش کوانتومی حلقه، این بلوک‌ها کوانتای حجم جمع شده توسط کابرد اصول کوانتوم هستند. در نظریه ریسمان، آن‌ها میدان‌هایی وابسته به آن الکترومغناطیسی که روی سطح با یک رشته یا حلقه از انرژی متحرک با نام ریسمان ردگذاری می‌شود زندگی می‌کنند، هستند. در نظریه‌ی M که مرتبط با نظریه‌ی ریسمان است و شاید زمینه‌ی آن هم باشد، بلوک‌ها نوع خاصی از ذره هستند، یک غشای کاهش‌یافته به یک نقطه. در نظریه دستگاه علی، بلوک‌ها رویدادهایی مرتبط با یک تاری از علت و معلول هستند.

گرانش کوانتومی حلقه می‌تواند به پرسش‌های بنیادی درباره‌‌ی سیاه‌چاله‌ها پاسخ دهد

در تمام این دیدگاه‌ها، فضا یک جورچین است. شما از یک قطعه‌ی بزرگ شروع می‌کنید و میزان ارتباط میان آن را می‌نگرید و بر اساس آن اجزای دیگر را جایگذاری می‌کنید. اگر دو قطعه خصوصیات یکسان داشته باشند مثلا رنگ‌شان یکی باشد، احتمالا آن دو را نزدیک هم قرار می‌دهید، اگر به شدت متفاوت باشند، شما آن‌ها را دور از هم می‌گذارید.
فیزیکدانان به طور معمول این روابط را به عنوان یک شبکه با یک الگوی خاص ارتباطی بیان می‌کنند. این روابط با نظریه‌ی کوانتومی یا دیگر اصول بیان می‌شود و تنظیم‌های فضایی را دنبال می کند.

تارهای درهم‌تنیده

درک بزرگ سال‌های اخیر ،که مرزهای سنتی را پشت سر گذاشته است، نشان می‌دهد که روابط هماهنگ نیازمند مفهوم درهم‌تنیدگی کوانتومی هستند. یک هاله‌ی قوی از پیوند که ذات مکانیک کوانتومی را به همراه دارد و اصالت فضا را به دوش می‌کشد.
برای مثال دو ذره را که در جهات مختلف حرکت دارند، در نظر بگیرید. اگر این دو ذره درهم‌تنیده شوند، همواره هماهنگ با هم می‌مانند بی‌توجه به آن که چقدر ممکن است از هم دور باشند!

وقتی مردم درباره‌ی گرانش کوانتومی صحبت می‌کنند، به گسستگی کوانتومی، نوسانات کوانتومی و هر اثر کوانتومی دیگر اشاره می‌کنند اما از مفهوم درهم‌تنیدگی کوانتومی غافل می‌شوند.
اما این موضوع با ورود سیاه‌چاله‌ها تغییر می‌کند. در طول عمر یک سیاه‌چاله، ذرات درهم‌تنیده درون آن می‌افتند ولی پس از تبخیر کامل چاله، جفت‌های درهم‌تنیده‌شان در طرف دیگر رها می‌شوند. سمیر ماتور (Samir Mathur)‌ از دانشگاه ایالتی اوهایو می‌گوید: «هاوکینگ باید آن را مسأله‌ی درهم‌تنیدگی می‌نامید.»

فیزیکدانان اروپایی درهم تنیدگی کوانتومی را در ابرهای چگال اتمی بررسی کردند

حتی در خلأ بدون اینکه هیچ ذره‌ای در آن اطراف باشد، میدان الکترومغناطیس و دیگر میدان‌ها به طور درونی درهم‌تنیده هستند. اگر شما یک میدان را در دو محل مختلف اندازه بگیرید، برداشت‌های شما در مسیری تصادفی اما هماهنگ حرکت می‌کنند و اگر شما یک ناحیه را به دو قسمت تقسیم کنید، قسمت‌ها، با توجه به درجه‌ی پیوستگی‌شان و وابسته به کمیت هندسی که دارند، پیوند خواهند خورد.
در سال ۱۹۹۵ یاکوبسون ادعا کرد که درهم‌تنیدگی ارتباطی بین وجود ماد و هندسه‌ی فضا-زمان ایجاد می‌کند که می‌تواند قانون گرانش را توضیح دهد. او می‌گوید: «درهم‌تنیدگی بیشتر، گرانش ضعیف‌تری می‌سازد؛ یعنی فضا-زمانی سخت‌تر.»

چندین رویکرد به گرانش کوانتومی (بیشتر از همه، نظریه ریسمان) درهم‌تنیدگی را حیاتی می‌دانند. نظریه‌ی ریسمان اصل هولوگرافیک را نه فقط برای سیاه‌چاله‌ها بلکه همچنین برای جهان، در مقیاس بزرگ به کار می‌‌گیرد که یک دستورالعمل برای میزان تولید فضا یا حداقل چیزی از آن را مهیا می‌کند. به طور خلاصه، یک فضای دوبعدی می‌تواند با میدان‌ها موجی شود که وقتی در روش درست ساختار بندی گردد، یک بعد اضافی از فضا تولید می‌کند. فضای دوبعدی اصلی می‌تواند به عنوان مرز یک رژیم ارزشمندتر با عنوان فضای توده به کار رود و درهم‌تنیدگی چیزی است که فضای توده را به یک کل پیوسته گره می‌زند.

درهم‌تنیدگی کوانتومی
درهم‌تنیدگی کوانتومی

در سال ۲۰۰۹ مارک فن رامسدانک (Mark Van Raamsdonk)‌ از دانشگاه بریتیش کلمبیا برای این فرآیند یک ادعای زیبا مطرح نمود. فرض کنید که میدان‌ها روی مرز درهم‌تنیده نیستند و یک جفت از سیستم‌های ناپیوسته را تولید می‌کنند. آن‌ها متناظر به دو جهان مجزا هستند که هیچ راهی برای سفر بین‌شان نیست. وقتی سیستم‌ها درهم‌تنیده می‌شوند، به مثابه‌ی یک تونل یا کرم‌چاله عمل می‌کند و بین آن جهان‌ها راهی باز می‌کند و یک سفینه می‌تواند از یکی به دیگری برود. هر چه درجه‌ی درهم‌تنیدگی بیشتر می‌شود، کرم‌چاله از طول کاهش می‌یابد و دو جهان را یکی می‌کند تا جایی که دیگر نمی‌توان از آن‌ها به عنوان دو جهان یاد نمود.
فن رامسدانک می‌گوید: «ظهور یک فضا-زمان بزرگ به طور مستقیم با درهم‌تنیدگی درجات آزادی نظریه‌ی میدان رابطه دارد.» وقتی ما پیوستگی‌ها را در میدان الکترومغناطیس و دیگر میدان‌ها رصد می‌کنیم، آن‌ها بقایایی از درهم‌تنیدگی هستند که فضا را به هم مقید می‌کنند.

بسیاری از ویژگی‌های دیگر فضا، در کنار پیوستگی آن، می‌توانند درهم‌تنیدگی را بازتاب دهند. فن رامسدانک و برایان سویینگل (Brian Swingle)‌ که اکنون در دانشگاه مریلند دانشکده‌ی پارک هستند ادعا می‌کنند که درهم‌تنیدگی، جهانی بودن گرانش، اینکه همه چیز را متأثر می‌کند و هیچ چیزی از آن در امان نیست، را توضیح می‌دهد. مثلا برای سیاه‌چاله‌ها، لئونارد ساسکیند (Leonard Susskind)‌ از دانشگاه استنفورد و خوان مالداسنا (Juan Maldacena) از مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته در پرینستون نیوجرسی پیشنهاد می‌دهند که درهم‌تنیدگی بین یک سیاه‌چاله و تابشی که گسیل می‌کند، یک کرم‌چاله، یعنی یک مدخل پشتی به چاله می‌سازد. این شاید به حفظ اطلاعات کمک کند و تضمین نماید که فیزیک سیاه‌چاله برگشت‌پذیر است.

سیارک | Asteroid

در حالی که ایده‌های نظریه‌ی ریسمان تنها برای هندسه‌های خاصی کار می‌کند و تنها یک بعد تنها از فضا را باز می‌سازد، برخی محققان در توضیح چگونگی ناشی‌شدن همه‌ی فضا از یک خراش تلاش می‌کنند. به طور خلاصه، چان‌جان کائو (ChunJun Cao)، اسپایریدون میچالاکیس (Spyridon Michalakis) و سین کرول (Sean M. Carroll) که همگی در مؤسسه‌ی تکنولوژی کالیفرنیا هستند با یک توصیف کوانتومی ساده‌نگرانه بدون هیچ اشاره‌ی مستقیمی به فضازمان یا ماده فرمول‌بندی شده، شروع کرده‌اند. اگر آن یک الگوی درست از پیوستگی‌ها باشد، سیستم می‌تواند به اجزای سازنده‌ای شکسته شود که می‌توانند به عنوان نواحی مختلف فضا-زمان شناسایی شوند. در این مدل، درجه‌ی درهم‌تنیدگی یک مفهوم طول فضایی را تعریف می‌کند.

در فیزیک و به طور عام‌تر در علوم طبیعی، فضا و زمان مبنای همه‌ی نظریات هستند. ما همچنان نمی‌توانیم فضا-زمان را به طور مستقیم ببینیم. اما حضورش را از تجربه‌ی هر روزه استنتاج می‌کنیم. ما فرض می‌کنیم که مقرون به صرفه‌ترین حساب از این پدیده که ما می‌بینیم ساز و کاری است که درون فضا-زمان عمل می‌کند. اما خط آخر درس گرانش کوانتومی این است که همه‌ی پدیده‌ها به سادگی در فضا-زمان سازگار نیستند. فیزیکدانان نیاز خواهند داشت تا برخی از ساختارهای بنیادی تازه را بیابند و وقتی یافتند، تحولی که تنها برای بیش از یک قرن پیش با اینشتین آغاز شد، کامل می‌شود.

منبع: کیهان‌شناس

ورود به سایت دیدگاه ها 0
avatar
  Subscribe  
Notify of

رصد و اکتشافات فضایی

نگرانی ستاره‌شناسان از صورت‌ فلکی وسیع اسپیس‌ایکس
نگرانی ستاره‌شناسان از صورت‌ فلکی وسیع اسپیس‌ایکس
48
بالاخره فهمیدیم کهکشان راه شیری چه زمانی با کهکشان آندرومدا برخورد خواهد کرد؟
کهکشان راه شیری چه زمانی با کهکشان آندرومدا برخورد خواهد کرد؟
49
چرا نمی‌توانیم سیاه‌چاله را ببینیم؟
چرا نمی‌توانیم سیاه‌چاله را ببینیم ؟
45
شایعه‌ی ساختگی بودن سفر به ماه
شایعه‌ی ساختگی بودن سفر به ماه
114
تلسکوپ TESS اولین جهان بیگانه هم‌اندازه با زمین را شناسایی کرد
66

ذرات بنیادی

ذرات بنیادی چه چیزهایی هستند؟
ذرات بنیادی چه چیزهایی هستند؟
36
فیزیکدانان با به دام انداختن ۱۰ جفت فوتون، رکورد جدیدی را ثبت کردند
فیزیکدانان با به دام انداختن ۱۰ جفت فوتون، رکورد جدیدی را ثبت کردند
73
آیا نیروی پنجم جدیدی در طبیعت یافت شده است؟
آیا نیروی پنجم جدیدی در طبیعت یافت شده است؟
3
نگاهی به آزمایشات فیزیک پیرامون یافتن ذره‌ی روح
نگاهی به آزمایشات فیزیک پیرامون یافتن ذره‌ی روح
109
هر زمانی که شما چیزی را می‌بینید، لمس می‌کنید و یا می‌بویید، در حال تجربه‌ی جهان کوانتومی هستید
هر زمانی که شما چیزی را می‌بینید، لمس می‌کنید و یا می‌بویید، در حال تجربه‌ی جهان کوانتومی هستید
115