فضازمانِ اَبرسَیّال

Superfluid spacetime¹

فشرده

مفهوم فضازمان قرن‌هاست که مورد توجه فیلسوفان و فیزیکدان‌ها می‌باشد، آنها برای شناخت چیستی فضازمان تلاش فراوان کرده‌اند. اما این تلاش‌ها‌ تاکنون به نتیجه مطلوب نیانجامیده ‌‌است. در دهه‌های اخیر پیشنهاداتی از جانب فیزیکدان‌های نظری برای حل مسئله مزبور‌ ارائه شده‌اند و بعضا به موفقیت‌های نسبی هم دست‌ یافته‌اند. اما هیچ‌یک از آنها تاکنون از مرتبه فرضیه فراتر نرفته و به مقام نظریه علمی ارتقاء نیافته‌اند.

به‌نظر می‌رسد تا زمانی که دو نظریه نسبیت و کوانتوم به وحدت نرسیده‌ باشند، یعنی قابل استنتاج از یک نظریه واحد فراگیرتری نباشند، امکان توضیح چیستی فضازمان نیز وجود ندارد. این گفته کاملا طبیعی می‌نماید، چراکه ذراتِ دنیای میکروسکپی، یعنی اتم‌ها و مادون اتم‌ها (تشکیل دهنده‌ی دنیای ماکروسکپی) از یک طرف تابع قوانین نظریه کوانتوم هستند و از طرف دیگر همان ذرات به‌خاطر برخورداری از جرم/ انرژی/ (ماده) تابع قوانین نظریه نسبیت که بیان از کنش و واکنش میان مادّه و فضازمان دارد.

در حال حاضر ما هیچ راهی برای توضیح مسئله‌ی چیستی فضازمان جز بررسی ایده‌های قابل محاسبه (منطقی) و در عین حال قابل سنجش (تجربی) نداریم. بدیهیست که نبایستی هیچ ادعائی را بدون بررسی علمی پذیرفت. به‌همین خاطر لازم است به‌ویژه در توضیح مسئله مهم چیستی فضازمان، یکی از کهن‌ترین و دشوارترین معماهای دانش بشری، بسیار جانب منطق ریاضی و آزمایش را گرفت.

در این مقاله می‌کوشم پس از پیش‌گفتاری مدل یا ایده‌ی ’فضازمانِ اَبَرسَیّال‘ را که در پایان قرنِ گذشته (۱۹۹۹) از جانب دو فیزیکدان نظری پیشنهاد شد توضیح دهم.

تذکر: سلسله مقالات حاضر در باره‌ی فضازمان (گرانش‌ِ کوانتومی) بنحوی نگاشته شده‌اند که مستقل از هم قابل مطالعه می‌باشند. پیشتر:

* در مقاله ’خاستگاه فضا و زمان‘^۲ ایده‌ی مرتبط با نظریه نسبیت، نظریه کوانتوم و ترمودینامیک را بررسی و به آماری بودن فضازمان برمبنای قوانین ترمودینامیک پرداختیم.

* در مقاله ‘کوانتای فضا و زمان‘^۳ ایده‌ی فضازمان در فرم بافتاری را تحت عنوان گرانش کوانتومی حلقه بررسی کردیم و گفتیم که در این‌ مدل فضا نه پس‌زمینه‌ی رخدادها بلکه ابژکتی محسوب می‌شود دینامیکی (دربرگیرنده‌ی زمان) که از قوانین نظریه کوانتوم پیروی می‌کند.

پیش‌گفتار

مفهوم سَیّال (fluid): در علم فیزیک سَیّال به حالتی از مادّه‎ گفته می‌شود که براحتی تحت فشار بیرونی تغییر شکل می‌دهد، جاری می‌شود. حالت سَیّال یکی از فازهای مادّه است و شامل مایعات، گازها و پلاسماها می‌شود.

ارائه یک نظریه گرانشِ کوانتومی همسو با نظریه کوانتوم در مقیاسِ پلانک (حدود^۳۵–۱۰متر) خواهان تجدیدنظر اساسی در باورهای کنونیِ ما (کلاسیک، پیوسته) از فضازمان است.

فضازمان در نظریه نسبیتِ عامِ اینشتین کمیتی دینامیکی محسوب می‌شود. در این رابطه در مقاله‌ی کوانتای فضا و زمان^۳ می‌خوانیم:

"در نظریه نسبیتِ عام، فضازمان رابطه مستقیم با مادّه دارد، همزمان با مادّه توسعه می‌یابد و در کنش ‌و واکنش‌های دینامیکی دخیل است. پیوندِ بیواسطه و تنگاتنگِ مادّه^۳ با هندسه‌ی فضازمان نشان می‌دهد که نظریه نسبیتِ عام نیازی به یک ساختارِ بیرونی، پس‌‌‌زمینه‌ی هندسی، ‌برای بیان قوانین خود ندارد (اصلِ استقلالِ پس‌زمینه). در این نظریه تحریفاتِ (پیچ و تاب‌هایِ) هندسی، حاصل از حضور مادّه، اثر نیروی گرانشی تلقی می‌شود."^۳

تذکر: لازم می‌دانم در این‌جا به این مهم اشاره کنم که نظریه نسبیت عام اینشتین کاملا عاری از تصوراتِ نیوتنی نیست.

در مقاله‌های ^{۴ و  ۵} توضیح دادیم که سه نیرو از چهار نیروی بنیادی شناخته شده، یعنی نیروی الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی کوانتیزه شده‌اند، یعنی در چهارچوب نظریه کوانتوم قابلِ توصیف هستند. اما نیروی گرانشی، نظریه نسبیتِ عام، همچنان در ‌شکل کلاسیکِ (پیوسته) و کوانتیزه نشده (ناپیوسته) باقیست و سد راه وحدت نیروهای بنیادی شده است. این ناهمسازی بیان از یک مشکلِ خاص از ناحیه ریاضی نیز دارد. همان‌گونه که پیشتر گفته شد ذرات هم برخوردار از ویژگی‌های کوانتومی هستند و هم میدان گرانشی. در نتیجه بدیهیست که میدان گرانشی نیز همچون ذرات دارای ویژگی‌های کوانتومی باشد. یعنی، قابل توصیف، فرمولبندی ریاضی، در چهارچوب نظریه کوانتومی باشد. اما بیان ریاضی نظریه گرانش کوانتومی کار ساده‌ای نیست و تاکنون پس از گذشت نزدیک به یک قرن موفق به ارائه آن نشده‌ایم. به‌همین دلیل فیزیکدان‌های نظری سناریوهائی (مدل‌هائی) را طراحی و بررسی می‌کنند^۶ که به‌نظر امکان بیان کوانتومی فضازمان را می‌دهند. در سناریوئی از سال ۱۹۹۹ این به اصطلاح پس‌زمینه‌ی فلسفه و فیزیک بستری دینامیکی از فضازمانِ روان، سَیّال، تصور شده است که در زیر به تشریح آن می‌پردازیم.

مدلی مشابه کَف (foam)

در علم فیزیک گاز یا مایعی که اصطکاک داخلی آن ناچیز است رَوان (سَیّال) و چنانچه (تقریبا) برابر با صفر باشد اَبَرروان (ابَرسَیّال) نامیده می‌شود. شاخه علمی که به بررسی این حالت از مادّه می‌پردازد هیدرودینامیک کوانتومی نام دارد.

در مدل فضازمانِ اَبَرسَیّال، فضازمان شکل‌گرفته از اثرات ذرات کوانتومی آن تصور می‌شود که در کوچکترین سطح به واحدهای منفرد (ناپیوسته) در مقیاس پلانک (حدود^۳۵–۱۰متر) تقسیم شده است. این حالت را که می‌تواند ناشی از شکل‌گیری مادّه و پادمادّه از خلاء کوانتومی^۴و۵ باشد جان ویلر، فیزیکدان نظری آمریکایی (۲۰۰۸ ـ ۱۹۱۱) کفِ کوانتومی (quantum foam) می‌نامد.^۷ در کفِ کوانتومی که بعضا به آن کفِ فضازمان نیز می‌گویند نظریه نسبیت عام اعتبار خود را از دست می‌دهد. در یک چنین حالتی اصل عدم قطعیت دست بالا را در فرایندها دارد، به‌ویژه در رابطه با انرژی و زمان. ما می‌‌دانیم که اصل عدم قطعیت اندازه‌گیری دقیق و همزمان انرژی و زمان را ناممکن می‌داند.^۸ در نتیجه وضعیتی مشابه آنچه کفِ کوانتومی نامیده می‌شود بوجود می‌آید.

ارائه دهند‌گان مدل نامبرده براین باورند که لِزْجَت، گِران‌رَوی یا نارَوانی و یا ویسکوزیته (vicosity) فضازمان قابل اغماض و در نتیجه اَبَرسَیّال است. ویسکوزیته‌ یا اصطکاکِ یک مادّه پارامتریست که میزان مقاومت آن‌ را در مقابل جاری شدن نشان می‌دهد. ویسکوزیته یکی از مهم‌ترین پارامتر‌های هیدرودینامیک است که درجه روان بودن یک مادّه را نشان می‌دهد. پارامتر ویسکوزیته در رد و یا تایید صحت مدل فضازمانِ اَبَرسَیّال برای توضیح چیستی فضازمان رُل تعیین کننده دارد.

در جستجوی اثرانگشت

از دید دو فیزیکدانِ پیشنهاد دهنده‌ی مدل فضازمان َاَبرسَیّال، Stefano Liberati از International School for Advanced Studies در تریست ایتالیا و Luca Maccione از Ludwig Maximilian University of Munich،

وحدتِ نظریه نسبیت با نظریه کوانتوم عملی است چنانچه نشان داده شود که فضازمان رفتاری مشابه مایعِاتِ اَبَرسَیّال دارد. به عبارت دیگر، این دیدگاه معتقد است که برای وحدت دو نظریه کوانتوم و نسبیت کوانتیزه کردن فضازمان کافی است و نیازی به کوانتیزه کردن نیروی گرانشی نمی‌باشد. اما چگونه می‌توان نشان داد که فضازمان حالتِ اَبَرسَیّالی دارد؟

پاسخ: بررسی نور ستارگان و کهکشان‌هائی که میلیاردها سال نوری تا رسیدن به ما در راه بودند.

این واقعیت که اصولا نورِ چنان ستارگان و کهکشان‌های دور به ما می‌رسد گویای آن است که ویسکوزیته‌ی فضازمان (اگر اصولا چنان چیزی صحت داشته باشد) نمی‌تواند بالا باشد. این را بررسی‌های دو فیزیکدان نامبرده بر روی فوتون‌های پرانرژی اشعه ایکس و اشعه گامای سحابی‌خرچنگ (بازمانده‌ی ابرنواختر در فاصله حدود ۶۵۰۰سال نوری از زمین) نشان می‌دهد. آن‌ها در بررسی‌های خود به این نتیجه رسیده‌اند که اگر بناست فضازمان واقعا حالت سَیّال داشته باشد لازم است که به شکل اَبَرسَیّال باشد. در این‌ حالت است که ذرات از ‌جمله ذراتِ نور (فوتون‌‌ها) می‌توانند در فضازمان شبیه امواج در دریا حرکت ‌کنند و در طی مسافت‌های‌ زیاد اندکی از انرژی خود را در برخورد با "اتم‌های فضازمان"^۳ از دست بدهند.^۹

ما می‌توانیم مطمئن باشیم که در سنجشِ نورِ ستارگان و یا کهکشان‌های بسیار دور دو حالت بیشتر وجود ندارد یا شاهد تغییراتی در طیفِ نورِ آنها می‌شویم و یا خیر. اما آنچه در هر دو حالت حائز اهمیت است تعبیر درست از نتایج‌‌ بدست آمده می‌‌باشد. کمیت و کیفیت تغییرات احتمالی از جمله تابع وسکوزیته‌‌ی احتمالا موجود می‌باشد. هرچه ویسکوزیته بالا باشد بهمان میزان نیز پراکندگی ذرات نور (فوتون‌ها) بیشتر خواهد بود. یعنی، ‌باید بر اثر برهمکنش‌ها میان ذراتِ نور با ذرات مادّه سیال مدام از انرژی ذرات نور کاسته ‌شود.

برآورد نظری

ارائه دهندگان مدلِ فضازمانِ اَبَرسِیّال می‌گویند: این‌‌که اصولا نور ستارگان و یا کهکشان‌های بسیار دور پس از میلیاردها سال نوری به ما می‌رسد گویای آن است که ویسکوزیته‌ی فضازمان نمی‌تواند بالا باشد. استفانو لیبرتی Stefano Liberati در این‌باره چنین بیان می‌دارد:

"چنانچه ما تشبیه (فضازمان) با مایعات را جدی تلقی کنیم در این‌صورت لازم است به ویسکوزیته و سایر اثرات توزیع کننده‌ی آن توجه داشته باشیم. ... اگر فضازمان یک مایع است، می‌باید که طبق محاسبات ما یک مایعِ اَبَرسَیّال باشد. یعنی، ویسکوزیته‌ی آن بسیار پائین باشد، نزدیک به صفر. اما چنانچه کاملا برابر با صفر نباشد در این‌صورت ممکن است راه‌هائی در آینده وجود داشته باشد که اثرات ضعیف پراکندگی حاصل از آن را در اندازه‌گیری‌ اشعه‌های اخترفیزیکی رهگیری کرد. یک امکان برای این منظور بررسی دقیق اتلاف انرژی ذرات بنیادی در رابطه با چنین اثراتی است. در صورتی که یک چنان پراکندگی مشاهده شود آن‌وقت ما نشانه‌ی موثقی برای مدل فضازمانِ ناشی از مبانی کوانتومی داریم."^{۱۰ و۱۱}

برآورد تجربی

مشاهدات سحابی‌خرچنگ نشان داد که ویسکوزیته‌ی فضازمان باید برابر با صفر و یا نزدیک به صفر باشد، چرا که هیچ‌ نشانی از تغییر در طیفِ نور، به معنی اتلاف انرژی فوتون‌ها، ملاحظه نشده است. البته استفانو لیبرتی معتقد است این بدان معنا نیست که می‌باید ایده‌ی فضازمانِ اَبَرسَیّال را کنار گذاشت. شاید لازم است طیف نور اجسامِ پرتوزای دورترها را بررسی کنیم. به هرحال، ایده‌ی فضازمان ابرسیال محبوبیت چندانی نیافته است. از جمله به این خاطر که در آن ذرات نور با انرژی‌های مختلف دارای سرعت‌های مختلف هستند و این با اصل مهمِ نظریه نسبیتِ خاص اینشتین که می‌گوید سرعت نور مستقل از سیستم مرجع مشاهده‌گر ثابت است تناقض دارد. البته این تناقض تا زمانی غیرقابل قبول است که سرعت نور را ثابت بدانیم. ولیکن آیا سرعت نور واقعا ثابت است؟ اگر چنین نباشد شاید بتوان از آن در حل مسئله وحدت دو نظریه نسبیت و کوانتوم بهره‌گیریم. در باره ثابت‌های طبیعی که شامل سرعت نور نیز می‌شود در مقاله^۷ چنین می‌خوانیم:

"... ثابت‌های طبیعی توضیح داده شده ... (مانند) ثابت زومرفلد را در نظرمی‌گیریم، ثابتی که انتشار پرتو الکترومغناطیسی را توصیف می‌کند. ساده‌ترین راه برای اندازه‌گیری و تغییر آن اینست که طیف نور ابژکت بسیار دور، برای مثال در فاصله ده میلیارد سال نوری، را بررسی کنیم. فیزیکدان‌ها موفق شده‌اند از این طریق، یعنی بررسی نور حاصل از انتقال پرتو در اتم‌هایِ (radiation transitions in atoms) چندین ابژکت، نشان دهند که ثابت زومرفلد میلیاردها سال پیش اندکی با آنچه امروز می‌سنجیم متفاوت بود! البته این تفاوت زیاد نیست اما وجود دارد؛ حدود ^{۵ –}۱۰ کوچکتر از حال حاضر. ولیکن این مسئله هنوز میان فیزیکدان‌ها مورد مناقشه می‌باشد و اجماع کلی پیدا نکرده است."^۱۲

مراجع

لینک تصویر مقاله

https://www.scinexx.de/news/kosmos/ist-die-raumzeit-fluessig/1.

2. Hassan Bolouri: The origin of space and time

۲. حسن بلوری، ’خاستگاه فضا و زمان‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی زبان، ماه مارچ ۲۰۲۱

3. Hassan Bolouri: Then Quanta of Space and Time

۳. حسن بلوری، ’کوانتای فضا و زمان‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی زبان، ماه آوریل ۲۰۲۱

4. Hassan Bolouri: Quantum and Philosophy

۴. حسن بلوری، ’کوانتوم و فلسفه‘، منتشر شده در سایت‌‌های فارسی زبان، ماه می ۲۰۱۹

5. Hassan Bolouri: Symmetry: the key to recognizing the cosmos

۵. حسن بلوری، ’تقارن: کلید شناخت کیهان‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی زبان، ماه مارچ ۲۰۲۰

6. Zeeya Merali: Theoretical physics, The origins of space and time, Nature August 2013

7. John A. Wheeler, Kenneth W. Ford: Geons, black holes, and quantum foam – a life in physics, Norton, New York, London, 1998

8. Werner Heisenberg: Die physikslischen Prinzipien der Quantentheorie, Bibliogaphisches Institut Mannheim, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1958

9. Clara Moskowtz: Ist die Raumzeit superflüssig?, Spektrum.de, Juli 2014

10. Stefano Liberati and Luca Maccione: Astrophysical Constraints on Planck Scale Dissipative Phenomena, Phys. Rev. Lett. 112, 151301 – Published 14 April 2014

11. Rainer Scharf: Dem Quantenschaum auf der Spur, Verfeinerte Analyse eines Gamma- blitzes liefert neuartiges Nullresultat, Pro-Physik.de, März 2015

12. Hassan Bolouri: The natural constants and epistemology

۱۲. حسن بلوری، ’ثابت‌های طبیعی و شناخت‌شناسی‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی زبان، ماه فوریه سال ۲۰۲۱