• خانه
  • |
  • علمخانه
  • |
  • آیا هرگز خواهیم توانست مکانیک کوانتومی را با نسبیت عام متحد کنیم؟

آیا هرگز خواهیم توانست مکانیک کوانتومی را با نسبیت عام متحد کنیم؟

5/5 - (1 امتیاز)
شکل ۱. یک مجسمه از مکس پلانک (Max Planck) که در حال گردگیری است. پلانک به عنوان یکی از بنیانگذاران نظریه کوانتوم شناخته می‌شود. منبع: Michael Gottschalk/AFP/Getty Images

بیشتر اوقات، سوالاتی که در طول روز پیش می‌آیند، سوالاتی هستند که ما می‌توانیم با اطمینان به آن‌ها پاسخ دهیم. آیا ناهار خوردی؟ آیا آهنگ جدید تیلور سوئیفت را شنیدی؟

اما زمانی که به سوالات بزرگ‌تر فکر می‌کنیم — سوالی که امروز به آن می‌پردازیم این است که آیا مکانیک کوانتومی (Quantum Mechanics) و نسبیت عام (General Relativity) می‌توانند هرگز با هم سازگار شوند — اعتماد به نفس ما به‌شدت کاهش می‌یابد. آیا مکانیک کوانتومی به سیارات مربوط می‌شود؟ آیا نسبیت عام همان چیزی است که انرژی برابر است با جرم ضربدر سرعت نور به توان دو؟ صبر کن، جرم بود یا حرکت؟ یا دقیقه‌. هان! دقیقه‌ بود، درست است؟

نگران نباشید. اگرچه این سوال به شدت دشوار است، اما خود سؤال به سادگی رمزگشایی از یک شعر پاپ است. قبل از اینکه شروع به حل کردن جهان غیرقابل حل کنیم، بیایید اجزای آن را بررسی کنیم.

اول بیایید به مکانیک کوانتومی بپردازیم. و این یک نقطه شروع خوب است، زیرا این علم به چیزی بسیار کوچک مربوط می‌شود: ماده و تابش در سطوح اتمی و زیر اتمی. زمانی که دانشمندان شروع به درک اتم‌ها کردند، فیزیک کلاسیک کمی نیاز به تغییر داشت. زیرا وقتی دانشمندان به اتم‌ها نگاه می‌کردند، متوجه شدند که آن‌ها مانند بقیه جهان رفتار نمی‌کنند. به عنوان مثال، الکترون‌ها مانند سیاراتی که به دور خورشید می‌چرخند، به دور هسته نمی‌چرخند؛ اگر اینطور بود، آن‌ها باید به سمت هسته می‌رفتند (منبع: Stedl).

کاملاً واضح شد که فیزیک کلاسیک در مقیاس اتمی کارایی ندارد. بنابراین مکانیک کوانتومی به عنوان یک ضرورت برای درک اینکه پدیده‌های بسیار کوچک چگونه با “چیزهای بزرگ” در علم، متفاوت عمل می‌کنند، به وجود آمد. آنچه که کشف کردیم این است که چیزی مانند فوتون می‌تواند هم به عنوان یک ذره (که جرم و انرژی را حمل می‌کند) و هم به عنوان یک موج (که فقط انرژی را حمل می‌کند) عمل کند. این موضوع بسیار مهم است؛ زیرا می‌تواند همزمان دو چیز باشد و این به این معنی است که کوچک‌ترین اجزای جهان به شدت نوسان می‌کنند و هیچ راهی برای دانستن موقعیت خاص آن‌ها در هر زمان وجود ندارد.

همه چیز نسبیت است

حالا ما درک می‌کنیم که مکانیک کوانتومی اساساً نحوه تفکر ما درباره جهان را در مقیاس‌های کوچک‌تر به شدت تغییر داده است. به عنوان مثال، ذرات می‌توانند مانند امواج عمل کنند. فقط برای اضافه کردن به این سرگرمی فکری، اصل عدم قطعیت در مکانیک کوانتومی به ما می‌گوید که نمی‌توانیم همزمان مکان یک ذره و سرعت آن را به‌طور دقیق تعیین کنیم.

اینشتین (Einstein) با این موضوع کنار نیامد. ایده اینکه نمی‌توانیم واقعاً بفهمیم یک ذره کجاست یا چه کار می‌کند، باید برای یک فیزیک‌دانی که به تعریف «شیوه کار کردن جهان» متعهد بود (یعنی اینشتین-م)، به شدت پریشان‌کننده بوده باشد؛ که البته اینشتین این کار یعنی تعریفی نو برای شیوه کارکردن جهان را با نظریه نسبیت عام انجام داد.

حالا نترسید. نسبیت عام دو ایده بزرگ دارد: یکی درباره فضا و زمان و دیگری درباره جاذبه. همان‌طور که شما و من می‌بینیم، فضا و زمان در پس‌زمینه قرار دارند: آن‌ها ثابت هستند. آن‌ها به‌طور هم‌زمان (و به نوعی یکپارچه) وجود دارند. در نسبیت عام، فضا و زمان یک بعد یکپارچه هستند (که برای راحتی به آن «فضا-زمان» می‌گویند). اما نکته اینجاست: فضا-زمان ممکن است بزرگ و یکپارچه باشد، اما در پس‌زمینه قرار ندارد. نظریه نسبیت عام می‌گوید که فضا-زمان می‌تواند توسط ماده تحت تأثیر قرار گیرد. این بدان معناست که شما — به عنوان ماده، که وجود دارد — در حال تغییر فضا و زمان هستید.

خب، منظورمان دقیقاً این نبود. در واقع، این چیزهای بسیار بزرگ هستند که باعث می‌شوند فضا-زمان منحرف شود. به عنوان مثال، خورشید، فضا-زمان را به سمت خود منحرف می‌کند. و این چه معنایی دارد؟ آهان، درست است: سیارات کوچک‌تر در مداری به دور آن قرار خواهند داشت.

این مفاهیم ما را به مفهوم جاذبه می‌رساند. در واقع، نسبیت عام فقط یک تشکر از نیوتن (Newton) نبود که بگوید: «بله، آقا، جاذبه وجود دارد!» در عوض، اینشتین به ما دلیلی برای وجود جاذبه داد و آن اینکه انحراف فضا-زمان باعث وجود جاذبه می‌شود و باعث می‌شود جهان به‌گونه‌ای عمل کند که هست.

پس مشکل کجاست؟ اینشتین به ما یک روش شگفت‌انگیز برای کار کردن جهان نشان داد، و مکانیک کوانتومی یک روش جالب برای کار کردن ذرات در سطح اتمی و زیراتمی را نشان می‌دهد. متأسفانه، هیچ‌کدام دیگری را توضیح نمی‌دهد که به این معناست که باید نظریه‌ای بزرگ‌تر وجود داشته باشد که آن‌ها را در بر بگیرد … یا شاید هم نه؟

آیا ما دنیا را بر روی یک رشته داریم؟
شکل ۲. یک سیاه‌چاله می‌تواند یکی از بهترین گزینه‌ها برای درک رابطه بین مکانیک کوانتومی و نسبیت باشد. در این تصویر، یک سیاه‌چاله بزرگ در حال جذب گاز از یک ستاره همراه است. منبع: Image courtesy NASA E/PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet

بدون درک این‌که چگونه در حال حاضر مکانیک کوانتومی و نظریه عمومی نسبیت با هم سازگار نیستند، ما نمی‌توانیم درک کنیم که چگونه می‌توانند با هم آشتی کنند. زیرا مشخص شده است که هیچ‌کدام از این دو اگر دیگری درست باشد، واقعاً کار نمی‌کند!

اینشتین گفت که فضا-زمان یک ثابت صاف است و تنها چیزهای بزرگ می‌توانند آن را تغییر دهند. مکانیک کوانتومی گفت که کوچک‌ترین بخش‌های جهان به‌طور مداوم و به‌طرز چشمگیری در حال نوسان و تغییر هستند.

اگر مکانیک کوانتومی درست باشد و همه‌چیز به‌طور مداوم در حال حرکت نامعلوم باشد، آنگاه گرانش به‌گونه‌ای که اینشتین پیش‌بینی کرده بود، نباید عمل کند. فضا-زمان نیز باید به‌طور مداوم با همه‌چیز اطرافش در تضاد باشد و متناسب با این تضاد عمل کند. علاوه بر این، مکانیک کوانتومی می‌گوید که شما نمی‌توانید، با هیچ قطعیتی، یک نظم معین اعلام کنید. در عوض، شما باید به پیش‌بینی احتمالات بسنده کنید.

از سوی دیگر، اگر نظریه نسبیت عمومی درست باشد، آنگاه ماده نمی‌تواند به این شدت نوسان کند. در یک نقطه، شما باید بتوانید بدانید که همه ماده کجا است و دقیقاً به کجا می‌رود. که، دوباره، این نیز با مکانیک کوانتومی در تضاد است.

اما مطمئن باشید که دانشمندان، فیزیک‌دانان و کارشناسان حرفه‌ای به‌طور جدی در تلاش هستند تا راهی برای آشتی دادن این دو پیدا کنند. یکی از نظریه‌های پیشرو نظریه ریسمان است (string theory) که می‌گوید به جای اینکه یک ذره به‌عنوان یک نقطه عمل کند، به‌عنوان یک ریسمان عمل می‌کند. این بدان معناست که می‌تواند موج باشد، حرکت کند و حلقه بزند و به‌طور کلی کارهای مختلفی انجام دهد که یک نقطه نمی‌تواند. ذره همچنین می‌تواند گرانش را در سطح کوانتومی منتقل کند و پخش ذرات روی یک ریسمان به‌طور نظری منجر به پرش‌های کمتر شده و نظم بیش‌تری ایجاد می‌کند که این نظریه را به توافق با نظریه نسبیت عمومی نزدیک می‌کند. اما به خاطر داشته باشید که نظریه ریسمان هرگز با هیچ آزمایشی تأیید نشده است و بحث زیادی در مورد اینکه آیا می‌توان آن را اثبات کرد یا نه وجود دارد.

اگر چنین آزمایش تاریخ‌سازی رخ دهد، احتمالاً در یک شتاب‌دهنده ذرات خواهد بود. جایی که ممکن است ما ابرشریک‌ها یا سوپرهم‌ترازی‌ها (Superpartners) را پیدا کنیم. سوپرهم‌ترازی‌ها بخشی از نظریه ریسمان هستند که می‌گوید هر ذره یک ذره فوق‌العاده قرینه شریک خود دارد که ناپایدار است و به‌طور متفاوتی می‌چرخد یا به عبارتی اسپین متفاوتی دارد (برای مثال، الکترون و سِلکترو یا گراویتون و گراویتی‌نو). خوشبختانه، در سال ۲۰۱۰ ما شواهدی از اولین بوزون هیگز را زمانی که ذرات را در شتاب‌دهنده هادرون بزرگ به هم می‌کوبیدیم، پیدا کردیم، بنابراین ممکن است در راه اثبات تجربی نظریه ریسمان باشیم.

چرخش یا اسپین (Spin) همچنین ممکن است به ما کمک کند تا پدیده درهم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement) یعنی جایی که الکترون‌های در چرخش یکدیگر گیر می‌کنند، تجربه کنیم. مشاهده این پدیده در فضاهای کوچک آسان است، اما دانشمندان در تلاش هستند تا فوتون‌ها را به فضا بفرستند و دوباره برگردانند تا بررسی کنند که چگونه در فواصل بزرگ‌تر و انحنای فضا و زمان کار می‌کند.

اما ما ممکن است به سیاه‌چاله‌ها نیز نگاه کنیم تا نظریه‌ی همه‌چیز (heory of Everything) یا (TOE!) را پیدا کنیم. در یک سیاه‌چاله، شما یک چیز بسیار سنگین (یک ستاره که نظریه نسبیت عمومی به آن اعمال می‌شود) و یک چیز بسیار کوچک (نقطه ریز که مکانیک کوانتومی آن را توضیح می‌دهد) دارید. بنابراین اگر بتوانیم تعیین کنیم که وقتی که بزرگ به کوچک می‌رسد چه اتفاقی می‌افتد یا چه تغییراتی رخ می‌دهد، ممکن است بتوانیم مکانیک کوانتومی و نظریه عمومی نسبیت را آشتی دهیم.

اطلاعات بیشتر 

یادداشت نویسنده: آیا ما هرگز قادر خواهیم بود مکانیک کوانتومی را با نسبیت عام یکی کنیم؟ 

گاهی اوقات، آرزو می‌کنم که عنوان یک مقاله فقط یک یادآوری باشد: “از این موضوع نترسید.” واقعاً جای تأسف است که این ایده‌های بزرگ – نظریه‌های انیشتین، مکانیک کوانتومی – شهرتی دارند که فراتر از درک عمومی هستند. درست است که ریاضیات پشت آن برای اکثر ما دشوار است، اما شخص می‌تواند بدون ریاضیات نیز این ایده‌ها را تا حدی درک کرد. در فیزیک هیچ اژدهایی وجود ندارد؛ از کاوش در آنچه نمی‌دانید نترسید.

نویسنده: Kate Kershner

مترجم: فؤاد پورفائز

منبع:‌ howstuffworks.com

این مطلب را به اشتراک بگذارید:

اشتراک در
اطلاع از
guest
0 نظرات
قدیمی‌ترین
تازه‌ترین بیشترین رأی
بازخورد (Feedback) های اینلاین
مشاهده همه دیدگاه ها