شاید تاکنون بارها شنیده باشیم که هیچ سرعتی فراتر از سرعت نور در طبیعت وجود ندارد؛ زیرا طبق نسبیت خاص رسیدن به چنین سرعتی برای ذرات جرم‌دار غیرممکن است. با این وجود، در نظر گرفتن یک چارچوب یا ناظر با سرعتی فراتر از سرعت نور یا به اصلاح فرانور از لحاظ نظری غیر ممکن نیست و احتمالا ساختار فضازمان رایج در فیزیک، از دید چنین ناظری متفاوت باشد. در این صورت تحول جهان اطراف این ناظر چگونه به نظر می‌رسد؟ پژوهشگران در یک گام جسورانه برای پاسخ به این پرسش، به نتایج بسیار جالبی دست یافته‌اند. با دیپ لوک همراه باشید…
جهان ما از دید ناظرهای سریع‌تر از سرعت نور در خلاء، چگونه بنظر می‌رسد؟ چنین تصویری آشکارا با آنچه که ما هر روز با آن مواجه می‌شویم متفاوت خواهد بود. به گفته‌ی دانشمندان دانشگاه آکسفورد و ورشو:
انتظار ما این است که در چنین شرایطی نه تنها پدیده‌هایی را ببینیم که خود به خود و بدون علت قطعی اتفاق می‌افتند، بلکه ذراتی را مشاهده کنیم که همزمان در مسیرهای متعدد حرکت می‌کنند.
مفهوم زمان از دید چنین ناظرهایی به صورت کامل متفاوت خواهد بود. یک جهان فرانور (superluminal) باید با سه بعد زمانی و یک بعد فضایی مشخص شده و با زبان آشنای نظریه‌ی میدان توصیف شود. به نظر می‌رسد وجود چنین ناظرهایی، به هیچ نتیجه‌ی منطقا ناسازگاری منجر نمی‌شود، علاوه بر این، احتمال وجود اجسامی با سرعت فراتر از نور زیاد است.
آلبرت اینشتین در اوایل قرن بیستم، نحوه درک ما از زمان و فضا را به طور کامل تغییر داد. فضای سه‌بعدی و زمان یک بعدی که تا آن زمان به صورت جدا از هم فرض شده بود، به عنوان یک فضازمان چهاربعدیِ وحدت یافته درنظرگرفته شد. پروفسور اندرو دراگان (Andrzej Dragan) از دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو و عضو مرکز فناوری‌های کوانتومی دانشگاه ملی سنگاپور اظهار داشت:
در نظریه نسبیت خاص که در سال ۱۹۰۵ توسط آلبرت اینشتین صورت‌بندی شد، تفاوت زمان و مکان آن هم در برخی از معادلات، تنها در علامت آنهاست.
اینشتین نظریه نسبیت خاص خود را بر مبنای دو اصل استوار کرد: اصل نسبیت گالیله و اصل ثابت بودن سرعت نور. طبق استدلال پروفسور دراگان، اصل اول از آن جهت بسیار مهم است که قوانین فیزیک در هر دستگاه مرجع لختی، یکسان هستند. دراگان استدلال می‌کند که:
این اصل بیشتر برای ناظرانی اعمال میشود که سرعت آنها نسبت به یکدیگر کمتر از سرعت نور (c) باشد. با این وجود برای توصیف یک سیستم فیزیکی توسط ناظرهای با سرعت نسبیِ بیشتر از سرعت نور، هیچ دلیل بنیادی برای درنظر نگرفتن این اصل وجود ندارد.
چه اتفاقی می‌افتاد اگر ما – حداقل به لحاظ نظری – فرض می‌کردیم که جهان می‌تواند از دید چارچوب‌های مرجع با سرعت فراتر از نور، قابل مشاهده باشد؟ در اینجا یک امکان وجود دارد که به ما اجازه می‌دهد اصول اولیه مکانیک کوانتومی را در نظریه نسبیت خاص ادغام کنیم. این فرضیه‌ی انقلابیِ دراگان و پروفسور آرتور اکرت (Artur Ekert) از دانشگاه آکسفورد برای اولین بار در مقاله‌ای تحت عنوان «اصل کوانتومی نسبیت» (Quantum principle of relativity) ارائه گردید که دو سال پیش در مجله New Journal of Physics منتشر شد. در این مقاله آنها یک مورد ساده‌شده از هر دو طیف ناظران (ناظران باسرعت فراتر از نور و ناظران باسرعت کمتر از نور) را در یک فضا زمان دوبعدی، متشکل از یک بعد فضایی و یک بعد زمانی، در نظر گرفتند. پس از آن و به تازگی، یک گروه پنج نفره از فیزیک‌دانان، با انتشار مقاله‌ای در مجله Classical and Quantum Gravity با عنوان «نسبیت ناظران فرانور در فضازمان ۱ + ۳»، گامی فراتر گذاشته و نتایجی را در مورد فضازمان چهار بعدی کامل ارائه کردند.
نویسندگان این مقاله ابتدا از مفهوم فضازمان مطابق واقعیت فیزیکی شروع می‌کنند: یعنی سه بعد مکانی و یک بعد زمانی. با این وجود آنها نشان می‌دهند از دید ناظر فرانور، تنها یک بعد از این جهان یعنی بعدی که ذرات می‌توانند در امتداد آن حرکت کنند، به صورت فضایی باقی می‌ماند.
دراگان توضیح می‌دهد که «سه بعد دیگر درواقع ابعاد زمانی هستند». پرفسور کریستوف تورزینسکی (Krzysztof Turzyński)، یکی از نویسندگان مقاله اضافه می‌کند که:
از دیدگاه چنین ناظری عمر ذره به صورت مستقل در سه جهت زمانی طی میشود، اما از نقطه نظر ما ـ ناظری هوشمند (با سرعت نسبیِ کمتر از سرعت نور)- این ذره به صورت همزمان در تمام جهت‌های فضایی حرکت می‌کند، درست شبیه انتشار یک موج کروی کوانتومی همراه یک ذره.
به تعبیر دراگان این مطابق با اصل هیوگنس (Huygens’ principle) در قرن هجدهم میلادی است که در آن هر نقطه‌ی روی جبهه‌ی موج، خود چشمه یک موج کروی است. این اصل در ابتدا تنها برای امواج نور بکار می‌رفت، اما مکانیک کوانتومی امکان استفاده از آن را برای همه‌ی شکل‌های ماده فراهم کرد.
نویسندگان مقاله اثبات می‌کنند که در نظرگرفتن ناظرهای فرانور مستلزم ایجاد یک تعریف جدید از سرعت و حرکت است. این تعریف جدید، حتی برای ناظرهای فرانور، اصل موضوعه‌ی ثابت بودن سرعت نور در خلا در نسبیت خاص انیشتین را حفظ می‌کند. دراگان می‌افزاید:
بنابراین نسبیت خاصِ توسعه‌یافته‌ی ما ایده‌ی عجیب و غریبی به نظر نمی‌رسد.
توصیف جهانی که ما در آن ناظرهای فرانور را معرفی کرده‌ایم، چگونه تغییر خواهد کرد؟ پاسخ این است که بعد از در نظر گرفتن حل‌های فرانور، جهان تعین ناپذیر (غیر قطعی) میشود؛ به این معنی که مطابق با اصل برهم نهی در مکانیک کوانتمی، ذرات به‌جای یک مسیر در یک زمان، به طور همزمان در مسیرهای مختلف شروع به حرکت می‌کنند. دراگان خاطرنشان می‌کند که:
برای یک ناظر فرانور، ذرات نقطه‌ایِ کلاسیک نیوتونی معنای خود را از دست می‌دهند و میدان تنها کمیتی میشود که می‌تواند جهان فیزیکی را توصیف کند.
نویسندگان در مقاله چنین می‌نویسند:
تا همین اواخر اعتقاد بر این بود که فرضیه های زیربنای نظریه کوانتومی بنیادی هستند و نمی‌توان آنها را از چیز بنیادی‌تری استخراج کرد. در این کار ما نشان دادیم که توجیه نظریه کوانتومی با استفاده از نسبیت بسط یافته، به طور طبیعی می‌تواند به یک فضازمان ۱+۳ بعدی تعمیم یابد. چنین بسطی منجر به نتایجی میشود که توسط نظریه‌ی میدان کوانتومی بدیهی شمرده میشود.
در نتیجه به نظر می‌رسد در نسبیت خاصِ بسط‌داده‌شده، ذرات دارای ویژگی‌های خارق‌العاده باشند. (تا کنون در مورد ذراتی که برای ما عادی به نظر می‌رسید صحبت کردیم) آیا برعکس چنین چیزی ممکن است؟ آیا می‌توانیم ذراتی را که برای ناظرهای فرانور عادی هستند، یعنی ذراتی را که سرعت نسبی آنها نسبت به ما فراتر از سرعت نور است، مشاهده کنیم؟
به گفته‌ی تورزینسکی، پاسخ به این سؤال ساده نیست:
کشف آزمایشگاهی یک ذره‌ی بنیادی، شاهکاری درخور جایزه‌ی نوبل است که در یک تیم تحقیقاتی بزرگ و با استفاده از آخرین تکنیک‌های آزمایشگاهی ممکن است. به هر رو امیدواریم نتایج ما برای فهم پدیده‌های شکست تقارن خودبخودی مرتبط با جرم بوزون هیگز و دیگر ذرات بنیادی در مدل استاندارد بخصوص برای جهان اولیه بکار بیاید. میدان تاکیونیک (میدان مرتبط با ذرات فرانوری به نام تاکیون) بخش جدایی‌ناپذیر هر فرایند شکست تقارن خود به خودی است. به نظر می‌رسد که پدیده های فرانوری نقشی کلیدی در مکانیسم هیگز داشته باشند.
گفتگو۴ دیدگاه
خیلی مقاله جالبی بود.
نکته جا لبش اینه که انیشتین با همه مخالفت هاش با کوانتوم ولی نظریه خودش در خدمت کوانتوم قرار گرفته. شاید باور نمیکرد که از دل بسط منطقی و سازگار نظریه خودش بایستی قبول کنه که خدا ممکنه تاس انداخته باشه!!
البته فکر کنم اگر این در زمان حیاتش نشان داده میشد هم مثل مساله ثابت کیهان شناسی در مقابلش گارد میگرفت. انیشتین دوست نداشت دست به خلق فیزیکی برای توصیف جهان بزنه که با باورهای متافیزیکی اش در تضاد باشه.
دقیقا اون بخشی از نسبیت خاص که مربوط به ذرات فرانوری است و ما معمولا بواسطه تضاد با شهود مان علاقه ای بهش نشان نمیدیم داره خبر از یک نظریه کوانتومی میده. دلیل به کار گرفتن نظریه میدان کوانتومی بخاطر شکست در توضیح برخی پدیده ها در مکانیک کوانتومی نسبیتی بود اما الان داره نشون میده ارتباط عمیقتری بین نسبیت و مفهوم میدان وجود داره. یک پیامد حیرت اور دیگه این پژوهش اینه که حالا نمیشه گفت اصل موضوعه های کوانتوم را بایستی بدون اثبات پذیرفت در حالیکه الان داریم میبینیم از طریق یک نظریه بسط داده شده نسبیت خاص میشه اونها را استخراج کرد..
در کل خیلی متشکر برای چنین خوش سلیقگی در انتخاب مقاله برای دیپ لوک!!
نکات جالبی رو عنوان کردید
سلام و ممنون از مقاله
امروز صبح یک سوال برای من پیش آمد
چرا فقط سه بعد فضا و مکان ؛ در حالیکه ما برای توصیف یک جسم نیاز به تعریف شش بعد فضا مکانی داریم.
شه بعد مربوط به ابعاد خود جسم و سه بعد دیگر مربوط به موقعیت مکانی جسم در محیط (محدود به انتها) و بعلاوه یک بعد زمان که جمعاً ۷ بعد میشود.
سلام
فکر کنم متوجه منظور شما شدم، شما میگید برای توصیف یک جسم که قاعدتا حجمی داره مثلاً یک مکعب باید بگیم مکعب با فلان طول و عرض و ارتفاع در فلان مکان که خودش سه بعد هست پس شش بعد. شما قبلش باید پاسخ بدید کدوم نقطه از جسم رو به عنوان معیاری از مکان جسم انتخاب می کنید ، مثلاً میگید مرکز جرم یا لبه‌ی پایینی مکعب ، فارغ از مولفه‌ی زمانی، اون نقطه تنها نیاز به سه مولفه برای توصیف داره و کافی هست، حالا دستگاه مختصات رو به اون نقطه انتقال بدید مثلاً گوشه ی مکعب ، اون موقع شما برای توصیف مکعب یا جسم تنها نیاز به سه عدد دارید. البته دقت کنید که منظور ما از نقطه نقطه‌ی ریاضی هست. نقطه ی بدون بعد، حالا دقیقا ابعاد جسم رو با نقاط ریاضیمون منطبق کردیم . پس برای توصیف حجم جسم مورد نظرتون تنها به سه عدد نیاز داریم ، این اعداد منطبق بر ابعاد میشند. برای جشنهای پیچیده تر کافیه جسمتون رو به مکعب های کوچیک تقسیم بندی کنید.
البته این مباحث رو میتونید توی فلسفه هم دنبال کنید، مثلاً اینکه اگه نقطه ای که از لحاظ ریاضی اگه واقعیت فیزیکی داشته باشه بعد چطوری میتونیه یه جسم پیوسته رو یا یک بعد که تشکیل شده از این نقاط گسسته درست کرد و خیلی مباحث دیگه …