برنده نبرد نسبیت و کوانتوم کیست؟ (قسمت دوم)

در قسمت اول نبرد نسبیت و کوانتوم ، نظریه کوانتوم را بررسی کرده و نقاط قوت و ضعف آن را سنجیدیم. حالا نوبت به نظریه نسبیت می‌رسد که لی اسمولین، روحی تازه در آن دمیده تا بتواند کوانتوم را از میدان به‌در کند. در پایان این قسمت خواهیم دید که کفه‌ی‌ ترازو به سمت کدام نظریه، سنگینی می‌کند. با دیپ لوک همراه باشید…

اگر به دنبال دیدگاه متفاوتی درباره نسبیت هستید، باید نظرات جالب اسمولین از موسسه پرییمتر را دنبال کنید. او مخالف سرسخت نظرات هوگان است. او مخالفت خود را با کنایه‌ی معناداری مطرح می‌کند و اینکار را با نقل قولی از فاینمن، ابراز می‌کند:

اگر همکاران شما به دنبال نشان دادن درستی موضوعی هستند و با شکست مواجه می‌شوند، شاید دلیلش آن است که خود آن موضوع نادرست است!

اسمولین بر این باور است که رویکرد مقیاس کوچک برای فیزیک، ذاتا ناقص است! نظریه‌های حاضر درباره‌ی میدان های کوانتومی، به‌ خوبی رفتار ذرات منفرد یا سیستم‌های متشکل از ذرات را توضیح می‌دهند، اما در ارائه مدل کامل و استانداردی برای جهان، کارایی ندارند. در واقع این نظریه‌ها، شکلی برای واقعیت‌های فیزیکی ترسیم نمی‌کنند. طبق گفته‌های اسمولین، مکانیک کوانتوم صرفا نظریه‌ای برای بیان نحوه عملکرد زیرسیستم‌های جهان است.

او یک نظریه بهینه و رو به جلو را پیشنهاد می‌دهد: در این نظریه، جهان یک سیستم منفرد عظیم درنظر گرفته می‌شود و در سایه‌ی این نظریه می‌توان تمام اتفاقات جهان را توضیح داد. اسکلت بندی این نظریه را نسبیت عام تشکیل می‌دهد. بر خلاف چارچوب کوانتومی، نسبیت عام به یک ناظر خارجی یا زمان، هیچ جای بخصوصی را نسبت نمی‌دهد، زیرا اصلا خارجی وجود ندارد و همه چیز در یک فضای عام اتفاق می‌افتد. در عوض، تمام واقعیت‌ها در قالب رابطه‌ای بین اشیا و نواحی مختلف فضا، بیان می‌شود؛ حتی چیزهایی که ذاتی و اساسی (همچون نیروی اصطکاک یا ممان اینرسی) را می‌توان به میدان گرانشی تمام ذرات جهان ارتباط داد.

جمله آخر، بسیار عجیب وغریب است و باید صحت آن را بررسی کرد؛ مشکلی که به ایده‌ی اینشتین برمی‌گردد. اگر جهان را خالی از هرچیزی فرض کرده و تنها دو فضانورد که یکی در حال حرکت و دیگری در حال سکون است را در آن تصور کنیم، مسئله جالب‌تر می‌شود. فضانورد در حال حرکت به سبب حرکت، احساس سرگیجه می‌کند. حالا باید چطور تشخیص داد که کدام فضانورد در حال حرکت است؟ از دید هر دو فضانورد هر دو در حال حرکت اند! یعنی هیچ راهی برای تشخیص این مسئله ازدید فضانوردان وجود ندارد، یعنی بدون ناظر خارجی نمی‌توان تشخیص داد کدام اتفاق در حال وقوع است.

تمایز بین دو فضانورد، وقتی آشکار می‌شود که بقیه‌ی اجزای جهان هم وجود باشند، یعنی یک چارچوب لَخت (بی‌حرکت) وجود داشته باشد. در تفسیر کلاسیکی نسبیت عام، به دلیل وجود اینرسی می‌توانید میدان گرانشی را اندازه بگیرید. یعنی در جهان واقعی برای هر شی، یک نمود وجود دارد که می‌توان آن را اندازه گرفت. به عبارت دیگر، رفتار هر قسمت به قسمت‌های دیگر، وابسته است و این ارتباط، جدایی‌ناپذیر است. شاید شما هم فکر کنید قسمتی از یک بخش بزرگ هستید، این دقیقا شاکله‌ی دیدگاه اسمولین است. او فکر می‌کند می‌توان با چنین دیدگاهی چگونگی کارکرد طبیعت را در مقیاس‌های کوچک بیان کرد. نسبیت عام برای توصیف عملکرد زیر سیستم‌ها به‌کار نمی‌رود، بلکه برای تشریح رفتار کل جهان به‌عنوان یک سیستم بسته، استفاده می‌شود. به‌گفته‌ی اسمولین، وقتی فیزیکدانان به دنبال برنده نبرد نسبیت و کوانتوم  هستند، بهتر است در جبهه‌ی اینشتین باشیم، چون به احتمال قوی، حق با نسبیت است!

اسمولین کاملا آگاه است که در برابر نقد مخالفان در مورد ناکارآمدی نسبیت در مقیاس‌های کوچک، حرفی برای گفتن ندارد، اما این بدان معنا نیست که دست از نظرات خود بردارد. نقش اسمولین در این مسئله دشوار، سنجیدن نتایج خروجی نظریه کوانتوم و نسبیت است. او امیدوار است مردم با او هم صدا شده و یک چارچوب آزمایشگاهی برای بررسی نظراتش تبیین کنند. ایده‌ی اسمولین در نگاه اول، نقطه‌ی شروع خوبی برای آزمایش دارد. تمام اجزای حهان به‌هم مرتبط‌‌ هستند. او معتقد است چنین نظریاتی در طول تاریخ، باعث ظهور قوانین فیزیکی حاکم بر جهان شده است.

نظریه انتخاب طبیعی کیهانی در سال ۱۹۹۰ مطرح شد که سیاه چاله‌ها را تخم مرغ جهان نامید. این نظریه به چگونگی پیدایش مکانیک کوانتومی پرداخته و آن را اصل تقدم نامیده است. به نظر می‌رسد می‌توان به راحتی این نظریان را با آزمایش بررسی کرد. نظریه اصل تقدم در جواب به سوال چرایی بازتولید پدیده‌هایی فیزیکی مطرح شد. اگر شما در گذشته آزمایشی را انجام داده‌اید، الان نیز انتظار دارید با انجام همان آزمایش، نتایج قبلی را بگیرید. بازتولید فیزیکی بسیار شبیه به یک قسمت از زندگی ماست. بطور ساده یک  قانون طبیعی است که ما را به اطاعت ازقوانین طبیعت وا می‌دارد. اسمولین اعتقاد دارد رفتار یک سیستم کوانتومی کپی رفتارهای گذشته آن است.

یکی از راهای ممکن برای بررسی این نظریه، آزمایشی است که قبلا هرگز انجام نشده است تا نتوان نتیجه‌ی آن را پیش‌بینی کرد. شاید این آزمایش منجر به تولید سیستم کوانتومی بسیار پیچیده می‌شود که پارامترهای درهم تنیده‌ی زیادی دارد. اگر اصل تقدم درست باشد، پاسخ اولیه‌ی سیستم، باید تصادفی باشد. حال اگر آزمایش را تکرار کنیم، بنابر اصل تقدم باید بتوان نتایج حاصل را لااقل بصورت نظری پیش بینی کرد. اسمولین نظر متفاوتی دارد: یک سیستم به عنوان قسمتی از جهان عظیم، قبلا شکل گرفته و به سختی می‌توان بین آن و صورت ‌آزمایشگاهی تمایز قائل شد، اما این کار غیرممکن نیست.

اگرچه اصل تقدم می‌تواند در مقیاس اتمی ایفای نقش کند، اما از طرف سیستم بسیط کیهانی، تحت نفوذ است. پس ایده اسمولین در مقیاس کوچک با مشکل روبروست. بکارگیری همزمان دو نظریه برای توجیه رفتار سیستم های کوانتومی، مهم است، اما کافی نیست. سوال این است که جهان چطور کار می‌کند. چرا زمان در جهت افزایش پیش می‌رود و برگشت زمانی اتفاق نمی‌افتد؟ نظریه اسمولین جوابی برای این مسائل ندارد.

با این وجود، اسمولین این سوال را مطرح می‌کند که آیا فهم ما از میدان های کوانتومی اشتباه نیست که نتوانسته کارایی در ابعاد بزرگ داشته باشد؟ او هم مثل هوگان دغدغه‌ای برای نتایج حاصل از آزمایش‌ها ندارد و امیدوار است از دل این بحث‌ها، یک نظریه منسجم درباره جهان بدست آید که با آن بتوان ویژگی های ساختاری اتم ها، حرکت سیارات و زیبایی رنگین کمان را توضیح داد. البته این نظریه باید در جبهه‌ی نسبیت قرار گیرد! اسمولین می‌گوید:

درسی که نسبیت عام بارها به ما می‌دهد این است که پیروزی در اتحاد و یکپارچگی است. یعنی تمام اجزای جهان ما به هم متصل هستند و به احتمال زیاد این امر، پاسخ بسیاری از مسائل را خواهد داد.

برنده نبرد نسبیت و کوانتوم

مشخص کردن برنده این نبرد، کار آسانی نیست، چرا که هر دو نظریه، پشتوانه‌ی محکمی دارند. بهتر است از دانشمندی که در حوزه‌های کیهانشناسی، میدان‌های کوانتومی و گرانش تبحر دارد کمک بگیریم. شان کارول به خوبی زیروبم‌ نسبیت و کوانتوم را می‌شناسد. او رفتار جهان را مضحک می‌داند! کارول می‌گوید:

اکثر دانشمندان درگیر نظریه کوانتوم و نسبیت، به‌خوبی می‌دانند که مکانیک کوانتومی بسیار اساسی‌تر از نسبیت عام است.

 مکانیک  کوانتوم از سال ۱۹۲۰ دیدگاه غالب بوده، هرچند اینشتین بارها سعی کرد آن را نقض کند، ولی هر بار شکست خورد. آزمایشی که اخیرا محققان هلندی انجام دادند نشان داد که درهم تنیدگی کوانتومی بین دو ذره جدا ازهم وجود دارد که پاسخی کوبنده به اینشتین است که با تمسخر درهم تنیدگی کوانتومی را رفتار شبح وار از راه دور می‌دانست. مهم نیست که نظریه‌ کوانتوم در ابعاد بزرگ دچار تزلزل می‌شود، زیرا ما در جهان، ساکن هستیم و عملا دسترسی به فضای با مقیاس بزرگ میسر نیست. با اتخاذ یک دیدگاه بزرگتر، مسئله‌ی واقعی نبرد نسبیت عام و نظریه‌ی میدان کوانتومی‌ها نیست، بلکه نبرد دینامیک کلاسیکی و دینامیک کوانتومی است.

نسبیت در جهان کلاسیکی که رابطه علت و معلولی برآن حاکم است می‌تواند ایفای نقش کند، اما در جهان کوانتومی هچ چیز، قطعی نیست. اینشتین امید داشت که با اکتشافات جدید در جنبه‌های کلاسیکی بتواند اصل احتمالاتی بودن مکانیک کوانتوم را نقض کند، اما تا به حال، چنین اتفاقی نیفتاده است، بلکه درهم تنیدگی کوانتومی هم اثبات شد!

با وجود کارایی مکانیک کوانتوم، این نظریه کامل نیست، زیرا سازگاری سیستم‌ها در ابعاد بزرگ با مقیاس‌های کوچک، متفاوت است. با وجود حمایت ظاهری کارول از کوانتوم، او اذعان می‌کند که پروژه‌ی هولومتر هوگان، تیری در تاریکی است و ممکن است اصلا به نتیجه نرسد. از طرفی وی نظر مساعدی نسبت به گفته‌های اسمولین ندارد، زیرا معتقد است نمی‌توان تمام فضا را مثل یک اتم در نظرگرفت و بالعکس. او همچنان امیدوار است که نظریه ریسمان حرفی برای گفتن داشته باشد. او می‌گوید هر جز از طبیعت تعمیمی از میدان کوانتومی است. مکانیک کوانتوم، ناقص است و باید چیزهایی به آن اضافه شود تا بتواند ناتوانی خود را در ابعاد کیهانی برطرف سازد.

با این اوصاف کفه‌ی ترازو به سمت مکانیک کوانتومی سنگینی ‌می‌کند و برنده نبرد نسبیت و کوانتوم ، نظریه کوانتوم است. هرچند در صورت نادرست بودن نظریه اسمولین، باید دنبال راهکارهای جدید باشیم. مهم نیست تلاش‌های اسمولین و هوگان به ثمر بنشیند، مسئله مهم این است که آنها راهی باز کرده‌اند که می‌توان با حرکت در آن، دیدی کلی نسبت به جهان بدست آورد. یک نظریه بدون شک وشبهه…