توضیح چگونگی انتشار آشفتگی در فضا-زمان به کمک الگوهای میدانی

جهانی که ما می‌شناسیم از فضا و زمان به‌هم پیوسته، تشکیل شده است. اجرام سنگین مانند ستارگان و سیاهچاله‌ها باعث خمیدگی فضا-زمان یا نوعی آشفتگی در آن می‌شوند. دانشمندان به‌تازگی تحقیقی انجام داده‌اند که چگونگی انتشار آشفتگی در فضا-زمان را توضیح می‌دهد نتایج این تحقیق در مجله Proceedings of the Royal Society A منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…
باید قدردان امواج گرانشی که اینشتین معرفی کرد باشیم. اکنون می‌دانیم اختلال هم در فضا و هم در زمان پخش می‌شود. اما سوال اینجاست که این اتفاق چگونه رخ می‌دهد وقتی ویژگی‌های اصلی، دائما در حال تغییرند؟ محققان برای پاسخ به چگونگی انتشار آشفتگی در فضا-زمان از چارچوب ریاضیاتی مدرن استفاده کردند که منجر به معرفی مفهوم الگوهای میدانی (field patterns) شد. اگرچه این مفهوم پیچیده است اما می‌تواند در زمینه فیزیک نظری، مسائل عجیب و غریب را به صورت قابل فهم بیان کند.

الگوهای میدانی بسیار ساده‌اند؛ چنین الگوهایی باعث شکسته‌شدن فضا-زمان می‌شوند. مثلا یک صفحه شطرنج را در نظر بگیرید. اگر خانه‌های سیاه یک ماده بخصوص، خانه های سفید سایر مواد با ویژگی های متفاوت؛ و محور افقی صفحه شطرنج، فضا و محور عمودی، زمان را نشان دهد با منتشر کردن یک پالس لیزر (به عنوان آشفتگی) در جهت زمان، این پالس در تمام خانه‌های صفحه شطرنج منتشر می‌شود؛ یعنی انتشار یک آشفتگی در فضا-زمان .
برای یافتن فرض‌هایی که در نظریه الگوهای میدانی به‌کار رفته، دانشمندان دانشگاه یوتا، از شبیه‌سازی کامپیوتری برای مشاهده سیستم‌های نظری و الگوی میدانی استفاده کردند. در تصویر زیر شبیه‌سازی مربوط به سیستم الگوی میدانی را می‌بینید.

شاید از خود بپرسیم چرا این مسئله مهم است؟ الگوهای میدانی، هم ویژگی انتشار امواج و هم ویژگی ذرات مستقر را نشان می‌دهند؛ در نتیجه چارچوب ریاضیاتی مدرن می‌تواند به برخی از بنیادی‌ترین سوالات مکانیک کوانتوم جواب دهد که شاید ساده‌ترین آنها این است: چرا ذرات هم رفتار ذره ای دارند و هم رفتار موجی؟
دانشمندان معتقدند الگوهای میدانی می‌توانند چگونگی شکل‌گیری اجزای ماده را توضیح دهند.
اجازه دهید مفهوم الگوهای میدانی را با یک مثال توضیح دهیم: به یک درخت فکر کنید که ریشه‌های آن همان آشفتگی‌های اولیه هستند و مکان ریشه در خاک را به عنوان نقطه اولیه‌ی زمان درنظر بگیرید. با افزایش زمان و رشد درخت، این آشفتگی (ریشه) با برخورد به مرزهای مختلف، می‌شکند و شاخه شاخه می‌شود. اگر برای بار اول از بالا به درخت نگاه کنید یک شبکه پیچیده از شاخه‌ها را خواهید دید که می‌توانند به‌صورت الگوهای میدانی درنظر گرفته شوند. با نگاه به یک تک درخت، این الگوهای میدانی به صورت آشفته به نظر می‌رسند، اما اگر به درختان بیشتری نگاه کنید، شاهد تکرار الگوها خواهید بود، درست مثل صفحه‌ی شطرنج.

این ایده همانطور که در مطالب بالا گفته شد بسیار مفید است اما در مکانیک کوانتوم، بیشتر خودنمایی می کند. یکی از اصلی ترین سوال ها در کوانتوم این است که ذرات هم رفتار ذره ای و هم رفتار موجی دارند. می دانیم که تا قبل از اندازه گیری، نمی‌توان مکان ذره را مشخص کرد بلکه می‌توان آن را بصورت احتمال بیان کرد. وقتی مشاهده‌گر مکان ذره را اندازه می‌گیرد، رفتار شبه موجی بروز می‌یابد، یعنی هم رفتار موجی و هم ذره‌ای به طور همزمان وجود دارند که به دوگانگی ذره-موج معروف است. الگوی میدانی شاید بتواند پلی میان این دوگانگی بزند، زیرا آشفتگی را به صورت نقاط و خطوط گسسته‌ای درنظر می‌گیرد که می‌توانند به صورت موجی هم منتشر شود.
این ایده در فیزیک در حال رشد است که نوسانات فضا-زمان در کوچکترین مقیاس‌ها می‌توانند از الگوهای میدانی پیروی کنند. چیزهایی که ما به عنوان الکترون، پروتون یا امواج کوانتومی می‌بینیم، ظهور میکروسکوپی این الگوهای میدانی هستند. محققان می‌دانند که الگوهای میدانی محدودیت هایی نیز دارد، مثلا الگوهای میدانی که باهم تداخل دارند نمی‌تواند با هیچ کدام از الگوهای دیگر، برهم‌کنش داشته باشند و همچنین تعدادی از الگوی‌های میدانی به‌طور غیرمنتظره‌ای پتانسیل منبسط شدن دارند که باعث می شود نتوان آنها را کنترل کرد.

[gview file=”http://www.deeplook.ir/wp-content/uploads/2017/02/10.1098@rspa.2016.0819.pdf” profile=”3″ save=”1″]