دانش آدینه ۱۸: تکینگی کوانتومی

دیدارنیوز _ سروش زمانی مقدم: از آنجایی که نظریه نسبیت بر پایه رخداد وقایع بر بستر همواری با نام "فضا-زمان" بنا شده است، هرگونه ناهمواری و یکدستی فضا-زمان را تکینگی می‌نامیم. عموما با شنیدن نام "تکینگی"، به یاد پاسخ‌های تکین معادلات نسبیت عام در درون سیاهچاله‌ها می‌افتیم. جایی که به واسطه حضور و انباشته شدن مقدار زیادی ماده، فضا-زمان به شدت خمیده می‌شود و در نهایت با "خمیدگی بی نهایت" و از دست رفتن همواری فضا-زمان، به اصطلاح یک تکینگی خواهیم داشت. فیزیکدانان عموما از حضور بینهایت‌ها در نظریاتشان خشنود نیستند چراکه چنین حالاتی در تجربیات روزمره و طبیعی مشاهده نمی‌شوند و بنابراین تفسیر چنین حالات بینهایت موسوم به تکینگی و یا رفع آن‌ها همواره با مشکلاتی همراه بوده است. خمیدگی بینهایت فضا-زمان یا همان تکینگی در درون سیاهچاله، در واقع جاییست که موتور نظریه نسبیت عام از کار می‌افتد و بنابراین فیزیکدانان در بررسی وضعیت درون سیاهچاله تنها با استفاده از ابزار نسبیت عام ناتوانند. این در واقع همان علتیست که در ابتدا، علیرغم پیش بینی نظری وجود حالات تکین در نظریه نسبیت عام، بعنوان برخی جواب‌های خاص معادلات نظریه، اینشتین از پذیرش پدیده‌های پیش بینی شده‌ای که واجد چنین خاصیتی بودند و بعد‌ها "سیاهچاله" نام گرفتند، سر باز زد. چنین وضعیتی عموما موتور محرکی بوده است تا همواره یک نظریه جامعتر "گرانش کوانتومی" را که در واقع مجهز به ابزار نسبیت و مکانیک کوانتوم بصورت همزمان باشد، جستجو کنیم.

هرچند که نوع دیگری از تکینگی نیز در دوره جهان نوزاد اولیه در تاریخچه عالم و در هنگام انفجار بزرگ ابتدایی شروع کیهان، در معادلات ریاضی نسبیت عام پدیدار می‌شود، اما باید دقت کرد که این همه داستان نیست! در دو حالت قبلی بیان شده، فضا-زمان هموار و یکدست لازمه نظریه نسبیت، از طریق چگالی بسیار بالای ماده در فضایی کوچک، دچار اختلال می‌شود، اما نوع دیگری از بینهایت در کوانتوم مکانیک وجود دارد که در بین متخصصان به "کف کوانتومی" مشهور است.

اساس آنچه که عموما کف کوانتومی نامیده می‌شود، مبتنی بر برآشفتگی‌های کوانتومی ناشی از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در مقیاس‌های کوچک فضا-زمانی یا همان "فواصل پلانک" است. در این مقیاس نیز، به نوعی دیگر، یکدستی فضا-زمان مورد نیاز فیزیک و در واقع بستر تعریف نسبیت عام از بین می‌رود، چراکه فضا-زمان در فواصلی موسوم به فواصل پلانک که به شرح آن‌ها خواهیم پرداخت، اقیانوس آشوبناکی از خلق و فنای ذرات مجازی است که شبکه‌ای درهم تنیده و نامنظم از افت و خیز‌های شدید انرژی را ایجاد می‌کنند. در واقع طبیعت تیره و مبهم فضا-زمان در فواصل پلانک، ناشی از اصل عدم قطعیت، سبب ساز نوع دیگری از اختلال در فضا-زمان است که به "تکینگی کوانتومی" منجر می‌شود. از اثرات این "کف کوانتومی" آنست که حتی کوچکترین بخش‌های فضا-زمان نیز دارای انرژی است که می‌تواند منجر به خلق و فنای لحظه‌ای تعداد بیشماری ذره و پاد ذره گردد بطوریکه چنین رخدادی در چنین ابعاد ریز مقیاسی، بسیار تاثیرگذار و مهم است؛ بنابراین شناخت ابعادی که چنین اثرات غیر قابل حذف کوانتومی را آشکار می‌کند، نه تنها لازم و مهمست، بلکه کلید ورود به حوزه یک نظریه گرانش کوانتومی، همانند نظریه ریسمان است تا بتواند فیزیک جدیدی را برای بررسی حوزه‌هایی که نظریات فعلی مان در آن کارایی چندانی ندارند، در اختیارمان بگذارد. این واحد‌های کوانتومی طبیعت عموما به نام واحد‌های پلانک شهرت دارند که براساس ثابت‌های بنیادی طبیعت همچون سرعت نور، ثابت گرانش و ثابت کوانتومی پلانک محاسبه شده اند. جالب اینجاست که ترکیب این ثابت‌ها از حوزه‌های مختلف فیزیک، در نوع خود، وحدت نظریات فیزیک را در بر دارد چراکه "ثابت پلانک" که پای ثابت معادلات مکانیک کوانتومیست، اولین بار توسط خود ماکس پلانک در اوایل ظهور مکانیک کوانتومی و در حل مساله "فاجعه فرابنش" که منجر به تولد کوانتوم مکانیک شد، به دنیای فیزیک معرفی شد، حال آنکه پیشتر با ثابت سرعت نور و ثابت گرانشی در روابط نسبیت آشنا هستیم و بسیار به آن‌ها برخورد می‌کنیم.

در واقع واحد‌های پلانک غالبا شکل‌های مختلفی همچون "دمای پلانک"، "بار پلانک"، "نیروی پلانک"، "فشار پلانک" و ... دارند، اما آنچه که در یک نظریه گرانش کوانتومی همچون نظریه ریسمان برای ساخت واحد‌های طبیعی به کار گرفته می‌شود، عموما تنها بر مبنای "طول پلانک"، "زمان پلانک"، "جرم پلانک" و "انرژی پلانک" است. در واقع بدون این واحد‌ها صحبت از کیهانشناسی مدرن و یا نظریات گرانش کوانتومی، امکان پذیر است. در ادامه درخواهیم یافت که به چه علت، تعریف و استفاده این واحدها، بسیار برای نظریات پیش رو در فیزیک مهم و حیاتی هستند، و در واقع خواهیم دید که این واحد‌ها به نوعی به عنوان کوانتوم‌های فضا-زمان در نظر گرفته می‌ شوند.