ایتنا - آیا فضا-زمان (یعنی پهنهٔ چهاربعدی کیهان) در کوچکترین مقیاس‌ها هم صاف و هموار است یا در ابعاد میکروسکوپی، اوضاع به‌گونهٔ دیگری است؟
پنجشنبه ۱۸ ارديبهشت ۱۳۹۹ ساعت ۰۰:۴۸
فضا-زمان صاف و هموار است یا گسسته؟
ما تنها با نظریهٔ نسبیت عام اینشتین است که می‌توانیم جاذبه را درک کنیم و از طریق مفاهیم ریاضیات چیزی به‌نام «فضا-زمان» را به‌عنوان یک ساختار چهاربعدی (سه بعد فضا و یک بعد زمان) درهم‌تنیده درک کرده‌ایم.
به‌زبان نسبیت، ماده و انرژی بافت فضا-زمان را خم و دچار اعوجاج می‌کنند و در واکنش، فضا-زمان به ماده و انرژی می‌گوید که چگونه حرکت کند و این همان چیزی است که ما آن را در قالب «گرانش» تجربه می‌کنیم.
برای اینکه بتوانیم در نسبیت عام از ریاضیات استفاده کنیم، بافت فضا-زمان باید در ریزترین مقیاس‌ها هم کاملاً هموار باشد. فارغ از اینکه تا چه اندازه پیش برویم یا کوچک شویم، مکان-زمان همیشه مثل یک پیراهن تازه اتو کشیده‌شده صاف و بدون‌چروک خواهد بود؛ بدون سوراخ، بدون پارگی، بدون درهم‌تنیدگی؛ صاف و تمیز. بدون این صافی، ریاضیات در گرانش نمی‌تواند به‌خوبی عمل کند.
اما نسبیت عام تنها مبحثی نیست که چیزهایی دربارهٔ فضا-زمان به‌ما می‌آموزد. ما مکانیک کوانتومی (و جانشین بعدی آن یعنی نظریهٔ میدان کوانتومی) را هم داریم. در جهان کوانتومی، شانس و احتمالات تصادفی بر اشیای میکروسکوپی حکمفرماست. ذرات می‌توانند در یک لحظه پدید بیایند و ناپدید شوند. میدان‌ها می‌توانند با ارادهٔ خودشان همه‌چیز را تکان دهند و بلرزانند و البته در چنین جهانی، هرگز نمی‌توان با قطعیت به چیزی پی برد.
بدین‌ترتیب، همانطور که فیزیکدان جان ویلر هم در سال ۱۹۶۰ خاطرنشان کرد، اگر بخواهیم تا کوچکترین مقیاس ممکن پیش برویم و کوچک بشویم (که به آن مقیاس پلانک گفته می‌شود و تقریباً معادل است با یک‌میلیاردمِ یک‌میلیاردمِ یک‌میلیاردمِ یک‌میلیاردمِ متر)، فضا-زمان دیگر صاف و هموار به‌نظر نخواهد رسید. در عوض، باید دچار آشفتگی، جوش‌وخروش و بی‌نظمی باشد – یک آش شله‌قلمکار از ذراتی که دائماً در فضا-زمان سوراخ ایجاد می‌کنند و پیش از آنکه کسی در جهان ماکروسکوپی متوجه شود، دوباره آنها را به‌هم وصله می‌زنند.
اما هر دوی این دیدگاه‌ها نسبت به فضا-زمان، می‌توانند به‌طور همزمان درست باشند. ولی بنابر نسبیت عام، فضا-زمان صاف و هموار است و مطابق با مکانیک کوانتومی، فضا-زمان تکه‌تکه است. فیزیکدانان فکر می‌کنند که پاسخ نهایی در ترکیبی از این دو دیدگاه نهفته باشد که به آن «گرانش کوانتومی» گفته می‌شود و البته ما اکنون نمی‌دانیم که این پاسخ نهایی چیست. بنابراین اگر می‌توانستیم فضا-زمان را باز کنیم و به کوچکترین بخش‌های آن نگاهی بیندازیم، شاید می‌توانستیم سرنخ‌هایی راجع به آنچه در واقع اتفاق می‌افتد، بدست بیاوریم.
اگر واقعاً فضا-زمان ناصاف باشد، پس باید بر هر چیزی که از آن عبور می‌کند، تأثیر بگذارد. مثلاً پرتویی از نور که امتداد خود پیش می‌رود، با انواع حفره‌ها روبرو خواهد شد – یعنی یک مسیر شوسهٔ پلانکی و نه یک بزرگراه صاف و هموار.
گاهی اوقات همان حفره‌های کوچک باعث تقویت و بهبود نور می‌شوند و سطح انرژی آن را بالا می‌برند، و گاهی اوقات هم نور با یک دست‌انداز روبرو می‌شود و سرعتش کاهش پیدا می‌کند. تأثیر خالص همهٔ اینها این است که نور در هنگام حرکت در فضا-زمان ناصاف و پر از حفره، به‌آرامی انرژی خود را به اطراف پخش می‌کند.
این اثر، به‌طرز غیرقابل‌باوری کوچک است؛ تا جایی که حتی امیدوار نیستیم که بتوانیم آنرا در آزمایشگاه اندازه بگیریم. اما خوشبختانه طبیعت می‌تواند برای ما یک آزمایشگاه فراهم کند. اگر بتوانیم یک پرتو خوب و منسجم از نور را در فضا پیدا کنیم (به عبارت دیگر، یک پرتو لیزر طبیعی) و آن پرتو نور پس از میلیاردها سال سفر به تلسکوپهای ما برسد، می‌توانیم میزان انتشار انرژی را اندازه‌گیری کنیم و از آن برای سنجش ناهمواری و حباب‌گونگی یا شکل کفی فضا-زمان بهره بگیریم.
به گزارش ایتنا به نقل از Space، این دقیقاً همان کاری است که گروهی از اخترشناسان انجام داده و نتایج خود را منتشر کردند. آنها به‌شکلی کاملاً تصادفی، با استفاده از اسپرسو به‌جست‌وجوی کف و حبابی‌بودن فضا-زمان پرداختند. البته منظور از اسپرسو، آن نوشیدنی معروف نیست؛ بلکه کوته‌نوشت «طیف‌نگار اشل برای مشاهدات سیارات فراخورشیدی سنگی و طیف‌سنجی پایدار» (Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations) است که به‌عنوان ابزاری مستقر در تلسکوپ بسیار بزرگ رصدخانهٔ جنوب اروپا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ابزار اسپرسو برای جستجوی میزان کف و حباب موجود در فضا-زمان طراحی نشده؛ اما بعداً معلوم شد که این اتفاقاً بهترین ابزار برای انجام این کار است. اخترشناسان نیز آن را به‌سوی منبع بی‌نقصی نشانه گرفتند: ابری گازآلود معمولی که ۱۸ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد. دو واقعیت این ابر گازی را برای ما مفید می‌کنند: یکی اینکه منبعی روشن و درخشان در پشت آن نشسته و دومی اینکه در این ابر، آهن وجود دارد که نور پس‌زمینه در یک طول‌موج بسیار مشخص را جذب می‌کند.
بنابراین از دیدگاه ما روی زمین، اگر فضا-زمان کاملاً صاف و هموار باشد، آن شکاف در نور پس‌زمینه ناشی از ابر گازآلود باید به اندازه‌ای باریک باشد که گویی ابر درست در کنار ما قرار گرفته است. اما اگر فضا-زمان حباب‌گونه و ناصاف باشد، آنگاه نوری که میلیاردها سال نوری سفر کرده، پخش می‌شود و عرض شکاف را تغییر می‌دهد.
هرچند اخترشناسان هیچ سرنخی از حباب‌گونگی پیدا نکردند، ولی این بدان معنی نیست که چنین چیزی وجود ندارد؛ بلکه به‌این معنی است که اگر فضا-زمان کف‌مانند و حباب‌گون باشد، برای دیدن چنین پرتو نوری با فناوری کنونی‌مان، باید از فاصله‌ای بیش از ۱۸ میلیارد سال نوری سفر خود را آغاز کرده باشد. البته نتایج بدست‌آمده توانستند برخی از مدلهای گرانش کوانتومی را رد کنند و آنها به ضرب‌المثل‌هایی در تاریخ فیزیک تبدیل کنند.
اما آیا آزمایش‌های آتی خواهند توانست نشانه‌ای از حباب‌گونگی پیدا کنند؟ اگر پاسخ مثبت باشد، این اولین روزنهٔ ما روبه‌سوی جهان گرانش کوانتومی خواهد بود؛ یعنی چیزی که فیزیکدانان از دههٔ ۱۹۵۰ میلادی در پی آن بوده‌اند. شاید هم یک ابر گازآلود تصادفی بتواند تمام این حقایق را برای ما آشکار کند.
کد مطلب: 60796
