اشتباه اینشتین: چرا برخی اخترفیزیکدانان نظریه فضا-زمان را زیر سوال می‌برند؟

برای فهم بهتر کیهان احتمالا باید یکی از مهم‌ترین نظریه‌های تاریخ را از بین ببریم: درست مثل تاریخ، انقلاب‌ها نیروی حیاتی علم هستند. جریان‌های ناراحت و مخالف به جوشیدن خود ادامه می‌دهند، تا این که یک رژیم جدید قدرت را در دست می‌گیرد. بعد از آن نظر همه از حکمران سرنگون شده برمی‌گردد. پادشاه مرده، زنده باد پادشاه جدید.

این اتفاق بارها در تاریخ فیزیک و اخترشناسی افتاده. ابتدا ما فکر می‌کردیم زمین در مرکز منظومه خورشیدی است، ایده‌ای که برای بیش از هزار سال پابرجا بود. بعد کوپرنیک قد علم کرد تا بگوید این سیستم خیلی ساده‌تر می‌شود اگر ما هم مثل بقیه سیاره‌ها دور خورشید بگردیم. علی‌رغم مخالفت‌های اولیه، تصویر زمین‌مرکزی اولیه سرانجام زیر وزن شواهدی که از تلسکوپ تازه اختراع‌ شده به دست آمده بود، خم شد.

سپس نیوتن آمد تا توضیح دهد گرانش دلیل گردش سیاره‌ها دور خورشید است. او می‌گفت همه اشیائی که جرم دارند، یکدیگر را با یک نیروی گرانشی به سمت خود می‌کشند. طبق ایده‌های او، ما دور خورشید می‌گردیم، چون خورشید ما را به سمت خودش می‌کشد، ماه دور ما می‌چرخد، چون زمین آن را به سمت خود می‌کشد.

نیوتن برای دو و نیم قرن حکمفرما بود، تا اینکه آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ با نظریه عمومی گرانش خود به جنگ با نیوتن رفت. این تصویر جدید به خوبی ناسازگاری‌های مدار عطارد را توضیح می‌داد و طی ماجرای مشهور رصد یک خورشیدگرفتگی در ساحل آفریقا در سال ۱۹۱۹ تایید شد.

اینشتین گرانش را نه یک کشش، بلکه نتیجه فضای خم‌شده می‌دید. به گفته او، تمام اشیاء درون کیهان داخل یک بافت یکنواخت و چهاربعدی به نام فضا-زمان قرار دارند. اشیائی که جرم زیاد دارند، مثل خورشید، فضا-زمان اطراف خود را در هم می‌پیچند و گردش زمین تنها ناشی از این است که این سیاره انحنای فضا-زمان را دنبال می‌کند.

این تصویر فضا-زمان حالا بیش از صد سال بر تخت حکمرانی نشسته و تا به اینجا تمام مدعیان تاج و تخت را مغلوب کرده است. کشف امواج گرانشی در سال ۲۰۱۵ یک پیروزی قطعی بود، اما درست مثل تمام گذشتگان، این نظریه نیز احتمالا در حال سقوط باشد. به این علت که از پایه با دیگر هیولای باغ وحش فیزیک ناسازگار است: نظریه کوانتوم.

دنیای کوانتوم به خاطر عجیب و غریب بودنش بدنام است. برای مثال، ذرات می‌توانند در آن واحد در دو مکان باشند. فقط از راه مشاهده است که می‌توانیم آن‌ها را «وادار» به انتخاب یکی از آن مکان‌ها کنیم. قبل از مشاهده، تنها می‌توانیم به نتایج ممکن احتمال‌های متناظرشان را تخصیص دهیم. در دهه ۱۹۳۰، اروین شرودینگر یک روش مشهور ابداع کرد تا نشان دهد این ایده تا چه اندازه می‌تواند گیج‌کننده باشد. او یک گربه را درون یک جعبه مهر و موم شده به همراه یک شیشه زهر متصل به یک چکش تصور کرد.

چکش به یک ابزار متصل است که موقعیت کوانتومی یک ذره را اندازه‌گیری می‌کند. این که آن چکش شیشه زهر را بشکند و گربه را بکشد یا نه، به این اندازه‌گیری بستگی دارد، اما فیزیک کوانتومی می‌گوید که تا زمانی که این اندازه‌گیری انجام نشده، ذره همزمان در دو موقعیت قرار دارد، که یعنی شیشه هم شکسته و هم نشکسته، و گربه هم مرده و هم زنده است.

چنین تصویری نمی‌تواند با بافت پیوسته و یکنواخت فضا-زمان همخوانی داشته باشد. به گفته «سابین هوسنفلدر» (Sabine Hossenfelder)، فیزیکدان نظری انستیتوی مطالعات پیشرفته فرانکفورت، «یک میدان گرانشی نمی‌تواند همزمان در دو مکان باشد.» طبق نظریه اینشتین، فضا-زمان با ماده و انرژی پیچیده می‌شود، اما فیزیک کوانتومی می‌گوید که ماده و انرژی در آن واحد در چندین موقعیت قرار دارد – می‌توانند هم اینجا باشند و هم آنجا. خانم هوسنفلدر می‌گوید: «خب سوال این است که میدان گرانشی کجاست؟ هیچکس پاسخی برای این سوال ندارد. این کمی شرم‌آور است.»

هرچه تلاش کنید نظریه‌های نسبیت عام و کوانتوم را با هم به کار ببرید به نتیجه‌ای نخواهید رسید. هوسنفلدر می‌گوید: «بالاتر از یک مقدار انرژی معین، احتمال‌هایی که به دست می‌آورید از یک بزرگتر هستند.» یک بالاترین احتمال ممکن است – به این معنی که نتیجه قطعا رخ می‌دهد.

نمی‌توانید از «قطعا» قطعیت بیشتری داشته باشید. به همین ترتیب، گاهی اوقات محاسبات به شما پاسخ بی‌نهایت می‌دهند، که هیچ معنی فیزیکی واقعی ندارد. در نتیجه این دو نظریه از لحاظ ریاضیاتی ناسازگار هستند. پس درست مثل بسیاری از پادشاهان تاریخ، فیزیکدان‌ها به دنبال وصلت دادن این دو جناح رقیب هستند تا به صلح برسند.

آن‌ها به دنبال نظریه‌ای برای گرانش کوانتومی هستند – آخرین حد تلاش‌های دیپلماتیک برای تقسیم تاج و تخت بین این دو رقیب. این باعث شده نظریه‌پردازان به احتمالاتی بسیار دیوانه‌وار رو بیاورند.

احتمالا معروف‌ترین این نظریه‌ها، نظریه ریسمان باشد. این ایده می‌گوید ذرات زیر اتمی همچون الکترون‌ها و کوارک‌ها از رشته‌های ریز در حال ارتعاش ساخته شده‌اند. درست همانطور که می‌توانید سیم‌های روی یک ساز را برای تولید نت‌های مختلف به ارتعاش در آورید، نظریه‌پردازان ریسمان نیز می‌گویند که ترکیب‌های متفاوت ریسمان‌ها باعث تولید ذرات متفاوت می‌شود.

جذابیت این نظریه این است که می‌تواند نسبیت عام و فیزیک کوانتوم را با هم تطبیق دهد – حداقل روی کاغذ. هرچند، برای این که چنین شعبده‌ای به وقوع بپیوندد، لازم است تا ریسمان‌ها در یازده بعد نوسان کنند – هفت بعد بیشتر از بافت فضا-زمان اینشتین. با این حال هیچ مدرک تجربی حاکی از وجود این بعدهای اضافی وجود ندارد.

به گفته «جورما لوکو» (Jorma Louko) از دانشگاه ناتینگهام «این شاید از لحاظ ریاضیاتی جذاب باشد، اما این که واقعا فضا-زمانی که در آن زندگی می‌کنیم را توضیح می‌دهد یا نه، چیزی است که تا زمانی که آزمایشی در کار نباشد نمی‌توانیم بدانیم.»

فیزیکدانان دیگر، که تا اندازه‌ای از شکست‌های قابل انتظار نظریه ریسمان الهام گرفته‌اند، به گزینه‌ای دیگر به نام گرانش کوانتومی حلقه (Loop Quantom Gravity – LQG) رو آورده‌اند. آن‌ها اگر بتوانند از یکی از اصل‌های حیاتی نسبیت عام رها شوند، می‌توانند در نظریه را با هم سازگار کنند: این اصل که فضا-زمان یک بافت یکنواخت و پیوسته است.

به جای این، آن‌ها استدلال می‌کنند که فضا-زمان از مجموعه‌ای از حلقه‌های در هم پیچیده ساخته شده – که ساختار آن در کوچک‌ترین مقیاس ممکن شکل گرفته. این کمی شبیه به یک پارچه است. در نگاه اول ممکن است پارچه یک بافت یکنواخت به نظر برسد. هرچند با کمی دقت می‌توان دید که از یک شبکه نخ تشکیل شده. می‌توانید یک عکس را روی صفحه کامپیوتر نیز در نظر بگیرید: اگر زوم کنید، خواهید دید که در واقع از پیکسل‌های تکی ساخته شده.

مشکل اینجاست که وقتی فیزیکدانان LQG حرف از مقیاس‌های کوچک می‌زنند، منظورشان واقعا کوچک است. این نواقص فضا-زمان تنها در مقیاس پلانک – حدود یک تریلیونیم تریلیونیوم تریلیونیوم یک متر – قابل مشاهده هستند. این به قدری کوچک است که تعداد حلقه‌های درون یک سانتی‌متر مکعب از فضا از تعداد تمام سانتی‌مترهای مکعب در کیهان قابل مشاهده بیشتر می‌شود.

به گفته لوکو «اگر فضا-زمان فقط در مقیاس پلانک متفاوت است، آزمایش آن در هیچکدام از شتاب‌دهنده‌های ذرات کار ساده‌ای نخواهد بود.» برای این کار به برخورددهنده‌ای ۱۰۰۰ تریلیون بار بزرگتر از برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) در سرن نیاز است. پس چطور می‌توان نقص‌های فضا-زمان به این کوچکی را تشخیص داد؟ پاسخ این است که باید به فضایی بسیار بزرگ نگاه کرد.

نوری که از دورترین لبه‌های کیهان به ما می‌رسد، فضا-زمانی به وسعت میلیاردها سال نوری را پشت سر گذاشته. با این که اثر هرکدام از نقص‌های فضا-زمان بسیار ناچیز است، در طول مسافتی به این بزرگی، آثار اندرکنش با چندین نقص می‌تواند به قدر کافی انباشته شود که بتوان آن را مشاهده کرد.

در طول دهه گذشته، اخترشناسان در حال استفاده از نور انفجارهای پرتوی گاما در دوردست‌ها بوده‌اند تا شواهدی در تایید LQG بیابند. این فلش‌های کیهانی نتیجه فروپاشی ستاره‌های غول‌پیکر در پایان عمر خود است و چیزی درباره این انفجارهای دوردست وجود دارد که در حال حاضر قادر به توضیح آن نیستیم. به گفته هوسنفلدر «طیف آن‌ها یک اعوجاج منظم دارد» اما هیچکس نمی‌داند این اعوجاج به دلیل چیزی است که در طول مسیر این نورها رخ می‌دهد، یا به خود منبع انفجار ربط دارد. هنوز نمی‌توان به یک داوری متفق رسید.

برای پیشرفت در فهم کیهان، احتمالا این که بگوییم فضا-زمان، آن‌طور که اینشتین می‌گفت، یک بافت پیوسته و یکنواخت نیست، کافی نخواهد بود. طبق نظریه اینشتین، فضا-زمان مانند یک طبقه است و جدا از این که بازیگران روی آن اثر دارند یا نه، سر جایش باقی خواهد ماند – حتی اگر هیچ ستاره یا سیاره‌ای در حرکت نباشد، فضا-زمان وجود دارد.

با این حال فیزیکدانان لوران فریدل (Laurent Freidel)، رابرت لی (Robert Leigh) و جورج مینیک (Djordje Minic) عقیده دارند که این تصویر مانع از پیشرفت ما می‌شود. به باور آن‌ها فضا-زمان مستقل از اشیایی که درون آن است وجود ندارد. فضا-زمان وابسته به نحوه اندرکنش اشیاء معین می‌شود. این فضا-زمان را یک محصول دنیای کوانتومی می‌سازد، نه چیزی که با آن ترکیب شده. مینیک می‌گوید «شاید چنین چیزی عجیب غریب به نظر برسد، اما رویکرد صحیح به این مساله همین است.»

جذابیت این نظریه – که فضا-زمان ماژولار نامیده می‌شود – این است که می‌توان از آن برای حل یکی از قدیمی‌ترین مسائل فیزیک نظری در رابطه با لوکالیتی (مکان‌مندی)، و یک پدیده بدنام در فیزیک کوانتومی به نام درهم‌تنیدگی کمک گرفت.

فیزیکدانان می‌توانند شرایطی را مهیا کنند که در آن دو ذره را کنار هم آورد و ویژگی‌های کوانتومی آن‌ها را به هم پیوند داد. بعد می‌توانند آن‌ها را در فاصله‌ای بسیار زیاد از هم قرار دهند و همچنان این پیوند حفظ شود. با تغییر ویژگی یکی از آن‌ها، ویژگی دیگری نیز بلافاصله تغییر می‌کند، گویی که اطلاعات با سرپیچی مستقیم از اصل نسبیت، سریع‌تر از سرعت نور بین دو ذره جابجا شده است. اینشتین از این پدیده بسیار برآشفته بود و نام آن را «کنش شبح‌وار در یک فاصله» نامید.

نظریه فضا-زمان ماژولار می‌تواند با تعریف دوباره معنای جدا بودن می‌تواند از پس این مساله بر بیاید. اگر فضا-زمان از دل دنیای کوانتومی پدید می‌آید، پس نزدیک بودن در مفهوم کوانتومی از نزدیک بودن در مفهوم فیزیکی بنیادی‌تر است. مینیک می‌گوید «مشاهده‌های متفاوت تصوراتی متفاوت از لوکالیتی خواهند داشت، و این به زمینه مشاهدات وابسته است.»

این تا حدی شبیه به رابطه ما با دیگر افراد است. می‌توانیم کسانی را که دوست‌شان داریم و از آن‌ها دوریم، نزدیک‌تر از یک غریبه در همسایگی‌مان احساس کنیم. به گفته هوسنفلدر: «تا زمانی که این ارتباط‌های غیر مکان‌مند به اندازه کافی کوچک باشند، می‌توانید آن‌ها را داشته باشید.»

فریدل، لی و مینیک در پنج سال گذشته در حال کار روی ایده‌شان بوده‌اند و عقیده دارند که رفته رفته دارند در کارشان پیشرفت می‌کنند. مینیک می‌گوید: «ما می‌خواهیم محافظه‌کار بمانیم و چیزها را قدم به قدم جلو ببریم، اما این هیجان کار را بالا می‌برد.» رویکرد آن‌ها قطعا یک رویکرد نوین است و دنیای کوانتوم را «گرانشی‌سازی» می‌کند؛ برخلاف LQG که گرانش را کوانتومی می‌کند. با این حال، درست مثل هر نظریه علمی دیگر، این نظریه نیز باید آزمایش شود. در حال حاضر این گروه سه نفره در حال کار روی گنجاندن زمان در مدل‌شان هستند.

ممکن است تمام این‌ها سِری به نظر بیاید، چیزی که فقط استادان دانشگاه به آن اهمیت می‌دهند، اما اثر آن روی زندگی روزمره ما می‌تواند بسیار عمیق باشد.

هوسنفلدر می‌گوید: «ما در فضا می‌نشینیم، در طول زمان سفر می‌کنیم و اگر چیزی فهم ما از فضا-زمان را تغییر دهد، نه تنها فهم ما از گرانش، بلکه کل نظریه کوانتوم متحول می‌شود. تمام دستگاه‌های فعلی ما به خاطر نظریه کوانتوم کار می‌کنند. اگر ساختار کوانتومی فضا-زمان را بهتر درک کنیم، اثرش روی تکنولوژی‌های آینده بسیار بزرگ خواهد بود – شاید نه در ۵۰ یا ۱۰۰ سال آینده، اما شاید در ۲۰۰ سال.»

نفس‌های پادشاه فعلی به شماره افتاده و یک مدعی دیگر برای تاج و تخت مدت‌هاست که سر رسیده، اما نمی‌توانیم بدانیم کدام یک از گزینه‌های جایگزین احتمال پیروزی بیشتری دارند. وقتی این را بفهمیم، انقلابی که حاصل می‌شود نه فقط برای فیزیک نظری، بلکه برای همه ثمربخش خواهد بود.