چطور به ماهیت فضا-زمان پی‌ببریم؟
برگردان: سحر الله وردی
بیگ بنگ: آیا واقعیت ما یکسره است یا به بخش‌های کوچک و مجزایی تقسیم شده؟ به بیان دیگر، آیا فضا-زمان یکسره است یا تکه تکه؟ این سئوال اساس بنیادی‌ترین نظریات فیزیک را تشکیل می‌دهد و با نحوۀ ارتباط فضا و زمان با ماده‌ی وجودی ما ارتباط دارند. اگر این موضوع را بفهمیم، آنگاه برای همیشه ماهیت ِ واقعیت، تغییر می‌کند
به گزارش بیگ بنگ، هرچند، آزمایش تجربی ماهیت فضا و زمان تاکنون به دلیل ِ انرژی‌های شدید لازم برای جستجوی چنین مقیاس‌های کوچکی در کیهان غیرممکن بوده است. اما گروهی از اخترشناسان یک برنامۀ جدید برای استفاده از یک فضاپیمای کوچک پیشنهاد دادند تا بتواند تغییرات ِ ظریف در سرعت ِ نور را شناسایی کند. اگر فضا و زمان به قطعات کوچکی تجزیه شود، راه برای درک یک واقعیت جدید، باز می‌شود.
تکه تکه در مقابل یکسره
سئوال «فضا و زمان چیست؟» به هزاران سال پیش باز می‌گردد و درک مدرن ما بر اساس دو نظریۀ پایه‌‌ای ناقص شکل گرفته است: مکانیک کوانتومی و نسبیت عام اینشتین.
در نسبیت عام، فضا و زمان در تار و پودی متحدِ بنام فضا-زمان، در هم تنیده می‌شوند، مرحله‌ای چهاربعدی که پایه و اساس کیهان را تشکیل داده است. فضا-زمان یکسره است، یعنی هیچ شکافی در هیچ جایی وجود ندارد و یک بافت یکنواخت است. هرچند، فضا-زمان فقط یک بستر برای ما نیست تا کارهایمان را انجام دهیم، بلکه خودش نیز یک بازیکن است: خمیدگی و پیچ و تاب فضا-زمان موجب ِ ایجاد ِ “گرانش” می‌شود.
در مقابل، مجموعه‌ای از قواعد که مکانیک کوانتومی نامیده می‌شود فعل و انفعالات چیزهای بسیار کوچک در کیهان را اداره می‌کنند. مکانیک کوانتومی بر اساس این ایده پایه‌گذاری شده که بخش زیادی از تجربه‌ی روزمره‌ی ما یکنواخت و یکسره نیست، بلکه تکه تکه است. به بیان دیگر، به تدریج رخ می‌دهد. انرژی، تکانه، چرخش و خواص ِ دیگر ماده فقط در بسته‌های کوچک و مجزا وجود دارند.
همچنین، مکانیک کوانتومی به خودی خود به دو بخش تقسیم می‌شود. از یک طرف، ذرات مشابهی در وجودمان داریم، مثل الکترون‌ها و پروتون‌ها که با یکدیگر تعامل دارند و کارهای جالب دیگری انجام می‌دهند. اینها واقعأ بسیار تکه تکه هستند، چون چیزهای مجزایی می‌باشند. از طرف دیگر، رشته‌های کوانتوم را داریم. در دنیای زیراتمی، هر نوع ذره‌ای میدان خاص خود را دارد که در طول فضا-زمان گسترش پیدا می‌کند. وقتی به ذرات فکر می‌کنیم، در واقع ارتعاشات کوچکی را در میدان‌های آنها تصور می‌کنیم که با ذرات دیگر تعامل برقرار می‌کنند و کارهای جالب دیگری نیز انجام می‌دهند. این میدان‌ها بسیار یکنواخت هستند.
ذرات فضا و زمان
ما تصاویر یکنواخت و تکه تکه‌ای از کیهان‌مان داریم. وقتی نوبت به خودِ فضا-زمان می‌رسد، به راحتی می‌توانیم مفاهیم مکانیک کوانتومی را تا نتیجه‌گیری منطقی‌شان تصور کنیم و این ایده که فضا و زمان گسسته است، رد می‌شود: تار و پود واقعیت مثل پیکسل‌هایی یک صفحه کامپیوتر گسسته هستند و چیزی که ما بعنوان یک حرکت یکنواخت و یکسره تجربه می‌کنیم، چیزی نیست بجز شبکه‌ای از پیکسل‌های گسسته در کوچکترین مقیاس‌ها.
بسیاری از نظریات ادغام مکانیک کوانتومی با نسبیت عام مثل نظریۀ ریسمان و گرانش کوانتوم حلقه‌‌ای، را نوعی فضا-زمان گسسته پیش‌بینی می‌کنند (اگرچه پیش‌بینی‌ها، تفاسیر و دلالت‌های دقیق این تکه تکه بودن هنوز به درستی درک نشده است). اگر بتوانیم شواهدی را برای فضا-زمانی گسسته بیابیم، نه تنها درکمان از واقعیت تغییر می‌کند، بلکه دری به سوی انقلابی در فیزیک گشوده می‌شود.
این گسستگی می‌تواند خود را در ظریف‌ترین اشکال نشان دهد؛ در غیر این صورت باید آن را تاکنون تشخیص می‌دادیم. نظریات گوناگون پیش‌بینی کرده‌اند که اگر فضا-زمان واقعأ تکه تکه باشد، آنگاه سرعت ِ نور ممکن است کاملأ ثابت نباشد – ممکن است بسته به انرژی آن، سرعت نور کمی تغییر کند. نورِ پرانرژی‌تر دارای طول موج کوتاه‌تری است و وقتی طول موج به اندازۀ کافی کوچک شود، می‌تواند تکه تکه بودنِ فضا-زمان را ببیند. تصور کنید در یک پیاده‌رو در حال پیاده‌روی هستید: اگر پایتان بزرگ باشد هیچگونه شکاف یا دست‌انداز کوچکی را تشخیص نخواهید داد،اما اگر پاهای میکروسکوپی داشته باشید، باید از هر نقص کوچکی به سختی عبور کنید که سرعتتان را کُند می‌کند. اما این تغییر به شدت کوچک است. اگر فضا-زمان گسسته باشد، در مقیاسی یک میلیارد بار کوچکتر از آن چیزی خواهد بود که در حال حاضر در قدرتمندترین آزمایشاتمان جستجو می‌کنیم.
در جستجوی هدف نهایی
مأموریت GrailQuest: آزمایشگاه بین‌المللی اخترشناسی پرتو گاما برای اکتشاف کوانتومی فضا-زمان.
گروهی از اخترشناسان پیشنهاد این مأموریت را در واکنش به ایده‌های جدید شکار فضا-زمان از سوی سازمان فضایی اروپا(ESA) مطرح کردند. پیشنهاد آنها با جزئیات در پایگاه دادۀ arXiv منتشر شده است، یعنی هنوز محققان دیگر در این رشته آن را بازبینی نکرده‌اند.
برای مشاهدۀ اینکه آیا سرعت نور با انرژی‌های مختلف تغییر می‌کند، باید مقدار زیادی نور پرانرژی را در کیهان جمع‌آوری کنیم و مأموریت GrailQuest امیدوار است این کار را انجام دهد. این ماموریت، شامل ناوگانی از فضاپیماهای کوچک و ساده است (تعداد دقیق آنها متغیر است، از ده‌ها عدد برای ماهواره‌های بزرگتر گرفته تا چند هزار عدد برای ماهواره‌های کوچکتر) تا آسمان را دائمأ از لحاظ انفجارات پرتو گاما رصد کنند.
پرتوهای گاما جزو قدرتمندترین انفجارهای کیهانی هستند. همانطور که از نامشان پیداست، آنها مقادیر زیادی فوتون پرانرژی به نام پرتوهای گاما را منتشر می‌کنند. این پرتوهای گاما که میلیاردها سال در فضا عبور کرده‌اند، به ناوگان فضاپیماها می‌رسند. این فضاپیماها انرژی پرتوهای گاما و اختلافات در زمانبندی‌های عبور انفجارات از کنار ناوگان را ثبت می‌کنند.
این ماموریت با دقت زیاد می‌تواند نشان دهد که آیا فضا-زمان، گسسته است. حداقل تنظیمات درستی دارد: پرانرژی‌ترین نور را بررسی می‌کند (که بیشتر نظریاتی که پیش‌بینی می‌کنند فضا-زمان تکه تکه است را تحت تأثیر قرار می‌دهد). پرتوهای گاما برای میلیاردها سال سفر کرده‌اند (و این اثر را با گذشت زمان ایجاد کرده‌اند). این فضاپیماهای ساده به طور گروهی داده جمع می‌کنند (بنابراین کل ناوگان می‌تواند رویدادهای گوناگون را در سراسر آسمان مشاهده کند).
اگر قرار بود GrailQuest شواهدی را برای گسستگی فضا-زمان پیدا کند، برداشت‌های ما از تغییر واقعیت چگونه بود؟ نمی‌توان گفت – نظریات کنونی ما کاربرد چندانی ندارند. مهم نیست چطور اما باید منتظر بمانیم. در حین انتظار می‌توانیم بحث کنیم که آیا زمان سپری شده بین الان و قبل اساسأ یکنواخت است یا تکه تکه.
