گربه شرودینگر زمانی که هیچ‌کس در حال نگاه کردن به آن نیست چه می‌کند؟ (قسمت دوم)

در قسمت پیشین، سودارسکی اهمیت آزمایش فکری گربه شرودینگر را در حل مسائل مختلف کوانتومی، از جمله اندازه‌گیری کوانتومی و نتایج آن در میدان تورمی و نظریه فروپاشی خودبخودی مطرح کرد؛ در ادامه به بررسی اهمیت این موضوع در موضوعات جذاب دیگری همچون فروپاشی خودبخودی کوانتومی میدان تورم، نظریه گرانش کوانتومی و پارادوکس سیاه‌چاله می‌پردازد. با دیپ لوک همراه باشید…

ناهمگنی‌هایی که منجر به شکل‌گیری همه ساختارهای کیهانی شده و اثر آن‌ها را در زمینه ریزموج کیهانی می‌بینیم از کجا ناشی می‌شوند؟ طبق استانداردهای کنونی کیهان شناسی، آن‌ها از افت و خیزهای کوانتومی تورم و متریک فضازمان در دوران تورم بوجود آمده‌اند. در واقع تورم، همراه با یک دستورالعمل برای حالت کوانتومی زمینه‌ها در دوره تورم همراه است که خلا بانچ دیویس (Bunch-Davies) نامیده می‌شود. این حالت، درست مانند حالت خلا در فضازمان مسطح، دارای خاصیت ۱۰۰ درصد همگن و همسان‌گردی است و به نوعی باید توجه کنیم که در عدم قطعیت‌های کوانتومی آن، بذر ناهمگنی کیهانی امروزی نهفته است.

بسیاری از کیهان‌شناسان در اینجا مشکلی نمی‌بینند، زیرا آن‌ها به راحتی «عدم قطعیت کوانتومی» و «پراکندگی آماری» را با یکدیگر عوض می‌کنند؛ یک خطای مفهومی که اغلب به دلیل استفاده از واژه «افت و خیز» در هر دو زمینه است، اما این دیدگاه تنها در صورتی قابل‌ توجیه است که اندازه‌گیری انجام شده‌ باشد. نکته این است که اندازه‌گیری ممکن است در واقع، وضعیت سیستم را با توجه به فرآیند R تغییر دهد و به حالتی منجر شود که دیگر ماده اولیه، همگن و همسان‌گرد نباشد.

اما چه چیزی می‌تواند به عنوان یک اندازه‌گیری در جهان اولیه پیش از کهکشان‌ها، سیاره‌ها و موجودات هوشیار درنظر گرفته شود؟ برخی از دانشمندان پاسخ می‌دهند که امروزه با ماهواره‌های خود، اندازه‌گیری‌های لازم را انجام می‌دهیم. یک بازتاب لحظه‌ای نشان می‌دهد که این وضعیت چقدر مشکل‌ساز است: ما با دستگاه‌های اندازه‌گیری خود مسئول شکست کامل همگنی حاکم در جهان اولیه هستیم. تغییری که منجر به شکل‌گیری ساختار کیهانی از جمله کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیاره‌ها می‌شود.این تغییر به نوبه خود برای ظهور شرایط حیات و موجودات (هوشمند) مثل ما ضروری بود. ما تا حدی علت وجود خودمان بوده‌ایم! آهنگ قدیمی «من پدربزرگ خودم هستم» (I’m my own grandpa) به ذهنم متبادر می‌شود.

بعد از در نظر گرفتن مسیرهای موجود برای حل مسئله پدربزرگ، آلخاندرو پرز (Alejandro Perez)، هانو سهلمن (Hanno Sahlmman) و من پیشنهاد کردیم که یک جز جدید به این ترکیب اضافه شود: فروپاشی خودبخودی حالت کوانتومی میدان تورم. این یک نسخه از فرآیند R است که بطور مداوم رخ می‌دهد و بطور کلی تغییرات کوچک و تصادفی در حالت کوانتومی میدان را القا می‌کند. تصادفی بودن چنین فرآیندی می‌تواند مسئول شکستن همگنی و همسانگردی در جهان اولیه بدون استفاده از هر ناظر یا ابزار اندازه‌گیری باشد. بعلاوه، اگر فروپاشی خودبخودی برخی از الزامات ساده را برآورده کند، پیش‌بینی‌های حاصل از این ناهمگنی می‌تواند ویژگی‌های توزیع تغییرات دما را که در زمینه ریزموج کیهانی دیده می‌شود، بازتولید کند.

در ابتدا، به نظر نمی‌رسد که رویکرد جدید به انحراف مهمی از پیش‌بینی‌های استاندارد منجر شود، اما حداقل یک جنبه از داستان وجود دارد که در آن پیش‌بینی‌ها بشدت متفاوت هستند. معلوم می‌شود که با توجه به روش استاندارد، پیش‌بینی‌ها برای تولید ناهمگنی‌ها در چگالی ماده در جهان، به طور جداناپذیری به پیش‌بینی‌های مشابه برای تولید امواج گرانشی اولیه وابسته است. این‌ها مشابه امواج گرانشی ناشی از برخورد سیاه‌چاله‌ها و یا ستاره‌های نوترونی هستند که توسط آشکارسازهای LIGO و VIRGO به طور حیرت انگیزی کشف شده‌اند، اما برخلاف آن‌ها، موارد اولیه اکنون آنقدر ضعیف هستند که انتظار می‌رود تنها در نوع خاصی از ناهمسانگردی‌ در قطبش تابش زمینه کیهانی یافت شوند.

جستجوی زیادی برای آن‌ها انجام شده‌است، چرا که آن‌ها به عنوان مهم‌ترین تایید ممکن برای درستی تورم در نظر گرفته شده‌اند. این واقعیت که آن‌ها تاکنون شناسایی نشده‌اند به عنوان یک مشکل جدی در کیهان‌شناسی تورمی در نظر گرفته می‌شود و ساده‌ترین و جذاب‌ترین مدل‌ها تاکنون به علت شکست تشخیص مورد انتظارشان رد شده‌اند. وقتی رویکرد خود را دنبال می‌کنیم، پیش‌بینی‌های مربوط به تولید امواج گرانشی به شدت کاهش می‌یابد، زیرا آن‌ها با استفاده از روش‌ها و حساسیت‌های آشکارسازی موجود، قابل آشکارسازی نیستند. محاسبات نشان می‌دهد که ممکن است تنها با حساسیت‌های بهبود یافته و با تغییر تمرکز از مقیاس‌های بسیار کوچک به مقیاس‌های بسیار بزرگ در آسمان قابل‌شناسایی باشند (که متاسفانه کار دشواری است). بنابراین، به طور کاملا غیرمنتظره‌ و در نتیجه نوع ملاحظات مفهومی که قرار است با آن مواجه شویم، یک پیش‌بینی محکم و قطعی کیهان‌شناسی تورمی، با یک پیش‌بینی جدید که با شواهد تجربی موجود تطابق بهتری دارد، عوض شد.

مشکلات مفهومی نظریه کوانتومی نیز به موضوع سیاه‌چاله‌ها مرتبط است. نظریه نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند زمانی که سیاه‌چاله‌ها شکل می‌گیرند، یک تکینگی (منطقه‌ای که در آن مقادیر هندسی ظاهراً مقدار بی‌نهایت دارند) در داخل آن‌ها گسترش خواهد یافت. ماهیت این تکینگی‌ها موجب گمانه‌زنی‌های شدیدی شده‌است، از جمله این تصور که آن‌ها ظهور چیزهای عجیب‌تر هستند، یا حتی ورودی‌هایی به جهان‌های دیگر را نشان می‌دهند. اما آنچه که آن‌ها واقعاً نشان می‌دهند حضور نظامی است که نظریه نسبیت عام در آن صدق نمی‌کند (که خیلی هیجان‌انگیز نیست، ببخشید!). یعنی اگر بخواهیم به نظریه نسبیت عام تکیه کنیم، باید این کار را فقط تا مرزی که این نقاط تکین ظاهر نمی‌شوند، انجام دهیم.

فیزیکدانان به طور کلی متقاعد شده‌اند که نظریه فعلی ما باید با یک نظریه عمیق‌تر، که هم نسبیت عام و هم مکانیک کوانتومی را در خود جای می‌دهد جایگزین شود: نظریه گرانش کوانتومی. انتظار می‌رود که این گرانش کوانتومی، آن نقاط تکین را بهبود بخشد و نیاز به گنجاندن مرز در بحث‌های مربوط به سیاه‌چاله را حذف کند. مفاهیم نظری حداقلی شامل مواردی مانند ورودی‌ها به جهان‌های دیگر یا اشیای عجیب و غریبی که به جای آن‌ها ظاهر می‌شوند، نیستند.

یکی از ویژگی‌های آن‌ها که در ابتدا توسط فیزیکدان یاکوب بکنشتاین (Jacob Beckenstein) اشاره شد (و به عنوان یک سرنخ بنیادی درنظر گرفته می‌شود)، این است که تبادل انرژی آن‌ها با خارج توسط قوانینی که شبیه به قوانین ترمودینامیک هستند، کنترل می‌شود. به ویژه، همانطور که استیون هاوکینگ (Stephen Hawking) نشان می‌دهد آن‌ها انرژی را از طریق گسیل تابش گرمایی از دست می‌دهند و انتروپی هر «کاشی» از طول پلانک که سطح سیاه‌چاله را می‌پوشاند، با ثابت بولتزمن داده می‌شود. این موضوع در دهه‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده‌است، چرا که فیزیکدان‌ها شروع به بررسی روش‌های مختلفی برای ساخت نظریه گرانش کوانتومی کرده‌اند. بطور قطع چنین نظریه‌ای باید بتواند بیانگر انتروپی سیاه‌چاله باشد. طرفداران گرانش کوانتومی، به آسانی، در مدت زمان نسبتا کوتاه و در زمینه هایی کاملا متفاوت، اما همیشه کاملا محدود، نتایجی یافتند که مطابق با پاسخ صحیح بودند.

اما این حقیقت که این تحلیل که از کشف هاوکینگ شروع شده، شامل نظریه کوانتومی است، پرسشی دیگر را مطرح کرده است که فیزیکدان‌ها را همچنان سردرگم کرده است. این موضوع کانون بحث‌ها و اختلافات شدیدی به نام پارادوکس اطلاعات سیاهچاله است.

روایت معمول بدین شکل است: براساس نظریه کوانتومی، حالت کوانتومی یک سیستم فیزیکی منزوی، توصیف کاملی از چنین سیستمی را فراهم می‌کند. این حالت طبق یک قانون تکاملی تحول می‌یابد که امکان پیش‌بینی دقیق وضعیت متناظر را در هر زمان دیگری در آینده یا بازیابی وضعیت سیستم در گذشته فراهم می‌کند. از طرف دیگر، یک سیاه‌چاله با جرم و حرکت زاویه‌ای خاص می‌تواند به روش‌های مختلفی ایجاد شده باشد. اگر سیاه‌چاله به طور کامل تبخیر شود و فقط تابش حرارتی باقی بماند، که با روش‌های بسیار ساده، کاملا مشخص می‌شود، به نظر نمی‌رسد راهی وجود داشته باشد که بتواند تمام اطلاعات مورد نیاز برای بازآفرینی دقیق حالت کوانتومی ماده را که در وهله اول باعث ایجاد سیاه‌چاله شده با حالت دقیق کوانتومی رمزگذاری کند. بنابراین از جزئیات وضعیت نهایی، تجسم مجدد حالت دقیق که در ابتدا، سیاه‌چاله از آن شکل گرفته غیرممکن است؛ برخلاف آنچه با توجه به مشخصه‌های قوانین تکامل نظریه کوانتومی انتظار می‌رود. از نظر بسیاری از مردم، این نشان می‌دهد که ما با یک «پارادوکس» روبرو هستیم.

 یک نگاه دقیق‌تر به مسئله نشان می‌دهد که چیزها خیلی سرراست نیستند (و توضیح می‌دهد که چرا کلمه پارادوکس را در علامت گیومه قرار می‌دهم). نکته این است که این ادعا که طبق نظریه کوانتومی می‌توانیم وضعیت دقیقی را که در ابتدا سیاه‌چاله از آن شکل گرفته، بازیابی کنیم، کاملاً نادرست است. چنین نتیجه‌ای تنها در صورتی حاصل می‌شود که فرد فقط بر روی فرآیند U تمرکز کرده‌ و فرآیند R را کاملا نادیده بگیرد. بنابراین، طبیعی است مسائلی که در ارتباط با تبخیر سیاه‌چاله و سرنوشت اطلاعات ایجاد می‌شوند با مسائل اندازه‌گیری گره بخورند.

یکی از جذاب‌ترین راه‌حل‌ها برای مسئله اندازه‌گیری، توسط فروپاشی خودبخودی ارائه می‌شود. از سال ۲۰۱۵، من و همکارانم با کمک مدل‌های ساده، جزئیات را مورد بررسی و تحلیل قرار داده‌ایم که آیا استفاده از چنین نظریه‌هایی، در زمینه تبخیر سیاه‌چاله می‌تواند به طور کامل این مسئله را حل کند؟ تاکنون تجزیه و تحلیل ما نشان داده که پاسخ مثبت است، به شرطی که سرعت فروپاشی خودبخودی با انحنای فضازمان، افزایش یابد. اگر چنین باشد، به علت انحنای فزاینده در فضای داخلی عمیق سیاه‌چاله، سطح اندکی از اطلاعات که به طور معمول با فروپاشی خودبخودی همراه است، به اندازه کافی کارآمد خواهد بود تا تمام اطلاعاتی را که به نظر می رسد وقتی سیاه چاله کاملاً بخار می‌شود، پاک شده است، دربر گیرد.

کار باید برای مرتب کردن مسائل باز و جزئیات شکل دقیق نظریه و یافتن موقعیت‌های دیگری که می‌توان این ایده‌ها را آزمایش کرد، ادامه یابد. اگرچه هنوز همه چیز حل نشده‌، اما این احتمال وجود دارد که شاید یک حل مشترک برای مسائل متنوعی همچون گربه شرودینگر، مسئله اطلاعات سیاه‌چاله و جنبه‌های گیج‌کننده کیهان‌شناسی تورمی، با در نظر گرفتن فروپاشی خودبخودی بدست آید. ما اخیراً مسائل دیگری را که این روش می‌تواند در آنجا نیز کمک‌کننده باشد، از جمله امکان حساب کردن انتروپی بسیار کم حالت اولیه جهان و مسیری برای فهمیدن ماهیت و میزان انرژی تاریک یافته‌ایم. به نظر می‌رسد استفاده از نظریه‌های فروپاشی خودبخودی در موقعیت‌های شامل گرانش، یک مسیر تحقیقاتی بسیار امیدوارکننده و مهیج باشد.