آیا ما در دنیا هولوگرافیک زندگی می کنیم؛ قسمت دوم - مجله ابوذریون

جهت دریافت مشاوره خدمات طراح کاتالوگ از بهترین و مجربترین طراحان کشور همراه ما باشید. از طراحی تا چاپ کاتالوگ های تبلیغاتی حرفه ای را با بهترین قیمت از ما بخواهید.

به گزارش خبرنگاران به نقل از زومیت، اگر اهل تماشای سریال Rick and Morty باشید، حتما آن قسمت از سریال را به خاطر دارید که ریک و مورتی وارد باتری سفینه فضایی شان می شوند که در واقع میکرودنیای است که ریک درون باتری خلق نموده. کمی بعد متوجه می شویم که مردمان این میکرودنیا هم دنیای کوچک تری برای خودشان داخل باتری خلق نموده اند؛ دنیای در دنیای در دنیا دیگر؛ چیزی شبیه عروسک ماتریوشکا یا جعبه هایی با اندازه های متفاوت که درون یکدیگر قرار گرفته اند.

حالا اگر اهل بازی باشید، حتما در جریان بازی های سبک شبیه سازی مثل The Sims (که نامش از واژه simulation به معنی شبیه سازی گرفته شده است)، Minecraft و بازی های مشابه هستید که در آن مثل ریک می توانید دنیای خودتان را آن طور که دوست دارید، خلق کنید.

حالا تصور کنید افراد شبیه سازی شده بازی شما هم دنیای دیگری داخل این دنیای مجازی خلق نمایند. تصورش ممکن است؛ چون جعبه عظیم تر همواره از جعبه کوچک تر درونش خبر دارد. اما آیا این جعبه کوچک از وجود جعبه عظیم تر که آن را در بر گرفته، مطلع است؟

موجود شبیه ساز درون باتری سفینه ریک در حال نشان دادن دنیای شبیه ساز خود در باتری دیگر

حالا بیاید خودمان را جای این جعبه بگذاریم. ما از دنیاهای شبیه سازی شده در بازی های کامپیوتری و فیلم ها مطلعیم؛ اما آیا می توانیم تصور کنیم که خود ما نیز در دنیایی شبیه سازی شده زندگی می کنیم؟ یعنی ما جعبه کوچک تری هستیم درون جعبه ای عظیم تر. واکنش ما به این ادعا احتمالا همانقدر ناباورانه و بی اعتنا است که واکنش ریک اگر قرار بود به او بگوییم او چیزی جز یک کاراکتر تخیلی در کارتونی دوبعدی نیست.

این مقدمه طولانی را گفتم تا قبل از پرداختن به اینکه آیا دنیای ما هولوگرام است یا خیر، این نکته را در نظر بگیریم که طبیعی است تصور چنین مفهومی برای ما بسیار سخت و حتی ناممکن باشد (و چون تصورش سخت است، الزاما دلیل بر نادرست بودن قطعی آن نیست)؛ اما وقتی در فرمول های ریاضی، دنیا به صورت هولوگرافیک در نظر گرفته می گردد، کار فیزیکدان ها بسیار ساده تر خواهد شد. به عبارت دیگر، تصور دنیا هولوگرافیک در معادلات ریاضی آسان تر از تصور آن در ذهن است. در قسمت قبل این مقاله به نکاتی اشاره کردیم و اکنون قسمت دوم مقاله را پی می گیریم.

سیاه چاله چیست

سیاه چاله یکی از پیامدهای شگفت انگیز نظریه نسبیت عام انیشتین است که بر اساس آن، گرانش به جای اینکه نیرویی نامریی باشد که اجسام را به هم جذب می نماید، خمیدگی فضا است و هرچه جسم عظیم تر باشد، خمیدگی فضای اطرافش بیشتر است. این پیامد آنقدر غیر منتظره بود که انیشتین هم آن را به عنوان پیش بینی درستی از محاسباتش قبول نداشت و سال ها طول کشید تا شواهدی که از فضا به دست آمد، وجود سیاه چاله را اثبات کرد.

سیاه چاله، محدوده ای در فضا با نیروی گرانش بسیار زیاد است که حتی نور (سریع ترین ذره کیهان) نمی تواند از آن فرار کند و به همین خاطر به آن سیاه چاله می گویند.

سیاه چاله از مرگ ستاره های غول پیکر ایجاد می گردد که در خود فرومی ریزند و به این ترتیب میدان گرانشی شدیدی در فضا ایجاد می نمایند. در مرکز سیاه چاله، ناحیه ای به نام تکینگی (singularity) وجود دارد که اندازه اش تقریبا صفر اما چگالی اش بی نهایت است. اطراف سیاه چاله، افق رویداد (event horizon) نامیده می گردد که در واقع آخرین فاصله ای است که نور می تواند از کشش سیاه چاله فرار کند. درون افق رویداد که به آن نقطه بی بازگشت می گویند، همه چیز (از جمله نور) به سمت داخل کشیده می گردد تا در مرکز یا همان تکینگی به طور کامل خرد گردد.

هیچ کس سیاه چاله ندیده است؛ اما تطابق شواهد گرانشی با پیش بینی های آن، سبب شده است دانشمندان به وجود آن باور داشته باشند.

از نظر دانشمندان، هر چیزی در فضا می تواند به سیاه چاله تبدیل گردد؛ به شرط آنکه جرم عظیمی داشته باشد. خورشید برای اینکه در انتها عمرش به سیاه چاله تبدیل گردد، ضروری است جرمی 20 برابر از آنچه هست، داشته باشد.

ایده دنیا هولوگرافیک از کجا آمد

ایده دنیا هولوگرافیک از دو تناقض در خصوص سیاه چاله ها سرچشمه گرفت. اما قبل از اینکه به این دو تناقض بپردازیم، خوب است نگاهی به ماهیت هولوگرافیک سیاه چاله بیندازیم.

اواخر دهه 1990 فیزیکدان های نظری متوجه شدند وقتی ذره ای از اطلاعات وارد سیاه چاله می گردد، سطح سیاه چاله به مقدار بسیار دقیقی افزایش می یابد؛ یعنی اندازه مربع طول پلانک، حدود 10 به توان منفی 65 متر.

در نگاه اول شاید دانستن اینکه سیاه چاله با افتادن جسم یا انرژی درون آن عظیم تر می گردد، کشف خارق العاده ای به نظر نرسد؛ اما نکته حیرت انگیز قضیه این است که سطح سیاه چاله افزایش می یابد نه حجم آن. در خصوص اغلب اجرامی که می شناسیم این قضیه کاملا برعکس است. وقتی ماده، ذره ای داده می بلعد، حجمش به اندازه یک واحد افزایش می یابد؛ اما افزایش سطح آن بسیار ناچیز است. اما وقتی ماده یا انرژی درون سیاه چاله می افتد، انگار اطلاعات مربوط به آن واقعا درون سیاه چاله نیست، بلکه به سطح آن چسبیده است.

در نتیجه سیاه چاله که سیستمی سه بعدی در دنیاِ کاملا سه بعدی ما است، می تواند تنها با سطح دوبعدی آن درک گردد و این دقیقا مدل هولوگرافیک است.

با این مقدمه برویم سراغ دو تناقضی که منجر به ظهور ایده دنیا هولوگرافیک شد: پارادوکس اطلاعات سیاه چاله و مسئله آنتروپی (آشفتگی)

پارادوکس اطلاعات سیاه چاله

طرح مفهومی از تابش هاوکینگ (Hawking radiation)

در سال 1974، استیون هاوکینگ کشف کرد که سیاه چاله ها برخلاف چیزی که مدت ها تصور می شد، دارای دما هستند و در طول زمان، مقدار اندکی پرتو ساطع می نمایند (نظریه تابش هاوکینگ). در نهایت وقتی انرژی آن ها به طور کامل از افق رویداد محو گردد، خود سیاه چاله باید طی فرایندی به نام تبخیر سیاه چاله (black hole evaporation) به طور کامل ناپدید گردد.

این ایده، پارادوکس اطلاعات سیاه چاله را به میان کشید. مدت ها است چه در فیزیک کلاسیک چه در فیزیک کوانتومی، تصور می گردد اطلاعات فیزیکی نمی تواند از بین برود. اما اگر سیاه چاله قرار است به خاطر تابش حرارتی ناپدید یا به عبارتی تبخیر گردد، آن وقت تمام اطلاعات مربوط به هر شیئی که داخل سیاه چاله کشیده شده است ناپدید خواهد شد.

در مکانیک کوانتومی، هر چیزی، (چه ماده چه انرژی) می تواند به تکه هایی از اطلاعات، مثلا رشته هایی از صفر و یک تبدیل گردد. نتیجه این قانون این است که اطلاعات هرگز ناپدید نمی شوند؛ حتی اگر ماده یا انرژی مرتبط با آن درون سیاه چاله مکیده گردد. به عبارت دیگر، تمام ذرات حالت اولیه خود را حفظ می نمایند یا اگر دچار تغییر شدند، این تغییر روی ذرات دیگر اثر می گذارد؛ به گونه ای که حالت اصلی ذرات اولیه را می تواند از ذرات دیگر برداشت کرد.

این فرضیه، با نظریه نسبیت عام انیشتین که می گوید اطلاعات باید توسط سیاه چاله از بین برود، مغایرت دارد. فیزیکدان ها به این تناقض، پارادوکس اطلاعات سیاه چاله می گویند.

هاوکینگ برای برطرف این تناقض این فرضیه را مطرح نمود که اطلاعات توسط سیاه چاله نابود نمی گردد؛ چون اطلاعات اصلا به درون سیاه چاله سقوط نمی نماید، بلکه جایی در افق رویداد به دام می افتد. در این لایه مرزی، اطلاعات به صورت یک هولوگرام دوبعدی ذخیره می گردد.

اگر اطلاعات روی افق رویداد ذخیره می گردد، آیا می توان آن ها را بازخوانی کرد؟ برای درک بهتر این موضوع، دسته ای کاغذ را تصور کنید که وارد کاغذخردکن می شوند. این دسته کاغذ به تکه های کوچک تبدیل می گردد که نوشته روی آن ها را نمی توان به این صورت خواند؛ اما اطلاعات هنوز روی تکه های کاغذ وجود دارد و از بین نرفته است. اگر این تکه ها دوباره به هم متصل گردد، می توان نوشته روی آن ها را خواند؛ در خصوص ذرات همین تصور وجود دارد.

هاوکینگ ابتدا تصور می کرد فوتون هایی که هنگام تابش از افق رویداد جدا می شوند، هیچ اطلاعات معناداری با خود حمل نمی نمایند؛ اما بعد نظرش تغییر کرد و گفت این تابش می تواند راهی برای فرار اطلاعات از سیاه چاله و در نتیجه نجات از ناپدید شدن باشد. از نظر هاوکینگ، مشکل فقط اینجا است که این اطلاعات به صورت بی نظم و بی فایده از سطح سیاه چاله ساطع می شوند و اگر بخواهیم به طور عملی به قضیه نگاه کنیم، باید بگوییم اطلاعات در هر صورت از دست رفته است.

از طرفی، ساسکیند و خرارد هوفت (فیزیکدان هلندی) که به شکل گیری اصل هولوگرافیک یاری کردند، در اواسط دهه 90 سعی کردند برای برطرف این پارادوکس توضیحی ارائه دهند. به گفته ی آن ها، وقتی جسمی درون سیاه چاله کشیده می گردد، روی افق رویداد نقشی دوبعدی از خود به جای می گذارد. هنگام تابش هاوکینگ، پرتوی ساطع شده از سطح سیاه چاله، این نقش دوبعدی را به خود می گیرد و به این ترتیب از محو شدن اطلاعات به همراه سیاه چاله جلوگیری می گردد.

محاسبات این دو فیزیکدان نیز نشان داد که تنها روی سطح دوبعدی سیاه چاله می توان آنقدر اطلاعات ذخیره کرد تا بتوان هر جسم ظاهرا سه بعدی درون آن را توصیف کرد. این طرز فکر در خصوص اطلاعات سیاه چاله را نظریه ریسمان پشتیبانی می نماید که به اعتقاد بعضی فیزیکدان ها، راه حلی برای برقراری پیوند نسبیت عام و مکانیک کوانتوم و اعمال تئوری کوانتوم به گرانش است.

مسئله آنتروپی (آشفتگی)

آنتروپی که عموما به عنوان معیار آشفتگی و بی نظمی در نظر گرفته می گردد، به تعداد دفعاتی اشاره دارد که بخش های درونی یک شیء می تواند بدون ایجاد تغییر در حالت کلی آن، جا به جا شوند. مثلا در یک اتاق شلوغ و به هم ریخته (آنتروپی بالا) می توانید به طور تصادفی اشیاء داخل اتاق را به هر شکلی که خواستید جا به جا کنید و اتاق همچنان شلوغ و به هم ریخته باقی خواهد ماند. در مقابل، اگر اتاق مرتب و منظم باشد (آنتروپی پایین) جا به جا کردن اشیا باعث می گردد نظم اتاق به هم بریزد و حالت اولیه اش را از دست بدهد. از محاسبه میزان آنتروپی در طراحی تمام دستگاه های ارتباطی مدرن، از گوشی موبایل گرفته تا پخش نماینده لوح فشرده، استفاده می گردد.

طبق قانون دوم ترمودینامیک، هر اتفاقی که درون سیستم می افتد، آنتروپی آن را افزایش می دهد و آنتروپی نمی تواند ثابت باشد یا کاهش یابد. ازآنجاکه تمام ماده در سیاه چاله در تکینگی (نقطه ای با اندازه تقریبا صفر با چگالی بی نهایت) متمرکز می گردد، هیچ جایی برای افزایش آنتروپی در آن وجود ندارد و به همین خاطر فیزیکدان ها معتقد بودند سیاه چاله در تناقض با قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی ندارد.

از طرفی، شرط دیگر برای آنتروپی، داشتن دمای بالای صفر مطلق (273.15- درجه سلسیوس) است؛ و ازآنجاکه هر شیء با دمای بالای صفر مطلق باید نور ساطع کند و چون تصور می شد سیاه چاله در هیچ طول موجی نور ساطع نمی نماید، فیزیکدان ها را بیش ازپیش مطمئن کرد آنتروپی برای سیاه چاله تعریف نشده است.

اما یکی از فیزیکدان ها حاضر نشد این مسئله را بپذیرد؛ یاکوب بکنشتاین در دهه 1970، به یاری نظریه تابش هاوکینگ که ساطع شدن نور را از سطح افق رویداد اثبات می نماید، تأکید کرد سیاه چاله آنتروپی دارد و مقدار آن معین و متناسب با سطح دوبعدیِ افق رویدادِ سیاه چاله است. به عبارت دیگر، بکنشتاین معتقد بود برای محاسبه آنتروپی سیاه چاله نیازی نیست بدانیم دقیقا درون آن چه خبر است و آنالیز اطلاعات سطح آن، این محاسبه را ممکن می نماید.

این یافته از این جهت شگفت انگیز است که آنتروپی سیستمی سه بعدی، به جای حجم تنها با سطح دوبعدی آن محاسبه شده بود؛ و این دقیقا همان نقطه ای بود که بعضی فیزیکدان ها را به ماهیت هولوگرافیک بودن سیاه چاله سوق داد.

چگونگی بسط ایده هولوگرافیک بودن سیاه چاله به کل دنیا

تمام این فرضیات و نظریات به معنی اثبات هولوگرافیک بودن سیاه چاله نیست. اما به گفته ساسکیند، تصور دوبعدی بودن دنیای که تنها سه بعدی به نظر می رسد، به حل مسائل عمیق در فیزیک نظری یاری زیادی خواهد نمود و فرمول های ریاضی که برای حل این مسائل به کار می رود در خصوص هرچیزی، چه سیاه چاله چه سیاره و چه کل دنیا، یکی است.

در سال 1989 خوان مالداسنا (فیزیک دان نظری آرژانتینی) نشان داد چگونه یک دنیا فرضی می تواند هولوگرام باشد. دنیا فرضی او به شکل فضای پاددوسیتر (AdS) در نظر گرفته شده است. این فضا به بیان ساده، هیچ ماده یا انرژی در خود ندارد (در نتیجه خبری از نیروی گرانش نیست)، خطوط موازی در نهایت از هم دور می شوند و در فاصله ای بسیار بسیار دور، طوری به سمت داخل خمیده می گردد که به شکل زین به نظر می رسد؛ این در حالی است که منتهی الیه دنیا واقعی ما - که به آن فضای دوسیتر (de Sitter space) گفته می گردد - مسطح است و خمیدگی ندارد.

فضای خمیده پاددوسیتر (سمت چپ) در مقابل فضای مسطح دوسیتر (سمت راست)

در این فضای فرضی، مالداسنا نشان داد که دو معادله فیزیکی (نظریه گرانش و نظریه میدان کوانتومی) کاملا هم ارز هستند. کشف این تناظر که به دوگانی مالداسنا (AdS/CFT) مشهور است، کاملا غیر منتظره بود؛ زیرا اگرچه گرانش در سه بعد فضایی توصیف می گردد، توصیف تئوری میدان کوانتومی تنها با دو بعد امکان پذیر است. اینکه قوانین فیزیک نتایج مشابهی در دو و سه بعد نشان داد، ماهیت هولوگرافیک بودن فضای پاددوسیتر را ثابت می نماید.

این اولین بار بود که فردی پیروز شد به طور واضح طرز کار هولوگرافی را در فضا نمایش دهد. اما ازآنجاکه دنیا واقعی، فضای پاددوسیتر نیست، این سؤال پیش می آید که آیا اصل هولوگرافیک در فضای مسطح دوسیتر صدق می نماید یا خیر؛ سؤالی که هنوز جواب صددرصد قانع نماینده ای برایش پیدا نشده است.

ایافته مالداسنا اثباتی بر هولوگرافیک بودن دنیا نیست؛ اما او با آنالیز این دنیا فرضی در دو بعد، راهی پیدا کرد تا نظریه ریسمان با قوانین ثابت شده فیزیک ذرات سازگاری پیدا کند. مهم تر از همه این ها، او توانست دو مفهوم ناسازگار در فیزیک را زیر یک چارچوب نظری بیاورد. به گفته او، نظریه هولوگرافیک بین نظریه گرانش و نظریه فیزیک ذرات اتصال برقرار می نماید.

ادغام این دو نظریه بنیادین در یک نظریه ی منسجم (که اغلب گرانش کوانتومی نامیده می گردد) همچنان یکی از پرطرفدارترین مباحث علم فیزیک است. وقتی نظریه مکانیک کوانتومی به نیروی گرانش می رسد، فیزیکدان ها را با بدترین اتفاق ممکن در طبیعت، یعنی حالت بی نهایت روبه رو می نماید؛ بی نهایت حالتِ ممکنِ ترکیب و جایگشت هنگام رویارویی فوتون و الکترون و بی نهایت ترکیب ممکن برای قرارگیری این بی نهایت حالت بین فوتون و الکترون در فضا-زمان.

تا زمانی که پای بی نهایت وسط باشد، پیشرفت اتفاق نمی افتد، پیش بینی امکان پذیر نیست و در نتیجه علم به بن بست می خورد. دانشمندان تنها با معین حد و مقیاسی معین قادر به توصیف و پیش بینی اتفاقات دنیای فیزیک هستند و مدل پاددوسیتر مالداسنا (دست کم در حد نظریه) توانست برای این بی نهایت، حد معینی تعریف کند.

فضای پاددوسیتر به طور مستقیم ارتباطی با دنیا واقعی ما ندارد؛ اما به دانشمندان این امکان را می دهد تا محاسباتی انجام دهند که خارج از این فضا بسیار سخت یا حتی غیر ممکن است.

ادامه دارد...