دانستنی آیا اینشتین اشتباه می‌کرد؟

[seon-ho]

در طول تاریخ “حقایق علمی” به مرور کشف شده‌اند. جریان‌هایی در طول تاریخ رخ می‌دهند تا افراد جدید پدیدار شوند و قدرت را به دست بگیرند. همه سعی دارند حاکم جدید را سرنگون کنند. این امر در خصوص دانشمندان نیز همینطور است.

به گزارش بیگ بنگ، این اتفاق بارها و بارها در تاریخ فیزیک و نجوم افتاده است. در ابتدا تصور می‌کردیم که زمین در مرکز منظومه شمسی قرار دارد – ایده‌ای که به مدت بیش از هزاران سال باقی ماند. سپس “کوپرنیک” گفت که کل سیستم خیلی ساده‌تر می‌شود اگر ما روی سیاره‌ای باشیم که به دور خورشید می‌چرخد. علی‌رغم مخالفت‌های اولیه‌ی زیادی که صورت گرفت، تصویر ژئوسنتریک قدیمی(مرکزیت زمین) سرانجام با شواهدِ بدست آمده از تلسکوپِ تازه اختراع شده از بین رفت.

“نیوتن” وارد میدان شد و توضیح داد که گرانش علت چرخیدن سیارات به دور خورشید است. او گفت تمام اشیاء دارای جرم دارای جاذبه گرانشی نسبت به یکدیگر هستند. بر اساس ایده‌های او، ما به دور خورشید می‌چرخیم چون ما را به سمت خود می‌کشد و ماه به دور زمین می‌چرخد چون زمین آن را به سمت خودش می‌کشد. “نیوتن” قبل از اینکه “آلبرت اینشتین” در سال ۱۹۱۵ ظاهر شود تا با نظریه نسبیت عام خود نیوتن را کنار بزند، دو قرن و نیم با نظریه خود حکومت کرد. این تصویر جدید ناسازگاری‌های موجود در مدار عطارد را به زیبایی توضیح داد و مشاهدات خورشید گرفتگی در سواحل آفریقا در سال ۱۹۱۹ آن را تأیید می‌کنند.

بجای کشش، اینشتین گرانش را نتیجه‌ی فضای خمیده می‌دانست. او گفت که تمام اشیاء در جهان در تار و پودی چهاربُعدی به نام فضا-زمان قرار دارند. اشیاء پرجرمی مثل خورشید، فضا-زمان اطراف خود را پیچ و تاب می‌دهند و در نتیجه وقتی سیاره زمین این انحنا را دنبال می‌کند، مدار زمین به وجود می‌آید. این تصویر فضا-زمان برای بیش از ۱۰۰ سال یک دیدگاه غالب بوده و تاکنون تمام مدعیان دیگر را شکست داده است. کشف امواج گرانشی در سال ۲۰۱۵ یک پیروزی قاطع بود، اما این کشف نیز همانند پیشینیانش ممکن است با شکست مواجه شود، چون اساساً با «نظریه کوانتوم» ناسازگار است.

دنیای کوانتومی خیلی عجیب و غریب است. مثلاً ذرات می‌توانند به طور همزمان در دو جا باشند. فقط با مشاهده می‌توانیم درک کنیم که ذرات در کدام مکان قرار دارند. قبل از مشاهده، فقط می‌توانیم پیامدهای احتمالی را حدس بزنیم. در دهه ۱۹۳۰، “اروین شرودینگر” یک روش معروف را ابداع کرد تا نشان دهد که این ایده چقدر معیوب است. او یک گربه را در یک جعبه مهر و موم شده تصور کرد که یک شیشه حاوی سم به یک چکش متصل شده است. چکش به یک دستگاه قلاب شده که حالت کوانتومی ذره را اندازه‌گیری می‌کند. این مسئله که آیا چکش شیشه را خرد می‌کند، گاز سمی آزاد شده و گربه را می‌کُشد به آن اندازه‌گیری بستگی دارد، اما فیزیک کوانتومی می‌گوید تا قبل از اینکه چنین اندازه‌گیری انجام شود، ذره به طور همزمان در هر دو حالت قرار دارد؛ این یعنی شیشه هم شکسته و هم نشکسته و گربه هم زنده و هم مرده است.

چنین تصویری نمی‌تواند با تار و پود پیوستۀ فضا-زمان سازگاری داشته باشد. “سابین هوسنفلدر”، فیزیکدان نظری در موسسه مطالعات پیشرفته فرانکفورت گفت: «یک میدان گرانشی نمی‌تواند به طور همزمان در دو مکان باشد.» به گفته اینشتین، فضا-زمان با ماده و انرژی پیچ و تاب خورده است، اما فیزیک کوانتومی می‌گوید که ماده و انرژی به طور همزمان در چندین حالت وجود دارند – آنها می‌توانند هم اینجا و هم آنجا باشند. “هوسنفلدر” این سوال را مطرح کرد: «بنابراین، میدان مغناطیسی کجاست؟ هیچ کسی پاسخ این سوال را نمی‌داند و خجالت‌آور است.»

اگر نظریه نسبیت عام و کوانتوم را با همدیگر استفاده کنید، می‌بینید که کار نمی‌کنند. “هوسنفلدر” می‌گوید: «بالاتر از یک انرژی خاص، احتمالاتی بزرگتر از «یک» وجود دارد.» یکی بیشترین احتمالِ ممکن است – یعنی نتیجه قطعی است. شما نمی‌توانید بیشتر یقین را داشته باشید. همچنین، محاسبات گاهی پاسخی بی‌نهایت به شما می‌دهند که در واقع معنای فیزیکی واقعی ندارد. بنابراین این دو نظریه از لحاظ ریاضیاتی با هم ناسازگار هستند. پس مثل بسیاری از سلطنت‌ها در طول تاریخ، فیزیکدانان به دنبال یک پیوند بین جناح‌های رقیب برای رسیدن به صلح و آرامش هستند. آنها به دنبال «نظریه گرانش کوانتومی» هستند – یعنی آخرین شیوه دیپلماتیک برای به اشتراک گذاشتن تاج و تخت میان این دو رقیب. این امر باعث شده که نظریه‌پردازان به برخی احتمالات عجیب روی بیاورند.

معروفترین آنها، «نظریه ریسمان» است. این ایده بیان می‌کند که ذرات زیراتمی مثل الکترون‌ها و کوارک‌ها از ریسمان‌های مرتعش کوچکی تشکیل شده‌اند. درست همانطور که می‌توانید با تارهای ابزارآلات موسیقی بنوازید تا نت‌های متفاوتی را ایجاد کنید، نظریه‌پردازان ریسمان استدلال می‌کنند که ترکیبات مختلف ریسمان‌ها می‌توانند ذرات متفاوتی را تولید کنند. جذابیت این نظریه به این دلیل است که می‌تواند نسبیت عام و فیزیک کوانتومی را حداقل بر روی کاغذ با هم انطباق دهد.

هرچند، برای بیرون آوردن خرگوش از داخل کلاه، ریسمان‌ها باید در یازده بُعد ارتعاش داشته باشند – یعنی هفت بُعد بیشتر از چهار بُعد در تار و پود فضا-زمان اینشتین. فعلاً هیچ شواهد تجربی وجود ندارد که نشان دهد این ابعاد اضافی واقعاً وجود دارند. “جورما لوکو” از دانشگاه ناتینگهام گفت: «این ریاضیات می‌تواند جالب باشد، اما تا زمانی که آزمایش نکنیم واقعاً نمی‌دانیم که آیا فضا-زمانی که در آن زندگی می‌کنیم را توصیف می‌کند یا خیر.»

فیزیکدانان دیگر که تا حدودی از شکست‌های نظریه ریسمان الهام گرفته بودند، به یک نظریه‌ی دیگر به نام گرانش کوانتومی حلقه(LQG) روی آوردند. اگر آنها یکی از اصول اصلی نسبیت عمومی(فضا-زمان یک تار و پود صاف و پیوسته است) را کنار بگذارند، می‌توانند این دو نظریه را به زیبایی اجرا کنند. آنها در عوض استدلال می‌کنند که فضا-زمان از یک سری حلقه‌ی در هم تنیده تشکیل شده – که دارای ساختاری در کوچکترین مقیاسِ ممکن است. این کمی شبیه طول یک پارچه است. در نگاه اول، شبیه یک تار و پود صاف به نظر می‌رسد. با این حال، اگر به دقت نگاه کنید، متوجه می‌شوید که واقعاً از شبکه‌ای از بخیه‌ها تشکیل شده است. همچنین، آن را مثل یک تصویر بر روی صفحه کامپیوتر تجسم کنید: اگر زوم کنید متوجه می‌شوید که واقعاً از پیکسل‌های جداگانه‌ای تشکیل شده است.

مشکل اینجا است که وقتی فیزیکدانان گرانش کوانتومی حلقه می‌گویند کوچک، منظورشان خیلی کوچک است. این نقص‌ها در فضا-زمان فقط در سطح مقیاس پلانک ظاهر می‌شوند – حدود یک تریلیونمِ یک تریلیونمِ یک تریلیونمِ یک متر. این به حدی کوچک است که درون یک سانتیمتر مکعب از فضا حلقه‌های بیشتری نسبت به چند سانتیمتر مکعب در کل جهانِ قابل مشاهده وجود دارد. “لوکو” می‌گوید: «اگر فضا-زمان فقط در مقیاس پلانک تفاوت داشته باشد، آنگاه نمی‌توان آن را در شتاب‌سنج ذره‌ای آزمایش کرد.» شما به یک شتاب دهنده اتم هزار تریلیونم قدرتمندتر از برخورددهنده هادرونی بزرگ(LHC) در سرن نیاز دارید. آنگاه چطور می‌توانید تشخیص دهید که نقص‌های فضا-زمان کوچک هستند؟ پاسخ این است که باید مساحت بزرگی از فضا را جستجو کنید.

نوری که از دورترین نقاط جهان به ما می‌رسد میلیاردها سال نوری از فضا-زمان را طی کرده است. در حالی که تأثیر هر نقص فضا-زمان کوچک خواهد بود، در این مسافت‌ها، فعل و انفعالات با چندین نقص می‌تواند یک اثر مرئی را ایجاد کند. در دهه گذشته، اخترشناسان از نورِ پرتو گاما انفجارات دوردست استفاده کردند تا به دنبال شواهدی برای تأیید “گرانش کوانتومی حلقه” بگردند. این فلش‌های کیهانی نتیجه‌ی ستاره‌های پرجرمی هستند که در پایان زندگی‌شان دچار فروپاشی می‌شوند و چیزی در مورد این انفجارات دوردست وجود دارد که فعلاً قابل توضیح نیست. “هوسنفلدر” گفت: «طیف آنها دارای یک تحریف سیستماتیک است.» اما هیچ‌کس نمی‌داند که آیا این تحریف در مسیر اتفاق می‌افتد یا با منبع انفجارات سر و کار دارد. هنوز مشخص نشده است.

برای پیشرفت باید یک قدم جلوتر برویم به جای اینکه بگوییم فضا-زمان آنگونه که اینشتین گفته یک تار و پود پیوسته نیست. براساس نظر اینشتین، حتی اگر هیچ ستاره یا سیاره‌ای در اطراف وجود نداشته باشد، فضا-زمان هنوز آنجاست. هرچند، فیزیکدانان لورنت فریدل، رابرت لی و جوردجه مینیچ تصور می‌کنند که این تصویر ما را به عقب برمی‌گرداند. آنها معتقدند که فضا-زمان مستقل از اشیاء درون آن وجود ندارد. فضا-زمان با طریقه‌ی فعل و انفعال اشیاء تعریف می‌شود. این باعث می‌شود فضا-زمان محصول دنیای کوانتومی باشد، نه چیزی که با آن ترکیب می‌شود. مینیچ گفت: «ممکن است عجیب به نظر برسد، اما این یک روشِ دقیق برای نزدیک شدن به این مسئله است.»

جذابیت این نظریه – که “فضا-زمان مدولار” نامیده شده – این است که ممکن است به حل یک مسئله‌ی قدیمی‌تر در فیزیک نظری دربارۀ چیزی به نام محلیت و یک پدیده‌ی برجسته‌ در فیزیک کوانتومی به نام در هم تنیدگی کمک کند. فیزیکدانان می‌توانند موقعیتی را برپا کنند که به موجب آن دو ذره را در کنار هم قرار دهند و خواص کوانتومی آنها را به هم پیوند می‌دهند. سپس آنها را در فاصله‌ی زیادی از هم جدا می‌کنند و باز هم آنها را بهم پیوسته می‌بینند. اگر خواص یک ذره تغییر پیدا کند، ذرۀ دیگر نیز فوراً دستخوش تغییر می‌شود، گویی اطلاعات با نقض مستقیم نسبیت، سریع‌تر از سرعت نور از یک ذره به ذرۀ دیگر منتقل شده است. اینشتین آنچنان از چنین پدیده‌ای آشفته شده بود که آن را «عمل شبح‌وار در فاصله دور» نامید.

نظریه فضا-زمان مدولار می‌تواند با تعریف مجدد معنای جدا شدن، چنین رفتاری را شامل شود. اگر فضا-زمان از دنیای کوانتومی ظاهر شود، آنگاه نزدیکتر شدن از لحاظ کوانتومی بنیادی‌تر از نزدیک بودن از لحاظ فیزیکی است. مینیچ گفت: «مشاهده‌گران مختلف مفاهیم متفاوتی را به کار می‌برند که به زمینه بستگی دارد.» این کمی شبیه رابطه‌ی ما با افراد دیگر است. ما نسبت به یکی از عزیزانمان که از ما دور است احساس نزدیکیِ بیشتری می‌کنیم تا فرد غریبه‌ای که در خیابان کناری ما زندگی می‌کند. هوسنفلدر گفت: «می‌توانید این ارتباطات غیرمحلی را در مقیاس کوچک داشته باشید.»

فریدل، لی و مینیچ در پنج سال گذشته بر روی ایدۀ خود کار کرده‌اند و معتقدند که به آهستگی در حال پیشرفت هستند. مینیچ گفت: «ما می‌خواهیم محافظه‌کار باشیم و قدم به قدم پیش برویم اما این کار وسوسه‌انگیز و هیجان‌انگیز است.» این قطعاً یک رویکرد جدید است، رویکردی که سعی دارد دنیای کوانتومی را تبدیل به گرانش کند، نه اینکه گرانش را همانند گرانش کوانتومی حلقه به کوانتوم تبدیل کند. مانند هر نظریه علمی، باید آزمایش شود. در حال حاضر این سه نفر در حال کار بر روی این مسئله هستند که چگونه زمان را در مدل خود جای دهند.

همه چیز رمزی به نظر می‌رسد، چیزی که فقط افراد تحصیلکرده باید به آن توجه کنند، اما تأثیر عمیقی بر زندگی روزمرۀ ما می‌گذارد. هوسنفلدر گفت: نما در فضا می‌نشینیم، در زمان سفر می‌کنیم و اگر چیزی در درک ما از فضا-زمان تأثیر بگذارد، نه تنها بر درک ما از گرانش، بلکه بر نظریه کوانتوم نیز تأثیر خواهد گذاشت. تمام دستگاه‌های کنونی ما فقط به خاطر نظریه کوانتوم کار می‌کنند. اگر ساختار کوانتومی فضا-زمان را بهتر درک کنیم، این امر بر تکنولوژی‌های آیندۀ ما تأثیر خواهد گذاشت – شاید نه در ۵۰ یا ۱۰۰ سال آینده، اما در ۲۰۰ سال آینده امکانپذیر است.»

پادشاه فعلی مدت‌هاست که بر سر کار است و مدتهاست که از ورود یک مدعی جدید گذشته است، اما ما نمی‌توانیم تصمیم بگیریم که کدام یک از گزینه‌ها بیشتر احتمال موفقیت دارد. وقتی این کار را انجام دهیم، انقلابِ حاصل نه فقط برای فیزیک نظری، بلکه برای همه به ثمر می‌نشیند.