آیا مکانیک کوانتوم می‌تواند وجود فضا-زمان را توضیح بدهد؟
آیا مکانیک کوانتومی می‌تواند وجود فضا-زمان را توضیح بدهد؟
مجله علمی ایلیاد - بر اساس یافته‌های فیزیکدانان «درهم تنیدگی»، توانایی توضیح معادله‌های جاذبه‌ی اینشتین را دارد. نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین نشان می‌دهد که گرانش، حاصل رفتار یک جرم مثل سیاره یا ستاره است و هندسه‌ی ادغام فضا و زمان را دچار خمیدگی می‌کند. فضاپیمای ناسا تحت عنوان «Gravity Probe B»، به‌طور دقیق میزان خمیدگی فضا-زمان توسط گرانش زمین را اندازه گرفت. با این اوصاف، بار دیگر مُهر تاییدی بر محاسبات اینشتین زده شد.
«راد سرلینگ» همه‌چیز را درباره‌ی بُعد‌های جهان می‌دانست. یک بُعد تصور، یک بُعد بصری، صوتی و ذهنی، یک بُعد به وسعت فضا و زمانی بی¬نهایت را در بر می‌گیرد. همه ابعاد واضح و قابل‌درک بودند، به‌جز فضا و زمان که ابعاد زندگی واقعی ما را تشکیل می‌دهند. سرلینگ هیچ‌گاه این ابعاد را توضیح نداد. البته از زمانی که اینشتین نظریه‌های مشهور خود را ارائه کرد، دانشمندان مشغول این بوده‌اند که چطور از ابعاد فضا و زمان سر در بیاورند. قبل از اینشتین، همه بر این باور بودند که «ایزاک نیوتن» کار را تمام کرده و کل ماجرا را حل کرده‌اند. نیوتن گفته بود: «زمان بدون ارتباط با هیچ‌چیز خارجی دیگری، به‌طور برابر جاری می‌شود. فضای مطلق نیز شرایط خودش را دارد؛ همیشه مشابه و ثابت.»
اما نظریه‌های اینشتین، فضا و زمان مطلق نیوتن را به یک ترکیب نسبی تبدیل کرد؛ معادلات فضا-زمان اینشتین مفهومی تحت عنوان «فضا-زمان ادغام‌شده» را مطرح کرد و انقلابی در دنیای فیزیک ایجاد گردید. فضا و زمان که قبلاً مستقل و یکنواخت بود، غیرقابل‌تفکیک و متغیر شد. همان‌طور که آلبرت اینشتین در نظریه‌ی نسبیت عام خود تشریح کرد، ماده و انرژی موجب تحریف و خمیدگی فضا-زمان پیرامون می‌شوند. این واقعیت ساده توانست جاذبه را توضیح بدهد. این شکل فضا-زمان بود که حرکت اجرام عظیم را دیکته می‌کرد. انقلاب فضا-زمان اینشتین همان یک قرن پیش مورد تصدیق قرار گرفت؛ یعنی زمانی که یک رویداد خورشیدگرفتگی، پیش‌بینی اولیه نظریه‌ی نسبیت عام را تایید کرد؛ اما فضا-زمان هنوز به‌عنوان یک مفهوم پیچیده و رازآلود در محافل مختلف مورد بحث قرار می‌گرفت. می‌بایست این مساله را بررسی می‌کردند که از کجا نشات می‌گیرد.
حالا بر اساس یافته‌های حاصل از یکی دیگر از شگفتی‌های فیزیک در قرن گذشته به‌نام «مکانیک کوانتومی»، گویا در پاسخ به پرسش فوق، انقلابی در حال وقوع است. شاید امکان بازنویسی رزومه فضا-زمان با بهره‌گیری از مکانیک کوانتومی فراهم آید. دانشمندان همچنین امیدوارند توضیح دهند که چرا مکانیک کوانتومی این‌قدر ماهیت عجیب‌وغریبی دارد؟ فیزیکدان «برایان سوئینگل» در یکی از مطالعات مروری که در سال ۲۰۱۸ منتشر شد، این‌چنین می‌گوید: «فضا-زمان و جاذبه باید از چیز دیگری نشات گرفته باشند. در غیر این صورت، برقراری آشتی میان گرانش اینشتین و جنبه‌های ریاضی مکانیک کوانتومی امری دشوار و چالش‌برانگیز باقی خواهد ماند. دیدگاه گرانش اینشتین به‌عنوان نمایه‌ای از هندسه‌ی فضا-زمان توانسته موفقیت‌های بزرگی به دست بیاورد. البته مکانیک کوانتومی نیز از قافله عقب نمانده و نائل به موفقیت‌های قابل‌توجهی شده است؛ به‌طوری که با دقتی مثال‌زدنی، ویژگی‌های ماده و انرژی را در مقیاس اتمی بررسی کرده و به توضیحشان می‌پردازد. علی‌رغم تلاش‌های فراوان برای یافتن جنبه‌های ریاضی سازگار که ویژگی‌های عجیب کوانتومی را با گرانش هندسی آشتی بدهد، هنوز موانع مفهومی و فنی متعددی بر سر راه است که محققان باید بر آن‌ها فائق آیند.
دست‌کم تا به اینجای کار تلاش‌های فراوانی برای درک فضا-زمان معمولی صورت گرفته است. با مطالعه‌ی نظری ویژگی‌های هندسی فضا-زمان جایگزین، سرنخ‌های خوبی برای پیشرفت در این مسیر حاصل آمده است. یکی از این مفاهیم جایگزین، «فضای پاد-دو سیتر» نام دارد. این فضا به طرز عجیبی خمیده است و گویی روی خودش متلاشی می‌شود، به‌جای اینکه مثل جهان خودمان دچار گسترش و انبساط بشود. قطعاً چنین جایی نمی‌تواند شرایط خوبی برای حیات فراهم آورد؛ اما می‌تواند آن‌را به‌عنوان آزمایشگاهی برای مطالعه‌ی نظریه‌های گرانش کوانتومی در نظر گرفت که می‌تواند چیزهای مفیدی در اختیارمان بگذارد. «سوئینگل» از دانشگاه مریلند در مقاله‌ی خود می‌نویسد: «گرانش کوانتومی غنی و گیج‌کننده است. لذا فضای پاد-دو سیتر به نوع عجیبی از فضا-زمان اطلاق می‌شود که خمیدگی عجیبی دارد و شکل آن‌را در این مقاله به تصویر کشیده‌ایم. اگرچه این فضا با جهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم، تفاوت‌های اساسی دارد، اما به‌هرحال می‌تواند سرنخ‌های درباره‌ی آن دسته از فرایندهای کوانتومی در اختیار ما قرار بدهد که در تولید فضا-زمان عادی به ایفای نقش می‌پردازند.»
برای مثال، مطالعه‌ی فضای پاد-دو سیتر نشان می‌دهد که جنبه‌های ریاضیِ توضیح‌دهنده‌ی گرانش می‌توانند با جنبه‌های ریاضی فیزیک کوانتومی در فضایی با یک بُعد کمتر هم‌ارز باشد. یک هولوگرام را در نظر بگیرید؛ سطح دوبعدی و مسطحی که تصویر سه‌بعدی را در خود جای می‌دهد. به‌طور مشابه، شاید هندسه‌ی چهاربعدی فضا-زمان بتواند در جنبه‌های ریاضی فیزیک کوانتومی رمزگذاری شود. یا شاید نیاز به ابعاد بیشتری باشد. اینکه چند بُعد دیگر لازم است، یکی از سوال‌های مهمی است که محققان در پی پاسخگویی به آن هستند.
در هر حال، بررسی‌های انجام‌شده در همین راستا از یک احتمال شگفت‌انگیز حکایت دارد؛ شاید خود فضا-زمان با فیزیک کوانتومی ایجادشده باشد؛ به‌ویژه با پدیده گیج‌کننده‌ای به نام «درهم تنیدگی کوانتومی.» درهم تنیدگی به پیوستگی شبح‌واری گفته می‌شود که ذراتی با فواصل مختلف را به یکدیگر پیوند می‌دهد. اگر چنین ذراتی از یک منبع متداول انتشار پیدا کنند، می‌توانند به‌صورت درهم‌تنیده باقی بمانند و مهم نیست با چه فاصله‌ای از هم قرار داشته باشند. اگر ویژگی یکی از آن‌ها را مورداندازه‌گیری قرار بدهید، در این صورت می‌دانید که نتیجه همان اندازه‌گیری برای دیگری هم حاصل خواهد آمد؛ اما قبل از اندازه‌گیری، آن ذرات هنوز مشخص نشده‌اند و آزمایش‌های مختلف این مساله را تایید کرده است. به نظر می‌رسد اندازه‌گیری در یک مکان تعیین می‌کند که اندازه‌گیری در مکان دورِ دیگر چه خواهد بود.
از بحث فوق می‌تواند چنین استنباط کرد که ذرات درهم‌تنیده باید بتوانند سریع‌تر از نور با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. در غیر این صورت، غیرممکن است تصور کنیم که چطور یکی از آن ذرات می‌تواند تشخیص بدهد در گستره‌ی وسیعی از فضا-زمان چه اتفاقی بر ذره دیگر می‌افتد؛ اما واقعیت این است که این ذرات هیچ پیامی به یکدیگر ارسال نمی‌کنند. پس ذرات درهم‌تنیده چطور از دامنه‌ی فضا-زمانی را که آن‌ها را از هم جدا می‌سازد، گذر می‌کنند؟ شاید جواب این است که ذرات اصلاً مجبور به این کار نیستند، زیرا درهم تنیدگی در فضا-زمان روی نمی‌دهد. درهم تنیدگی فضا-زمان را ایجاد می‌کند!
دست‌کم این پیشنهادی است که تحقیقات فعلی درباره‌ی جهان‌های اسباب‌بازی به آن اشاره می‌کند. سوئینگل می‌گوید: «ظهور فضا-زمان و گرانش از جمله پدیده‌های اسرارآمیز فیزیک کوانتومی به شمار می‌آید که ما خواهان درک بیشتر و بهتر آن هستیم. تلاش‌های قابل‌توجه تعدادی از فیزیکدان‌های مطرح به یک سری شواهد نظری منجر شده است که می‌گوید شبکه‌هایی از حالات کوانتوم درهم‌تنیده، تار و پود فضا-زمان را تشکیل می‌دهند.» این حالت‌های کوانتومی معمولاً با عنوان «کیوبیت» شناخته می‌شوند. کیوبیت¬های درهم‌تنیده شبکه‌هایی با یک بُعد بیشتر در فضا تولید می‌کنند. پس فیزیک کوانتومیِ کیوبیت‌ها می‌تواند با هندسه‌ی فضایی که یک بعد بیشتر دارد، برابری کند. هندسه‌ی ایجادشده با کیوبیت‌های درهم‌تنیده شاید به‌خوبی از معادلات نظریه‌ی نسبیت عام آلبرت اینشتین تبعیت کند. سوئینگل می‌گوید: «ظاهراً هندسه‌ای با ویژگی‌های مناسب که از درهم تنیدگی ایجادشده باشد، باید از معادلات گرانشی حرکت تبعیت کند. این نتیجه بر این ادعا مهر تایید می‌زند که فضا-زمان از درهم تنیدگی سرچشمه می‌گیرد.»
هنوز مشخص نیست که آیا سرنخ‌های یافت شده در جهان‌های اسباب‌بازی با ابعاد بیشتر می‌تواند به داستان واقعیِ فضا-زمان معمولی ختم شود یا خیر؟ هیچ‌کس به‌واقع نمی‌داند که چه فرایندهای کوانتومی در دنیای واقعی در ایجاد تار و پود فضا-زمان نقش دارند. شاید برخی از فرضیه‌ها در محاسبات به‌دست‌آمده در نهایت اشتباه از آب در بیایند؛ اما محققان ابراز امیدواری کرده‌اند که فیزیک بتواند بنیادهای طبیعت را به شکل عمیق‌تری موردبررسی قرار بدهد.