دقیقاً فضازمان چیست؟

دقیقاً فضازمان چیست

دقیقاً فضازمان چیست؟

به‌عقیده‌ی بسیاری از فیزیک‌دانان، فضازمان احتمال دارد بنیادی نباشند؛ بلکه می‌توانند معلول و از ساختار و رفتاری با ماهیت بنیادی‌تر سرچشمه گرفته باشند. در عمیق‌ترین سطح واقعیت، پرسش‌هایی مانند «کجا؟» و «چه زمانی؟» احتمال دارد هیچ پاسخی نداشته باشند. پاکت، فیزیک‌دان نظری دانشگاه واشنگتن، دراین‌باره می‌گوید:

در فیزیک، شواهد فراوانی وجود دارند که نشان می‌دهند فضازمانی که می‌شناسیم بنیادی نیست.

این مفاهیم رادیکال از نظریه‌ی گرانش کوانتومی سرچشمه می‌گیرند. بهترین نظریه‌ی فیزیک‌دانان درباره‌ی گرانش تا امروز نسبیت عام است؛ نظریه‌ی معروف آلبرت اینشتین درباره‌ی چگونگی پیچش فضا و زمان در حضور ماده. بهترین نظریه درباره‌ی چیزهای دیگر هم فیزیک کوانتوم است که درباره‌ی ویژگی‌های ماده و انرژی و ذرات زیراتمی دقت فراوانی دارد. هر دو نظریه از تست‌های گوناگون در قرن گذشته با موفقیت بیرون آمده‌اند؛ به‌همین‌دلیل، به‌نظر می‌رسد با این دو نظریه به «نظریه‌ی همه‌چیز» می‌رسیم.

دو نظریه‌ی یادشده تمام نیازها را برآورده نمی‌سازند. اگر بخواهید نسبیت عام را برای فیزیک کوانتوم به‌کار ببرید، پاسخ‌های متناقضی دریافت می‌نمایید و احتمال دارد به بی‌نهایت‌های کنترل‌نشده‌ای برسید که ماشین‌‌حسابتان را خراب کنند؛ اما طبیعت می‌داند چطور گرانش را در زمینه‌های کوانتومی اعمال کند. احتمال دارد این رخداد در لحظات اول بیگ‌بنگ رخ داده باشد و هنوزهم در قلب سیاه‌چاله‌ها در حال رخ‌دادن باشد؛ اما ما انسان‌ها هنوز نتوانستیم این پروسه را درک کنیم.

بخشی از مشکل به رویکرد دو نظریه‌‌ی نسبیت عام و فیزیک کوانتوم درمقایسه‌با فضازمان وابسته است. با اینکه فیزیک کوانتوم ماهیت فضازمان را تغییرناپذیر می‌داند، نسبیت عام آن را خم می‌کند. درنتیجه، برای سازگار‌کردن فرضیه‌ها درباره‌ی فضازمان به نظریه‌ای مانند گرانش کوانتومی احتیاج داریم. برای انجام این کار باید منشأ مشکل را پیدا کرد و فضازمان را معلول چیزی بنیادی‌تر در نظر گرفت. در سال‌های گذشته، پژوهش‌های متعددی در‌این‌باره پیشنهاد شده‌اند و در عمیق‌ترین سطح واقعیت، فضا و زمان آن‌گونه که در دنیای روزمره‌ی ما به چشم می‌خورند، وجود ندارند.

در دهه‌ی گذشته، فرضیه‌های مربوط با فضازمان نگرش فیزیک‌دانان به سیاه‌چاله‌ها را تغییر دادند. امروزه، پژوهشگران از این مفاهیم برای شرح اجرام عجیب‌تری مانند کرم‌چاله‌ها استفاده می‌کنند. کرم‌چاله‌ها در‌واقع تونل‌هایی فرضی شبیه پل‌هایی بین نقاط دوردست در فضازمان هستند. این موفقیت‌ها امید به پیشرفت‌های بیشتر را افزایش می‌دهند. اگر فضازمان ماهیتی برآمده داشته باشد، رسیدن به منشأ آن و چگونگی این برخاستن احتمال دارد کلید رمزگشایی از نظریه‌ی همه‌چیز باشد.

نظریه نسبیت عام و خم شدن فضا

برمبنای نظریه نسبیت عام گرانش موجب خمیدگی فضا می‌شود

هستی در دوئتی رشته‌ای

امروزه، نظریه‌ی ریسمان محبوب‌ترین نظریه‌ی برگزیده گرانش کوانتومی در میان فیزیک‌دانان است. برمبنای این فرضیه، رشته‌ها اجزای بنیادی ماده و انرژی هستند و موجب می‌گردند ذرات زیراتمی بنیادی به‌عنوان شتاب‌دهنده‌هایی ذرات در اطراف جهان به‌نظر برسند. این ذرات حتی عامل گرانش هم هستند. برمبنای این فرضیه، ذره‌ای فرضی به نام گراویتون قادر است نیروی گرانشی را حمل کند که یکی از پیامدهای اجتناب‌ناپذیر این نظریه است.

درک نظریه‌ی ریسمان سخت است؛ چراکه در قلمروی ریاضی باقی مانده است و فیزیک‌دانان و ریاضی‌دانان سال‌ها است درباره‌ی آن پژوهش می‌کنند. بخش قابل توجهی از ساختار این نظریه فاقد سازمان‌دهی است و به برنامه‌ریزی و نقشه‌برداری احتیاج دارد. روش اصلی در این حوزه‌ی جدید، به کار گیری دوگانگی‌های ریاضی یا تناظر بین یک سیستم و سیستم دیگر است.

بیشتر بخوانید
چرخش زمین متوقف می شود؟

برای نمونه، می‌توان به تناظر بین ابعاد کوچک و ابعاد بسیار بزرگ اشاره کرد. اگر برای قراردادن یک بعد در فضایی کوچک تلاش نمایید، برمبنای نظریه‌ی ریسمان به احتمال زیاد با چیزی روبه‌رو می‌شوید که ازنظر ریاضی متناظر با دنیایی با ابعاد بزرگ است. برمبنای نظریه‌ی ریسمان، دو موقعیت یکسان هستند و می‌توانید آزادانه از یکی به دیگری نوسان نمایید و از تکنیک‌های یک موقعیت برای درک تکنیک‌های دیگری استفاده نمایید. پاکت می‌افزاید:

اگر با دقت فراوانی مسیر بلوک‌های سازنده‌ی اصلی نظریه‌ را ردیابی نمایید، گاهی می‌توانید یک بعد جدید فضایی را توسعه دهید.

برمبنای تناظری مشابه، فضا ازنظر بسیاری از نظریه‌پردازان ریسمان معلول به حساب می‌آید. این فرضیه در سال ۱۹۹۷ مطرح شد؛ درست وقتی که خوان مالداسنا، فیزیک‌دان مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته، تناظر بین یک نظریه‌ی ریسمان موسوم به نظریه‌ی میدان همدیس (CFT) و نوع خاصی از فضازمان نسبیت عامی موسوم به فضای آنتی دی سیتر (AdS) را رونمایی کرد.

به‌نظر می‌رسد این دو نظریه کاملاً متفاوت باشند؛ زیرا نظریه‌ی CFT فاقد گرانش است و فضای AdS هم تمام خصوصیات نظریه‌ی نسبیت اینشتین را دارد. بااین‌حال، می‌توان با ریاضیات یکسان هر دو دنیا را توصیف کرد. کشف تناظر AdS/CFT رابطه‌ی ریاضی ملموسی را بین نظریه‌ی کوانتومی و جهانی کامل دارای گرانش ارائه می‌کند.

برمبنای نظریه‌ی ریسمان فضازمان خود از چیز دیگری سرچشمه گرفته‌ است

فضای AdS در تناظر AdS/CFT یک بعد بیشتر از فضای CFT کوانتومی دارد؛ اما فیزیک‌دانان از این نبود تطابق استقبال می‌کنند؛ زیرا نمونه‌ی تست‌شده از نوع دیگری از تناظر به نام اصل هولوگرافیک است که چند سال پیش، جرارد تی. هوفت از دانشگاه اوترخت هلند و لئونارد ساسکایند از دانشگاه استنفورد آن را ارائه کردند. به‌سبب بعضی از ویژگی‌های خاص سیاه‌چاله‌ها، تی. هوفت و ساسکایند شک داشتند که بتوان ویژگی‌های یک بخش از فضا را کاملاً برمبنای مرز آن رمزنگاری کرد. به بیان دیگر، سطح دو بعدی یک سیاه‌چاله شبیه یک هولوگرام عمل می‌کند و برمبنای آن می‌توان به اطلاعات سه‌بعدی درون سیاه‌چاله رسید.

در تناظر AdS/CFT هم CFT چهاربعدی همه‌چیز را درباره‌ی فضای پنج‌بعدی AdS رمزنگاری می‌کند. در این سیستم، کل بخش فضازمانی از تعامل بین اجزای سیستم کوانتومی در نظریه‌ی میدان هم‌دیس ساخته می‌شود. مالداسنا این پروسه را به خواندن رمان تشبیه می‌کند. او می‌گوید:

وقتی رمان می‌خوانید، همواره با شخصیت‌هایی روبه‌رو می‌شوید که در حال انجام کاری هستند؛ اما تنها آنچه که می‌بینید، خطوط متنی است. اینکه شخصیت‌ها چه کاری انجام می‌دهند، از خطوط متنی استنباط می‌نمایید. شخصیت‌های درون کتاب دقیقاً شبیه نظریه‌ی AdS هستند و خط متنی کتاب همان CFT است.

فضای درون فضای Ads دقیقاً از کجا آمده است؟ اگر این فضا معلول باشد؛ پس علت آن چیست؟ جواب به این سوال گونه ای تعامل ویژه و عجیب کوانتومی در CFT به نام درهم‌تنیدگی است که به اتصال دوربرد بین اشیاء گفته می‌شود. این اتصال موجب می‌گردد رفتار دو شیء همبسته شود. اینشتین درهم‌تنیدگی را «حرکت شبح‌وار در فاصله» می‌نامید.

درهم‌تنیدگی با وجود خاصیت شبح‌وار ویژگی اصلی فیزیک کوانتوم است. در مکانیک کوانتوم، وقتی دو شیء با همدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، در‌واقع در‌هم‌تنیده می‌شوند و تا وقتی که از بقیه‌ی جهان ایزوله باشند، صرف‌نظر از فاصله درهم‌تنیده می‌شبیه. فیزیک‌دانان در تست‌های خود به درهم‌تنیدگی بین اشیاء در فاصله‌های ۱۰۰۰ کیلومتری و حتی درهم‌تنیدگی بین ذرات روی زمین و ذرات مدار رسیدند. دو ذره‌ی درهم‌تنیده می‌توانند اتصال خود در جهت‌های مخالف کهکشان یا جهان را حفظ کنند. به‌طورکلی فاصله برای درهم‌تنیدگی اهمیتی ندارد. این معما سال‌ها است ذهن بسیاری از فیزیک‌دانان را به خود مشغول کرده است.

بیشتر بخوانید
سیاه چاله ها ، یک چاله توخالی یا یک حجم متراکم

اگر فضا برآیند یا معلول باشد، قابلیت درهم‌تنیدگی در مقیاس‌های بزرگ دیگر پدیده‌ی اسرارآمیزی نخواهد بود؛ زیرا فاصله هم یک ساختار است. برمبنای پژوهش‌های فیزیک‌دانانی مانند شینسی ریو از دانشگاه پرینستون و تاداشی تاکایاناگی از دانشگاه کیوتو درباره‌ی تناظر AdS/CFT، درهم‌تنیدگی در درجه‌ی اول موجب ایجاد فاصله‌ها در فضای AdS می‌شود. دو نقطه‌ی نزدیک فضا در سمت AdS منطبق با دو مؤلفه‌ی به‌شدت درهم‌تنیده‌ی کوانتومی در CFT هستند. هرچقدر شدت درهم‌تنیدگی بیشتر باشد، مناطق فضا به یکدیگر نزدیک‌تر هستند. در سال‌های گذشته، فیزیک‌دانان شک داشتند که بتوان این رابطه را بر جهان اعمال کرد. ساسکایند بیان می‌کند:

چه عاملی فضا را نگه می‌دارد و از سقوط آن در مناطق مجزا جلوگیری می‌کند؟ پاسخ به درهم‌تنیدگی بین دو بخش فضا وابسته است. پیوستگی و اتصال فضا خود مدیون درهم‌تنیدگی مکانیک کوانتومی است. درهم‌تنیدگی قادر است ساختار فضا را حفظ و تار‌و‌پودی ایجاد کند که هندسه‌ی جهان را شکل می‌دهد. اگر بتوانید درهم‌تنیدگی بین دو بخش از فضا را از بین ببرید، فضا از هم می‌پاشد و این دقیقاً نقطه‌ی مقابل برآمدن است.

ساعت شنی در هم تنیدگی کوانتومی

اگر فضا از درهم‌تنیدگی ساخته شده باشد، حل معمای گرانش کوانتومی آسان‌تر خواهد شد: به‌جای تلاش برای خم‌کردن فضا به شیوه‌ای کوانتومی، خودِ فضا از پدیده‌ای کاملاً بنیادی و کوانتومی به‌وجود می‌آید. به‌عقیده‌ی ساسکایند، به‌همین‌دلیل رسیدن به نظریه‌ی گرانش کوانتومی کار سختی است. او می‌گوید:

معتقدم دلیل نتیجه‌بخش‌نبودن این نظریه آن است که با تصویری از دو چیز متفاوت یعنی نسبیت عام و مکانیک کوانتوم آغاز می‌شود و بعد، این دو ترکیب می‌شوند. فکر می‌کنم این دو نزدیک‌تر از آن هستند که ازهم جدا شوند و بعد به یکدیگر بازگردند. گرانش بدون مکانیک کوانتوم امکان‌پذیر نیست.

افزون‌براین، پی‌بردن به فضای برآمده یا معلول تنها نیمی از طریق است. فضا و زمان در نسبیت رابطه‌ای صمیمانه دارند؛ درنتیجه، هر محاسبه‌ای درباره‌ی شکل‌گیری فضا باید زمان را هم توصیف کند. مارک وان‌رامسدونگ، فیزیک‌دان دانشگاه بریتیش کلمبیا و یکی از پیشتازان ارتباط بین درهم‌تنیدگی و فضازمان، دراین‌باره می‌گوید:

زمان هم به‌گونه‌ای به‌وجود آمده است؛ اما در حوزه‌ی پژوهش‌های فعال به این مسئله اشاره‌ای نشده است.

به‌گفته‌ی وان‌رامسدونگ، راه‌حل دیگر به کار گیری مدل‌های فضازمان نوخاسته برای درک کرم‌چاله‌ها است. در گذشته، بسیاری از فیزیک‌دانان تصور می‌کردند ارسال اشیاء به درون کرم‌چاله حتی در تئوری هم غیرممکن است؛ اما در چند سال گذشته فیزیک‌‌دانانی که روی تناظر AdS/CFT و مدل‌های مانند کار می‌کنند، به روش‌های جدیدی برای ساخت کرم‌چاله‌ها رسیده‌اند. وان‌رامسدونگ می‌گوید:

نمی‌دانیم عبور از کرم‌چاله‌ها در دنیا ما شدنی است یا خیر؛ اما آنچه می‌دانیم، این می‌باشد که انواع مشخصی از کرم‌چاله‌های قابل‌پیمایش ازنظر تئوری امکان‌پذیر هستند.

دو مقاله در سال‌های ۲۰۱۶ و یک مقاله در سال ۲۰۱۸ به مجموعه‌ای از پژوهش‌ها در این زمینه منجر شدند؛ اما حتی در‌صورتی‌که بتوان کرم‌چاله‌های قابل‌پیمایش را ساخت، نمی‌توان از آن‌ها برای سفر فضایی استفاده کرد؛ زیرا نمی‌توان سریع‌تر از نور از کرم‌چاله عبور کرد.

بیشتر بخوانید
کشف کهکشانی ۱۰۰ برابر راه شیری

فضایی برای تفکر

اگر حق با نظریه‌پردازان ریسمان باشد، فضا و زمان هر دو از درهم‌تنیدگی کوانتومی ساخته شده‌اند؛ اما این عبارت دقیقاً به چه معنا است؟ چگونه احتمال دارد فضا حاصل درهم‌تنیدگی بین اشیاء باشد تا وقتی که آن اشیاء خود در جایی قرار نداشته باشند؟ چگونه این اشیاء می‌توانند درهم تنیده شوند تا زمانی که زمان و تغییر را تجربه نکنند؟ این اشیاء بدون قرارگرفتن در فضا و زمان واقعی چه ماهیتی دارند؟

این پرسش‌ها به حوزه‌ی فلسفه مرتبط است؛ البته فیلسوفان فیزیک آن‌ها را جدی می‌گیرند. ایلینر ناکس، فیلسوف فیزیک در کالج کینگ لندن، بیان می‌کند:

چگونه فضازمان قادر است معلول باشد؟ این تعریف غیرممکن به‌نظر می‌رسد. شهود ما گاهی افتضاح عمل می‌کنند؛ زیرا در جایی با اشیای و جانداران بزرگ و بیولوژیکی به تکامل رسیده‌ایم و نمی‌توانیم دنیای مکانیک کوانتوم را درک کنیم. وقتی بحث گرانش کوانتومی مطرح می‌شود، این پرسش به‌وجود می‌آید که ماده کجاست؟ کجا قرار دارد؟ این‌ها پرسش‌های صحیحی نیستند.

اشیاء در زندگی روزمره در محیط‌هایی قرار دارند؛ اما همان‌طورکه ناکس و دیگران اشاره می‌کنند، این بدان‌معنی نیست که فضا و زمان هم الزاماً بنیادی هستند؛ بلکه از چیز بنیادی دیگری سرچشمه می‌گیرند. کریستین ووتریچ، فیلسوف فیزیک دانشگاه ژنو، اضافه می‌کند:

مایعی را در نظر بگیرید که درانتها از ذرات بنیادی مانند الکترون و پروتون و نوترون یا ذرات بنیادی‌تری مانند کوارک و لپتون تشکیل شده است. آیا کوارک‌ها و لپتون‌ها ویژگی‌های مایع دارند؟ این ذرات هیچ ماهیتی ندارند، درست است؟ اما وقتی ذرات بنیادی به‌اندازه‌ی کافی کنارهم جمع شوند و رفتار مشخصی به نام رفتار جمعی را نشان دهند، شبیه یک مایع رفتار می‌کنند.

به‌گفته‌ی ووتریچ، فضا و زمان در نظریه‌ی ریسمان و دیگر نظریه‌های گرانش کوانتومی عملکرد مشابهی دارند و به‌ویژه فضازمان احتمال دارد از ماده و انرژی به‌وجود آمده باشد که در زندگی روزمره‌ می‌بینیم. ووتریچ اضافه می‌کند:

بدین‌صورت نیست که در شروع فضا و زمان را داشته باشیم و بعد به آن ماده اضافه کنیم. ماده شرط لازم برای وجود فضازمان است. رابطه‌ی نزدیکی بین این دو وجود دارد؛ اما این رابطه احتمال دارد با آنچه تصور می‌‌کنیم، تفاوت داشته باشد.

نظریه‌‌ی گرانش کوانتومی قادر است لحظه‌ی بیگ‌بنگ را توصیف کند

روش‌های دیگری برای تفسیر جدیدترین یافته‌ها وجود دارد. تناظر AdS/CFT اغلب به‌عنوان نمونه‌ی بارزی از برخاستن فضازمان از سیستم کوانتومی تعریف می‌شود؛ اما شاید آن‌طورکه نشان می‌دهد، نباشد. آلیسا نی، فیلسوف فیزیک دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید:

AdS/CFT دستورالعمل ترجمه بین حقایق فضازمان و حقایق نظریه‌ی کوانتومی را ارائه می‌کند؛ درنتیجه فضازمان قادر است معلول باشد و نظریه‌های کوانتومی بنیادی برای آن وجود داشته باشند

به‌گفته‌ی نی، عکس این مسئله هم حقیقت دارد. تناظر قادر است بدین‌معنی باشد که نظریه‌ی کوانتوم معلول و فضازمان بنیادی است یا هیچ‌کدام بنیادی نیستند و نظریه‌ی بنیادی عمیق‌تری وجود دارد. معلول‌شدن ادعایی قوی است؛ اما تنها با نگاه‌کردن به AdS/CFT نمی‌توان تعریفی قطعی را برای این فرضیه ارائه داد. چالش به‌شدت بزرگ‌تر برای نظریه‌ی ریسمان این می‌باشد که تصویر فضازمان برآمده از دیدگاهی پنهان است. ساسکایند می‌گوید:

ما در دنیای آنتی‌دی‌سیتر زندگی نمی‌کنیم؛ بلکه در چیزی نزدیک‌تر به آن زندگی می‌کنیم. فضای دی‌سیتر جهان روبه‌انبساط و شتاب‌گیرنده‌ای مانند جهان ما را توصیف می‌کند؛ اما نمی‌دانیم هولوگرافی چگونه بر چنین جهانی اعمال می‌شود.

پی‌بردن به چگونگی این تناظر برای فضایی که به جهان واقعی شباهت داشته باشد، یکی از دشوارترین مسائل برای نظریه‌پردازان ریسمان است. درانتها برمبنای جدیدترین شتاب‌دهنده‌های ذرات، هنوز شواهدی برای ذراتی پیدا نشده است که براثر ابرتقارن به وجود می‌آیند. نظریه‌ی ریسمان برمبنای ابرتقارن بنا شده است. طبق این مفهوم، تمام ذرات شناخته‌شده «ابرجفت‌» خود را دارند و بدین‌ترتیب تعداد ذرات بنیادی دو برابر می‌شوند؛ اما شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هاردون در ژنو که برای جست‌وجوی ابرجفت‌ها طراحی شده، هیچ علامتی از وجود آن‌ها پیدا نکرده است. ساسکایند اعلام می‌کند:

تمام نسخه‌های دقیق فضازمان معلول که داریم در نظریه‌های ابرتقارنی وجود دارند؛ اما وقتی ابرتقارن نداشته باشیم، قابلیت ردیابی ریاضی پرسش‌ها از بین خواهد رفت.

کرمچاله و نظریه گرانش کوانتومی

عبور از کرم‌چاله در عمل ممکن نیست؛ زیرا نمی‌توان سریع‌تر از نور حرکت کرد

 

ساختار و اتم‌های فضازمان

نظریه‌ی ریسمان تنها نظریه‌ای نیست که نشان می‌دهد فضازمان برآمده از چیز دیگری است. آبهای اشتکار، فیزیک‌دان دانشگاه ایالتی کالیفرنیا، درباره‌ی این موضوع می‌گوید:

نظریه‌ی ریسمان در وعده‌ی خود در یافتن راهی برای یکپارچه‌سازی گرانش و مکانیک کوانتوم دچار مشکل می‌شود. قدرت نظریه‌ی ریسمان به ارائه‌ی مجموعه ابزارهای غنی بازمی‌گردد که به‌صورت گسترده در طیف کاملی از فیزیک مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

آشتکار یکی از پیشتازان اصلی محبوب‌ترین جایگزین نظریه‌ی ریسمان به نام نظریه‌ی گرانش کوانتومی حلقوی است. در گرانش کوانتومی حلقوی، فضا و زمان شبیه نظریه‌ی نسبیت عام مسطح و مستمر نیستند؛ بلکه از مؤلفه‌های گسسته‌ای ساخته شده‌اند که آشتکار آن‌ها را توده‌ها یا اتم‌های فضازمانی می‌نامد.

بیشتر بخوانید
چه تعداد سیاه‌چاله‌ ستاره‌ای در دنیا وجود دارد

این اتم‌های فضازمانی در شبکه‌ای با سطوح یک‌بعدی و دوبعدی به یکدیگر متصل شدند که متخصصان گرانش کوانتومی به آن‌ها کف چرخشی می‌گویند. با اینکه این کف به دو بعد محدود است، در دنیای چهاربعدی ما با سه بعد فضا و یک بعد زمان حضور پیدا کرده است. آشتکار این کف را به یک تکه لباس تشبیه می‌کند. او می‌گوید:

اگر به لباس خود نگاه نمایید، مانند سطحی دوبعدی به‌نظر می‌رسد. اگر ذره‌بین بردارید، متوجه می‌شوید این سطح از نخ‌های یک‌بعدی تشکیل شده است. این نخ‌ها به‌شکلی متراکم برای اهداف کاربردی کنارهم قرار می‌گیرند؛ درنتیجه می‌توانید لباس را به‌شکل سطحی سه‌بعدی ببینید؛ در نتیجه، به‌طور مانند فضای اطراف ما نیز شبیه پیوستاری سه‌بعدی است که درحقیقت از تار‌و‌پود اتم‌های فضازمانی تشکیل شده است.

اگرچه نظریه‌ی ریسمان و گرانش کوانتومی حلقوی هر دو نشان می‌دهند فضازمان معلول است، نوع این معلولیت در دو نظریه تفاوت دارد. برمبنای نظریه‌ی ریسمان، فضازمان یا حداقل فضا برخاسته از رفتار سیستمی به‌ظاهر غیرمرتبط به‌شکل درهم‌تنیدگی است. برای نمونه، ترافیک ناشی از تصمیم جمعی رانندگان را در نظر بگیرید. خودروها از ترافیک ساخته نشده‌اند؛ بلکه خودروها ترافیک را می‌سازند.

در گرانش کوانتومی حلقوی، برخاستن فضازمان بیشتر شبیه تپه‌ی ماسه‌ای شیب‌داری است که از حرکت جمعی دانه‌های ماسه در باد به‌وجود آمده است. فضازمان آشنای مسطح هم ناشی از رفتار جمعی ذرات کوچک فضازمان است. این دانه‌ها شبیه ماسه‌ها شن‌های ثابتی هستند؛ اگرچه هرکدام از دانه‌های کریستالی‌ شبیه خود تپه‌ی ماسه روان نیستند.

بیشتر بخوانید
چرخش زمین متوقف می شود؟

با وجود این تفاوت‌ها، هر دو نظریه‌ی ریسمان و گرانش کوانتوم حلقوی نشان می‌دهند که فضازمان از یک واقعیت بنیادی‌تر سرچشمه می‌گیرد. تنها نظریه‌های گرانش کوانتومی نیستند که به این رویکرد اشاره می‌کنند. نظریه‌ی مجموعه‌ی سببی، رقیب دیگر نظریه‌ی گرانش کوانتومی است که فرض می‌کند فضا و زمان از مؤلفه‌های بنیادی ساخته شده‌اند. ناکس می‌افزاید:

پیام اغلب نظریه‌های گرانش کوانتومی این می‌باشد که فضازمان نسبیت عامی در سطح بنیادی وجود ندارد. افراد وقتی می‌شنوند نظریه‌های گوناگون گرانش کوانتومی حداقل در یک چیز توافق دارند، بسیار هیجان‌زده می‌شوند.

لبه‌ی زمان چالشی برای آینده فضا

فیزیک مدرن قربانی موفقیت خود است؛ زیرا فیزیک کوانتوم و نسبیت عام هر دو دقیق هستند؛ درنتیجه گرانش کوانتومی، تنها به توصیف شرایط کرانی احتیاج دارد که در آن توده‌های کلان‌جرم در فضاهایی بسیار کوچک قرار می‌گیرند. در طبیعت، این شرایط را احتمال دارد در جاهای کمی مانند مرکز سیاه‌چاله‌ها پیدا کرد. در ضمن، نمی‌توان آن را حتی در بزرگ‌ترین و قدرتمند‌ترین آزمایشگاه‌های فیزیکی مانند‌سازی کرد.

برای مانند‌سازی این شرایط به شتاب‌دهنده‌ی ذراتی هم‌اندازه با یک کهکشان احتیاج است که رفتار طبیعت در حضور گرانش کوانتومی را مانند‌سازی کند. نبود داده‌های تجربی موجب می‌گردد جست‌وجوی دانشمندان برای نظریه‌ی گرانش کوانتومی بی‌نتیجه بماند.

اغلب فیزیک‌دانان به‌سبب نبود شواهد تنها چشم به آسمان دوخته‌اند. در نخستین لحظات بیگ‌بنگ، کل جهان بسیار کوچک و متراکم بود؛ به‌طوری‌که تنها گرانش کوانتومی قادر است این موقعیت را توصیف کند. افزون‌براین، احتمال دارد انعکاس‌های آن دوره در آسمان امروزی باقی مانده باشند. مالداسنا می‌گوید:

معتقدم بهترین شرط برای تست گرانش کوانتومی، کیهان‌شناسی است. شاید چیزی در کیهان وجود دارد که پیش‌بینی‌شدنی نباشد. شاید بتوان آن را بعد از درک نظریه‌ی کامل پیش‌بینی کرد یا شاید به‌طورکلی چیز جدیدی باشد که حتی فکرش را هم نمی‌کردیم.

تست‌ها می‌توانند حداقل برای نظریه‌ی ریسمان نتایج مناسبی را به‌دنبال داشته باشند. دانشمندان امیدوار‌‌‌ند بتوانند تناظر AdS/CFT را نه‌تنها با بررسی مستقیم فضازمان، بلکه ازطریق سیستم‌های به‌شدت درهم‌تنیده‌ی اتم‌ها مطالعه و تشابه آن با فضازمان و گرانش را بررسی کنند. مالداسنا اعلام می‌کند:

چنین تست‌هایی احتمال دارد بعضی ویژگی‌های گرانش را داشته باشند، نه تمام آن‌ها. در ضمن، بستگی دارد دقیقاً چه چیزی را گرانش بدانیم.

آیا تاکنون به ماهیت واقعی فضا و زمان پی برده‌ایم؟ داده‌های عینی آسمان شاید خیلی زود ثمر ندهند؛ اما تست‌ها می‌توانند نتایج مناسبی را داشته باشند. طبق گفته‌ی فیلسوفان، پرسش درباره‌ی ماهیت واقعی فضا و زمان پرسشی دیرینه است. پارمنیدس، فیلسوف ۲۵۰۰ سال پیش می‌گوید: «همه‌چیز به‌صورت یک کل مستمر است.»

پارمنیدس معتقد بود زمان و تغییر توهم هستند و همه‌چیز یک چیز است. شاگرد او، زنو، پارادوکس‌های مشهوری برای اثبات حرف معلمش ایجاد کرد و نشان داد حرکت روی هر فاصله‌ای غیرممکن است. آثار فیلسوفان پرسش‌هایی درباره‌ی این موضوع به وجود آوردند که زمان و فضا توهمی هستند؛ چشم‌اندازی بی‌سابقه که فلسفه‌ی غرب بیش از دوهزار سال به‌دنبال آن است. ووتریچ درانتها اظهار می‌کند:

این حقیقت که یونان باستان پرسش‌هایی مانند فضا چیست، زمان چیست، تغییر چیست را مطرح کرد همراه با پرسش‌های فعلی نشان می‌دهند هنوزهم مطرح‌کردن این پرسش‌ها کار درستی است. با فکر‌کردن به چنین پرسش‌هایی می‌توانیم چیزهای فراوانی درباره‌ی فیزیک یاد بگیریم.