مجله آنلاین الفبای دانش و فرهنگ
دانش و فرهنگ و هنرمجله آنلاین الفبای دانش و فرهنگ
دانش و فرهنگ و هنرتوهم گرانش
| نویسنده / نویسندگان : | جان مالداسنا |
| مترجم : | سمانه نوروزی-سیدامین مهناپور |
| کلید واژه : | |
| چکیده : | نیروی گرانش و یکی از ابعاد فضا ممکن است در برهمکنشهای ذرات و میدان‌های موجود در محدوده ابعاد پایین‌تر تولید شوند. |
| منابع : | ساینتیفیک آمریکن |
هولوگرام
هر چند فضای آنتی‌دوسیته بی‌نهایت است، اما در بی‌نهایت مرز دارد.
فیزیک‌دان‌ها و ریاضی‌دان‌ها برای ترسیم این مرز از یک مقیاس طول تغییر شکل
یافته مشابه مقیاس اشر استفاده می‌کنند، فشرده کردن یک طول بی‌نهایت در یک
فاصله محدود. این مرز شبیه محیط بیرونی اثر اشر یا استوانه جامدی که قبلا
در نظر گرفتم است. در استوانه فرضی، مرز دو بعد دارد ـ یکی در فضا (حول
استوانه حلقه زده است) و یکی در زمان (در امتداد طول آن حرکت می‌کند).
در فضای دوسیته چهاربعدی، مرز دارای دو بعد فضایی و یک بعد زمانی است.
همان‌طور که مرز اثر اشر یک دایره است، مرز فضای دوسیته چهاربعدی در هر
لحظه از زمان یک کره است. این مرز جایی است که هولوگرام نظریه هولوگرافیک
قرار دارد.
بیان ساده این ایده به شرح زیر است: یک نظریه گرانش کوانتومی در فضا-زمان آنتی‌دوسیته معادل نظریه ذرات کوانتومی معمولی در مرز است. اگر درست باشد، این هم‌ارزی به این مفهوم است که می‌توانیم از یک نظریه کوانتومی ذرات (که به نسبت خود درک شده است) برای تعریف یک نظریه گرانش کوانتومی (که خوب تعریف نشده است) استفاده کنیم.
مثلا تصور کنید که دو کپی از یک فیلم دارید، یکی به صورت حلقه فیلم هفتاد میلی‌متری و یکی روی دی‌وی‌دی. دو فرمت کاملا متفاوت هستند، اولی یک نوار خطی سلولوئیدی است که هر فریم به طور مشخص با سکانسی از فیلم ارتباط دارد. دومی، یک صفحه پهن دوبعدی با حلقه‌هایی از نقاط مغناطیسی است که دنباله‌ای از صفر و یک‌ها را شکل می‌دهد که هرگز نمی‌توانیم همه آنها را درک کنیم. اما همچنان همان فیلم را توصیف می‌کنند.
به طور مشابه این دو نظریه ظاهرا در محتوا کاملا متفاوت هستند، اما یک جهان را توصیف می‌کنند. دی‌وی‌دی مانند یک صفحه فلزی با درخششی شبیه رنگین‌کمان دیده می‌شود. نظریه ذرات مرزی شبیه نظریه ذرات در غیاب گرانش است. تصاویر با جزئیات از درون دی‌وی‌دی فقط وقتی بیرون می‌آیند که بیت‌ها درست پردازش شده باشند. وقتی از نظریه ذرات مرزی، گرانش کوانتومی و یک بعد اضافی بیرون می‌آید که معادلات به شیوه درست تجزیه و تحلیل شوند.
هم‌ارزی دو نظریه واقعا چه مفهومی دارد؟
نخست، برای هر موجودیتی مستقل در یک نظریه، همتایی در نظریه دیگر وجود دارد. ممکن است چگونگی توصیف عناصر در دو نظریه بسیار متفاوت باشد: یک موجود در درون ممکن است یک ذره تکی از یک نوع، در ارتباط با مرز یک مجموعه کامل از نوع دیگر ذرات باشد، که به عنوان یک موجود مستقل در نظر گرفته می‌شود. دوم، پیش‌بینی‌های واحدهای مربوط باید یکسان باشد. بنابراین اگر دو ذره دارای ۴۰ درصد شانس برخورد داخلی باشند، دو برخورد مربوط به ذرات در درون مرز نیز باید دارای شانس ۴۰ درصدی برخورد باشند.
در اینجا هم‌ارزی با جزئیات بیشتری همراه است. ذرات داخل مرز به شیوه‌ای برهم‌کنش می‌کنند که بسیار شبیه برهم‌کنش کوارک‌ها و گلئون‌ها در واقعیت است (کوارک‌ها تشکیل‌دهنده پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند و گلئون‌ها تولیدکننده نیروی هسته‌ای قوی که کوارک‌ها را به یکدیگر متصل نگه می‌دارد). کوارک‌ها دارای نوعی بار هستند که به سه شکل است و رنگ نامیده می‌شود، و این برهم‌کنش‌ها کرمودینامیک نامیده می‌شود. تفاوت بین ذرات مرزی و کوارک‌ها و گلئون‌های عادی این است که ذرات رنگ‌های زیادی دارند، نه فقط سه رنگ.
جرارد تی هوفت از دانشگاه آترچت هلند، چنین نظریه‌هایی را مدت‌ها پیش در سال ۱۹۷۴ مطالعه کرد و پیش‌بینی کرد که گلئون‌ها زنجیره‌ای تشکیل می‌دهند که بسیار شبیه به ریسمان‌های نظریه ریسمان رفتار می‌کنند. ماهیت دقیق این ریسمان‌ها دست‌نیافتنی باقی‌مانده است، اما الکساندر ام. پلیوکف، از دانشگاه پرینستون، در سال ۱۹۸۱ متوجه این نکته شد که ریسمان‌ها به شکل موثری در فضایی با ابعاد بالاتر می‌باشند، نسبت به فضایی که گلئون‌ها در آن هستند. به زودی خواهیم دید در نظریه‌های هولوگرافیک ما، فضای با ابعاد بالاتر درون فضای آنتی دوسیته است.
برای اینکه بفهمیم ابعاد اضافی از کجا می‌آیند با یکی از ریسمان‌های گلئون درون مرز شروع می‌کنیم. این ریسمان ضخامتی دارد که با میزان چسبندگی گلئون‌ها در فضا ارتباط دارد. وقتی فیزیک‌دان‌ها محاسبه کردند که این ریسمان‌ها چگونه در فضای آنتی دوسیته با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند، نتیجه بسیار عجیبی گرفتند: دو ریسمان با ضخامت مختلف خیلی با هم برهم‌کنش نمی‌کنند. این است که ریسمان‌ها از لحاظ فضایی از هم جدا می‌شوند. در واقع می‌توان مختصات فضایی جدیدی برای ریسمان‌ها تعریف کرد که دور از مرز است.
بدین‌ترتیب یک ریسمان مرزی نازک شبیه یک ریسمان نزدیک به مرز است، در حالی‌که یک ریسمان مرزی ضخیم شبیه ریسمان دور از مرز است. مختصات اضافی، مختصات دقیق مورد نیاز برای توصیف حرکت در یک فضا-زمان چهاربعدی آنتی دوسیته است. از دیدگاه ناظر حاضر در فضا-زمان، ریسمان‌های مرزی با ضخامت‌های مختلف به صورت ریسمان‌هایی (همه نازک) در نقاط شعاعی مختلف دیده می‌شوند. تعداد رنگ‌ها در مرز تعیین‌کننده اندازه کل است (شعاع کره اشرگونه). برای داشتن فضا-زمانی به بزرگی جهان قابل رویت نظریه باید ده به توان شصت رنگ وجود داشته باشد.
به نظر می‌رسد که یک نوع از ریسمان گلئون در فضا-زمان چهاربعدی مانند گراویتون (ذره بنیادی گرانش کوانتومی) رفتار می‌کند. با این توصیف، گرانش در چهار بعد یک پدیده نوظهور ناشی از برهم‌کنش ذره در یک جهان سه‌بعدی بدون گرانش است. وجود گراویتون‌ها در نظریه چندان شگفت نیست، فیزیک‌دان‌ها از سال ۱۹۷۴ می‌دانستند که همیشه نظریه‌های ریسمان به گرانش کوانتومی منجر می‌شوند. ریسمان‌های تشکیل شده از گلئون‌ها از این قاعده مستثنی نیستند، اما گرانش در فضایی با ابعاد بالاتر عمل می‌کند.
بنابراین ارتباط هولوگرافیک فقط یک احتمال جدید و ریسک‌دار برای نظریه گرانش کوانتومی نیست. در عوض نظریه ریسمان، بیشترین رویکرد مورد مطالعه در گرانش کوانتومی را به نظریه کوارک‌ها و گلئون‌ها، که سنگ بنای فیزیک ذرات است، مرتبط می‌سازد. علاوه بر این به نظر می‌رسد که نظریه هولوگرافیک برخی بینش‌ها را به سوی معادلات دقیق و گریزان نظریه ریسمان فراهم می‌کند. نظریه ریسمان در دهه ۱۹۶۰ با هدف توصیف برهمکنشهای قوی ایجاد شد، اما بعدا وقتی نظریه کرومودینامیک پا به عرصه گذاشت، رها شد. ارتباط بین نظریه ریسمان و کرومودینامیک بیان‌کننده این است که تلاش‌های اولیه اشتباه نبوده است، هر دو تعریف، دو روی متفاوت یک سکه هستند.
تغییر نظریه کرومودینامیک مرزی با تغییر جزئیات چگونگی برهم‌کنش ذرات مرزی منجر به دسته‌بندی در نظریه‌های داخلی می‌شود. نظریه داخلی حاصل می‌تواند فقط یک نیروی گرانشی یا گرانش به‌علاوه برخی نیروهای دیگر مانند نیروی الکترومغناطیس و مانند آن داشته باشد. متاسفانه ما هنوز نظریه مرزی‌ای نمی‌شناسیم که منجر به نظریه داخلی شود که شامل دقیقا چهار نیرویی باشد که در گیتی داریم.
نخست در سال ۱۹۹۷ حدس زدیم که ممکن است این ارتباط هولوگرافیک در یک نظریه ویژه جای گیرد (یک کرومودینامیک ساده شده در فضا-زمان مرزی چهار بعدی). این مسئله بلافاصله باعث شور و هیجان زیادی در بین نظریه‌پردازان نظریه ریسمان شد. این حدس توسط استفن اس. گابسر، پولیاکف و ایگور آر. کلبانوف از پرینستون و ادوین ویتن از موسسه مطالعات پیشرفته پرینستون در نیوجرسی، به طور دقیق‌تر عنوان شد و پس از آن محققان زیادی در بررسی این حدس و تعمیم آن به دیگر ابعاد و دیگر نظریه‌های کرمودینامیک شرکت کردند تا شواهدی ارائه کنند که درستی آن تایید شود. با این حال تاکنون هیچ گواهی پیدا نشده که با دقت زیاد آن را اثبات کند، ریاضیات آن بسیار دشوار است.
اسرار سیاه‌چاله‌ها
چگونه توضیح هولوگرافیکی گرانش به توصیف سیمای سیاهچاله کمک می‌کند؟
پیش‌بینی شده است که سیاه‌چاله‌ها تابش هاوکینگ، که به افتخار استفن
هاوکینگ از دانشگاه کمبریج نام‌گذاری شد و این نتیجه را کشف کرد، ساطع
می‌کنند. این تابش از درون سیاهچاله و در دمای خاصی بیرون می‌آید. نظریه
مکانیک آماری در همه سیستم‌های عادی فیزیکی، دما را به صورت حرکت اجزا
میکروسکوپیک توصیف می‌کند. این نظریه دمای یک لیوان آب یا دمای خورشید را
توصیف می‌کند. در مورد دمای سیاهچاله چطور؟ برای دانستن آن نیاز داریم
بدانیم اجزای میکروسکوپیک سیاهچاله چه هستند و چطور رفتار می‌کنند. فقط یک
نظریه گرانش کوانتومی می‌تواند به ما پاسخ دهد.
برخی جنبه‌های ترمودینامیکی سیاه‌چاله‌ها این تردید را ایجاد کرده‌اند که آیا می‌توان یک نظریه مکانیک کوانتومی گرانشی را گسترش داد. به نظر می‌رسد که ممکن است خود مکانیک کوانتومی در رویارویی با آثار رخ داده در سیاه‌چاله‌ها نقض شود. اکنون می‌دانیم که در سایه نظریه مرزی، مکانیک کوانتومی در یک سیاهچاله در فضا-زمان آنتی‌دوسیته دست‌نخورده باقی می‌ماند. چنین سیاه‌چاله‌ای با پیکربندی ذرات در مرز مرتبط است. تعداد ذرات بسیار زیاد است و همه آنها به سرعت حرکت می‌کنند، به طوری که نظریه‌پردازان می‌توانند از قوانین معمول مکانیک آماری برای محاسبه دما استفاده کنند. نتیجه همان چیزی است که هاوکینگ با ابزارهای بسیار متفاوتی محاسبه کرد و بیان‌کننده این است که نتایج می‌توانند درست باشند. مهم‌تر از همه، نظریه مرزی از قوانین معمولی مکانیک کوانتومی پیروی می‌کند؛ و هیچ تناقضی هم ایجاد نمی‌شود.
همچنین فیزیک‌دان‌ها از ارتباط هولوگرافیک در جهت مخالف استفاده می‌کنند ـ به کار گرفتن خواص شناخته‌شده سیاه‌چاله‌ها در فضا-زمان داخلی به منظور درک رفتار کوارک‌ها و گلئون‌ها در دماهای بالا در مرز. دام سون و همکارانش از دانشگاه واشنگتن کمیتی به نام گرانروی برشی را مطالعه کردند، که برای شاره‌هایی که به راحتی جریان می‌یابند کوچک و برای موادی مانند ملاس (سنگ ماسه آهکی رس‌دار که بسیار کند جریان می‌یابد) بزرگ است. آنها دریافتند که سیاه‌چاله‌ها گرانروی برشی بسیار کمی دارند ـ کوچک‌تر از همه شاره‌های شناخته شده است. به دلیل هم‌ارزی هولوگرافیکی، کوارک‌ها و گلئون‌ها با برهم‌کنش قوی در دماهای بالا نیز باید گرانروی بسیار کمی داشته باشند.
یک آزمون برای این پیش‌بینی در برخورددهنده یونی سنگین نسبیتی (RHIC) در آزمایشگاه بین‌المللی بروخاون انجام شد که طی آن هسته‌های طلای انرژی بالا با هم برخورد کردند. بررسی‌های اولیه این آزمایش نشان داد که برخوردها تولید شاره‌ای با گرانروی بسیار پایین می‌کنند. با اینکه سون و همکارانش نسخه ساده‌شده‌ای از کرمودینامیک‌ها را بررسی کردند به نظر می‌رسید خاصیتی مطرح شده که با جهان واقعی مشترک است. آیا این بدان‌معناست که آر.اچ.آی.سی یک سیاهچاله پنج‌بعدی کوچک خلق کرده است؟ واقعا از لحاظ نظری و تجربی، گفتن این مسئله خیلی زود است. (حتی اگر ترسی از این سیاه‌چاله‌های کوچک وجود نداشته باشد، و آنها پنج بعدی باشند، نه در دنیای چهاربعدی ما).
پرسش‌های زیادی در مورد نظریه‌های هولوگرافیک بدون پاسخ باقی‌مانده است. آیا چیز ویژه‌ای جهانی مانند جهان ما در فضای آنتی‌دوسیته را نگه می‌دارد؟ یکی از جنبه‌های بسیار مهم فضای آنتی‌دوسیته این است که مرزی دارد که در آن زمان خوش‌تعریف است. مرز وجود داشته و برای همیشه وجود خواهد داشت. یک جهان در حال انبساط مانند جهان ما که از مه‌بانگ به وجود آمده چنین مرز خوش‌رفتاری ندارد. در نتیجه چگونگی تعریف یک نظریه هولوگرافیک برای جهان ما مشخص نیست؛ هیچ جای مناسبی برای مطرح کردن یک هولوگرام وجود ندارد.
با این حال درس بسیار مهمی‌که می‌توان از رویکرد هولوگرافیکی دریافت این است که گرانش کوانتومی که برخی از بهترین مغزهای این سیاره را برای چند دهه سرگشته کرده است می‌تواند بسیار ساده باشد، اگر از دیدگاه متغیرهای درست به آن بنگریم. بیایید امیدوار باشیم که به زودی می‌توانیم شرح ساده‌ای برای مه‌بانگ بیابیم.
درباره نویسنده:
جان مالدسنا، استاد دانشکده علوم طبیعی موسسه مطالعات پیشرفته پرینستون در
نیوجرسی است. پیش از این او از سال ۱۹۹۷ تا ۲۰۰۱ در دانشکده فیزیک دانشگاه
هاروارد بود. در حال حاضر وی در حال مطالعه بر روی جنبه‌های مختلف فرضیه
دوگانه‌ای که در این مقاله شرح داده شده، است. نظریه‌پردازان نظریه ریسمان
با این فرض بسیار تحت تاثیر قرار گرفتند و در همایش ۹۸ ریسمان‌ها با آوازی
آن را جشن گرفتند، در حالی که مالداسنا آواز ماکارانا را می‌خواند.
منبع مجله دانشمند شماره 612 مهر 1393
لینکهای مفید:
بررسی چگونگی پیدایش فضای آنتی دوسیته در حد اکسترمال برای سیاهچاله رایسنر نورداستروم
قسمت فیزیکی انتشارگر گراویتون در فضا- زمان دوسیته