در حال حاضر فیزیکدانان دو توضیح جداگانه برای چگونگی کارکرد طبیعت دارند. توضیح اول نسبیت عام است که به زیبایی برای توضیح گرانش و تمام چیزهای مربوط به آن، به‌کار می‌رود: مانند حرکت سیارات، برخورد کهکشان‌ها و انبساط جهان که مقیاس‌های بسیار بزرگ را شامل می‌شود. توضیح دیگر، مکانیک کوانتومی است که نیروهای الکترو مغناطیسی و دو نیروی هسته‌ای را کنترل می‌کند. نظریه کوانتومی برای توضیح واپاشی اتم اورانیوم و یا برخورد ذرات نور به یک سلول خورشیدی به‌کار می رود؛ یعنی مقیاس بسیار کوچکی را بر خلاف نسبیت دربرمی‌گیرد. در حال حاضر، یکی از مهم‌ترین مسائل فیزیک، نبرد نسبیت و کوانتوم است: نظریه هایی با بار معنایی و فرمول‌بندی کاملا متفاوت. در این مقاله، نیم‌نگاهی به این چالش دیرینه خواهیم انداخت و سعی خواهیم کرد برنده‌ی نبرد نسبیت و کوانتوم را تعیین کنیم. با دیپ لوک همراه باشید…
این نوشتار برگرفته از مقاله منتشر شده در سایت معتبر ناتیلوس و نوشته ژورنالیست علمی مشهور، کوری پاول است. (این مقاله به دلیل طولانی بودن و تمرکز بیشتر خوانندگان، در دو قسمت از دیپ لوک، منتشر خواهد شد).
قدمت نبرد نسبیت و کوانتوم ، به بیش از یک قرن می‌رسد و ظهور آن به سال ۱۹۰۵ برمی‌گردد: زمانیکه اینشتین، نظریه نسبیت را مطرح کرد و در طرف دیگر نیز، مکانیک کوانتوم متولد شد، اما اخیرا این نبرد، وارد فاز جدید و جذابی شده است. دو فیزیکدان برجسته به‌نام های کریگ هوگان و لی اسمولین، مواضعی افراطی را مطرح کرده‌اند که تنها با انجام آزمایش می‌توان به درستی یا نادرستی آنها پی برد و ماجرا را حل و فصل کرد.
اساسا شما می توانید مرزبندی بین یک سیستم نسبیتی و یک سیستم کوانتومی را بسیار کوچک و منعطف در نظر بگیرید. در نسبیت عام، اتفاقات، پیوسته و قطعی هستند و حرفی از گسستگی و احتمال در میان نیست؛ یعنی هر اتفاقی دلیل خود را دارد و تاثیری موضعی بر جای می‌گذارد. این در حالیست که در مکانیک کوانتومی، اتفاقات با برهمکنش ذرات زیراتمی به صورت جهش‌های کوانتومی رخ می‌دهند که البته نتایج این برهمکنش‌ها، به صورت احتمالی خواهد بود. قوانین کوانتوم، برای اتفاقات کلاسیکی غیرممکن هم توضیح ارائه می‌کند (مثل تابش جسم سیاه یا اثر فوتوالکتریک). اخیرا با یک انجام آزمایش نشان داده شد که دو ذره می‌توانند بر روی هم تاثیر بگذارند، هرچند فاصله آنها از هم، بیش از یک مایل باشد که دلیلی برای درستی نظریه کوانتوم و رد ادعای اینشتین است.
وقتی سعی می‌کنید قوانین نسبیت را در دنیای کوانتوم تفسیر کنید، همه چیز به طور وحشتناکی اشتباه از آب در می آید! برعکس، اگر بخواهید مقیاس کوچک کوانتومی را که به‌سمت مقادیر بی نهایت کوچک، میل می‌کند با نظریه نسبیت توصیف کنید، جواب ناامیدکننده‌ای خواهید گرفت؛ درست مثل مکانیک کوانتوم که جواب درستی درباره‌ی مسائل مقیاس کیهانی نمی‌دهد.
میدان‌های کوانتومی، مقدار معینی انرژی را حتی در فضای به ظاهر خالی، حمل می‌کنند که مقدار این انرژی متناسب با افزایش اندازه میدان کوانتومی است. طبق نظریه اینشتین، انرژی و جرم هم‌ارز هستند که فرمول مشهور E = MC۲ گواه این امر است، بنابراین افزایش انرژی به‌مثابه‌ی افزایش جرم است. زمانی که انرژی به اندازه‌ی کافی افزایش یافت و مقدار انرژی در میدان کوانتومی به اندازه معینی، بزرگ شد، یک سیاه چاله متولد می‌شود که می تواند جهان را در خود ببلعد که البته اتفاق خوشایندی نیست!
کریگ هوگان، اخترفیزیکدان نظری در دانشگاه شیکاگو و مدیر بخش ذرات اختر فیزیک فرمی‌لب (Fermilab) است. او نظریه جدیدی مطرح کرده که تاییدی است بر بینش کوانتومی. این نظریه می‌گوید واحدهای کوانتومی فضا می‌توانند در مطالعه‌ی مقیاس‌های بزرگ به‌کار روند. در طرف دیگر لی اسمولین از بنیان‌گذارن مؤسسه پریمتر دانشگاه واترلوی کانادا به دنبال احیا و گسترش نظریه اینشتین است.
برای همگام شدن با آنها بهتر است نگاهی به تاریخ بیندازیم: وقتی اینشتین، نسبیت عام را مطرح کرد، علاوه بر آنکه یک جایگزین مناسب برای نظریه گرانش نیوتن پیدا شد، مسیر تازه‌ای برای فیزیکدانان باز شد تا بتوانند مفاهیمی همچون بیگ بنگ، تشکیل سیاه چاله‌ها و نحوه تولید بمب اتمی را توضیح دهند و حتی مکان‌یاب گوشی شما را به‌کار اندازند! از طرفی، مکانیک کوانتوم با تصحیح معادلات ماکسول و فرمول‌های حوزه مغناطیس و نور توانست کارآیی خود را به رخ بکشد و علاوه بر آن، در ساخت ابزارهایی همچون برخورد دهنده هادرونی، سلول‌های خورشیدی و گیت‌های میکروالکترونیکی مبنا قرار گرفت. باید منتظر انقلاب سوم فیزیک باشیم که از دل نبرد نسبیت و کوانتوم متولد می‌شود. این نظریه‌ی سوم، پاسخ چگونگی پیدایش کیهان بر مبنای عدم قطعیت را داده و اساسا تکلیف نبرد نسبیت و کوانتوم را مشخص خواهد کرد.
فضای تکه‌تکه!
هوگان، از دید طرفداران کوانتوم، یک قهرمان، به‌حساب می‌آید. شاید بتوان نقش او را به لامپی تشبیه کرد که هدفی جز روشنایی ندارد! وی به پشتوانه‌ی مفاهیم اصولی، تحقیقاتش را پیش می‌برد. هوگان معتقد است نبرد نسبیت و کوانتوم وقتی اتفاق می‌افتد که بخواهید گرانش را در فواصل بسیار کوتاه، بررسی کنید بنابراین وی تصمیم گرفت تا با دید واقعی و عملی این مسئله را بسنجد. هوگان می‌گوید:
من حاضرم شرط ببندم که با انجام آزمایش می‌توان رابطه بین نسبیت و کوانتوم را آشکار کرد و مفاهیمی که اکنون قابل درک نیست را فهمید.
فرض بنیادی در فیزیک اینشتینی، پیوسته و بی‌نهایت بخش‌پذیر بودن فضاست، بنابراین هر فاصله را می‌توان به قسمت های کوچک‌تر تقسیم کرد. اما هوگان در صحت این ادعا شک دارد. او استدلال می‌کند همان گونه که پیکسل، کوچکترین واحد یک تصویر است، فوتون نیز کوچکترین واحد نور است؛ پس نمی‌توان این واحدها را در فضای کوانتومی شکست. در سناریوی هوگان، این سوال که گرانش در تکه‌های کوچک فضا چگونه کار می‌کند، بی‌معنی است. در واقع هیچ راهی برای توضیح عملکرد گرانش در کوچکترین مقیاس‌ها وجود ندارد، زیرا چنین مقیاسی اصلا وجود ندارد. به عبارت دیگر، نسبیت عام مجبور به صلح با فیزیک کوانتومی است زیرا فضایی که فیزیکدانان برای اندازه گیری اثرات نسبیت به‌کار می‌گیرند، باید قابلیت تقسیم به واحدهای کوانتومی تقسیم‌ناپذیر را داشته باشد. یک تئاتر واقعی با بازی نسبیت بر روی صحنه کوانتوم!
هوگان معتقد است گفته‌هایش حتی برای بسیاری از همکاران او که در حوزه ی نظریه کوانتومی کار می‌کنند، کمی عجیب و غریب است. اواخر سال ۱۹۶۰، گروهی از فیزیکدانان و ریاضیدانان، به‌منظور آشتی نسبیت عام با مکانیک کوانتومی، شروع به توسعه چارچوبی به‌نام نظریه ریسمان کردند. در طول این سال‌ها، نظریه ریسمان نتوانسته راه حل مناسبی برای این مسئله بدهد. در نظریه ریسمان فرض می‌شود هرجسمی در جهان از رشته‌های مرتعش انرژی ساخته شده است: درست مانند فضای تکهای، نظریه ریسمان با گرانش در مقیاس کوچک، به مشکل خورده است.
اگر نظریه هوگان درباره فضای غیرتکه‌ای، درست باشد، باید بسیاری از فرمول های نظریه ریسمان تصحیح شده و فرمول‌بندی نسبیت با رویکرد کوانتوم نوشته شود. این نظریه، راه جدیدی برای درک فضا و زمان ذاتی طبیعت معرفی می‌کند. جالب‌تر از همه، شاید فضای سه بعدی ما از ابعاد بیشتری تشکیل شده باشد. مانند بسیاری از ایده‌های دور از ذهن فیزیک نظری، گمانه زنی هوگان می‌تواند آذرخشی در تاریکی باشد. به‌هرحال او سعی دارد با آزمایش، گفته‌های خود را ثابت کند. شروع کار هوگان به سال ۲۰۰۷ برمی‌گردد، وقتی به فکر ساخت دستگاهی بود که بتواند تکه تکه‌های فضا را اندازه بگیرد. او به همکاران خود در باره‌ی ایده‌اش توضیح داد. هوگان و همکارانش در عرض دو سال، مبانی نظری و عملی ساخت چنین دستگاهی را تکمیل کردند. این دستگاه هولومتر (Holometer) نام گرفت که برگرفته از یک ابزار نقشه برداری در قرن ۱۷ میلادی است. در ساخت هولومتر از تکنولوژی لیزر استفاده شده است.
هوگان برای پیداکردن مقیاس تکه‌های فضا، نیاز به اندازه گیری فواصلی با دقت ۱۰ به توان ۱۸- یعنی ۱۰۰ میلیون بار کوچک‌تر از شعاع اتم هیدروژن نیاز داشت، از طرفی او باید داده‌هایی با سرعت ۱۰۰ میلیون ثبت در ثانیه را جمع‌آوری می‌کرد. این آزمایش به دلیل پیشرفت‌های فوتونیکی امکان‌پذیر بود، هر چند انجام آن پرزحمت و کمی جاه‌طلبانه بود.
کار هوگان از طرف بسیاری از فیزیکدانان نظری مورد نقد جدی و مخالفت قرار گرفت. دلیل مخافت واضح بود: موفقیت دستگاه هولومتر اکثر دستاورد های نظریه ریسمان را به باد می‌داد! با این وجود، هوگان و همکارانش کار را پیش بردند، زیرا معتقد بودند در نهایت ثابت خواهد شد که نسبیت عام به مکانیک کوانتوم وابسته است.
از نگاه فلسفی، نظریه‌ی کوانتوم، جهان کلاسیک را احاطه کرده است. قطعا فضای تکهای، دید بهتری از جهان را در اختیار ما می‌گذارد. هوگان کار خود را به آزمایش مایکلسون در قرن ۱۹ شبیه می‌داند که به دنبال اثبات انتشار امواج در خلا بود. این آزمایش، نتیجه‌ی خاصی نداشت، اما باعث شد ایده نسبیت شکل بگیرد. هوگان قصد دارد تا جهانی بر پایه کوانتوم را پایه‌ریزی کند. اینکه در دستگاه هولومتر، چیزی مشاهده شود یا نه، مهم نیست بلکه انگیزه ایجاد شده، مهم است. دلیل انجام این کار، پیداکردن حقایق تازه‌ای در مورد نظریه کوانتوم است. هولومتر باعث حل بسیاری از مسائل شده و ساختار کوانتومی فضا را نشان خواهد داد. تا اینجا نظریه کوانتوم و نظریه هوگان را بیان کردیم. در قسمت بعدی، نظریه نسبیت و نظریه اسمولین را مطرح خواهیم کرد؛ پس برای شناخت برنده نبرد نسبیت و کوانتوم ، دیپ لوک را دنبال کنید…
