Home / مقالات علمی / دنیای کوانتوم / کوانتوم و هاوکینگ
کوانتوم و هاوکینگ

کوانتوم و هاوکینگ

ترجمه وگردآوری: آرش آریامنش

 

اقدام مهم در جهت کشف نظریه کوانتوم در واقع پیشنهاد “ماکس پلانک” در 1900 بود که می‌گفت: نور همیشه در بسته های کوچکی که وی کوانتا نامید میاید. اما اگر چه فرضیه کوانتومی پلانک مشاهده های مربوط به میزان پرتوافشانی از اجسام داغ را بخوبی بیان میکرد اما اهمیت و پیچیدگی ان تا دهه 1920 میلادی آشکار نشد.

زمانی که فیزیک‌دانی آلمانی به نام “ورنر هایزنبرگ” اصول عدم قطعیت را به صورت منطقی عرضه کرد که فرضیه پلانک را به طور ضمنی اعلام میکند که اگر بخواهیم هر چه دقیقتر مکان یک ذره را اندازه گیری کنیم سرعت آن دارای اندازه گیری با دقت کمتری خواهد بود.
به‌عبارتی او نشان داد عدم قطعیتی در مکان و موقعیت یک ذره ضربدر عدم قطعیت در گشتاور یا تکانه همواره باید از عدد ثابت پلانک بیشتر باشد که کیمیتی است که با محتوی انرژی یک کوانتوم نور ارتباط نزدیک دارد.
همانطور که میدانیم در تکینگی مهبانگ دو نظریه نسبیت عام و کوانتوم سازگاری ندارند و جوابگو نیست. این نقص در مقیاسهای بزرگ کیهانی اهمیتی ندارد و زیاد به چشم نمیاید ولی در بعد های کوچک مسلما به چشم میاید مخصوصا در نزدیکی تکینگی به نظر میاد از طریق گرانش کوانتوم باید توضیح داد . ما برای درک مبدا کیهان به گرانش کوانتومی نیاز داریم.
نظریه کوانتوم سامانه ها در دهه 20 با ذرات محدود توسط هایزنبرگ و شرودینگر و دیراک تدوین و عرضه شد . بر اساس نظریه کوانتوم حالت پایه یا کمترین حالت انرژی پاندول ..قرار گرفتن در پایین ترین نقطه انرژی و نشان رفتن مستقیم به سوی پایین نمیباشد . در ان صورت هم موقعیت مکانی مشخصه هم سرعت ان ذره که صفر است . این برخخلاف اصل عدم قطعیت میباشد .چرا که نمیتوان موقعیت ذره و سرعت ذره ای را همزمان و با دقت بالا اندازه گرفت.
عدم قطعیت در موقعیت مکانی ضرب در عدم قطعیت در اندازه حرکت باید بزرگتر از مقدار ثابت پلانک باشد… پس پایین ترین حالت انرژی یک پاندول از انرژی صفر برخوردار نیست . در عوض یک پاندول یا هر سامانه نوسان ساز دیگر حتی در حالت پایه باید دارای مقدار حداقلی از چیزی باشد که “نوسان نقطه صفر” نامیده می‌شود.
پس حتی در خلاء یا کمترین انرژی امواج در میدان های ماکسول معادل صفر نیست بلکه اندازه‌هایی بسیار کوچک دارد. هر چه فرکانس یا موج بیشتر باشد انرژی حالت پایه بیشتر خواهد بود .
در دهه 1940 سه فیزیک دان به نامهای رچارد فاینمن – شرودینگر- ایچیرو توموناگا… راه حل ثابت و معتبری برای حذف این مقادیر بی نهایت ارائه دادند تا فقط با محدوده بار و جرم رابطه داشته باشیم. در نظریه کوانتومی گرانش نوسانها و تغیرات حالت پایه تاثیر جدی دارد هر طول موج یک حالت انرژی پایه خواهد داشت.
برای تشریح اینکه نظریه کوانتوم چگونه به فضا زمان شکل میدهد باید مفهومی به نام ” زمان موهومی ” معرفی کنیم . زمان موهومی چیست ؟ در یک فضا زمان مجازی یک کره است . جهت زمان مجازی میتواند نشان دهنده فاصله ها از قطب جنوب باشد.

در فیزیک کوانتوم مسیر، گذشته و آینده یک شی دقیقا مشخص نیست. نظریه کوانتومی مثل گرانش و الکترومغناطیس در چهارچوب چنین مسائلی شکل گرفته است. فیزیک کوانتوم مدل جدیدی از واقعیات بیرونی است. در این مفهوم بسیاری از مفاهیم بنیادی مربوط به درک مستقیم از واقعیات دیگر معنا ندارند.
آزمایش دو شکاف یانگ را به خاطر آورید که اولین بار در سال 1927 در آزمایشگاه “بِل ” توسط اقایان کلیننتون دیویسون و لستر گرمر انجام شد. فهمیدیم الکترون شبیه موج نیز رفتار میکند که همین الهام بخش فیزیک کوانتوم شد.
فهمیدیم ذرات مادی شبیه موج نیز رفتار می‌کنند مثل نور(البته دو قرن هست که به رفتار موجی نور پی بردیم).
آزمایش توماس یانگ اوایل قرن 19 با تاباندن پرتو نور از شکاف متوجه طرح و الگویی در صفحه پشتی دو شکاف شد – البته نور خاصیت ذره ای نیز داره به خواطر فوتون ها . بهر حال یانگ با تاباندن فقط نور متوجه پدیده “تداخل ” و الگویی در صفحه پشتی شد – پدیده موجی بودن نور در تک تک ذرات وجود دارد.
اصول دیگر کوانتوم (اصل عدم قطعیت) بود که در سال 1926 توسط “ورنر هیزنبرگ” ارائه شد. این ایده میگوید اندازه گیری دقیق و همزمان مکان و سرعت ذره غیر ممکن است. یعنی شما اگر بخواهید به طور دقیق مکان یک ذره را اندازه بگیرید یک عدم قطعیتی در مورد سرعت ان خواهید داشت.
یا اگر میزان عدم قطعیت مکان ذره ای را نصف کنید عدم قطعیت در مورد سرعت ان ذره دو برابر میشود. این ایده انیشتین را ناراحت کرد با اینکه وی یکی از پدران بنیان گذار کوانتوم بود . اما منتقد شدید کوانتوم نیز شد .
مفهوم ” احتمال ” در دنیای کوانتوم متفاوت است – این مربوط به ذرات تصادفی طبیعت نیست . که البته با درک ما از واقعیات بیرونی در تضاد است – برای همین فاینمن میگفت هیچ کس نمیتواند واقعا کوانتوم را درک کند.
اما فیزیک کوانتوم با مشاهدات و ازمایشات مطابقت دارد و همیشه در ازمایش موفق بوده است. در آزمایش یانگ، فاینمن فهمید قسمتهای تاریک در الگوی پشت دو شکاف یعنی هیچ ذره ای با انجا برخورد نداشته گویی ذرات در مسیر اطلاعاتی در مورد منبع بدست میاوردند و بهم میدادند. فاینمن میگفت ذرات در همه مسیرهای ممکن تا مقصد میروند. داستان شاید در ظاهر کمی تخیلی به نظر بیاید 0 اما اینطور نیست.
فیزیک کوانتوم به ما میگوید مهم نیست مشاهدات کنونی ما چقدر کامل باشد – گذشته ی مشاهده نشده درست مثل اینده نامعین است و تنها به صورت طیفی از احتمالات وجود دارد . پس بر طبق کوانتوم جهان هیچ گذشته مشخصی ندارد یعنی مشاهدات کنونی که مثلا روی سیستمی انجام میدهید میتونه حتی گذشته ان سیستم را تغیر دهد.
(جان ویلر –آزمایش گزینش تاخیری)

مکانیک کوانتوم که اصل عدم قطعیت را در خود ادغام کرده است میگوید ذره موقعیت مکانی یا سرعت مشخصی ندارد اما حالت ان را میتوان به وسیله چیزی به نام ” تابع موج ” بررسی کرد .
تابع موج عددی برای هر نقطه از فضا است که احتمال حضور یا پیدا شدن ذره در ان مکان را نشان میدهد . میزان تغیرهای تابع موج از نقطه ای به نقطه دیگر بیان کننده میزان احتمال سرعت ذره است . بعضی از تابع های موج در نقطه خاص از فضا به شدت اوج میگیرد در چنین شرایطی فقط میزان اندکی از عدم قطعیت در مکان ذره وجود دارد .
این بدان معناست که توزیع احتمال برای سرعت در سطحی وسیع پخش میباشد . یعنی عدم قطعیت برای سرعت بسیار زیاد است . از طرفی زنجیره ای از امواج را در نظر بگیرید اکنون میزان زیادی عدم قطعیت در مکان و مقدار اندکی عدم قطعیت در سرعت وجود دارد . پس تشریح یک ذره به وسیله تابع موج دارای تعریف دقیق از موقعیت مکانی و سرعت نیست . و این امر بر اصل عدم قطعیت منطبقه .

 

– تاریخچه‌های مختلف کیهان (استیون هاوکینگ):
وضعیت کیهان و هستی در مقیاس های امروزی و بزرگ تعداد پرتابهای تاس بسیار زیاد خواهد بود و نتیجه گیری متوسط ان قابل پیش بینی است . بهمین دلیل قوانین فیزیک کلاسیک برای سامانه های بزرگ صحت دارد اما وقتی به دوران قبل برگردیم و بیشتر به بیگ بنگ برگردیم پرتاب تاس ها کم و “اصل عدم قطعیت ” بسیار مهم خواهد بود یعنی ما نتیجه گیری قطعی روی هیچ پدیده ای نخواهیم داشت . اینها همگی از مکانیک کوانتوم ذرات نتیجه گیری شده است.
از انجا که کیهان دارای عدم قطعیت میباشد بر خلاف تصور ما دارای “یک تاریخچه معین ” نیست . در واقع کیهان دارای همه تاریخ های ممکن و احتمالات مربوطه نیز میباشد . – البته این نظر که کیهان تاریخ های چند گانه دارد ظاهرا تخیلی به نظر میاید . ولی یک حقیقت علمی است . این نظریه توسط “ریچارد فاینمن ” که فیزیک دانی بزرگ و برجسته بود تدوین و عرضه شد.
اکنون ما تلاش میکنیم نسبیت عام انیشتین را با نظریه تاریخ چند گانه فاینمن ترکیب کنیم . تا بتوان نظریه یکپارچه و واحد برای کیهان و همه وقایع ان تشریح کرد . این نظریات ما را قادر میسازد تاریخچه ها و توسعه کیهان را بهتر توصیف کنیم . اما نظریه یکپارچه نمیتواند به ما بگوید کیهان چگونه شروعش د و حالت اولیه ان چه بود . برای همین احتیاج داریم چیزی به نام “شرایط مرزی ” را تعریف کنیم .قوانینی که به ما میگویند در لبه فضا زمان شناخته شده هستی چه اتفاقی میافتد.
شاید کیهان در فضا زمان هیچ مرز وحدی نداشته باشد . البته شاید این با نظریه اغاز کیهان از بیگ بنگ تناقض داشته باشد (که میگفت در زمان مرزی هست) اما زمانی وجود دارد از لحاظ تئروی “زمان موهومی” تعریف میشود و نسبت به زمانی که ما حس میکنیم عمودی میباشد. کیهان در زمان موهومی نیازی به اغاز و پایان ندارد.
اگر تاریخچه های کیهان در زمان مجازی همانطور که (استیون هاوکینگ و هارتل) نمایش و ارائه دادند… سطوح بسته باشند مشکلات بنیادی و اساسی برای فلسفه و تصویر ما از مبدا ایجاد خواهد شد. کیهان و هستی خودمختار و خودگردان خواهد بود و به چیزی از بیرون نیازی نخواهد داشت که ان را کوک کند و به حرکت دراورد در عوض همه چیز در کیهان به وسیله قوانین علمی و فیزیکی و پرتاب تاس در کیهان مشخص میشود.
حتی اگر شرایط مرزی در کیهان وجود داشته باشد بدین معنی نیست که ما فقط یک تاریخچه در کیهان داریم . ریچارد فاینمن که در سال 1965 نوبل را برد در مورد ذره ها اینگونه میگوید که یک ذره از نقطه الف به نقطه ب از همه مسیرهای ممکن میتواند عبور کند. این با تاریخچه‌های مختلف کیهان هماهنگ است.
در زمان مجازی هر سطح بسته ای میتواند یک تاریخ وجود داشته باشد و هر کدام یک تاریخ معین و واقعی را درست کنند . پس ما تعداد بیشماری از احتمالات در کیهان داریم. اما واقعا چه چیزی کیهان ما را منحصر به فرد گرده که ما در ان زندگی میکنیم ؟ در نظریه M یا نظریه همه چیز در مورد وجود دنیاهای دیگر نیز تصدیق میکند. البته بسیاری از این جهان ها برای شکل گیرری حیات هوشمند مناسب نیستند، یا اینکه دوره های کوتاه زمانی دارند و از بین میروند.

از کتاب جهان در پوست گردو (استیون هاوکینگ)

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

Scroll To Top