بسیاری از پژوهش گران باور دارند که تنها زمانی فیزیک کارش را انجام داده که افزون بر دانستن رفتار فضا و زمان، دریابیم که این دو از کجا می آیند و یا چگونه ساخته می شوند. برای پاسخ گویی به این پرسش ها و برای پوشش دادن آن چه که با مدل های پیشین توجیه نمی شود، دست به توسعه ی مدل هایی جدید زده و با وجود دشواری فراوان آن ها را می آزماییم. این روزها شبیه سازی تبدیل به ابزاری مهم در این مسیر شده است. در شبیه سازی های اخیر مشاهده شده که افزودن علیت می تواند به تولید جهان هایی شبیه به جهان ِ ما بیانجامد.
مارک ون رامسدونک در توضیح آن که داستان تا چه اندازه شبیه به نقطه ی اوج فیلم های علمی-تخیلی است، می گوید: «یک روز صبح را در خیال آورید که از خواب برخواسته و ناگهان درمی یابید که در یک بازی رایانه ای زند گی می کنید». اما برای مارک ون رامسدونک، فیزیک دانی از دانشگاه British Columbia، در Vancouver، Canada، این نمایشنامه، روشی است برای اندیشیدن به حقیقت. او می گوید: «اگر درست باشد، هر آنچه که در پیرامون ماست –تمام این دنیای ملموس سه بعدی- توهمی ست زاییده ی داده هایی که جایی دیگر، مثلا روی یک تراشه ی دو بعدی، نوشته شده اند». این گونه، دنیای ما، با تمام سه بعد فضایی اش، گونه ای از هام نما (تصویر برجسته نما یا هولوگرام) است که بر رویه ای با ابعاد کم تر تصویر شده است.
این اصل تمام نگاری (هولوگرافی) حتی برای فیزیک نظری هم عجیب است. اما ون رامسدوک از جمله اندک پژوهش گرانی ست که می اندیشند هنوز حرف عجیبی نزده اند. از نظر آن ها، هیچ یک از دو حرکت نوین در فیزیک -نسبیت عام که گرانش را به عنوان خمیده گی فضا-زمان توصیف می کند، و مکانیک کوانتومی که در محدوده ی اتمی حاکم است- وجود فضا و زمان را توجیه نمی کند. نظریه ی ریسمان هم که به مسائل پایه در انرژی می پردازد، کاری از پیش نمی برد.
ون رامسدوک و هم کاران، قانع شده اند که فیزیک تا زمانی که توضیح ندهد فضا و زمان چه گونه از یک چیز بنیادی تر به وجود آمده اند، کامل نمی شود –هدفی که در راه آن به مفاهیمی شگفت مانند اصل تمام نگاری، نیاز داریم.
به سبب وجود تکینه گی در مرکز سیاه چاله ها، ساختار فضا-زمان تغییر می کند؛ از سوی دیگر علاقه مندیم نظریه ی کوانتومی و نسبیت عام را یکی کنیم -برنامه ای که سال هاست با وجود تلاش پژوهش گران بی نتیجه مانده است؛ بنابر نظر این دانش مندان، برای روبه رو شدن با این مسائل، باید به دنبال مفهوم جدیدی از حقیقت باشیم.
آبهای آشتکار، فیزیک دانی در دانشگاه ایالتی Pennsylvania ، در دانشگاه Park، می گوید: «تمام تجربه های مان می گویند که نباید دو مفهوم به شدت متفاوت از حقیقت داشته باشیم –باید یک نظریه ی همه کاره وجود داشته باشد».
یافتن آن تک نظریه ی بزرگ یک دشواری جدی ست. در اینجا، Nature برخی مسیرهای امیدوارکننده ی بررسی این مساله را –به هم راه نظراتی پیرامون چه گونه گی بررسی این مسائل توضیح می دهد.
گرانش مانند ترمودینامیک
یکی از بدیهی ترین پرسش ها این است که آیا این تلاش بیهوده است. چه شاهدی وجود دارد که درواقع چیزی بنیادی تر از فضا و زمان وجود دارد؟
در اوایل دهه ی ۱۹۷۰ که آشکار شد مکانیک کوانتومی و گرانش با ترمودینامیک، دانش مربوط به گرما، از نزدیک با یک دیگر مرتبط هستند، مجموعه ای کشف تکان دهنده انجام شد. از این مجموعه نشانه ای برمی آید که بسیار بحث برانگیز است.
شناخته شده ترین مورد، در ۱۹۷۴، کاری از استفان هاوکین از دانشگاه Cambridge، در بریتانیای کبیر، بود؛ هاوکین نشان داد که اثرهای کوانتومی در فضای پیرامون یک سیاهچاله به فوران تابش هایی می انجامند؛ چنان که گویی سیاهچاله گرم است. دیگر فیزیکدان ها به سرعت، تعیین کردند که این پدیده کاملا همه گیر است. آن ها دریافتند که حتی یک فضانورد که در فضای کاملا خالی شتاب می گیرد نیز حس می کند که با یک حمام گرما احاطه شده است. این اثر کوچک تر از آن خواهد بود که برای راکت ها با هر شتابی که بدان دست می یابند، محسوس باشد، اما بنیادی به نظر می آید. اگر نظریه ی کوانتومی و نسبیت عام –که هردو به دفعات با آزمایش تایید شده اند– درست باشند، آنگاه وجود تابش هاوکینگ گریزناپذیر به نظر می رسد.
یک کشف کلیدی دیگر نیز در همین زمینه انجام شد. در ترمودینامیک استاندارد، یک شی می تواند با کاهش انتروپی که نماینده ی تعداد حالت های کوانتومی درونی اش می باشد، تابش کند. برای سیاهچاله ها هم همین گونه است: حتی پیش از مقاله ی هاوکینگ در ۱۹۷۴ نیز، ژاکوب بکنشتاین نشان داده بود که سیاهچاله ها انتروپی دارند. اما یک تفاوت وجود دارد؛ در بیش تر اشیا، انتروپی با تعداد اتم هایی که آن شی دارد، و در نتیجه حجمش تناسب دارد. اما دریافته اند که انتروپی یک سیاه چاله با سطح افق رویدادش متناسب است –مرزی که حتی نور هم نمی تواند از آن بگریزد. گویی سطح، داده های درون را رمزگذاری (کد) کرده است، همان گونه که یک همانمای دوبعدی یک تصویر سه بعدی را رمزگذاری می نماید.
در ۱۹۹۵، تد جاکوبسون، فیزیکدانی از دانشگاه Maryland، در College Park، این دو دسته داده را ترکیب و فرض کرد که هر نقطه در فضا روی مرز یک سیاهچاله ی کوچک که از رابطه ی انتروپی-سطح نیز تبعیت می کند، قرار می گیرد. او، از آن جا، ریاضیاتی که به معادلات نسبیت عام انشتین می انجامد را به دست آورد -اما تنها با استفاده از مفاهیم ترمودینامیک و نه نظریه ی خم شدن فضا-زمان۱.
جاکوبسون می گوید: «به نظر می رسید که در این جا، نکته ای عمیق درمورد منشا گرانش وجود داشته باشد». نمونه اش این که قوانین ترمودینامیک در طبیعت آماری اند – یک میانگین گیری بزرگ مقیاس بر بی شمار اتم و ملکول. بنابر یافته های او، گرانش نیز آماری ست یعنی یک تقریب بزرگ مقیاس، بر اجزای نامرئی فضا و زمان، می باشد.
در سال ۲۰۱۰، این ایده یک گام جلوتر رفت؛ اریک ورلینده، نظریه پرداز ریسمانی از دانشگاه آمستردام، نشان داد۲ که ترمودینامیک آماری ِ اجزای فضا و زمان –هر آن چه که هستند- می تواند به طور خودکار قانون جاذبه ی گرانشی نیوتون را بدهد.
ثانو پادمانابهام، کیهان شناسی از مرکز دانشگاهی ستاره شناسی و اخترفیزیک در Pune، در هند، در کاری جداگانه، نشان داد۳ که –همانند بسیاری از نظریه های گرانشی دیگر -می توان معادله های انشتین را به شکلی نوشت که با قوانین ترمودینامیک هم ارز شوند. پادمانابهام این روزها برای توضیح منشا و بزرگی انرژی تاریک، رهیافت ترمودینامیکی ارائه داده است: یک نیروی کیهانی رازآلود که انبساط فضا را تندتر می کند.
بررسی چنین ایده هایی درآزمایشگاه بسیار دشوار خواهد بود. همان طور که آب تا زمانی که در مقیاس ملکول هایش –کسری از نانومتر- بررسی نشود، کاملا نرم و سیال به چشم می آید، فضا-زمان هم بنابر تخمین ها تا مقیاس پلانک پیوسته دیده می شود: ۳۵-۱۰ متر یا ۲۰ مرتبه ی کوچک تر از اندازه ی یک پروتون.
اما نمی تواند غیرممکن باشد. برای بررسی وجود اجزای گسسته در فضا-زمان، بیش تر به جست وجوی تاخیر در فوتون های پرانرژی در سفرشان از پدیده های کیهانی (مانند انفجار پرتوی گاما و ابرنواختر) به زمین، پرداخته می شود. در واقع، فوتون های دارای طول موج کوتاه، این گسسته گی ها را که مایه ی کند شدن شان می شوند، مانند دست اندازهایی ظریف در مسیر سفر احساس می نمایند. جیوانی آملینو-کاملیا، یک پژوهش گر گرانش کوانتومی از دانشگاه Rome، و همکارانش نشانه هایی از چنین فوتون های تاخیری، از یک انفجار پرتوی گاما که در آوریل ثبت شده است، یافته اند۴ . آملینو-کاملیا می گوید این یافته ها تعیین کننده نیستند اما این گروه گسترش این پژوهش را در برنامه ی خود داشته و به زمان مسافرت نوترینوهای پرانرژی که در روی دادهای کیهانی تولید شده اند، خواهدپرداخت. او می گوید که اگر نتوان نظریه ها را آزمود، «دست کم برای من دیگر دانش به حساب نمی آیند. تنها خرافه اند و برای من جذابیتی ندارند.»
فیزیک دان های دیگری نیز بر آزمون های تجربی کار می کنند. به عنوان نمونه، در ۲۰۱۲، پژوهش گرانی از دانشگاه Vienna و کالج سلطنتی لندن، آزمایشی را پیش نهاد دادند۵ که در آن یک آینه ی ریزمقیاس با لیزر چرخانده می شود. به نظر آن ها باید دانه بندی های مقیاس پلانک در فضا-زمان تغییرات ملموسی در نور بازتابیده از آینه ایجاد کند .
گرانش کوانتومی حلقه ای
حتی اگر درست هم باشد، رهیافت ترمودینامیکی نمی گوید که این اجزای بنیادین فضا و زمان چه هستند یا می توانند باشند. اگر فضا و زمان یک سازه است، رشته ها ی پیوند دهنده اش چیستند؟
نخستین پاسخی که به ذهن می آید کاملا ساده است؛ نظریه ی گرانش کوانتومی حلقه ای، از نیمه ی دهه ی ۱۹۸۰ به دست آشتکار و دیگران در حال توسعه است. در این نظریه سازه ی فضا-زمان به عنوان شبکه ای عنکبوتی از رشته ها توصیف شده است؛ این رشته ها داده هایی درمورد سطح کوانتیده یا حجم نواحی که از میانش می گذرند، در خود دارند۶. رشته های منفرد در این شبکه باید دست آخر دو سرشان را به هم متصل کنند –همان طور که از نام نظریه برمی آید- اما باید توجه داشت که ارتباطی با ریسمان های نظریه ریسمان ِ شناخته شده وجود ندارد. اگر این رشته ها به راستی فضا-زمان باشند، داده هایی در خود دارند و شکل سازه ی فضا-زمان را در همسایه گی خود تعیین می کنند.
از آن جا که این حلقه ها اجسامی کوانتومی اند، همانند انرژی حالت پایه ی الکترون در اتم هیدروژن، باید سطح این اجسام، اندازه ی کمینه ای داشته باشند. این بسته ی سطح یک لکه خواهد بود که در هر سو به اندازه ی یک مقیاس پلانک است. اگر بکوشید رشته ای که سطح کم تری دارد را وارد کنید، از کل شبکه جدا خواهد شد؛ نمی تواند به هیچ چیز دیگری متصل شده و در عمل از فضا-زمان جدا می شود.
این شبیه سازی نشان می دهد که چه گونه فضا در گرانش کوانتومی حلقه ای تغییر می کند. رنگ وجه های یک چهاروجهی نماینده ی آن است که در یک لحظه از زمان، چه اندازه سطح در آن نقطه وجود دارد.
یک نتیجه ی دلخواه وجود سطح کمینه این است که گرانش کوانتومی حلقه ای نمی تواند در یک نقطه ی کوچک با تقعر بی نهایت چلانده شود. دیگر آن که وجود تکینه گی به شکستن معادله های نسبیت عام انشتین در لحظه ی مهبانگ یا مرکز سیاهچاله ها می انجامد؛ با توجه به وجود سطح کمینه، در این جا چنین تکینه گی نمی تواند ایجاد شود.
در ۲۰۰۶، آشتکار و هم کاران یک مجموعه شبیه سازی معرفی کردند۷. این مجموعه با توجه به این حقیقت و با به کار بستن نسخه ی گرانش کوانتومی حلقه ای معادله های انشتین کار کرده و در آن تلاش شده زمان را به عقب بازگردانده و به پیش از مهبانگ بپردازند. همان طور که انتظار می رفت، کیهان معکوس و منقبض شده، و به مهبانگ می رود. اما زمانی که به حد بنیادینی که گرانش کوانتومی حلقه ای بر اندازه می گذارد، می رسد، یک نیروی دافعه وارد شده و تکینه گی را باز نگاه داشته و آن را تبدیل به تونلی می کند که به کیهانی که از آن ما پیشی گرفته است، می رود.
رودولفو گمبینی، فیزیکدانی از دانشگاه Uruguayan، در Montevideo، و جورج پولین از دانشگاه ایالتی لوییزیانا، در Baton Rouge، در سال جاری، یک شبیه سازی مشابه برای سیاه چاله ها گزارش کرده اند۸. آن ها دریافتند که وقتی یک مشاهده گر به قلب سیاه چاله سفر می کند، تکینه گی نمی بیند مگر یک تونل فضا-زمان نازک که به یک بخش دیگر فضا می رود. آشتکار که به هم راه دیگر پژوهش گران بر شناسایی تکینه گی هایی که از یک جهش، و نه انفجار، ایجاد شده و بر تابش کیهانی پس زمینه برجای مانده اند، –تابشی که از انبساط جهان در لحظه ی تولدش مانده است- کار می کنند، می گوید «خلاص شدن از دست مسئله ی تکینه گی یک موفقیت بزرگ است.»
گرانش کوانتومی حلقه ای یک نظریه ی یک پارچه ی کامل نیست چراکه نیروی دیگری در خود ندارد. افزون بر این، فیزیکدان ها هنوز باید نشان دهند که چه گونه این شبکه ی داده، فضا-زمان معمولی را می دهد. از طرفی فیزیکدان های ماده ی چگال فازهای عجیبی از ماده را که گذار تجربه می کنند، ایجاد می نمایند؛ این گذارها عموما با نظریه ی میدان های کوانتومی توضیح داده می شوند. دنیل اریت، فیزیک دانی از موسسه ی فیزیک گرانشی Max Planck در Golm امید دارد که در این کارها سرنخ هایی بیابد. اوریتی و هم کاران به دنبال روابطی هستند که توضیح دهد چه گونه ممکن است جهان نیز تغییر فاز داده و از یک مجموعه ی حلقه ها به یک فضا-زمان هم وار و پیوسته برود. اریتی می گوید: «به زودی خواهد بود... البته بسیار دشوار است... چراکه مانند ماهی هایی هستیم که درون این فضا-زمان شناوریم.»
مجموعه های سببی
چنین ناکامی هایی برخی کاشفان را به سوی آن برده است که یک برنامه ای به نام نظریه ی مجموعه ی سببی را دنبال کنند. این نظریه که رافائل سورکین فیزیکدانی از موسسه ی Perimeter، در Waterloo، در کانادا، معرفی اش کرده است، اجزای تشکیل دهنده ی ساختمان فضا-زمان را نقاط ساده ی ریاضی فرض می کند که با پیوندهایی به یک دیگر مرتبط اند؛ هر پیوند از گذشته به آینده اشاره دارد. چنین پیوندی یک نمایش اساسی از علیت است یعنی یک نقطه ی زودتر می تواند آن بعدی را متاثر کند اما نه برعکس. شبکه ی به دست آمده شبیه به یک درخت است که رشد می کند و دست آخر فضا-زمان را می سازد. سورکین می گوید: «می توان فضا را مانند دما که از اتم ها گسیل می شود، در نظر گرفت که از یک نقطه گسترش می یابد.» ... «معنی ندارد که بپرسیم دمای یک اتم تنها چقدر است برای آن که این مفهوم منطقی باشد باید یک مجموعه داشته باشیم.»[SIZE=4]در دهه ی ۱۹۸۰، سورکین این چارچوب فکری را به کار بست تا شمار نقاطی که جهان قابل مشاهده می تواند داشته باشد را تخمین بزند، و دلیل آورد که باید به یک انرژی کوچک ذاتی که باعث می شود جهان در انبساطش شتاب بگیرد، ارتقا یابند. چند سال بعد، کشف انرژی تاریک حدس او را تایید کرد. جو هنسون، پژوهش گری در زمینه ی گرانش کوانتومی در کالج سلطنتی لندن می گوید: «عموما تصور می شد گرانش کوانتومی نمی تواند پیش گویی های قابل آزمایش کند اما می بینیم که توانست.» ... «اگر اندازه ی انرژی تاریک بزرگ تر یا صفر بود، نظریه ی مجموعه ی سببی نامحتمل می شد.»
[/SIZE]
مثلث بندی دینامیکی سببی
آن دلایل، به همراه نظریه ی مجموعه ی سببی پیش بینی های دیگری نیز کرده اند که می توان آن ها را آزمود. در این راه برخی فیزیکدان ها باور دارند که شبیه سازی های کامپیوتری می توانند مفید باشند. این ایده که به اوایل دهه ی ۱۹۹۰ برمی گردد این است که اجزای سازنده ی بنیادین ناشناخته را با تکه های کوچکی از فضا-زمان معمولی که در یک دریای متلاطم از افت وخیزهای کوانتومی هستند، تقریب زده و بررسی کرد که چگونه این تکه های کوچک ناگهان به یک دیگر چسبیده و ساختاری درشت تر می سازند.
به گفته ی رنت لول، فیزیک دانی از دانش گاه رادبود در Nijmegen، در هلند، نخستین تلاش ها ناامیدکننده بودند. واحدهای سازنده ی فضا-زمان ابرچهاروجهی های –هم تای چهاربعدی چهاروجهی های سه بعدی- ساده ای بودند و بنا بر قوانین چسبیدن، در این شبیه سازی، آزادانه به یک دیگر می چسبیدند. نتیجه مجموعه ای از جهان های عجیب بود که تعداد زیادی (یا تعداد خیلی کمی) بعد داشتند و بر خودشان پیچ خورده یا به قطعه های کوچک تری می شکستند. لول می گوید: «آزادی کامل بود که هیچ ربطی به چیزی که پیرامون ماست، نداشت
این نسخه ی ساده شده از مثلث بندی دینامیکی سببی تنها دو بعد را به کار می بندد: یکی برای فضا و یکی برای زمان. پویانمایی (ویدئو) موجود، جهان های دوبعدی را که از بخش هایی از فضا که با توجه به قوانین کوانتومی به یک دیگر پیوسته اند، نشان می دهد. هر رنگ یک برش از جهان را در زمانی بعد از مه بانگ که با یک گلوله ی سیاه نمایش داده شده است، نشان می دهد.
اما سورکین، لول و هم کاران دریافته اند که افزودن علیت همه چیز را تغییر می دهد. بنا بر گفته ی لول، بعد زمان کاملا شبیه به سه بعد فضا نیست. او می گوید: «نمی توانیم در زمان به جلو و عقب برویم». بنابران این گروه شبیه سازی شان را به گونه ای تغییر دادند که معلول ها نمی توانستند پیش از علت خود ظاهر شوند –و دریافتند که تکه های فضا-زمان به صورت خودسازگاری به شکل جهان های چهاربعدی با ویژه گی هایی شبیه به آن خودمان سرهم می شوند.
این شبیه سازی ها نشان می دهند که اندکی پس از مهبانگ، جهان یک فاز نوباوه گی، با تنها دو بعد –یکی برای فضا و یکی برای زمان- را گذرانده است. این را پیش تر دیگرانی که در تلاش اند معادله هایی از گرانش کوانتومی به دست آورند، و یا آن هایی که پیش نهاد می دهند وجود ماده ی تاریک نشان از آن دارد که جهان ما دارد یک بعد چهارم فضایی به دست می آورد، نیز به صورت جداگانه گفته بودند. دیگران نشان داده اند که یک فاز دوبعدی در جهان ابتدایی می تواند الگویی از تابش های کیهانی پس زمینه که امروز دیده می شود، درست کند.
[SIZE=5]تمام نگاری[/SIZE]ون رامسدونک یک ایده ی بسیار پیچیده درمورد لزوم گسترش فضا-زمان دارد که بر پایه ی اصل تمام نگاری ست. جوان مالداسنا، نظریه پرداز ریسمانی از موسسه ی مطالعات پیش رفته در Princeton ، New Jersey، مدل تاثیرگذار جهان هام نما را در ۱۹۹۸ نوشته است۱۱؛ وی با الهام از روش هام نمایانه ی سیاهچاله ها که تمام انتروپی شان را روی سطح ذخیره می کنند، ریاضیات این مدل را ارائه داده است. در آن مدل، سه بعد داخلی جهان ریسمان ها و سیاهچاله هایی دارند که تنها با گرانش گرد هم آمده اند؛ و مرز دو بعدی اش ذرات بنیادین و میدان هایی دارد که قوانین کوانتومی ساده را، بدون گرانش، دنبال می کنند.
احتمالا ساکنان سه بعد، هرگز این مرز را نمی بینند چراکه بی نهایت دور است. اما این، ریاضی را تغییر نمی دهد: هر آن چه که در جهان سه بعدی روی می دهد به خوبی با معادله هایی در مرز دوبعدی هم ارزند، و البته برعکس.
در ۲۰۱۰، ون رامسدونک به مطالعه ی معنی «درهم تنیدگی» ذره های کوانتومی -اندازه گیری روی یکی، ناچار دیگری را نیز متاثر می کند۱۲ - در مرز پرداخت . او دریافت که درهم تنیدگی میان هر دو منطقه ی جدا در مرز به صفر کاهش یافته و درنتیجه پیوند کوانتومی میان شان از میان می رود. با تکرار این فرایند، فضای سه بعدی مرتبا تقسیم بندی های ریزتری می شود تا آن که تنها مرز دوبعدی متصل می ماند. بنابراین، ون رامسدونک نتیجه گیری کرد که در عمل، جهان سه بعدی با درهم تنیدگی های کوانتومی روی مرز نگاه داشته شده است –به نوعی یعنی درهم تنیدگی و فضا-زمان یکی هستند.
یا آن طور که مالداسنا فکر می کند: «این نشان می دهد که کوانتوم بنیادین است و فضا-زمان از آن می آیند.»
مارک ون رامسدونک در توضیح آن که داستان تا چه اندازه شبیه به نقطه ی اوج فیلم های علمی-تخیلی است، می گوید: «یک روز صبح را در خیال آورید که از خواب برخواسته و ناگهان درمی یابید که در یک بازی رایانه ای زند گی می کنید». اما برای مارک ون رامسدونک، فیزیک دانی از دانشگاه British Columbia، در Vancouver، Canada، این نمایشنامه، روشی است برای اندیشیدن به حقیقت. او می گوید: «اگر درست باشد، هر آنچه که در پیرامون ماست –تمام این دنیای ملموس سه بعدی- توهمی ست زاییده ی داده هایی که جایی دیگر، مثلا روی یک تراشه ی دو بعدی، نوشته شده اند». این گونه، دنیای ما، با تمام سه بعد فضایی اش، گونه ای از هام نما (تصویر برجسته نما یا هولوگرام) است که بر رویه ای با ابعاد کم تر تصویر شده است.
این اصل تمام نگاری (هولوگرافی) حتی برای فیزیک نظری هم عجیب است. اما ون رامسدوک از جمله اندک پژوهش گرانی ست که می اندیشند هنوز حرف عجیبی نزده اند. از نظر آن ها، هیچ یک از دو حرکت نوین در فیزیک -نسبیت عام که گرانش را به عنوان خمیده گی فضا-زمان توصیف می کند، و مکانیک کوانتومی که در محدوده ی اتمی حاکم است- وجود فضا و زمان را توجیه نمی کند. نظریه ی ریسمان هم که به مسائل پایه در انرژی می پردازد، کاری از پیش نمی برد.
ون رامسدوک و هم کاران، قانع شده اند که فیزیک تا زمانی که توضیح ندهد فضا و زمان چه گونه از یک چیز بنیادی تر به وجود آمده اند، کامل نمی شود –هدفی که در راه آن به مفاهیمی شگفت مانند اصل تمام نگاری، نیاز داریم.
به سبب وجود تکینه گی در مرکز سیاه چاله ها، ساختار فضا-زمان تغییر می کند؛ از سوی دیگر علاقه مندیم نظریه ی کوانتومی و نسبیت عام را یکی کنیم -برنامه ای که سال هاست با وجود تلاش پژوهش گران بی نتیجه مانده است؛ بنابر نظر این دانش مندان، برای روبه رو شدن با این مسائل، باید به دنبال مفهوم جدیدی از حقیقت باشیم.
آبهای آشتکار، فیزیک دانی در دانشگاه ایالتی Pennsylvania ، در دانشگاه Park، می گوید: «تمام تجربه های مان می گویند که نباید دو مفهوم به شدت متفاوت از حقیقت داشته باشیم –باید یک نظریه ی همه کاره وجود داشته باشد».
یافتن آن تک نظریه ی بزرگ یک دشواری جدی ست. در اینجا، Nature برخی مسیرهای امیدوارکننده ی بررسی این مساله را –به هم راه نظراتی پیرامون چه گونه گی بررسی این مسائل توضیح می دهد.
گرانش مانند ترمودینامیک
یکی از بدیهی ترین پرسش ها این است که آیا این تلاش بیهوده است. چه شاهدی وجود دارد که درواقع چیزی بنیادی تر از فضا و زمان وجود دارد؟
در اوایل دهه ی ۱۹۷۰ که آشکار شد مکانیک کوانتومی و گرانش با ترمودینامیک، دانش مربوط به گرما، از نزدیک با یک دیگر مرتبط هستند، مجموعه ای کشف تکان دهنده انجام شد. از این مجموعه نشانه ای برمی آید که بسیار بحث برانگیز است.
شناخته شده ترین مورد، در ۱۹۷۴، کاری از استفان هاوکین از دانشگاه Cambridge، در بریتانیای کبیر، بود؛ هاوکین نشان داد که اثرهای کوانتومی در فضای پیرامون یک سیاهچاله به فوران تابش هایی می انجامند؛ چنان که گویی سیاهچاله گرم است. دیگر فیزیکدان ها به سرعت، تعیین کردند که این پدیده کاملا همه گیر است. آن ها دریافتند که حتی یک فضانورد که در فضای کاملا خالی شتاب می گیرد نیز حس می کند که با یک حمام گرما احاطه شده است. این اثر کوچک تر از آن خواهد بود که برای راکت ها با هر شتابی که بدان دست می یابند، محسوس باشد، اما بنیادی به نظر می آید. اگر نظریه ی کوانتومی و نسبیت عام –که هردو به دفعات با آزمایش تایید شده اند– درست باشند، آنگاه وجود تابش هاوکینگ گریزناپذیر به نظر می رسد.
یک کشف کلیدی دیگر نیز در همین زمینه انجام شد. در ترمودینامیک استاندارد، یک شی می تواند با کاهش انتروپی که نماینده ی تعداد حالت های کوانتومی درونی اش می باشد، تابش کند. برای سیاهچاله ها هم همین گونه است: حتی پیش از مقاله ی هاوکینگ در ۱۹۷۴ نیز، ژاکوب بکنشتاین نشان داده بود که سیاهچاله ها انتروپی دارند. اما یک تفاوت وجود دارد؛ در بیش تر اشیا، انتروپی با تعداد اتم هایی که آن شی دارد، و در نتیجه حجمش تناسب دارد. اما دریافته اند که انتروپی یک سیاه چاله با سطح افق رویدادش متناسب است –مرزی که حتی نور هم نمی تواند از آن بگریزد. گویی سطح، داده های درون را رمزگذاری (کد) کرده است، همان گونه که یک همانمای دوبعدی یک تصویر سه بعدی را رمزگذاری می نماید.
در ۱۹۹۵، تد جاکوبسون، فیزیکدانی از دانشگاه Maryland، در College Park، این دو دسته داده را ترکیب و فرض کرد که هر نقطه در فضا روی مرز یک سیاهچاله ی کوچک که از رابطه ی انتروپی-سطح نیز تبعیت می کند، قرار می گیرد. او، از آن جا، ریاضیاتی که به معادلات نسبیت عام انشتین می انجامد را به دست آورد -اما تنها با استفاده از مفاهیم ترمودینامیک و نه نظریه ی خم شدن فضا-زمان۱.
جاکوبسون می گوید: «به نظر می رسید که در این جا، نکته ای عمیق درمورد منشا گرانش وجود داشته باشد». نمونه اش این که قوانین ترمودینامیک در طبیعت آماری اند – یک میانگین گیری بزرگ مقیاس بر بی شمار اتم و ملکول. بنابر یافته های او، گرانش نیز آماری ست یعنی یک تقریب بزرگ مقیاس، بر اجزای نامرئی فضا و زمان، می باشد.
در سال ۲۰۱۰، این ایده یک گام جلوتر رفت؛ اریک ورلینده، نظریه پرداز ریسمانی از دانشگاه آمستردام، نشان داد۲ که ترمودینامیک آماری ِ اجزای فضا و زمان –هر آن چه که هستند- می تواند به طور خودکار قانون جاذبه ی گرانشی نیوتون را بدهد.
ثانو پادمانابهام، کیهان شناسی از مرکز دانشگاهی ستاره شناسی و اخترفیزیک در Pune، در هند، در کاری جداگانه، نشان داد۳ که –همانند بسیاری از نظریه های گرانشی دیگر -می توان معادله های انشتین را به شکلی نوشت که با قوانین ترمودینامیک هم ارز شوند. پادمانابهام این روزها برای توضیح منشا و بزرگی انرژی تاریک، رهیافت ترمودینامیکی ارائه داده است: یک نیروی کیهانی رازآلود که انبساط فضا را تندتر می کند.
بررسی چنین ایده هایی درآزمایشگاه بسیار دشوار خواهد بود. همان طور که آب تا زمانی که در مقیاس ملکول هایش –کسری از نانومتر- بررسی نشود، کاملا نرم و سیال به چشم می آید، فضا-زمان هم بنابر تخمین ها تا مقیاس پلانک پیوسته دیده می شود: ۳۵-۱۰ متر یا ۲۰ مرتبه ی کوچک تر از اندازه ی یک پروتون.
اما نمی تواند غیرممکن باشد. برای بررسی وجود اجزای گسسته در فضا-زمان، بیش تر به جست وجوی تاخیر در فوتون های پرانرژی در سفرشان از پدیده های کیهانی (مانند انفجار پرتوی گاما و ابرنواختر) به زمین، پرداخته می شود. در واقع، فوتون های دارای طول موج کوتاه، این گسسته گی ها را که مایه ی کند شدن شان می شوند، مانند دست اندازهایی ظریف در مسیر سفر احساس می نمایند. جیوانی آملینو-کاملیا، یک پژوهش گر گرانش کوانتومی از دانشگاه Rome، و همکارانش نشانه هایی از چنین فوتون های تاخیری، از یک انفجار پرتوی گاما که در آوریل ثبت شده است، یافته اند۴ . آملینو-کاملیا می گوید این یافته ها تعیین کننده نیستند اما این گروه گسترش این پژوهش را در برنامه ی خود داشته و به زمان مسافرت نوترینوهای پرانرژی که در روی دادهای کیهانی تولید شده اند، خواهدپرداخت. او می گوید که اگر نتوان نظریه ها را آزمود، «دست کم برای من دیگر دانش به حساب نمی آیند. تنها خرافه اند و برای من جذابیتی ندارند.»
فیزیک دان های دیگری نیز بر آزمون های تجربی کار می کنند. به عنوان نمونه، در ۲۰۱۲، پژوهش گرانی از دانشگاه Vienna و کالج سلطنتی لندن، آزمایشی را پیش نهاد دادند۵ که در آن یک آینه ی ریزمقیاس با لیزر چرخانده می شود. به نظر آن ها باید دانه بندی های مقیاس پلانک در فضا-زمان تغییرات ملموسی در نور بازتابیده از آینه ایجاد کند .
گرانش کوانتومی حلقه ای
حتی اگر درست هم باشد، رهیافت ترمودینامیکی نمی گوید که این اجزای بنیادین فضا و زمان چه هستند یا می توانند باشند. اگر فضا و زمان یک سازه است، رشته ها ی پیوند دهنده اش چیستند؟
نخستین پاسخی که به ذهن می آید کاملا ساده است؛ نظریه ی گرانش کوانتومی حلقه ای، از نیمه ی دهه ی ۱۹۸۰ به دست آشتکار و دیگران در حال توسعه است. در این نظریه سازه ی فضا-زمان به عنوان شبکه ای عنکبوتی از رشته ها توصیف شده است؛ این رشته ها داده هایی درمورد سطح کوانتیده یا حجم نواحی که از میانش می گذرند، در خود دارند۶. رشته های منفرد در این شبکه باید دست آخر دو سرشان را به هم متصل کنند –همان طور که از نام نظریه برمی آید- اما باید توجه داشت که ارتباطی با ریسمان های نظریه ریسمان ِ شناخته شده وجود ندارد. اگر این رشته ها به راستی فضا-زمان باشند، داده هایی در خود دارند و شکل سازه ی فضا-زمان را در همسایه گی خود تعیین می کنند.
از آن جا که این حلقه ها اجسامی کوانتومی اند، همانند انرژی حالت پایه ی الکترون در اتم هیدروژن، باید سطح این اجسام، اندازه ی کمینه ای داشته باشند. این بسته ی سطح یک لکه خواهد بود که در هر سو به اندازه ی یک مقیاس پلانک است. اگر بکوشید رشته ای که سطح کم تری دارد را وارد کنید، از کل شبکه جدا خواهد شد؛ نمی تواند به هیچ چیز دیگری متصل شده و در عمل از فضا-زمان جدا می شود.
این شبیه سازی نشان می دهد که چه گونه فضا در گرانش کوانتومی حلقه ای تغییر می کند. رنگ وجه های یک چهاروجهی نماینده ی آن است که در یک لحظه از زمان، چه اندازه سطح در آن نقطه وجود دارد.
یک نتیجه ی دلخواه وجود سطح کمینه این است که گرانش کوانتومی حلقه ای نمی تواند در یک نقطه ی کوچک با تقعر بی نهایت چلانده شود. دیگر آن که وجود تکینه گی به شکستن معادله های نسبیت عام انشتین در لحظه ی مهبانگ یا مرکز سیاهچاله ها می انجامد؛ با توجه به وجود سطح کمینه، در این جا چنین تکینه گی نمی تواند ایجاد شود.
در ۲۰۰۶، آشتکار و هم کاران یک مجموعه شبیه سازی معرفی کردند۷. این مجموعه با توجه به این حقیقت و با به کار بستن نسخه ی گرانش کوانتومی حلقه ای معادله های انشتین کار کرده و در آن تلاش شده زمان را به عقب بازگردانده و به پیش از مهبانگ بپردازند. همان طور که انتظار می رفت، کیهان معکوس و منقبض شده، و به مهبانگ می رود. اما زمانی که به حد بنیادینی که گرانش کوانتومی حلقه ای بر اندازه می گذارد، می رسد، یک نیروی دافعه وارد شده و تکینه گی را باز نگاه داشته و آن را تبدیل به تونلی می کند که به کیهانی که از آن ما پیشی گرفته است، می رود.
رودولفو گمبینی، فیزیکدانی از دانشگاه Uruguayan، در Montevideo، و جورج پولین از دانشگاه ایالتی لوییزیانا، در Baton Rouge، در سال جاری، یک شبیه سازی مشابه برای سیاه چاله ها گزارش کرده اند۸. آن ها دریافتند که وقتی یک مشاهده گر به قلب سیاه چاله سفر می کند، تکینه گی نمی بیند مگر یک تونل فضا-زمان نازک که به یک بخش دیگر فضا می رود. آشتکار که به هم راه دیگر پژوهش گران بر شناسایی تکینه گی هایی که از یک جهش، و نه انفجار، ایجاد شده و بر تابش کیهانی پس زمینه برجای مانده اند، –تابشی که از انبساط جهان در لحظه ی تولدش مانده است- کار می کنند، می گوید «خلاص شدن از دست مسئله ی تکینه گی یک موفقیت بزرگ است.»
گرانش کوانتومی حلقه ای یک نظریه ی یک پارچه ی کامل نیست چراکه نیروی دیگری در خود ندارد. افزون بر این، فیزیکدان ها هنوز باید نشان دهند که چه گونه این شبکه ی داده، فضا-زمان معمولی را می دهد. از طرفی فیزیکدان های ماده ی چگال فازهای عجیبی از ماده را که گذار تجربه می کنند، ایجاد می نمایند؛ این گذارها عموما با نظریه ی میدان های کوانتومی توضیح داده می شوند. دنیل اریت، فیزیک دانی از موسسه ی فیزیک گرانشی Max Planck در Golm امید دارد که در این کارها سرنخ هایی بیابد. اوریتی و هم کاران به دنبال روابطی هستند که توضیح دهد چه گونه ممکن است جهان نیز تغییر فاز داده و از یک مجموعه ی حلقه ها به یک فضا-زمان هم وار و پیوسته برود. اریتی می گوید: «به زودی خواهد بود... البته بسیار دشوار است... چراکه مانند ماهی هایی هستیم که درون این فضا-زمان شناوریم.»
مجموعه های سببی
چنین ناکامی هایی برخی کاشفان را به سوی آن برده است که یک برنامه ای به نام نظریه ی مجموعه ی سببی را دنبال کنند. این نظریه که رافائل سورکین فیزیکدانی از موسسه ی Perimeter، در Waterloo، در کانادا، معرفی اش کرده است، اجزای تشکیل دهنده ی ساختمان فضا-زمان را نقاط ساده ی ریاضی فرض می کند که با پیوندهایی به یک دیگر مرتبط اند؛ هر پیوند از گذشته به آینده اشاره دارد. چنین پیوندی یک نمایش اساسی از علیت است یعنی یک نقطه ی زودتر می تواند آن بعدی را متاثر کند اما نه برعکس. شبکه ی به دست آمده شبیه به یک درخت است که رشد می کند و دست آخر فضا-زمان را می سازد. سورکین می گوید: «می توان فضا را مانند دما که از اتم ها گسیل می شود، در نظر گرفت که از یک نقطه گسترش می یابد.» ... «معنی ندارد که بپرسیم دمای یک اتم تنها چقدر است برای آن که این مفهوم منطقی باشد باید یک مجموعه داشته باشیم.»[SIZE=4]در دهه ی ۱۹۸۰، سورکین این چارچوب فکری را به کار بست تا شمار نقاطی که جهان قابل مشاهده می تواند داشته باشد را تخمین بزند، و دلیل آورد که باید به یک انرژی کوچک ذاتی که باعث می شود جهان در انبساطش شتاب بگیرد، ارتقا یابند. چند سال بعد، کشف انرژی تاریک حدس او را تایید کرد. جو هنسون، پژوهش گری در زمینه ی گرانش کوانتومی در کالج سلطنتی لندن می گوید: «عموما تصور می شد گرانش کوانتومی نمی تواند پیش گویی های قابل آزمایش کند اما می بینیم که توانست.» ... «اگر اندازه ی انرژی تاریک بزرگ تر یا صفر بود، نظریه ی مجموعه ی سببی نامحتمل می شد.»
[/SIZE]
مثلث بندی دینامیکی سببی
آن دلایل، به همراه نظریه ی مجموعه ی سببی پیش بینی های دیگری نیز کرده اند که می توان آن ها را آزمود. در این راه برخی فیزیکدان ها باور دارند که شبیه سازی های کامپیوتری می توانند مفید باشند. این ایده که به اوایل دهه ی ۱۹۹۰ برمی گردد این است که اجزای سازنده ی بنیادین ناشناخته را با تکه های کوچکی از فضا-زمان معمولی که در یک دریای متلاطم از افت وخیزهای کوانتومی هستند، تقریب زده و بررسی کرد که چگونه این تکه های کوچک ناگهان به یک دیگر چسبیده و ساختاری درشت تر می سازند.
به گفته ی رنت لول، فیزیک دانی از دانش گاه رادبود در Nijmegen، در هلند، نخستین تلاش ها ناامیدکننده بودند. واحدهای سازنده ی فضا-زمان ابرچهاروجهی های –هم تای چهاربعدی چهاروجهی های سه بعدی- ساده ای بودند و بنا بر قوانین چسبیدن، در این شبیه سازی، آزادانه به یک دیگر می چسبیدند. نتیجه مجموعه ای از جهان های عجیب بود که تعداد زیادی (یا تعداد خیلی کمی) بعد داشتند و بر خودشان پیچ خورده یا به قطعه های کوچک تری می شکستند. لول می گوید: «آزادی کامل بود که هیچ ربطی به چیزی که پیرامون ماست، نداشت
این نسخه ی ساده شده از مثلث بندی دینامیکی سببی تنها دو بعد را به کار می بندد: یکی برای فضا و یکی برای زمان. پویانمایی (ویدئو) موجود، جهان های دوبعدی را که از بخش هایی از فضا که با توجه به قوانین کوانتومی به یک دیگر پیوسته اند، نشان می دهد. هر رنگ یک برش از جهان را در زمانی بعد از مه بانگ که با یک گلوله ی سیاه نمایش داده شده است، نشان می دهد.
اما سورکین، لول و هم کاران دریافته اند که افزودن علیت همه چیز را تغییر می دهد. بنا بر گفته ی لول، بعد زمان کاملا شبیه به سه بعد فضا نیست. او می گوید: «نمی توانیم در زمان به جلو و عقب برویم». بنابران این گروه شبیه سازی شان را به گونه ای تغییر دادند که معلول ها نمی توانستند پیش از علت خود ظاهر شوند –و دریافتند که تکه های فضا-زمان به صورت خودسازگاری به شکل جهان های چهاربعدی با ویژه گی هایی شبیه به آن خودمان سرهم می شوند.
این شبیه سازی ها نشان می دهند که اندکی پس از مهبانگ، جهان یک فاز نوباوه گی، با تنها دو بعد –یکی برای فضا و یکی برای زمان- را گذرانده است. این را پیش تر دیگرانی که در تلاش اند معادله هایی از گرانش کوانتومی به دست آورند، و یا آن هایی که پیش نهاد می دهند وجود ماده ی تاریک نشان از آن دارد که جهان ما دارد یک بعد چهارم فضایی به دست می آورد، نیز به صورت جداگانه گفته بودند. دیگران نشان داده اند که یک فاز دوبعدی در جهان ابتدایی می تواند الگویی از تابش های کیهانی پس زمینه که امروز دیده می شود، درست کند.
[SIZE=5]تمام نگاری[/SIZE]ون رامسدونک یک ایده ی بسیار پیچیده درمورد لزوم گسترش فضا-زمان دارد که بر پایه ی اصل تمام نگاری ست. جوان مالداسنا، نظریه پرداز ریسمانی از موسسه ی مطالعات پیش رفته در Princeton ، New Jersey، مدل تاثیرگذار جهان هام نما را در ۱۹۹۸ نوشته است۱۱؛ وی با الهام از روش هام نمایانه ی سیاهچاله ها که تمام انتروپی شان را روی سطح ذخیره می کنند، ریاضیات این مدل را ارائه داده است. در آن مدل، سه بعد داخلی جهان ریسمان ها و سیاهچاله هایی دارند که تنها با گرانش گرد هم آمده اند؛ و مرز دو بعدی اش ذرات بنیادین و میدان هایی دارد که قوانین کوانتومی ساده را، بدون گرانش، دنبال می کنند.
احتمالا ساکنان سه بعد، هرگز این مرز را نمی بینند چراکه بی نهایت دور است. اما این، ریاضی را تغییر نمی دهد: هر آن چه که در جهان سه بعدی روی می دهد به خوبی با معادله هایی در مرز دوبعدی هم ارزند، و البته برعکس.
در ۲۰۱۰، ون رامسدونک به مطالعه ی معنی «درهم تنیدگی» ذره های کوانتومی -اندازه گیری روی یکی، ناچار دیگری را نیز متاثر می کند۱۲ - در مرز پرداخت . او دریافت که درهم تنیدگی میان هر دو منطقه ی جدا در مرز به صفر کاهش یافته و درنتیجه پیوند کوانتومی میان شان از میان می رود. با تکرار این فرایند، فضای سه بعدی مرتبا تقسیم بندی های ریزتری می شود تا آن که تنها مرز دوبعدی متصل می ماند. بنابراین، ون رامسدونک نتیجه گیری کرد که در عمل، جهان سه بعدی با درهم تنیدگی های کوانتومی روی مرز نگاه داشته شده است –به نوعی یعنی درهم تنیدگی و فضا-زمان یکی هستند.
یا آن طور که مالداسنا فکر می کند: «این نشان می دهد که کوانتوم بنیادین است و فضا-زمان از آن می آیند.»
ما زنده از آنیم که آرام نگیریم * موجیم که آسودگی ما عدم ماست
