فضا، توهم نهایی بشر

بسیاری از پیشرفت‌های شگرف در علوم مدیون اکتشافاتی بود که نشان داد، جنبه‌هایی از طبیعت که ما می‌پنداشتیم بنیادین باشد، در واقع توهمی بیش نبوده و ادراک حسی زمخت ما اجازه نمی‌داد تا این توهم را بفهمیم. هوا و آب برای ما سیالاتی پیوسته بودند، ولی متوجه شدیم که از اتم‌ها درست شده‌اند. زمین بی‌حرکت می‌نمود، ولی درکی عمیق‌تر به ما آموخت که کره‌ی آبی نسبت به خورشید و کهکشان حرکت دارد.

توهم ثابت دیگر این است که اشیاء فیزیکی تنها با اجسام نزدیک برهمکنش دارند. به این قانون، اصل لوکالیتی می‌گویند. می‌توان این قانون را به صورت دقیق‌تر اینگونه بیان کرد که قدرت نیروهای بین دو جسم با توان چندم فاصله‌ی آن‌ها از هم ارتباط دارد. از این مشاهدات می‌توان استنباط کرد که اجسام به صورت مستقیم با هم تعامل ندارند، بلکه تنها از طریق واسطه‌گری یک میدان، مثلاً میدان الکترومغناطیسی می‌توانند ارتباط برقرار کنند، که از یک جسم به جسم دیگر انتشار می‌یابد. میدان‌ها با انتشار خود توسط خطوط میدانی که همواره ناحیه بزرگ‌تری را پوشش داده‌اند، گسترش می‌یابند. این مسئله توجیهی طبیعی برای قوانینی است که می‌گویند نیروهای بین بارها و اجرام با مربع فاصله‌ی بین آن‌ها ارتباط معکوس دارند.

لوکالیتی یکی از جنبه‌های یک توهم بسیار جالب‌تر است: ما در فضای مطلقی موجودیت می‌یابیم که در رابطه با آن موقعیت خود را با حرکت “از طریق” آن نشان می‌دهیم. بنابرین، نیوتون اظهار کرد که حرکت در نهایت به صورت تغییر موقعیت در رابطه با فضای مطلق تعریف می‌شود. چنان که غامض می‌نمود – چون هیچ سنجشی نمی‌تواند رابطه‌ای را بین یک شیء فیزیکی و این فضای مطلق متصور شود – نیوتون به ما اطمینان خاطر داد که فضای مطلق را تنها خدا می‌بیند و موقعیت شما نسبت به آن یکی از جنبه‌های اولوهیت در جهان است. ما انسان‌ها بایستی موقعیت و حرکت نسبی داشته باشیم، که نسبت تعریف شده‌ای با اجسامی دارد که می‌بینیم.

افسانه‌زدایی

لایب‌نیتز این افسانه‌سرایی را با اعلام این که “هر چه وجود دارد، تنها موقعیت‌ها و حرکت‌های نسبی هستند”، زدود. او قانونی را مطرح کرد که بر اساس آن هر گونه علم حرکت قابل قبولی باید تنها در قالب حرکت‌های نسبی فرموله گردد. دو قرن گذشت، و اینشتین با الهام گرفتن از این نظر لایب‌نیتز، ما را به دنیای نظریه نسبیت عام برد. در این بنای باشکوه، فضا زیرمجموعه‌ی فضازمان شد که به عنوان یک شبکه‌ی پویا از روبط قابل توجیه است.

خوب چه چیزی این روابط را تعریف می‌کند؟ فقط علیت. عناصر فضا-زمان وقایعی هستند – اصطلاح نهایی ما برای موقعیت شد واقعه – و هر کدام از آن‌ها به دلیل وقایعی در گذشته‌ی خود رخ می‌دهند. هر واقعه به نوبه‌ی خود علتی برای وقایع معلول در آینده خواهد شد. قسمت اعظم دانسته‌ها در هندسه‌ی فضازمان، در واقع رمزنگاری همین روابط علیت است که وقایع را به هم ارتباط می‌دهند.

خوب، می‌بینیم که ایده‌ی کنش موضعی نیروهای فیزیکی نتیجه‌ی اصلی عمیق‌تر است؛ اصلی که می‌گوید معلول‌های فیزیکی وجود خود را مدیون فرآیندهای علیتی هستند. قواعد پایه‌ای نظریه نسبیت بر این موضوع پافشاری می‌کنند که علل تنها می‌توانند از طریق فضا با یک سرعت محدود (نمی‌تواند بالاتر از سرعت نور باشد) انتشار یابند. ما به این قانون، اصل علیت نسبیتی می‌گوییم.

این اصل آنقدر طبیعی جلوه می‌کند که باید واقعی باشد، ولی اینطورها هم نیست. اگر اعجب العجایب فیزیک کوانتوم را بخواهم به شما معرفی کنم، این واقعیت است که اصل علیت نسبیتی در پدیده‌های کوانتومی صادق نیست. در کلام مثال، اگر دو ذره برخورد کرده و از هم جدا شوند، حتی اگر خیلی از هم دور شوند، با این وجود می‌توانند به شیوه‌ای عجیب در برخی خصوصیت‌ها مشترک باشند؛ گویی این دو ذره به طریقی به هم متصلند. به این ذرات “درهم‌تنیده” می‌گویند.

هر زمان دو ذره در وضعیت درهم‌تنیده باشند، آزمایشگر قادر است با اندازه‌گیری برخی از ویژگی‌های مرتبط یکی از ذرات، بلافاصله و به طور مستقیم خصوصیات ذره‌ی دیگر را تغییر دهد. چنین اثری، به سیگنالی نیاز دارد که بسیار سریع‌تر از سرعت نور باشد.

این پدیده از ۱۹۷۰ بارها در آزمایش‌های مختلفی که مفهومی از لوکالیتی فرموله شده توسط جان بل (۱۹۶۴) را تست کرده‌اند، مشاهده شده؛ و تمامی نتایج نشان می‌دهد که جفت ذرات درهم‌تنیده مفهوم لوکالیتی را نقض کرده‌اند.

جزء می‌تواند از قوانین کل سرپیچی کند

مکانیک کوانتوم فعلی تنها میانگین‌های آماری پیامدهای بسیاری از آزمایش‌ها را، از جمله همین آزمایش، پیش‌بینی می‌کند. در نتیجه، ممکن نیست از حال بدون موقعیت جفت ذرات درهم‌تنیده برای ارسال سیگنالی سریع‌تر از نور استفاده کنیم. با این حال، بسیاری از فیزیکدانان آرزومند، مثل اسلاف خود، اینشتین، دو بروی، شرودینگر و سایر مخترعان مکانیک کوانتوم، آرزو می‌کنند تا نسخه‌ی بهتری از نظریه‌ی کوانتوم کشف کنند.

چنین اکتشافی باید بتواند نظریه‌ی آماری کنونی را با نظریه‌ای کامل‌تر جایگزین کند، که توصیف کامل و دقیقی از تمامی فرآیندهای کوانتومی داشته باشد. چنین نظریه‌ای باید بر روی مفاهیمی مثل حرکت سریع‌تر از سرعت نور، نابودی اصل علیت نسبیتی و همچنین درک شهودی ما از تأثیر موضعی بنا شود.

آیا چنین درک کامل‌تری از فیزیک کوانتوم ممکن است؟ جستجوی ما برای آن چگونه خواهد بود؟ به عقیده‌ی من، این کار بدون جهش غیرقابل‌اجتناب بعدی در پیشرفت فیزیک ممکن نیست. به نظر من، تکمیل مکانیک کوانتوم قسمت اعظم حل یک مسئله‌ی بنیادی‌تر است؛ مسئله‌ی یکی کردن دانسته‌هایمان درباره‌ی گرانش، فضازمان و کوانتوم. نتیجه‌ی این موفقیت، ارائه‌ی نظریه‌ای کوانتومی برای گرانش خواهد بود.

دلیل این امر آن است که به نظر خیلی‌ها خود نظریه‌ی کوانتومی گرانش تناقض‌های زیادی به لوکالیتی وارد خواهد کرد. همانطور که فوتینی مارکوپلو و من در سال ۲۰۰۳ اعلام کردیم، نقض‌هایی که گرانش کوانتوم به لوکالیتی وارد خواهد کرد، دقیقاً همان چیزی است که برای توجیه نان‌-لوکالیتی درهم‌تنیدگی کوانتومی نیاز داریم.

اگر قرار است فیزیک کاملی داشته باشیم، باید تصویر هندسی فضازمانِ نسبیت عام را با فیزیک کوانتوم یکی کنیم. شواهدی نظری داریم که می‌گوید این پروژه‌ی ساخت نظریه‌ی کوانتومی گرانش نیازمند مجزا شدن فضازمان از فضا و ساخته شدن آن‌ها از اتم‌های محدود هندسی است.

همانطور که فاز مایع تنها توصیفی از جنبش‌های تجمیعی تعداد بی‌شماری از اتم‌ها است، فضا و فضازمان هم راهی برای حرف زدن درباره‌ی خصوصیات جمعی تعداد کثیری از وقایع اتمی می‌باشد. قدم نهادن دائمی این وقایع به عرصه وجود و نابودی پس از آن، علت وقایع بعدی، پس از عقب‌نشینی خود آن‌ها به گذشته محسوب می‌شود. این آمد و شد است که ساختمان لاینقطع جهان، یا به زبان عادی همان گذر زمان را به وجود آورده است.

هدف نظریه کوانتومی گرانش در ابتدا، فرضیه‌سازی برای قوانینی است که بر وقایع ابتدایی حکم می‌کنند؛ یعنی قوانینی که بر اساس آن‌ها وقایع موجودیت یافته و سپس به گذشته پس‌روی می‌نمایند. سپس باید نشان دهیم که چگونه تصویر بزرگ‌مقیاس‌تر پدیدار می‌شود؛ تصویری که در آن، این وقایع مجزا زیرمجموعه‌ی فضازمان پیوسته می‌گردند. درست همانطور که اینشتین سال ۱۹۱۵ در نظریه‌ی نسبیت عام خود توصیف کرد.

در ابتدا فضایی وجود ندارد – تنها شبکه‌ای از وقایع ابتدایی منفرد است که روابطی با هم دارند؛ این روابط تعیین می‌کند که کدامیک علت مستقیم سایر وقایع هستند. مفهوم گذر وقایع، روی‌هم‌رفته به توصیف ملموسی به زبان هندسی می‌انجامد که فضازمان است – و مهم‌ترین جنبه‌ی آن لوکالیتی می‌باشد. مفهوم فاصله باید پدیدار گشته و معلوم شود که چرا وقایع نزدیک‌تر، به طور میانگین، بیشتر احتمال دارد روی هم تأثیر بگذارند. رسیدن به این هدف، مقصود نهایی فیزیکدانانی است که روی گرانش کوانتومی کار می‌کنند.

توجه داشته باشید که اگر این امر صحیح باشد، با دو مفهوم درباره‌ی لوکالیتی روبه‌رو هستیم: یک لوکالیتی بنیادین، که بر اساس این واقعیت استوار شده که کدام وقایع بنیادین علت بقیه بوده‌اند، و یک لوکالیتی تقریبی، تجمیعی و مبرم که می‌گوید کدام وقایع در فضا و فضازمان نزدیک به هم بوده‌اند. بدین ترتیب، مفهوم ماکروسکوپیک و آشنا به ذهنِ فاصله یک میانگین تجمیعی از فرآیندهای بیشمار علیتی بنیادین است. برای آشنا شدن با منظور ما از بی‌شمار، باید اینگونه مثال بزنیم که در هر سانتی‌متر مکعب از فضا در هر ثانیه، نزدیک به ۱۰۱۲۰ واقعه ابتدایی به وقوع می‌پیوندد.

در واقع، یکی از راه‌ها برای نزدیک شدن به گرانش کوانتومی استخراج معادلات اینشتین (قوانین نسبیت عام که به فضازمان اعمال می‌شود) از قوانین ترمودینامیک (به وقایع ابتدایی بی‌شماری اعمال می‌گردد) است. این راهبرد در سال ۱۹۹۵ از طرف تد جاکوبسون ارائه شد که هنوز هم مثل بقیه‌ی مقالات اندک او مورد تحسین فیزیکدانان می‌باشد.

ولی ما با یک شگفتی، یا شاید یک فرصت روبه‌رو هستیم. برای مفهوم تجمیعی و بزرگ‌مقیاس نزدیکی تنها لازم است پس از میانگین گرفتن از تعداد بیشمار وقایع، با مفهوم بنیادین علیت ارتباط برقرار شود. این کار به وقایع بنیادین منفرد و روابط علیتی آن‌ها آزادی عمل بزرگی می‌دهد تا از میانگین‌ها دور شوند.

برای مثال، تنها دو واقعه ابتدایی را در نظر بگیرید. یکی در فنجان قهوه‌ای که هم‌اکنون شما می‌نوشید و دیگری در فنجان هر آن چیزی که آن‌ها در سیاره‌های پروکسیما قنطورس می‌نوشند. شاید فاصله‌ی این وقایع چهار سال نوری باشد، اما دلیل نمی‌شود یکی از آن‌ها علت ابتدایی دیگری نباشد.

ما می‌توانیم این دو واقعه را تقریباً همزمان انتخاب کنیم. بنابرین، این کار نظریات نسبیت اینشتین را نقض می‌کند؛ این که یکی از این وقایع علت دیگری باشد. ولی اگر قوانین نسبیت را تنها بر میانگین تجمیعی بزرگ‌مقیاس وقایع اعمال کنیم، تناقض هم از بین می‌رود. قوانین ترمودینامیک هم به همین شکل از میانگین تجمیع بزرگ اتم‌ها به دست می‌آید و اتم‌های منفرد می‌توانند راه خودشان را بروند.

وقتی قانونی از میانگین آماری حاصل می‌شود، همیشه وقایع نادری وجود دارد که در آن‌ها اتم‌های تکی قانون میانگین را نقض کنند. ما به این پدیده نوسان می‌گوییم. مثال خوبی در این باره وجود دارد و آن تشکیل الگوهای کریستال هنگام سرد شدن تجمع اتم‌هاست. ولی در همین کریستال هم یکی از اتم‌ها همیشه جای اشتباهی می‌افتد و گند می‌زند به زیبایی تقارن آن. ما می‌گوییم که در الگو بی‌نظمی وجود دارد.

کوتاه سخن این که وقتی لوکالیتی و خود فضا، از میانگین بی‌شمار فرآیند بنیادین حاصل می‌شود، وقوع بی‌نظمی در آن اجتناب‌ناپذیر است. در اکثر اوقات، این تأثیرات موضعی است؛ چون اغلب، وقایعی که با هم ارتباط علیتی دارند در تصویری به نام فضا در نزدیکی همدیگر قرار می‌گیرند. با این حال، بی‌شمار جفت واقعه وجود دارد که با فاصله‌ی زیاد از هم با هم ارتباط علیتی دارند و نظم فضا و لوکالیتی را به هم زده‌اند.

آیا این بی‌نظمی در لوکالیتی می‌تواند نان-لوکالیتی ذرات درهم‌تنیده را توجیه کند؟ به باور من پاسخ مثبت است و در واقع ما نشان داده‌ایم که این توجیه در دو مدل متفاوت برای تکمیل پایه‌ای مکانیک کوانتوم صادق است.

جزئیات، مخصوصاً در این سطح از کار مهم نیست. ولی این ایده‌ی شهودی که می‌گوید اجسام به خاطر نزدیکی به همدیگر در فضا بر یکدیگر اثر می‌گذارند، به زودی به جرگه‌ی ایده‌های سهل‌انگارانه‌ی بشر خواهد پیوست که با نگاهی عمیق‌تر نقض شده‌اند. ملموس بودن فضا به زودی به توهمی بدل خواهد گشت که دنیای ریز و پیچیده‌ای از تعاملات علیتی را در خود پنهان کرده بود. این برهمکنش‌ها درون فضا زندگی نمی‌کنند، بلکه فضا را تعریف کرده و می‌سازند و با یاری گرفتن از گذشته، آینده را به وجود می‌آورند.