نظریه جدید کوانتوم چگونه فضا زمان میسازد؟

تا قبل از نظریه ی نسبیت عام، شاید هیچ کس تصور نمیکرد فضا و زمان به هم مربوط باشند. اما حالا فضا و زمان به مفاهیم درهم تنیده ای تبدیل شده اند. با دیپ لوک همراه باشید…سال هاست که یکی از چالش های بزرگ علم، متحد کردن دو نظریه ی انقلابی قرن بیستم، یعنی نسبیت عام و مکانیک کوانتوم است. اکنون فیزیکدانان با همکاری ریاضیدانان گام مهمی در رسیدن به این اتحاد برداشتند. این پژوهش جدید که توسط Hirosi Ooguri از دانشگاه Kavli IPMU توکیو و Matilde Marcolli، ریاضیدانی از دانشگاه کلتک انجام شد، در ژورنال Physical Review Letters و به عنوان مقاله ی پیشنهاد سردبیر چاپ شد.

نظریه ی جدیدی که توضیح میدهد کوانتوم چگونه فضا-زمان را می سازد

فیزیکدانان و ریاضیدانان مدت زیادی است که به دنبال نظریه ی همه چیز (ToE) هستند. نظریه ای که نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را با هم متحد می کند. نسبیت عام، گرانش و اتفاقات بزرگترین اجرام کائنات، مانند دینامیک ستارگان و کهکشان را توضیح می دهد، در حالیکه مکانیک کوانتوم به قلب ریزترین ذرات هستی سرک میکشد.

اصل هولوگرافیک، یکی از ویژگی های ضروری نظریه ی موفق همه چیز است. اما اصل هولوگرافیک چیست؟ این اصل می گوید جهان در واقع دوبعد دارد! و گرانش سه بعدی را می توان از طریق کوانتوم روی یک سطح دوبعدی توصیف کرد. یعنی یک حجم سه بعدی باید از سطحی دوبعدی به وجود آید. چگونگی چنین فرآیندی هنوز روشن نیست. اما حالا Ooguri و همکارانش دریافته اند که درهم تنیدگی کوانتومی، کلید حل این معماست! احتمالاً باز هم برایتان این سوال پیش آمده که درهم تنیدگی کوانتومی (Quantum entanglement) چیست؟ در واقع این پدیده ی عجیب کوانتومی زمانی اتفاق می افتد که گروهی از ذارت طوری رفتار کنند که ما نتوانیم حالت هر ذره را به تنهایی و مستقل از ذرات دیگر اندازه بگیریم و بناربراین مجبور شویم حالت کوانتومی را برای کل سیستم در نظر بگیریم. درواقع به نظر می رسد ذرات و حالت هایشان در هم تنیده شده اند!

با استفاده از نظریه ی کوانتومی (که گرانش را شامل نمی شود)، آنها چگونگی محاسبه ی دانسیته ی انرژی را با استفاده از داده های درهم تنیده ی کوانتومی در یک سطح نشان دادند. این دانسیته ی انرژی، منبع برهمکنش های گرانشی در سه بعد است. این کار شبیه به تشخیص بیماری درون بدن از طریق دیدن تصویر اشعه ی ایکس روی صفحه ی کاغذ است! این یافته به آنها اجازه می دهد تا ویژگی های کلی درهم تنیدگی را بهخوبی تفسیر کنند. اگرچه اهمیت درهم تنیدگی کوانتومی از قبل هم شناخته شده، اما نقش دقت آن در ایجاد فضا-زمان، توسط Ooguri و همکارانش تشریح شد.

همانطور که در بالا هم توضیح دادم، درهم تنیدگی کوانتومی پدیده ای است که به موجب آن، حالات کوانتومی مانند اسپین یا قطبش ذرات را نمی توان به صورت مستقل از هم توصیف کرد و اندازه گیری یک ذره، روی ذره ی دیگر هم تاثیر میگذارد. این پدیده ی جالب را اینشتین، به حرکتی شبه مانند توصیف کرد. کار Ooguri و همکارانش نشان می دهد که این درهم تنیدگی کوانتومی؛ ابعاد اضافه ای از نظریه ی گرانشی را تولید می کند. قبلاً معلوم شده بود که درهم تنیدگی به مسائل عمیق متحدسازی نسبیت عام و مکانیک کوانتوم مانند پارادوکس اطلاعات سیاه چاله و پارادوکس دیوارآتشین مربوط است، اما این مقاله درهای تازه ای از ارتباط درهم تنیدگی کوانتومی و ساختار میکروسکوپی فضا-زمان باز کرد.