فضا-زمان: توهم یا واقعیت؛ نگاهی جامع به مفاهیم و نظریه‌ها

مردم همیشه فضا را چیزی از پیش تعیین‌شده تصور می‌کنند؛ فضا همان جای خالی است. زمان هم مثل فضا بی‌وقفه پیش می‌رود. فضا و زمان سیستمی با پیچیدگی حیرت‌آور را می‌سازند که شاید مشتاقانه‌ترین تلاش‌های ما هم از درک آن عاجز باشد. آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ نظریه‌ی نسبیت عام خود را فرموله کرده بود که نشان‌ می‌داد، گرانش نیرویی نیست که در فضا منتشر می‌شود، بلکه خود، یکی از ویژگی‌های فضا-زمان است. وقتی شما توپی را به هوا پرتاپ می‌کنید، کمانه می‌کند و برمی‌گردد؛ چون زمین، فضا-زمان اطراف آن را منحرف می‌کند و مسیرهای توپ و زمین دوباره با هم متقاطع می‌شوند.

اینشتین در نامه‌ای به یکی از دوستانش، از چالش‌های ادغام نسبیت عام و دیگر زاییده‌ی افکارش، نظریه‌ی نوپای مکانیک کوانتوم، می‌نویسد. این کار به‌سادگی پیاده کردن قطعات فضا نیست. از جنبه‌ی ریاضی، او به سختی می‌دانست که باید از کجا شروع کند؛ اینشتین هیچ وقت فراتر از این پیش نرفت. حتی همین امروز به اندازه‌ی تعداد دانشمندانی که روی موضوع کار می‌کنند، ایده‌ی متضاد درباره‌ی یک نظریه‌ی کوانتومی گرانش وجود دارد. این اختلافات شاید حقیقتی را از دید ما پنهان سازد؛ همه‌ی این روش‌ها، می‌گویند که فضا، از چیزی عمیق‌تر مشتق شده است. نظریه‌ای که رابطه‌ی ما را با ۲۵۰۰ سال فهم فلسفی و علمی، قطع می‌کند.

او و سایر نظریه‌پردازان، سیاهچاله‌ها را به‌عنوان نقطه‌ی اتکا مطالعه می‌کنند. چه اتفاقی می‌افتد وقتی شما معادلاتی می‌سازید که تحت شرایط آزمایشگاهی عالی عمل می‌کنند و آن‌ها را برای شدیدترین شرایط ممکن برون‌یابی می‌کنید؟ آیا عیب و نقص‌های ظریف خود را نشان خواهند داد؟ نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند که ماده با سقوط در سیاهچاله با نزدیک شدن به مرکز آن، بدون محدودیت فشرده می‌شود؛ یک چرخه‌ی ریاضی به نام تکینگی (singularity). نظریه‌پردازان نمی‌توانند مسیر یک شی را فراتر از تکینگی برون‌یابی کنند درواقع خط زمانی آن شی آنجا تمام می‌شود. حتی صحبت کردن از «آنجا» هم مشکل‌ساز است؛ چون همان فضا-زمانی‌که مکان تکینگی را تعیین می‌کند، دیگر وجود ندارد. پژوهشگران امیدوارند نظریه‌ی کوانتوم بتواند موشکافانه روی آن نقطه تمرکز کند و اتفاقی را که بر سر ماده می‌آید، کشف کند. 

بیرون، در مرزهای سیاه‌چاله، ماده آنقدرها فشرده نیست، گرانش ضعیف‌تر است و اساسا قوانین شناخته‌شده‌ی فیزیک باید هنوز حاکم باشند. این جا است که قضیه پیچیده‌تر می‌شود؛ چون اینطور نیست. هر سیاهچاله‌ای یک افق رویداد دارد؛ نقطه‌ای که از آن بازگشتی نیست. همچنین ماده‌ای که نزدیک‌تر از آن شود، نمی‌تواند برگردد؛ این نزول برگشت‌ناپذیر است. مشکل همینجا است چون همه‌ی قوانین اساسی شناخته‌شده‌ی فیزیک، که شامل مکانیک کوانتوم هم می‌شود، برگشت‌پذیرند. حداقل روی کاغذ، باید قادر باشیم که حرکت همه‌ی ذرات را برعکس کنیم و چیزی را که داشته‌ایم، بازیابیم. مسئله‌ی مشابهی در اوایل قرن نوزدهم نیز فکر فیزیکدانان را به خود مشغول کرده بود.

فیزیکدانان نظری تقریبا نیم قرن کار کردند تا به چنین معادله‌ی تعادلی برای سیاهچاله‌ها دست یابند. استیون هاوکینگ از دانشگاه کمبریج گام مهمی را در اواسط دهه‌ی ۱۹۷۰ برداشت. او نظریه‌ی کوانتوم را به میدان پرتوتابی اطراف سیاهچاله اعمال کرد و نشان داد که آن‌ها دمایی غیر از صفر دارند. در نتیجه، آن‌ها نمی‌توانند فقط جذب کنند، بلکه از خود انرژی هم ساطع می‌کنند. با اینکه کارهای او سیاهچاله را تحت سلطه‌ی قوانین ترمودینامیک درآورد ولی باعث نشد چیزی از مشکل برگشت‌ناپذیری حل شود. پرتوی که از سیاهچاله می‌آید، تنها از ناحیه‌ی بیرونی حفره آمده است و هیچ اطلاعاتی درباره‌ی داخل آن به ما نمی‌دهد.

اگر شما فرایند را عکس کنید و انرژی را دوباره برگردانید، شیئی که داخل سیاهچاله افتاده است، بیرون نخواهد پرید؛ تنها چیزی که نصیبتان خواهد شد، گرمای بیشتر است. همچنین نمی‌توانید تصور کنید که شی اصلی هنوز آنجا است و فقط داخل سیاهچاله به دام افتاده است؛ چون با ساطع شدن انرژی از آن، سیاهچاله آب می‌رود و براساس بررسی‌های هاوکینگ درنهایت ناپدید خواهد شد. این مشکل پارادوکس اطلاعات سیاهچاله نام دارد؛ چون سیاهچاله اطلاعات اشیائی را که درون آن سقوط کرده‌اند نابود می‌کند و برعکس کردن حرکت آن‌ها ناممکن می‌شود. اگر فیزیک سیاهچاله‌ها واقعا برگشت‌پذیر باشد، چیزی باید اطلاعات را بیرون بکشد و مفهومی که ما از فضا-زمان می‌شناسیم، برای ممکن کردن آن نیاز به تغییر دارد.

جهت بررسی هندسه‌ی فضا‌-زمان در خارج از یک سیاهچاله، باید یک نمودار فضا-‌زمان وابسته به وضع هندسی موجود در سیاهچاله را مورد مطالعه قرار دهیم. در ساده‌ترین حالت، می‌توان نقشه‌ی فضا‌-‌زمانی مناسب را با حل‌ کردن معادلات نسبیت عام اینشتین برای یافتن وضع هندسی فضا‌-‌زمان در یک ناحیه‌ی تهی از فضا که یک جرم کروی غیرچرخان را در برگیرد، به دست آورد. نکته‌ی اساسی این‌جا این است که فضا‌-زمان حالت سکون ندارد، بلکه دارای حالت دینامیکی است. همچنین خواهیم دید که فضا‌-زمان کارهایی عجیب‌تر از آن‌چه تاکنون توصیف شده است، می‌کند. نمودار فضا-زمان دارای مختصاتی شامل فضا و زمان است و به‌گونه‌ای که ما آن را تجربه می‌کنیم، نیست.

محور افقی، خصوصیات فضاگونه و محور قائم خصوصیات زمان‌گونه دارد، ولی آن‌ها دقیقا مشابه فضا و زمان اندازه‌گیری‌شده نیستند. گذشته در پایین نمودار است و آینده، در بالای آن. نور مسیری ویژه را در این نمودار دنبال می‌کند و با زاویه‌ی ۴۵ درجه نسبت به محور‌ها حرکت می‌کند. هر جسمی که با سرعتی کمتر از نور حرکت کند، دارای مسیری مابین محور زمان‌گونه و مسیر نور و مسیری میان خط نوری و محور فضا‌گونه است. نمایشگر جسمی است که سریع‌تر از نور حرکت می‌‌کند که معمولا امکان‌پذیر نیست. یک انسان معمولی در فاصله‌ای حدود ۳۰ هزار کیلومتر از یک سیاهچاله به جرم ۱۰ برابر جرم خورشید، تکه‌تکه خواهد شد. فرض کنید که شما از شعاع شوارتسشیلد هم عبور کردید، هیچ اتفاق عجیبی رخ نمی‌دهد و هیچ علامتی لبه‌ی سیاهچاله را مشخص نمی‌سازد.

با نزدیک‌تر شدن شما به سیاهچاله، از نظر یک ناظر خارجی، سقوط شما کندتر و کندتر صورت می‌گیرد. همچنین از نظر این ناظر، زمان درنهایت آنقدر کند می‌شود که به نظر می‌رسد متوقف شده است. نور لیزر فرستاده‌شده آن قدر به قرمزی می‌گراید که دیگر قابل آشکارسازی نیست. سیاهچاله تمرین سانسور کیهانی را به خوبی انجام می‌دهد و مانع از آن می‌شود که یک ناظر خارجی سقوط شما به درونش را ببیند. توجه داشته باشید که هر جرمی می‌تواند یک سیاهچاله شود به شرط آن‌که از شعاع شوارتسشیلد خود گذشته باشد. این سیاهچاله رفتار اتساع زمانی نسبیتی و قرمزگرایی خواهد داشت. سیاهچاله‌هایی به جرم چند برابر خورشید، به‌طور طبیعی به شکل ستارگان مرده در می‌آیند و دارای نیروهای کشندی بزرگی می‌باشند.

اینشتین در رسیدن به نظریه‌ی نسبیت عام، راه‌های مختلفی را امتحان کرد. از سال ۱۹۰۷ تا ۱۹۱۴، او درگیر حل مسئله‌ای بود که آبراهام پایس (Abraham Pais) آن را یکی از سخت‌ترین پرسش‌‌های قرن خوانده بود. اینشتین به‌دنبال توضیح گرانش به نحوی بود که قوانین فیزیک برای همه‌ی ناظران به یک شکل باشد. اینشتین برای حل این مسئله باید نوعی جدید از ریاضی را به کار می‌گرفت و پارادایم‌هایی مثل اینکه هندسه‌ی اقلیدسی می‌تواند توضیح‌دهنده‌ی واقعیت جهان باشد را دور می‌ریخت. او باید از پس عواملی که تمرکز او را از بین می‌برد، بر می‌آمد. عواملی مثل مشکلات زندگی شخصی او و البته نظریه‌ی جدید کوانتوم که ذهنش را آزار می‌داد.

این آزمایش، در سال ۱۹۱۹ انجام و نسبیت عام تأیید شد. بدین ترتیب رصدگران می‌دانستند در خط دید آن‌ها، ستاره‌ای پشت خورشید و نزدیک به لبه‌ی آن قرار گرفته است؛ اگر خورشید می‌تواند نور آن ستاره را خم کند، باید بتوان ستاره‌ای که پشت خورشید قرار گرفته است را به هنگام کسوف مشاهده کرد. در آن زمان با رصد موفق ستاره‌ای که پشت خورشید قرار داشت و بر اثر گرانش نورش خمیده شده و به چشم رصدگران رسیده بود، شهرت اینشتین جهانی شد.

بدین ترتیب اینشتین به یک اسطوره تبدیل و نام او برای همیشه با نبوغ همراه شد. یکی از نخستین پیش‌بینی‌های نسبیت عام که مورد آزمون قرار گرفت، خم شدن نور بود. از آنجا که جرم‌های سنگین مثل ستاره‌ها، فضا-زمان پیرامون خود را خم می‌کنند، نوری که از آن حوالی رد می‌شود باید از خط راست منحرف گردد. اگر از زمین نگاه کنیم، وقتی نور یک ستاره‌ی دوردست از کنار خورشید رد می‌شود، باید از خط راست منحرف شود؛ بدین ترتیب جای ستاره را باید متفاوت از مکان قرارگیری واقعی آن ببینیم. در سال ۱۹۱۹، ستاره‌شناسان طی یک خورشیدگرفتگی، توانستند تصویر ستار‌هایی را کنار خورشید ثبت کنند.

وقتی مکان این ستاره‌ها را به هنگام خورشیدگرفتگی با مکان قرار‌گیری آن‌ها در شب مقایسه کردند، متوجه شدند که تفاوتی در حد پیش‌بینی نظریه‌ی اینشتین دارد. البته محاسباتی که براساس گرانش نیوتون صورت گرفته بود نیز خم شدن نور را پیش‌بینی می‌کرد. ولی نسبیت عام خمیدگی تا دو برابر آن را پیش‌بینی می‌کند. فضا و زمان بر طبق نظریه‌ی نسبیت اینشتین به یکدیگر بافته شده‌اند و ساختار چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده‌اند. جرم قابل‌توجه زمین، این ساختار را به شکل یک گودی در می‌آورد؛ مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد.

یعنی وقتی زمین در مداری به دور خورشید در گردش است از دید نسبیتی به‌دلیل انحنای فضا-زمان اطراف خورشید در این مسیر هدایت می‌شود. نظریه‌ی اینشتین، پیش‌گویی می‌کند که موارد دیگری به‌جز ماه و سیاره‌ها نیز، تحت تاثیر خمیدگی فضا-زمان قرار می‌گیرند. مثلا فوتون‌ها، باید در فضای خمیده حرکت کنند. اگر باریکه‌ی نوری که از ستاره‌ای دور سیر می‌کند، مسیر آن از نزدیکی خورشید بگذرد، خمیدگی فضا-زمان در نزدیکی خورشید موجب می‌شود که این مسیر اندکی به طرف خورشید خمیده شود. اینشتین توضیح جالبی برای گرانش آورده است. او فضا و زمان را به‌صورت خطوط عمود بر هم در نظر گرفته و اسم‌شان را «خطوط فضا-زمان» گذاشته است و اجسام هر یک به اعتبار جرم‌شان انحنایی در فضا-زمان ایجاد می‌کنند.

برای تصور این توضیحات می‌توانید چهار گوشه‌ی یک تکه پارچه را به‌عنوان فضا-زمان درنظر بگیرید. بعد یک جسم با جرم قابل ملاحظه‌ای روی پارچه قرار دهید، خمیدگی قسمتی از پارچه که جسم روی آن قرار گرفته، همان خمیدگی فضا-زمان است. کاملا واضح است که وقتی یک جسم کوچک‌تری روی پارچه قرار دهیم، به سمت جسم قبلی که سنگین‌تر است می‌رود. این درواقع دلیل کشش یک جسم به سمت جسم سنگین‌تر است، مثلا کشش زمین به سمت خورشید. شاید بگویید بنا به این تعریف هر یک از ما هم برای خودمان جرمی داریم پس باید چیزهای دیگر را به سمت خود جذب کنیم؛ که این کاملا صحیح است.

معادله‌ی میدان اینشتین ساختار ریاضیاتی‌ای است که ما را از جرم به گسست در فضا-زمان رهنمون می‌سازد. در سمت راست این معادله حرف T حاوی اطلاعاتی است که ممکن است در مورد توزیع ماده و انرژی درون جزئی خاص از فضا-زمان مثل یک سیاره، ستاره یا یک کهکشان وارد نمائیم. حرف T همچنین به‌عنوان تانسور نیروی فشار نیز شناخته می‌شود. حرف G در سمت چپ معرف جزییات حاصل از نحوه‌ی پاسخگویی فضا-زمان به این ماده و چگونگی گسست و خمیدگی در آن است. تانسور نیروی فشار سرنخی در مورد نحوه‌ی کارکرد این معادله است. جرم، نیرو و رفتارشان (چرخشی، محرکه، ایستا) بر فضا-زمان فشار ایجاد می‌کنند که واکنشی مطابق خصوصیات درونی آن به همراه دارد.  دسته‌ای از ثابت‌های فیزیکی در سمت راست معادله‌ی میدان پاسخی به ما می‌دهد. حرف G معمولی در اینجا تنها به معنای ثابت جاذبه‌ای نیوتن و c سرعت نور است. اگر ما مقادیر اندازه‌گیری‌شده برایشان را وارد نمائیم، معادله میدان ناگهان شکل متفاوتی به خود می‌گیرد.  معنی آن این است که از دید ما میزان بسیار زیادی فشار روی فضا-زمان نیاز است تا گسست و خمیدگی (G) محسوسی ایجاد شود. در حقیقت اجسامی مانند زمین در فضا-زمان تنها تا سطحی که ما آشنایی کامل با آن داریم ایجاد گسست می‌کنند.

برای ایجاد گسست به‌منظور ساخت چیزی مانند سیاهچاله، کیهان باید ماده و نیرو را به حد شگفت‌آوری متراکم سازد. به بیان دیگر، میزان عظیمی فشار باید ایجاد شود. به‌عنوان مثال، ساخت سیاهچاله‌ای به جرم زمین نیازمند این است که تمام این کیلوگرم‌ها در ناحیه‌ای که به سختی به اندازه‌ی یک سکه می‌شود، فشرده تا فشار موضعی مورد نیاز تولید شود. مشخص شده که فضا-زمان بسیار سخت و انعطاف‌پذیر است اما امکان مغلوب شدنش دربرابر فشار هست و اینطور هم می‌شود. این امر باعث خرسندی است زیرا در نبود کمی گسست، ستاره‌ها و سیاره‌ها وجود نداشتند. 

چند سال قبل دو فیزیکدان به‌نام‌های چائو و کارول، با استفاده از مفهوم ریاضیاتی با نام فضای هیلبرت (Hilbert space) توانستند شباهت­‌هایی میان معادلات اصلی درهم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum entanglement) و نسبیت عام پیدا کنند. این موضوع، اید‌ه‌ی ادغام فضا-زمان و گرانش از درهم ­تنیدگی کوانتومی را تأیید می­‌کند. کارول اظهار داشت قدم بعدی پژوهش‌ها، مشخص­ کردن دقت فرضیه‌های این مطالعه‌ها است. به‌گفته‌ او یکی از آشکارترین راه‌­ها این است که بررسی کنیم آیا تقارن­‌های نسبیت در این چارچوب بازیابی شده‌­اند یا خیر. مخصوصا این نظریه که قوانین فیزیک بر سرعت حرکت شما در فضا بستگی ندارند. ماده و فضا نمی‌تواند بی‌نهایت باشد چون بی‌نهایت را نمی‌توان تقسیم کرد، درحالی‌که ما می‌توانیم فضا را تقسیم کنیم مثلا بگوییم فضای سمت راست و فضای طرف چپ ما یا یک متر مکعب از فضا را در نظر بگیریم.

 برای اینکه بتوانیم فضاپیمایی بسازیم که در فضا با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت کند و از افزایش شدید جرمش جلوگیری شود، باید این فضاپیما را شبیه به بشقاب‌پرنده بسازیم که همزمان با حرکت انتقالی، حرکت تند وضعی نیز داشته باشد. اگر بشقاب‌پرنده واقعا وجود داشته باشد به نظر می‌رسد که شکل خاص آن و نیز نحوه‌ی حرکت آن؛ برای جلوگیری از افزایش شدید جرمش در سرعت‌های بالا طرح‌ریزی شده است. چون افزایش جرم فضاپیما ناشی از مقاومت ذرات فضا در مقابل فضاپیما است. اما وقتی فضاپیما مانند بشقاب‌پرنده می‌چرخد، مقاومت ذرات فضا در مقابل آن کمتر می‌شود که گویی آن‌ها را کنار می‌زند.

درواقع، موج جریانی از ذرات فضا ایجاد می‌کند که فضاپیما بتواند در سرعت نزدیک به سرعت نور به حرکت خودش، بدون افزایش شدید جرم، ادامه بدهد. ذرات فضا از ذرات مطلق فاقد جرم به وجود آمده است و وقتی جسمی در فضا حرکت می‌کند، این حرکت جسم باعث جابه‌جایی ذرات فضا به‌صورت موج می‌شود. هر چقدر سرعت حرکت جسم تندتر باشد مقاومت ذرات فضا بیشتر می‌شود و در سرعت نور که آخرین حد جابه‌جایی ذرات فضا به‌صورت موج است، دیگر فرصت جابه‌جایی به‌صورت موج برای ذرات فضا وجود ندارد، اگر در این حال به جسم برای حرکت به جلو نیرو وارد کنیم، به کل عالم فشار وارد می‌کنیم. چون ذرات فضا درکنار هم هستند و نیز به‌دلیل اینکه کل عالم در داخل فضای دیگری نیست تا در آنجا‌به‌جا شود برای همین است که جرم جسم بی‌نهایت زیاد می‌شود.

زمان بعد چهارم ماده هم نیست. همان‌طور که از سقوط اجسام، بر اثر نیروی جاذبه، ذهن ما چیزی به نام بالا و پایین ساخته است، در حالیکه در کل کیهان، بالا و پایینی وجود ندارد و همینطور از تغییر و حرکت موجود در ماده، ذهن ما چیزی به نام زمان ساخته است. درضمن زمان، ازلی و ابدی هم نیست؛ چون یک سر آن در حال است بنابراین ازل آن نمی‌تواند در بی‌نهایت باشد. زمان ابدی هم نخواهد بود و پایانی خواهد داشت؛ یعنی هر وقت که عمر مواد به پایان برسد زمان هم به پایان خواهد رسید همچنین تغییر زمان ناشی از افزایش جرم است؛ چون با افزایش جرم، تغییر در ماده کند‌تر می‌شود.

ریشه‌ی این بحث به هراکلیتوس برمی‌گردد. او گفته بود که ویژگی اصلی کیهان، تغییرپذیری آن است. در نقطه مقابل او پارمنیدیس بود که ادعا می‌کرد چنین تغییری وجود ندارد. در سال ۱۹۴۹ و در جشن ۷۰ سالگی اینشتین، کورت گودل عدم وجود زمان را با ریاضی برای اینشتین اثبات کرد. به نظر می‌رسد که طبیعت تحت سلطه‌‌ی قوانین جاویدان است که از گستره‌ی زمان خارج هستند. از جمله مخالفان حرف اینشتین، فیزیکدانی بنام لی اسمولین، عضو مؤسسه‌ی پریمتر در کانادا است. در اواسط دهه‌ی ۹۰ میلادی او پیشنهاد داد که سیاهچاله‌ها جهان‌های کوچک را تولید می‌کنند. در اواسط دهه گذشته میلادی نیز او نظریه ریسمان را زیر سؤال برد. ادعایش این بود که این نظریه نتوانسته است تاکنون یک پیش‌بینی قابل‌سنجش را تولید کند.

حتی در کتاب پرفروش خود «تولد دوباره‌ی زمان» در سال ۲۰۱۳، او ادعا کرد که زمان کاملا واقعی است و هیچ چیزی توان پیشی گرفتن از آن را ندارد، حتی قوانین طبیعت. اسمولین به‌روشنی گفته است که تثبیت مفهوم زمان برای زندگی روزمره‌ی ما فوایدی دارد. به‌گفته‌ی او اگر سیر زمان یک توهم نباشد، به زندگی ما ارزش و معنا می‌بخشد. از نظر اینشتین، مرگ آن سرانجامی که ما فکر می‌کنیم را به‌دنبال خود ندارد، اما دید اسمولین با دید اینشتین هم‌خوانی ندارد. از طرفی اگر قوانین فیزیک شامل تغییر و تکامل باشند، پس می‌توان گفت که فضای آینده محتمل هم می‌تواند شامل این تغییر و تکامل باشد. اما به‌گفته‌ی کارلو روولی فیزیکدان ایتالیایی، زمان وجود ندارد و نیازی هم به داشتن آن نیست چرا که واقعا می‌ شود توصیف معقولی از طبیعت داشت که در چارچوب بنیادی‌اش نیازی به وجود فضا و به‌خصوص زمان نباشد.

این پژوهشگران با استفاده از لیزرهای توان بالا، قصد دارند تعیین کنند که آیا فضا-زمان یک سیستم کوانتومی متشکل از بی‌شمار ذره‌ی ریز از اطلاعات است یا خیر. دانشمندان، در توضیح نظریه خود، بر این قیاس تاکید می‌کنند که اگر شما به اندازه‌ی کافی در نزدیکی صفحه‌نمایش یک تلویزیون بایستید، می‌توانید تک‌تک پیکسل‌ها را ببینید، با دور شدن شما، تصویر به یک تصویر کامل تبدیل می‌شود و پیکسل‌ها دیگر به‌عنوان نقاط مجزایی از نور قابل تشخیص نیستند. بنابراین، دانشمندان پیشنهاد می‌دهند که اگر کاراکترهای نمایش داده‌شده روی صفحه‌نمایش تلویزیون ندانند که جهان سه‌بعدی آشکارشان تنها روی یک صفحه دوبعدی وجود دارد، ما نیز ممکن است غافل از این احتمال باشیم که فضای سه‌بعدی ما تنها یک توهم است.

هولومتر یا تداخل‌سنج هولوگرافیک

به این ترتیب، دانشمندان بر این باورند که اطلاعات در مورد همه چیز موجود در جهان ما، ممکن است به نحوی در بسته‌های کوچکی از اطلاعات در دو بعد جاسازی شده باشند. دانشمندان فرض دیگری دارند که این اطلاعات در یک محفظه پیکسل مانند، حدود ۱۰ تریلیون تریلیون بار کوچک‌تر از یک اتم، (بعدی از اندازه که فیزیکدانان آن را مقیاس پلانک می‌خوانند) موجود است. در این مقیاس زیر اتمی، فیزیک استاندارد دیگر حاکم نیست و نظریه‌ی کوانتوم قوانین را تعیین می‌کند. به این ترتیب براساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، امکان‌پذیر نیست که همزمان هم مکان دقیق و هم سرعت دقیق ذرات زیر اتمی را بدانیم.

ما می‌خواهیم مشخص کنیم که آیا فضا-زمان، درست مانند ماده، یک سیستم کوانتومی است یا خیر. اگر چیزی را ببینیم، به‌طور کامل ایده‌های مربوط‌به فضا را که ما برای هزاران سال از آن‌ها استفاده کرده‌ایم، تغییر خواهد داد. 

هولومتر که اخیرا راه‌اندازی شده و در حال حاضر با توان کامل در حال کار است، از یک جفت تداخل سنج استفاده می‌کند؛ دستگاه‌هایی که برای تست تاثیر خارجی یک پرتو لیزر را روی دیگری برهم نهی می‌کنند تا به‌دنبال ناهنجاری‌ها در شدت یا فاز بگردند که درکنار یکدیگر واقع هستند. هر تداخل‌سنج یک پرتو لیزر یک کیلوواتی را روی یک شکاف پرتو و سپس دو بازوی ۴۰ متری واقع در زوایای قائم نسبت به یکدیگر، هدایت می‌کند. سپس پرتوهای لیزر منعکس‌ می‌شود و به شکاف پرتو باز می‌گردند و این دو پرتو برهم نهی می‌کنند؛ اگر هرگونه حرکتی تشخیص داده شود، در روشنایی پرتوی ترکیب‌شده، نوساناتی حاصل خواهد شد.

سپس پژوهشگران این نوسانات را تجزیه و تحلیل خواهند کرد تا ببینند که آیا پرتو تحت تاثیر ارتعاش فضا است؟ یکی از مشکلات بزرگ در این تست، نویز خواهد بود که پژوهشگران آن را «نویز هولوگرافیک» می‌نامند و انتظار دارند در همه‌ی فرکانس‌ها وجود داشته باشد. برای کاستن این مشکل، این هولومتر در فرکانس‌های چندین مگاهرتز آزمایش می‌شود، به‌طوری که ادعا می‌شود حرکات موجود در مواد طبیعی مشکل خاصی نیستند. به‌گفته‌ی این گروه، فیلتر کردن نویز زمینه‌ی غالب تداخل امواج رادیویی بسیار دشوار خواهد بود.

افزون بر دانستن رفتار فضا و زمان، باید دریابیم که این دو از کجا می‌آیند یا چگونه ساخته‌ می‌شوند. برای پاسخگویی به این پرسش‌ها و برای پوشش دادن آن‌چه که با مدل‌های پیشین توجیه نمی‌شود، باید دست به توسعه‌ی مدل‌هایی جدید زد و با وجود دشواری فراوان آن‌ها را آزمود. این روزها شبیه‌سازی به ابزاری مهم در این مسیر تبدیل شده‌ است. در شبیه‌سازی‌های اخیر مشاهده‌ شده است که افزودن علیت می‌تواند به تولید جهان‌هایی شبیه به جهان ما بیانجامد. مارک ون رامسدونک در توضیح اینکه داستان تا چه اندازه شبیه به نقطه‌ی اوج فیلم‌های علمی‌تخیلی است، می‌گوید روزی را تصور کنید که از خواب برخواسته‌اید و ناگهان درمی‌یابید که در یک بازی کامپیوتری زند‌گی می‌کنید. این اصل هولوگرافی حتی برای فیزیک نظری هم عجیب است.

از نظر او، هیچ یک از دو حرکت نوین در فیزیک، نسبیت عام که گرانش را به‌عنوان خمیدگی فضا-زمان توصیف می‌کند، و مکانیک کوانتومی که در محدوده‌ی اتمی حاکم است، وجود فضا و زمان را توجیه نمی‌کند. نظریه‌ی ریسمان هم که به مسائل پایه‌ در انرژی می‌پردازد، کاری از پیش نمی‌برد. ون رامسدوک و همکاران، قانع شده‌اند که فیزیک تا زمانی‌که توضیح ندهد فضا و زمان چه‌گونه از یک چیز بنیادی‌تر به‌وجود آمده‌اند، کامل نمی‌شود؛ هدفی که در راه آن به مفاهیمی شگفت مانند اصل تمام‌نگاری، نیاز داریم. به سبب وجود تکینگی در مرکز سیاه‌چاله‌ها، ساختار فضا-زمان تغییر می‌کند؛ از سوی دیگر علاقه‌مندیم نظریه‌ی کوانتومی و نسبیت عام را یکی کنیم؛ برنامه‌ای که سال‌ها است با وجود تلاش پژوهش‌گران بی‌نتیجه مانده‌ است.

دیگر فیزیکدان‌ها به سرعت، تعیین کردند که این پدیده کاملا همه‌گیر است. آن‌ها دریافتند که حتی یک فضانورد که در فضای کاملا خالی شتاب می‌گیرد نیز حس می‌کند که با یک حمام گرما احاطه شده‌ است. این اثر کوچک‌تر از آن خواهد بود که برای راکت‌ها با هر شتابی که به آن دست می‌یابند، محسوس باشد، اما بنیادی به نظر می‌آید. اگر نظریه‌ی کوانتومی و نسبیت عام، که هر دو به دفعات با آزمایش تأیید شده‌اند، درست باشند، آن‌گاه وجود تابش هاوکینگ گریزناپذیر به نظر می‌رسد. یک کشف کلیدی دیگر نیز در همین زمینه انجام شد. در ترمودینامیک استاندارد، یک شی می‌تواند با کاهش انتروپی‌ که نماینده‌ی تعداد حالت‌های کوانتومی درونی‌اش است، تابش کند؛ برای سیاه‌چاله‌ها هم همینطور است.

حتی پیش از مقاله‌ی هاوکینگ در ۱۹۷۴ نیز، ژاکوب بکنشتاین نشان داده‌ بود که سیاه‌چاله‌ها انتروپی دارند. اما یک تفاوت وجود دارد؛ در بیشتر اشیا، انتروپی با تعداد اتم‌های آن شی و در نتیجه حجمش، تناسب دارد. اما آن‌ها دریافته‌اند که انتروپی یک سیاهچاله با سطح افق رویدادش متناسب است، مرزی که حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد. گویی سطح، داده‌های درون را رمزگذاری کرده‌ است. در سال ۱۹۹۵، تد جاکوبسون، فیزیکدانی از دانشگاه مریلند، این دو دسته داده را ترکیب و فرض کرد که هر نقطه در فضا روی مرز یک سیاهچاله‌ی کوچک که از رابطه‌ی انتروپی-سطح نیز تبعیت می‌کند، قرار می‌گیرد.

او، از آنجا ریاضیاتی که به معادلات نسبیت عام اینشتین می‌انجامد را به دست آورد، اما تنها با استفاده از مفاهیم ترمودینامیک و نه نظریه‌ی خم شدن فضا-زمان. به‌گفته‌ی‌ جاکوبسون به نظر می‌رسید که در این جا، نکته‌ای عمیق درمورد منشا گرانش وجود داشته‌ باشد. نمونه‌اش این است که قوانین ترمودینامیک در طبیعت آماری‌اند؛ یک میانگین‌گیری بزرگ‌مقیاس بر بی‌شمار اتم و مولکول. بنابه یافته‌های او، گرانش نیز آماری‌ است. در سال ۲۰۱۰، این ایده یک گام جلوتر رفت. اریک ورلینده، نظریه‌پرداز ریسمانی از دانشگاه آمستردام، نشان داد که ترمودینامیک آماری اجزای فضا و زمان، هر آن چه که هستند می‌توانند به‌طور خودکار قانون جاذبه‌ی گرانشی نیوتون را توضیح بدهند.

برای بررسی وجود اجزای گسسته در فضا-زمان، بیشتر به جست‌وجوی تأخیر در فوتون‌های پرانرژی‌ در سفرشان از پدیده‌های کیهانی، مانند انفجار پرتوی گاما و ابرنواختر، به زمین، پرداخته‌ می‌شود. درواقع، فوتون‌های دارای طول‌موج کوتاه، این گسستگی‌ها را که باعث کند شدن‌شان می‌شوند، مانند دست‌اندازهایی کوچک در مسیر سفر احساس می‌کنند. جیوانی آملینوکاملیا، پژوهشگر گرانش کوانتومی و همکارانش، نشانه‌هایی از چنین فوتون‌های تاخیری، از یک انفجار پرتوی گاما یافته‌اند که در آوریل ثبت شده‌ است. آملینوکاملیا می‌گوید این یافته‌‌ها تعیین‌کننده نیستند اما این گروه گسترش این پژوهش را در برنامه‌ی خود دارد و به زمان مسافرت نوترینوهای پرانرژی که در رویدادهای کیهانی تولید شده‌اند، خواهدپرداخت.

او می‌گوید اگر نتوان نظریه‌ها را آزمود، حداقل برای من دیگر دانش به حساب نمی‌آیند، تنها خرافه‌اند و برایم جذابیتی ندارند. حتی اگر درست هم باشد، راهکار ترمودینامیکی نمی‌گوید که این اجزای بنیادین فضا و زمان چه هستند یا می‌توانند باشند. اگر فضا و زمان یک سازه است، رشته‌ها‌ی پیوند‌ دهنده‌اش چیست؟ نخستین پاسخی که به ذهن می‌آید کاملا ساده است؛ نظریه‌ی گرانش کوانتومی حلقه‌ای، از نیمه‌ی دهه‌ی ۱۹۸۰ توسط ابهی واسانت اشتکار در حال توسعه است. در این نظریه سازه‌ی فضا-زمان به‌عنوان شبکه‌ای عنکبوتی از رشته‌ها توصیف شده‌ است؛ این رشته‌ها داده‌هایی درمورد سطح کوانتیده یا حجم نواحی که از میانش می‌گذرند، در خود دارند.

رشته‌های منفرد در این شبکه باید دو سرشان را به هم متصل کنند، همان‌طور که از نام نظریه بر می‌آید، اما باید توجه داشت که ارتباطی با ریسمان‌های نظریه‌ی ریسمان، وجود ندارد. اگر این رشته‌ها به راستی فضا-زمان باشند، داده‌هایی در خود دارند و شکل سازه‌ی فضا-زمان را در همسایگی خود تعیین می‌کنند. از آنجا که این حلقه‌ها اجسامی کوانتومی‌ هستند، همانند انرژی حالت پایه‌ی الکترون در اتم هیدروژن، باید سطح این اجسام، اندازه‌ی کمینه‌ای داشته‌ باشند. این بسته‌ی سطح یک لکه خواهد بود که در هر سو به اندازه‌ی یک مقیاس پلانک است. اگر بکوشید رشته‌ای که سطح کم‌تری دارد را وارد کنید، از کل شبکه جدا خواهد شد؛ نمی‌تواند به هیچ چیز دیگری متصل شود و در عمل از فضا-زمان جدا می‌شود.

یک نتیجه‌ی دلخواه وجود سطح کمینه این است که گرانش کوانتومی حلقه‌ای نمی‌تواند در یک نقطه‌ی کوچک با تقعر بی‌نهایت چلانده‌ شود. دیگر آنکه وجود تکینگی به شکستن معادله‌های نسبیت عام اینشتین در لحظه‌ی بیگ‌بنگ یا مرکز سیاهچاله‌ها می‌انجامد؛ باتوجه‌به وجود سطح کمینه، در این جا چنین تکینگی‌ای نمی‌تواند ایجاد شود. در سال ۲۰۰۶، آشتکار و همکاران یک مجموعه شبیه‌سازی‌ معرفی کردند. این مجموعه باتوجه‌به این حقیقت و با به کار بستن نسخه‌ی گرانش کوانتومی حلقه‌ای معادله‌های اینشتین کار می‌کند و در آن تلاش شده است زمان را به عقب بازگردانند و به پیش از بیگ بنگ بپردازند. همان‌طور که انتظار می‌رفت، کیهان معکوس و منقبض می‌شود، و به بیگ‌بنگ می‌رود اما زمانی‌که به حد بنیادینی که گرانش کوانتومی حلقه‌ای بر اندازه می‌گذارد، می‌رسد، یک نیروی دافعه وارد می‌شود و تکینگی را باز نگاه می‌دارد و آن را تبدیل به تونلی می‌کند که به کیهانی که از آن ما پیشی گرفته‌ است، می‌رود.

از طرفی فیزیکدان‌های ماده‌ی چگال، فازهای عجیبی از ماده را که گذار تجربه می‌کنند، ایجاد می‌نمایند؛ این گذارها عموما با نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی توضیح داده‌ می‌شوند. دنیل اریت، فیزیکدانی از مؤسسه‌ی فیزیک گرانشی مکس پلانک، امید دارد که در این کارها سرنخ‌‌هایی بیابد. اوریتی و همکارانش به‌دنبال روابطی هستند که توضیح دهد چطور ممکن است جهان نیز تغییر فاز دهد و از یک مجموعه‌ی حلقه‌ها به یک فضا-زمان هموار و پیوسته برود. چنین ناکامی‌هایی برخی کاشفان را به سوی آن برده‌ است که یک برنامه‌‌ای به‌نام نظریه‌ی مجموعه‌ی سببی (Causal sets) را دنبال کنند. اصل بنیادی آن این است که فضا-زمان اساسا گسسته است و رویدادهای فضا-زمان با یک ترتیب جزئی به هم مرتبط‌اند.

معنی فیزیکی این ترتیب جزئی، روابط سبب بین رویدادهای فضا-زمان است. این برنامه بر پایه قضیه‌ای از دیوید مالامنت بنا شده‌ است که بیان می‌‌کند که چنانچه یک نگاشت دوسویه بین دو فضا-زمان متمایزگر گذشته و آینده وجود داشته باشد که ساختار سببی میان آن‌ها را حفظ کند، چنین نگاشتی یک‌ریختی همدیس خواهد بود. برنامه‌ی مجموعه‌های سببی نخستین بار توسط رافائل سورکین آغاز شد که امروزه نیز یکی از طرفداران اصلی این برنامه است. شبکه‌ی به‌دست‌آمده شبیه به یک درخت است که رشد می‌کند و در آخر فضا-زمان را می‌سازد. سورکین می‌گوید:

می‌توان فضا را مانند دما که از اتم‌ها گسیل می‌شود، در نظر گرفت که از یک نقطه گسترش می‌یابد. معنی ندارد که بپرسیم دمای یک اتم تنها چقدر است برای آن که این مفهوم منطقی باشد باید یک مجموعه داشته‌ باشیم.

در دهه‌ی ۱۹۸۰، سورکین این چارچوب فکری را به کار بست تا شمار نقاطی که جهان قابل‌مشاهده می‌تواند داشته‌ باشد را تخمین بزند، و دلیل آورد که باید به یک انرژی کوچک ذاتی که باعث می‌شود جهان در انبساطش شتاب بگیرد، ارتقا یابند. چند سال بعد، کشف انرژی تاریک حدس او را تأیید کرد. جو هنسون، پژوهشگری در زمینه‌ی گرانش کوانتومی در کالج سلطنتی لندن می‌گوید که عموما تصور می‌شد گرانش کوانتومی نمی‌تواند پیش‌‌بینی‌های قابل آزمایشی کند اما می‌بینیم که توانست. اگر اندازه‌ی انرژی تاریک بزرگتر یا صفر بود، نظریه‌ی مجموعه‌ی سببی نامحتمل می‌شد. آن دلایل، به‌همراه نظریه‌ی مجموعه‌ی سببی پیش‌بینی‌های دیگری نیز کرده‌اند که می‌توان آن‌ها را آزمود.

در این راه برخی فیزیکدان‌ها باور دارند که شبیه‌سازی‌های کامپیوتری می‌توانند مفید‌ باشند. این ایده که به اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ برمی‌گردد این است که اجزای سازنده‌ی بنیادین ناشناخته را با تکه‌های کوچکی از فضا-زمان معمولی که در یک دریای متلاطم از افت‌وخیزهای کوانتومی‌ هستند، تخمین زد و بررسی کرد که چگونه این تکه‌های کوچک ناگهان به یکدیگر می‌چسبند و ساختاری درشت‌تر می‌سازند. به‌گفته‌ی رنت لول، فیزیکدان از دانشگاه رادبود، نخستین تلاش‌ها ناامیدکننده بودند. واحدهای سازنده‌ی فضا-زمان ابرچهار وجهی‌های، همتای چهاربعدی چهار وجهی‌های سه‌بعدی ساده‌ای بودند و بنابه قوانین چسبیدن، در این شبیه‌سازی، آزادانه به یکدیگر می‌چسبیدند. نتیجه مجموعه‌ای از جهان‌های عجیب بود که تعداد زیادی (یا تعداد خیلی کمی) بعد داشتند و بر خودشان پیچ‌خورده بودند یا به قطعه‌های کوچک‌تری می‌شکستند.

این را پیش‌تر دیگرانی که در تلاش‌اند معادله‌هایی از گرانش کوانتومی به دست آورند، یا آن‌‌هایی که پیشنهاد می‌دهند وجود ماده‌ی تاریک نشان از آن دارد که جهان ما دارد یک بعد چهارم فضایی به دست می‌آورد، نیز به‌صورت جداگانه گفته‌ بودند. دیگر دانشمندان نشان داده‌اند که یک فاز دوبعدی در جهان ابتدایی می‌تواند الگویی از تابش‌های کیهانی پس‌زمینه که امروز دیده‌ می‌شود، درست کند.  ون رامسدونک یک ایده‌ی بسیار پیچیده در مورد لزوم گسترش فضا-زمان دارد که بر پایه‌ی اصل هولوگرافیک است. جوان مالداسنا، نظریه‌پرداز ریسمانی از مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته‌ در نیجرسی، مدل تأثیرگذار جهان هولوگرافیک را در ۱۹۹۸ نوشته‌ است.

وی با الهام از روش هولوگرافی سیاهچاله‌ها که تمام انتروپی‌شان را روی سطح ذخیره می‌کنند، ریاضیات این مدل را ارائه داده‌ است. در آن مدل، سه‌بعد داخلی جهان، ریسمان‌ها و سیاه‌چاله‌هایی دارند که تنها با گرانش گردهم آمده‌اند؛ و مرز دو بعدی‌اش ذرات بنیادین و میدان‌هایی دارد که قوانین کوانتومی ساده را، بدون گرانش، دنبال می‌کنند. احتمالا ساکنان سه بعد، هرگز این مرز را نمی‌بینند چراکه بی‌نهایت دور است. اما این، ریاضی را تغییر نمی‌دهد؛ هر آن چه که در جهان سه‌بعدی روی می‌دهد به‌خوبی با معادله‌هایی در مرز دوبعدی هم‌ارزند، و البته برعکس. در سال ۲۰۱۰، ون رامسدونک به مطالعه‌ی معنی درهم‌تنید‌گی ذره‌های کوانتومی، پرداخت.

او دریافت که درهم‌تنید‌گی میان هر دو منطقه‌ی جدا در مرز به صفر کاهش می‌یابد و درنتیجه پیوند کوانتومی میان‌شان از میان می‌رود. با تکرار این فرایند، فضای سه‌بعدی مرتبا تقسیم‌بندی‌های ریزتری می‌شود تا آنکه تنها مرز دوبعدی متصل می‌ماند. بنابراین، ون رامسدونک نتیجه‌گیری کرد که در عمل، جهان سه‌بعدی با درهم‌تنید‌گی‌‌های کوانتومی روی مرز نگه داشته‌ شده‌ است، به‌نوعی یعنی درهم‌تنید‌گی و فضا-زمان یکی هستند. یکی از سوالات همیشگی در مکانیک کوانتوم آن است که چگونه اجسام هم رفتار ذره‌ای دارند و هم رفتار موجی. در مکانیک کوانتوم ذرات تا زمانی‌که اندازه‌گیری می‌شوند مکان خاصی ندارند. درعوض مکان احتمالی آن‌ها نامعلوم است.

اما به محضی که مشاهده‌گر مکان شی را اندازه می‌گیرد، رفتار موجی‌شکل یک ذره به یک نقطه‌ی مکانی واحد تبدیل می‌شود. این امر به‌عنوان دوگانگی ذره‌ی موج شناخته شده است و الگوی میدان این ارتباط را ایجاد می‌کند زیرا اختلالات به‌عنوان نقاط و خط‌های گسسته مانند یک ذره نمایش داده می‌شوند اما اغلب مانند یک موج منتشر می‌شوند. در حالت کنونی پژوهشگران، تصور می‌کنند که تئوری الگوی میدان باعث می‌شود که مدل به یک نقطه‌ی واحد تبدیل نشود. همچنین آن‌ها بر این باورند که الگوهای میدان، ارتباطی با ساختمان اصلی ماده دارند. طبق این ایده‌ی جدید فیزیک، نوسانات در فضا و زمان در کوچک‌ترین مقیاس ماده (الکترون‌ها و پروتون‌ها) می‌تواند منجر به الگوهای میدان شود.

آنچه ما به‌عنوان الکترون‌ها، پروتون‌ها یا موج‌های مکانیک کوانتوم می‌بینیم همان آشکارسازی الگوهای میدان در مقیاس میکروسکوپی این است. این موضوع هنوز امری ابتدایی است و طراحی الگوهای میدان برای پژوهشگران دارای محدودیت‌هایی است. الگوهای میدان روی‌هم‌افتاده با یکدیگر واکنشی ندارند و برخی الگوهای میدان به‌طور نمایی گسترش می‌یابند که این امر خارج از کنترل است. اکنون که این پژوهش منتشر شده است، ریاضیدانان دیگر نیز می‌توانند بررسی‌های خود را روی الگوهای میدان شروع کنند.