پژوهش‌‌های گرانش کوانتومی می‌‌توانند ذات زمان را مشخص کنند

مکانیک کوانتومی یا نسبیت عام؛ کدام یک ذات زمان را درست تشخیص داده‌اند؟ زمان مطلق است یا نسبی؟ فیزیکدانان گرانش کوانتومی در مورد زمان چه می‌گویند؟

دانشمندان حوزه‌ی فیزیک نظری در تلاش هستند تا مکانیک کوانتومی و نسبیت عام را ترکیب کنند و به نظریه‌ای همه‌جانبه در گرانش کوانتومی به نام «مسئله‌ی زمان» دست یابند.

در مکانیک کوانتومی، زمان، جهانی و مطلق است و تیک‌تاک‌های پایدار آن، درهم‌‌تنیدگی‌های در حال تحول ذرات را مشخص می‌‌کنند. اما در نسبیت عام (نظریه‌ی گرانش آلبرت اینشتین)، زمان، نسبی و پویا است؛ بُعدی که به‌طور جدایی‌ناپذیری بین جهت‌های y ،x و z در شبکه‌ی چهاربعدی فضا- زمان در هم آمیخته است. این شبکه، زیر وزن ماده خم‌ می‌شود و باعث می‌شود اجسام نزدیک به آن، به سمتش سقوط کنند (این گرانش است) و گذشت زمان را نسبت به ساعت‌هایی که دورتر هستند، کند می‌کند. اگر شما سوار یک راکت فضایی شوید و به‌جای گرانش از سوختی استفاده کنید که بتوانید توسط آن در فضا شتاب بگیرید، زمان اتساع می‌یابد و سن شما کمتر از کسی خواهد بود که در خانه نشسته است.

ترکیب مکانیک کوانتومی و نسبیت عام نیازمند تطبیق دادن تصور مطلق و نسبی آن‌ها از زمان است. اخیرا، سلسله پژوهش‌های امیدوارکننده‌ای در گرانش کوانتومی صورت گرفته و طرحی کلی از تطابق این دو مفهوم و بینشی در باب ذات واقعی زمان به دست آمده است.

در حال حاضر بسیاری از فیزیک‌دانان پیشرو، فضا-زمان و گرانش را پدیده‌هایی می‌دانند که به بررسی بیشتری نیاز دارند: فضا-زمان منحنی و خم‌شدنی و ماده‌ی درون آن، هولوگرامی (تمام‌نگار) هستند که از شبکه‌ای از کیوبیت‌های درهم‌تنیده (بیت‌های کوانتومی اطلاعات) ایجاد می‌شوند، مانند محیط سه‌بعدی یک بازی کامپیوتری که با بیت‌های کلاسیک روی یک تراشه‌ی سیلیکونی کدگذاری می‌شود. مارک فون رامسدانک، فیزیکدان نظری دانشگاه بریتیش کلمبیا می‌گوید: «من فکر می‌کنم اکنون فهمیده‌ایم که فضا-زمان فقط بازنمودی هندسی از ساختار درهم‌تنیده‌ی سیستم‌های کوانتومی اساسی است.»

پژوهشگران روی ریاضیاتی کار می‌کنند که نشان می‌دهد چگونه هولوگرام در جهان‌های اسباب‌بازی که ساختار هندسی فضا-زمان چشم‌ماهی یا فضای پاد - دوسیتر (AdS) دارند، شکل می‌گیرد. در این دنیاهای تابدار، افزایش‌های فضایی آن‌قدر کوتاه می‌شوند که از مرکز فاصله می‌گیرید. در نهایت، بُعد فضایی گسترش‌یافته از مرکز، تا حد صفر (nothing) منقبض می‌شود و به یک مرز اصابت می‌کند. وجود این مرز، که یک بعد فضایی از فضای داخلی فضا-زمان یا بالک (bulk) کم‌تر دارد، محاسبات را با فراهم کردن پایه‌ای صلب - که کیوبیت‌های درهم‌تنیده‌ی هولوگرام را مدل‌سازی می‌کند - یاری می‌کند. برایان سوینگل، از دانشگاه‌های هاروارد و براندیس، می‌گوید: «در داخل بالک، زمان همراه با فضا خم می‌شود. ما می‌توانیم کیوبیت‌های مرزی را از نظر «باقیمانده‌های» مرزی توصیف کنیم.»

وضعیت کیوبیت‌ها بر اساس زمان جهانی تحول می‌یابد، مثل اینکه مراحل اجرایی یک کد کامپیوتری، زمان منحنی و نسبی در بالک فضای AdS را افزایش دهد. تنها مسئله‌ای که در مورد آن وجود دارد، این است که در جهان ما دقیقا بدین شکل کار نمی‌کند.

در اینجا، شبکه‌ی فضا-زمان، ساختار هندسی دوسیتر دارد و وقتی شما به دوردست‌ها می‌نگرید، اتساع پیدا می‌کند. این شبکه آن‌قدر اتساع می‌یابد تا زمانی که این جهان با نوع متفاوتی از مرز با آنچه در فضای AdS است، برخورد کند؛ پایان زمان. در این مرحله، در رویدادی به نام «مرگ گرما»، فضا-زمان آن‌قدر اتساع می‌یابد که همه‌چیز از هم جدا می‌شود و دیگر سیگنالی بین آن‌ها رد و بدل نمی‌شود. مفهوم آشنای زمان در هم می‌شکند. از آن لحظه، دیگر هیچ‌چیز اتفاق نمی‌افتد.

در مرز بدون زمان حباب فضا-زمان ما، کیوبیت‌های درهم‌تنیده با یکدیگر (و کدگذاری فضای داخلی و پویای جهان) احتمالا دست‌نخورده باقی می‌مانند؛ بنابراین، این ارتباط‌های کوانتومی نیازی به تبادل سیگنال ندارند. اما وضعیت کیوبیت‌ها باید ثابت و فارغ از زمان باشد. استدلال می‌شود که به‌گونه‌ای، همان‌طور که کیوبیت‌های مرز فضای AdS، فضایی داخلی با یک بُعد فضایی جدید ایجاد می‌کنند، کیوبیت‌های مرز بدون زمان فضای دوسیتر باید جهانی با زمان، به‌ویژه زمان پویا، ایجاد کنند. پژوهشگران هنوز نمی‌دانند این محاسبات را چطور انجام دهند. سوینگل می‌گوید: «در فضای دوسیتر، هیچ ایده‌ی خوبی برای فهم ظهور زمان نداریم.»

دیدگاه‌های نظری دن پیج و ویلیام ووترز در دهه‌ی ۸۰ میلادی ممکن است کمکی به این پژوهش کنند. پیج اکنون در دانشگاه آلبرتا و ووترز در دانشگاه ویلیامز است. آن‌ها کشف کردند یک سیستم درهم‌تنیده که به‌صورت جهانی ثابت است، می‌تواند زیرمجموعه‌ای داشته باشد که از نقطه‌نظر بیننده‌ی درون آن ایجاد می‌شود. سیستم یک زیرمجموعه دارد که با آنچه ممکن است شما ساعت بنامید، درهم‌تنیده است و «وضعیت تاریخ» نامیده می‌شود. حالت زیرمجموعه، بسته به اینکه عقربه‌ی ساعت روی کدام عدد باشد، متفاوت است. سوینگل توضیح می‌دهد: «وضعیت کلی سیستم-ساعت در زمان تغییر نمی‌کند. زمانی وجود ندارد. «وضعیت» وجود دارد که تغییر نمی‌کند.»؛ به عبارت دیگر، زمان به‌صورت جهانی وجود ندارد؛ اما مفهومی تأثیرگذار از آن برای زیرمجموعه ایجاد می‌شود.

گروهی از پژوهشگران ایتالیایی این پدیده را در سال ۲۰۱۳ به‌صورت تجربی نشان داد. این گروه در خلاصه‌ی کار خود نوشت: «ما نشان می‌دهیم وضعیت ثابت و درهم‌تنیده‌ی دو فوتون، از دید ناظری که از یکی از دو فوتون به عنوان ساعت استفاده می‌کند تا تغییر زمانی فوتون دیگر را بسنجد، چگونه تغییر می‌کند. با این حال، یک ناظر خارجی می‌تواند نشان دهد که وضعیت درهم‌تنیدگی جهانی تغییر نمی‌یابد».

کارهای نظری دیگر نیز به نتایج مشابه رسیده‌اند. الگوهای هندسی، مانند آمپلیتوهدرون که خروجی تعامل ذرات را توصیف می‌کند، بیان می‌کند که واقعیت از چیزی فارغ از زمان و کاملا ریاضیاتی ایجاد می‌شود. البته هنوز ارتباط آمپلیتوهدرون و هولوگرافی با هم واضح نیست.

سوینگل در پایان می‌گوید: «شما می‌توانید به گونه‌ای زمان را از درجات آزادی فارغ از زمان، با استفاده از درهم‌تنیدگی ایجاد کنید.»

زمان مشخص خواهد کرد.

منبع wired

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده

بیشتر بخوانید