26می2017

25 آذر 1395 نوشته شده توسط 

پروفسور «کامران وفا» برنده جایزه بنیاد پیشرفت آمریکا شد

ماجرای پیچیده ابعاد در فضا که شگفتی‌تان را بر می‌انگیزد

P46-284 papocabeca 01

کامران وفا فیزیکدان ایرانی و استاد دانشگاه هاروارد به همراه همکارش آندرو استرومینگر در هاروارد و جوزف پولچینسکی از دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا برنده جایزه یک میلیون دلاری بنیاد پیشرفت foundation breakthrough شده‌اند.
هر سه فیزیکدان به خاطر مطالعه سیاهچاله‌ها و ارتباط آن با نظریه ریسمان به این جایزه دست یافته‌اند. تیم تحقیقاتی کشف امواج گرانشی لایگو نیز جایزه دیگر بخش فیزیک را برای کشف امواج گرانشی از آن خود کرده است.

P46-1115
کامران وفا و اندرو استرومینگر در کار چشم‌گیرشان در سال ۱۹۹۶ نشان دادند که اطلاعات یک سیاهچاله (آنتروپی بکنشتاین و هاوکینگ) را می‌توان از نظریه ریسمان استخراج کرد. این جایزه به خاطر نقش مهم وفا در نظریه میدان‌های کوانتومی، گرانش کوانتومی، نظریه ریسمان، نقش هندسه در فیزیک و اصل هولوگرافیک به وی اهدا شده است.
سالیان سال تصور فیزیکدان‌ها آن بود که فضا سه بعدی است، اما از ابتدای قرن بیستم این تصور شروع به تغییر کرد. در ابتدا این نظریه مطرح شد که شاید فضا چهاربعدی باشد، ولی با گذشت زمان تعداد ابعاد فضا باز هم بیشتر شد تا این‌که امروزه بهترین نظریه‌های مطرح در فیزیک، فضا را ده بعدی می‌دانند. در این تصویر، جهان ما با سه بعد فضایی، تنها یک جهان از میان جها‌ن‌های بی‌شمار شناور در پهنه کائنات است.

P46-Space time continuum
ایده وجود ابعاد بالاتر جهان، از تلاش فیزیکدان‌ها برای کشف نیروی واحد و بنیادین کائنات ریشه گرفته است. از دهه ۱۹۲۰ میلادی فیزیکدان‌ها دریافته بودند که چنان‌چه فضا – زمان به جای چهاربعدی، پنج بعدی باشد، می‌توان نظریه‌ای واحد ارائه داد که نظریه‌ها الکترو مغناطیس و گرانش را تواما در‌ بربگیرد. این کار تا حدی شبیه آن است که از تپه مجاور میدان جنگ بالا رفته و از ارتفاع (یعنی بعد سوم)، صحنه دو بُعدی جنگ را نظاره کنیم. تنها در این صورت است که به ارتباط پنهان موجود مابین بخش‌های مختلف عملیات پی برده و در خواهیم یافت که چگونه نیروهای به ظاهر مختلف درگیر در صحنه جنگ، همگی به صورتی واحد و منسجم عمل می‌کنند.
طی سال‌های اخیر، ابعاد باز هم بیشتری وارد صحنه این نبرد شده‌اند، در سال ۱۹۸۴ انقلاب ابر ریسمان‌ها به وقوع پیوست، این نظریه تمامی جهان را متشکل از ریسمان‌های انرژی می‌داند که در ۹ بعد مکانی و یک بعد زمانی در حال ارتعاش هستند. سپس ادوارد ویتن از موسسه مطالعات پیشرفته پرینستون امریکا و «پائول تاونسند» از دانشگاه کمبریج در سال ۱۹۹۵، بُعد فضایی دیگری را نیز به نظریه ریسمان‌ها اضافه کرده و نظریه دیگری به نام نظریه M را ارائه کردند. این نظریه در واقع تعمیمی از نسخه‌های متفاوت نظریه ریسمان بود.
اما به رغم موفقیت‌های ارزنده نظریه M، این نظریه نیز نتوانست تفاوت‌های موجود میان نسخه‌های مختلف نظریه‌های ریسمان را حذف کند و دقیقا پس از قرن‌ها بالاخره سر و کله یک فیزیکدان پرشهامت با ارائه ی نظریه F پیدا شد که معتقد است با افزودن یک بعد زمانی جدید به معادله‌های توصیف کننده کائنات می‌توان بسیاری از مسائل لاینحل موجود در فیزیک امروز را حل کرد. این فیزیکدان جسور کسی نیست جز «کامران وفا» فیزیکدان برجسته ایرانی دانشگاه هاروارد که به همراه رابرت برندنبرگر این نظریه را نخستین بار مطرح کردند. نظریه F با افزودن یک بعد جدید به نظریه M، تصویری ۱۲ بعدی را از کائنات ارائه می‌دهد، نظریه‌پردازان نیز مشتاقانه از نظریه F استقبال کردند، چرا که این نظریه با بعد اضافی خود، مسائل باقی مانده در نظریه M را به خوبی حل می‌کند. اما از آن‌جایی که بعد اضافی مطرح شده در نظریه F، نه یک بعد مکانی بلکه یک بعد زمانی است، بنابراین نظریه مزبور، پیامدها و چالش‌های فلسفی عمیقی را نیز با خود به میدان آورده است.
«داف» در مورد دوازدهمین بعد زمان گونه نظریه F می گوید؛ «اغلب نظریه‌پردازان از ایده وجود بیش از یک بعد زمانی در هستی چندان استقبال نمی‌کنند چرا که از درون چنین ایده‌ای، مسائل عجیب و غریب بسیاری سر در خواهند آورد.» علت این امر نیز کاملاً واضح است. اگر زمان همانند یک خط راست یک بعدی باشد، در این صورت هر لحظه زمانی روی این خط، یا قبل از یک لحظه مفروض دیگر قرار می‌گیرد یا بعد از آن. بدین ترتیب، آینده و گذشته به خوبی قابل تعریف خواهند بود و هر مجموعه‌ای از رویدادها الزاماً توالی مشخصی خواهند داشت. اما با افزودن یک بعد زمانی دیگر، خط زمان تبدیل به صفحه زمان خواهد شد. اما در چنین جهانی چگونه می‌توان آینده و گذشته را مشخص کرد؟ چگونه می‌توان ارتباط مابین رویدادهای هستی را مشخص کرد، در حالی که نحوه ارتباط میان علت و معلول اساساً برای ما ناشناخته خواهد بود؟
اما همان طور که «داف» هم می‌گوید، مسائل فیزیکی موجود در جهانی با بیش از یک بُعد زمانی، حتی از این هم پیچیده‌تر خواهند بود چرا که ابعاد زمانی، تفاوتی اساسی نسبت به ابعاد مکانی دارند؛ بعد زمان همواره به جای علامت مثبت، با علامت منفی در معادلات ظاهر می‌شود و به همین دلیل هم با وارد کردن ابعاد زمانی جدید به معادله‌ها، سروکله انواع و اقسام پدیده‌های عجیب و غریب دیگر هم به طور خود به خودی در معادلات پیدا می‌شود، پدیده‌هایی نظیر امکان سفر با سرعتی فراتر از سرعت نور، فوتون‌هایی با جرم منفی، رویدادهایی که مجموع احتمال وقوع تمامی حالت‌های ممکن آن‌ها به یک نمی‌رسد و…
«داف» اذعان دارد ممکن است ریاضیاتی که ما اکنون برای توصیف جهان به کار می بریم، برای چنین کاری بیش از حد پیش پا افتاده باشد. بنابراین شاید روش ها و رهیافت های موجود برای تبیین رفتار جهانی با ابعاد زمانی چندگانه نیز بیش از حد ساده انگارانه باشد اما به هر حال چون فعلاً ابزار دیگری جز همین ابزار موجود در اختیار نداریم، پس شاید ناگزیر باشیم بعد زمانی جدید مطرح شده در نظریه «وفا» را صرفاً به عنوان یک سازوکار ریاضی صرف و نه نماینده یک هویت واقعی در نظر بگیریم. بدین ترتیب می توان بدون درگیر شدن با پیامدهای فلسفی این نظریه، از مزایای ریاضی آن بهره مند شد.
در واقع بعد زمانی جدید مطرح شده توسط «وفا» ویژگی های آنچنان اسرارآمیزی به جهان می دهد که فیزیکدان ها را از واقعی پنداشتن آن نگران می کند. به عنوان مثال، در حالی که در نظریه یازده بعدی M، اصل نسبیت اینشتین همچنان پابرجاست، در نظریه دوازده بعدی «وفا» این اصل اعتبار خود ر ا از دست می دهد (براساس اصل نسبیت، قوانین فیزیک برای تمامی ناظران یکسان است). همین امر یکی از عواملی است که فیزیکدان ها را در پذیرش بعد زمانی جدید دچار تردید می کند. «فرانک ویلچک»از موسسه مطالعات پیشرفته پرینستون می گوید؛ «این بعد جدید را نمی توان همانند یک بعد زمانی معمولی در نظر گرفت.» «داف» نیز با این مساله موافق است. او نیز در این باره می گوید؛ «اگرچه این بعد شباهت هایی با بعد زمان دارد اما نمی توان آن را به عنوان یک بعد زمانی اضافی واقعی پذیرفت.»
اما خود «کامران وفا» به گونه ای دیگر می اندیشد. هرچند او نیز قبول دارد که بُعد زمانی اضافی از بسیاری جهات به یک ابزار ریاضی انتزاعی شبیه تر است تا به یک هویت فیزیکی واقعی، ولی در عین حال معتقد است که چنین برداشتی در آینده نزدیک تغییر خواهد کرد. «وفا» در این باره می گوید؛ «در حال حاضر شاید به نظریه F صرفاً به عنوان یک سازوکار ریاضی مناسب تر برای تبیین رفتار کائنات نگاه شود، اما فراموش نکنیم که در تاریخ فیزیک، همواره پشت سر سازوکارهای ریاضی جدید، پدیده های فیزیکی جدیدی نیز کشف شده اند.» «وفا» در این مورد به عنوان مثال به کوارک ها اشاره می کند. تا همین چند دهه قبل به کوارک ها صرفاً به عنوان یک سازوکار ریاضی برای تبیین رفتار ذراتی نظیر پروتون ها نگاه می شد اما امروزه اغلب فیزیکدان ها معتقدند که کوارک ها واقعاً در جهان وجود دارند. ممکن است مشابه چنین سرنوشتی در انتظار بعد زمانی جدید و اسرارآمیز نظریه F نیز باشد.
اما اگر این بعد زمانی اضافی واقعاً وجود داشته باشد پس چرا تاکنون متوجه حضور آن نشده ایم؟ یک احتمال آن است که این بعد زمانی نیز همانند هفت بعد مکانی ناپیدای دیگر، آنچنان در خود پیچیده باشند که به چشم ما نمی آیند. اگر چنین باشد، تنها راه برای بازکردن این بعد زمانی درهم پیچیده، متمرکز کردن مقدار عظیمی از انرژی در حجمی بسیار کوچک خواهد بود، کاری که در صورت موفقیت آمیز بودن، نتایج شگرفی در پی خواهد داشت.
«وفا» در این باره می گوید؛ «اگر بتوان این بُعد زمانی اضافی را از هم باز کرد، در آن صورت اشیا دیگر آن گونه که اکنون تصور می کنیم در زمان حرکت نخواهند کرد.» برای فهم بهتر این مساله به این نکته توجه داشته باشید که در بعد مکان می توان تواماً به جلو و عقب، بالا و پایین و چپ و راست حرکت کرد و این در حالی است که در حالت معمول در بعد زمان تنها می توان به سوی آینده حرکت کرد. اما همان طور که «ویلچک» هم می گوید، چنانچه بیش از یک بعد زمانی وجود داشته باشد در آن صورت حتی می توان در درون یک لحظه نیز به مسافرتی ابدی پرداخت، سفری در امتداد عمود بر جهت سیر زمان.
بدین ترتیب اگر چنانچه از وقوع رویدادی ناگوار در آینده باخبر شدیم می توان با حرکت در درون یک لحظه (به جای حرکت در امتداد لحظه ها و در جهت سیر زمان)، از مواجه شدن با واقعه مزبور اجتناب کرد.البته باید گفت که تمرکز انرژی آنچنان عظیمی که بتواند بُعد زمانی اضافی و درهم پیچیده نظریه F را از هم باز کند، کاری فوق العاده دشوار خواهد بود. به همین دلیل هم برخی فیزیکدان ها معتقدند تنها نقاطی در جهان ما که امکان ظهور آثار این بعد اضافی در آنجاها وجود دارد، قلب سیاهچاله ها هستند. در ضمن، بسیاری از کیهان شناسان بر این باورند که گذشته از جهان ما، جهان های بی شمار دیگری نیز در پهنه کائنات وجود دارند و هریک از این جهان ها ممکن است تعداد ابعاد مکانی و زمانی کاملاً متفاوتی نسبت به جهان ما داشته باشند.اما واقعاً زندگی در جهانی با ابعاد زمانی چندگانه چگونه خواهد بود؟ «ویلچک» می گوید؛ «پاسخ این سوال، بسیار حیرت انگیز است» و ادامه می دهد؛ «آیا وجود چنین جهانی غیرممکن است؟ نه، فکر نمی کنم چراکه می توان معادلات توصیف کننده چنین جهانی را نوشت. اما آیا پاسخ این معادلات، جهانی شبیه به جهان ما خواهد بود؟ من که بعید می دانم.»
منابع:
New Scientist
breakthroughprize.org
bigbang.com
physics.harvard