آیا زمین در یک چاله فضا-زمان واقع شده است؟

تمام تارها را می‌توان به عنوان راه حل‌هایی برای معادلات نظریه‌های ابرگرانش در ۱۰ یا ۱۱ بعد در نظر گرفت. هر چند که ابعاد ۱۰ گانه یا ۱۱ گانه با فضا زمانی که درک می‌کنیم، چندان شباهتی ندارد؛ اما در توجیه این نکته گفته می‌شود که ۶ یا ۷ بعد دیگر چنان پیچ خورده و کوچک شده‌اند که متوجه وجود آنها نمی‌شویم و فقط ۳ بعد باقیمانده را که بزرگ و تقریباً مسطح هستند، درک می‌کنیم.
لازم است یادآور شوم که شخصاً از پذیرفتن ابعاد بالاتر چندان خرسند نبوده‌ام. اما از آنجا که اثبات‌گرا هستم، پرسش «آیا ابعاد بالاتر واقعاً وجود دارند؟» بی‌معنی است. فقط می‌توان پرسید آیا مدل‌های ریاضیاتی با ابعاد بالاتر توصیف مناسبی از جهان ارائه می‌دهد یا خیر. ما تاکنون مشاهداتی نداشتیم که برای تفسیر آنها به وجود ابعاد بالاتر نیازی باشد. با این همه این احتمال وجود دارد که این ابعاد را در برخورد دهنده بزرگ هادرون که در ژنو قرار دارد، مشاهده کنیم. اما آنچه که بسیاری از افراد و از جمله مرا متقاعد ساخته است که مدل‌های با ابعاد بالاتر را جدی تلقی کنند، آن است که شبکه‌ای از ارتباط‌های غیرمنتظره که دوگانگی نامیده می‌شود، در این مدل‌ها وجود دارد. این دوگانگی‌ها نشان می‌دهد که مدل‌ها اصولاً معادل یکدیگرند، به عبارت دیگر این مدل‌ها جنبه‌های مختلف یک نظریه بنیادی هستند، که نظریه ام-تئوری نام گرفته است.
اگر وجود این شبکه از دو گانگی‌ها را نشانه‌ای از حرکت در مسیر صحیح ندانیم، تقریباً مثل آن است که فکر کنیم خداوند فسیل ها را در صخره‌ها قرار داده است تا داروین در مورد تکامل حیات گمراه شود. این دوگانگی‌ها نشان می‌دهد که ۵ نظریه ابرتار مبانی فیزیکی یکسانی را بیان می‌کند و از لحاظ فیزیکی معادل ابرگرانش است. نمی‌توان گفت که ابر تارها بنیادی‌تر از گرانش است یا برعکس، ابر گرانش بنیادی‌تر از ابرتار. بلکه این نظریه‌ها بیان‌های متفاوتی از یک نظریه بنیادی است که هرکدام از آنها برای محاسبه در موقعیت‌های مختلف مفید واقع می‌شوند. نظریه‌های تار برای محاسبه حوادثی که هنگام برخورد چند ذره با انرژی بالا و تفرق آنها روی می‌دهد، مناسب است زیرا فاقد بی‌نهایت‌ها است. با این همه این نظریه برای توصیف چگونگی تابدار شدن جهان به وسیله انرژی تعداد زیادی ذره یا تشکیل حالت محدود مثل سیاهچاله فایده چندانی ندارد. برای چنین وضعیت‌هایی به ابر گرانش نیاز است که اصولاً از نظریه فضا زمان خمیده اینشتین همراه با بعضی موضوع‌های دیگر تشکیل شده است. این تصویری از عمده مطالبی است که پس از این در مورد آنها صحبت خواهم کرد.
مناسب است برای تشریح اینکه چگونه تئوری کوآنتوم به زمان و فضا شکل می‌دهد، ایده زمان موهومی را بیان کنیم. شاید به نظر برسد زمان موهومی برگرفته از داستان‌های علمی تخیلی باشد، اما زمان موهومی در ریاضیات مفهومی کاملاً تعریف شده است: زمان موهومی زمانی است که با اعداد موهومی سنجش می‌شود. می‌توان اعداد حقیقی معمولی همانند ۱، ۲، ۵/۳- و غیره را به صورت مکانشان روی خطی که از چپ به راست امتداد دارد در نظر گرفت: صفر در وسط خط، اعداد حقیقی مثبت در سمت راست و اعداد منفی حقیقی در سمت چپ قرار دارند.
اعداد موهومی را می‌توان به صورت مکانشان روی خط عمود در نظر گرفت: صفر باز هم در وسط خط قرار دارد، اعداد موهومی مثبت رو به بالا و اعداد موهومی منفی رو به پایین ترسیم می‌شود. بنابراین اعداد موهومی را می‌توان به صورت نوع جدیدی از اعداد، عمود بر اعداد حقیقی معمولی در نظر گرفت. از آنجایی که این اعداد ساختاری ریاضیاتی هستند لازم نیست که به طور فیزیکی تحقق یابند، هیچکس نمی‌تواند به تعداد عدد موهومی پرتقال داشته باشد یا صاحب یک کارت اعتباری با صورت حساب اعداد موهومی باشد.
ممکن است کسی فکر کند که این گفته‌ها به این معنی است که اعداد موهومی فقط یک بازی ریاضی است که با دنیای واقعی کاری ندارد. با این همه از دیدگاه فلسفه اثبات‌گرا نمی‌توان تعیین کرد که چه چیزی واقعی است. تنها کاری که می‌توانیم انجام دهیم این است که دریابیم کدام مدل‌های ریاضی جهانی را که در آن زندگی می‌کنیم، توصیف می‌کند. معلوم می‌شود که مدل ریاضیاتی شامل زمان موهومی نه تنها آثاری را که پیش از این مشاهده کردیم، پیش گویی می‌کند، بلکه آثاری را پیش گویی می‌کند که تاکنون نتوانسته‌ایم اندازه گیری کنیم، ولی به دلایل دیگر، آنها را باور داشتیم. پس چه چیز واقعی و چه چیز موهومی است؟ آیا این دو فقط در ذهن ما متمایز از یکدیگرند؟
نظریه نسبیت عام کلاسیک (یعنی غیر کوآنتومی) اینشتین زمان واقعی را با سه بعد دیگر فضا ادغام می کند تا فضا زمان چهار بعدی را به وجود آورد. اما جهت زمان واقعی با سه جهت دیگر زمان تفاوت داشت؛ خط جهانی یا تاریخ یک ناظر در زمان واقعی همیشه افزایش می‌یابد (به عبارت دیگر زمان همیشه از گذشته به سوی آینده حرکت می‌کند.) ولی سه بعد دیگر فضا هم می‌توانند کاهش یابند و هم افزایش به عبارت دیگر می‌توان در فضا تغییر جهت داد اما نمی‌توان در خلاف جهت زمان حرکت کرد.
از طرف دیگر، از آنجایی که زمان موهومی عمود بر زمان واقعی است، همانند جهت فضایی چهارم رفتار می‌کند و بنابراین زمان موهومی می‌تواند شامل احتمال‌هایی بیش از مسیر راه آهن زمان واقعی باشد که دارای آغاز و پایان است یا روی یک مسیر بسته حرکت می‌کند. با توجه به این مفهوم موهومی است که می‌گوییم زمان دارای شکل است.
● آیا زمین در یک چاله فضا-زمان واقع شده است؟
به زودی جواب را به دست خواهیم آورد: آزمایش فیزیکی مشترکی بین سازمان فضایی آمریکا(ناسا) و دانشگاه استنفورد ، به نام "گرانش کاو B" اخیرا به نخستین نتایج رسیده است. اکنون اولین سال جمع‌آوری اطلاعات این ماهواره در مدار زمین به پایان رسیده است. نتایج‌، که تجزیه و تحلیل آنها یک سال دیگر طول خواهد کشید، شکل انحنای فضا-زمان را در نزدیکی زمین مشخص خواهد کرد.
زمان و فضا –بر طبق نظریه نسبیت اینشتین –به یکدیگر بافته شده اند و ساختار تار و پودی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده اند.جرم قابل توجه زمین ، این ساختار را به شکل یک گودی در می آورد.مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگیهای فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف اجرام بسیار پر جرم تر و فشرده تری مانند سیاهچاله ها، ستاره های نوترونی، و کوتوله های سفید سراغ داریم اما اگر با دقت کافی محیط اطراف اجرام بسیار کم جرم تری مانند زمین را نیز بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم زمین را می توانیم بیابیم).
بر طبق نظریه نسبیت عام اینشتین ، حرکت اجسام در ساختار تار و پودی فضا-زمان صورت می گیرد. یعنی جسم در حال حرکت تابع شکل فضا-زمانی است که در آن واقع شده است. بر اساس این نظریه، گرانش باعث تغییر شکل ساختار فضا-زمان می شود و در نتیجه حرکت جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می کند. می توان گفت که به زبان اینشتین گرانش در اصل حرکت اجسام در مسیر خمیدگی ساختار فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم است. یعنی وقتی زمین ر مداری به دور خورشید در گردش است از دید نسبیتی به دلیل انحنای فضا-زمان اطراف خورشید در این مسیر هدایت می شود.
اگر زمین ثابت بود، ضرورتی برای انجام این کاوش نبود، ولی از آنجا که زمین به دور خود حرکت دورانی دارد ، این خمیدگی نیز باید همراه با زمین بچرخد.زمین با پیچ و تاب دادن ساختار فضا-زمان به دور خود به آرامی آن را به صورت یک ساختار چرخشی ۴ بعدی در می آورد.این همان چیزی است که ماهواره گرانش کاو یا GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.
این آزمایش براساس فکر بسیار ساده ای انجام می شود: یک ژیروسکوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداری در نزدیکی زمین قرار می دهند ، در حالی که محور چرخش آن به سمت یک ستاره بسیار دور -در نقش یک مرجع ثابت و بدون حرکت- نشانه رفته است. بدون وجود نیروهای خارجی، محور ژیروسکوپ باید تا ابد به سمت همان ستاره ثابت بماند.ولی چون فضا-زمان در نزدیکی زمین خمیده است، جهت محور ژیروسکوپ به مرور زمان تغییر می کند.با اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات جهت محور ژیروسکوپ نسبت به ستاره، می توان میزان خمیدگی فضا-زمان را در نزدیکی زمین اندازه گرفت.
اما در عمل این آزمایش بسیار دشوار است: ۴ ژیروسکوپی که در GP-B کار گذاشته شده اند، کامل ترین کره هایی هستند که تا به حال به دست بشر ساخته شده اند.این کره ها که هر کدام به اندازه یک توپ پینگ پونگ اند (به قطر حدود ۴ سانتی متر)، از جنس سیلیکون و کوارتز هستند. هیچ گاه اختلاف آنها با یک کره کامل بیش از ۴۰ لایه اتمی نیست. اگر ژیروسکوپ ها کاملا کروی نبودند، محور چرخش آنها حتی بدون اثرات نسبیتی ‌، حرکت می کرد.
بر طبق محاسبات فضا-زمان انحنا پیدا کرده در نزدیکی زمین باعث می شود تا محور ژیروسکوپ در طول یک سال به اندازه ی ۰۴۱/۰ ثانیه قوس جابه جا شود. یک ثانیه قوس ۳۶۰۰/۱ یک درجه است. برای اندازه گیری دقیق این زاویه، GP-B به دقت سنجش فوق العاده ۰۰۰۵/۰ ثانیه قوس نیاز دارد.این عمل مانند آن است که بخواهیم قطر یک ورق کاغذ را از فاصله‌ی ۱۵۰ کیلومتری اندازه بگیریم.
محققان GP-B فناوری های کاملا جدیدی را برای این اندازه گیری اختراع کرده اند. آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا “بدون لرزش” ساخته اند تا در هنگام حرکت ماهواره در لایه های بالایی جو به ژیروسکوپ ها لرزشی وارد نشود. آنها دریافتند که چگونه از نفوذ میدان مغناطیسی زمین به داخل فضاپیما جلوگیری کنند و همچنین دستگاهی را برای اندازه گیری چرخش ژیروسکوپ ، بدون تماس با آن، اختراع کردند.
فرانسیس اوریت ، استاد فیزیک دانشگاه استنفورد و محقق اصلی پروژه GP-B می گوید: “در جریان انجام آزمایش هیچ حادثه غافلگیر کننده ای اتفاق نیفتاده است.” اکنون که مرحله جمع آوری اطلاعات پایان یافته است ، او می گوید : “دانشمندان GP-B با اشتیاق و علاقه بیشتری به کار خود ادامه می دهند و کار سخت پیش روی خود را نادیده نمی گیرند.”
در مرحله بعدی آنها باید اطلاعات گرفته شده را به طور دقیق و کامل بررسی کنند.اوریت توضیح می دهد که دانشمندان GP-B این کار را در سه مرحله انجام می دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را به صورت روز به روز بررسی می کنند تا بی نظمی های موجود در آنها را بیابند. سپس اطلاعات را به صورت ماه به ماه در می آورند و در نهایت آنها را به صورت یک مجموعه کامل به دست آمده در طول یک سال، تحلیل می کنند. بدین ترتیب دانشمندان ایرادات موجود در اطلاعات را ، که از طریق یک روش تجزیه و تحلیل ساده نمی توان پیدا کرد، می یابند.
نهایتا دانشمندان از سراسر دنیا نتایج را به دقت بررسی می کنند.اوریت می گوید: “بدین طریق به سخت ترین منتقدان، اجازه شرکت در این پروژه داده می شود.” اگر GP-B بتواند به طور دقیق چاله فضا-زمانی را که انتظار می رود مشخص کند، بدین معنی است که بر اساس باور عمومی فیزیکدانان نظریه اینشتین حقیقت داشته است ولی اگر این گونه نشود، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟ شاید ایرادی در نظریه نسبیت عام اینشتین یافته شود. اختلاف کوچکی که ظهور انقلابی بزرگ را در فیزیک عصر جدید اعلام خواهد کرد.