آیا فضا و زمان کوانتومی است؟

مکانیک کوانتومی و نسبیت عام، دو ستون بنیادین فیزیک قرن بیستم‌اند. اولی رفتار ذرات بنیادی در مقیاس‌های کوچک را توصیف می‌کند و دومی ساختار کلان‌مقیاس جهان، از ستارگان تا انحنای فضا-زمان را شرح می‌دهد. با این حال، این دو نظریه در ذات خود با هم ناسازگارند. نسبیت عام فضا و زمان را پیوسته و کلاسیک می‌بیند، در حالی‌که مکانیک کوانتومی جهان را بر اساس عدم قطعیت، گسستگی و ابرپوزیشن توصیف می‌کند.

در این مقاله، بررسی می‌کنیم که آیا فضا و زمان خود نیز دارای ساختاری کوانتومی‌اند؟ پاسخ به این پرسش کلید توسعه نظریه گرانش کوانتومی است؛ نظریه‌ای که باید بتواند رفتار گرانش را در مقیاس‌های بسیار کوچک توضیح دهد و در عین حال با نسبیت عام و کوانتوم هماهنگ باشد.

چرا گرانش کوانتومی؟

در بیشتر شرایط، می‌توان گرانش (نسبیت عام) و کوانتوم را جداگانه به‌کار برد. اما در موقعیت‌هایی مانند:

• نزدیکی به تکینگی سیاه‌چاله‌ها

• لحظه‌ی آغاز بیگ‌بنگ

• فیزیک در مقیاس پلانک (10−35 متر)

... تعامل گرانش و کوانتوم غیرقابل چشم‌پوشی است.

در این مقیاس‌ها، نظریه‌ای که همزمان فضا-زمان را دینامیکی و کوانتومی در نظر بگیرد، ضروری است. به همین دلیل، فیزیک‌دانان به‌دنبال نظریه‌ای به نام گرانش کوانتومی (Quantum Gravity) هستند.

آیا فضا و زمان پیوسته‌اند یا گسسته؟

نسبیت عام، فضا-زمان را پیوسته، خم‌شونده و هندسی توصیف می‌کند. ولی در مکانیک کوانتومی، میدان‌ها (مانند الکترومغناطیس یا الکترون‌ها) روی زمینه‌ای از فضا و زمان تعریف می‌شوند؛ فضا-زمان در این نظریه خود کوانتومی نیست.

اما اگر بخواهیم گرانش را کوانتومی کنیم، باید فضا و زمان را نیز دارای ماهیت کوانتومی بدانیم. این یعنی:

• فضا و زمان ممکن است گسسته (discrete) باشند، نه پیوسته.

• ممکن است در مقیاس پلانک، فضا-زمان دارای ناپیوستگی، فازی بودن یا ساختار فومی‌شکل (spacetime foam) باشد [1].

نظریه‌های برجسته در گرانش کوانتومی

1. نظریه ریسمان (String Theory)

نظریه ریسمان پیشنهاد می‌دهد که ذرات بنیادی در واقع ریسمان‌های یک‌بعدی نوسانی هستند. در این نظریه، گرانش به‌طور طبیعی از ارتعاش یک حالت خاص از ریسمان حاصل می‌شود (گرانـون).

ویژگی مهم نظریه ریسمان این است که:

• نیاز به ابعاد اضافی دارد (تا ۱۰ یا ۱۱ بعد)

• فضا-زمان کلاسیک نیست؛ بلکه یک برآیند از دینامیک ریسمان‌هاست

• زمان و فضا در این نظریه در برخی چارچوب‌ها، Emergent (پدیداری) هستند، نه بنیادین [2]

2. گرانش کوانتومی حلقه‌ای (Loop Quantum Gravity)

در این نظریه، تلاش می‌شود تا خود فضا-زمان را کوانتومی کنیم، بدون نیاز به ابعاد اضافی یا فرضیات ریسمان‌ها. گرانش کوانتومی حلقه‌ای (LQG):

• فضا را به صورت شبکه‌هایی از حلقه‌های کوانتومی توصیف می‌کند

• نشان می‌دهد که مساحت و حجم دارای مقادیر گسسته هستند

• در نتیجه، فضا و زمان در کوچک‌ترین مقیاس‌ها، گسسته و کوانتومی هستند [3]

3. نظریه‌های پدیداری فضا-زمان (Emergent Spacetime)

برخی پژوهشگران معتقدند که فضا و زمان مفاهیمی پدیداری (emergent) هستند، مشابه دما یا فشار که از رفتار مولکولی گازها برمی‌آیند.

• فضا-زمان ممکن است از اطلاعات کوانتومی، درهم‌تنیدگی و ساختار شبکه‌ای کیوبیت‌ها پدیدار شود

• نمونه بارز این دیدگاه، رابطه بین گرانش و آنتروپی سیاه‌چاله‌ها است (مانند قضیه‌ی Bekenstein-Hawking)

• در برخی مدل‌ها، هندسه‌ی فضا-زمان با ساختار درهم‌تنیدگی میدان‌های کوانتومی مرتبط است [4]

آزمایش‌پذیری: آیا می‌توان این ایده‌ها را آزمود؟

گرانش کوانتومی با چالش‌های بزرگی در زمینه‌ی آزمایش‌پذیری روبه‌روست، زیرا:

• مقیاس پلانک به شدت کوچک است:
  lP≈1.6×10−35 متر

• انرژی مورد نیاز برای بررسی مستقیم این مقیاس، بسیار فراتر از توانایی شتاب‌دهنده‌های فعلی است.

با این حال، برخی ایده‌ها برای آزمون‌های تجربی وجود دارد:

1. اثر بر تابش گاما از اجرام کیهانی (Gamma-Ray Bursts):
   بررسی تأخیرهای زمانی وابسته به انرژی، که ممکن است ناشی از گسستگی فضا-زمان باشند.

2. تداخل‌سنجی با فوتون یا نوترینو در مقیاس‌های بالا:
   آیا آثار لرزش‌های کوانتومی در ساختار فضا-زمان در این آزمایش‌ها قابل شناسایی است؟

3. تابش هاوکینگ از سیاه‌چاله‌ها:
   اگر بتوان تابش هاوکینگ را مستقیماً مشاهده کرد، ممکن است سرنخ‌هایی درباره ماهیت کوانتومی فضا-زمان ارائه دهد.

رابطه گرانش کوانتومی با زمان

زمان در نسبیت عام، متغیری دینامیکی و وابسته به ناظر است. اما در مکانیک کوانتومی، زمان یک پارامتر خارجی (external parameter) محسوب می‌شود. این اختلاف نگاه به زمان، چالش بزرگی برای تلفیق دو نظریه است.

در بسیاری از مدل‌های گرانش کوانتومی، زمان به‌عنوان پارامتر emergent ظاهر می‌شود. به عبارت دیگر:

• در سطح بنیادی، زمان ممکن است اصلاً وجود نداشته باشد

• ولی در سطح ماکروسکوپی، رفتارهای دینامیکی ظاهر می‌شوند که ما آن‌ها را به عنوان "زمان" درک می‌کنیم [5]

فضا-زمان فومی‌شکل (Spacetime Foam)

جان ویلر (John Wheeler) ایده‌ی فوم کوانتومی فضا-زمان را مطرح کرد، که بیان می‌کند:

در مقیاس پلانک، فضا-زمان آرام و پیوسته نیست، بلکه ساختاری پرآشوب، پرنوسان و فومی‌شکل دارد که به‌طور دائمی در حال نوسان کوانتومی است.

این دیدگاه می‌تواند توضیح دهد چرا سیاه‌چاله‌ها، بیگ‌بنگ، یا مرزهای جهان با نظریه‌های فعلی قابل توصیف نیستند.

نتیجه‌گیری

پرسش از ماهیت کوانتومی فضا و زمان، یکی از عمیق‌ترین پرسش‌های فیزیک نظری است. نظریه‌هایی چون گرانش کوانتومی حلقه‌ای، ریسمان و نظریه‌های emergent، نشان می‌دهند که فضا و زمان می‌توانند:

• گسسته باشند

• از اطلاعات یا درهم‌تنیدگی پدیدار شوند

• در مقیاس‌های بسیار کوچک، ساختاری ناپیوسته و دینامیکی داشته باشند

هرچند فعلاً آزمایش مستقیمی برای اثبات ساختار کوانتومی فضا-زمان در دست نیست، اما پیشرفت‌های نظری و تجربی، به‌ویژه در کیهان‌شناسی کوانتومی، اطلاعات سیاه‌چاله‌ها و محاسبات کوانتومی، می‌تواند در دهه‌های آینده به پاسخ‌هایی برای این پرسش منتهی شود.