آیا انیشتین اشتباه می‌کرد؟ چرا برخی از فیزیک‌دانان نظریه فضا-زمان را زیر سوال می‌برند؟

منتشر شده در space.com به تاریخ ۲۲ می۲۰۲۱
لینک منبع Was Einstein wrong? Why some astrophysicists are questioning the theory of space-time

مانند تاریخ، انقلاب‌ها مایه حیات علم هستند. زیر جریان‌های متلاطم ناآرام به جوش می‌آیند تا زمانی که یک رژیم جدید برای به دست گرفتن قدرت ظاهر شود. سپس توجه همه به سرنگون کردن فرمانروای جدیدشان معطوف می‌شود. شاه مرده، زنده باد شاه.

این اتفاق بارها در تاریخ فیزیک و ستاره‌شناسی رخ داده‌است. اول، ما فکر می‌کردیم که زمین در مرکز منظومه شمسی قرار دارد-ایده‌ای که بیش از ۱۰۰۰ سال است که وجود داشت. سپس کوپرنیک خود را در معرض ریسک قرار داد تا بگوید که اگر ما فقط سیاره دیگری باشیم که دور خورشید می‌چرخد، کل سیستم بسیار ساده‌تر خواهد بود. علی‌رغم مخالفت‌های اولیه، تصویر زمین مرکزی زمین در نهایت زیر بار شواهد تلسکوپ تازه اختراع شده شکست خورد.

سپس نیوتن آمد تا توضیح دهد که چرا سیارات به دور خورشید گردش می‌کنند. او گفت که تمام اشیا جرم‌دار جاذبه گرانشی نسبت به یکدیگر دارند. با توجه به نظرات او ما به دور خورشید گردش می‌کنیم چون ما را می‌کشد، ماه به دور زمین گردش می‌کند زیرا ما آن را می‌کشیم. نیوتن برای دو قرن و نیم قبل از اینکه آلبرت انیشتین در سال ۱۹۱۵ برای غصب او با نظریه عمومی نسبیت خود قیام کند، حکومت کرد. این تصویر جدید به خوبی تناقض‌ها را در مدار مرکوری توضیح داد و به خوبی با مشاهدات خورشید گرفتگی در ساحل آفریقا در سال ۱۹۱۹ تایید شد.

انیشتین به جای کشش، جاذبه را در نتیجه فضای خمیده دید. وی گفت که همه اجسام جهان در یک پارچه صاف و چهار بعدی بنام فضا-زمان قرار گرفته‌اند. اشیا عظیمی مانند خورشید فضا-زمان را در اطراف خود تاب می‌دهند، و بنابراین مدار زمین تنها نتیجه پیروی کردن سیاره ما از این انحنا است. برای ما این شبیه کشش گرانشی نیوتنی است. این تصویر فضا-زمانی در حال حاضر بیش از ۱۰۰ سال است که بر تخت پادشاهی قرار دارد و تاکنون بر تمام مدعیان تاج و تخت خود غلبه کرده‌است. کشف امواج گرانشی در سال ۲۰۱۵ یک پیروزی قاطع بود، اما، مانند پیشینیان، ممکن است در شرف سقوط نیز باشد. دلیلش این است که اساساً با حیوان بزرگ دیگر باغ وحش فیزیک ناسازگار است: نظریه کوانتوم.

دنیای کوانتومی بسیار عجیب و غریب است. برای مثال، ذرات منفرد می‌توانند در یک زمان در دو مکان باشند. فقط با مشاهده آن را مجبور به انتخاب می‌کنیم. قبل از مشاهده، ما تنها می‌توانیم احتمالات را به نتایج احتمالی اختصاص دهیم. در دهه ۱۹۳۰، Erwin Schrödinger یک راه مشهور برای نشان دادن اینکه این ایده چقدر منحرف است را ابداع کرد. او در خیال گربه‌ای را در جعبه مهر و موم شده‌ای مجسم کرد که با شیشه سمی که به چکش بسته شده بود همراه بود. چکش به وسیله‌ای وصل می‌شود که حالت کوانتومی یک ذره را اندازه‌گیری می‌کند. این که چکش شیشه را خرد کند و گربه را بکشد یا نه، بستگی به این اندازه‌گیری دارد، اما فیزیک کوانتوم می‌گوید که تا زمانی که چنین اندازه‌گیری انجام شود، ذره به طور همزمان در هر دو حالت قرار می‌گیرد، به این معنی که شیشه هم شکسته هم نشکسته است و گربه هم زنده و هم مرده است.

شاید علاقه‌مند به مطالعه مقاله فیزیک‌دانان به حل کردن کردن هرج‌و‌مرج «مشکل سه جسمی» نزدیک می‌شوند. باشید.

چنین تصویری را نمی توان با بافت یکنواخت و پیوسته فضا-زمان تطبیق داد. سابین هوسن فلدر، فیزیکدان نظری در موسسه مطالعات پیشرفته فرانکفورت گفت: « یک میدان گرانشی نمی‌تواند در یک زمان در دو مکان باشد.» طبق گفته انیشتین، فضا-زمان توسط ماده و انرژی منحرف می‌شود، اما فیزیک کوانتوم می‌گوید که ماده و انرژی به طور همزمان در چندین حالت وجود دارند-آن‌ها می‌توانند هم اینجا و هم آنجا باشند. بنابراین میدان گرانشی کجاست؟ Hossenfelder می‌پرسد. هیچ‌کس پاسخی به این سوال ندارد. او گفت: « این یک جورهایی شرم‌آور است.»

سعی کنید نسبیت عام و نظریه کوانتوم را با هم به کار ببرید، اما این کار جواب نمی‌دهد. هوسن فلدر گفت: « بالاتر از یک انرژی خاص، احتمال اینکه بزرگ‌تر از یک انرژی باشید وجود دارد.» یکی از آن‌ها بالاترین احتمال ممکن است-یعنی نتیجه قطعی است. شما نمی‌توانید بیش از این مطمئن باشید. به همان اندازه، محاسبات گاهی اوقات جواب بی‌نهایت را به شما می‌دهند، که هیچ معنی فیزیکی واقعی ندارد. بنابراین این دو نظریه از نظر ریاضی ناسازگار هستند. بنابراین، مانند بسیاری از پادشاهان در طول تاریخ، فیزیکدانان به دنبال ازدواج میان جناح‌های رقیب هستند تا صلح را تضمین کنند. آن‌ها به دنبال نظریه‌ای از گرانش کوانتومی هستند که نهایت تلاش دیپلماتیک برای به اشتراک گذاشتن این دو رقیب باشد. این امر باعث شده‌است تا نظریه پردازان به فرصت‌های عجیب و غریب روی بیاورند.

مسلما مشهورترین آن‌ها نظریه ریسمان است. این ایده وجود دارد که ذرات زیر اتمی مانند الکترون‌ها و کوارک‌ها از رشته‌های ارتعاشی کوچک ساخته می‌شوند. نظریه پردازان ریسمان استدلال می‌کنند که ترکیبات مختلف رشته‌ها ذرات متفاوتی را ایجاد می‌کنند. جذابیت نظریه این است که می‌تواند نسبیت عام و فیزیک کوانتوم را حداقل بر روی کاغذ تطبیق دهد. با این حال، برای بیرون کشیدن آن خرگوش خاص از کلاه، رشته‌ها باید در طول یازده بعد ارتعاش داشته باشند - هفت‌تا بیشتر از چهار بعد در ساختار زمان-مکان اینشتن. تا کنون هیچ مدرک تجربی وجود ندارد که نشان دهد این ابعاد اضافی واقعا وجود دارند. جورما لوکو از دانشگاه ناتینگهام گفت: « این ممکن است ریاضیات جالبی باشد، اما اینکه آیا آن فضا-زمانی که ما در آن زندگی می‌کنیم را توصیف می‌کند یا خیر، ما واقعا نمی‌دانیم تا زمانی که یک تجربه وجود داشته باشد.»

تا حدودی با الهام از شکست‌های درک شده نظریه ریسمان، سایر فیزیک‌دانان به گزینه‌ای به نام جاذبه کوانتومی حلقه (LQG) روی آورده‌اند. آن‌ها می‌توانند این دو نظریه را به خوبی به بازی بگیرند اگر یکی از اصول اصلی نسبیت عام کنار بگذارند: فضا-زمان یک ساختار روان و پیوسته است. در عوض، آن‌ها استدلال می‌کنند که فضا-زمان از مجموعه‌ای از حلقه‌های درهم‌آمیخته تشکیل شده‌است-که دارای ساختاری در کوچک‌ترین مقیاس‌های اندازه است. این کمی شبیه به امتداد پارچه است. در نگاه اول مثل یک پارچه نرم به نظر می‌رسد. با این حال، با دقت نگاه کنید، و خواهید دید که واقعا از یک شبکه بخیه ساخته شده‌است. به همین ترتیب، آن را مانند یک عکس بر روی یک صفحه نمایش کامپیوتر در نظر بگیرید: زوم کنید، و خواهید دید که واقعا از پیکسل‌های تکی ساخته شده‌است.

ممکن است علاقه‌مند به مطالعه مقاله فیزیک‌دانان یک نقطه کوانتومی می‌سازند که می‌تواند ماهیت ماده تاریک را افشا کند! باشید.

مشکل اینجاست که وقتی فیزیک‌دانان LQG می‌گویند کوچک، منظور آن‌ها واقعا کوچک است. این نقایص در فضا-زمان تنها در سطح مقیاس پلانک -در حدود تریلیونت یک تریلیونت از یک تریلیونت از یک متر- آشکار می‌شود. که آنقدر کوچک است که در یک سانتی متر مکعب فضا لوپ‌های بیشتری نسبت به یک سانتی متر مکعب در کل جهان قابل‌مشاهده وجود دارد. لوکو می‌گوید: « اگر زمان-مکان تنها در مقیاس پلانک متفاوت باشد، آزمایش آن در هر شتاب‌دهنده ذره‌ای دشوار خواهد بود.» شما به یک اتم نیاز دارید که ۱۰۰۰ تریلیون برابر قوی‌تر از Large Hadron Collider (LHC) در CERN باشد. پس چگونه می‌توانید نقص‌های فضا-زمانی که کوچک هستند را تشخیص دهید؟ پاسخ این است که به یک ناحیه بزرگ از فضا نگاه کنید.

نوری که از دورترین نقاط جهان به اینجا می‌رسد، میلیاردها سال نوری فضا-زمان را در طول راه طی کرده‌است. اگرچه تأثیر هر نقص فضا-زمان بسیار ناچیز است، اما در آن فواصل فعل و انفعالات با نقص‌های متعدد ممکن است به یک اثر بالقوه قابل مشاهده تبدیل شود. در دهه گذشته، ستاره شناسان از نور گاما ری برست های دور دست برای یافتن شواهدی در حمایت از LQG استفاده کرده‌اند. این فلاش‌های کیهانی، نتیجه ستاره‌های عظیمی هستند که در پایان زندگیشان از پا در می‌آیند، و چیزی در مورد این انفجارات دور دست وجود دارد که ما در حال حاضر نمی‌توانیم توضیح دهیم. هوسن فلدر گفت: «طیف آن‌ها یک انحراف سیستماتیک نسبت به آن دارد،» اما هیچ‌کس نمی‌داند که آیا این چیزی است که در راه اینجا اتفاق می‌افتد و یا اینکه ارتباطی که باخود منبع انفجار دارد. هیات ژوری هنوز فعال است.

انیشتین پیشنهاد کرد که برای پیشرفت، ما باید یک قدم جلوتر برویم تا بگوییم فضا-زمان یک پارچه نرم و پیوسته نیست. به گفته انیشتین، فضا-زمان مانند صحنه‌ای است که در جای خود باقی می‌ماند، چه بازیگران در حال قدم زدن بر روی صحنه باشند و چه نباشند-حتی اگر هیچ ستاره یا سیاره‌ای در حال رقص در اطراف وجود نداشته باشد، فضا-زمان هنوز وجود خواهد داشت. اما فیزیکدانان لورنت فریدل، رابرت لی و جورجه مینیک فکر می‌کنند که این تصویر ما را عقب نگه‌داشته است. آن‌ها بر این باورند که فضا-زمان به طور مستقل از اشیا موجود در آن وجود ندارد. فضا-زمان با نحوه تعامل اشیا تعریف می‌شود. این امر، فضا-زمان را به یک محصول از خود جهان کوانتومی تبدیل می‌کند، نه چیزی که با آن ترکیب شود. مینیک گفت: « این کار ممکن است عجیب به نظر برسد، اما راه بسیار دقیقی برای پرداختن به این مشکل است.»

جذابیت این نظریه -که فضا-زمان مدولار نامیده می‌شود- این است که ممکن است به حل یک مشکل قدیمی دیگر در فیزیک نظری با توجه به چیزی به نام محل، و یک پدیده بدنام در فیزیک کوانتوم به نام درهم تنیدگی کمک کند. فیزیک‌دانان می‌توانند شرایطی را ایجاد کنند که به موجب آن دو ذره را کنار هم آورده و خواص کوانتومی خود را به هم متصل کنند. سپس آن‌ها را از فاصله زیادی جدا می‌کنند و متوجه می‌شوند که هنوز به هم مرتبط هستند. تغییر ویژگی‌های یکی دیگری را فورا تغییر خواهد داد، انگار که اطلاعات از یکی به دیگری سریع‌تر از سرعت نور در نقض مستقیم نسبیت حرکت کرده‌است. انیشتین به قدری تحت‌تاثیر این پدیده قرار گرفت که آن را «عمل عجیب و غریب از دور» نامید.

نظریه فضا-زمان مدولار می‌تواند چنین رفتاری را با تعریف دوباره معنای جدا شدن تطبیق دهد. اگر فضا-زمان از جهان کوانتومی پدیدار شود، در این صورت نزدیک‌تر بودن به مفهوم کوانتومی، از نزدیک بودن به معنای فیزیکی، اساسی‌تر است. مینیک گفت: « ناظران مختلف نظرات مختلفی درباره محل دارند که بستگی به زمینه دارد.» کمی شبیه روابط ما با دیگران است. ما می‌توانیم نسبت به غریبه‌ای که در خیابان زندگی می‌کند، احساس نزدیکی بیشتری به کسی که دوستش داریم داشته باشیم. هوسن فلدر گفت: « شما می‌توانید این ارتباطات غیر محلی را تا زمانی که آن‌ها نسبتا کوچک هستند داشته باشید.»

فریدل، لی، و مینیک در پنج سال گذشته بر روی ایده خود کار کرده‌اند، و اعتقاد دارند که به آرامی در حال پیشرفت هستند. مینیک گفت: « ما می‌خواهیم محافظه‌کار باشیم و همه چیز را قدم به قدم انجام دهیم، اما وسوسه‌انگیز و هیجان‌انگیز است.» بدیهی است که این رویکرد جدیدی است که در آن به جای گرانش کوانتیزاسیون، به دنبال گرانش کوانتیزاسیون در LQ هستیم. با این حال، همانند هر نظریه علمی دیگری، باید آن را آزمایش کرد. در حال حاضر این سه نفر بر روی نحوه تناسب زمان با مدل خود کار می‌کنند.

همه اینها ممکن است به طور باور نکردنی درونی به نظر برسند، چیزی که تنها دانشگاهیان باید به آن اهمیت دهند، اما می‌تواند تاثیر عمیق‌تری بر زندگی روزمره ما داشته باشد. هوسن فلدر گفت: « ما در فضا نشسته‌ایم، در طول زمان سفر می‌کنیم، و اگر چیزی در درک ما از فضا-زمان تغییر کند، این امر نه تنها بر درک ما از جاذبه، بلکه بر نظریه کوانتوم به طور کلی نیز تاثیر خواهد گذاشت.» تمامی ابزارهای کنونی ما تنها به دلیل نظریه کوانتومی کار می‌کنند. وی گفت: « اگر ما ساختار کوانتومی فضا-زمان را بهتر درک کنیم، تاثیر آن بر فن‌آوری‌های آینده-شاید نه در ۵۰ یا ۱۰۰ سال، بلکه شاید در ۲۰۰ سال-بهتر خواهد بود.»

پادشاه فعلی بسیار پیر شده است، و یک مدعی جدید خیلی به تاخیر افتاده است، اما ما نمی‌توانیم تصمیم بگیریم که کدام یک از گزینه‌های بسیار به احتمال زیاد موفق خواهند بود. هنگامی که ما این کار را انجام می‌دهیم، انقلاب حاصل نه تنها برای فیزیک نظری، بلکه برای همه می‌تواند ثمر بخش باشد.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله علم فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.