جهان 2 بعدی یا جهان 3 بعدی ؟

الف) دانشمندان در پی پاسخ به اینکه جهان سه‌بعدی است یا دو بعد بیشتر ندارد ؟
فیزیکدانان در تازه‌ترین تلاشها برای کشف راز نیروی اسرارآمیز جاذبه به این فرضیه توجه کرده‌اند که احتمالا این نیرو و نیز یکی از ابعاد فضا به واسطه نوعی تعامل خاص میان ذرات بنیادی و میدان‌های موجود در یکی از قلمروهای زیرین - بنیاد کیهان بوجود آمده‌اند.

در گسترش این نظریه رویکرد هولوگرافیک به کیهان به منزله یک نظریه راهنما در خدمت دانشمندان قرار گرفته است.
در اطراف ما سه بعد از ابعاد فضا قابل ادراک است. این سه بعد شامل بالا و پایین، جلو و عقب، و چپ و راست است.این سه بعد مکانی به علاوه یک بعد زمانی، کیهان چهار بعدی را که ما در آن ساکن هستیم بوجود می‌آورند.
اما برخی از تازه‌ترین نظریه‌های فیزیکی این ادعای تازه را مطرح ساخته‌اند که یکی از سه بعد مکانی که ما با آن آشنا هستیم واقعیت ندارد و نوعی وهم و تصور ذهن ماست و آنچه واقعیت دارد آن است که ذرات بنیادی و میدانهای موجود در کیهان عملا در یک فضای دو بعدی با هم در تعامل هستند.
بر مبنای این نظریه‌های جدید، نیروی جاذبه نیز واقعیت ندارد بلکه امری موهومی است که به همراه بعد سوم مکان که در تصور ما ظاهر می‌شود، این نیرو نیز پدیدار می‌گردد.
اگر بخواهیم دیدگاه این نظریه‌های جدید را دقیق تر بیان کنیم باید بگوئیم بر مبنای رای این نظریه‌ها شمار ابعاد مکان می‌تواند تابع نظر و دیدگاه ناظران باشد.
به عبارت دیگر فیزیکدانان می‌توانند واقعیت را به گونه مجموعه‌ای در نظر بگیرند که از شماری از قوانین (از جمله قانون جاذبه) در یک کیهان سه بعدی تبعیت می‌کنند و یا آنکه بر مبنای شماری دیگر از قوانین در کیهانی دو بعدی (که در آن نیروی جاذبه وجود ندارد) عمل می‌کنند. علیرغم آنکه توصیفاتی که این دو دیدگاه درباره واقعیت ارائه می‌دهند ظاهرا زمین تا آسمان با یکدیگر فرق دارند اما هر دو نظریه می‌توانند هر آنچه را که ما رویت می‌کنیم و هر شمار از داده‌هایی را که بتوانیم درباره کیهان جمع آوری کنیم بخوبی توضیح می‌دهند.

آنچه که حائز اهمیت است آن است که به زعم این نظریه‌های جدید، انسانها هیچ راهی ندارند که تشخیص دهند کدام یک از این دو دیدگاه دو بعدی یا سه بعدی، واقعی است و کدامیک صرفا ساخته و پرداخته ذهن آدمی است.
هرچند این نظریه‌های جدید با انچه که افراد به صورت متعارف و بر حسب فهم و درک عرفی خود از جهان می‌شناسند فاصله زیادی دارند اما در زندگی روزمره می‌توان به نمونه‌ها و مثالهایی برخورد کرد که با انچه که این نظریه‌ها توصیف می‌کنند شباهت زیادی دارند و به این ترتیب می‌توانند ذهن آدمی را برای فهم رویکردهای تازه آماده سازند.
یکی از این قبیل نمونه‌ها هولوگرام یا تمام نگار است. هولوگرام یک شی دوبعدی است. اما اگر تحت شرایط مناسب از حیث نور پردازی به آن نگاه شود، تصویری سه بعدی با همه جزییات پیش روی بیننده قرار می‌دهد.

به عبارت دیگر همه اطلاعاتی که در یک جهان سه بعدی یافت می‌شود در درون تصویر واقعا دو بعدی هولوگرام مندرج است. فیزیکدانانی که نظریه‌های جدید را پیشنهاد کرده‌اند با تکیه به همین تمثیل می‌گویند کل کیهان را می‌توان یک هولوگرام دو بعدی در نظر گرفت که چون ما از زاویه خاص و تحت شرایط خاصی به آن نظر می‌کنیم در نظر ما به صورت سه بعدی جلوه گر می‌شود.

توصیف هولوگرافیک از کیهان چیزی به مراتب فراتر از نوعی کنجکاوی فکری یا فلسفی است. به عنوان مثال مسائلی که محاسبات انها در یک قلمرو کار بسیار دشوار به شمار می‌آید احیانا با انتقال به قلمروهای دیگر بسادگی قابل حل می‌شود. به این ترتیب می‌توان بسیاری از مسائل لاینحل فیزیک را با منتقل ساختن به کیهان دو بعدی به مسائلی قابل حل تبدیل کرد.
به عنوان مثال به نظر می‌رسد این نظری جدید در تحلیل نتایجی که بتازگی در حوزه فیزیک ذرات پر انرژی بدست امده بسیار مفید باشد.
از این گذشته رویکرد هولوگرافیک به کیهان به فیزیکدانان امکان می‌دهد نظریه بسیار بنیادین کوانتوم گرانشی را که هدف آن تلفیق دو نظریه کوانتومی و نسبیت است و در صدد است تا همه چهار نیروی بنیادین اصلی در کیهان را در ذیل چتر واحدی یگانه و متحد سازد، به صورتی نو و قابل استفاده در اختیار دانشمندان قرار دهد.
نظریه کوانتوم گرانشی که گاهی اوقات از آن با عنوان "نظریه‌ای برای توضیح همه امور(a theory for everything) ‬نیز استفاده می‌شود مهمترین ابزار نظری دانشمندان برای بررسی اوضاع و احوالی است که در درون سیاهچاله‌ها برقرار است و یا شناخت شرایطی است که تنها چند نانو ثانیه بعد از مه بانگ اولیه و پیدایش کیهان بوجود آمده است.
به اعتقاد فیزیکدانانی که رهیافت تازه را پیشنهاد کرده اند، رویکرد هولوگرافیک می‌تواند به نحو بالقوه راه حل بسیاری از رازها و اسراری را که کشف انها تاکنون برای دانشمندان غیرممکن بوده فراهم آورد.
آشتی دادن میان دو نظریه موفق کوانتوم و نسبیت کار بسیار دشواری است.
نظریه کوانتوم که اکنون حدود هشتاد سال از عمر آن می‌گذرد در ابتدا برای توصیف رفتار ذرات بنیادین و نیروهایی که در تراز زیر - اتمی فعالیت دارند ارائه شد.
در این مقیاسها، آثار کوانتومی، ظهور و بروز قابل توجه دارند و فهم نحوه عمل آنها، تنها با بهره‌گیری از نظریه کوانتوم امکان پذیر است.
در قلمرو کوانتومی و جهان زیر-اتمی، هستارها و اشیا در ارتباط با فاعلان شناسایی به گونه‌ای شگفت انگیز و متفاوت با آنچه که در جهان کلان و در سطح اجسام با ابعاد معمولی مشاهده می‌شود، رفتار می‌کنند.

به عنوان نمونه در تراز زیر-اتمی نمی‌توان سرعت و موقعیت ذرات بنیادی را به نحو دقیق و به صورت همزمان تعیین کرد. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ این نکته را بیان می‌کند که ذرات بنیادین دارای مشخصه‌های فیزیکی خاصی هستند که دو به دو با هم خود را به ناظران عرضه می‌کنند و اگر ناظران بخواهند کمیت یکی از این مشخصه‌ها را با دقت زیاد اندازه‌گیری کنند، اطلاعاتشان در مورد کمیت مشخصه دوم که همراه مشخصه اول است، بسیار محدود و غیر دقیق خواهد شد .
این قبیل مشخصه‌ها را می‌توان به صورت احتمالاتی، و با درجات مختلفی از تقریب محاسبه کرد.


ب) دانشمندان در پی پاسخ به اینکه جهان سه‌بعدی است یا دو بعد بیشتر ندارد ؟
نکته دیگری که نظریه کوانتومی درباره عجایب و غرایب جهان زیر-اتمی توضیح می‌دهد آنست که در جهان کوانتومی همه چیزها در حال سیالان مداوم قرار دارند و حتی فضا لایتناهی که بخش اعظم ان تهی و خالی از ماده و انرژی است نیز از چنین حالتی برخوردار است. فضا سرشار از ذرات مجازی است که به صورت بالقوه کل کیهان را پر کرده‌اند و هر از چندگاه به صورت الله بختکی و رندوم از جهان عدم پا به اقلیم وجود می‌گذارند و دوباره با سرعت رهسپار دیار عدم می‌شوند. به این ترتیب در این اوقیانوس پر از "هیچ" دائما غوغایی برپاست و "هیچ"ها برای ورود به صحنه وجود بیقراری می‌کنند.
در برابر این دیدگاه شگرف که به وسیله نظریه کوانتومی از جهان زیر-اتمی ترسیم می‌شود، نظریه نسبیت که به وسیله اینشتاین و در اوایل قرن بیستم پیشنهاد شد، تصویری کاملا متفاوت از جهان کبیر ارائه می‌دهد.
نظریه نسبیت نظریه‌ای کلاسیک یا غیر کوانتومی است و مدعای اصلی آن اینست که تجمع ماده و انرژی در نقاط مختلف کیهان موجب می‌شود آنچه که فیزیکدانان به آن "پیوستار زمان-مکان" لقب داده‌اند و در واقع تار و پود کیهان را تشکیل می‌دهد، دچار خمش و انحنا شود و همین خمش و انحنا نظیر گودیی که در اثر قرار دادن یک جسم سنگین بر روی یک صفحه یا ورقه لاستیکی بوجود می‌اید موجب می‌شود اجرامی که در اطراف این جسم سنگین قرار دارند در مسیرهای خاصی به حرکت در آیند. به این ترتیب بر مبنای نظریه نسبیت که نظریه‌ای بسیار موفق است و بسیاری از پیش بینی‌های آن با دقت فراوان مورد تایید قرار گرفتهف نیروی جاذبه چیزی نیست جز خمش و انحنای تار و پود کیهان.
در یک نظریه کلاسیک مانند نظریه نسبیت عام هر جسم یا هستار دارای موقعیت و سرعت معین است که می‌توان آنها را با دقت اندازه‌گیری کرد. به عنوان مثال اخترشناسان می‌توانند در هر لحظه موقعیت و سرعت سیارات را در منظومه شمسی با دقت مشخص سازند. از این گذشته بر مبنای این نظریه در هر جای کیهان که ماده و انرژی متراکم موجود نباشد، تار و پود کیهان دچار خمش نیست و در آن بخشها کیهان به صورت مسطح شکل گرفته است.
با این تفاصیل مشکلی که بر سر راه دانشمندان در آشتی دادن میان دو نظریه کوانتومی و نسبیت وجود دارد صرفا آن نیست که در یکی از دو نظریه اجسام دارای سرعتها و موقعیتهای دقیقا قابل محاسبه نیستند و در دیگر می توان این سرعتها و موقعیتها را با دقت محاسبه کرد، بلکه آنچه کار را بیش از پیش دشوار می‌سازد آنست که بر مبنای نظریه کوانتومی همچنان که اشاره شد، حتی در کوچکترین ابعاد کیهان که فیزیکدانان از آن با عنوان ثابت پلانک نام می‌برند و آن را معادل طول بغایت کوچک ‪ ۳۳-۱۰‬سانتیمتر(یعنی عدد ‪ 1‬تقسیم بر عدد ‪ ۱۰‬با ‪ ۳۲0صفر در جلوی آن!) در نظر می‌گیرند نیز بافتار کیهان یعنی تار و پود آن از کف غلغل‌کننده ای از جنس ذرات مجازی ساخته شده که دائما پا به عرصه می‌گذارند و لمحه‌ای بعد (در یک چشم بر هم زدن) ناپدید می‌شوند. حال اگر قرار باشد ماده و فضا این چنین خصلت متلون و دمدمی مزاجی داشته باشند، معادلات فیزیک نسبیت چگونه می‌تواند موقعیت و سرعت آنها را محاسبه کند. پاسخ آنست که معادلات فیزیک نسبیت در شکل کنونی آنها، قادر به انجام این وظیفه نیستند. حال اگر فرض کنیم که ذرات بنیادی از قوانین فیزیک کوانتوم تبعیت می‌کنند و نیروی جاذبه که اثرش در تراز اجرام و هستارهای چگال ظاهر می‌شود، از فیزیک نسبیت پیروی می‌کند، آنگاه با تعارضی غیر قابل جمع و آشتی روبرو خواهیم شد. فیزیکدانان برای رفع این تناقض سالهاست در تلاشند تا فیزیک جدیدی را تکمیل کنند که دو مولفه کوانتومی و گرانشی (جاذبه) را در کنار هم به صورتی صلح آمیز و دوستانه جای می‌دهد. نظریه کوانتوم گرانشی قرار است چنین نقشی را ایفا کند.

جهان چند بعدیدر بسیاری از موارد عملی و در تحقیقات فیزیکی روزمره، تعرضی که به صورت ذاتی میان فیزیک کوانتومی و فیزیک نسبی برقرار است مانعی جدی برای دانشمندان بوجود نمی‌آورد زیرا یا اثرات کوانتومی ناچیز به شمار می ایند و یا اثرات جاذبه‌ای و بنابراین می‌توان به صورت تقریبی تاثیرات یکی یا دیگری را در محاسبات منظور داشت. اما زمانی که انحنا بافتار زمان- مکان بسیار بزرگ باشد در آن صورت تاثیر نیروی جاذبه بسیار محسوس می‌گردد.
برای ایجاد چنین انحنای بزرگی می‌باید مقدار عظیمی ماده در یک نقطه از فضا متمرکز شده باشد. در چنین حالتی تنها می‌توان با بهره‌گیری از یک نظریه کوانتوم گرانشی تغییراتی را که در کیهان پدید می‌آید محاسبه کرد.
اما برای آنکه خواننده متوجه شود که به وجود این نظریه در کدام مقیاس نیاز است باید یادآور شد که حتی جرم عظیم خورشید منظومه شمسی نیز نمی تواند انحنایی را که به آن اشاره شد در بافتار کیهان بوجود آورد. برای ایجاد چنان انحنایی که استفاده از کوانتوم گرانشی را ضروری سازد به تجمع مقادیر به مراتب عظیمتری از جرم نیاز است که خورشید منظومه شمسی در قبال آن به ذره‌ای کوچک شبیه خواهد بود.

به عنوان مثال تاثیرات کوانتوم گرانشی در هنگام بروز مه بانگ اولیه که موجب پیدایش کیهان شد کاملا محسوس بوده اند. در آن هنگام کل جرم و انرژی کیهان در یک نقطه تکینگی مجتمع بود. برای فهم انچه که در هنگام وقوع انفجار بزرگ اولیه که به پیدایش کیهان منجر شد، بهره‌گیری از نظریه کوانتوم گرانشی گریز ناپذیر است. بررسی انچه که در درون سیاهچاله‌ها می گذرد نیز نیازمند کاربرد این نظریه است. سیاهچاله‌ها محصول تجمع مقادیر عظیم ماده در بخش کوچکی از فضا هستند. حضور این ماده عظیم در یک محدوده بغایت کوچک موجب پدید آمدن انحنای بزرگی در فضا می‌شود. از آنجا که نیروی جاذبه موجب انحنای بافتار کیهان می‌شود، نظریه کوانتوم گرانشی همچنین می تواند آنچه را که فیزیکدانان "کف یا حباب زمان-مکان ‪ (space-time foam)‬می نامند توضیح دهد و در این رهگذر احیانا می‌تواند چشم اندازی کاملا بدیع و تازه در خصوص انچه که واقعیت در زیرین‌ترین ترازهای آن به شمار می‌آید ، پیش روی محققان قرار دهد.
یکی از نوید بخش‌ترین رویکردها برای تکمیل روایتی از نظریه کوانتوم گرانشی رویکرد موسوم به نظریه ریسمانهاست که صورتهای مختلف آن از دهه ‪ ۱۹۷۰‬به اینسو مطرح شده است. نظریه ریسمانها می‌تواند بر برخی از موانع منطقی که در راه آشتی دادن دو نظریه نسبیت و کوانتوم برقرار است غلبه کند. اما این نظریه هنوز در دست تکمیل است و جهات مختلف آن به واسطه دشواری ساختار ریاضی لازم برای تکمیل آن، هنوز بدرستی فهم نشده است. به بیان دقیق تر در حال حاضر فیزیکدانان برای توضیح رفتار ریسمانها، که فرض می شود بنیادی‌ترین سنگ زیر بنای عالم هستند، ناگزیرند از روابط تقریبی استفاده کنند و هنوز نتوانسته‌اند به معادلات دقیق ریاضی در این زمینه دست پیدا کنند. از این گذشته فیزیکدانان هنوز نتوانسته‌اند به سرنخهایی در این خصوص دست یابند که معادلات مورد نظر را چگونه باید سامان دهند.
مشکل در اینجاست که شماری نامتناهی از کمیات وجود دارند که برای فیزیکدانان روشن نیست چگونه می‌توانند مقادیر آنها را از روی معادلات موجود مشخص سازند.
در سالهای اخیر روایتهای مختلفی که از نظریه ریسمانها ارائه شده، در دستیابی به بسیاری از نتایج درخور توجه و حیرت انگیز توفیق داشته اند و از رهگذر این موفقیتها راههای بدیع و جدیدی برای فهم ساختار کوانتومی زمان-مکان بدست امده است. یکی از جالب توجه‌ترین پیشرفتهایی که از رهگذر پژوهشها در حوزه نظریه ریسمانها بدست امده و در این مقاله به آن پرداخته می شود، منجر به ان شده فیزیکدانان برای نخستین بار بتوانند به توصیفی کامل و بدون تناقض منطقی، بر مبنای آموزه‌های کوانتوم گرانشی، از زمان- مکانی دست یابند که دارای انحنای منفی است. نکته جالب توجه در میان آنکه به نظر می‌رسد برای این قبیل زمان-مکانهای با انحنای منفی، نظریه‌های هولوگرافیک که در ابتدای مقاله به آنها اشاره شد، صادق هستند.
زمان-مکانهای با انحنای منفی در برابر زمان-مکانهای با انحنای صفر و زمان-مکانهای با انحنای مثبت قرار دارند. همه ما کم و بیش از دوران دبستان و خواندن هندسه اقلیدسی با مکان دارای انحنای صفر آشنا هستیم.
زمان-مکان دارای انحنای صفر در قالب صفحات مسطح نشان داده می‌شود.
نمونه‌ای از مکان دارای انحنای مثبت محیط یک کره است که انحنای آن در همه نقاط یکسان است. در حالیکه انحنای سطح یک تخم مرغ، که آنهم نمونه دیگری از مکان دارای انحنای مثبت به شمار می‌اید، در نزدیک دو انتهای تخم مرغ بیشتر است. نمونه از مکان دارای انحنای منفی در قالب منحنیهای موسوم به شلجمی یا هذلولی نشان داده می‌شود.

یک مثال این نوع انحنا را می‌توان در نقشه‌های جغرافیا مشاهده کرد که می کوشند نقشه کشورهای کره زمین را بر روی یک سطح دو بعدی نمایش دهند.

در این قبیل نقشه‌ها کشورهایی که نزدیک به قطب‌ها قرار دارند کشیده تر نشان داده می‌شوند.
یک نقاش مشهور اروپایی که اثارش به فارسی نیز ترجمه شده، به نام ئی.سی اشر ‪( E.C Escher) نمونه‌های درخشانی از این قبیل فضاها با انحنای منفی را در نقاشی‌های خود ترسیم کرده است.
فیزیکدانان با افزودن بعد زمان به این قبیل مکانهای با انحناهای مثبت و منفی، زمان-مکانهای دارای انحنای مثبت و منفی بوجود می‌آورند. یک مثال مشهور از زمان-مکان با انحنای مثبت فضای "دو سیتر ‪"(de Sitter) ‬نامیده می شود که به افتخار دو سیتر فیزیکدان هلندی نامگذاری شده که پیشنهاد دهنده این مفهوم بوده است.
بسیاری از کیهان شناسان بر این باورند که کیهان در نخستین مراحل خود شبیه زمان - مکان دو سیتر بوده است و در پایان کار خود نیز به واسطه شتاب بیش از حدی که اجزای آن پیدا می‌کنند بار دیگر شکل فضای دو سیتر را بخود خواهد گرفت.
ساده‌ترین زمان-مکان با انحنای منفی زمان مکان ضد دو سیتر (‪anti de-Sitter space-time‬) نام دارد. این زمان مکان شبیه یک مکان هذلولی است با این تفاوت که دارای یک بعد زمان نیز هست.
زمان-مکان ضد دو سیتر بر خلاف کیهان ما که در حال انبساط است، هیچگاه نه انبساط پیدا می‌کند و نه انقباض. این نوع کیهان در همه زمانها یکسان به نظر می‌رسد. هرچند این نوع کیهان با کیهان ما تفاوت زیاد دارد، اما فیزیکدانان دریافته‌اند که این نوع کیهان ضد دو سیتر برای صورت بندی نظریه‌های کوانتوم گرانشی بسیار مفید به شمار می‌ایند


ج) دانشمندان در پی پاسخ به اینکه جهان سه‌بعدی است یا دو بعد بیشتر ندارد ؟
اگر فضای ضد دوسیتر را به صورت دیسکی بیضی شکل در نظر بگیریم (نظیر نقشه‌های جغرافیایی از کشورهای جهان) در آن صورت زمان - مکان دو سیتر نظیر مجموعه‌ای از این دیسکها خواهد بود که یکی بر روی دیگری جای داده شده و یک استوانه را بوجود آورده است.
هر یک از این لایه‌ها یکی از حالات کیهان را در طول زمان مشخص می‌سازد.
قوانین فیزیک در کیهان ضد دو سیتر مشخص‌های عجیبی خواهند داشت. به عنوان مثال اگر در هر نقطه از کیهان با انحنای منفی از نوع ضد دو سیتر به حالت شناور در فضا به سیر بپردازید احساس می‌کنید در ته چاهی قرار گرفته‌اید که نیروی جاذبه زیادی در آن بر شما اعمال می‌شود. هر جسمی را که در این کیهان پرتاب کنید، نظیر بومرنگ به سمت خود شما باز خواهد گشت.
جالب اینکه زمان بازگشت این شی به سمت شما کاملا مستقل از انست که شما آن را با چه شدتی پرتاب کنید.
تنها فرقی که پیدا می‌شود آن است که هر چه آن را با شدت بیشتری پرتاب کنید، از شما دورتر خواهد شد اما در عوض با سرعت بیشتری به سمت شما باز می گردد.
اگر در این کیهان، فوتونهای نور را که حداکثر سرعت اجسام مادی را واجدند پرتاب کنید این فوتونها عملا فاصله‌ای معادل بی‌نهایت را که کل وسعت این کیهان خواهد بود در زمانی متناهی طی می‌کنند و به سمت شما باز می گردند.
علت این امر آن است که در این نوع کیهان، اجسامی که با سرعت حرکت می کنند بر طبق قوانین نسبیت دچار انقباض زمانی می‌شوند و میزان این انقباض زمانی هرچه که شی دورتر شود بیشتر می‌شود.
مکان ضد دو سیتر هرچند بینهایت است اما دارای مرز یا لبه‌ای است که در بی نهایت واقع شده است.
فیزیکدانان و ریاضی دانان برای ترسیم این مرز از همان مقیاس تحریف شده مکان استفاده می‌کنند که در نقاشی‌های اشر نیز برای ترسیم اجسام مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در این حالت مرز مکانی همان محیط دایره یا بیضی یی است که قاعده استوانه را بوجود می‌آورد و مرز زمانی خطی است که به صورت مارپیچ روی بدنه استوانه ترسیم می‌شود. این نوع استوانه یک کیهان ضد دو سیتر را که دارای سه بعد است نمایش می‌دهد.
در این کیهان مرز بینهایت به صورت یک بعد مکان و یک بعد زمان نمایش داده می‌شود. به همین ترتیب در کیهان ضد دو سیتر با چهار بعد ، مرز یا لبه‌ای که بی‌نهایت را مشخص می‌کند دارای دو بعد مکان و یک بعد زمان خواهد بود.
به عبارت دیگر این مرز به صورت یک کره مجسم می‌شود. همین مرز کروی است که فیزیکدانان را به صرفات انداخته تا به سراغ فیزیک هولوگرافیک بروند و از خواص آن برای فهم خواص کیهان ضد دو سیتر و نیز تکمیل نظریه کوانتوم گرانشی بهره بگیرند.
اگر بخواهیم مطلب را به زبان ساده بیان کنیم باید بگوئیم که نظریه کوانتوم گرانشی که در درون یک کیهان ضد دوسیتر به کار گرفته می‌شود کاملا معادل یک نظریه کوانتومی معمولی است که از آن در مرز یا لبه کروی شکل این کیهان استفاده به عمل اید. معنای این امر آن است که دانشمندان می‌توانند برای فهم رفتار ذرات بر اساس نظریه کوانتوم گرانشی (که مشخصه‌های آن هنوز بخوبی فهم نشده اند) از همان مکانیک کوانتومی موجود که بخوبی با آن آشنایی دارند استفاده کنند. در این میان فیزیک هولوگرافیک پل ارتباطی میان این دو قلمرو به شمار می‌آید.

برای فهم بهتر مطلب مثال زیر را در نظر بگیرید.
فرض کنید دو کپی یا نمونه از یک فیلم سینمایی در اختیار دارید. یکی بر روی سلولزهای قدیمی ضبط شده که روی استوانه‌های هفتاد میلی متر پیچیده می شد و با آپارات به نمایش در می‌آمد و دیگری بر روی دی وی دی‌های مدرن ضبط شده است .
روشن است که فرمت ضبط این دو نسخه از فیلم کاملا با هم تفاوت دارند. هر چند که هر دو صحنه‌های مشابهی را بر روی خود ضبط کرده اند.
نسخه اول بر روی نوارهای سلولز ضبط شده که هر کدام از فریم هایش نظیر یک اسلاید است و می‌توان زیر نور به آن نگاه کرد و منظره‌های آن را تشخیص داد.در حالیکه فرمت دوم به صورت دیجیتالی و در قالب شماری از صفرها و یک‌ها رمزنگاری شده‌است. با این حال هر دو فرمت، صحنه‌های یکسانی را نمایش می‌دهند.
دو نظریه کوانتوم متعارف و کوانتوم گرانشی نیز همانند این دو نسخه از فیلم واحد هستند. هرچند فرمت اطلاعات موجود در آنها بکلی متفاوت است، اما هر دو تصویر یک کیهان واحد را نمایش می‌دهند. کیهانی که در آن نظریه کوانتوم گرانشی کاربرد دارد نظیر نسخه دی وی دی است که شبیه دیسکی است که روی آن نوارهای رنگین کمان مانندی ضبط شده، کیهانی که نظریه کوانتوم عادی در آن کاربرد دارد و مرز و لبه کیهان اول به شمار می‌آید شبیه فیلم سلولزی است.
در این کیهان دوم نظریه کوانتوم متعارف که در موزد ذرات بنیادی به کار می‌رود، در حالتی اعمال می‌شود که گویی نیروی جاذبه در مورد این ذرات غایب است و بر انها اثر نمی‌کند.

از دیسک یا لوح فشرده دی وی دی تنها در صورتی می‌توان تصاویر مورد نظر را بدست اورد که بتوان اطلاعات رمز شده دیجیتالی در روی دیسک را به نحو صحیح پردازش کرد. از روی نظریه کوانتومی متعارف که در مورد لبه کیهان ضد دوسیتر به کار می‌رود می‌توان اطلاعاتی درباره نظریه کوانتوم گرانشی و نیز یک بعد اضافی (به اعتبار چهار بعدی بودن کیهان و سه بعدی بودن لبه آن) بدست آورد به شرط آنکه اطلاعات مربوطه به نحو صحیح تحلیل شوند.

معادل بودن دو نظریه کوانتوم گرانشی و کوانتوم معمولی در این کیهان ضد دو سیتر به این معناست که برای هر هستار یا شی‌ای که در یک نظریه راجع به آن سخن گفته شود می‌توان معادلی در نظریه دوم پیدا کرد.
البته این هستارهای معادل ممکن است با یکدیگر اختلافات بسیار زیادی داشته باشند. درست همانگونه نسخه‌های دو گانه فیلم با یکدیگر اختلافات اساسی دارند.
یکی از این دو هستار در درون کیهان جای دارد و ممکن است تنها یک تک ذره باشد. در حالیکه هستار معادل آن که در مرز یا لبه کیهان جای دارد ممکن است مجموعه‌ای از ذرات بنیادی باشد که ما با آنها آشنایی بیشتری داریم. اما این دو مجموعه با یکدیگر معادلند به این معنی که تصویری از یک واقعیت را پیش روی ما می‌گذارند.
به این ترتیب اگر در دورن کیهان دو ذره بنیادی ‪ ۴۰‬درصد شانس برخورد با یکدیگر را داشته باشند، دو مجموعه یا توده از ذرات که بر روی لبه به عنوان معادل این دو تک ذره به شمار می‌ایند نیز ‪ ۴۰‬درصد شانس برخورد با یکدیگر را دارند.
اگر بازهم بخواهیم این توضیحات را دقیق تر کنیم می‌توانیم بگوئیم که توده‌های ذراتی که روی لبه یا مرز حضور دارند و نماینده تک ذرات درون کیهان ضد دو سیتر هستند به گونه‌ای با یکدیگر تعامل می‌کنند که شباهت زیادی با نحوه تعامل کوارکها و گلوئونها در کیهان خود ما دارد.
کوارک‌ها اجزای تشکیل‌دهنده پروتونها و نوترونها هستند. گلوئونها نیز مولد نیروهای قدرتمندی هستند که کوارکها را به یکدیگر متصل نگاه می دارند. کوارک‌ها دارای نوعی بار الکتریکی هستند که به سه صورت مختلف ظاهر می‌شوند.
فیزیکدانها با نوعی کج سلیقگی یا به عکس خوش سلیقگی به این سه نوع بار نام رنگهای مختلف کوارک را داده اند. و بنابراین کوارکها را هستارهایی رنگی محسوب کرده اند! علم بررسی رفتار دینامیکی این کوراکها را نیز بر همین اساس کوانتوم کرومودینامیک نامیده‌اند که واژه "کروم ‪ "chrome‬به معنای رنگ است.
فرق بین ذراتی که روی لبه کیهان دو سیتر قرار دارند با کوارکها و گلوئونهای عادی که دانشمندان با آنها آشنا هستند آنست که این ذرات دارای شمار زیادی از "رنگ ها" هستند و تعداد این "رنگ ها" به سه محدود نمی‌شود.
فیزیکدانی به نام جرارد هوفت از دانشگاه اوترشت در هلند در سال ‪۱۹۷۴‬ به بررسی این نظریه پرداخت و در آن هنگام پیش بینی کرد که گلوئونها در روی لبه کیهان ضد دو سیتر رشته‌ها و زنجیره‌هایی را بوجود می‌آورند که شباهت زیادی به ریسمانهایی دارد که در نظریه ریسمانها از آن سخن گفته می شود.
ماهیت این ریسمانها در آن هنگام هنوز برای فیزیکدانان روشن نبود. اما در سال ‪ ۱۹۸۱‬یک فیزیکدان روس به نام پولیاکف که اکنون در دانشگاه پرینستن است توجه کرد که این ریسمانها عملا در فضایی حضور دارند که از حیث تعداد ابعاد مکانی بالاتر از فضایی است که گلوئونها در آن جای دارند.
همین نکته راه را برای رهیافت تازه هولوگرافیک هموار کرد. در این رهیافت فرض می‌شود که فضاهای با ابعاد بالاتر بخشهای درونی کیهان ضد دو سیتر را تشکیل می‌دهند.
برای درک این نکته که سر و کله این بعد اضافی از کجا ظاهر می‌شود؟ باید کار را از توجه به موقعیت رشته گلوئونها در روی لبه یا مرز کیهان ضد دو سیتر شروع کنیم. ریسمانی که از این گلوئونها بوجود می‌آید از یک نوع به اصطلاح "کلفتی" (thickness) ‬برخوردار است که رابطه مستقیم با شمار گلوئونهایی دارد که در لبه جای دارند. هر چه این گلوئونها بیشتر باشند ریسمان کلفت تر می‌شود.

 

د) دانشمندان در پی پاسخ به اینکه جهان سه‌بعدی است یا دو بعد بیشتر ندارد ؟
زمانی که فیزیکدانان به محاسبه نحوه تعامل ریسمانهای روی لبه با یکدیگر می‌پردازند به نتایج عجیبی دست می‌یابند. دو رشته که از حیث کلفتی با یکدیگر تفاوت دارند، چندان با یکدیگر تعامل نمی‌کنند. چنین به نظر می رسد که این ریسمانها به صورت مکانی از یکدیگر جدا هستند.
به عبارت دیگر می‌توان کلفتی ریسمانها را به صورت یک مختصات مکانی تازه در نظر گرفت که از روی لبه به بیرون از آن امتداد می‌یابد.
به عبارت دیگر یک ریسمان نازک، ریسمانی است که کاملا چسبیده به خود لبه است در حالیکه یک ریسمان کلفت به واسطه ضخامتش از لبه فاصله گرفته است.
همین مختصات اضافی که به واسطه کلفتی یا ضخامت ریسمان اصل می‌شود کاملا برای توصیف حرکاتی که در کیهان ضد دو سیتر اتفاق می‌افتد ضرورت دارد.
شمار "رنگهای" روی مرز یا لبه اندازه یا شعاع دایره‌ای را که سطح قاعده کیهان ضد دو سیتر را مشخص می‌سازد، تعیین می‌کند. به عنوان مثال برای آنکه کیهان یا زمان-مکان ضد دو سیتر دارای ابعادی معادل کیهانی باشد که ما در آن بسر می‌بریم شمار " رنگهای" روی مرز آن کیهان می‌باید برابر ‪ ۱۰۶۰‬باشد.
در بررسی این رهیافت هولوگرافیک روشن می‌شود که یک نوع از زنجیره گلوئون در زمان-مکان چهار بعدی نظیر گراویتون در کیهان ما عمل می‌کند.
گراویتون ذره‌ای است که فیزیکدانان فرض کرده‌اند نیروی جاذبه را در مقیاس کوانتومی رد و بدل می‌کند.
در این رهیافت، جاذبه یا گرانش یک خاصه ظاهرشونده (emergent property) ‬ است که از نعامل میان گراویتونها در فضای سه بعدی بوجود می‌آید. وجود ذره‌ای به نام گراویتون شگفت انگیز نیست زیرا فیزیکدانان از سال ‪ ۱۹۷۴‬به این نکته توجه کرده بودند که معادلات نظریه ریسمان همواره موجب بروز پارامتری برای بیان جاذبه در تراز کوانتومی می‌شود.
بنابراین در مورد نظریه کوانتوم گرانشی که در درون کیهان ضد دو سیتر عمل می‌کند نیز می‌توان انتظار داشت تعامل گلوئون‌ها منجر به ظهور گرانش شود هرچند که این گرانش در فضایی با بعدی بالاتر ظاهر می‌شود.
نتیجه‌ای که از این بحث‌ها بدست می‌آید آن است که رهیافت هولوگرافیک یک شیوه گمانزنانه بی‌در و پیکر نیست بلکه شیوه‌ای اساسی برای مرتبط کردن نظریه ریسمانها (یعنی مهمترین نظریه در بررسی گرانش) به نظریه‌های مربوط به کوارکها و گلوئونهاست که سنگ بنای فیزیک ذرات بنیادین به شمار می ایند.
بالاتر از این، چنین به نظر می‌رسد که رهیافت هولوگرافیک بصیرتهای تازه ای درباره معادلات نظریه ریسمان در اختیار فیزیکدانان قرار داده است.
نظریه ریسمانها اول بار در دهه ‪ ۱۹۶۰‬مطرح شد و غرض از آن ارائه توصیفی برای بیان تعاملهایی بود که در تراز زیر اتمی با توجه به نیروی موسوم به "نیروی اندر کنش قوی " (strong interaction) ‬به انجام می‌رسید.
اما زمانی که نظریه الکترو کرومودینامیک برای بررسی همین نیرو پیشنهاد شد نظریه ریسمانها موقتا کنار گذارده شد. اما تناظری که میان این دو نظریه وجود داشت حکایت از آن داشت که تلاشهایی که برای بسط نظریه ریسمانها به انجام رسیده اتلاف وقت نبوده است. این دو نظریه در واقع برای توضیف دو روی یک سکه وضع شده بودند.
اگر شرایط مرزی نظریه الکترو کرومودینامیک تغییر داده شود، از طریق تغییر نحوه تعامل ذراتی که روی مرز قرار دارند، نتیجه عبارت خواهد بود از مجموعه‌ای از نظریه‌هایی که شرایط داخلی کیهان ضد دو سیتر را توصیف می کنند.
نکته جالب در اینجاست که این نظریه‌های جدید صرفا می‌توانند دارای نیروی جاذبه و یا نیروی جاذبه به علاوه یک نیروی اضافه، مثلا نیروی الکترو مغناطیس، باشند. فیزیکدانان هنوز نتوانسته‌اند این نکته را حل کنند که کدام نوع خاص از شرایط مرزی صرفا موجب بروز چهار نوع نیرویی می‌شود که نیروهایی اصلی در کیهان ما به شمار می‌ایند.
این چهار نیرو عبارتند از نیروی جاذبه که در مقیاس گسترده عمل می‌کند و نیروی الکترو مغناطیس که بین الکترونها و پروتونها عمل می‌کند و نیروی اندرکنش ضعیف و اندرکنش قوی که پروتونها و نوترونها را در درون هسته اتم به یکدیگر متصل نگاه می‌دارند.

فیزیکدانان نخستین بار در سال ‪ ۱۹۹۷‬این فرضیه را پیشنهاد کردند که رهیافت هولوگرافیک ممکن است بتواند به یک نظریه ساده الکترو کرومودینامیک در یک مرز یا لبه چهار بعدی منجر شود .

اما به علت دشواری بیش از حد ریاضیاتی که برای فهم مساله مورد نیاز است هنوز نمونه مشخص این نظریه تکمیل نشده است.
رهیافت هولوگرافیک در عین آنکه برای فهم کل کیهان کاربرد دارد می‌تواند به فیزیکدانان برای فهم اتفاقاتی که در درون سیاهچاله‌ها در جریان است کمک کند.
وجود سیاهچاله به وسیله استفن هاوکینگ از دانشگاه کیمبریج پیش بینی شد. هاوکینگ پیشنهاد کرد که سیاهچاله‌ها در دمای معین از خود پرتویی تابش می دهند که به پرتو هاوکینگ شهرت یافته است.
در مورد اجرام فیزیکی معمولی برای توضیح دما، کافی است از مکانیک آماری استفاده شود که رفتار ذرات میکروسکپی سازنده جسم را به دمای آن مرتبط می‌کند. اما در مورد سیاهچاله‌ها چه می‌توان گفت؟ برای تشخیص دمای سیاهچاله‌ها لازم است اجزای میکروسکپی سازنده آنها شناسایی شود. اما تنها یک نظریه کوانتوم گرانشی می‌تواند چنین وظیفه‌ای را به انجام برساند.
برخی از جنبه‌های رفتار ترمودینامیکی سیاهچاله‌ها فیزیکدانان را نگران ساخته بود که شاید به هیچ وجه نتوان یک مدل کوانتوم مکانیکی برای توضیح رفتار سیاهچاله‌ها ارائه داد. اما خوشبختانه برای سیاهچاله‌ای که در درون یک زمان - مکان دو سیتر مفروض انگاشته شود، می‌توان با استفاده از مکانیک کوانتومی عادی که در مورد مرز یا لبه این زمان-مکان یا کیهان خاص اعمال می شود، رفتار ذراتی را که روی مرز این زمان-مکان فرض می‌گردد معادل خود سیاهچاله‌ای گرفت که همچون یک تک ذره درون این زمان-مکان ضد دو سیتری جای دارد.
آنگاه با بررسی رفتار توده ذراتی که روی مرز یا لبه این زمان - مکان یا کیهان دو سیتری واقع شده می‌توان مشخصه‌های سیاهچاله درون آن را بدست اورد. محاسباتی که به این ترتیب به انجام رسیده با نتایجی که هاوکینگ با روشهایی کاملا متفاوت برای تعیین دمای سیاهچاله به انجام رسانده کاملا مطابفت دارد. این نکته نشان می‌دهد که محاسبات انجام شده قابل اعتمادند.
فیزیکدانان همچنین شروع به استفاده از رهیافت هولوگرافیک در جهت معکوس کرده اند. آنان با بهره گرفتن از برخی مشخصه‌های درون سیاهچاله‌ها که با شیوه‌های دیگری محاسبه شده اند، اقدام به بررسی رفتار کوارکها و گلوئونها در دماهای بسیار بالا کرده اند. به عنوان مثال فیزیکدانان دانشگاه واشنگتن کمیتی را به نام "چسبندگی صرف " معرفی کرده‌اند که برای سیالی که براحتی سیلان می‌یابد مقدارش اندک است و در عوض برای سیالی که بسختی حرکت می‌کند از مقدار بالایی برخوردارست.
این محققان در بررسیهای خود به این نتیجه رسیدند که میزان چسبندگی صرف سیاهچاله‌ها بسیار اندک است و کمیت آن از هر مقداری که برای سیالات شناخته شده تعیین شده کوچکتر است. معنای این امر آنست که کوارکها و گلوئونهایی که در دمای بسیار بالا با یکدیگر تعامل می‌کنند از درجه چسبندگی بسیار پائینی برخوردارند.
نتیجه پیش بینی شده به وسیله این فیزیکدانان با آزمایشهایی که به وسیله دستگاه برخورددهنده ذرات بنیادین در بروک هیون به انجام رسید مورد تایید قرار گرفت.
در مورد رهیافت هولوگرافیک پرسشهای بدون پاسخ بسیاری مطرح است. از جمله اینکه آیا می‌توان مدل کیهانی را که در آن زیست می‌کنیم در یک زمان-مکان ضد دو سیتری جای دهیم.
مشخصه اصلی زمان-مکان ضد دو سیتری آن است که مرز زمانی آن بخوبی تعریف شده است. این مرز همواره باقی خواهد ماند. اما کیهانی نظیر کیهان ما که از زمان مه بانگ تاکنون در حال انبساط است دارای این ویژگی نیست.
بنابراین مشخص نیست که ایا می‌توان از روش هولوگرافیک در مورد همه جنبه‌های کیهانشناسی استفاده کرد یا نه. اما درس بزرگی که از این روش می توان اموخت آن است که در بسیاری از موارد مسائلی که در ابتدا غیر قابل حل به نظر می‌رسند، نظیر تئوری گرانش کوانتومی، با یک تغییر دیدگاه مناسب به مسائلی قابل حل تبدیل می‌گردند.

گردآورنده : دنیاها،دانشنامهٔ فارسی | www.donyaha.ir

دیدگاه تان را بنویسید !

تصویر تصادفی