آیا ما در جهان هولوگرافیک زندگی می‌کنیم؟

آیا ما در جهان هولوگرافیک زندگی می‌کنیم؟

به اعتقاد برخی فیزیکدان‌ها، جهانی که در آن زندگی می‌کنیم در ظاهر سه‌بعدی اما در واقعیت یک هولوگرام دوبعدی است. در این مقاله درستی یا تخیلی بودن این ایده را بررسی می‌کنیم. 

اگر اهل تماشای سریال Rick and Morty باشید، حتما آن قسمت از سریال را به خاطر دارید که ریک و مورتی وارد باتری سفینه‌ی فضایی‌شان می‌شوند که در واقع میکروجهانی است که ریک درون باتری خلق کرده. کمی بعد متوجه می‌شویم که مردمان این میکروجهان هم دنیای کوچک‌تری برای خودشان داخل باتری خلق کرده‌اند؛ جهانی در جهانی در جهان دیگر؛ چیزی شبیه عروسک ماتریوشکا یا جعبه‌هایی با اندازه‌های متفاوت که درون یکدیگر قرار گرفته‌اند.

 حالا اگر اهل بازی باشید، حتما در جریان بازی‌های سبک شبیه‌سازی مثل The Sims (که نامش از واژه‌ی simulation به ‌معنی شبیه‌سازی گرفته شده است)، Minecraft و بازی‌های مشابه هستید که در آن مثل ریک می‌توانید دنیای خودتان را آن طور که دوست دارید، خلق کنید. 

حالا تصور کنید افراد شبیه‌سازی‌شده‌ی بازی شما هم دنیای دیگری داخل این دنیای مجازی خلق کنند. تصورش ممکن است؛ چون جعبه‌ی بزرگ‌تر همیشه از جعبه‌ی کوچک‌تر درونش خبر دارد. اما آیا این جعبه‌ی کوچک از وجود جعبه‌ی بزرگ‌تر که آن را در بر گرفته، آگاه است؟

سریال ریک و مورتی

موجود شبیه‌ساز درون باتری سفینه‌ی ریک در حال نشان دادن دنیای شبیه‌ساز خود در باتری دیگر

حالا بیاید خودمان را جای این جعبه بگذاریم. ما از دنیاهای شبیه‌سازی‌شده در بازی‌های کامپیوتری و فیلم‌ها آگاهیم؛ اما آیا می‎توانیم تصور کنیم که خود ما نیز در دنیایی شبیه‌سازی‌شده زندگی می‌کنیم؟ یعنی ما جعبه‌ی کوچک‌تری هستیم درون جعبه‌ای بزرگ‌تر. واکنش ما به این ادعا احتمالا همانقدر ناباورانه و بی‌اعتنا است که واکنش ریک اگر قرار بود به او بگوییم او چیزی جز یک کاراکتر تخیلی در کارتونی دوبعدی نیست. 

این مقدمه‌ی طولانی را گفتم تا قبل از پرداختن به اینکه‌ آیا دنیای ما هولوگرام است یا خیر، این نکته را در نظر بگیریم که طبیعی است تصور چنین مفهومی برای ما بسیار سخت و حتی ناممکن باشد (و چون تصورش سخت است، الزاما دلیل بر نادرست بودن قطعی آن نیست)؛ اما وقتی در فرمول‌های ریاضی، جهان به‌صورت هولوگرافیک در نظر گرفته می‌شود، کار فیزیکدان‌ها بسیار ساده‌تر خواهد شد. به عبارت دیگر، تصور جهان هولوگرافیک در معادلات ریاضی آسان‌تر از تصور آن در ذهن است. 

اصل هولوگرافیک

به اعتقاد برخی فیزیکدان‌ها، جهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم، احتمالا یک هولوگرام است. صبر کنید؛ زیاد هیجان‌زده یا وحشت‌زده نشوید. منظور از جهان هولوگرافیک دنیای شبیه‌سازی‌شده‌ی فیلم ماتریکس نیست، بلکه منظور این است که به نظر می‌رسد جهان ما سه‌بعدی است و می‌توان هر چیزی را در ابعاد طول، عرض و ارتفاع آن لمس و تجربه کرد؛ اما در واقعیت احتمالا فقط دو بعد دارد و عمقی در کار نیست؛ این نظریه «اصل هولوگرافیک» نام دارد.

طرح مفهومی از نظریه ریسمان string theory

طرح مفهومی از نظریه‌ی رسیمان (string theory)

طبق این اصل که برگرفته از نظریه‌ی ریسمان است - که می‌گوید تمام ذرات، رشته‌هایی تک‌بعدی‌اند که ارتعاشات آن‌ها جرم و انرژی‌شان را تعیین می‌کند)، سطحی دوبعدی همچون اَبرحافظه‌ای در دوردست‌ها، تمام داده‌ای که لازم است جهان ما را به‌طور کامل توصیف کند، در خود جای داده است و درست شبیه یک هولوگرام، این داده طوری نمایش داده می‌شود که انگار سه بعد دارد؛ مانند شخصیت‌های روی پرده‌ی سینما، ما انسان‌ها و تمام اشیاء اطراف‌مان درون سطح صافی قرار داریم که فقط به نظر می‌رسد عمق دارد.

برای بسیاری از ما، تصور چنین مفهومی نامعقول یا حتی غیر ممکن به نظر می‌رسد. اما وقتی فیزیکدان‌ها در محاسبات‌شان آن را درست فرض می‌کنند، حل همه جور مسائل بزرگ فیزیکی، از جمله ماهیت سیاه‌چاله‌ها و ناسازگاری نسبیت عام با مکانیک کوانتومی، بسیار ساده‌تر خواهد شد. به عبارت دیگر، قوانین فیزیک وقتی به ‌جای سه بعد، در دو بعد نوشته می‌شوند، قابل درک‌تر خواهند شد.

طبق اصل هولوگرافیک، تمام داده‌ی جهان در اَبرحافظه‌ای دوبعدی در دوردست‌ها جمع و به‌صورت سه‌بعدی نمایش داده می‌شود

نخستین فردی که به‌طور رسمی در دهه‌ی ۱۹۹۰ اصل هولوگرافیک را مطرح کرد، فیزیکدان دانشگاه استنفورد، لئونارد ساسکیند بود. به اعتقاد ساسکیند، جهان هولوگرافیک «بین اغلب فیزیکدان‌های نظری، دیگر یک گمانه‌زنی بی‌پایه و اساس تلقی نمی‌شود؛ بلکه ابزاری عادی و کارآمد است که برای حل مسائل فیزیک به کار می‌رود.»

ساسکیند نشان داد که بسیاری از قوانین فیزیک می‌تواند به‌ جای سه بعد، تنها با دو بعد ریاضی توصیف شود. این رویکرد برای کیهان‌شناسان خوشایند بود؛ چرا که به یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک جواب می‌داد: طرز کار گرانش در مقیاس‌های بی‌نهایت کوچک. بدون اصل هولوگرافیک، فیزیکدان‌ها برای درک اتفاقات درون سیاه‌چاله یا لحظه‌ی تولد جهان، با چالش‌های بزرگی روبه‌رو می‌شوند.  

تماشا در یوتیوب

طبق اصل هولوگرافیک، مقدار اطلاعاتی که یک فضا در خود ذخیره می‌کند نه به حجم، بلکه به محدوده‌ی مرزی آن منطقه بستگی دارد. به بیان ساده‌تر، اصل هولوگرافیک می‌گوید هرچه در فضا رخ می‌دهد، می‌تواند با توجه به اطلاعات ذخیره‌شده در سطح آن فضا، توضیح داده شود. برای مثال، فضایی سه‌بعدی را تصور کنید که مانند شکل زیر، درون سطح خمیده‌ی یک سیلندر دوبعدی قرار گرفته است. شما درون این فضا زندگی می‌کنید؛ اما شاید سایه یا بازتابی از شما روی سطح آن منعکس شده باشد.

بازتاب تصویر دوبعدی از جسم سه بعدی در سطح

البته طبق اصل هولوگرافیک، اطلاعات روی سطح که به چشم دیده می‌شوند، فقط سایه نیستند؛ بلکه تمام اطلاعات درون فضا را نشان می‌دهد. یعنی ما فقط با دیدن انعکاس دوبعدی روی سطح از ظاهر سه‌بعدی شیء درون آن آگاه می‌شویم. 

جهان اطلاعات 

کیهان

از هر کسی بپرسید جهان فیزیکی از چه ساخته شده است، به شما خواهد گفت از ماده و انرژی. بااین‌حال، مهندسی، زیست‌شناسی و فیزیک به ما آموخته‌اند که اطلاعات، درست اندازه‌ی ماده و انرژی در پیکره‌بندی جهان نقش دارد. دستگاهی که در کارخانه‌ی خودروسازی مشغول به کار است، فلز و پلاستیک در اختیار دارد؛ اما بدون دستورالعمل نمی‌داند کدام بخش را به کجا جوش دهد تا طرح نهایی خودرو تولید شود. به همین ترتیب، یک قرن پیشرفت و توسعه در علم فیزیک نشان داده است اطلاعات نقش حیاتی و انکارناپذیری در سیستم‌ها و فرایندهای فیزیکی بازی می‌کنند. حتی از نظر برخی دانشمندان، جهان فیزیکی از اطلاعات ساخته شده است و ماده و انرژی تنها اتفاقی هستند.

این تعریف جهان از دید یاکوب بکنشتاین (فیزیکدان نظری) بود که تحقیقاتش کمک بسیاری به شکل‌گیری ترمودینامیک سیاه‌چاله و اصل هولوگرافیک کرد.

وقتی به هرچه در جهان است، به چشم اطلاعات نگاه می‌کنیم، ناگزیر جهان را همچون ظرفی در نظر می‌گیریم که اطلاعات درون آن ریخته شده است؛ تصویر دیگر از جهان اطلاعات، دیسکی با ظرفیتی باورنکردنی است که تمام اجرام آسمانی نظیر ستاره‌ها و سیارات و تمام چیزهای اطراف و روی آن‌ها (از جمله خود ما انسان‌ها) داده‌های صفر و یک هستیم که روی آن رمزنگاری شده‌ایم. وقتی این دیسک را درون دستگاه پخش می‌گذاریم و عینک‌ سه‌بعدی‌ به چشم می‌زنیم، می‌توانیم جهان را چون فیلمی به ظاهر سه‌بعدی روی پرده‌ی سینما تجربه کنیم؛ با این تفاوت که خود ما نیز بخشی از تصاویر منعکس‌شده روی این پرده‌ی مسطح هستیم. 

از نظر برخی دانشمندان، جهان فیزیکی از اطلاعات ساخته شده است و ماده و انرژی اتفاقی هستند

واقعا چقدر اطلاعات لازم است تا کل جهان را توصیف کرد؟ آیا این توصیف در حافظه‌ی کامپیوتر جا خواهد شد؟ آیا به قول ویلیام بلیک (شاعر انگلیسی)، می‌توان جهان را در یک ذره از شن دید یا این ایده فقط در منطق شعر معنادار است؟

بکنشتاین در سال ۲۰۱۷ مطرح کرد که مطالعه‌ی ویژگی‌های رمزآلود سیاه‌چاله‌ها کمک کرده است تا فیزیکدان‌ها به ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات در یک ناحیه از فضا یا مقدار مشخصی از ماده و انرژی دست پیدا کنند. طبق گفته‌ی بکنشتاین، جهانی که ما سه‌بعدی می‌پنداریم می‌تواند روی سطحی دوبعدی (همچون هولوگرام) نوشته شود؛ «در این صورت برداشت‌های روزمره‌ی ما از جهان سه‌بعدی، توهمی بزرگ خواهد بود یا تنها یکی از دو راه موجود برای دیدن واقعیت.» به‌گفته‌ی او، شاید یک ذره شن نتواند کل جهان را در خود جای دهد؛ اما یک صفحه‌ی نمایش مسطح احتمالا می‌تواند. 

هولوگرام چیست

هولوگرام hologram

 فکر می‌کنید در جیب‌تان چند هولوگرام داشته باشید؟ اگر پول نقد یا کارت ملی به همراه دارید، جواب احتمالا «چندتایی» است. هولوگرام همان طرح‌های براق با تصاویر شبح‌واری است که روی اسکناس یا کارت‌های اعتباری چاپ می‌شود تا از جعل آن جلوگیری کند. اگر آن گردنبند‌های طرح چشم را که در دهه‌ی ۶۰ در ایران محبوب بود و با بالا و پایین کردن پلک می‌زد به خاطر دارید، آن‌ها هم هولوگرام بودند. 

هولوگرام در واقع تصویر سیستمی است که با ابعاد کمتر از آن، می‌تواند تمام اطلاعات مربوط به آن سیستم را به نمایش بگذارد. برای مثال، ما در سه بعد مکانی زندگی می‌کنیم؛ اما وقتی از خودمان سلفی می گیریم، دوربین تنها دو بعد از صورت ما را ثبت می‌کند و ما هرچه عکس را بچرخانیم، قادر نیستیم پشت سرمان را در تصویر ببینیم. 

حالا اگر به‌ جای سلفی، از خودمان یک هولوگرام با جزئیات زیاد تهیه کنیم، می‌توانیم تمام اطلاعات مربوط را در آن ضبط و خودمان را از هر سه بعد بررسی کنیم. به عبارتی، هولوگرام شبیه عکسی شبح‌وار و به ظاهر سه‌بعدی است که درون شیشه، پلاستیک یا محفظه‌ی فلزی گیر افتاده است و از تابش پرتوی لیزر و شکافت آن به دو پرتوی مجزا و ترکیب دوباره‌ی آن‌ها ساخته می‌شود.

یک تکه از هولوگرام تمام اطلاعات کل هولوگرام را در بر دارد

هولوگرام را دنیس گابور (۱۹۷۹-۱۹۰۰ - فیزیکدان مجارستانی‌الاصل) زمانی‌که در انگلستان مشغول به کار بود، اختراع کرد.آنچه در مورد این اختراع دهه‌ی ۱۹۵۰ قابل‌ توجه است، این است که چندین سال جلوتر از زمان خودش انجام شد؛ زیرا لیزر که ساخت هولوگرام را ممکن می‌کرد، در دهه‌ی ۱۹۶۰ پا به عرصه‌ی اختراعات بشر گذاشت.

نکته‌ی شگفت‌انگیز دیگر در مورد هولوگرام این است که اگر بخشی از یک فیلم حاوی هولوگرام را برش بزنید، تمام اطلاعات هولوگرام را می‌توانید در همان تکه‌ی جداشده از آن بازخوانی کنید. 

سیاه‌چاله چیست

 این طرح تصویری از یک سیاه‌چاله‌ی فوق‌سنگین را در مرکز کهکشان نشان می‌دهد که که می‌تواند جرمی به اندازه‌ی میلیون‌ها برابر خورشید داشته باشد.

سیاه‌چاله یکی از پیامدهای شگفت‌انگیز نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین است که بر اساس آن، گرانش به‌ جای اینکه نیرویی نامریی باشد که اجسام را به هم جذب می‌کند، خمیدگی فضا است و هرچه جسم بزرگ‌تر باشد، خمیدگی فضای اطرافش بیشتر است. این پیامد آنقدر غیر منتظره بود که انیشتین هم آن را به‌عنوان پیش‌بینی درستی از محاسباتش قبول نداشت و سال‌ها طول کشید تا شواهدی که از فضا به دست آمد، وجود سیاه‌چاله را اثبات کرد. 

سیاه‌چاله، محدوده‌ای در فضا با نیروی گرانش بسیار زیاد است که حتی نور (سریع‌ترین ذره‌ی کیهان) نمی‌تواند از آن فرار کند و به همین خاطر به آن سیاه‌چاله می‌گویند. 

سیاه‌چاله از مرگ ستاره‌های غول‌پیکر ایجاد می‌شود که در خود فرومی‌ریزند و به این ترتیب میدان گرانشی شدیدی در فضا ایجاد می‌کنند. در مرکز سیاه‌چاله، ناحیه‌ای به نام تکینگی (singularity) وجود دارد که اندازه‌اش تقریبا صفر اما چگالی‌اش بی‌نهایت است. اطراف سیاه‌چاله، افق رویداد (event horizon) نامیده می‌شود که در واقع آخرین فاصله‌ای است که نور می‌تواند از کشش سیاه‌چاله فرار کند. درون افق رویداد که به آن نقطه‌ی بی‌بازگشت می‌گویند، همه چیز (از جمله نور) به سمت داخل کشیده می‌شود تا در مرکز یا همان تکینگی به‌طور کامل خرد شود. 

افق رویداد آخرین فاصله‌ای است که نور می‌تواند از کشش سیاه‌چاله فرار کند

هیچ کس سیاه‌چاله ندیده است؛ اما تطابق شواهد گرانشی با پیش‌بینی‌های آن، سبب شده است دانشمندان به وجود آن‌ باور داشته باشند.

از نظر دانشمندان، هر چیزی در فضا می‌تواند به سیاه‌چاله تبدیل شود؛ به شرط آنکه جرم عظیمی داشته باشد. خورشید برای اینکه در پایان عمرش به سیاه‌چاله تبدیل شود، لازم است جرمی ۲۰ برابر از آنچه هست، داشته باشد. 

ایده‌ی جهان هولوگرافیک از کجا آمد

ایده‌ی جهان هولوگرافیک از دو تناقض در مورد سیاه‌چاله‌ها سرچشمه گرفت. اما قبل از اینکه به این دو تناقض بپردازیم، خوب است نگاهی به ماهیت هولوگرافیک سیاه‌چاله بیندازیم.

اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ فیزیکدان‌های نظری متوجه شدند وقتی ذره‌ای از اطلاعات وارد سیاه‌چاله می‌شود، سطح سیاه‌چاله به مقدار بسیار دقیقی افزایش می‌یابد؛ یعنی اندازه‌ی مربع طول پلانک، حدود ۱۰ به توان منفی ۶۵ متر. 

در نگاه اول شاید دانستن اینکه سیاه‌چاله با افتادن جسم یا انرژی درون آن بزرگ‌تر می‌شود، کشف خارق‌العاده‌ای به نظر نرسد؛ اما نکته‌ی حیرت‌انگیز قضیه این است که  سطح سیاه‌چاله افزایش می‌یابد نه حجم آن. در مورد اغلب اجرامی که می‌شناسیم این قضیه کاملا برعکس است. وقتی ماده، ذره‌ای داده «می‌بلعد»، حجمش به اندازه‌ی یک واحد افزایش می‌یابد؛ اما افزایش سطح آن بسیار ناچیز است. اما وقتی ماده یا انرژی درون سیاه‌چاله می‌افتد، انگار اطلاعات مربوط به آن واقعا درون سیاه‌چاله نیست، بلکه به سطح آن چسبیده است.

در نتیجه سیاه‌چاله که سیستمی سه‌بعدی در جهانِ کاملا سه‌بعدی ما است، می‌تواند تنها با سطح دوبعدی آن درک شود و این دقیقا مدل هولوگرافیک است.

با این مقدمه برویم سراغ دو تناقضی که منجر به ظهور ایده‌ی جهان هولوگرافیک شد: پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله و مسئله‌ی آنتروپی (آشفتگی)

پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله

تابش هاوکینگ Hawking radiation

طرح مفهومی از تابش هاوکینگ (Hawking radiation)

در سال ۱۹۷۴، استیون هاوکینگ کشف کرد که سیاه‌چاله‌ها برخلاف چیزی که مدت‌ها تصور می‌شد، دارای دما هستند و در طول زمان، مقدار اندکی پرتو ساطع می‌کنند (نظریه‌ی تابش هاوکینگ). در نهایت وقتی انرژی آن‌ها به‌طور کامل از افق رویداد محو شود، خود سیاه‌چاله باید طی فرایندی به نام تبخیر سیاه‌چاله (black hole evaporation) به‌طور کامل ناپدید شود.

این ایده، پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله را به میان کشید. مدت‌ها است چه در فیزیک کلاسیک چه در فیزیک کوانتومی، تصور می‌شود اطلاعات فیزیکی نمی‌تواند از بین برود. اما اگر سیاه‌چاله قرار است به خاطر تابش حرارتی ناپدید یا به عبارتی تبخیر شود، آن وقت تمام اطلاعات مربوط به هر شیئی که داخل سیاه‌چاله کشیده شده است ناپدید خواهد شد.

در مکانیک کوانتومی، هر چیزی، (چه ماده چه انرژی) می‌تواند به تکه‌هایی از اطلاعات، مثلا رشته‌هایی از صفر و یک تبدیل شود. نتیجه‌ی این قانون این است که اطلاعات هرگز ناپدید نمی‌شوند؛ حتی اگر ماده یا انرژی مرتبط با آن درون سیاه‌چاله مکیده شود. به عبارت دیگر، تمام ذرات حالت اولیه‌ی خود را حفظ می‌کنند یا اگر دچار تغییر شدند، این تغییر روی ذرات دیگر اثر می‌گذارد؛ به‌گونه‌ای که حالت اصلی ذرات اولیه را می‌تواند از ذرات دیگر برداشت کرد.

این فرضیه، با نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین که می‌گوید اطلاعات باید توسط سیاه‌چاله از بین برود، مغایرت دارد. فیزیکدان‌ها به این تناقض، «پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله» می‌گویند.

هاوکینگ برای رفع این تناقض این فرضیه را مطرح کرد که اطلاعات توسط سیاه‌چاله نابود نمی‌شود؛ چون اطلاعات اصلا به درون سیاه‎چاله سقوط نمی‎کند، بلکه جایی در افق رویداد به دام می‌افتد. در این لایه‌ی مرزی، اطلاعات به‌صورت یک هولوگرام دوبعدی ذخیره می‌شود.

کاغذ خردشده

اگر اطلاعات روی افق رویداد ذخیره می‌شود، آیا می‌توان آن‌ها را بازخوانی کرد؟ برای درک بهتر این موضوع، دسته‌ای کاغذ را تصور کنید که وارد کاغذخردکن می‌شوند. این دسته کاغذ به تکه‌های کوچک تبدیل می‌شود که نوشته‌ی روی آن‌ها‌ را نمی‌توان به این صورت خواند؛ اما اطلاعات هنوز روی تکه‌های کاغذ وجود دارد و از بین نرفته است. اگر این تکه‌ها دوباره به هم متصل شود، می‌توان نوشته‌ی روی آن‌ها را خواند؛ در مورد ذرات همین تصور وجود دارد.

هاوکینگ ابتدا تصور می‌کرد فوتون‌هایی که هنگام تابش از افق رویداد جدا می‌شوند، هیچ اطلاعات معناداری با خود حمل نمی‌کنند؛ اما بعد نظرش تغییر کرد و گفت این تابش می‌تواند راهی برای فرار اطلاعات از سیاه‌چاله و در نتیجه نجات‌ از ناپدید شدن باشد. از نظر هاوکینگ، مشکل فقط اینجا است که این اطلاعات «به‌صورت بی‌نظم و بی‌فایده» از سطح سیاه‌چاله ساطع می‌شوند و «اگر بخواهیم به‌طور عملی به قضیه نگاه کنیم، باید بگوییم  اطلاعات در هر صورت از دست رفته است.»

تابش هاوکینگ از نابود شدن اطلاعات به همراه تبخیر سیاه‌چاله جلوگیری می‌کند

از طرفی، ساسکیند و خرارد هوفت (فیزیکدان هلندی) که به شکل‌گیری «اصل هولوگرافیک» کمک کردند، در اواسط دهه‌ی  ۹۰ سعی کردند برای رفع این پارادوکس توضیحی ارائه دهند. به گفته‎ی آن‌ها، وقتی جسمی درون سیاه‌چاله کشیده می‌شود، روی افق رویداد نقشی دوبعدی از خود به‌ جای می‌گذارد. هنگام تابش هاوکینگ، پرتوی ساطع‌شده از سطح سیاه‌چاله، این نقش دوبعدی را به خود می‌گیرد و به این ترتیب از محو شدن اطلاعات به همراه سیاه‌چاله جلوگیری می‌شود. 

محاسبات این دو فیزیکدان نیز نشان داد که تنها روی سطح دوبعدی سیاه‌چاله می‌توان آنقدر اطلاعات ذخیره کرد تا بتوان هر جسم ظاهرا سه‌بعدی درون آن را توصیف کرد. این طرز فکر در مورد اطلاعات سیاه‌چاله را نظریه‌ی ریسمان پشتیبانی می‌کند که به اعتقاد برخی فیزیکدان‌ها، راه حلی برای برقراری پیوند نسبیت عام و مکانیک کوانتوم و اعمال تئوری کوانتوم به گرانش است.

مسئله‌ی آنتروپی (آشفتگی)

آنتروپی سیاه چاله

آنتروپی که عموما به‌عنوان معیار آشفتگی و بی‌نظمی در نظر گرفته می‌شود، به تعداد دفعاتی اشاره دارد که بخش‌های درونی یک شیء می‌تواند بدون ایجاد تغییر در حالت کلی آن،‌ جا‌به‌جا شوند. مثلا در یک اتاق شلوغ و به‌هم‌ریخته (آنتروپی بالا) می‌توانید به‌طور تصادفی اشیاء داخل اتاق را به هر شکلی که خواستید جا‌به‌جا کنید و اتاق همچنان شلوغ و به‌هم‌ریخته باقی خواهد ماند. در مقابل، اگر اتاق مرتب و منظم باشد (آنتروپی پایین) جا‌به‌جا کردن اشیا باعث می‌شود نظم اتاق به هم بریزد و حالت اولیه‌اش را از دست بدهد. از محاسبه‌ی میزان آنتروپی در طراحی تمام دستگاه‌های ارتباطی مدرن، از گوشی‌ موبایل گرفته تا پخش‌کننده‌ی لوح فشرده،‌ استفاده می‌شود.

طبق قانون دوم ترمودینامیک، هر اتفاقی که درون سیستم می‌افتد، آنتروپی آن را افزایش می‌دهد و آنتروپی نمی‌تواند ثابت باشد یا کاهش یابد. ازآنجاکه تمام ماده در سیاه‌چاله در تکینگی (نقطه‌ای با اندازه‌ی تقریبا صفر با چگالی بی‌نهایت) متمرکز می‌شود، هیچ جایی برای افزایش آنتروپی در آن وجود ندارد و به همین خاطر فیزیکدان‌ها معتقد بودند سیاه‌چاله در تناقض با قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی ندارد.

از طرفی، شرط دیگر برای آنتروپی، داشتن دمای بالای صفر مطلق (۲۷۳٫۱۵- درجه‌ی سلسیوس) است؛ و ازآنجاکه هر شیء با دمای بالای صفر مطلق باید نور ساطع کند و چون تصور می‌شد سیاه‌چاله در هیچ طول موجی نور ساطع نمی‌کند، فیزیکدان‌ها را بیش‌ازپیش مطمئن کرد آنتروپی برای سیاه‌چاله تعریف نشده است.

برخی فیزیکدان‌ها معتقد بودند سیاه‌چاله آنتروپی ندارد

اما یکی از فیزیکدان‌ها حاضر نشد این مسئله را بپذیرد؛ یاکوب بکنشتاین در دهه‌ی ۱۹۷۰، به کمک نظریه‌ی تابش هاوکینگ که ساطع شدن نور را از سطح افق رویداد اثبات می‌کند، تأکید کرد سیاه‌چاله آنتروپی دارد و مقدار آن معین و متناسب با سطح دوبعدیِ افق رویدادِ سیاه‌چاله است. به عبارت دیگر، بکنشتاین معتقد بود برای محاسبه‌ی آنتروپی سیاه‌چاله نیازی نیست بدانیم دقیقا درون آن چه خبر است و بررسی اطلاعات سطح آن، این محاسبه را ممکن می‌کند. 

این یافته از این جهت شگفت‌انگیز است که آنتروپی سیستمی سه‌بعدی، به‌جای حجم تنها با سطح دوبعدی آن محاسبه شده بود؛ و این دقیقا همان نقطه‌ای بود که برخی فیزیکدان‌ها را به ماهیت هولوگرافیک بودن سیاه‌چاله سوق داد. 

چگونگی بسط ایده‌ی هولوگرافیک بودن سیاه‌چاله به کل جهان

تمام این فرضیات و نظریات به‌ معنی اثبات هولوگرافیک بودن سیاه‌چاله نیست. اما به‌گفته‌ی ساسکیند، تصور دوبعدی بودن جهانی که تنها سه‌بعدی به نظر می‌رسد، به حل مسائل عمیق در فیزیک نظری کمک زیادی خواهد کرد و فرمول‌های ریاضی که برای حل این مسائل به کار می‌رود در مورد هرچیزی، چه سیاه‌چاله چه سیاره و چه کل جهان، یکی است.   

در سال ۱۹۸۹ خوان مالداسنا (فیزیک‌دان نظری آرژانتینی) نشان داد چگونه یک جهان فرضی می‌تواند هولوگرام باشد. جهان فرضی او به شکل فضای پاددوسیتر (AdS) در نظر گرفته شده است. این فضا به بیان ساده، هیچ ماده یا انرژی در خود ندارد (در نتیجه خبری از نیروی گرانش نیست)، خطوط موازی در نهایت از هم دور می‌شوند و در فاصله‌ای بسیار بسیار دور، طوری به سمت داخل خمیده می‌شود که به شکل زین به نظر می‌رسد؛ این در حالی است که منتهی‌الیه جهان واقعی ما - که به آن فضای دوسیتر (de Sitter space) گفته می‌شود - مسطح است و خمیدگی ندارد.

فضای پادسیتر و پاددوسیتر

فضای خمیده‌ی پاددوسیتر‌ (سمت چپ) در مقابل فضای مسطح دوسیتر (سمت راست)

در این فضای فرضی، مالداسنا نشان داد که دو معادله‌ی فیزیکی (نظریه‌ی گرانش و نظریه‌ی میدان کوانتومی) کاملا هم‌ارز هستند. کشف این تناظر که به دوگانی مالداسنا (AdS/CFT) مشهور است، کاملا غیر منتظره بود؛ زیرا اگرچه گرانش در سه بعد فضایی توصیف می‌شود، توصیف تئوری میدان کوانتومی تنها با دو بعد امکان‌پذیر است. اینکه قوانین فیزیک نتایج مشابهی در دو و سه بعد نشان داد، ماهیت هولوگرافیک بودن فضای پاددوسیتر را ثابت می‌کند.

این اولین ‌بار بود که فردی موفق شد به‌طور واضح طرز کار هولوگرافی را در فضا نمایش دهد. اما ازآنجاکه جهان واقعی، فضای پاددوسیتر نیست، این سؤال پیش می‌آید که آیا اصل هولوگرافیک در فضای مسطح دوسیتر صدق می‌کند یا خیر؛ سؤالی که هنوز جواب صددرصد قانع‌کننده‌ای برایش پیدا نشده است.

یافته‌ی مالداسنا اثباتی بر هولوگرافیک بودن جهان نیست؛ اما او با بررسی این جهان فرضی در دو بعد، راهی پیدا کرد تا نظریه‌ی ریسمان با قوانین ثابت‌شده‌ی فیزیک ذرات سازگاری پیدا کند. مهم‌تر از همه‌ی این‌ها، او توانست دو مفهوم ناسازگار در فیزیک را زیر یک چارچوب نظری بیاورد. به‌گفته‌ی او، «نظریه‌ی هولوگرافیک بین نظریه‌ی گرانش و نظریه‌ی فیزیک ذرات اتصال برقرار می‌کند.»

برای دانشمندان بدترین اتفاق ممکن در طبیعت، مواجهه با حالت «بی‌نهایت» است

ادغام این دو نظریه‌ی بنیادین در یک نظریه‌ی منسجم (که اغلب گرانش کوانتومی نامیده می‌شود) همچنان یکی از پرطرفدارترین مباحث علم فیزیک است. وقتی نظریه‌ی مکانیک کوانتومی به نیروی گرانش می‌رسد، فیزیکدان‌ها را با بدترین اتفاق ممکن در طبیعت، یعنی حالت «بی نهایت» روبه‌رو می‌کند؛ بی‌نهایت حالتِ ممکنِ ترکیب و جایگشت هنگام رویارویی فوتون و الکترون و بی‌نهایت ترکیب ممکن برای قرارگیری این بی‌نهایت حالت بین فوتون و الکترون در فضا-زمان. 

تا زمانی‌که پای بی‌نهایت وسط باشد، پیشرفت اتفاق نمی‌افتد، پیش‌بینی امکان‌پذیر نیست و در نتیجه علم به بن‌بست می‌خورد. دانشمندان تنها با تعیین حد و مقیاسی مشخص قادر به توصیف و پیش‌بینی اتفاقات دنیای فیزیک هستند و مدل پاددوسیتر مالداسنا (دست ‌کم در حد نظریه) توانست برای این بی‌نهایت، حد مشخصی تعریف کند.  

فضای پاددوسیتر به‌طور مستقیم ارتباطی با جهان واقعی ما ندارد؛ اما به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا محاسباتی انجام دهند که خارج از این فضا بسیار دشوار یا حتی غیر ممکن است. 

چطور می‌شود ثابت کرد جهان یک هولوگرام است

برای اثبات هولوگرافیک بودن جهان، نیاز است مقادیر فیزیکی با استفاده از نظریه‌ی میدان کوانتومی و نظریه‌ی گرانش در فضای «مسطح» محاسبه شوند و نتایج باید با نتایجی که از بررسی فضای پاددوسیتر بدست آمده است، یکسان باشد.

بیگ بنگ big bang

به‌عنوان مثال، نظریه‌ی انفجار بزرگ پیش‌بینی کرد که این احتمال وجود دارد تا بشر بتواند نوعی انرژی باقی‌مانده از انبساط شدید را که ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش باعث پیدایش کیهان شده بود، پیدا کند؛ و در دهه‌ی ۱۹۶۰، ستاره‌شناسان دقیقا این انرژی را به شکل تابش زمینه کیهانی یافتند. 

از زمانی‌که ایده‌ی هولوگرافیک بودن جهان مطرح شده است، محققان زیادی به ‌دنبال اثبات آن بوده‌اند. 

در سال ۲۰۱۵، یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه تکنولوژی وین تصمیم گرفت با آزمایشی نشان دهد آیا درهم‌تنیدگی کوانتومی که یکی از ویژگی‌های اصلی مکانیک کوانتومی است، می‌تواند با نظریه‌ی گرانش بازسازی شود.

وقتی دو ذره‌ی کوانتومی در هم ‌تنیده می‌شوند، دیگر نمی‌توان آن‌ها را جدا از هم توصیف کرد؛ بلکه این دو یک «شیء» کوانتومی واحد را تشکیل می‌دهند، حتی اگر فاصله‌ی زیادی بین‌شان باشد. مقیاس اندازه‌گیری درهم‌تنیدگی یک سیستم کوانتومی را «آنتروپی درهم‌تنیدگی» می‌نامند. این تیم تحقیقاتی بعد از سال‌ها تلاش توانست نشان دهد این آنتروپی وقتی در نظریه‌ی گرانشی و نظریه‌ی میدان کوانتومی برای فضاهایی چون جهان ما محاسبه می‌شود، مقادیر یکسانی به خود می‌گیرد.

نکته‌ی حیرت‌انگیزی که درباره‌ی اصل درهم‌تندیگی وجود دارد این است که هر ذره همیشه از حال ذره‌ی دیگر باخبر است؛ حتی اگر ۱۰ میلیارد کیلومتر از آن فاصله داشته باشد. این نظریه در تناقض با اصل معروف انیشتین است که می‌گوید هیچ ارتباطی نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند. از آن‌جایی که شکستن سرعت نور برابر با شکستن مرز زمان است، فیزیکدان‌ها بر آن شدند تا به‌نوعی این یافته را بدون نقض اصل انیشتین توضیح دهند. یکی از این روش‌ها کمک گرفتن از اصل هولوگرافیک بود. 

طبق اصل درهم‌تنیدگی، هر ذره همیشه از حال ذره‌ی دیگر باخبر است؛ حتی با ۱۰ میلیارد کیلومتر فاصله 

به گفته‌ی یکی از اعضای تیم، «این محاسبه تصور ما را مبنی بر اینکه اصل هولوگرافیک می‌تواند در مورد فضاهای مسطح نیز صدق کند، تأیید می‌کند. این همان مدرکی است که اعتبار این تناظر در جهان واقعی را ثابت می‌کند.» 

در مقابل این دیدگاه بسیار خوشبینانه، دنیل گرومیلر، عضو دیگری از این تیم، گفت این محاسبات با استفاده از نظریه‌ی گرانشی سه‌بعدی و نظریه‌ی زمینه‌ی کوانتومی دوبعدی صورت گرفته است؛ درحالی‌که جهان واقعی شامل سه بعد فضایی به اضافه‌ی بعد زمان است. 

در قدم بعدی باید محاسبات یک بعد دیگر را نیز در نظر گرفته شود. در ضمن مقادیرِ بسیار دیگری وجود دارد که باید بین نظریه‌ی گرانشی و نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی تناظر برقرار کند و بررسی همه‌ی این عوامل، یک پژوهش دنباله‌دار است.

تحقیقات محققان انگلیسی، ایتالیایی و کانادایی در سال ۲۰۱۷ تلاشی بود تا نشان دهد اصل هولوگرافیک می‌تواند در مورد جهان ما صدق کند.

در دهه‌های اخیر پیشرفت‌ تلسکوپ و تجهیزات سنجش، به دانشمندان این امکان را داده است تا حجم وسیعی از داده‌ی پنهان در نویز سفید یا ریزموج ها را که از زمان پیدایش جهان ایجاد شده‌اند، شناسایی کنند. این تیم با استفاده از این اطلاعات توانست مقایسه‌های پیچیده‌ای در رابطه با شبکه‌ای از ویژگی‌های این داده و نظریه‌‌ی میدان کوانتومی انجام دهد. آن‌ها متوجه شدند که برخی از ساده‌ترین نظریات میدان کوانتومی می‌تواند تقریبا تمام مشاهدات کیهان‌شناسی جهان اولیه را توضیح دهد.

پروفسور اسکندریس، یکی از محققان این تیم، می‌گوید:

هولوگرافی یک گام بزرگ به سمت جلو در طرز نگرش ما به ساختار و پیدایش جهان است. نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین تقریبا هر چیزی را در  جهان در مقیاس بزرگ توضیح می‌دهد؛ اما وقتی می‌خواهد منشأ و مکانیزم جهان را در سطح کوانتومی بررسی کند، شروع به از هم پاشیدن می‌کند. دانشمندان ده‌ها سال است در تلاش‌اند نظریه‌ی گرانش را با نظریه‌ی کوانتومی پیوند بزنند. برخی معتقدند که اصل جهان هولوگرافیک این پتانسیل را دارد تا این دو نظریه را با هم آشتی دهد.

شاید پرسروصداترین تحقیق در این زمینه مربوط فرمیلب (Fermilab - آزمایشگاه فیزیک ذرات و شتاب‌دهنده‌ی آمریکایی) باشد که در سال ۲۰۱۵ تلاش کرد به وسیله‌ی ابزار هولومتر،که در واقع یک اشاره‌گر لیزری بسیار بزرگ و قدرتمند است، ثابت کند جهان همچون «نمایش ویدیویی چهاربعدی است که از بیت‌های پیکسلی اطلاعات زیراتمی (۱۰ تریلیون تریلیون بار کوچک‌تر از اتم) تشکیل شده.»

هولومتر Holometer

دستگاه هولومتر برای اثبات ماهیت «پیکسلی» جهان

به چشم ماکروسکوپی ما، همه چیز در اطراف‎مان سه‌بعدی به نظر می‌رسد. اما همان‌طور که با نزدیک کردن صورت به صفحه‌ی نمایش تلویزیون می‌توان پیکسل‌های تصویر را دید، این تیم تحقیقاتی سعی داشت نشان دهد با خیره شدن به ماده در مقیاس ریزاتمی، می‌توان بیت‌مَپ جهان هولوگرافیک را نمایان کرد. 

به‌گفته‌ی رابرت لانزا، یکی از محققان این تیم، این پروژه تلاشی بود در جهت تعیین اینکه آیا برای دقت اندازه‌گیری موقعیت نسبی اشیاء بزرگ محدودیتی وجود دارد یا خیر. اگر چنین حدی وجود داشته باشد، می‌توان گفت اطلاعاتی که جهان می‌تواند ذخیره کند، محدود است. این فرضیه در راستای اصل هولوگرافیک است که حد ذخیره‌ی اطلاعات در فضا-زمان را پیش‌بینی می‌کند و می‌گوید فضا-زمان به ظاهر سه‌بعدی ما توسط حجم محدودی از اطلاعات دوبعدی رمزگذاری شده است.

به ‌اعتقاد کریگ هوگان (مدیر مرکز فرمیلب)، واقعیت مقدار محدودی اطلاعات در خود گنجانده است و وقتی با دقت بسیار بالا روی اجزای سازنده‌ی آن متمرکز شویم، ممکن است متوجه شویم که تصاویر مانند تماشای آنلاین سریال وقتی که پهنای باند محدود می‌شود، کمی تار و لرزان است. 

اگر وضوح واقعیت حدی داشته باشد، می‌توان گفت ذخیره‎ی اطلاعات در جهان محدود است

هوگان و تیمش برای پیدا کردن چنین تصویر تاری از جهان، سعی کردند به کمک هولومتر ببینند در مقیاس فوق کوچک زیرمیکروسکوپی، آیا گنجایش اطلاعاتی که در فضا-زمان وجود دارد، محدود است یا خیر.  

دیدگاه استاندارد این است که تاروپود «واقعیت» به‌هم‌پیوسته است؛ اما تیم هوگان درصدد بود ثابت کند در مقیاس بی‌نهایت کوچک، واقعیت به‌صورت پیکسلی است و در واقع «وضوح» واقعیت، حد مشخصی دارد.

آزمایش‌های این تیم البته نتوانست چنین فرضیه‌ای را ثابت کند؛ ولی هوگان همچنان مصر است که نبود «لغزش» (jitter) کوانتومی در فضا، دلیلی بر رد اصل هولوگرافیک نیست. از نظر او، درست است که ثابت شد فضا دارای لغزش نیست و تصاویر آن حتی زیر دستگاه هولومتر، تار و پیکسلی نمی‌شود؛ اما اثبات «چرخش» (twist) کوانتومی می‌تواند گام بعدی برای بررسی اصل هولوگرافیک باشد.

او در مورد هولومتر گفت: «این یک تکنولوژی جدید است و اولین نمونه برای مطالعه‌ی همبستگی‌های عجیب. این تازه اولین نگاه درون یک میکروسکوپ تازه اختراع‌شده است.»

البته ساسکیند که به‌نوعی بنیانگذار اصل هولوگرافیک است، پیش‌فرض این آزمایش را رد کرده و معتقد بود این آزمایش نمی‌تواند مدرکی برای اصل هولوگرافیک ارائه دهد.

اما جدیدترین تلاش محققان برای اثبات اصل هولوگرافیک مربوط به مطالعه‌ی دانشگاه کالیفرنیا در سال ۲۰۱۹ است که در آن مدل هولوگرافیکی برای جهان دوسیتر با برش دو جهان پاددوسیتر و چسباندن مرزهای آن‌ها به یکدیگر طراحی شده است. 

مثل تناظر AdS/CFT، این مدل هم دست‌ساز و معادل دقیق جهان واقعی نیست؛ اما برخی از اصول ساخت آن می‌تواند به هولوگرام‌های واقعی‌تری از فضا-زمان بسط داده شود. به‌گفته‌ی سرپرست این تیم،‌ شی دانگ، این مدل جدید «چارچوب یکپارچه‌ای برای گرانش کوانتومی در فضای دوسیتر است.»

تناظر dS/dS

تصویری از بریدن، خمیده کردن و چسباندن دو فضای پاددوستر (AdS) و ادغام آن‌ها به شکل فضای دوسیتر (dS)

مشکل فضای پاددوسیتر این است که مرزهای آن بی‌نهایت از مرکزش دور است. برای حل مشکل بی‌نهایت، این تیم تحقیقاتی منطقه‌ی فضا-زمان را در شعاعی وسیع برش زد و با اضافه کردن مفاهیمی از نظریه‌ی ریسمان، به آن خمیدگی مثبت داد. طی این فرایند، فضای زین‌مانند پاددوسیتر شبیه فضای کاسه‌شکل دوسیتر شد. سپس فیزیکدان‌ها با چسباندن این دو «کاسه» به یکدیگر، توانستند یک سیستم کوانتومی یکتا تشکیل دهند که در مقایسه با فضای کروی دوسیتر، مانند هولوگرام تنها دو بعد دارد. 

با فرض جهان هولوگرافیک؛ چه اتفاقی برای زندگی روزمره‌ی ما خواهد افتاد

مردم در خیابان

به طول کلی باید گفت اتفاق خاصی در زندگی روزمره‌ی ما نخواهد افتاد. همان قوانین فیزیکی که در تمام عمر با آن‌ها زندگی کرده‌ایم، همچنان به همان صورت در کنارمان خواهند ماند. خانه، ماشین و تمام اجسامی که ظاهری سه‌بعدی دارند، همچنان سه‌بعدی به نظر خواهند رسید؛ حتی اگر بدانیم واقعیت چیز دیگری است.

اما اگر بخواهیم عمیق‌تر به قضیه نگاه کنیم، اثبات هولوگرافیک بودن جهان، انقلاب بزرگی در فهم و درک ما از هستی ایجاد خواهد کرد. 

درست همان‌طور که نظریه‌ی انفجار بزرگ یا نظریه‌ی درهم‌تنیدگی، تأثیر چندانی در زندگی روزمره‌ی ما ندارد، اثبات هولوگرافیک بودن جهان هم در روند عادی زندگی ما تأثیر چندانی نخواهد گذاشت؛ اما همان‌طور که کشف بیگ‌بنگ برای فهم ما از تاریخچه‌ی جهان و جای ما در کیهان حیاتی است، اثبات این اصل می‌تواند به همان اندازه مهم باشد و درباره‌ی ماهیت بنیادین جهان، حقایق کاملا غیر منتظره‌ای پیش روی بشر بگذارد.

نتیجه‌گیری

تناظر AdS/CFT

با تمام این اوصاف، آیا ما در جهان هولوگرافیک زندگی می‌کنیم یا خیر؟ واقعیت این است که حتی اگر تناظر AdS/CFT برای حل مسئله‌ی گرانش کوانتومی مفید واقع شود، باز هم نمی‌شد گفت ما صددرصد در جهانی هولوگرافیک زندگی می‌کنیم. اینکه این تناظر راهی برای حل مسائل گرانشی پیدا می‌کند، به این معنی نیست که باید هرچه در مورد جهان سه‌بعدی می‌پنداشتیم دور بریزیم و با قاطعیت بگوییم ما در واقع در مرزی دو بعدی بدون گرانش زندگی می‌کنیم؛ و حتی اگر در یک هولوگرام زندگی می‌کردیم ، به هر حال نمی‌توانستیم تفاوت را تشخیص دهیم.

اما داشتن دید باز، پرسیدن سؤال‌های عجیب و تلاش برای محقق کردن ایده‌های به ظاهر غیر ممکن، بشر را به این نقطه از پیشرفت در تکنولوژی رسانده است و همین طرز فکر ما را به پیشرفت‌های بزرگ‌تر و اکتشافات شگفت‌انگیز‌تر در کیهان خواهد رساند.

زمانی نهایت درک ما از ذخیره‌ی اطلاعات، حجمی کمتر از دو مگابایت روی فلاپی دیسک بود. حالا تعداد مراکز داده در دنیا تا سال ۲۰۲۱ به ۷٫۲ میلیون خواهد رسید و گنجایش اطلاعات ذخیره‌شده در آن‌ها به ۱۳۲۷ اگزابایت (۱۳۲۷ میلیارد گیگابایت) می‌رسد. تصور کنید اگر کل داده‌ی موجود در دنیا قرار بود در کتاب ذخیره شود، می‌شد کل مساحت چین را با ۱۵ لایه کتاب پوشاند. این حجم داده مطمئنا تا صد سال دیگر چند صد برابر خواهد شد و شاید زمانی بشر به چنان حجمی از اطلاعات برسد که بتواند کل کیهان را با آن توصیف کند و شاید آن روز بتوان ثابت کرد جهان ما یک هولوگرام است. 

نظر شما کاربر زومیت چیست؟‌ آیا ما واقعا در جهان هولوگرافیک زندگی می‌کنیم یا تمام این تلاش‌ها برای اثبات دوبعدی بودن جهان هرگز به نتیجه نخواهد رسید؟


از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده

بیشتر بخوانید