رفتن به نوشته‌ها

دسته: فیزیک

جهان‌های موازی چه هستند و چه نیستند؟!

جهان‌های موازی چه هستند؟

عبارت «جها‌ن‌های موازی» از جمله عبارات و مفهوم‌های پرتکرار در داستان‌ها، فیلم‌ها و سریال‌های علمی-تخیلی است که امروزه به همین دلیل به گوش بیشتر افراد جامعه آشناست. از سوی دیگر، استفاده از این عبارت (به خصوص در زبان فارسی) همواره با ابهام‌های فراوانی همراه بوده است که کج‌فهمی‌های زیادی را در ذهن مخاطب غیرمتخصص ايجاد کرده است. برای بر طرف نمودن این ابهام‌ها و اصلاح کج‌فهمی‌ها، در گام اول بايد بر تفاوت دو مفهوم مستقل که متاسفانه در زبان فارسی برای اشاره به هر دو آن‌ها معمولا از عبارت «جها‌ن‌های موازی» استفاده می‌شود، تاکید کنیم: «جهان‌های موازی» که ترجمه عبارت انگلیسی «Parallel Universes» است در زبان انگلیسی کاربرد بسیار محدودی در دایره واژگان تخصصی علم فیزیک دارد و بیشترین استفاده از این عبارت مربوط به داستان‌های‌ علمی-تخیلی است؛ در صورت استفاده از این عبارت در مقالات علمی، با توجه به متن، اشاره به یکی از دو مفهوم مستقل «تفسیر دنیاهای چندگانه»، ترجمه عبارت many-worlds interpretation، و یا مفهوم «چند‌جهان»، ترجمه عبارت multiverse، است. هر چند استفاده از این عبارت برای اشاره به یکی از شاخه‌‌های «درخت تاریخچه‌ها» در تفسیر دنیاهای چندگانه مرسوم‌تر است تا استفاده از آن برای اشاره به یکی از حباب‌ها در فرضیه چند‌جهان. در ادامه این متن، با جزئيات بيشتر به هر کدام از این دو مفهوم خواهیم پرداخت.

تصور روی جلد کتاب داستانی مصور «Flash of Two Worlds» که برای اولین بار مفهوم «جهان‌های موازی» را وارد دنیای مجموعه داستان‌های مصور «Flash» کرد.

در صورت استفاده از عبارت «جهانهای موازی» در مقالات علمی، با توجه به متن، اشاره به یکی از دو مفهوم مستقل «تفسیر دنیاهای چندگانه» و یا فرضیه «چندجهان» است.

تفسیر دنیا‌های چندگانه

تفسیر دنیا‌های چندگانه یا many-worlds interpretation یکی از تفسیر‌های مکانیک کوانتومی‌ است که در سال ۱۹۵۷ و توسط هیوْ اِوِرِت برای حل «مشکل اندازه‌گیری» در مکانیک کوانتومی پیشنهاد داده شد؛ هرچند نام «تفسیر دنیاهای چندگانه» توسط برایس دویت، که در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ میلادی نقش اصلی را در ترویج این ایده به عده داشت، برای این تفسیر انتخاب شد. اما شاید این سوال برای‌تان ایجاد شده باشد که «چرا مکانیک کوانتومی به یک تفسیر نیاز دارد؟» و اینکه تفاوت «تفسیر» با «نظریه» و یا «فرضیه» در چیست؟ برای پاسخ به سوال اول باید «اصل اندازه‌گیری» و «تقليل تابع موج» را در مکانیک کوانتومی با دقت بیشتری مورد بررسی قرار دهیم: بر اساس نظریه کوانتومی، تمامی اطلاعات یک سیستم در «حالت کوانتومی» آن سیستم ذخیره شده است که به دلایل تاریخی به آن «تابع موج» نیز گفته می‌شود. همچنین، تحول زمانی حالت کوانتومی یک سیستم توسط معادله شرودینگر توصیف می‌شود که یک معادله دیفرانسیل خطی است. احتمالا این توصیف که مکانیک کوانتومی نظریه‌ای ذاتا آماری است برای خواننده این متن آشنا باشد اما، آنچه که معمولا در توصیف‌های متفاوت از مکانیک کوانتومی کم‌تر بر آن تاکید می‌شود این نکته است که تحول زمانی تابع موج یک سیستم کوانتومی فرآیندی تعینی است (به این معنی که با دانستن حالت اولیه سیستم، معادله شرودینگر حالت کوانتومی سیستم را در تمامی زمان‌های آینده به طور دقیق معین می‌کند— این نتیجه مستقیم خطی بودن معادله شرودینگر است) و ذات آماری نظریه کوانتومی تنها در نتیجه انجام فرآیند اندازه‌گیری است.

بر اثر اندازه‌گیری یک مشاهده‌پذیر، مکانیک کوانتومی تنها احتمالات مشاهده شدن هر کدام از نتایج محتمل را پیش‌بینی کرده و مطابق «اصل اندازه‌گیری» حالت کوانتومی سیستم پس از اندازه‌گیری را به صورت آنی با یکی از این نتایج محتمل جایگزین می‌کند (در صورتی که حالت کوانتومی سیستم پیش از اندازه‌گیری می‌توانسته برهم‌نهی از تمامی این نتایج محتمل باشد)؛ به این جایگزینی حالت کوانتومی پیش از اندازه‌گیری با یکی از حالات محتمل به صورت آنی، «تقلیل تابع موج» یا «جهش کوانتومی» گفته می‌شود. به عبارت دیگر، برخلاف تحول زمانی حالت کوانتومی با استفاده از معادله شرودینگر که فرآیندی یکانی است (به این معنی که مجموع احتمالات در طی این تحول دست نخورده باقی می‌ماند) پدیده اندازه گیری و تقلیل تابع موج فرآیندی غیر یکانی است! درست به دلیل همین تفاوت ذاتی تحول زمانی با پدیده اندازه‌گیری در مکانیک کوانتومی، این سوال ایجاد می‌شود که چه فرآیندهایی را باید یکانی و چه فرآیندهایی را باید به صورت غیر یکانی در نظر گرفت؟ اما، همان‌طور که از توصیف ما از اصل اندازه‌گیری مشخص است، از پدیده اندازه‌گیری تعریف دقیقی ارائه نشده است و به همین دلیل مکانیک کوانتومی نیازمند «تفسیر»ای از آنچه به آن «اندازه‌گیری» گفته می‌شود است.

در تفسیر اولیه‌ای که از این اصل توسط نیلز بور ارائه شد، و امروزه به تفسیر کپنهاگی مشهور است، فیزیک در مقیاس‌های روزمره توسط مکانیک کلاسیکی توصیف می‌شود و مکانیک کوانتومی تنها مقیاس‌های کوچک را توصیف می‌کند. همچنین، در این تفسیر پدیده اندازه‌گیری توسط یک «دستگاه اندازه‌گیری» بزرگ مقیاس توصیف می‌شود که از قوانین مکانیک کلاسیکی تبعیت می‌کند. اما، این تفسیر با فلسفه تقلیل‌گرایانه نظریه‌های علمی در تناقض است و به صورت خاص این سوال را ایجاد می‌کند که فیزیک در کدام مقیاس‌ها توسط مکانیک کوانتومی توصیف می‌شود و در کدام مقیاس‌ها توسط مکانیک کلاسیکی؟ همچنین مشخص نیست که گذار از دنیای کوانتومی به کلاسیکی چگونه رخ می‌دهد و مقیاسی که در آن این گذار صورت می‌گیرد از نظر فیزیکی چه ویژگی خاصی دارد؟ اِروین شرودینگر، که معادله معروف شرودینگر را برای توصیف تحول زمانی یک سیستم کوانتومی پیشنهاد کرده بود، از جمله معروف‌ترین منتقدين این تفسیر از مکانیک کوانتومی بود. شرودینگر در نامه‌ای به بور (که در کتاب جز و کل نوشته‌ی ورنر هایزنبرگ نقل شده‌ است) نوشته است:

طراحی مدادی دون کیشوت
اروین شرودینگر

«بور، تو حتما متوجه هستی که کل این ایده‌ جهش‌های کوانتومی قطعا به [نتایج] بی‌معنی منجر می‌شود… اگر ما همچنان مجبور به تحمل کردن این جهش‌های کوانتومی لعنتی باشیم، من از اینکه هرگز نقشی در نظریه کوانتومی داشته‌ام متاسفم.»

-کتاب جز و کل نوشته‌ی ورنر هایزنبرگ

به منظور بر طرف کردن مشکلات ذکر شده، هیو اورت ایده «حالت نسبی» خود را در زمانی که دوره دکتری فیزیک را در دانشگاه پرینستون و زیر نظر جان ویلر، فیزیکدان مشهور آمریکایی، سپری می‌کرد مطرح نمود. این تفسیر بعدها و توسط برایس دویت به نام «تفسیر دنیا‌های چندگانه» مشهور شد و مطابق آن تلاش می‌شود تا فرآیند اندازه‌گیری نیز درست مانند تحول زمانی توسط یک فرآیند یکانی توصیف شود که تمامی احتمالات را حفظ می‌کند: در این تفسیر، تقلیل تابع موج اتفاق نمی‌افتد و بر اثر هر اندازه‌گیری تاریخچه‌های جدیدی (که به آن‌ها جهان‌های موازی هم گفته می‌شود) شکل می‌گیرند که در هر کدام از آن‌ها یکی از نتایج محتمل انداز‌ه‌گیری مشاهده شده است. برای مثال، تحول زمانی و اندازه‌گیری اسپین یک الکترون را در نظر بگیرید: تحول زمانی می‌تواند حالت کوانتومی این الکترون را در برهم‌نهی از اسپین بالا و پایین آماده کند؛ سپس، در صورت اندازه‌گیری این مشاهد‌ه‌پذیر، مطابق تفسیر دنیا‌های چندگانه، تاریخچه‌های جداگانه‌ای به وجود می‌آیند که در یکی از آن‌ها اسپین الکترون بالا مشاهده شده است و در دیگری اسپین پایین اندازه‌گیری شده است.

درخت تاریخچه‌ها: با هر بار اندازه‌گیری اسپین الکترون، تاریخچه‌های جدیدی به وجود می‌آیند که در هر کدام از آن‌ها یکی از نتایج محتمل، در این مثال اسپین بالا یا پایین، مشاهده شده است؛ این تاریخچه‌ها (یا جهان‌های موازی) هر کدام در نتیجه اندازه‌گیری‌های بعدی می‌توانند به تاریخچه‌های مجزا تقسیم شوند. همچنین، هیچ برهمکنشی بین این تاریخچه‌ها وجود ندارد و این تفسیر از مکانیک کوانتومی منجر به پیش‌بینی قابل مشاهده نمی‌شود.

همچنین، در شباهت با تفسیر کپنهاگی، احتمال قرار گرفتن در هر کدام از این تاریخچه‌ها با قاعده‌ بورن پیش‌بینی می‌شود. شایان ذکر است که در این تصویر تاریخچه‌ها (یا جهان‌های موازی) هیچ برهمکنشی با هم نداشته و پس از شکل‌گیری هر کدام به صورت یکانی و توسط معادله شرودینگر تحول پیدا می‌کنند. در این صورت، پس از گذشت زمانی از اندازه‌گیری اول، اسپین الکترون می‌تواند دوباره در برهم‌نهی از اسپین‌های بالا و پایین قرار گیرد و با تکرار فرآیند اندازه‌گیری اسپین این الکترون می‌توان هر کدام از تاریخچه‌های قبلی را به تاریخچه‌های جدیدی تقسیم نمود: تاریخچه‌هایی که در آن نتیجه اندازه‌گیری اول و دوم به ترتیب {بالا، بالا}؛ {بالا، پایین}؛ {پایین، بالا}؛ {پایین، پایین} بوده است. به این ترتیب، مطابق شکل بالا، درختی از تاریخچه‌ها شکل می‌گیرد که هر کدام از شاخه‌های آن یک واقعیت مجزا (یک تاریخچه یا دنیا موازی) را توصیف می‌کند.

حال که با تفسیر دنیا‌های چندگانه آشنا شدیم، می‌توانیم به سوال دوم که در ابتدا این بخش مطرح شد پاسخ دهیم: آنچه که یک «تفسیر» را از یک «فرضیه» و یا «نظریه» مجزا می‌کند، وجود داشتن و یا نداشتن پیش‌بینی‌های قابل مشاهده است! از آنجا که مطابق تفسیر دنیا‌های چندگانه، دیگر تاریخچه‌ها (یا به عبارتی جهان‌های موازی) هیچ برهم‌کنشی با هم نداشته و هیچ‌ اثر مشاهده پذیری از خود بر دیگر تاریخچه‌ها باقی نمی‌گذارند، هیچ پیش‌بینی قابل مشاهده‌ای که درستی و یا نادرستی این تفسیر را مشخص نماید در دسترس نیست. هرچند، به تازگی فرضیه‌ای مشابه با این تفسیر توسط فرانک ویلچک، برنده نوبل فیزیک، و جردن کاتلر مطرح شده‌ است که به آن «تاریخچه‌های درهمتنیده» گفته می‌شود و قادر به ارائه پیش‌بینی‌های قابل آزمایش است (آزمایش‌های پیشنهاد شده هنوز به انجام نرسیده‌اند و در نتیجه درستی و یا نادرستی این ایده همچنان مشخص نیست). همچنین، باید اشاره نمود که با وجود تفسیر‌های متفاوت از مسئله اندازه‌گیری، این مسئله کماکان جز مسائل باز و حل نشده به حساب می‌آید و تا به امروز توافقی در انتخاب تفسیر‌ درست از مفهوم «اندازه‌گیری» در بین فیزیکدان‌ها وجود ندارد! با این حال، درست به خاطر همین سختی ارائه پیش‌بینی‌های قابل آزمایش برای حل این مسئله، تنها بخش کوچکی از فیزیکدان‌ها به صورت جدی بر روی حل این مشکل کار می‌کنند (هر چند با اهمیت یافتن مضوعاتی از جمله نظریه اطلاعات کوانتومی، آشوب کوانتومی و گرانش/کیهان‌شناسی کوانتومی تعداد افرادی که به صورت غیر مستقیم بر روی حل این مشکل کار می‌کنند افزایش یافته است).

فرضیه چند‌جهان

«فرضیه چند‌جهانی» یا «Multiverse Hypothesis» یکی از نتایج محتمل نظریه «تورم کیهانی»است که به منظور حل کردن مشکلاتی در کیهان‌شناسی (که از آن‌ها با نام‌های مشکل افق و مشکل تختی یاد می‌شود) ارائه شده است. اندازه‌گیری‌های انجام شده و همچنین مشاهدات مبتنی بر تابش زمینه کیهانی نشان می‌دهند که انحنای کیهان امروزی ما بسیار کوچک بوده (هندسه فضا-زمان و نه صرفا هندسه برش‌های فضایی، بسیار به هندسه تخت نزدیک است) و همچنین حالت آن در زمان واجفتیدگی که در آن فوتون‌های تابش زمینه کیهانی توانسته‌اند از برهم‌کنش مداوم با الکترون‌ها و هسته‌ها گریخته و بدون مانع به حرکت خود ادامه دهند (این زمان حدود ۳۷۸ هزار سال پس از مهبانگ است که در مقیاس کیهان‌شناختی زمان بسیار کوتاهی محسوب می‌شود و به همین دلیل این پرتو‌ها اطلاعات زیادی را از کیهان اولیه در اختیار ما قرار می‌دهند) بسیار همگن و یکنواخت بوده است. پیش از مطرح شدن نظریه تورم کیهانی، به نظر می‌رسید که هر دو این مشاهدات نیازمند یک «تنظیم ظریف» در پارامترها هستند زیرا تغییرات جزئی در چگالی ماده و انرژی کیهان اولیه می‌توانست انحنای کیهان امروزی را به شدت تغییر داده و آن را از تخت بودن دور کنند؛ همچنین، همگنی و یکنواختی مشاهده شده در تابش زمینه کیهانی به ما نشان می‌دهد که نواحی از فضا-زمان که با یکدیگر در ارتباط علّی نبوده‌اند به تعادل گرمایی رسیده‌اند.

«نظریه تورم کیهانی» که مطابق آن کیهان اولیه در نخستین کسرهای ثانیه پس از مهبانگ وارد یک دوره کوتاه انبساط بسیاربسیار سریع به نام تورم کیهانی شد می‌تواند سازوکاری را برای توجیح هر دو این مشکل‌ها بدون نیاز به تنظیم ظریف پارامتر‌ها ارائه دهد: این دوره کوتاه انبساط بسیار سریع می‌تواند چگالی ماده و انرژی در عالم اولیه را به مقدار بحرانی آن (که برای تخت بودن کیهان به آن نیاز است) نزدیک کرده و همچنین توجیح نماید که نواحی که در زمان واجفتیدگی در ارتباط علّی با یکدیگر نبوده‌اند، پیش از آغاز تورم با یکدیگر ارتباط علّی داشته و به همین دلیل به تعادل دمایی رسیده‌اند. در شکل امروزی آن این نظریه توسط یک میدان کوانتومی اسکالری (موجودی ریاضی که مطابق قوانین مکانیک کوانتومی تحول یافته و به هر نقطه از فضا-زمان یک عدد نسبت می‌دهد که این عدد با تغییر دستگاه مختصات، از جمله چرخاندن محور‌ها و جا‌به‌جا کردن مبدا، ثابت است. می‌توانید به تابعی که در هر لحظه به نقاط مختلف یک اتاق دمای آن را نسبت می‌دهد، به چشم یک میدان کلاسیکی اسکالری نگاه کنید) با نام «میدان تورم» یا «Inflaton» توصیف می‌شود که تابع پتانسیل آن دارای ویژگی‌های خاصی است. در نظریه تورمی «غلتش کند» یا «Slow-roll Inflation»، تابع پتانسیل میدان تورم دارای ناحیه‌ای نسبتا تخت بوده که فاز تورمی را توصیف می‌کند و میدان تورم پس از اتمام این فاز، با قرار گرفتن و نوسان در اطراف کمینه پتانسیل (که می‌تواند کمینه موضعی یا کمینه سرتاسری باشد) وارد فاز بازگرمایش می‌شود.

شکل تقریبی پتانسیل میدان تورم در در نظریه تورمی غلتش کند. تابع پتانسیل میدان تورم دارای ناحیه‌ای نسبتا تخت بوده که فاز تورمی را توصیف می‌کند و میدان تورم پس از اتمام این فاز، با قرار گرفتن و نوسان در اطراف کمینه پتانسیل وارد فاز بازگرمایش می‌شود. پتانسیل ميدان تورم می‌تواند کمینه‌های موضعی زیادی داشته باشد که در این صورت به این کمینه‌ها خلا کاذب یا خلا شبه‌پایدار گفته می‌شود و میدان کوانتومی تورم می‌تواند با استفاده از تونل‌زنی کوانتومی از این کمینه‌ها خارج شده و باقی کمینه‌ها را در فضای پیکربندی کاوش کند.

در صورتی که این کمینه پتانسیل تنها یک کمینه موضعی باشد (شکل رو به رو)، میدان تورم می‌تواند طی فرآیند تونل‌زنی کوانتومی، که در ادامه در مورد آن بیشتر توضیح خواهیم داد، از سد پتانسیل (بیشینه موضعی پتانسیل که دو کمینه را از هم جدا کرده است) عبور کرده و پس از طی دوباره فاز‌ تورم غلتش کند به نوسان در اطراف کمینه سرتاسری (و یا در حالت کلی‌تر کمینه موضعی دیگر) بپردازد. از آنجا که در نظریه میدان‌های کوانتومی از کمینه‌های پتانسیل به عنوان حالت خلا یاد می‌شود، به این کمینه‌های موضعی حالت خلا کاذب یا خلا شبه‌پایدار و به کمینه‌های سرتاسری خلا حقیقی یا خلا پایدار نیز گفته می‌شود.

شکل تقریبی پتانسیل مناسب برای توصیف تورم ابدی ناشی از واپاشی خلا کاذب. در این تصویر میدان تورم با استفاده از تونل‌زنی کوانتومی به خارج از ناحیه خلا کاذب راه یافته و پس از طی کردن فاز تورمی غلتش کند، وارد فاز باز‌گرمایش و نوسان در اطراف خلا حقیقی می‌‌شود.

در طی این فرآیند تونل‌زنی از خلا کاذب به خلا حقیقی (یا در حالت کلی‌تر از خلا کاذب ۱ به خلا کاذب ۲)، حباب‌هایی از خلا جدید (برای مثال خلا حقیقی) در پس‌زمینه خلا قدیمی (مثلا خلا کاذب در شکل بالا) شکل می‌گیرد که پس از تشکیل شدن با سرعتی نزدیک به سرعت نور گسترش پیدا می‌کنند. درون هر کدام از این حباب‌ها از خلا‌های مختلف، پس از طی شدن مرحله تورم، مرحله بازگرمایش و تشکیل ساختار‌های کیهانی رخ می‌دهد و در نتيجه در درون هر کدام از این حباب‌ها، جهان جدیدی (با ثابت‌های فیزیکی متفاوت) تشکیل می‌شود. در صورتی که نرخ تولید این حباب‌ها از مقدار بحرانی آن کمتر باشد، تورم هرگز متوقف نخواهد شد و در این صورت آنچه به آن «تورم ابدی» گفته می‌شود رخ خواهد داد: حباب‌هایی از جهان‌های متفاوت (که در موارد بسیار معدودی به آن‌ها جهان‌های موازی گفته می‌شود) در پس‌زمینه خلا کاذب اولیه تشکیل خواهد شد که هرگز موفق به پوشاندن کل فضای پر شده از خلا اولیه نخواهند شد و به مجموع آن‌ها «چندجهان» یا Multiverse گفته می‌شود. این پدیده تشکیل حباب، نوعی از یک گذار فاز مرتبه اول است که نمونه کلاسیکی آن را می‌توان با آزمایشی جالب حتی در منزل نیز مشاهده نمود! به همین منظور، پیش از پرداختن به تونل‌زنی کوانتومی و توضیح بیشتر فرآیند تشکیل و گسترش حباب‌ها، کمی درباره پدیده‌های ابرسرمایش یا ابرگرمایش و ارتباط آن‌ها با تشکیل حباب‌ها در کیهان‌شناسی توضیح خواهیم داد.

تجسم هنری از تورم ابدی و چندجهان. براساس این فرضیه، حباب‌هایی از خلا حقیقی در خلا کاذب اولیه به‌وجود می‌آیند که تا ابد بدون پر کردن فضای اولیه به رشد خود ادامه می‌دهند. مجموعه حباب‌های تشکیل‌شده (که در هر کدام از آن‌ها جهان جدیدی به وجود آمده است) در درون خلا کاذب اولیه، چند جهان را تشکیل می‌دهند.

برای توصيف پدیده‌های ابرسرمایش و یا ابرگرمایش، ظرفی از آب مقطر در فاز مایع را در نظر بگیرید. همان‌طور که مطمئنا خواننده این متن با آن آشناست، این ظرف آب در فشار ۱ جو در دمای صفر درجه سانتی‌گراد یخ بسته و در دمای صد درجه سانتی‌گراد بخار می‌شود. با این حال، در صورتی که آب درون ظرف خالص باشد و در طی مدت سرمایش و یا گرم کردن ضربه و یا تکان ناگهانی به ظرف آب وارد نشود، آب مقطر می‌تواند در دمای زیر صفر درجه و یا بالای صد درجه سانتی‌گراد در فاز مایع باقی بماند! در این حالت، با وارد کردن ضربه‌ای به ظرف آب می‌توان تشکیل شدن حباب‌هایی از فاز جامد (یخ) و یا گاز (بخار) را در درون ظرف مشاهده نمود که به سرعت رشد کرده و در زمان کوتاهی کل مایع درون ظرف را به فاز جدید (بخار یا یخ) می‌برند (شکل و ویدیو زیر را ببینید)!

مراحل مختلف پدیده ابرسرمایش از لحظه وارد شدن ضربه و شکل گرفتن حباب‌هایی از یخ تا گسترش و برخورد این حباب‌ها و گذار فاز کامل مایع درون ظرف به فاز جامد را نشان می‌دهد.
پدیده ابرسرمایش که در آن تشکیل شدن حباب‌هایی از یخ و گسترش آن‌ها در درون ظرف به وضوح مشخص است.

همان‌طور که از توضیح ما در بند قبلی مشخص است، این پدیده بسیار شبیه گذار فاز کوانتومی است که چند‌جهان را تشکیل می‌دهد! در واقع پتانسیل موثر بین ملکول‌ها در رژیم ابرسرمایش/ابرگرمایش درست شبیه فرم کلی پتانسیل میدان تورم در رژیم تورم ابدی‌ است (تصویر بالا سمت چپ در صفحه قبل): در این حالت، کمینه موضعی پتانسیل توصیف کننده فاز مایع و کمینه سرتاسری آن توصیف کننده فاز جامد/گاز است. از آنجا که این دو فاز متفاوت توسط یک سد پتانسیل (بیشینه موضعی) از هم جدا شده‌اند، در شرایطی ذکر شده (خالص بودن مایع و عدم وارد شدن ضربه به ظرف) ملکول‌های آب انرژی کافی را برای گذر کردن از این سد پتانسیل نداشته و در نتيجه در کمینه موضعی انرژی (فاز مایع) باقی می‌مانند. در صورت وارد شدن ضربه‌ای کوچک به این سیستم، بخشی از مایع انرژی لازم برای بالا رفتن از قله پتانسیل و قرار گرفتن در کمینه سرتاسری را پیدا می‌کند؛ در این فرآیند، به اندازه تفاوت انرژی بین دو کمینه مختلف انرژی آزاد خواهد شد که می‌تواند باقی بخش‌های مایع را نیز از سد پتانسیل عبور داده و به فاز جدید ببرد. نتیجه این فرآیند، تشکیل و گسترش حباب‌هایی از فاز جدید (جامد و یا گاز) در درون فاز قدیمی (مایع) است.

همان‌طور که پیش از این نیز اشاره کردیم، فرآیند تشکیل حباب‌ها در کیهان‌شناسی را نیز می‌توان با سازوکاری تقریبا مشابه فهمید. برای این منظور ابتدا توضیح کوتاهی در مورد پدیده تونل‌زنی کوانتومی ارائه خواهیم داد: پدیده تونل‌زنی کوانتومی (که پدیده‌ای ذاتا کوانتومی و بدون معادل کلاسیکی است) نتیجه مستقیم ذات دوگانه (موجی-ذره‌ای) سیستم‌های کوانتومی است. ما در مکانیک کلاسیکی با این موضوع آشنا هستیم که بر خلاف ذرات (مثلا یک توپ را در نظر بگیرید)، موج‌ها (مانند امواج الکترومغناطیسی) می‌توانند به میزانی که به طول موج آن‌ها و همچنین پهنا و ارتفاع قله پتانسیل وابسته است، از سد‌های پتانسیل، مانند یک دیوار، عبور کنند (درست به همین دلیل است که توپ و نور مرئی، حداقل به میزانی که برای ما قابل اندازه‌گیری باشد، از دیوار عبور نمی‌کنند اما رادیو و تلویزیون شما در درون خانه همچنان کار می‌کنند!). از آنجا که ذرات کوانتومی در واقع بسته‌های موجی هستند که طول موج آن‌ها با رابطه دوبروی داده می‌شود، انتظار می‌رود که با گذر زمانی به قدر کافی، سیستم‌های کوانتومی نیز بتوانند بدون نیاز به انرژی اضافه (مانند ضربه زدن که برای عبور دادن مایع از سد پتانسیل در مثال ابرسرمایش و ابرگرمایش به آن نیاز بود) از سد‌های پتانسیل عبور کرده و در طرف دیگر آن ظاهر شوند؛ به این پدیده «تونل‌زنی کوانتومی» گفته می‌شود (شکل زیر را ببینید). پدیده تونل‌زنی کوانتومی علاوه بر مکانیک کوانتومی غیر نسبیتی در نظریه میدان‌هایی کوانتومی (در پس‌زمینه‌های تخت و یا منحنى) نیز اتفاق می‌افتد و در آن یک میدان کوانتومی می‌تواند بدون داشتن انرژی کافی برای عبور کلاسیکی از سد پتانسیل، به طرف دیگر آن تونل بزند!

تونل‌زنی کوانتومی از ناحيه خلا کاذب (FV) به ناحيه خلا حقیقی (TV) را نشان می‌دهد.

حال آماده‌ایم تا چگونگی تشکیل چند‌جهان و رشد حباب‌ها در فرضیه تورم ابدی را بهتر درک کنیم: در قسمتی از فضای پر شده از خلا کاذب اولیه (مانند فاز مایع در مثال کلاسیکی ابرسرمایش/ابرگرمایش)، حبابی از خلا جدید بر اثر پدیده تونل‌زنی کوانتومی شکل می‌گیرد (درست مانند حباب‌های یخ/گاز که در مثال ابرسرمایش/ابرگرمایش بر اثر تزریق انرژی به سیستم از طریق وارد کردن ضربه ایجاد می‌شدند)؛ این حباب‌ها پس از شکل‌گیری به سرعت در پس‌زمینه خلا کاذب اولیه رشد می‌کنند. بر خلاف آنچه در مثال ابرسرمایش/ابرگرمایش برای آب در یک ظرف با ابعاد ثابت دیدیم، کیهان پر شده از خلا کاذب اولیه خود در حال انبساط شتاب‌دار است (به دلیل انرژی خلا غیر صفر) و بنابراین، بسته به نرخ تولید این حباب‌ها و سرعت رشد آن‌ها ممكن است این حباب‌های خلا جدید هرگز نتوانند خلا کاذب اولیه را به طور کامل پر کنند. به این رژیم از نظریه تورم کیهانی، «تورم ابدی با واپاشی خلا کاذب» یا (False Vacuum Eternal Inflation) گفته می‌شود. در این حالت، به مجموعه این حباب‌ها چند‌جهان گفته ‌شده و در موارد بسیار محدودی به هر کدام از این حباب‌ها یک جهان‌ موازی نیز گفته می‌شود (هر چند استفاده از این واژه در مقالات علمی انگلیسی زبان برای اشاره به این حباب‌ها بسیار غیر متعارف است).

در آخر بايد بر این نکته تاکید کنیم که هر کدام از حباب‌ها در فرضیه چند‌جهان ناحیه‌هایی از فضا-زمان هستند که بعضی ثابت‌های فیزیکی (مانند ثابت کیهان‌شناسی) در آن‌ها با یکدیگر تفاوت می‌کند. همچنین، تا زمانی که این حباب‌ها با یکدیگر برخورد نکنند، که در رژیم تورم ابدی احتمال آن تقریبا برابر با صفر است، هیچ‌گونه ارتباط علّی بین این حباب‌ها وجود نداشته و سفر کردن بین‌ آن‌ها ممکن نخواهد بود (در صورتی که دو حباب با یکدیگر برخورد کنند، مطمئنا امکانی برای بقای حیات در هیچکدام از آن‌ها باقی نخواهد ماند که بخواهند به جهان دیگر سفر کنند). با این حال بر این نکته تاکید می‌کنیم که اگرچه امکان مشاهده و اندازه‌گیری مستقیم وجود دیگر حباب‌ها امکان‌پذیر نیست، اما این فرضیه اثرات قابل مشاهده غیر مستقیمی را پیش‌بینی می‌کند که ممکن است در آینده امکان تایید (محدود) و یا رد این فرضیه را فراهم کنند! به صورت خاص، رژیم تورم ابدی با واپاشی خلا کاذب تنها با انحنای فضایی (نه فضا-زمانی) منفی سازگار بوده و در صورت مشاهده انحنای فضایی مثبت و یا صفر می‌توانیم درستی این فرضیه را منتفی بدانیم (هر چند مشاهده شدن انحنای فضایی منفی الزاما به معنی تایید این فرضیه نخواهد بود!).

جهان‌هایی موازی چه نیستند؟

حال که در بخش قبلی این متن با تعریف «تفسیر جهان‌های چندگانه» از مکانیک کوانتومی و فرضیه «چندجهان» در کیهان‌شناسی آشنا شدیم، می‌توانیم به برخی باور‌های غلط در ارتباط با این دو مفهوم و استفاده از عبارت «جهان‌های موازی» برای هر دو آن‌ها اشاره کنیم: شاید فراگیرترین باور غلط در ارتباط با هر دو این مفاهيم، امکان برقرار کردن رابطه علّی با «جهان‌های موازی» است! همان‌طور که در انتهای بخش قبل و در مورد فرضیه چند‌جهان به آن اشاره کردیم، با اینکه این جهان‌های موازی (در واقع حباب‌ها) مکان‌های متفاوتی در فضا-زمان هستند، امکان سفر کردن بین این حباب‌ها وجود نداشته و هیچ ارتباط علّی نیز بین آن‌ها برقرار نمی‌باشد. در مورد تفسیر جهان‌های چندگانه این باور غلط حتی مشکل‌زا تر نیز هست زیرا همان‌طور که اشاره کردیم جهان‌های موازی توصیف شده در این تفسیر، تاریخچه‌های متفاوتی از جهان خود ما هستند و مکان‌های متفاوتی را در فضا-زمان توصیف نمی‌کنند! بنابراین، امکان سفر کردن بین آن‌ها نیز منتفی (و بی‌معنی) است.

همچنین، از آنجا که در فیلم‌ها، سریال‌ها و داستان‌های علمی تخیلی برای اشاره به هر دو مفهوم توضیح داده شده از عبارت «جهان‌های موازی» استفاده می‌شود، بسیاری از ویژگی‌های این دو مفهوم متفاوت در ادبيات علمی‌-تخیلی با هم ترکیب شده و ملقمه‌ای را ساخته است که به هیچ کدام از این دو مفهوم علمی شبیه نمی‌باشد! برای مثال، معمولا «جهان‌های موازی» در ادبیات علمی-تخیلی به صورت مکان‌هایی تصور می‌شوند (در شباهت با چندجهان) که تاریخچه آن‌ها بسیار شبیه به دنیا ما بوده و تنها تفاوت‌های کوچکی با آن دارد (احتمالا این نگاه از برداشتی نادقیق از تفسیر جها‌ن‌های چندگانه نشات گرفته است). بنابراین، همان‌طور که در ابتدای این متن نیز به آن اشاره کردیم، تمیز دادن ویژگی‌های متفاوت این دو مفهوم مجزا در بر طرف کردن کج‌فهمی‌های ایجاد شده نقش مهمی را بازی می‌کند.

در نهايت، همان‌گونه که در بخش قبلی به تفصيل شرح داده شد، به ذات متفاوت این دو مفهوم (یکی تفسیر و دیگری فرضیه) اشاره کرده و بر عدم وجود شواهد تجربی (تا به امروز) برای پذیرش یا رد هر دو این مفاهيم تاکید می‌کنیم! هرچند، امکان تایید یا رد فرضیه چند‌جهان (و حتی به صورت کلی‌تر نظریه تورم کیهانی) و یا فرضیه «تاریخچه‌های درهمتنیده»، که ایده‌هایی مشابه با تفسیر جهان‌ها چندگانه را مطرح می‌کند، در آینده وجود داشته و هنوز باید برای مطالعه همخوانی پیش‌بین‌های این دو فرضیه با مشاهدات منتظر ماند!

🎞 چه‌ طور بفهمم فیزیک رشته مناسبی برای منه؟!

  • چه طور باید انتخاب رشته کنم؟
  • لیسانس فیزیک چه‌طوریه؟
  • فیزیک برای من رشته سختیه؟!
  • بین فیزیک و مهندسی کدوم رو انتخاب کنم؟
  • چه طور میشه فهمید چقدر علاقه ما به فیزیک واقعیه؟
  • بازار کار فیزیک خوبه؟
  • آینده فیزیک خوندن تو ایران یا خارج چیه؟
  • من عاشق نجومم، آیا باید فیزیک بخونم تو دانشگاه؟
  • من دوست دارم برم ناسا یا سرن، باید لیسانس فیزیک بگیریم؟
  • من عاشق فیزیک هسته‌ای هستم. کدوم دانشگاه برای من خوبه؟

این ویدیو رو ببینید:

ویدیو در یوتیوب

چه‌ طور بفهمم فیزیک رشته مناسبی برای منه؟!

نوشته‌های مرتبط:

ترابرد کوانتومی از برج میلاد به برج آزادی! کسی صدای من رو می‌شنوه؟

چندی پیش بود که آقای دکتر علی اکبر صالحی خبر از پروژه‌ی مخابره‌ی کوانتومی بین برج میلاد و برج آزادی دادند. این فرآیندی است که در طی آن اطلاعات با امنیت بالایی مخابره می‌شود. این فناوری یکی از فناوری‌های روز دنیاست که پیش‌بینی می‌شود به زودی دنیای انتقال اطلاعات را تصاحب کند.

نگاره ۱- پروژه مخابره کوانتومی بین برج میلاد و برج آزادی

در این نوشته قصد داریم تا با مفهوم انتقال پیام به سبک فناوری کوانتومی آشنا شویم. این توضیح را در ۵ سطح انجام می‌دهیم. مشخصا توضیح دقیق آن جز در سطح متخصصان ممکن نیست اما در هر سطح تلاش کردیم تا مزه‌هایی از این فرآیند را بچشیم.

۱ – دانشمند کوچک‌ و کنجکاو!

شاید تا به حال تلفن آقای بل را دیده باشید. اگر تا به حال ندید؛ خیلی راحت می‌توانید در خانه درست کنید. دو عدد لیوان یکبار مصرف کاغذی را از انتها با یک نخ به هم متصل کنید. حالا یک لیوان را به دوست خود دهید و دیگری را در دستان خود نگه دارید. از دوست خود بخواهید تا لیوان را روی گوش خود نگه دارد. در حالی که نخ در حالت کشیده قرار دارد؛ درون لیوان شروع به صحبت کنید. حدس بزنید چه می‌شود؟!

نگاره ۲ – تلفن آقای بل Tin can telephone

دوستتان حرف‌های شما را درون لیوان خودش خواهد شنید. شاید فکر کنید که او تقلب کرده است و دارد از خارج لیوان با گوش دیگرش صدای شما را می‌شنود. پس بیاید امتحان کنیم! کمی نخ را بلندتر درست کنید و آهسته‌تر صحبت کنید. به من اعتماد کنید که او دارد صدای شما را از لیوان می‌شنود. اما چرا؟

مهم‌ترین مسئله نخ است. نخی که میان دو لیوان در دو جای مختلف ارتباط ایجاد کرده است. اگر در حین صحبت شما فرد سومی نخ را ببرد دیگر صدای شما منتقل نمی‌شود. در ترابرد کوانتومی اتفاقی شبیه به این می‌افتد! اما این بار فاصله‌ی دو دوست از هم می‌تواند بسیار بلندتر باشد. باز هم میان دو نقطه ارتباط برقرار است اما از جنس نخ خیاطی نیست! به هر ترتیب هر دو دوست در دست خود چیزی شبیه به لیوان دارند که اگر یکی از آن‌ها آن را تکان دهد دیگری در سمت دیگر متوجه خواهد شد.

اگر توانستید تا اینجا حرف‌های من را متوجه شوید پس حتما خیلی باهوش و کنجکاو هستید! پیشنهاد می‌کنم خواندن این متن را ادامه بدهید اما اگر متوجه نشدید؛ هیچ اشکالی ندارد.

۲- نوجوان جستجوگر!

اهل فیلم هستید؟ در بعضی از فیلم‌های سبک هیجانی فیلم‌برداری‌ها در تونل باد انجام می‌شود. در این حالت تلاش می‌کنند که برای دو بازیگر حالت معلق بودن را شبیه‌سازی کنند. آن‌ها به دور خود می‌چرخند و در هوا شنا می‌کنند. این بار که خواستید تماشا کنید به یک صحنه خوب دقت کنید.

صحنه‌ای که دو بازیگر در ابتدا در حالت ساکن و بی‌وزن هستند و دو دست خود را به یکدیگر داده‌اند. در این حالت اگر یکی دیگری را با دست بچرخاند چه اتفاقی می‌افتد؟ حدس بزنید.

نگاره ۳- دو بازیگر که دست خود را به یک دیگر داده‌اند و تلاش می‌کنند یکدیگر را بچرخانند
نتیجه آن می‌شود که هر کدام در دو جهت خلاف هم خواهند چرخید.

بله! دیگری هم می‌چرخد. اما دقت کنید که دیگری در جهت خلاف دوست خود می‌چرخد. عجیب است نه؟! پس اگر فرض کنید که کادر فیلم برداری به گونه‌ای باشد که شما فقط یک بازیگر را در حالت چرخیدن در جهت عقربه‌های ساعت ببینید؛ حتم خواهید داشت که دیگری در جهت خلاف عقربه‌های ساعت در حال چرخش است با اینکه او را نمی‌بینید.

نکته مهم اینجاست که این دو بازیگر در ابتدا دستان خود را به یک دیگر داده بودند و چرخش خود را با چرخاندن یکدیگر شروع کرده بودند. اگر آنها دستان بلندتری داشتند و یا از یک چوب معلق بلند استفاده می‌کردند نیز می‌توانستند همین چرخش مخالف هم را برای خود ایجاد کنند.

در ترابرد کوانتومی این دو بازیگر، دو الکترون هستند که بسیار کوچکند و در ابتدا دستان خود را به یک‌دیگر داده بودند. حال که از یکدیگر فاصله گرفته‌اند اگر یکی در جهت عقربه‌های ساعت بچرخد؛ متوجه خواهید شد که طرف دیگر الکترونی است که در جهت عکس می‌چرخد. حال شاید بپرسید چطور می‌توان به کمک این ترفند بین دو نقطه هماهنگی برقرار کرد. بگذارید یک مثال بزنیم.

شما و دوستتان می‌خواهید به دو رستوان مختلف بروید. یک رستوران در برج میلاد است و دیگری در پای برج آزادی. هر کدام از این رستوران‌ها فقط دو نوع غذا در منوی خود دارند. مثلا قیمه و قورمه. پیش از راه افتادن و جدا شدن از دوست خود با او هماهنگی انجام می‌دهید. به او می‌گویید اگر الکترون او در جهت عقربه‌های ساعت چرخید، قیمه و اگر در جهت عکس چرخید قورمه را انتخاب کند. به این ترتیب با اندازه‌گیری چرخش الکترون خود در برج دیگر می‌توانید متوجه شوید که او کدام غذا را انتخاب خواهد کرد تا شما غذای دیگر را انتخاب کنید!

نگاره ۴ – منو با دو غذا در رستوران آزادی و میلاد

اگر اهل چالش فکری هستید به این فکر کنید که اگر رستوران بیشتر از ۲ مدل غذا داشت؛ چطور می‌توانستیم با دوست خود قرارداد کنیم که چه غذایی را انتخاب کند تا ما متوجه انتخاب او در برج دیگر شویم.

۳- کمی پیش از دانشگاه! [یا همان توضیح زیر دیپلمی خودمان:) ]

شاید با دو مفهوم تکانه (تندی حرکت) و چرخش الکترون (اسپین) آشنایی داشته باشید. بگذارید همین ابتدا یک افشاگری جالب برایتان بکنم. الکترون واقعا نمی‌چرخد! الکترون خاصیتی به نام اسپین دارد که مانند تکانه‌ی چرخش رفتار می‌کند. از این رو از آن به عنوان چرخش ذاتی – و نه حرکتی – الکترون یاد می‌کنند.

  • اسپین جهت دارد! درست مانند یک فرفره که می‌تواند در جهت عقربه‌های ساعت بچرخد و یا خلاف آن و یا حتی غلت بزند و بالا و پایین رقص محوری انجام دهد. در این حالت محور چرخش را محور تکانه یا تندی چرخش به دور خود فرفره در نظر می‌گیریم. به همین ترتیب الکترون نیز خاصیت در ذات خود به نام اسپین دارد که مانند تکانه‌ی چرخشی سکه یا فرفره رفتار می‌کند.
  • برآیند اسپین دو الکترون پایسته است! حتما در مورد پایستگی تکانه در درس فیزیک شنیده‌اید. تکانه چرخشی هم مانند تکانه‌ی خطی پایسته است. پیش‌تر مثالی از دو بازیگر در تونل هوا را زدیم که اگر ابتدا نچرخند و برآیند تکانه‌ی چرخشی هردو صفر باشد؛ پس از چرخاندن یک دیگر نیز برآیند صفر می‌ماند. به طریقی که اگر یکی در جهت عقربه‌های ساعت بچرخد؛ دیگری در جهت خلاف عقربه‌های ساعت می‌چرخد تا مجموع تکانه‌ی چرخشی هر دو صفر باقی بماند.

پرتوی گاما از ذرات با اسپین صفر تشکیل شده‌اند. اگر گاما واپاشی کند؛ دو الکترون از خود متولد می‌کند! پایستگی تکانه می‌گوید که اسپین دو الکترون تولید شده باید خلاف یک دیگر باشد تا برآیند آن دو مانند قبل از واپاشی صفر شود.

اتفاقی که در برج میلاد و برج آزادی می‌افتد نیز این چنین است. برج میلاد به صورت پیوسته الکترون‌هایی را دریافت می‌کند که جفت دیگرش نزد برج آزادی است. اگر برج آزادی الکترونی را دریافت کند که ساعت‌گرد می‌چرخد؛ متوجه می‌شود که برج میلاد در حال مشاهده‌ی الکترونی است که در جهت خلاف عقربه‌های ساعت می‌چرخد.

مثال پایانی بخش قبل را بخوانید. متوجه می‌شوید که از این پدیده که به خاطر پایستگی تکانه رخ می‌دهد؛ چگونه می‌توان برای هماهنگی دو نقطه استفاده کرد. اما شاید بپرسید که هر کدام از دو برج فقط الکترونی را مشاهده می‌کنند که به دست آنها رسیده است. آن‌ها کنترلی روی آن ندارند. فقط وقتی متوجه حرکت اسپینی الکترون می‌شوند که آن را مشاهده کنند و توانایی تنظیم آن را ندارند تا بتوانند انتقال پیامی صورت دهند. این مسئله نیز قابل حل است اما برای توضیح دقیق این که چطور انتقال پیام دلخواه صورت می‌گیرد نیاز داریم تا مباحثی پیشرفته را اشاره کنیم که در ادامه آمده است.

  • برای درک بهتر این داستان‌های کوانتومی این ویدیو رو ببینید:

۴ -بالای دیپلم [عالمین بالحیل!]

اگر از آسمان به زمین نگاه کنید (راستای Z)؛ چرخنده‌ها دو حالت دارند. یا در جهت ساعت می‌چرخند یا در خلاف آن! بیاید کمی بازی کنیم! من از نوشتن کلمه‌ي «ساعت و ساعتگرد» خسته شده‌ام. از این پس چرخش ساعتگرد را صفر (۰۰) می‌نامم و دیگری را (۱). اگر حالت‌های ممکن برای این دو الکترون را به ترتیب بنویسیم به چهار زوج می‌رسیم که عبارت اند از: (۰۰, ۰۱, ۱۰, ۱۱) این کلی ترین حالت چرخش یک سیستم دو الکترونی است.

اما صبر کنید گفتیم که این جفت از واپاشی یک ذره گاما بوجود آمده‌اند که در ابتدا چرخش صفر داشته است. پس هر چهار حالت یاد شده نمی‌توانند محتمل باشند و فقط دو حالت (۰۱, ۱۰) هستند که می‌توانند به قانون پایستگی تکانه احترام بگذارند. این دو الکترون را اکنون درهم‌تنیده می‌گوییم. زیرا حالت یکی مستقل از دیگری نیست.

حال که جفت الکترون را بهتر شناختیم بیاید به برهم‌کنش این سامانه با محیط فکر کنیم. اگر میان برج آزادی و برج میلاد این الکترون‌ها با ذره‌ای دیگر برخورد کنند دیگر با قطعیت نمی‌توانیم بگوییم از میان این چهار حالت فقط دوتای یادشده را می‌توانند بگیرند. در این حالت سیستم ما مختل شده است. حال قانون پایستگی برای مجموع این دو الکترون و تمام ذراتی برقرار است که با آنها برخورد کرده‌اند.

برای انتقال پیام دلخواه از همین اختلال الهام گرفته شده است. فرض کنید می‌خواهیم طرف مقابل الکترونی در حالت ۰ دریافت کند. این جفت درهمتنیده را در یک برج به گونه‌ای مختل می‌کنیم که احتمال دریافت حالت ۰ برای آن سر خط ارتباطی بیشتر شود. این اختلال را با ورود الکترون سومی در نزد فرستنده پیام انجام می‌دهیم.

۵- تازه‌ واردها به فیزیک کوانتومی

یک نکته خیلی مهم در نگاه کوانتوم مکانیک به دنیا وجود دارد. آن هم این که تا زمانی که شما اندازه‌گیریی را روی سامانه‌ی مورد مطالعه خود انجام نداده‌اید؛ سامانه در حالتی مرکب از تمام حالت‌های ممکنی است که سامانه می‌تواند به خود بگیرد. به عنوان مثال زوج متولد شده‌ی الکترون و پوزیترون را از واپاشی گاما درنظر بگیرید.

از آنجا که گاما در ابتدا چرخش ذاتی (اسپین) صفر دارد، پس از واپاشی هم سامانه باید در برآیند اندازه‌ی چرخش‌ها، اسپین صفر داشته باشد. دو حالت برای این سامانه وجود دارد. یا لنگه‌ای از این جفت که در برج میلاد دریافت می‌شود تکانه‌ی چرخشی مثبت ($\ket{0}$) دارد و دیگری در برج آزادی منفی ($\ket{1}$) و یا برعکس.

توصیف کوانتوم مکانیک را از این آزمایش یادآور شویم. اگر حالت سامانه را با $\ket{\psi}$ نشان دهیم؛ پیش از اندازه‌گیری توسط برج‌ها به صورت مرکب زیر قابل توصیف است. یعنی برهم‌نهی از دو حالت ممکن که حاصل جمع تکانه صفر دارد.

$$\ket{\psi} = \frac{1}{\sqrt{2}} (\ket{0}\ket{1} + \ket{1}\ket{0})$$

$\ket{0} \ket{1}$ نماد به این معنی است که الکترون اول در حالت چرخش ساعتگرد بوده و الکترون دوم در حالت پادساعتگرد. جمله‌ی دوم هم تعبیر مشابه و عکس دارد. ضرایب یکسان پشت هر جمله نشان دهنده آن است که دو حالت ممکن به یک اندازه محتمل هستند. حال که با نماد گذاری کوانتومی آشنا شدیم بیایم وارد هنر نمایی خود در ترابرد شویم.

ایده اصلی در ترابرد یا مخابره اطلاعات به سبک کوانتومی آن است که این سامانه‌ی دو بخشی را به کمک الکترون سومی مختل کنیم. الکترون سومی که محل نگهداری آن در برجی است که قصد انتقال پیام خود را دارد. این اختلال به صورتی زیرکانه باعث می‌شود تا طرف دیگر در برج دیگر صاحب الکترونی شود که احتمال برآمدن صفر و یکش پس از اندازه‌گیری دیگر یکسان نیست. حال کمربند خود را سفت ببندید تا الگوریتم ترابرد را باهم مرور کنیم!

۱) مرحله‌ی اول: ابتدا الکترون را …

فرض کنید این برج میلاد است که می‌خواهد پیامی به برج آزادی دهد. او الکترون سوم را که حالتی $\ket{\phi} = \alpha \ket{0} + \beta \ket{1}$ دارد؛ در کنار الکترون خود قرار می‌دهد. حال حالت سامانه سه‌تایی به صورت زیر قابل نوشتن است:

$$\begin{align}
\ket{\Psi} &= (\alpha \ket{0} + \beta \ket{1} ) \big( \frac{1}{2}(\ket{0,1} + \ket{1,0}) \big) \newline
&= \frac{1}{\sqrt{2}} \big[ \alpha \ket{0,0,0} + \beta \ket{1,0,0} + \alpha \ket{0,1,1} + \beta \ket{1,1,1} \big]
\end{align}$$

نگاره ۵ – مختل کردن سامانه جفت الکترون به کمک الکترون سوم نزد برج میلاد.
در نتیجه‌ی این فرآیند با یک سامانه سه بخشی درهم‌تنیده طرف هستیم.

کمی چشم بندی کنیم:) عبارت بالا با ضرب و مرتب سازی نیز می‌توان به صورت زیر نوشت:

$$\begin{align}
\ket{\Psi} = \frac{1}{2}\big[ &\ket{\phi^{+}} (\alpha \ket{0} + \beta \ket{1}) \newline
+& \ket{\phi^{-}} (\alpha \ket{0} – \beta \ket{1}) \newline
+& \ket{\psi^{+}} (\beta \ket{0} + \alpha \ket{1}) \newline
+& \ket{\psi^{-}} ( – \beta \ket{0} + \alpha \ket{1}) \big]
\end{align}$$

که در آن چهار جمله‌ی $\ket{\phi^{\pm}}$ و $\ket{\psi^{\pm}}$ به قرار زیر هستند. [اگر اسامی را دوست دارید؛ درگوشی به شما می‌گویم این چهار حالت را با نام حالت‌های بل می‌شناسیم.]

$$\begin{align}
\begin{cases}
\ket{\phi^{\pm}} &= \frac{1}{2} (\ket{0,0} \pm \ket{1,1}) \newline
\ket{\psi^{\pm}} &= \frac{1}{2} (\ket{0,1} \pm \ket{1,0})
\end{cases}
\end{align}$$

۲) مرحله دوم: اندازه‌گیری…

به آنچه که اکنون از حالت سامانه $\ket{\Psi}$ در عبارت گذشته رسیدیم توجه کنیم. این عبارت می‌گوید چهار حالت ممکن برای این سامانه وجود دارد. در هر کدام برای دو الکترون نزد برج میلاد یکی از چهار حالت بل را داریم و برای الکترون آخر که در نزد برج آزادی است؛ حالتی را داریم که دگر شکلی از حالت الکترون سومی است که آخرین بار وارد سامانه شد.

خوش به حالمان می‌شود اگر برج میلاد پس از اندازه‌گیری متوجه شود که دو الکترون نزد او حالت $\ket{\phi^{+}}$ را داشته‌اند. زیرا در آن صورت حالت الکترون سوم در نزد برج آزادی دقیقا همان حالتی است که برج میلاد در ابتدا در الکترون سوم خود داشت. اما اگر خوش به حالمان نشود چطور؟

به هر صورت در انتها یک حالتی شبیه به همان الکترون وارد شده در نزد برج آزادی احیا می‌شود. این حالت‌ها همگی ضرایب مشابه دارند ولی تنها علامت یا جایگاهشان جابجا شده است. در این صورت اگر برج میلاد با انتقال یک پیام کوتاه دو بیتی به برج آزادی بگوید که کدام حالت بل را مشاهده کرده است آنگاه می‌توان به کمک عملگرهای پائولی این دگرگونی‌ها را نیز برطرف کرد.

۳) حال با خیال راحت سوپ خود را بچشید!

دقت کنیم که این انتقال پیام با سرعتی بیشتر از سرعت نور انجام نمی‌شود. تا زمانی که برج میلاد به برج آزادی به کمک روش‌های کلاسیکی (مثل تلفن یا فیبر نوری) نگوید کدام حالت بل را دیده؛ برج آزادی نمی‌تواند حالت مورد نظر را از الکترون خود احیا کند.

کاری که در این فرآیند انجام دادیم خیلی بیشتر از انتقال یک پیام صفر یا یک است. ما یک بردار کامل دو بعدی را انتقال دادیم. اگر قرار بود این انتقال را با روش‌های کلاسیکی انجام دهیم؛ باید هر کدام از ضرایب آلفا و بتا را در پیام‌هایی جداگانه با بیت‌های رایج صفر و یک انتقال دادیم. اگر این اعداد گویا نبودند؛ باید تعدادی بیشمار بیت خرج این انتقال پیام می‌کردیم.

  • اگر می‌خواهید درک فنی‌تری از درهم‌تنیدگی پیدا کنید این چند جلسه از کلاس درس ساسکایند را مشاهده کنید.
  • به عنوان یک مثال ساده پیشنهاد می‌کنیم این ویدیو رو ببینید:

ولفرم و گراف اقلیدس

شاید تا به حال تجربه پیدا کردن مسیر در جنگلی تاریک را داشته باشید یا حداقل فرض کنید که در آن گیر کرده‌اید و تنها یک چراغ قوه برای پیدا کردن مسیر دارید. پیدا کردن مسیر و تلاش برای حل مسئله با پرسیدن و استدلال کردن همراه است. کجا بودیم؟ چقدر تا به حال مسیر آمده‌ایم؟ شیب زمین به کدام سمت است؟ خورشید در کدام سمت قرار دارد؟ و سعی می‌کنیم با استدلال‌های ریز و درشت به آن‌ها پاسخ دهیم.

این تلاش مشابهی است که پژوهشگران در جنگلی از اطلاعات و رخدادها به دنبال پیدا کردن پاسخ درست مسائل هستند. ریاضی‌دانان از ارتباط بین خطوط و اشکال تلاش می‌کنند تساوی دو پاره‌خط یا موازی بودن را نتیجه بگیرند. فیزیکدانان پس از مشاهده یک پدیده، با اندازه‌گیری و فرضیه سازی‌های مکرر تلاش می‌کنند آن را توصیف کنند. اما این بار استیون ولفرم فیزیکدان معاصر خلاقیت جالبی را برای حل مسائل پیشنهاد کرده‌است. او یک قدم عقب می‌ایستد و جنگل پیمایان را رصد می‌کند. برای او پدیدهٔ اصلی مورد مطالعه خود چراغ قوه به‌دستان هستند نه جنگل و درخت آن.

او با ترسیم مسیری که تا الان پیموده شده و تصویرسازی تلاش می‌کند تا تصویر بزرگتر را پیدا کند و با شناخت آن بگوید چه چیزهایی را می‌توان پیدا کرد و احتمالاً چه چیزهایی از نظر مغفول مانده‌اند. تصویر مولانا را از فیل شناسان را به خاطر بیاورید. هر یک از نظردهندگان، فیل را یک جور می‌دیدند اما حالا اگر یک نفر با در کنار هم قرار دادن این نظرات پازل را تشکیل دهد و بفهمد که آن موجود ناشناخته فیل است؛ آنگاه هم نظر بقیه را توجیه خواهد کرد و هم می‌تواند اطلاعات بیشتر و دقیق‌تری از آن پیکره روایت کند.

داستان فیل و مردان نابینا یا فیل و کوران داستانی‌است تمثیلی و عارفانه، که برای روشن کردن نقص کشف حسی به آن استشهاد شده‌است.
دیدنش با چشم چون ممکن نبود 
 اندر آن تاریکی‌اش کف می‌بسود

  آن یکی را کف به خرطوم اوفتاد 
 گفت همچون ناودان است این نهاد

  آن یکی را دست بر گوشش رسید 
 آن برو چون بادبیزن شد پدید

  آن یکی بر پشت او بنهاد دست
 گفت خود این پیل چون تختی بدست

یکی از نمونه‌های بارز تلاش او مطالعه کتاب اصول اقلیدس است. اقلیدس با مطرح کردن ۴+۱ اصل پیمایش خود را در جنگل هندسه و نظریه اعداد شروع کرد. پس از مطرح کردن این ۵ اصل متوجه شد که ترکیب این ۵ اصل می‌تواند گزاره‌های دیگری را نتیجه دهد. گزاره‌هایی که از آن‌ها به عنوان قضیه یاد می‌کنیم. استیون ولفرم در پژوهش خود فارغ از این‌که اقلیدس چه استدلال‌هایی برای گام برداشتن می‌کند؛ مسیری که او برای اثبات هر قضیه از میان قضایای پیشین پیموده رصد می‌کند. به این معنی که در بدنه اثبات هر قضیه دنبال ارجاعاتی که او در اثبات آن استفاده کرده‌است می‌گردد. مثلاً اگر در اثبات قضیه دو از قضیه یک استفاده شد با یک خط جهت دار آن دو را به هم متصل می‌کند. اگر برای کل ۴۶۵ قضیه‌ای که اقلیدس مطرح کرده‌است این روش را ادامه دهیم به گراف زیر خواهیم رسید.

اگر قضیه آخر کتاب او را در نظر بگیرید (که پر ارجاع‌ترین قضیه او هم هست) متوجه می‌شوید که برای اثبات آن باید بسیاری قضیه را اثبات کنیم. گراف زیر تمام قضایایی را که برای اثبات آن نیاز است به رنگ قرمز درآورده است. گویا برای اثبات هر قضیه نیازمند ترسیم یک گراف هستیم که با تعدادی اصول شروع می‌شود و از پس میان قضایای میانی در آخر به قضیه نهایی منجر می‌شود.

او پس از تصویر سازی‌هایی که انجام داده‌است و پیدا کردن یک الگوی کلی موفق شد که درستی گزاره‌های هندسی که حتی درون کتاب اقلیدس نیستند را نیز بررسی کند. به این ترتیب که اصول و فرض‌های اولیه هر قضیه را نقطه آغاز قرار داد و با الگویی که از کتاب اقلیدس فراگرفته بود تلاش کرد مسیر خود را تا مقصد نهایی که اثبات قضیه باشد ترسیم کند. به این ترتیب اثبات هر قضیه را به کمک یک گراف انجام داد. شما هم‌اکنون می‌تواند از ابزار ولفرم آلفا او استفاده کنید و درستی یک حکم را برای یک قضیه هندسی از او بپرسید. شکل زیر گراف محاسبه شده او از یک قضیه مثالی است.

اما امروز کمتر به مسائل هندسه دو بعدی علاقه‌مندیم. شاید تلاش تا به اینجای او برای حل مسائل هندسی خیلی قابل توجه نباشد اما او پس از موفقیت در هندسه به سراغ فیزیک و خانه اصلی خود بازگشت و چندی است که تلاش می‌کند گراف مشابهی را برای نظریات فیزیک رسم کند تا در کشف قوانین جدید از جمله بقیه فیزیکدانان سبقت بگیرد.

تا کنون او در ترسیم گرافی که بتواند برخی قوانین ساده فیزیک را نشان دهد موفق بوده‌است اما همچنان اسب او و گروهش از بقیه دانشمندان پیشی نگرفته‌است. اگر تلاش او برای شما جالب و خلاقانه آمده و می‌خواهید روی اسب او نیز شرط‌بندی کنید. توصیه می‌کنم به تارنمای پروژه فیزیک او نگاهی بیاندازید. گروه او تمام دستاوردهای خود را به صورت رایگان و لایه باز مرتباً منتشر می‌کنند.

این مطلب روایتی است از مطلب زیر:

https://writings.stephenwolfram.com/2020/09/the-empirical-metamathematics-of-euclid-and-beyond/

جایگاه علم داده در نجوم امروزی

بخش ششم از سری گفت‌وگوهای «پشت‌پرده نجوم»

«پشت‌پرده نجوم» عنوان یک سری از لایوهای اینستاگرامی هست که در آن با چند نفر از دانشجویان و اساتید دانشگاهی، درمورد تصویر درست علم نجوم و فرآیندها و اتفاقاتی که در عمل، در جامعه علمی در جریان است، گفت‌و‌گو شده و هم‌چنین کندوکاوی درمورد مسائل مهمی از قبیل روایتگری در علم و شبه‌علم داشته است.

امروزه با پیشرفت تکنولوژی، نقش داده‌ها در حوزه‌های مختلف علم، از‌جمله علم نجوم، بیش‌از‌پیش نمایان شده است. به‌نظر می‌رسد ابزار برنامه‌نویسی و شبیه‌سازی در آینده‌ای نزدیک، به یکی از مهارت‌های مهم و ضروری برای پژوهش در علم (نجوم) تبدیل شود؛ کما اینکه هم‌اکنون نیز تا حدی همین‌گونه است. در ششمین بخش از «پشت پرده علم» با علیرضا وفایی صدر، پژوهشگر فیزیک در مقطع پسا‌دکتری در IPM، در‌مورد جایگاه علم داده در نجوم امروزی گفت‌و‌گو کرده‌ایم. ویدیو و صوت این گفت‌وگو ضبط شده و در ادامه این متن می‌توانید آن را ببینید و بشنوید.

در علم نجوم امروزی، به‌دلیل ساخت تلسکوپ‌ها و آشکارساز‌های بزرگ متعدد ـ و ترکیب تلسکوپ‌های بزرگ با یکدیگر با استفاده از روش تداخل‌سنجی، برای ساخت تلسکوپ‌های مجازیِ حتی بزرگ‌تر ـ و هم‌چنین افزایش کیفیت و رزولوشن تصاویر دریافتی از آسمان، حجم داده‌ها بسیار افزایش پیدا کرده و کار با داده‌های کلان، به مسئله‌ای مهم تبدیل شده است. به‌عنوان مثال، برای ثبت اولین تصویر از یک سیاه‌چاله که سال پیش توسط تیم تلسکوپ افق رویداد منتشر شد، هشت آرایه‌ از تلسکوپ‌های رادیویی، حدود یک هفته رصد انجام دادند که منجر به دریافت داده‌ای با حجم حدود ۲۷ پتا‌بایت شد و کار انتقال، پاکسازی و تحلیل آن حدود ۲ سال طول کشید (برای اطلاعات بیشتر درمورد جزئیات ثبت این تصویر، این نوشته را بخوانید)! 

در گفت‌وگویمان با علیرضا وفایی‌صدر، به مسائل مختلفی در ‌زمینه نقش داده در نجوم پرداخته‌ایم؛ از جمله اینکه: چطور می‌توان داده‌های کلان را سرو‌سامان داد؟ ماشین‌‌ها (کامپیوترها) چه جنس کارهایی را در زمینه نجوم می‌توانند برای ما انجام دهند؟ همکاری‌های بین‌المللی چه نقشی در این زمینه دارند؟

بخش ششم «پشت‌ پرده نجوم»
ویدیوی گفت‌و‌گوی محمد‌مهدی موسوی (فیزیک‌پیشه) و علیرضا وفایی‌صدر (پژوهشگر فیزیک در مقطع پسادکتری در IPM) درمورد جایگاه علم داده در نجوم امروزی

به این گفت‌وگو گوش دهید:

فراز‌ و‌ فرودهای تاریخی علم نجوم

بخش اول از سری‌ گفت‌وگوهای «پشت‌پرده نجوم»

«پشت‌پرده نجوم» عنوان یک سری از لایوهای اینستاگرامی هست که در آن با چند نفر از دانشجویان و اساتید دانشگاهی، درمورد تصویر درست علم نجوم و فرآیندها و اتفاقاتی که در عمل، در جامعه علمی در جریان است، گفت‌و‌گو شده و هم‌چنین کندوکاوی درمورد مسائل مهمی از قبیل روایتگری در علم و شبه‌علم داشته است.

تاریخ همیشه عبرت‌آموز است! به‌ همین‌ خاطر، در اولین قسمت از برنامه‌ی «پشت‌پرده نجوم» با دکتر امیر‌محمد گمینی، عضو هیئت علمی پژوهشکده تاریخ علم دانشگاه تهران، در‌مورد علم نجوم در بستر تاریخ گفت‌وگو کردیم. ویدیوی این گفت‌و‌گو ضبط شده و در ادامه‌ این مطلب آمده است.

علم در طول تاریخ، فراز‌ و‌ فرود‌های زیادی داشته است. این تصور که بخواهیم تاریخ علم نجوم را تنها به نظرات انقلابی از قبیل: مدل زمین‌مرکزی بطلمیوسی و مدل خورشید‌مرکزی کپرنیکی، یا چند چهرهٔ سرشناس مانند گالیله و نیوتن تقلیل بدهیم، برداشت درستی نیست. 

در این گفت‌و‌گو به سؤالات زیادی در‌ رابطه با تصورات رایج در‌مورد تاریخ علم (به‌ویژه علم نجوم) پاسخ داده شده است؛ از جمله آن‌که: آیا در تمدن اسلامی، انقلاب علمی اتفاق افتاد؟ دانشمندان مسلمان چه نگاهی به مسئله علم و دین داشته‌اند؟ عوامل مؤثر در روابط انسانی و اجتماعی تا چه حد می‌توانند روی پیشرفت علم تأثیرگذار باشند؟

بخش اول «پشت‌ پرده نجوم»
ویدیوی گفت‌و‌گوی محمد‌مهدی موسوی (فیزیک‌پیشه) و دکتر گمینی (عضو هیات‌علمی پژوهشکده تاریخ علم دانشگاه تهران) درمورد فراز و فرودهای تاریخی علم نجوم

معرفی کتاب

در این گفت‌و‌گو دو کتاب معرفی شدند:

  • «دایره‌های مینایی»، نوشته دکتر امیر‌محمد گمینی، که می‌توانید آن را از اینجا تهیه کنید. معرفی اجمالی کتاب:
کتاب «دایره‌های مینایی، نوشته امیرمحمد گمینی

کیهان‌شناسیِ علمی از چه زمانی پا‌ گرفت و در یونان و تمدن اسلامی تا چه حد از روش تجربی و ریاضی استفاده می‌کرد و چقدر تحت تأثیر فلسفه طبیعی بود؟ منجمان تمدن اسلامی چه راهکارهایی را برای حل مشکلات علمی زمان خود پی گرفتند؟ برای پاسخ به سوالات و پرسش‌هایی دیگر درباره تحولات علمی و تبادل نظرهای رایج در نجوم تمدن اسلامی نیاز به پژوهش‌هایی مبتنی بر نسخ خطی به جا‌مانده و آخرین دستاوردهای مورّخان دانشگاهی علم قدیم است. این کتاب نتایج این پژوهش‌ها را در کنار پژوهش‌هایی جدیدتر برای متخصّصان و غیرمتخصّصان علاقه‌مند به رشته تاریخ علم معرفی می‌کند. مخاطب این کتاب افرادی هستند که به تاریخ تحولات علوم در گذشته‌های دور و نزدیک دلبسته‌اند یا می‌خواهند با دستاوردهای فکری و فرهنگی تمدن اسلامی در حوزه علم هیئت آشنا شوند.

  • «زندگینامه علمی دانشمندان اسلامی» که توسط جمعی از پژوهشگران نوشته شده و می‌توانید از اینجا آن را تهیه کنید. معرفی اجمالی این اثر دو‌جلدی:

«زندگینامه علمی دانشمندان اسلامی» بیان شرح احوال، آثار و آرای علمی ۱۲۶ نفر از دانشمندان اسلامی است که در ریاضیات و علوم وابسته به آن مانند نجوم، نورشناسی، موسیقی و علم‌الحیل و علوم‌طبیعی مانند فیزیک، شیمی، کیمیا، طب و زیست‌شناسی کار کرده‌اند.

کتاب «زندگینامه علمی دانشمندان اسلامی»،

همچنین احوال برخی از جغرافی‌دانان، تاریخ‌نویسان و بعضی از فلاسفه نیز بیشتر از باب حکمت ایشان، در این مجموعه آمده است. می توان گفت که زندگی و کار مهم‌ترین دانشمندان اسلامی در این مجموعه بررسی شده و برخی مقالات آن از لحاظ تفصیل و عمق و وسعت دامنة تحقیق، بی‌نظیر یا کم‌نظیرند.

دانشمندان اسلامی که احوالشان در این مجموعه آمده همه اسلامی‌اند. بی‌آنکه همه مسلمان باشند و همه ـ از ایرانی و عرب و مغربی و مسلمان و یهودی و مسیحی ـ در سایه درخت پربار تمدن اسلامی زیسته و کار کرده‌اند.

جلد اول این مجموعه، شامل مقالات حروف «الف» تا «ح» است. جلد دوم، علاوه بر بقیه مقالات، دارای یک فهرست راهنمای تفصیلی و واژه‌نامه‌ای مشتمل بر معادل‌های برخی واژه‌ها و توضیح برخی از اصطلاحات علمی خواهد بود، تا خوانندگانی که از این کتاب برای تحقیق در تاریخ علوم در اسلام یا در دروس مربوط به این موضوع استفاده می‌کنند، از آن بهتر بهره ببرند.

کلام پایانی

در پایان، شاید اشاره به این چند جمله از کارل سِیگِن در کتاب «جهان دیو‌زده» خالی از لطف نباشد:

«چالش بزرگ برای مروجان علم آن است که تاریخ واقعیِ پر‌ پیچ‌و‌خم اکتشافات بزرگش و سوءتفاهم‌ها و امتناع لجوجانه‌ی گاه‌و‌بیگاهِ دانشمندان از تغییر مسیر را شفاف کنند. بسیاری از ـ شاید اغلب ـ درسنامه‌های علمی که برای دانشجویان نوشته شده‌، نسبت به این مسئله با‌ بی‌توجهی عمل کرده‌اند. ارائه‌ی جذابِ معرفتی که عصاره‌ی قرن‌ها پرسش‌گریِ جمعیِ صبورانه درباره طبیعت بوده، بسیار راحت‌تر از بیان جزئیاتِ دستگاهِ درهم‌وبرهمِ عصاره‌گیری است. روش علم، با همان ظاهر ملال‌آور و گرفته‌اش، بسیار مهم‌تر از یافته‌های علم است.»

دینامیک: نیرو، حرکت و زمان

به تازگی کامنتی دریافت کردم که چندتا سوال ازم پرسیده بود. در این نوشته می‌خوام به این پرسش‌ها جواب بدم!

۱) زمان بر نیروی وزن اثر داره ؟ منظورم اینه وقتی زمان رو ثابت یکنیم یعنی اینکه تمام قوانین فیزیک رو با استفاده از زمان ثابت کنیم باز هم جسمی مثل لیوان به زمین برخورد میکنه اونم بر اثر نیروی گرانش یا نه؟(مثلا اگر تندی زمان رو زیاد کنیم جسمی مثل لیوان با تندی زیاد به زمین میرسه)
۲) چرا بعضی از پدیده ها در حال حرکت هستند؟ (مثل نور که وقتی لامپ رو روشن میکنیم بدون اینکه کاری بکنیم پرتوی نور خود به خود حرکت میکنه)
۳) آیا واقعا نور به دام سیاهچاله میفته ؟تا جایی که من میدونم انسان برای دیدن پدیده ها و اجسام ها به نور نیاز داره پس اگه نور از سیاهچله نمیتونه فرار کنه چطور دیدیمش؟(منظورم
عکسی که از سیاهچاله توی سال ۹۸ پارسال گرفتن)
۴) آیا نور تنها پدیده ایی هستش که سرعتی بسیار زیاد داره یا نه ؟
۵) نور ثابته ؟

۱) رابطه نیرو و زمان

قوانین نیوتون به ما میگه که اگه جسمی در حال حرکت باشه، تا زمانی که به اون جسم در کل نیرویی وارد نشه، جسم به حرکت خودش ادامه میده. اگر هم جسم از اول در حال حرکت نباشه، قاعدتا همون‌جایی که هست می‌مونه. مثل توپی که یه گوشه افتاده و تا زمانی که کسی بهش لگ نزنه از جاش تکون نمی‌خوره. منظور از «حرکت» هم تغییر موقعیت جسم با گذشت زمانه. یعنی هر بار که عقربه ساعت روی دست من تیک بزنه جسم از جایی به جای دیگه بره.

مسیر حرکت یک جسم در فضای ۳بعدی. هر نقطه از این مسیر را می‌توان با زمان نشانه‌گذاری کرد. به این معنی که بردار مکان $r$ در هر لحظه با مشخص کردن زمان به صورت یکتا مشخص خواهد شد.

در فیزیک نیوتونی اختیار تند و کند کردن گذر زمان دست ما نیست. یعنی ما نمی‌تونیم کاری کنیم که زمان سریع‌تر بگذره یا کندتر بگذره یا اینکه متوقف بشه! ولی می‌تونیم این ایده رو شبیه‌سازی کنیم. مثل زمانی که از چیزی فیلم گرفته باشیم و با سرعت‌های مختلف اونو پخش کنیم. می‌تونیم تندتند بزنیم جلو ببینم آخرش چی میشه یا اصلا متوقفش کنیم. برای همین، اگه بتونیم که زمان رو متوقف کنیم، اون موقع اتفاقی که می‌افته اینه که آخرین تصویری که از هر چیزی داریم، همون باقی می‌مونه. پس اگه سیبی در حال سقوط به زمینه، با متوقف کردن زمان بین زمین و آسمون می‌مونه. این به این معنی نیست که نیرویی وجود نداره! بلکه به این معنی هست که در یک لحظه خاص، ما فقط یک فریم از یک فیلم رو انتخاب کردیم و داریم اونو می‌بینیم و با راه انداختن دوباره زمان، می‌بینیم که سیب به سقوطش ادامه میده. یا اگه فرض کنیم که گذر زمان رو سریع‌تر کنیم اون موقع می‌بینیم که سیب زودتر به زمین می‌خوره. یا اگه زمان رو به عقب برگردونیم می‌بینم که سیب به جای زمین خوردن، هوا میره 🙂

توضیح‌ فنی‌تر:

اگر دینامیک توصیف‌کننده یک سیستم، توسط معادلات تعینی داده بشه،اون موقع خروجی مسئله، یک «مسیر» می‌تونه باشه. مسیر، یک «خم» در فضای مکانه که توسط زمان نشانه‌گذاری شده. با داشتن مسیر، می‌تونیم بدونیم که سرشت نهایی سیستم چیه. به عنوان مثال با حل مسئله گرانش عمومی نیوتون برای دو جسم، به یک مسیر بسته بیضی شکل برای یکی از اون دو جسم می‌رسیم. با تغییر زمان، از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگه‌ از اون مدار (مسیر بسته) هدایت میشیم.

قانون دوم نیوتون، $F=ma$ یا معادله اویلر-لاگرانژ $\frac{\partial L(x,\dot{x}; t)}{\partial x } = \frac{d}{dt}\frac{\partial L(x,\dot{x}; t)}{\partial \dot{x} }$ هر دو منجر به دسته‌ای از معادلات دیفرانسیل معروف به معادلات حرکت میشن. در این روش مدل‌سازی، حرکت سیستم شما تعینی هست و شما با دونستن اطلاعات در مورد حال، دقیقا می‌تونید بگید که چه اتفاقی در آینده می‌افته.

گاهی دینامیک توصیف کننده شما توسط معادلات غیر تعینی داده میشه، مثل زمانی که حرکت یک ولگرد (قدم زن تصادفی) یا یک فرایند تصادفی رو مدل می‌کنید. اون موقع برای شروع مسئله، با معادله «مادر» یا معادله فوکر-پلانک می‌تونید پیش‌ برید. در این حالت، مسئله شما دیگه تعینی نیست و پیش‌بینی آینده یا پیش‌بینی مسیر، با عدم قطعیت (یا به عبارتی خطا) همراه خواهد بود. مثلا برای یک ولگرد نمی‌تونید با قطعیت کامل بگید که در فلان لحظه کجاست!

۲) علت حرکت چیزها

چیزها حرکت می‌کنند چون که بهشون نیرو وارد میشه! زمین دور خورشید می‌چرخه چون از طرف خورشید بهش نیرو وارد میشه یا توپ فوتبال حرکت می‌کنه چون یکی بهش ضربه می‌زنه! در مورد نور لامپ هم این جوری نیست که ما «کاری نمی‌کنیم»! در حقیقت با زدن کلید برق، جریان الکتریکی به لامپ میرسه و توی لامپ انرژی الکتریکی تبدیل به انرژی روشنایی میشه. یعنی همون‌جور که فوتبالیست به توپ ضربه می‌زنه و توپ حرکت می‌کنه، رسیدن جریان الکتریکی به لامپ‌ هم سبب ضربه زدن به نور میشه که به مسیرهای مختلف حرکت کنه. به این پدیده در فیزیک، تابش الکترومغناطیسی گفته میشه. به عبارت فنی‌تر، میدان الکتریکی اعمال شده توسط جریان خارجی (برق) سبب برانگیختگی ماده‌ای مثل تنگستن یا گاز خاصی مثل نئون میشه. برانگیختگی یعنی الکترون‌های که توی اتم‌های تشکیل دهنده اون مواد هستند از یک سطح انرژی به سطح بالاتری می‌رن (مثل وقتی که از پله‌های سرسره بالا میرین). اون موقع وقتی الکترون‌ها از یک سطح با انرژی بالاتر به سطی با انرژی پایین‌تر میان (مثل وقتی از سرسره پایین میاین)، اندازه اختلاف انرژی این دو سطح، از خودشون موج الکترومغناطیس یا ذرات نور منتشر می‌کنند!

این ویدیو رو ببینید:

۳) نور به دام سیاه‌چاله می‌افته؟

در مورد داستان سیاه‌چاله‌ها و اینکه چه‌طور از یک سیاه‌چاله میشه تصویر برداری کرد مفصل نوشتیم قبلا! این نوشته رو بخونید: قیام علیه سیاهی! به طور خلاصه، سیاه‌چاله‌ها اجسام بسیار بسیار سنگینی هستند که حتی بر حرکت نور هم اثر می‌ذارن. در مورد تصاویر منسوب به سیاه‌چاله‌ها هم، در حقیقت نوری که توی تصویر می‌بینیم دقیقا خود سیاهچاله نیست! یه سری موادی هستند که توی یه دیسک (شبیه حلقه‌های زحل) اطراف سیاهچاله دارن میچرخن و چون خیلی داغ هستن از خودشون نور تابش می‌کنن (درست شبیه به همون لامپ!). درواقع ما نور این موادی که در اطراف سیاهچاله وجود دارند و تونستن قسر دربرن و به چشم ما برسن رو می‌بینیم. تصویر ثبت شده، به خاطر اون نورها هست!

کمی توضیح فنی‌تر: ناحیه‌ای هست به‌اسم کره فوتونی که نزدیکترین مدار به افق رویداد که فوتون‌ها می‌تونن توی یه مدار پایدار دور سیاهچاله بچرخن. نزدیک‌تر از اون دیگه تقریبا فوتون شانسی برای برگشت نداره!

نمودار شماتیک از یک سیاه‌چاله شوارتزشیلد. نگاه کنید به نوشته «قیام علیه سیاهی»

۴) آیا نور فقط سرعتش زیاده؟

نه! هر چیزی می‌تونه خیلی سریع حرکت کنه. محدودیتی در اصول نداریم. مثلا در آزمایش‌های مختلف فیزیکی، نوترون‌ها، الکترون‌ها یا پروتون‌ها رو با سرعت‌های خیلی زیاد به حرکت در میارن. یکی از جاهایی که مثلا پروتون‌ها رو تا سرعت‌های نزدیک به سرعت نور به حرکت در میارن آزمایشگاه سرن هست.

۵) آیا نور ثابته؟!

سوال رو درست متوجه نشدم! اگر منظور سرعت حرکت نوره، بله سرعت حرکت نور در هر محیط ثابته ولی موقعی که از محیطی به محیط دیگه میره تغییر میکنه. مثلا سرعت نور در هوا یک چیزه و در آب یک چیز دیگه‌ است. طبق نسبیت اینشتین، نور بیشترین سرعت در حرکت رو داره.