به قسمت نهم مجموعه مقالات گذری بر فیزیک کوانتوم خوش آمدید. در این قسمت موضوعات مربوط‌به قسمت قبل را ادامه می‌دهیم و به بررسی یکی از جذاب‌ترین مباحث حال حاضر دنیا یعنی سفر در زمان و ورود به ابعاد بالاتر می‌‌پردازیم. شاید بی‌راه نباشد اگر بگویم، این مقاله عجیب و غریب‌ترین و در عین حال جذاب‌ترین قسمت مجموعه مقالات گذری بر فیزیک کوانتوم است! در این قسمت تقریبا به بررسی تمام مباحث ماورایی که تا به حال شنیده‌اید، از سفر در زمان و ورود به ابعاد بالاتر گرفته، تا بررسی بسیاری از رمان‌ها و فیلم‌های سینمای علمی-تخیلی همه و همه در این قسمت گنجانده شده‌اند. در مباحث آخر نیز گذری به نظریه‌ی ریسمان‌ها، به‌خصوص نظریه‌ی M یا نظریه‌ی همه چیز داریم و جهان هولوگرافیک را به‌طور مختصر بررسی می‌کنیم. همه چیز آماده شده است، پس هرچه سریع‌تر به سراغ مباحث برویم!

این مقاله نزدیک به ۱۹هزار کلمه مطلب دارد و برای آن که راحت‌تر مطالعه شود به ۴ قسمت تقسیم شده است و در ابتدای مقاله فهرست آن قرار داده شده است. بدیهی است که این جنس مقالات با اخبار روزانه تفات ساختاری فاحشی دارند و هدف آن‌ها افزایش دانش، بینش و سواد حقیقی شما است. بنابراین اگر تمایل به خواندن آن دارید، حتما آن را ذخیره کنید و در طول مدت زمان حداقل ۴ روز مطالعه کنید. به مانند قسمت‌های قبلی، تمامی سعی نگارنده بر این بوده است، که مطالب به زبانی ساده و گیرا بیان شود و با بررسی، جمع‌آوری و مطالعه‌ی چندین کتاب سعی شده است، تا بر این اصل مهم خود وفادار بمانیم. بااین‌حال ممکن است، در بخش‌هایی از این مقاله هضم مطالب برای شما سخت باشد، این اتفاق طبیعی است و شاید لازم باشد بگویم که رخ دادن این حالت، پدیده‌ای خوشایند است! چرا که نشان می‌دهد، ذهن شما به درستی روند فهم مفاهیم را آغاز کرده است. پس اگر در جایی از مقاله به مفهوم سختی برخورد کردید، اصلا نگران نشوید و با خونسردی مطالعه‌ی مقاله را ادامه دهید و به ذهن خود اجازه‌ی کندوکاو دهید. خواهید دید که در روزهای آتی، ایده‌های بزرگی  در ذهن شما جرقه خواهد خورد!

دروازه‌های ورود به ابعاد بالاتر و سفر در زمان

نسبیت عام، به اسب چوبی تروآ شباهت دارد. در ظاهر، این نظریه فوق‌العاده است، چرا که با در نظرگرفتن تنها چند فرض ساده، می‌توان ویژگی‌های کلی کیهان، شامل خمیدگی نور ستارگان و انفجار بزرگ را با دقت تحسین برانگیزی به دست آورد. حتی می‌توان با اعمال یک ثابت کیهان شناسی به جهان اولیه، تورم را نیز در این نظریه جا داد. بنابراین، می‌توان گفت جواب‌های معادلات اینشتین، قطعی‌ترین توصیف از تولد و مرگ جهان را به ما ارائه می‌دهند.

هنگامی که پرده از محتویات این اسب افسانه‌ای برداشته می‌شود، انواع موجودات عجیب الخلقه آشکار می‌گردند؛ سیاه چاله‌ها، سفید چاله‌ها، کرم چاله‌ها و حتی ماشین‌های زمان، که وجود هیچ کدام از نظر عقلی باورپذیر نیست. این عجایب، چنان نامانوس هستند، که حتی خود اینشتین نیز تصور می‌کرد هیچ کدام از آن‌ها هرگز در طبیعت یافت نخواهند شد!

او سال‌های زیادی، مصرانه با جواب‌های عجیب معادلات خود مبارزه کرد. امروزه می‌دانیم که نمی‌توان این مفاهیم را على رغم غير متعارف بودنشان، به‌ سادگی نادیده گرفت. آن‌ها جزء لاینفک نسبیت عام محسوب می‌شوند و درحقیقت ممکن است، همین پاسخ‌ها بتوانند راه نجات موجودات هوشمندی باشند، که روزی با انجماد بزرگ مواجه می‌شوند.

شاید بتوان گفت؛ عجیب‌ترین این عجایب، احتمال وجود جهان‌های موازی و دروازه‌هایی است، که آن‌ها را به یکدیگر متصل می‌کنند. نمایش زندگی را شامل صحنه‌هایی با چندین داستان مختلف در نظر بگیرید، طوری که یکی روی دیگری قرار داشته باشد. در هر صحنه، بازیگر با این تصور که صحنه نمایش او تنها صحنه موجود است، متن‌های مربوط‌به خود را خوانده و بدون اطلاع از احتمال وجود صحنه‌های دیگر، به ایفای نقش می‌پردازد. اما اگر یک روز بازیگری تصادفا به درون یکی از این دریچه‌ها سقوط کند، خود را درون یک صحنه کاملا جدید، با قوانین و مقررات و متن‌های جدید خواهد یافت!

اگر واقعا تعداد جهان‌های موجود نامحدود باشد، آیا در تمام این جهان‌ها با قوانین فیزیکی مختلف، امکان حیات وجود خواهد داشت؟

این همان سوالی است که ایزاک آسیموف در داستان علمی-تخیلی خود به نام خود خدایان مطرح کرد. ایزاک آسیموف در این داستان، جهانی موازی را به تصویر کشید که قوانین هسته‌ای موجود در آن، با آنچه بر جهان ما حکمفرما است، تفاوت دارند. زمانی‌که قوانین معمولی فیزیک منسوخ و به‌جای آن‌ها قوانین جدیدی حاکم شوند، وقایع مهیجی امکان وقوع می‌یابند.

نگاهی گذرا به کتاب آسیموف می‌اندازیم؛

داستان در سال ۲۰۷۰ رخ می‌دهد. زمانی‌که دانشمندی با نام فردریک هالام مشاهده می‌کند، که عنصر معمولی تنگستن-۱۸۶، به‌طور مرموزی به پلوتونیم-۱۸۶ تبدیل می‌شود. پلوتونیم-۱۸۶، پروتون‌های بسیار زیادی داشته و به همین دلیل ناپایدار است. هالام پی می‌برد، که این پلوتونیم-۱۸۶متعلق به جهان ما نیست و از جهانی موازی آمده است، که در آن نیروی هسته‌ای بسیار قوی‌تر است و به همین دلیل این نیرو بر نیروی دافعه‌ی پروتون‌ها غلبه کرده است. از آنجا که این پلوتونیم-۱۸۶ عجیب مقادیر زیادی انرژی به شکل الكترون منتشر می‌کرد، می‌توانست تحت کنترل در آید، تا مقادیر شگفت‌آوری انرژی تولید کند. به این ترتیب، پمپ الکترون هالام، به منظور برطرف کردن بحران انرژی در کره زمین، ساخته می‌شود و این ابتکار عمل، او را به مردی ثروتمند تبدیل می‌کند. اما نکته‌ی داستان اینجا است، که بهای این انرژی مجانی باید به‌نوعی پرداخت شود. اگر به اندازه کافی پلوتونیم-۱۸۶ به جهان ما وارد شود، آن گاه بر قدرت نیروی هسته‌ای به‌طور کلی افزوده خواهد شد. این یعنی انرژی بیشتری از فرایند هم‌جوشی آزاد خواهد شد و درنهایت خورشید درخشان‌تر شده و پس از انفجار آن، کل سیستم منظومه شمسی از بین خواهد رفت!

هم زمان، تاثیر چنین مبادله‌ای بر ساکنین دنیای موازی متفاوت است. نیروی هسته‌ای در جهان آن‌ها کاملا قوی است. به این معنی که ستارگان دنیای آن‌ها، هیدروژن را با سرعت بسیار بالایی مصرف کرده و به‌زودی خواهند مُرد. آن‌ها معاوضه‌ای را ترتیب داده‌اند که در آن پلوتونیم-۱۸۶ بلااستفاده را به دنیای ما فرستاده و در عوض تنگستن-۱۸۶ ارزشمند را می‌گیرند. به این ترتیب آن‌ها توانسته‌اند پمپ پوزیترون بسازند و در نتیجه دنیای رو به مرگ خود را نجات دهند. با اینکه آن‌ها می‌دانند با افزایش قدرت نیروی هسته‌ای در جهان ما ستارگان منفجر می‌شوند، ولی اهمیتی نمی دهند!

به نظر می‌رسد زمین با فاجعه‌ای روبروست. انسان‌ها به انرژی مجانی هالام عادت کرده‌اند و از پذیرفتن انفجار قریب‌ الوقوع خورشید، سر باز می‌زنند. دانشمند دیگری، روشی خلاقانه برای حل این مسئله حیاتی ارائه می‌دهد. از نظر او، حتما جهان‌های موازی دیگری نیز وجود دارند. او با ساخت یک اتم شکن، موفق می‌شود روزنه‌ای در فضا ایجاد کرده و جهان ما را به تعداد زیادی جهان دیگر متصل کند. با جست‌وجو در میان این جهان‌ها، موفق می‌شود جهانی را بیابد، که خالی از سکنه است و تنها تخم کیهانی در آن وجود دارد، که حاوی مقادیر نامحدودی انرژی، ولی با نیروی هسته‌ای ضعیف‌تر است!

با استخراج انرژی از این تخم کیهانی، پمپ انرژی جدیدی ساخته می‌شود و همزمان نیروی هسته‌ای را در جهان ما تضعیف کند. به این ترتیب خورشید از انفجار باز داشته خواهد شد. به هر حال، این بار نیز باید بهای آن پرداخت شود. در این جهان موازی جدید، قدرت نیروی هسته‌ای افزایش خواهد یافت، که موجب انفجار آن خواهد شد. اما به نظر مرد دانشمند، این انفجار صرفا باعث می‌شود که تخم کیهانی بشکند و در نتیجه انفجار بزرگ جدیدی رخ دهد. به بیان دیگر نقش او در مقابل این جهان جدید، همانند یک قابله است...!

داستان علمی-تخیلی آسیموف، یکی از معدود مواردی است که در حقیقت از قوانین فیزیک هسته‌ای استفاده می‌کند، تا طمع، توطئه و رستگاری را در روایتی داستانی به هم پیوند زند. تصور آسیموف مبنی بر اینکه تغییر در قدرت نیروها در جهان ما نتایج فاجعه باری به‌ دنبال خواهد داشت، کاملا درست است!

در صورت افزایش نیروی هسته‌ای، درخشش ستارگان جهان ما بیشتر شده و درنهایت منفجر خواهند شد، حال ناگزیر این سؤال پیش می‌آید؛

آیا جهان‌های موازی با قوانین فیزیک سازگارند؟ و اگر چنین است برای ورود به یکی از این جهان‌ها به چه چیزی نیاز است؟

برای پاسخ به این سوالات، ناچاریم نخست طبیعت مفاهیمی چون کرم چاله‌ها، انرژی منفی و البته اجرامی مرموز به نام سیاه چاله‌ها را درک کنیم.

سیاه چاله‌

در سال سال ۱۷۸۳، ستاره شناسی بریتانیایی به نام، جان میشل، نخستین کسی بود که این سؤال برایش مطرح شد؛

اگر ستاره‌ای به اندازه‌ای سنگین باشد، که حتی نور نیز نتواند از آن بگریزد، چه اتفاقی خواهد افتاد؟

او می‌دانست که هر جرمی دارای یک سرعت گریز است. سرعت گریز، سرعتی است که جسم لازم دارد تا بتواند از نیروی گرانش بگریزد. (به‌طور مثال برای کره زمین، سرعت گريز حدود ۴۰۰۰۰ کیلومتر بر ساعت است؛ سرعتی که هر پرتابه‌ای، برای گریختن از گرانش زمین باید به آن دست یابد)

میشل از خود پرسید، اگر ستاره‌ای چنان سنگین باشد، که سرعت گریز آن با سرعت نور برابر شود، چه اتفاقی می‌افتد؟ در این حالت، نیروی گرانش چنان عظیم خواهد بود، که هیچ چیز نمی‌تواند از آن بگریزد، حتی خود نور و در نتیجه این جرم از دید دنیای خارج سیاه دیده می‌شود. یافتن چنین جرمی در فضا به‌نوعی غیر ممکن است، زیرا چنین جرمی قابل رویت نیست!

درگیری ذهنی میشل در مورد ستاره‌های تاریک، به مدت یک و نیم قرن به فراموشی سپرده شد. اما این مسئله مجددا در سال ۱۹۱۶ مورد بررسی قرار گرفت؛ زمانی‌که کارل شوارتسشیلد، فیزیکدان آلمانی که در ارتش آلمان در جبهه روسیه خدمت می‌کرد، جواب دقیق معادلات اینشتین را برای ستاره‌ای غول پیکر یافت. حتی امروزه نیز راه حلی که شوارتسشیلد برای معادلات اینشتین به دست آورد، ساده‌ترین و ظریف‌ترین جواب یافت شده، محسوب می‌شود. اینشتین از این متحیر بود، که چگونه شوارتسشیلد توانسته بود، زیر حملات پی در پی توپخانه، پاسخی برای این معادلات تانسوری پیچیده بیابد! همچنین، ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد پاسخ شوارتسشیلد، اینشتین را تحت تاثیر قرار داده بود.

در نگاه اول، راه‌حل شوارتسشیلد می‌توانست، توصیف گرانش ستاره‌ای معمولی باشد، اینشتین به سرعت از این راه‌حل استفاده کرد، تا گرانش اطراف خورشید را محاسبه و یافته‌های تقریبی قبلی خود را بازبینی کند، به همین دلیل، او تا ابد مدیون شوارتسشیلد بود! اما شوارتسشیلد در مقاله‌ی دوم خود نشان داد که در اطراف یک ستاره غول پیکر، یک کره جادویی تخیلی با ویژگی‌های عجیب و نامانوس وجود دارد. این کره‌ی جادویی درواقع مرزی است، که پس از عبور از آن بازگشتی وجود ندارد. هرکس که از این کره جادویی عبور کند، سریعا ازطریق گرانش به درون ستاره کشیده می‌شود و دیگر هرگز دیده نخواهد شد. حتی نور هم توان گریز از آن را ندارد. شوارتسشیلد متوجه نشد چیزی که او ازطریق معادلات اینشتین یافته بود، همان ستاره تاریک میشل است!

در مرحله بعد، او قطر این کره جادویی را (که قطر شوارتسشیلد نام دارد) محاسبه کرد. برای جرمی به ابعاد خورشیدی که ما می‌شناسیم، قطر جادویی در حدود ۳ کیلومتر است. برای کره زمین، قطر شوارتسشیلد در حدود ۱ سانتی‌متر است. یعنی اگر بتوان خورشید را تا قطر ۳ کیلومتر فشرده کرد، آن گاه به یک ستاره تاریک بدل می‌شود و هر جسمی را که از این مرز بدون بازگشت عبور کند، در خود می‌بلعد!

از دیدگاه تجربی، وجود این کره جادویی مشکلی ایجاد نمی‌کرد، زیرا فشرده کردن خورشید، تا قطر ۳ کیلومتر، غیرممکن بود. برای ایجاد چنین ستاره خارق‌العاده‌ای، مکانیزم شناخته شده‌ای وجود نداشت. ولی به لحاظ نظری، این یک فاجعه بود! نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین گرچه نتایجی واضح و روشن، مثلا در مورد خمیدگی نور ستارگان در اطراف خورشید، ارائه می‌کرد، اما با نزدیک شدن به خود کره جادویی، جایی که گرانش نامحدود می‌شود، نظریه دیگر معنی نداشت!

فیزیکدان هلندی، به نام یوهانس دروست، بی‌معنی بودن این پاسخ را بیش‌ از پیش آشکار کرد. براساس نسبیت عام، زمانی‌که پرتوهای نور اطراف جرمی چگال حرکت کنند، به‌شدت خمیده می‌شوند. او نشان داد که در فاصله‌ی ۱/۵ برابر قطر شوارتسشیلد، پرتوهای نوری در دایره‌هایی به دور ستاره می‌چرخند. دروست نشان داد، که اطراف ستارگان غول پیکر، انحنای زمان ناشی از نسبیت عام، بسیار شدیدتر از آنچه بود که در نسبیت خاص رخ می‌داد. او نشان داد که با نزدیک شدن شما به این کره جادویی، ناظر دوردست مشاهده می‌کند که ساعت شما کندتر و کندتر می‌شود تا اینکه موقع عبور از مرز، کاملا از حرکت می‌ایستد. در حقیقت از دید ناظری در بیرون، زمان برای شما، با رسیدن به کره جادویی، متوقف می‌شود. از آنجا که خود زمان نیز در این نقطه متوقف می‌شود، برخی فیزیکدانان عقیده داشتند که چنین شیء نامانوسی نمی‌تواند در طبیعت وجود داشته باشد. در ادامه‌ی این ماجرا، ریاضیدانی به نام هرمن ویلنشان داد، اگر کسی وارد جهان درون کره جادویی شود، شاهد وجود جهان دیگری در آن طرف خواهد بود!

این ادعا چنان عجیب بود که حتی خود اینشتین نیز آن را باور نکرد. در سال ۱۹۲۲، هنگام کنفرانسی در پاریس، ریاضیدانی با نام ژاکوئیز هادامارد از اینشتین پرسید، اگر این تکینگی واقعی باشد چه می‌شود؟ یعنی اگر گرانش در قطر شوارتسشیلد نامتناهی شود، چه اتفاقی می افتد؟ اینشتین این‌گونه پاسخ داد؛

این فاجعه‌ای حقیقی برای نظریه است و بسیار دشوار خواهد بود، که بتوانیم از قبل، آن چه از نظر فیزیکی رخ می‌دهد را پیش‌بینی کنیم، زیرا دیگر فرمول ها به کار نخواهند آمد!

اینشتین بعدها این مشکل را فاجعه هادامارد نامید. بااین‌حال او عقیده داشت، که تمام مجادلات حول ستاره‌های تاریک، ذهنی و تخیلی هستند. زیرا اولا آن‌ها غیر فیزیکی بودند، یعنی هیچ کس تاکنون چنین اشياء خارق‌العاده‌ای را ندیده بود و شاید اصلا وجود نداشته باشند. ثانيا، در صورت سقوط به درون یکی از این اجسام، انهدام حتمی است. از آنجا که هیچ کس نمی‌تواند از کره‌ی جادویی عبور کند، چرا که زمان متوقف می‌شود، پس هیچکس هرگز نمی‌تواند به جهان موازی دیگری وارد شود!

در دهه‌ی ۱۹۲۰، فیزیکدانان در مورد این مسئله کاملا گیج شده بودند. اما در سال ۱۹۳۲، جورج ليتره، پدر نظریه‌ی انفجار بزرگ، تحولی عظیم ایجاد کرد. او نشان داد که کره‌ی جادویی به هیچ وجه یک تکینگی نیست(جایی که گرانش بی نهایت می‌شود) بلکه تنها خطایی ریاضی است، که با انتخاب مجموعه‌ی نامناسبی از روابط ریاضی به وجود آمده است. یعنی اگر مجموعه‌ی متفاوتی از مختصات و متغیرها را برای محاسبه‌ی کره جادویی به کار گیریم، تکینگی از بین می‌رود!

کیهان شناسی به نام اچ‌پی رابرتسون، با در نظرگرفتن این نتایج، ادعای اولیه دروست را مبنی بر اینکه زمان در کره جادویی متوقف می‌شود، مجددا مورد بررسی قرار داد. او دریافت زمان، تنها از دید ناظری که موشک شما را در حال ورود به کره جادویی مشاهده می‌کند، متوقف می‌شود. از دید خود شما که درون موشک قرار دارید، تنها کسر کوچکی از ثانیه طول می‌کشد، تا گرانش، درست پس از لحظه‌ی عبور از کره جادویی، شما را ببلعد. به بیان دیگر، فضانورد بداقبالی که از کره جادویی عبور می‌کند، تقریبا به‌طور آنی خود را در کام مرگ می‌بیند؛ درحالی‌که از نظر شاهدی که از بیرون نگاه می‌کند، به نظر می آید این امر هزاران سال طول می کشد.

این نتیجه مهمی بود، به این معنی که کره جادویی قابل دسترس است و دیگر نمی‌توان از آن، به‌عنوان یک هیولای ریاضی، چشم پوشید. حال می‌توان به‌طور جدی به این مسئله اندیشید، که اگر کسی از این کره جادویی عبور کند، برایش چه اتفاقی می‌افتد. سپس فیزیکدانان به این مسئله پرداختند که سفر به درون کره‌ی جادویی چگونه می‌تواند باشد. امروزه کره جادویی، افق رویداد نامیده می‌شود. افق دورترین نقطه قابل مشاهده است. در اینجا افق، به دورترین نقطه‌ای که نور می‌تواند به آن سفر کند، اطلاق می‌شود. قطر افق رویداد، قطر شوارتسشیلد نام دارد.

با نزدیک شدن موشک به یک سیاه چاله، نوری را خواهید دید که میلیون‌ها سال پیش به وسیله‌‌ی سیاه چاله به دام افتاده است. این نور متعلق به زمان شکل‌گیری خود سیاه چاله است. به بیان دیگر، در این حالت تاریخچه زندگی یک سیاه چاله بر شما آشکار خواهد شد. هرچه نزدیک‌تر می‌شوید، نیروهای کششی به تدریج اتم‌های بدن شما را از هم می‌پاشند. سفر به افق رویداد، سفری یک طرفه خواهد بود، زیرا گرانش چنان شدید است که به ناچار به مرکز و درنهایت به کام مرگ بلعیده می‌شوید. وقتی درون افق رویداد باشید، راه برگشتی وجود ندارد! برای خروج از افق رویداد، باید بتوان سریع‌تر از نور حرکت کرد که غیرممکن است.

در سال ۱۹۳۹، اینشتین مقاله‌ای نوشت و در آن، با این ادعا که چنین ستارگانی نمی‌توانند، ازطریق فرایندهای طبیعی به وجود آیند، سعی کرده بود وجود چنین ستارگان تاریکی را منتفی قلمداد کند. او معتقد بود یک ستاره، از مجموعه‌ی چرخانی از گرد و غبار و گاز شکل می‌گیرد، که به دور هم می چرخند و به تدریج به‌دلیل گرانش گرد هم جمع می‌شوند. او سپس نشان داد که این مجموعه از ذرات چرخان، هرگز به اندازه قطر شوارتسشیلد متراکم نمی‌شوند و در نتیجه هیچگاه به یک سیاه چاله تبدیل نخواهند شد. در بهترین حالت، این جرم چرخان از ذرات، به ۱/۵ برابر قطر شوارتسشیلد می‌رسد و بنابراین سیاه چاله‌ها هیچگاه شکل نمی‌گیرند. برای دستیابی به قطری کم تر از ۱/۵ برابر قطر شوارتسشیلد، باید بتوان سریع‌تر از سرعت نور حرکت کرد که غیرممکن است. اینشتین اینگونه نوشت؛

نتیجه‌ی اصلی این بررسی، درک واضح این مطلب است که چرا تکینگی شوارتسشیلد واقعیت فیزیکی ندارد!

آرتور ادینگتون نیز در مورد سیاه چاله‌ها عمیقا محتاط بود و در تمام مدت عمرش نسبت به وجود آن‌ها بدبین بود. او یکبار گفته است؛

در طبیعت باید قانونی وجود داشته باشد، تا از چنین رفتار نامعقولی برای یک ستاره، جلوگیری کند.

همان سال، جی رابرت اوپنهایمر (کسی که بعدها بمب اتم را ساخت)، به همراه دانشجویش هارتلند اسنيدر، نشان داد که یک سیاه چاله ازطریق مکانیزمی کاملا متفاوت، واقعا می‌تواند شکل بگیرد. آن‌ها به‌جای اینکه تصور کنند، یک سیاه چاله از متراکم شدن مجموعه‌ای از ذرات در حال چرخش و به واسطه گرانش به وجود می‌آید، ستاره‌ی غول پیکر پیری را در نظر گرفتند که سوخت هسته‌ای خود را به اتمام رسانده و بنابراین به‌دلیل نیروی گرانش در حال رُمبش است. به‌عنوان مثال، یک ستاره‌ی غول پیکر در حال مرگ که ۴۰ برابر خورشید ما جرم دارد، می‌تواند پس از اتمام کامل سوخت هسته‌ای خود، به واسطه‌ی نیروی گرانش تا قطر ۱۳۰ کیلومتر متراکم شود. در این صورت به ناچار به یک سیاه چاله تبدیل خواهد شد. به این ترتیب، آن‌ها بیان کردند که سیاه چاله‌ها، نه‌تنها امکان‌پذیر هستند، بلکه می‌توانند نقطه پایان طبیعی برای میلیاردها ستاره غول پیکر رو به مرگ در کهکشان باشند. احتمال دارد ایده‌ی رُمبش ، که در سال ۱۹۳۹ به وسیله‌ی اپنهایمر ابداع شد، تنها چند سال بعد مکانیزمی برای ساختن بمب اتم به او داد!

پل اینشتین-روزن

گرچه براساس عقیده‌ی اینشتین سیاه چاله‌ها آن قدر عجیب و نامتعارف بودند، که نمی‌توان انتظار یافتن آن‌ها را در طبیعت داشت، بااین‌حال او با مطرح کردن احتمال وجود کرم چاله‌ها در قلب یک سیاه چاله، نشان داد که سیاه چاله‌ها می‌توانند، از این هم عجیب‌تر باشند. ریاضیدانان آن‌ها را فضاهای متصل چندگانه نامیدند. فیزیکدانان به آن‌ها کرم چاله می‌گویند؛ زیرا همانند سوراخ کرم‌ها در زمین، کرم‌چاله‌ها نیز مسیری میانبر میان دو نقطه ایجاد می‌کنند. گاهی آن‌ها را دروازه ورود به ابعاد یا درگاه می‌نامند. نام آن‌ها هرچه باشد، ممکن است کرم چاله‌ها سرانجام بتوانند، ابزار مناسبی را برای سفر درون ابعاد مختلف فراهم کنند!

اولین کسی که کرم چاله‌ها را بر سر زبان‌ها انداخت چارلز داگسون بود، که تحت نام مستعار لویس کارول می‌نوشت. در کتاب او با نام از درون آینه، کرم چاله به‌صورت آینه‌ای توصیف شده است، که حومه‌ی شهر آکسفورد را به سرزمین عجایب متصل می‌کند. داکسون، به‌عنوان ریاضیدانی متخصص و استاد دانشگاه آکسفورد، با این فضاهای متصل چندگانه آشنا بود. طبق تعریف، یک فضای متصل چندگانه فضایی است، که در آن همه‌ی حلقه ها را نمی‌توان آنقدر تنگ کرد، که به یک نقطه تبدیل شوند. معمولا هر حلقه‌ای را می‌توان به تدریج آن قدر تنگ کرد، تا به یک نقطه تبدیل شود. اما اگر یک شیرینی دونات  را در نظر بگیریم، می‌توان نخ را روی سطح آن به‌گونه‌ای حلقه کرد، که دور سوراخ پیراشکی قرار بگیرد. با تنگ کردن آهسته حلقه می‌بینیم که حلقه نخی نمی تواند بدون خارج شدن از پیراشکی به یک نقطه فشرده شود و در بهترین حالت می‌تواند به اندازه محيط سوراخ کوچک شود.

ریاضیدانان از اینکه شکلی را یافته بودند که در توصیف فضا، کاملا بدون استفاده بود، هیجان زده بودند. ولی در سال ۱۹۳۵، اینشتین و دانشجوی او ناتان روزن، موفق شدند کرم چاله‌ها را به دنیای فیزیک معرفی کنند. آن‌ها سعی داشتند، از پاسخ سیاه چاله، به‌عنوان مدلی برای ذرات بنیادی استفاده کنند. اینشتین هیچگاه از این ایده که گرانش یک ذره، با نزدیک شدن به آن بی‌نهایت می‌شود، راضی نبود. اینشتین عقیده داشت که این تکینگی، باید برطرف شود، زیرا بی‌معنا است!

ایده‌ی جدید اینشتین و روزن توصیف یک الكترون، که اغلب به‌صورت یک نقطه کوچک بدون ساختار درونی تصور می‌شد، به‌عنوان یک سیاه چاله بود. با استفاده از این روش، این امکان به وجود می‌آمد تا بتوان از نسبیت عام، برای توصیف رموز دنیای کوانتوم در یک نظریه میدان یکپارچه، استفاده کرد. آن‌ها با پاسخ استاندارد سیاه چاله شروع کردند، که به یک کوزه‌ی بزرگ با گلوگاهی دراز شباهت دارد. آن گاه آن را از محل گلوگاه بریده و با سیاه چاله دیگر واژگون شده‌ای، ادغام کردند.

اینشتین معتقد بود؛ این ترکیب عجیب ولی در عین حال پیوسته و هموار، در اصل سیاه چاله‌ای مستقل از تکینگی است و شاید بتواند مانند یک الكترون عمل کند. متاسفانه ایده‌ی اینشتین در توصیف یک الکترون به‌صورت سیاه چاله، با شکست مواجه شد. اما امروزه کیهان‌شناسان عقیده دارند، که پل اینشتین-روزن می‌تواند به‌صورت دروازه‌ای میان دو جهان عمل کند. به این ترتیب که احتمال دارد، روزی هنگام حرکت آزادانه در یک جهان، تصادفا درون یک سیاه چاله بیفتیم و ناگهان به داخل سوراخ کشیده شویم و از طرف دیگر (ازطریق یک سفیدچاله) بیرون بیاییم!

از دید اینشتین، هر پاسخی برای معادلات او، اگر با نقطه شروعی که از نظر فیزیکی پذیرفتنی باشد آغاز شود، حتما به یک شیء که از نظر فیزیکی محتمل است، منجر می‌شود. اما نگرانی او سقوط به درون سیاه چاله و ورود به یک دنیای موازی دیگر نبود. نیروهای کششی در مرکز سیاه چاله بی‌نهایت است و اتم های بدن فرد بدشانسی که به درون سیاه چاله سقوط کرده، به‌دلیل میدان گرانش از هم پاشیده می‌شوند. پل اینشتین-روزن به‌صورت لحظه‌ای باز شده و چنان سریع بسته می‌شود، که هیچ جسمی نمی تواند از داخل آن برای رسیدن به سمت دیگر به موقع عبور کند. اینشتین این‌گونه مطرح کرد که گرچه کرم چاله‌ها وجود دارند، ولی موجودات زنده هیچگاه نمی‌توانند از درون یکی از آن‌ها عبور کرده و سپس برای صحبت در مورد آنچه بر آن‌ها گذشته است، زنده بمانند!

سیاه چاله‌های چرخان

اما در سال ۱۹۶۳ این دیدگاه تغییر کرد و آن هنگامی بود که ریاضیدان نیوزیلندی، روی کِر موفق شد، راه‌ حل دقیقی برای معادلات اینشتین بیابد. شاید بتوان گفت راه حلی که کِر یافت، بهترین و واقع بینانه‌ترین توصیف از یک ستاره در حال مرگ بود؛ یک سیاه چاله چرخان!

زمانی‌که ستاره‌ای تحت تاثیر نیروی گرانش می‌رُمبد، مطابق اصل بقای اندازه حرکت زاویه‌ای، به ناچار سریع‌تر می‌چرخد. این همان دلیلی است که به موجب آن کهکشان‌های در حال چرخش به شکل فرفره دیده می‌شوند و اینکه چرا اسکیت بازان زمانی‌که دست های خود را جمع می‌کنند، سریع‌تر می‌چرخند. یک ستاره در حال چرخش می‌تواند در خود فروپاشیده و به حلقه‌ای از نوترون تبدیل شود. این حلقه می‌تواند پایدار باقی بماند، زیرا نیروی گریز از مرکز رو به بیرون، نیروی گرانش به سمت داخل را خنثی می‌کند. ویژگی حیرت انگیز چنین سیاه چاله‌ای این است، که سقوط به درون سیاه چاله کِر، منجر به مرگ نخواهد شد. در عوض از درون پل اینشتین-روزن به جهان موازی دیگری مکیده خواهید شد. کِر زمانی‌که این پاسخ را یافت، به یکی از همکارانش چنین گفت؛

اگر از درون این حلقه جادویی عبور کنی، فورا در جهان کاملا متفاوتی خواهی بود، که در آن طول و جرم مقادیری منفی خواهند داشت!

به بیان دیگر، حلقه‌ی چرخان کِر ، شبیه قاب آینه‌ی آلیس است، (به داستان آلیس در سرزمین عجایب اشاره دارد) که سفر از درون حلقه کِر سفری یک طرفه خواهد بود! اگر مجبور باشید از درون افق رویداد حلقه کر عبور کنید، با اینکه گرانش آن قدر زیاد نخواهد بود که منجر به مرگ شما شود، اما به اندازه‌ای هست که جلوی بازگشت شما از این سفر را بگیرد. در حقیقت، سیاه چاله کِر دارای دو افق رویداد است برخی معتقدند که برای بازگشت از این سفر، ممکن است به حلقه کِر ثانویه‌ای نیاز باشد، که جهان موازی را به جهان ما متصل کند.

از برخی جهات می‌توان سیاه چاله کِر را با آسانسور یک آسمان‌خراش مقایسه کرد. آسانسور بیانگر پل اینشتین-روزن است، که طبقات مختلف را به هم ارتباط می‌دهد، طوری که هر طبقه یک جهان متفاوت است. در حقیقت تعداد نامحدودی طبقه در این آسمان‌خراش وجود دارد، که هر کدام با دیگری متفاوت است. اما این آسانسور هرگز نمی‌تواند به سمت پایین حرکت کند. تنها یک کلید به سمت بالا وجود دارد. هر بار که شما طبقه یا جهانی را ترک می‌کنید، بازگشتی در کار نخواهد بود، زیرا شما از یک افق رویداد عبور کرده‌اید!

فیزیکدانان در مورد اینکه یک حلقه‌ی کِر تا چه اندازه می‌تواند پایدار باشد، با هم اختلاف نظر دارند. برخی محاسبات بیان می‌دارند که اگر کسی سعی در عبور از درون حلقه داشته باشد، حضور خود شخص، منجر به ناپایداری سیاه چاله و بسته شدن درگاه می‌شود. به‌عنوان مثال اگر یک پرتو نوری بخواهد از درون یک سیاه چاله کِر بگذرد، هنگام سقوط به مرکز، انرژی فوق‌العاده زیادی دریافت می‌کند و دچار انتقال به آبی می‌شود؛ یعنی فرکانس و انرژی آن افزایش می‌یابند.

به این ترتیب زمانی‌که به افق نزدیک می‌شود، چنان پرانرژی خواهد بود، که مسافران پل اینشتین-روزن را به کام مرگ می‌کشد. به‌علاوه این پرتو نور، میدان گرانشی خود را ایجاد خواهد کرد که به علت تداخل با سیاه چاله اصلی، شاید درگاه را تخریب کند!

به عبارت دیگر، با اینکه برخی فیزیکدانان تصور می‌کنند، سیاه چاله کِر بهترین توصیف را برای سیاه چاله‌ها ارائه داده و درواقع امکان پیوند جهان‌های موازی را فراهم می‌آورد، ولی هنوز آشکار نیست که ورود به پل اینشتین-روزن تا چه حد امن و این درگاه تا چه حد پایدار خواهد بود.

رصد سیاه چاله‌ها

به‌دلیل ویژگی‌های خارق‌العاده سیاه چاله‌ها، آن‌ها را تا اوایل دهه ۹۰ همچنان اجرامی علمی تخیلی می‌دانستند. ستاره شناسی به نام داگلاس ریچستون، از دانشگاه میشیگان، در سال ۱۹۹۸ چنین گفته است؛

ده سال پیش اگر جرمی را می‌یافتید و فکر می کردید که سیاه چاله‌ای در مرکز یک کهکشان است، نیمی از مردم تصور می‌کردند که شما دیوانه‌اید.

از آن زمان تاکنون ستاره شناسان صدها سیاه چاله را در فضا شناسایی کرده‌اند. این امر به کمک تلسکوپ فضایی هابل، تلسکوپ فضایی پرتو ایکس چاندرا و آرایه‌ی بسیار بزرگ تلسکوپ رادیویی (که شامل مجموعه‌ای از تلسکوپ‌های رادیویی قدرتمند در نیومکزیکو است) صورت گرفته است. در حقیقت، مطابق عقیده‌ی بسیاری از ستاره شناسان، اغلب کهکشان‌ها (که وسط قرص خود برآمدگی دارند) در مرکز خود دارای سیاه چاله هستند!

تلسکوپ پرتو ایکس چاندرا

همان‌طور که انتظار می‌رود، تمام سیاه چاله‌های یافت شده در فضا، به سرعت در حال چرخش هستند. سرعت چرخش برخی از آن‌ها که با کمک تلسکوپ فضایی هابل اندازه گیری شده برابر با ۱٫۶ میلیون کیلومتر بر ساعت است. در مرکز، هسته‌ی تخت و مُدوری دیده می‌شود که غالبا یک سال نوری قطر دارد. درون این هسته مرکزی، افق رویداد و خود سیاه چاله قرار دارند.

از آنجا که سیاه چاله‌ها نامرئی هستند، ستاره شناسان ناچار هستند برای تأیید وجود آن‌ها از روش‌های غیرمستقیم استفاده کنند. ستاره شناسان با اندازه‌گیری سرعت ستارگانی که در اطراف یک شیء در حال چرخش هستند، می‌توانند با استفاده از قوانین حرکت نیوتون جرم شیء مرکزی را محاسبه کنند. اگر شیء مرکزی، سرعت فراری برابر با سرعت نور داشته باشد، دلیل غیر مستقیمی بر حضور یک سیاه چاله به دست آمده است!

تاکنون دو نوع سیاه چاله شناسایی شده‌اند. نوع اول؛ سیاه چاله‌های ستاره‌ای است و در حقیقت ستاره در حال مرگی است که تحت نیروی گرانش می‌رمُبد.

نوع دوم؛ سیاه چاله‌های کهکشانی هستند که در قسمت مرکزی کهکشان‌های بزرگ و اختروش‌ها پنهان شده‌اند. تشخیص آن‌ها آسان‌تر است و میلیون‌ها تا میلیاردها برابر خورشید جرم دارند.

اخيرا به‌طور قطعی مشخص شده، که سیاه چاله‌ای در مرکز کهکشان راه شیری وجود دارد. متاسفانه یا خوشبختانه ابرهای گرد و غبار، مرکز کهکشان را پوشانده و مانع از دید واضح می‌شوند. اگر این‌گونه نبود؛ هر شب از روی کره زمین، توپ آتشین بزرگی در صورت فلکی قوس دیده می‌شد. بدون وجود این گرد و غبار، احتمالا مرکز کهکشان راه شیری، ماه را تحت الشعاع قرار داده و به درخشان‌ترین جرم در آسمان شب بدل می‌کرد. در نقطه‌ی مرکزی این هسته‌ی کهکشانی، سیاه چاله ای قرار گرفته که ۲/۵ میلیون برابر خورشید جرم دارد و قطر آن حدود یک دهم قطر مدار عطارد است. این سیاه چاله، در مقایسه با استانداردهای کهکشانی، سیاه چاله‌ی بزرگی محسوب نمی‌شود؛ اختروش‌ها می‌توانند سیاه چاله‌هایی با جرمی معادل چندین میلیارد برابر جرم خورشید داشته باشند.

بعضی از سیاه چاله‌های کهکشانی، چنان قدرتمندند که می‌توانند تمام ستارگان را ببلعند. در سال ۲۰۰۴، ناسا و آژانس فضایی اروپا، مشترکا سیاه چاله عظیمی را شناسایی کردند، که در کهکشان دوردستی در حال بلعیدن یک ستاره بود. تلسکوپ پرتو ایکس چاندرا و ماهواره اروپایی XMM نیوتون، هر دو همین رویداد را رصد کردند که یک ستاره به وسیله‌ی سیاه چاله عظیمی در مرکز بلعیده شده است. تخمین زده می‌شود، که این سیاه چاله ۱۰۰ میلیون برابر خورشید جرم دارد.

محاسبات نشان داده‌اند، زمانی‌که ستاره‌ای به افق رویداد یک سیاه چاله نزدیک می‌شود، نیروی گرانش فوق‌العاده زیاد، ستاره را از شكل طبیعی خارج می‌کند، تا آنجا که آن را از هم می‌پاشد و درخششی از پرتوهای ایکس منتشر می‌کند، استفانی کو موسا، ستاره شناس انستیتوی ماکس پلانک در گارچینگ آلمان می‌گوید؛

این ستاره بیش از نقطه‌ی شکست خود، کشیده شده است. ستاره‌ی بد اقبال، اطراف همسایه نامناسبی قدم می‌زده است!

ماشین زمان وَن استوکوم

نظریه‌ی اینشتین، فضا و زمان را به‌گونه‌ای تفکیک ناپذیر به یکدیگر پیوند می‌دهد. در نتیجه، کرم چاله‌ای که دو نقطه دور در فضا را به هم متصل می‌کند، ممکن است همچنین دو نقطه دور در زمان را به هم وصل کند. به بیان دیگر، نظریه‌ی اینشتین احتمال سفر در زمان را نیز فراهم می آورد.

مفهوم زمان، خود در طول قرن‌ها تغییر کرده است. نیوتون زمان را همانند یک پیکان تصور می‌کرد که پس از اینکه از کمان رها شود، هرگز تغییر مسیر نمی‌دهد و مستمر و یکپارچه رو به هدف پیش می‌رود. سپس اینشتین مفهوم فضا-زمان خمیده را مطرح کرد. بنابراین زمان از نظر او بیشتر شبیه رودخانه‌ای بود، که در مسیری پر پیچ و خم در جهان، هر لحظه سرعت گرفته یا آرام می‌گیرد. اما آنچه اینشتین را نگران می‌کرد، این احتمال بود که شاید روزی رودخانه‌ی زمان برخلاف مسیر حرکت خود به عقب باز گردد. شاید گرداب‌ها یا انشعاباتی بتوانند در رودخانه زمان به وجود آیند.

در سال ۱۹۳۷، زمانی این احتمال مطرح شد که دبلیو جی ون استوکوم پاسخی برای معادلات اینشتین یافت که در آن، سفر در زمان مجاز بود. او کار را از یک استوانه‌ی نامحدود در حال گردش شروع کرد. گرچه از نظر فیزیکی امکان ساخت یک شیء با ابعاد بی‌نهایت وجود ندارد، بااین‌حال او حساب کرد که اگر چنین استوانه‌ای با سرعت نزدیک به نور دور خود بچرخد، بافت فضا-زمان را با خود می‌کشد؛ بسیار شبیه به عسلی که با چرخش تیغه‌های مخلوط‌کن، کشیده می‌شود. (این پدیده را کشش چارچوب می‌نامند و در عکس‌های دقیق سیاه چاله‌های چرخان دیده می‌شود)

فرد شجاعی که در اطراف این استوانه سفر کند، کشیده شده و سرعتی فوق‌العاده می‌گیرد. در حقیقت، از نظر ناظر دور، فرد از سرعت نور فراتر می‌رود. گرچه ون استوکوم این مسئله را همان موقع در نیافت، ولی اگر شما سفر کاملی به دور استوانه داشته باشید، در حقیقت می‌توانید در زمان به عقب بازگردید. اگر نیم‌روز حرکت کرده باشید، زمانی‌که به نقطه شروع خود باز می‌گردید، ممکن است ساعت ۶ بعدازظهر روز قبل باشد. هرچه استوانه سریع‌تر بچرخد، بیشتر می‌توانید در زمان به عقب باز گردید و تنها محدودیت موجود این است، که نمی‌توانید به زمانی پیش از زمان ایجاد خود استوانه بازگردید!

ون استوکوم

این استوانه شبیه به تیرک‌های آذین بندی شده‌ای است، که در جشن‌ها در شهر می چرخانند و هر بار که دور این تیرک به رقص در آیید، بیشتر و بیشتر در زمان به عقب باز می‌گردید. البته می‌توان چنین پاسخی را به‌راحتی رد کرد؛ زیرا هیچ استوانه‌ای نمی تواند بی نهایت بلند باشد. گرچه اگر هم بتوان چنین استوانه‌ای را ساخت، به‌دلیل اینکه نزدیک به سرعت نور می‌چرخد، نیروهای گریز از مرکز در آن بسیار بزرگ خواهند بود، که باعث می‌شود ماده‌ی سازنده استوانه به اطراف پراکنده شود.

جهان گودِل

در سال ۱۹۴۹، کورت گودِل، متخصص بزرگ منطق ریاضی، پاسخ عجیب‌تری برای معادلات اینشتین یافت. او فرض کرد که کل جهان درست مانند حالت استوانه‌ی ون استوکوم در حال چرخش است. طبیعت شیره مانندِ فضا-زمان، افراد را می‌کشد. اگر با موشک جهان گِودل را دور بزنید، پس از یک دور چرخش درست به نقطه شروع خود باز می گردید، اما در زمان گذشته!

در جهان گِودل، اصولا یک فرد می‌تواند بین هر دو نقطه جهان، در فضا و زمان، سفر کند. می‌توان هر رویدادی را در هر زمانی در گذشته مشاهده کرد. جهان گودل، به خاطر وجود نیروی گرانش، تمایل به فروپاشی به درون دارد. بنابراین نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش، باید بتواند این نیروی گرانش را خنثی کند. به بیان دیگر، سرعت چرخش جهان باید از یک مقدار حداقل بیشتر باشد. هرچه جهان بزرگ‌تر باشد، تمایل برای فروپاشی آن نیز بیشتر خواهدبود و بنابراین برای جلوگیری از فروپاشی، ناچار است سریع‌تر بچرخد!

به‌طور مثال، گودل محاسبه کرد که جهانی در ابعاد جهان ما، باید هر ۷۰ میلیارد سال یک‌بار به دور خود بچرخد و در این صورت، شعاع حداقل برای سفر در زمان، ۱۶ میلیارد سال نوری خواهد بود. به هر حال، برای سفر به عقب در زمان(سفر به گذشته) باید با سرعتی کمتر از سرعت نور سفر کنید.

گِودل آگاه بود، که چه پارادوکس‌هایی ممکن است در ارتباط با پاسخ او مطرح شود. به‌عنوان مثال، احتمال ملاقات با خود در گذشته و تغییر مسیر تاریخ از جمله پارادوکس‌هایی بودند، که مطرح شدند. او نوشته است:

این امکان وجود دارد که با انجام سفری دایره‌ای با یک موشک فضایی در مسیری با شعاعی به حد کافی بزرگ، بتوانید به هر نقطه‌ای در گذشته، حال و آینده سفر کنید و دوباره باز گردید؛ درست همان‌طور که در جهان‌های دیگر این امکان وجود دارد، که به مناطق دوردست در فضا سفر کنید. این‌گونه امور دور از واقعیت به نظر می‌رسند. زیرا به این ترتیب فرد قادر می‌شود به گذشته‌ای نزدیک، به مکان‌هایی که در آن‌ها زندگی می‌کرده است، باز گردد. او در آنجا خود را در گذشته خواهد یافت و به این ترتیب می‌تواند با خود کاری کند، که می‌داند در گذشته برایش رخ نداده است.

راه‌حل گِودل که دوست و همسایه‌ی اینشتین در انستیتوی مطالعات پیشرفته پرینستون بود، اینشتین را آشفت. عکس العمل اینشتین این موضوع رابه خوبی نشان می‌دهد؛

از نظر من، مقاله‌ی کورت گِودل کمک مهمی برای نظریه‌ی نسبیت عام محسوب می‌شود، مخصوصا در زمینه‌ی تحلیل مفهوم زمان.

مشکلی که الان مطرح است، در زمان شکل گیری نظریه نسبیت عام نیز مرا آشفته می‌کرد، بدون اینکه در حل آن موفق باشم. از نظر کیهان شناسی، تمایز میان مفهوم «زودتر-دیرتر» برای پدیده‌های جهان از بین می‌رود و پارادوکس‌هایی در مورد جهت ارتباط علت و معلولی وقایع از گفته‌های آقای گِودل برمی آید. جالب است دریابیم که این وقایع نمی‌توانند در صحنه‌های فیزیکی وجود داشته باشند.

پاسخ اینشتین به دو دلیل جالب توجه است. نخست اینکه طبق اظهار خودش، زمانی‌که برای اولین‌بار نسبیت عام را مطرح می‌کرد، امکان سفر در زمان ذهن او را مشغول کرده بوده است. از آنجا که طبق ادعای اینشتین، زمان و فضا مانند قطعه‌ای لاستیکی می‌توانند خميده و تابیده شوند، او نگران بود که بافت فضا-زمان آن قدر پیچ و تاب بردارد، که امکان سفر در زمان فراهم آید. ثانيا او راه‌حل گِودل را بر مبنای دلایل فیزیکی رد کرد، یعنی جهان نمی چرخد، بلکه منبسط می‌شود.

پس از مرگ اینشتین، این مسئله کاملا آشکار شده بود که معادلات او می‌توانند، منشاء پدیده‌های عجیبی نظیر سفر در زمان، کرم چاله‌ها باشند. بااین‌حال هیچ کس توجه خاصی به این موارد نشان نداد، زیرا دانشمندان احساس می‌کردند، این پدیده‌ها در طبیعت امکان تحقق ندارند. توافق بر این بود که این پاسخ‌ها پایه و اساسی در دنیای واقعی ندارند، به‌طور مثال اینکه تلاش برای سفر به یک جهان موازی ازطریق یک سیاه چاله موجب مرگ شما می‌شود و جهان نمی‌چرخد و شما نمی‌توانید استوانه‌های بی‌نهایت بلند بسازید، باعث می‌شد سفر در زمان تنها بحثی آکادمیک تلقی شود!

پایان قسمت اول

پیشنهاد می‌کنیم پس از گذشت ۲۴ ساعت از مطالعه‌ی این بخش، بخش دوم این مقاله را مطالعه کنید.

ماشین زمان تورن

مسئله‌ی سفر در زمان برای ۳۵ سال راکد باقی ماند، تا اینکه در سال ۱۹۸۵، ستاره شناسی به نام کارل ساگان در حال نوشتن رمان خود به نام ارتباط، تصمیم داشت روشی به کار گیرد که توسط آن، قهرمان زن داستان بتواند به ستاره نسر واقع (وگا) سفر کند. او سفری دوطرفه لازم داشت که در آن قهرمان زن داستان بتواند به ستاره‌ی نسر واقع سفر کرده و سپس به زمین باز گردد؛ چیزی که ازطریق یک کرم چاله امکان‌پذیر نبود!

او برای حل این مسئله به فیزیکدانی به نام کیپ تورن مراجعه کرد. تورن دنیای فیزیک را با یافتن پاسخ‌های جدید برای معادلات اینشتین تکان داد؛ پاسخ‌هایی که امکان سفر در زمان را فارغ از بسیاری مشکلات پیشین، فراهم می‌کرد! در سال ۱۹۸۸، تورن به همراه همکاران خود، مایکل موریس و اُلوی یورت سور، نشان داد که اگر بتوان به شکل عجیبی از ماده و انرژی، مانند «ماده منفی» و «انرژی منفی» دست یافت، امکان ساخت یک ماشین زمان وجود دارد. در ابتدا فیزیکدانان نسبت به این پاسخ جدید مشکوک بودند، زیرا هیچکس تاکنون این نوع ماده عجیب را ندیده بود و همچنین انرژی منفی تنها در مقادیر بسیار جزئی یافت می‌شود. اما این پاسخ روزنه جدیدی به درک ما از سفر در زمان گشود.

امتیاز بزرگ ماده و انرژی منفی این است که باعث می‌شوند، یک کرم چاله، قابل عبور شود و امکان انجام سفر دو طرفه از درون آن، بدون نگرانی از افق رویداد فراهم آید. در حقیقت گروه تورن دریافت که سفر از درون این ماشین زمان احتمالا در مقایسه با سفری معمولی با هواپیما کم خطرتر است!

بااین‌حال، مشکل این است که ماده‌ی عجیب (یا همان ماده منفی) دارای ویژگی‌های غیرمتعارفی است. برخلاف ضدماده، که می دانیم وجود دارد و در میدان گرانش زمین مانند ماده معمولی سقوط می‌کند، ماده‌ی منفی بالا می‌رود و بنابراین، به دليل اثر نیروی ضد گرانش، در میدان گرانش زمین شناور می‌شود. این ماده به وسیله‌ی ماده معمولی و دیگر مواد منفی دفع می‌شود. یعنی حتی اگر این ماده وجود داشته باشد، یافتن آن در طبیعت بسیار دشوار است. زمانی‌که کره زمین برای اولین‌بار ۴/۵ میلیارد سال پیش شکل گرفت، مسما تمام ماده‌ی منفی روی کره زمین به اعماق فضا پرواز کرده‌اند، بنابراین احتمال دارد که ماده‌ی منفی تنها در فضا، به دور از هر سیاره‌ای، شناور باشد. (احتمالا ماده‌ی منفی هیچگاه با یک ستاره یا سیاره در حال عبور برخورد نخواهد کرد، زیرا به وسیله‌ی ماده معمولی دفع می‌شود)

با اینکه ماده منفی تاکنون هرگز دیده نشده است و به احتمال زیاد اصلا وجود ندارد، ولی از نظر فیزیکی احتمال وجود انرژی منفی هست. در سال ۱۹۳۳، هنریک کاسیمیر نشان داد که در صفحه‌ی فلزی موازی بدون بار می‌توانند انرژی منفی ایجاد کنند. به‌طور معمول انتظار می‌رود، که دو صفحه به‌دلیل عدم وجود بار الکتریکی، ساکن باقی بمانند. بااین‌حال، کاسیمیر نشان داد، که نیروی جاذبه بسیار کوچکی میان این دو صفحه فلزی موازی بدون بار وجود دارد. در سال ۱۹۴۸، موفق شدند این نیروی بسیار کوچک را اندازه گیری کنند و به این ترتیب مشخص شد، که انرژی منفی واقعیت دارد.

اثر کاسیمیر، به ویژگی عجیبی از خلا مربوط می‌شود. طبق نظریه‌ی کوانتوم، فضای تهی، انباشته از ذرات مَجازی است، که از هیچ به وجود آمده و از بین می‌روند. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ(در قسمت‌ ششم به‌طور کامل بررسی شده است)، این انحراف از اصل بقای انرژی را امکان‌پذیر می‌کند. این اصل امکان نقض قوانین کلاسیک را، مادامی که بسیار مختصر و موجز رخ دهند، فراهم می‌آورد. به‌عنوان مثال؛ براساس اصل عدم قطعیت، احتمال مشخص کوچکی وجود دارد، که الكترون و آنتی الكترون، از هیچ ایجاد شوند، سپس یکدیگر را خنثی کرده و از بین بروند!

به‌دلیل اینکه صفحات فلزی بسیار به هم نزدیک هستند، این ذرات مجازی نمی‌توانند به‌راحتی میان این دو صفحه وارد شوند. بنابراین ذرات مجازی بیشتری در اطراف صفحات در مقایسه با فضای بین آن‌ها وجود دارد و این امر نیرویی درونی ایجاد می‌کند، که باعث رانده شدن خفيف صفحات موازی به داخل می‌شود. این اثر در سال ۱۹۹۶ به وسیله‌ی استیون لامورکس در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس اندازه‌گیری شد. نیروی جاذبه‌ای که او اندازه‌گیری کرد، بسیار کوچک و تقریبا برابر با یک سی هزارم وزن یک مورچه بود! هرچه فاصله‌ی بین دو صفحه موازی کمتر باشد، نیروی جاذبه بیشتر خواهد بود.

بنابراین، ماشین زمانی‌که تورن تصور کرده بود، می‌تواند به این ترتیب کار کند. یک تمدن پیشرفته می‌تواند از دو صفحه‌ی موازی که در فاصله‌ی بسیار اندکی از هم قرار دارند، استفاده کند. این صفحات موازی می‌توانند به‌صورت یک کره قرار بگیرند، طوری که کره دارای یک پوسته بیرونی و یک پوسته درونی باشد. سپس دو تا از این کره‌ها ساخته می‌شود و به نحوی یک کرم چاله بین آن‌ها قرار می‌گیرد، بدین ترتیب تونلی در فضا، دو کره را به هم ارتباط می‌دهد. حال هرکدام از کره‌ها شامل یکی از دهانه‌های کرم چاله هستند.

به‌طور معمول، زمان برای هر دو کره به‌طور هماهنگی در جریان است. اما اگر یکی از کره‌ها را درون موشکی قرار دهیم، که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند، زمان برای آن موشک آهسته‌تر خواهد گذشت(اصل اتساع زمان) و بنابراین دو کره دیگر از نظر زمانی هماهنگ نخواهند بود. ساعت درون موشک بسیار آهسته‌تر از ساعت روی کره زمین ضربان خواهد داشت. در این صورت، اگر فردی از زمین به درون کره بپرد، ممکن است به دهانه‌ی کرم چاله مکیده شده و در زمانی در گذشته به موشک برسد، فراموش نکنید که این ماشین زمان نمی‌تواند شما را به زمانی قبل از ساخته شدن خود ماشین باز گرداند!

مشکلات مربوط‌به انرژی منفی

گرچه راه‌حل تورن، زمانی‌که مطرح شد هیجان زیادی را ایجاد کرد، ولی ساختن آن حتی توسط تمدنی پیشرفته، با موانعی جدی رو‌به‌رو است. اولین مشکل تهیه‌ی مقادیر زیاد انرژی منفی است، که کاملا نایاب است. این نوع کرم چاله به مقادیر زیاد انرژی منفی وابسته است، تا دهانه‌اش باز بماند. اگر انرژی منفی ازطریق اثر کاسیمیر تهیه شود، مقدارش واقعا اندک است و در این صورت اندازه‌ی کرم چاله حتی از ابعاد اتم نیز بسیار کوچک‌تر خواهد بود. به این ترتیب سفر از درون چنین کرم چاله‌ای غیرممکن است. علاوه‌ بر اثر کاسیمیر، منابع دیگری نیز برای تولید انرژی منفی وجود دارند. اما کار کردن تقریبا با تمام آن‌ها بسیار مشکل است. به‌طور مثال؛ دو فیزیکدان به نام های پل دیویس واستفان فولینگ نشان داده‌اند آینه‌ای که با سرعت حرکت می‌کند، می‌تواند انرژی منفی ایجاد کند، که در جلوی آینه‌ حین حرکت انباشته می‌شود.

متاسفانه برای به دست آوردن انرژی منفی از این روش، باید آینه را با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت داد. به‌علاوه، در این حالت نیز همانند اثر کاسیمیر انرژی منفی ایجاد شده، بسیار ناچیز خواهد بود!

روش دیگر استخراج انرژی منفی، استفاده از پرتوی لیزر پر قدرت است. در میان حالت‌های انرژی لیزر، تعدادی حالت فشرده وجود دارند، که در آن‌ها انرژی مثبت و منفی با هم یافت می‌شوند. بااین‌حال، ایجاد این اثر نیز بسیار دشوار است. یک پالس معمولی از انرژی منفی ممکن است، به اندازه ثانیه به طول انجامد، که به‌دنبال آن پالسی از انرژی مثبت قرار دارد. باوجود دشواری بسیار، جداسازی حالت‌های انرژی منفی از مثبت امکان‌پذیر است.

نهایتا، یک سیاه چاله نیز در نزدیکی افق رویداد خود، دارای انرژی منفی است. همان‌طور که ژاکوب بکنشتاین واستیون هاوکینگ نشان دادند، یک سیاه چاله کاملا سیاه نیست و به آهستگی انرژی از دست می‌دهد. به این دلیل که اصل عدم قطعیت، امکان تونل زنی تابش را از درون سد عظيم گرانش یک سیاه چاله فراهم می‌آورد. ولی از آنجا که یک سیاه چاله در حال تبخیر انرژی از دست می‌دهد، با گذشت زمان اقق رویداد به تدریج کوچک‌تر می‌شود. اغلب، اگر ماده‌ی مثبت (مثل یک ستاره) درون یک سیاه چاله پرتاب شود، افق رویداد گسترده‌تر می‌شود. اما اگر ماده‌ی منفی درون سیاه چاله پرتاب کنیم، افق رویداد آن کوچک‌تر خواهد شد. بنابراین تبخیر سیاه چاله، نزدیک افق رویداد انرژی منفی ایجاد می‌کند. برخی عقیده دارند که برای به دست آوردن انرژی منفی، می‌توان دهانه‌ی کرم چاله را در نزدیکی افق رویداد قرار داد. بااین‌حال، دستیابی به این انرژی منفی بسیار سخت و خطرناک است، چرا که باید خیلی به افق رویداد نزدیک شویم!

استیون هاوکینگ نشان داده است، که به‌طور کلی، برای پایدار کردن راه‌حل‌های کرم چاله‌ای به انرژی منفی نیاز داریم. دلیل آن بسیار ساده است. معمولا انرژی مثبت می‌تواند، منجر به ایجاد دهانه‌ی کرم چاله شود که ماده و انرژی را متمرکز می‌کند. به این ترتیب، پرتوهای نور با ورود به دهانه‌ی کرم چاله، همگرا می‌شوند. اگر این پرتوهای نوری از طرف دیگر خارج شوند، باید جایی در مرکز کرم چاله از هم دور شده یا به عبارتی واگرا شوند. این امر تنها در حضور انرژی منفی امکان‌پذیر است. به‌علاوه انرژی منفی، دفع کننده است و برای جلوگیری از فروپاشی کرم چاله بر اثر نیروی گرانش، حضور آن ضروری است! بنابراین، کلید ساخت یک ماشین زمان با یک کرم چاله، می‌تواند یافتن مقادیر کافی انرژی منفی برای باز و پایدار نگه داشتن کرم چاله باشد. تعدادی از فیزیکدانان نشان داده‌اند؛ که وجود انرژی منفی، در حضور میدان‌های شدید گرانش تقریبا شایع است. پس شاید روزی بتوان از انرژی منفی گرانشی برای به کار انداختن ماشین زمان استفاده کرد!

مانع دیگری در ساخت چنین ماشین زمانی وجود دارد؛ کجا می‌توان یک کرم چاله یافت؟ تورن به این حقیقت استناد کرد، که کرم چاله‌ها در آنچه اسفنج فضا-زمان نامیده می‌شود، به‌طور طبیعی به وجود می‌آیند. این امر به سوالی باز می‌گردد که فیلسوف یونانی زنون، بیش از ۲۰۰۰ سال پیش مطرح کرده بود؛ کوچک‌ترین مسافتی که می‌توان پیمود چقدر است؟

زنون از نظر ریاضی ثابت کرد، که عبور از عرض یک رودخانه غیرممکن است. او ابتدا بیان کرد که مقطع عرضی یک رودخانه را می‌توان به بی‌نهایت نقطه تقسیم کرد. اما از آنجا که بی‌نهایت زمان نیاز است، تا از بی نهایت نقطه عبور کنیم، بنابراین پیمودن عرض رودخانه غیرممکن است. به این ترتیب، حرکت اجسام کلا غیر ممکن بود. دو هزار سال زمان لازم بود تا ریاضیات پیشرفته از راه برسد و سرانجام این معما حل شود، می‌توان نشان داد که تعداد نامحدودی نقطه را می‌توان در مقدار محدودی زمان پیمود و بالاخره حرکت را از نظر ریاضی امکان‌پذیر شد!

جان ویلر از پرینستون، معادلات اینشتین را برای یافتن کوچک‌ترین مسافت ممکن، بازبینی کرد. ویلر دریافت در فواصل فوق‌العاده کوچک در مرتبه‌ی طول پلانک (سانتی‌متر)، نظریه اینشتین پیش‌بینی می‌کند که انحنای فضا می‌تواند کاملا بزرگ باشد. به بیان دیگر، در طول پلانک، فضا اصلا صاف نیست و خمیدگی‌های شدیدی دارد؛ یعنی پیچ خورده و حباب آلود است. فضا متلاطم و مملو از حباب‌های کوچکی است، که از خلا بیرون می‌جهند و سریعا از بین می‌روند. در فواصل کوچک، حباب‌های فضا-زمان حتی در فضای خالی دائما در حال جوشش هستند، که درواقع کرم چاله‌های کوچک و جهان‌های نوزادند.

به‌طور معمول، ذرات مجازی شامل جفت‌های الکترون و آنتی الکترون، هر لحظه به وجود می‌آیند و محو می‌شوند. اما در فاصله‌ی پلانک، ممکن است حباب‌های کوچکی که هر کدام یک جهان کامل یا یک کرم چاله هستند، از خلا بيرون بجهند و سپس ناپدید شوند. جهان ما ممکن است با یکی از همین حباب‌های کوچک آغاز شده باشد، که در اسفنج فضا-زمان شناور بوده و ناگهان، به دلایلی که هنوز نمی‌دانیم، متورم شده است!

با دانستن این موضوع که کرم چاله‌ها به‌طور طبیعی در این حباب‌ها یافت می‌شوند، تورن اندیشید که یک تمدن پیشرفته می‌تواند به‌نوعی کرم چاله‌ها را از درون این اسفنج بیرون آورد، سپس آن‌ها را با کمک انرژی منفی گسترش داده و پایدار سازد. اگرچه این فرایند بسیار دشوار خواهد بود، اما تحقق آن، در قلمرو قوانین فیزیک امکان‌پذیر است. ماشین زمان تورن به لحاظ نظری امکان‌پذیر است و از نظر مهندسی ساخت آن بسیار مشکل به نظر می‌رسد. اما مسئله‌ی دیگری نیز وجود دارد؛ آیا موضوع سفر در زمان هیچ یک از قوانین بنیادین فیزیک را نقض می‌کند؟

جهانی در اتاق خواب شما

در سال ۱۹۹۲، استیون هاوکینگ تلاش کرد، تا یک بار و برای همیشه به مسئله‌ی سفر در زمان پاسخ دهد. او ذاتا با ایده‌ی سفر در زمان مخالف بود؛ «اگر سفر در زمان، به‌راحتی پیک نیک آخر هفته بود، باید امروز شاهد توریست‌هایی از آینده می‌بودیم، که به ما خیره شوند و از ما عکس بگیرند!»

اما فیزیکدانان اغلب از رمان حماسی تی اچ وایت، به نام پادشاه اول و آخر اقتباس می‌کنند. در این رمان، جامعه‌ای از مورچگان عقیده دارند؛ هرچیزی که ممنوع نیست، الزامی است. به بیان دیگر، اگر اصلی اساسی در فیزیک وجود ندارد، که سفر در زمان را ممنوع کند، بنابراین سفر در زمان ضرورتا از نظر فیزیکی امکان‌پذیر خواهد بود. دلیل این مسئله اصل عدم قطعیت است. چیزی اتفاق نمی‌افتد که وقوعش ممنوع باشد و گرنه اگر به اندازه‌ی کافی صبر کنیم، تحولات و افت و خیزهای کوانتومی به تدریج آن را عملی می‌کنند. در پاسخ به این مسئله، استیون هاوکینگ فرضیه‌ی حفاظت از گاه‌ شماری را مطرح کرد، که با جلوگیری از سفر در زمان، از تاریخ محافظت می‌کرد. بر طبق این فرضیه، سفر در زمان به این دلیل که اصول فیزیکی خاصی را بر هم می‌زند، امکان‌پذیر نیست!

از آنجا که کار با کرم چاله‌ها بسیار دشوار بود، هاوکینگ استدلال خود را با بررسی یک جهان ساده شده، آغاز کرد. جهانی که به وسیله‌ی چارلز مایسنر از دانشگاه مریلند، برای اولین‌بار کشف شده بود و تمام ملزومات سفر در زمان را در خود داشت. فضای مایسنر، فضایی آرمانی است که در آن به‌عنوان مثال؛ اتاق خواب شما به کل جهان تبدیل می‌شود! هر نقطه روی دیوار سمت چپ اتاق خواب شما، دقیقا با نقطه‌ی متناظر آن روی دیوار سمت راست، یکسان است. به این معنی که اگر شما به سمت دیوار سمت چپ حرکت کنید، با دیوار برخورد نخواهید کرد، بلکه در عوض، به درون دیوار رفته و از دیوار سمت راست مجددا بیرون می‌آیید. به بیان دیگر، دیوارهای چپ و راست به یکدیگر متصل هستند، به‌نوعی همانند یک استوانه! همچنین، نقاط روی دیوارهای رو‌به‌رو و پشت سر نیز به همین ترتیب با هم یکسانند، بنابراین در هر جهتی که حرکت کنید، از دیوار اتاق خواب عبور کرده و مجددا به درون آن باز می گردید. راه فراری نیست. به بیان دیگر اتاق خواب شما، تمام جهان را شامل می‌شود.

 مسئله عجیب این است که اگر به دقت به دیوار سمت چپ بنگرید، خواهید دید که در حقیقت شفاف است و نسخه دیگری از اتاق خواب شما در طرف دیگر دیوار وجود دارد. درواقع، همزاد دقیقی از شما در اتاق خواب دیگری قرار دارد! اگرچه شما فقط می‌توانید پشت سر خود را ببینید و هرگز روی خود را نخواهید دید. اگر به بالا یا پایین بنگرید، در این حالت نیز نسخه دیگری را از خود خواهید دید. در حقیقت دنباله نامحدودی از خود را در مقابل، پشت سر، زیر و بالا خواهید دید!

برقراری ارتباط با خودتان بسیار دشوار است. هربار که سر بچرخانید تا چهره‌ی همزاد خود را شکار کنید، در می‌یابید که او نیز چرخیده است و بنابراین هرگز صورت او را نمی‌بینید. اما اگر اتاق به اندازه‌ی کافی کوچک باشد، ممکن است بتوانید دست خود را داخل دیوار برده و شانه‌ی همزاد خود را بگیرید. در این حالت متوجه می‌شوید که همزاد شما، از پشت شانه‌ی شما را گرفته است! همچنین می‌توانید دست چپ و راست خود را از اطراف به درون دیوارها برده و با گرفتن دست همزادان خود، دنباله‌ی نامحدودی از خود را که دستان یکدیگر را گرفته‌اید، ایجاد کنید. (پیشنهاد نمیکنم که سعی در آزار همزاد خود داشته باشید. اگر اسلحه‌ای بردارید و به همزاد مقابل خود نشانه روید، احتمالا تغییر عقیده داده و از کشیدن ماشه صرف‌نظر می‌کنید، زیرا همزاد پشت سر شما اسلحه‌ای را در همان زمان به سمت شما نشانه رفته است)

در فضای مایسنر، فرض کنید که دیوارها به سمت شما حرکت کنند. در این حالت اتفاق جالبی می‌افتد. فرض کنید که اتاق خواب در حال فشرده شدن است طوری که دیوار سمت راست به آهستگی، با سرعت سه کیلومتر بر ساعت، به شما نزدیک شود. اگر در این حالت به سمت دیوار سمت چپ بروید، از درون دیوار متحرک سمت راست بیرون خواهید آمد، با این تفاوت که سه کیلومتر بر ساعت به سرعت شما افزوده شده است. درواقع هر بار که درون دیوار سمت چپ می‌روید، سرعتی برابر سه کیلومتر بر ساعت ازطریق دیوار متحرک سمت راست به شما افزوده می‌شود. پس از تکرار این سفر به دور جهان، سرعتی افزاینده خواهید داشت، تا اینکه به تدریج به سرعت نور نزدیک می‌شوید.

در نقطه‌ی بحرانی مشخصی، سرعت حرکت شما چنان زیاد می‌شود که در زمان به عقب خواهید رفت! درواقع می‌توانید نقاط پیشین را، در فضا-زمان ملاقات کنید، هاوکینگ فضای مایسنر را به دقت مورد بررسی قرار داد. او دریافت که دیوارهای چپ و راست، از نظر ریاضی، درست با دو دهانه یک کرم چاله برابرند. به بیان دیگر، اتاق خواب شما درست شبیه یک کرم چاله است، دیوارهای چپ و راست یکی هستند؛ درست مشابه دو دهانه‌ی یک کرم چاله که آن‌ها نیز یکی هستند!

سپس او تاکید کرد؛ که فضای مایسنر هم از نظر کلاسیک و هم از نظر مکانیک کوانتوم ناپایدار است. به‌عنوان مثال، اگر چراغی را روی دیوار سمت چپ روشن کنید، پرتو نور هر بار که از دیوار سمت راست بیرون می آید، انرژی دریافت می‌کند. پرتو نور دچار انتقال به آبی خواهد شد، به این معنی که انرژی می‌گیرد تا جایی که دارای انرژی بی‌نهایت شود، که این غیرممکن است. یا اینکه پرتو نور چنان پرانرژی می‌شود، که میدان گرانشی عظیمی ایجاد کرده و منجر به فروپاشی اتاق خواب یا همان کرم چاله خواهد شد. بنابراین اگر بخواهید به درون کرم چاله بروید، از هم خواهید پاشید. همچنین می‌توان نشان داد به‌دلیل اینکه تابش می‌تواند، به دفعات نامتناهی از درون دو دیوار عبور کند، چیزی به نام تانسور انرژی-اندازه حرکت، که محتویات ماده و انرژی فضا را مشخص می‌کند، نامحدود می‌شود.

این امر از نظر هاوکینگ، برای مسئله سفر در زمان به منزله‌ی کشتن از روی ترحم بود. تثویت اثرات کوانتومی تابش و نزدیک شدن آن به بی‌نهایت، یک واگرایی ایجاد می‌کند و منجر به مرگ مسافران زمان و بسته شدن کرم چاله می‌شود.

از آن زمان، مسئله‌ی واگرایی مطرح شده در مقاله هاوکینگ بحث جالب توجهی را در ادبیات فیزیک برانگیخت و دانشمندان، باتوجه‌ به مسئله‌ی حفاظت از گاه‌شماری در موافقت یا مخالفت با آن موضع گرفتند. در حقیقت فیزیکدانان متعددی با انتخاب مناسب کرم چاله‌ها ازطریق تغییر در ابعاد، طول و... به‌دنبال یافتن نقاط ضعف در استدلال هاوکینگ بودند. آن‌ها دریافتند تانسور انرژی-اندازه حرکت، فقط در برخی کرم چاله‌ها واگرا می‌شود ولی در سایر به خوبی معین و مشخص است.

جریان ایجاد شده، چنان در جهت مخالفت با هاوکینگ به پیش رفت که درنهایت، در سال ۱۹۹۸، هاوکینگ مجبور به کناره گیری شد. در حال حاضر، او عقیده ندارد که سفر در زمان کاملا غیرممکن است، بلکه می‌گوید شدیدا غير محتمل و غیر عملی است. احتمالات موجود، به‌ شدت بر ضد سفر در زمان هستند، اما کسی نمی‌تواند آن را کاملا منفی بداند. اگر کسی بتواند به‌گونه‌ای مقادیر زیادی انرژی مثبت و منفی تهیه کند و به‌علاوه مسئله‌ی پایداری را نیز حل کند، ممکن است سفر در زمان واقعا امکان‌پذیر شود. شاید دلیل اینکه ما شاهد حضور توریست‌هایی از زمان آینده نیستیم، این است که دورترین زمانی‌که آن‌ها می‌توانند به آن سفر کنند، زمانی است که ماشین زمان در آن ساخته شده و شاید هم ماشین زمان هنوز ساخته نشده باشد!

ماشین زمان گات

در سال ۱۹۹۱، جی ریچارد گات سوم از پرینستون، جواب دیگری را برای معادلات اینشتین یافت که امکان سفر در زمان را فراهم می آورد. راه‌حل او بسیار جالب بود، زیرا مسیری کاملا متفاوت، بدون استفاده از اجرام در حال گردش، کرم چاله ها و انرژی منفی، پیش گرفته بود!

در طول انجام تحقیقات در زمینه‌ی کیهان شناسی، گات به ریسمان‌ها کیهانی علاقه‌مند شد. آن‌ها از اثرات انفجار بزرگ هستند و وجودشان در نظریه‌های متعددی پیش‌بینی شده است. ریسمان‌های کیهانی احتمالا پهنایی کمتر از یک هسته اتم، جرمی در حد یک ستاره و طولی برابر با میلیون‌ها سال نوری دارند. گات پاسخی برای معادلات اینشتین یافت، که وجود ریسمان‌های کیهانی را امکان‌پذیر می‌ساخت. اما در مرحله‌ی بعد، در مورد این ریسمان‌های کیهانی، به مسئله‌ای غیر معمول برخورد کرد. اگر دو ریسمان کیهانی را به سمت یکدیگر بفرستید، درست قبل از برخورد با هم، می‌توان از آن‌ها به‌عنوان ماشین زمان استفاده کرد. در مرحله‌ی اول، او دریافت که اگر سفر دایره واری را به دور ریسمان‌های کیهانی در حال برخورد، انجام دهید، فضا منقبض می‌شود و ویژگی‌های عجیبی از خود نشان می‌دهد. اگر دور چیزی بچرخیم و به نقطه شروع برگردیم، به اندازه‌ی ۳۶۰ درجه جابه‌جا شده‌ایم. اما اگر یک موشک حول دو ریسمان کیهانی در حال برخورد، یک دور بزند، کمتر از ۳۶۰ درجه حرکت کرده است، زیرا در این حالت فضا منقبض شده است!

این اتفاق به‌دلیل وجود توپولوژی مخروطی است. اگر ما یک دور کامل به دور یک مخروط بچرخیم، خواهیم دید که کمتر از ۳۶۰ درجه جابه‌جا شده‌ایم. بنابراین با حرکت سریع به دور دو ریسمان می‌توانید، از سرعت نور پیشی بگیرید، زیرا مسافت طی شده در مجموع، کمتر از آن چه که انتظار می‌رود خواهد بود. این مسئله نسبیت خاص را نقض نمی‌کند، زیرا از نظر شما موشکتان هرگز از سرعت نور پیشی نمی‌گیرد.

این ادعا بدان معنا است، که اگر دور ریسمان‌های کیهانی در حال برخورد سفر کنید، می‌توانید به گذشته بازگردید!

گات درباره‌ی این پدیده چنین می‌گوید؛

زمانی‌ که این راه‌حل را یافتم، کاملا هیجان زده بودم. در این راه‌حل، فقط از ماده با چگالی مثبت استفاده شده که با سرعتی کمتر از سرعت نور حرکت می‌کند. در مقایسه،با  پاسخ کرم چاله که به ماده‌‌ای عجیب با چگالی انرژی منفی (ماده‌ای که وزن آن کمتر از هیچ است) نیاز است، این پاسخ معقولانه‌تر به نظر می‌رسد!

اما انرژی مورد نیاز ماشین زمان فوق‌العاده زیاد است. گات می‌گوید؛

برای سفر به گذشته، به ریسمان‌های کیهانی، با جرم واحد طول برابر با حدود ۱۰ میلیون میلیارد تن در سانتی‌متر که هرکدام با سرعتی برابر با حداقل

۹۹/۹۹۹۹۹۹۹۹۹۶ درصد سرعت نور در جهات مخالف هم حرکت کنند، نیاز داریم! در جهان، پروتون‌های پرانرژی وجود دارند، که حداقل با این سرعت حرکت می‌کنند. بنابراین دستیابی به چنین سرعت‌هایی امکان‌پذیر است.

برخی منتقدین به این امر اشاره می‌کردند، که خود ریسمان‌های کیهانی، با فرض اینکه اصلا وجود داشته باشند، بسیار به ندرت یافت می‌شوند و در نتیجه احتمال یافتن ریسمان‌های کیهانی در حال برخورد نیز، بسیار بسیار کم خواهد بود! بنابراین گات بیان کرد، که یک تمدن پیشرفته ممکن است، روزی یک ریسمان کیهانی را در فضا یافته و با استفاده از فضاپیماهای غول پیکر و ابزار فضایی، بتواند ریسمان را به‌صورت حلقه‌ی مستطیل شکل که کمی خم شده است، در آوَرد.

او همچنین فرض کرد که این حلقه ممكن است، تحت گرانش خود فرو بپاشد، به نحوی که دو قطعه‌ی صاف ریسمان کیهانی، با سرعتی نزدیک به سرعت نور از کنار یکدیگر بگذرند و به این ترتیب یک ماشین زمان ساخته شود! با این وجود گات بیان می‌کند؛

حلقه‌ای از ریسمان کیهانی، آنقدر بزرگ که بتوانید با یک چرخش دور آن، یک سال به عقب برگردید، باید بیش از نصف ماده-انرژی یک کهکشان کامل را داشته باشد!

پارادوکس های زمان

دلیل دیگری که فیزیکدانان را از قبول ایده‌ی سفر در زمان باز می داشت، وجود پارادوکس‌های زمان بود. به‌عنوان مثال؛ اگر شما به گذشته سفر کنید و پدر و مادر خود را قبل از تولدتان به قتل برسانید، در این صورت تولد شما دیگر غیر ممکن خواهد بود. بنابراین هرگز نمی‌توانید به گذشته سفر کنید، تا پدر و مادر خود را به قتل برسانید. این مسئله از این جهت اهمیت دارد، که علم براساس ایده‌هایی که منطقا با هم سازگار باشند، شکل می‌گیرد. وجود یک پارادوکس زمان موثق، کافی است تا بتوان سفر در زمان را به کلی رد کرد! پارادوکس‌های زمان را می‌توان به گروه‌های متعددی تقسیم کرد:

پارادوکس پدربزرگ: در این پارادوکس گذشته را به‌گونه‌ای تغییر می دهیم، که اکنون را غیرممکن می‌کند. به‌عنوان مثال، با بازگشت به گذشته بسیار دور، در زمان دایناسورها، تصادفا پای خود را روی یک پستاندار خزدار کوچک، که نیای اصلی انسان است، می گذارید. با ازبین‌بردن اجداد خود، مسلما دیگر وجود نخواهید داشت!

پارادوکس اطلاعات: در این پارادوکس، انتقال اطلاعات از آینده به گذشته، عدم وجود منشاء مشخصی برای اطلاعات را نتیجه می‌دهد. به‌عنوان مثال، فرض کنید که دانشمندی یک ماشین زمان بسازد و سپس به گذشته رفته تا اسرار سفر در زمان را به خودش در زمان جوانی منتقل کند. به این ترتیب معمای سفر در زمان منشاء و آغازی نخواهد داشت، زیرا ماشین زمانی‌که دانشمند جوان خواهد داشت، به وسیله‌ی خودش ساخته نشده بلکه به وسیله خود پیرترش به او داده شده است!

پارادوکس بیلکر: در این پارادوکس، فرد می‌داند که آینده چگونه خواهد بود و کاری می‌کند که آینده را غیرممکن سازد. به‌عنوان مثال؛ ماشین زمانی می‌سازید که شما را به آینده ببرد و می‌بینید که تقدیر شما بر این بوده است، که با زنی با نام سارا ازدواج کنید، با این وجود عمدا تصمیم می‌گیرید، که در عوض با هلن ازدواج کنید و به این ترتیب آینده خود را غیرممکن میکنید.

پارادوکس جنسی: در این پارادوکس، شما پدر خود می شوید، که از نظر بیولوژیکی پدیده‌ای غیرممکن است. در داستانی که به وسیله‌ی فیلسوف بریتانیایی، جاناتان هریسون نوشته شده است، قهرمان داستان نه‌تنها پدر خود می‌شود، بلکه خود را نیز می خورد. در داستان کلاسیک رابرت هینلین تمام شما زامبی‌ها، قهرمان داستان، هم زمان مادر، پدر، دختر و پسر خود است، به عبارتی شجره‌ی فامیلی درون خودش است! (حل معمای پارادوکس جنسی واقعا ظریف و نيازمند آگاهی در مورد سفر در زمان و مکانیک DNA است)

آیزاک اسیموف در کتاب انتهای ابدیت نیرویی به نام «پلیس زمان» را به تصویر می‌کشد، که مسئول جلوگیری از وقوع این پارادوکس هاست. مجموعه فیلم‌های ترمیناتور، به پارادوکس اطلاعات مربوط می‌شود. دانشمندان ریزتراشه‌ای را مورد مطالعه قرار می‌دهند، که روباتی از آینده به اکنون آورده است و توسط آن نسلی از ربات‌ها را می سازند، که هوشمندند و بر جهان مسلط می‌شوند. به بیان دیگر این اَبرروبات‌ها هرگز به وسیله یک مخترع طراحی نشده‌اند، بلکه به‌سادگی از قطعه‌ی بجا مانده از یک ربات آینده حاصل آمده‌اند. درست است که فیلمنامه نویسان، به منظور ساختن فیلم‌های تأثیرگذار هالیوودی، عمدا قوانین فیزیک را زیر پا می‌گذارند، اما در مجامع فیزیکی این پارادوکس‌ها بسیار جدی گرفته می‌شوند. هرگونه راه حلی که برای این پارادوکس‌ها ارائه می‌شود، باید با نظریه کوانتوم و نسبیت سازگار باشد!

به‌عنوان مثال برای سازگاری با نسبیت، رودخانه‌ی زمان نمی تواند مسدود شود. یعنی شما نمی‌توانید روی رودخانه زمان سد بزنید. زمان در نسبیت عام، به‌صورت یک سطح پیوسته و هموار توصیف می‌شود و نمی توان آن را پاره کرد. ممکن است توپولوژی خود را تغییر دهد، ولی نمی تواند متوقف شود. یعنی، اگر قبل از تولد، پدر و مادر خود را به قتل برسانید، نتیجه آن تنها این نیست که شما از صحنه روزگار ناپدید می شوید، بلکه این مسئله قوانین فیزیک را نقض خواهد کرد

در حال حاضر فیزیکدانان، حول دو راه‌حل ممکن برای پارادوکس‌های زمان گرد آمده‌اند. نخست، کیهان شناس روسی، ایگور نوویکوف‌، معتقد است که ما مجبوریم به‌گونه‌ای عمل کنیم، که هیچ پارادوکسی رخ ندهد. دیدگاه او مكتب قائمیت بالذات نامیده می‌شود. او عقیده دارد اگر رودخانه‌ی زمان به آرامی چرخیده و گردابی بسازد، دستی نامرئی، به هر ترتیبی، مداخله کرده و در صورتی که بخواهیم با سفر به گذشته، منجر به ایجاد یکی از این پارادوکس‌ها شویم، جلوی ما را می‌گیرد. اما از طرفی دیدگاه نوویکوف، تناقضاتی را با مسئله‌ی اختیار ایجاد می‌کند. نوویکوف عقیده دارد که قانون ناشناخته‌ای در فیزیک وجود دارد، که جلوی هر عملی را که آینده را تغییر دهد، می‌گیرد. او نوشته است؛

ما نمی‌توانیم، مسافری را به باغ بهشت بفرستیم، تا حوا را از چیدن سیب منصرف کند!

این نیروی مرموز که ما را از تغییر گذشته و در نتیجه ایجاد پارادوکس، باز می‌دارد چیست؟ او می نویسد؛

وجود چنین جبری بر اختيار ما، غیر طبیعی و مرموز است. بااین‌حال، نمی‌توان وجود این دو را به موازات هم منتفی دانست!

به‌عنوان مثال؛ شاید من بخواهم بدون کمک هیچ ابزاری روی سقف راه بروم. قانون گرانش من را از انجام این کار باز می‌دارد؛ اگر سعی کنم، پایین می‌افتم، بنابراین اختيار من محدود می‌شود!

از طرف دیگر، زمانی‌که اجسام بی‌جان (بدون هیچ اختیاری) به گذشته منتقل شوند، امکان وقوع پارادوکس‌های زمان باز هم وجود خواهد داشت. فرض کنیم که مسلسل را به سال ۳۳۰ قبل از میلاد، درست قبل از جنگ تاریخی بین اسکندر کبیر و داریوش سوم از ایران، بفرستید و دستور استفاده از آن را هم ضمیمه کنید. در آن صورت به احتمال زیاد تمام تاریخ اروپا بعد از آن زمان تغییر می‌کرد و ممکن بود اکنون به‌جای زبان اروپایی، خود را در حال صحبت به زبان فارسی می‌یافتیم!

در حقیقت، حتی کوچک‌ترین اختلال در گذشته می‌تواند پارادوکس های غیرمنتظره‌ای را در زمان حاضر پدید آورد. به‌عنوان مثال، در نظریه آشوب از «اثر پروانه‌ای» استفاده می‌شود. در اوقات بحرانی شکل گیری آب و هوای زمین، حتی لرزش بال‌های یک پروانه اعوجاجاتی را ایجاد می‌کند، که می‌تواند تعادل میان نیروها را بر هم بزند و طوفان‌های قدرتمندی ایجاد کند. حتی کوچک‌ترین اجسام بی‌جانی که به گذشته فرستاده شوند، ناچار گذشته را به‌صورت غیرقابل پیش‌بینی تغییر می‌دهند و نتیجه‌ی آن، یک پارادوکس زمان است!

روش دوم برای حل پارادوکس زمان این است، که رودخانه‌ی زمان به آرامی دو شاخه شود و به این ترتیب دو دنیای مجزا را شکل دهد. به بیان دیگر، اگر قرار بود به گذشته سفر کنید و قبل از تولد خود، پدر و مادرتان را هدف گلوله قرار دهید، احتمالا در جهان دیگری، افرادی را که از نظر ژنتیکی درست شبیه پدر و مادر شما هستند، خواهید کشت؛ جهانی که در آن شما هرگز متولد نخواهید شد. اما پدر و مادر شما در جهان اصلی آسیبی نخواهند دید!

این فرضیه‌ی دوم، «نظریه جهان‌های بی‌شمار» نامیده می‌شود؛ این ایده که تمام جهان‌های کوانتومی ممکن، احتمالا وجود دارند، این امر واگرایی هاوکینگ را منتفی می‌کند زیرا در این حالت تابش مثل فضای مایسنر مکررا وارد کرم چاله نمی‌شود، بلکه فقط تنها یک بار از آن عبور می‌کند. هربار که از داخل کرمچاله می‌گذرد، وارد جهان جدیدی می‌شود و این پارادوکس شاید به عمیق‌ترین پرسش در نظریه‌ی کوانتوم منجر شود: چگونه یک گربه می‌تواند در یک زمان، هم مرده و هم زنده باشد؟

برای پاسخ به این سؤال، فیزیکدانان مجبور بودند، تا به دو راه‌حل بیندیشند؛ یا نوعی هوشیاری و خرد کیهانی وجود دارد که ناظر ماست، یا بی‌نهایت جهان کوانتومی وجود دارد!

پایان قسمت دوم

پیشنهاد می‌شود که پس از گذشت ۲۴ ساعت از مطالعه این بخش، اقدام به مطالعه‌ی بخش سوم این مقاله کنید.

جهان های کوانتومی موازی

اگر به‌گونه‌ای بتوانیم احتمال رویدادهای غیرمحتمل مشخصی را کنترل کنیم، در این صورت هر چیزی، حتی حرکت با سرعتی بیشتر از سرعت نور یا حتی سفر در زمان امکان‌پذیر خواهد شد. دسترسی به ستاره‌های دوردست، تنها در عرض چند ثانیه، بسیار بعید به نظر می‌رسد. اما اگر کسی بتواند احتمالات کوانتومی را به دلخواه خود کنترل کند، در این صورت حتی غیرممکن نیز، ممکن خواهد شد!

اساس نظریه کوانتوم بر این ایده بنا شده است، که تمام رویدادهای محتمل، هرچقدر عجیب یا احمقانه که باشند، احتمال دارد روزی اتفاق بیفتد. این ایده، به نوبه‌ی خود، در قلب نظریه جهان تورمی قرار دارد؛ زمانی‌که انفجار بزرگ اولیه رخ داد، تغییر حالتی کوانتومی صورت گرفت، که در آن ناگهان جهان به مقدار بسیار زیادی متورم شد. به این ترتیب، جهان ما می‌تواند از یک جهش کوانتومی غیرمحتمل بیرون جهیده باشد. آدامز به شوخی می‌گوید؛

ما فیزیکدان‌ها دریافتیم، که اگر به‌گونه‌ای بتوانیم این احتمالات را کنترل کنیم، می‌توانیم شاهکارهایی خلق کنیم، که با جادوگری فرقی نداشته باشند، اما در حال حاضر تغيير دادن احتمال رویدادها، بسیار فراتر از فناوری ما است!

براساس نظریه‌ی کوانتوم، این امکان وجود دارد که انسان ناگهان روی مریخ ظاهر شود. البته این احتمال چنان کوچک است، که برای رخ دادن آن باید زمانی بیشتر از حتی عمر جهان صبر کنیم. در نتیجه در زندگی روزمره‌ی ما می‌توان چنین رویدادهای غیرمحتملی را نادیده گرفت. درحالی‌که در سطوح زیراتمی، چنین احتمالاتی برای عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی، رایانه ها و لیزرها بسیار تعیین کننده و حیاتی محسوب می‌شوند.

در حقیقت درون اجزای رایانه شما الكترون‌ها به‌طور مرتب، شكل مادی خود را از دست داده و مجددا در طرف دیگر دیوارها ظاهر می‌شوند، باید اذعان کرد که اگر امکان این وجود نداشت، که یک الکترون در هر لحظه در دو مکان حضور داشته باشد، تمدن های مدرن کنونی از هم پاشیده می شدند!

مولکول‌های بدن ما نیز بدون این اصل مهم از هم فرو می‌پاشند. دو منظومه را در نظر بگیرید، که در فضا با هم برخورد می‌کنند و هر دو از قوانین گرانش نیوتون پیروی می‌کنند. این دو منظومه در برخورد با یکدیگر به ترکیب آشفته‌ای از سیارات و خرده سیارک‌ها تبدیل می‌شوند، به‌طور مشابه، اگر اتم‌ها از قوانین نیوتون تبعیت کنند، هر بار که با یکدیگر برخورد می‌کنند، متلاشی و از هم پاشیده خواهند شد. چیزی که دو اتم را در یک مولکول پایدار به یکدیگر قفل می‌کند، به این دلیل است که الکترون‌ها می‌توانند به‌طور همزمان در مکان های متعددی حضور داشته باشند. به این ترتیب که با تشکیل ابر الکترونی، باعث مقید شدن اتم‌ها به یکدیگر می‌شوند. بنابراین دلیل اینکه چرا مولکول‌ها پایدارند و جهان از هم نمی‌پاشد، این است که الكترون‌ها در یک زمان می‌توانند در مکان،های متعددی حضور داشته باشند!

اما اگر الكترون‌ها بتوانند در حالات موازی، بین بودن و نبودن شناور باشند، چرا جهان نتواند این‌گونه باشد؟ مگر نه اینکه جهان در مرحله‌ای از عمر خود حتی کوچک‌تر از یک الکترون بوده است. هربار که احتمال اعمال اصل کوانتوم را به جهان مطرح می‌کنیم، ناچاریم موضوع جهان‌های موازی را بررسی کنیم.

ذهن اعجوبه: جان ویلر

شاید به غیر از اینشتین و بور، هیچ کس بیشتر از جان ویلر با فراز و نشیب‌های نظریه کوانتوم دست به گریبان نشده است. آیا تمام حقیقت فیزیکی، تنها یک خیال باطل است؟ آیا جهانهای موازی کوانتومی وجود دارند؟

درگذشته، ويلر قبل از اینکه ذهن خود را مشغول پارادوکس‌های پیچیده کوانتومی کند، از احتمالات کوانتومی در ساخت بمب هیدروژنی و اتمی استفاده کرد و در مطالعه سیاه چاله‌ها قدم پیش نهاد. آن طور که شاگرد او، ریچارد فاینمن گفته است؛

جان ویلر آخرين غول یا به عبارتی ذهن اعجوبه‌ای بود، که با نتایج احمقانه‌ی نظریه کوانتوم دست به گریبان شد!

ویلر کسی بود، که در سال ۱۹۶۷ در کنفرانسی در انستیتوی مطالعات فضایی ناسا در شهر نیویورک، پس از کشف اولین تپ اخترها، نام سیاه چاله را پیشنهاد کرد.

در قسمت‌های قبلی (قسمت پنجم و ششم) به‌طور کامل تابع موج را معرفی کردیم و درباره‌ی آن حرف زدیم. می‌دانیم، تابع موج، تنها احتمال این را بیان می‌کند، که الكترون این جا یا آنجا قرار داشته است. اگر مقدار تابع موج در نقطه‌ی مشخصی بزرگ باشد، این سخن بدین معنی است که احتمال زیادی وجود دارد که الکترون در آن نقطه باشد. اگر این مقدار کوچک باشد، بنابراین احتمال کمی وجود دارد که بتوان الکترون را در آن نقطه یافت.

به‌عنوان مثال، اگر می‌توانستیم تابع موج یک انسان را ببینیم، به‌طور قابل ملاحظه‌ای شبیه خود فرد می بود. با این همه، تابع موج به آرامی به درون فضا نیز گسترش می‌یابد. به این معنی که احتمال کوچکی نیز وجود دارد، که این فرد روی ماه یافت شود.

تابع موج یک درخت می‌تواند احتمال اینکه درخت ایستاده یا در حال افتادن باشد را تعیین کند، ولی یقینا نمی‌تواند بگوید، که واقعا درخت در چه حالتی قرار دارد. اما ما می‌دانیم که اجسام در حالات معین و قطعی هستند. زمانی‌که به درختی می‌نگرید، درخت قطعا در مقابل شما قرار دارد، ایستاده یا افتاده؛ اما نمی تواند در هر دو حالت باشد!

برای ازبین‌بردن این ناهمخوانی میان امواج احتمال و مفهوم شناخته شده وجود، بور و هایزنبرگ بیان داشتند، پس از اینکه یک ناظر بیرونی اندازه گیری انجام می‌دهد، تابع موج به نحوی جادویی فرو می‌پاشد و الکترون به حالت معینی می‌رود؛ یعنی پس از نگاه کردن به یک درخت می بینیم که واقعا ایستاده است. به بیان دیگر، فرایند مشاهده، حالت نهایی یک الکترون را تعیین می‌کند. مشاهده، نفشی حیاتی در وجود ایفا می‌کند. پس از نگریستن به الكترون، تابع موج آن از هم می‌پاشد. بنابراین الکترون هم‌اکنون در حالت معینی قرار داشته و دیگر نیازی به تابع موج نخواهد بود!

اصول اساسی مکتب کپنهاگ بور را می‌توان به‌طور کلی به‌صورت زیر خلاصه کرد:

۱- انرژی به‌صورت بسته‌هایی مجزا است، که کوانتوم نامیده می‌شوند.

۲- ماده به‌صورت ذرات نقطه‌ای مشاهده می‌شود، درحالی‌که احتمال یافتن این ذرات به‌صورت یک موج بیان می‌گردد. این موج به نوبه‌ی خود از یک معادله موج مشخص پیروی می‌کند. (مثل معادله موج شرودینگر)

٣- قبل از اینکه مشاهده‌ای صورت پذیرد، یک جسم در تمام حالات محتمل خود، به‌طور همزمان وجود دارد. برای تعیین اینکه جسم در کدام حالت قرار دارد، باید مشاهده‌ای صورت پذیرد، که منجر به از بین رفتن تابع موج شده و جسم به حالت معینی می‌رود. عمل مشاهده، تابع موج را از بین برده و پس از آن جسم موجودیت معینی خواهد داشت. آنچه تابع موج برای ما فراهم آورده است، احتمال دقیق یافتن جسم در آن حالت مشخص است.

تلپورت یا دورنوردی کوانتومی

ممکن است روزی بتوان کاربرد عملی دیگری برای جهان‌های موازی کوانتومی یافت. دورنوردی کوانتومی، انتقال دهنده‌ای است، که در سریال پیشتازان فضا و دیگر برنامه‌های علمی--تخیلی، برای انتقال افراد و تجهیزات در فضا استفاده می‌شود و بیشتر شبیه به روش مرموزی برای کوتاه کردن فواصل زیاد به نظر می‌رسد. اما به نظر می‌رسد در عین امیدوار کننده بودن این ایده، یعنی انتقال به دور، با اصل عدم قطعیت در تناقض باشد. با اعمال فرایند اندازه‌گیری روی یک اتم، حالت اتم خراب می‌شود و بنابراین دیگر نمی‌توان کپی دقیقی از آن ساخت!

اما دانشمندان در سال ۱۹۹۳، ازطریق مفهومی به نام «وابستگی کوانتومی» ، موفق به یافتن راه حلی برای این مسئله شدند. این مسئله براساس آزمایش قدیمی که در سال ۱۹۳۵ به وسیله اینشتین و همکارانش بورس پودولسکی و ناتان روزن ترتیب داده شده بود، به نام پارادوکس EPR بنا شده است. هدف از انجام این آزمایش نشان دادن احمقانه بودن نظریه کوانتوم بود. فرض کنید انفجاری رخ می‌دهد و دو الکترون در جهات مخالف و تقریبا نزدیک به سرعت نور، پرتاب می‌شوند. از آنجایی که الكترون‌ها می‌توانند دور خود بچرخند، یا اسپین داشته باشند، فرض کنید که اسپین آن‌ها به هم وابسته باشد، یعنی اگر یکی از الکترون‌ها جهت محور چرخشش به سمت بالا باشد، جهت چرخش الکترون دیگر به سمت پایین خواهد بود. به‌گونه‌ای که مجموع اسپین‌ها برابر صفر است. بااین‌حال قبل از اینکه اندازه‌گیری انجام دهیم، نمی دانیم که هر یک از الکترون‌ها در چه جهتی در حال چرخش هستند.

حال، سال‌های متمادی صبر کنید. در این زمان الکترون‌ها چندین سال نوری از هم فاصله گرفته‌اند. حال اگر اسپین یکی از الکترون‌ها را اندازه بگیریم و مشاهده کنیم که اسپین آن به سمت بالاست، سپس فورا در می‌یابیم، که اسپين الكترون دیگر به سمت پایین است و بالعکس!

درواقع این حقیقت که یکی از الکترون‌ها اسپینش به سمت بالاست، الکترون دیگر را مجبور می‌کند که اسپینی به سمت پایین اختیار کند. یعنی فورا می‌توانیم در مورد الکترونی با فاصله‌ی چندین سال نوری اطلاع حاصل کنیم. این‌گونه به نظر می‌رسد، که اطلاعات سریع‌تر از سرعت نور منتقل شده‌اند، که در تناقض آشکار با نسبیت خاص اینشتین است. با استفاده از دلایل هوشمندانه اینشتین موفق شد، نشان دهد که با انجام دادن اندازه‌گیری موفقیت آمیز روی یکی از جفت‌ها، می‌توان اصل عدم قطعیت را زیر سؤال برد. مهم‌تر از این او نشان داد، که مکانیک کوانتومی از آن چه که قبلا تصور می‌شد، بسیار عجیب‌تر بود!

تا آن زمان فیزیکدانان عقیده داشتند که جهان مفهومی محلی است و تحولات در یک بخش از جهان، تنها به‌صورت محلی از منبع خود منتشر می‌شوند. اینشتین نشان داد که مکانیک کوانتومی ضرورتا غير محلی است و تحولات ناشی از یک منبع می‌تواند، آن بخش‌های دوردست جهان را نیز متاثر کند. اینشتین نام آن را «تاثیر شبح وار از فاصله دور» نامید، که البته گمان می‌کرد نامعقول و بی معنی است. بنابراین اینشتین اندیشید که نظریه کوانتوم باید اشتباه باشد.

متخصصان مکانیک کوانتومی توانستند، پارادوکس اینشتین-پودولسکی-روزن را با این فرض حل کنند، که اگر تجهیزات ما تنها به اندازه کافی حساس بودند، واقعا می‌توانستند جهت چرخش الکترون‌ها را تعیین کنند. وجود ظاهری عدم قطعیت به‌دلیل ناکارآمدی تجهیزات ما و امری تخیلی است. آن‌ها مفهومی را با عنوان متغیر نهانی معرفی کردند، به این معنی که یک نظریه نهانی زیرکوانتومی وجود دارد، که در آن هیچ عدم قطعیتی نیست و براساس متغیرهای جدیدی به نام متغیرهای نهانی بنا شده است.

در سال ۱۹۶۴، زمانی‌که فیزیکدانی به نام جان بل، پارادوکس EPR و متغیرهای نهانی را در معرض تست قرار داد، خیلی چیزها آشکار شد، او نشان داد که در آزمایش EPR، وابستگی عددی میان اسپین‌های دو الکترون به نظریه مورد استفاده بستگی دارد. اگر نظریه‌ی متغیرهای نهانی، همان‌طور که برخی عقیده داشتند درست باشد، اسپین‌ها به یک روش به هم وابسته هستند و اگر مکانیک کوانتومی درست باشد، اسپین‌ها به روش دیگری به هم وابسته خواهند بود. به بیان دیگر، مکانیک کوانتومی (اساس تمام فیزیک اتمی مدرن)، با استناد به تنها یک آزمایش دچار فراز و نشیب می‌شد.

اما آزمایش‌ها به‌طور قطع ثابت کردند، که اینشتین اشتباه می کرده است! در اوایل دهه ۱۹۸۰، آلن اسپکت و همکارانش در فرانسه آزمایش EPR را با استفاده از دو آشکارساز، با فاصله‌ی ۱۳ متر از یکدیگر، ترتیب دادند. در این آزمایش اسپین فوتون‌های منتشر شده از اتم‌های کلسیم، مورد اندازه‌گیری قرار می‌گرفت. در سال ۱۹۹۷، آزمایش EPR با کمک آشکارسازهایی، با فاصله ۱۱ کیلومتر، انجام گرفت. در هر دو مورد، نظریه کوانتوم پیروز شد. نوع مشخصی از اطلاعات، سریع‌تر از نور حرکت می‌کنند. اگرچه اینشتین در مورد آزمایش EPR اشتباه می‌کرد، ولی او در مورد مسئله‌ی مهم‌تر مخابرات سریع‌تر از نور درست می‌گفت. آزمایش EPR، اگرچه به شما امکان می‌دهد اطلاعاتی را فورا از طرف دیگر کهکشان کسب کنید، ولی به شما امکان نمی‌دهد، که از این طریق پیغامی را ارسال کنید. به‌عنوان مثال نمی‌توانید کد مورس را از این طریق بفرستید. در حقیقت یک فرستنده EPR تنها سیگنال‌های تصادفی را می‌فرستد، زیرا هر بار که اسپین را اندازه گیری می‌کنید، به‌طور تصادفی می‌تواند متفاوت باشد. درست است که آزمایش EPR به شما امکان می‌دهد، داده‌هایی را در ارتباط با طرف دیگر کهکشان کسب کنید، ولی به شما امکان نمی‌دهد که اطلاعات مفیدی را، که تصادفی نیستند، ارسال کنید!

بل این اثر را با استفاده از مثالی از یک ریاضیدان به نام برتلزمان توضیح داده است. این ریاضیدان دارای عادت عجیبی بود، که بر طبق آن هر روز به‌صورت تصادفی یک لنگه جوراب آبی و یک لنگه جوراب سبز می‌پوشید. اگر روزی می‌دیدید، که لنگه پای چپ او آبی است، با سرعتی سریع‌تر از نور می‌فهمیدید، که لنگه دیگر سبز است. اما دانستن این موضوع به این معنی نیست، که می‌توانید این اطلاعات را به همین روش انتقال دهید. آشکارسازی اطلاعات با ارسال آن تفاوت دارد. آزمایش EPR به این معنی نیست که می توانیم اطلاعات را ازطریق تله‌پاتی، سفر سریع‌تر از زمان، یا سفر در زمان مخابره کنیم. غیرممکن است خودمان را از یکتایی جهان جدا کنیم!

به این ترتیب تصویر متفاوتی از جهان برای ما شکل می‌گیرد. در این تصویر، بین هر اتم از بدن ما و اتم‌هایی که چندین سال نوری با ما فاصله دارند، وابستگی کیهانی وجود دارد. از آن جایی که تمام مواد، از یک انفجار ، همان انفجار بزرگ، ناشی شده‌اند، اتم‌های بدن ما به‌نوعی با اتم‌های دیگری در طرف دیگر جهان، در نوعی شبکه‌ی کوانتومی کیهانی، پیوند دارند. ذرات مقید به هم، به‌نوعی شبیه به دوقلوهایی هستند که هنوز ازطریق بند ناف (تابع موج آن‌ها)، که می‌تواند طولی برابر چندین سال نوری داشته باشد، به هم اتصال دارند. اتفاقی که برای یکی از این زوج بیفتد، به‌طور خودکار روی دیگری نیز اثر می‌گذارد و بنابراین دانش مربوط‌ به یک ذره می‌تواند، آن دانش مربوط‌ به دیگری را آشکار کند. زوج های مقید به‌گونه‌ای رفتار می‌کنند، که انگار یکی هستند، اگرچه ممکن است از هم فاصله بسیاری گرفته باشند.

می‌توان گفت؛ توابع موج ذرات در انفجار بزرگ زمانی متصل و همدوس بوده‌اند و بنابراین تابع موج آن‌ها ممکن است، هنوز هم میلیاردها سال پس از انفجار بزرگ تا اندازه‌ای به هم متصل باشند. به‌گونه‌ای که، تحولات در یک بخش از تابع موج می‌تواند، بخش دیگری را در فاصله دور تحت تاثیر قرار دهد.

در سال ۱۹۹۳، دانشمندان با استفاده از مفهوم وابستگی EPR، مکانیزمی را برای دورنوردی کوانتومی ارائه کردند. در سال ۱۹۹۷ و ۱۹۹۸، دانشمندان کلتک، دانشگاه آرهوس در دانمارک و دانشگاه ولز، اولین نمایش آزمایشگاهی دورنوردی کوانتومی را ارائه کردند. در این آزمایش یک فوتون تنها، در عرض یک میز منتقل گردید. یکی از اعضای این تیم به نام ساموئل براونشتین از دانشگاه ولز، زوج‌های مقید را به عاشقانی تشبیه کرده است، که یکدیگر را آنقدر خوب می‌شناسند، که می‌توانند حتی زمانی‌که از هم دور هستند، به سوالاتی در مورد معشوق خود پاسخ دهند!

در آزمایش دورنوردی کوانتومی به سه جسم نیاز داریم؛ B ،A و C. فرض کنید A و B دوقلوهایی هستند، که نسبت به هم مقیدند. اگرچه ممکن است B و C از هم فاصله گرفته باشند، اما هنوز هم نسبت به هم مقیدند. حال فرض کنید که B با A که جسمی است که باید به دور منتقل شود، برخورد داشته باشد. B ،A را بررسی کرده و بنابراین اطلاعات موجود در A به B منتقل می‌شود. آنگاه این اطلاعات به‌طور اتوماتیک به C منتقل می‌شود. بنابراین به نسخه رونوشت A بدل خواهد شد!

پیشرفت در دورنوردی کوانتومی، به سرعت در حال شکل گیری است. دانشمندان دانشگاه ژنو در سوییس توانستند، ازطریق کابل فیبر نوری، فوتون‌ها را در فاصله‌ی ۲ کیلومتر، به راه دور منتقل کنند. فوتون‌های نوری، با طول موج ۱/۳ میلی‌متر، در آزمایشگاهی، به فوتون‌های نوری با طول موج ۱/۵۵ میلی‌متر، به آزمایشگاهی که به وسیله یک کابل بلند به هم متصل شده بودند، منتقل شدند!

نیکولاس گیسین، یکی از فیزیکدانان این پروژه گفته است؛

احتمالا در مدت زمان حیات من، اجرام بزرگتری مثل مولکول، به دور منتقل خواهند شد، اما اجرام بزرگ واقعی را نمی‌توان با استفاده از فناوری‌های قابل تصور، به دور منتقل کرد!

در سال ۲۰۰۴، زمانی‌که دانشمندان در انستیتوی ملی استانداردها و فناوری، موفق شدند که نه‌تنها کوانتومی از نور (فوتون)، بلکه یک اتم کامل را به دور انتقال دهند، پیشرفت مهم دیگری صورت گرفت. آن‌ها موفق شدند سه اتم برلیم را به یکدیگر مقید کرده و به این ترتیب مشخصات یک اتم را به دیگری منتقل کنند.

کاربردهای عملی دورنوردی کوانتومی، بالقوه عظیم هستند. بااین‌حال نباید فراموش کرد، که مشکلات عملی متعددی در مسیر دور نوردی کوانتومی قرار دارد. نخست اینکه جرم اصلی در طول فرایند از بین می‌رود و بنابراین نمی‌توانید کپی دیگری، از جرم منتقل شده، بسازید و تنها امکان یکبار کپی برداری وجود دارد. دوم اینکه شما نمی‌توانید جرمی را سریع‌تر از نور، به دور منتقل کنید. نسبیت هنوز هم حاکم است، حتی برای دورنوردی کوانتومی (برای دور نوردی جرم A به جرم C، هنوز هم به جرم واسط B نیاز است، که آن دو را به هم متصل کرده و آهسته‌تر از سرعت نور حرکت می‌کند) سوم اینکه، شاید مهم‌ترین محدودیت دورنوردی کوانتومی همان مشکلی است، که در محاسبات کوانتومی با آن مواجه می شویم اجرام مورد نظر باید همدوس باشند.

 وجود کوچک‌ترین آلودگی در محیط، دورنوردی کوانتومی را با مشکل مواجه خواهد کرد. اما با وجود همه‌ی این ها ممکن است، که در قرن بیست و یکم شاهد دورنوردی اولین ویروس باشیم. دورنوردی انسان‌ها ممكن است، مشکلات دیگری را نیز برانگیزد. برانشتین می گوید؛

در این مورد، مسئله کلیدی در حال حاضر مقدار خالص اطلاعات است. چنین انتقالی حتی با کمک بهترین کانال‌های مخابراتی امروزی، پیش از عمر جهان طول می‌کشد!

تابع موج جهان

شاید تحقق نهایی نظریه‌ی کوانتوم زمانی رخ دهد، که مکانیک کوانتومی را نه فقط روی فوتون‌های مستقل، بلکه بر کل جهان اعمال کنیم. استیون هاوکینگ به طنز گفته است؛

هر بار به معمای گربه می‌اندیشم، به‌دنبال اسلحه خود می‌گردم!

او راه‌حل خود را برای این معما ارائه کرده است؛ داشتن تابع موجی برای کل جهان! اگر کل جهان بخشی از تابع موج باشد، آنگاه دیگر نیازی به یک مشاهده‌گر (کسی که باید بیرون از جهان وجود داشته باشد) نخواهد بود.

در نظریه کوانتوم، هر ذره‌ای، با یک موج همراه است. موج نیز به نوبه‌ی خود، احتمال یافتن ذره را در هر نقطه نشان می‌دهد. جهان، زمانی‌که بسیار جوان بوده است، از یک ذره زیراتمی نیز کوچک تر بوده است، بنابراین شاید خود جهان نیز تابع موجی داشته باشد. از آنجا که الكترون می‌تواند، به‌طور هم زمان در حالات متعددی وجود داشته باشد و از آنجا که جهان از یک الکترون هم کوچکتر بوده است، بنابراین شاید جهان نیز به‌طور همزمان در حالات متعددی وجود داشته است، که ازطریق یک اَبر تابع موج تعریف می‌شود.

این شکل دیگری از نظریه جهان‌های متعدد است و به یک ناظر کیهانی، که بتواند کل جهان را به یکباره مشاهده کند، نیازی نیست. اما تابع موج هاوکینگ کاملا با تابع موج شرودینگر متفاوت است. در تابع موج شرودینگر، در هر نقطه در فضا-زمان، یک تابع موج وجود دارد. در تابع موج هاوکینگ، برای هر جهان یک موج وجود دارد. به‌جای تابع Ψ شرودینگر، که تمام حالات ممكن الكترون را توصیف می‌کند، هاوکینگ تابع Ψای را معرفی می‌کند، که بیانگر تمام حالات ممكن جهان است. در مکانیک کوانتومی معمولی، الکترون در فضای معمولی وجود دارد. بااین‌حال در تابع موج جهان، تابع موج در «اَبر فضا» وجود دارد؛ فضای تمام جهان‌های ممکن که ویلر معرفی کرده است!

این تابع موج اصلی (مادر تمام توابع موج)، از معادلات شرودینگر (که فقط برای الكترون تنها صادق است) تبعیت نمی‌کند، بلکه از معادلات ویلر-دویت پیروی می‌کند، که برای تمام جهان‌های محتمل صادق است. در اوایل دهه ۱۹۹۰، هاوکینگ نوشت که قادر است تا اندازه‌ای تابع موج خود را از جهان، حل کرده و نشان دهد که محتمل‌ترین جهان، جهانی است، که دارای یک ثابت کیهانی نزدیک به صفر باشد.

این مقاله، به‌دلیل اینکه وابسته به حاصل جمع تمام جهان‌های محتمل بود، بحث انگیز شد. هاوکینگ، کرم چاله‌هایی که جهان ما را به تمام جهان‌های محتمل دیگر متصل می‌کنند، را نیز در این حاصل جمع، منظور کرد. 

سرانجام تردیدهایی در مورد روش بلندپروازانه‌ی هاوکینگ به وجود آمد. مشخص شد که حاصل جمع تمام جهان‌های محتمل از نظر ریاضی نامعتبر و غير قابل اطمینان است؛ حداقل تا زمانی‌که نظریه‌ی همه چیز برای به پیش راندن ما، وجود داشته باشد. منتقدان عقیده داشتند قبل از اینکه نظریه همه چیز ساخته شود، نمی‌توان درواقع به هیچ یک از محاسبات مربوط‌به ماشین زمان، کرم چاله‌ها، لحظه‌ی انفجار بزرگ و توابع موج جهان، اعتماد کرد!

به هر حال امروزه، تعداد زیادی از فیزیکدانان عقیده دارند، بالاخره توانسته‌ایم نظریه همه چیز، یا همان نظریه M را بیابیم. این همان نظریه‌ای است که اینشتین عقیده داشت، به وسیله‌ی آن ذهن خدا را خواند!

پایان قسمت سوم

پیشنهاد می‌شود که پس از گذشت ۲۴ ساعت از مطالعه این بخش، اقدام به مطالعه‌ی بخش چهارم و پایانی این مقاله کنید.

نظریه M مادر تمام ریسمان‌ها

از نظر تاریخی فیزیکدانان مصرانه با مفهوم فرافضا مقابله کرده‌اند. آن‌ها با تمسخر بیان می‌کردند، که ابعاد بالاتر در حیطه‌ی فکری معتقدان به ماوراء الطبيعه قرار دارد. به این ترتیب دانشمندانی که به‌طور جدی وجود دنیاهای نادیدنی را مطرح می‌کردند، همواره مورد تمسخر واقع می‌شدند. امروزه، اسرار مربوط‌به بعد چهارم، به دلیلی کاملا متفاوت مجددا احیا شده‌اند. با ورود نظريه‌ی M، این وضعیت تغییر کرد و مسئله‌ی ابعاد بالاتر، در مرکز انقلاب عظیم فیزیک قرار گرفت. فیزیکدانان مجبورند با بزرگ‌ترین معمایی که علم فیزیک امروزه با آن دست‌وپنجه نرم می‌کند، مواجه شوند؛ یعنی شکاف موجود میان نسبیت عام و نظریه کوانتوم!

این دو نظریه با هم، شامل مجموع تمام دانش فیزیکی جهان، در سطح بنیادی آن هستند. در حال حاضر تنها نظريه M قادر است، این دو نظریه در ظاهر متناقض و بزرگ را به یک مجموعه‌ی یکپارچه تبدیل ساخته، و رویای «نظریه همه چیز» را محقق کند. از بین تمام نظریه‌هایی که در قرن گذشته ارائه شده‌اند، تنها نظریه‌ای که از نظر اینشتین قابلیت خواندن ذهن خدا را دارد، نظریه M است.

می‌توان گفت تنها در فرافضای ده یا یازده بعدی، به اندازه کافی فضای خالی برای یکپارچه کردن تمام نیروهای طبیعت در یک نظریه زیبا و شکیل داریم. چنین نظریه‌ی شگفت آوری قادر خواهد بود، به سوالات همیشگی ما پاسخ دهد: قبل از آغاز جهان، چه اتفاقی افتاده است؟ آیا می‌توان زمان را معکوس کرد؟ آیا بُعد گذرها می‌توانند ما را در جهان جابه‌جا کنند؟

در طول پنجاه سال گذشته، تمام تلاش‌ها برای ایجاد یک توصیف کاملا یکپارچه از جهان، به شکست منتهی شده است. از نظر مفهومی درک این مسئله آسان است. نسبیت عام و نظریه‌ی کوانتوم از هر نظر شدیدا با هم در تضاد هستند. نسبیت عام نظریه‌ای است، برای اجرام بزرگ مانند؛ سیاه چاله‌ها، انفجارهای بزرگ، اختروش‌ها و جهان در حال انبساط.

این نظریه براساس رياضيات صفحات هموار بنا شده است؛ مثل ملحفه تخت یا تور آکروبات. از طرف دیگر، نظریه‌ی کوانتوم کاملا در نقطه مقابل قرار دارد. این نظریه؛ توصیف کننده‌ی جهان اجرام بسیار کوچک مانند؛ اتم‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها و کوارک‌ها است. اساس نظریه کوانتوم وجود بسته‌های مجزایی از انرژی به نام کوانتوم است. برخلاف نسبیت، نظریه کوانتوم بیان می‌کند که تنها احتمال رویدادها را می‌توان محاسبه کرد. بنابراین هیچگاه نمی‌توانیم با اطمینان مکان دقیق یک الکترون را بدانیم!

این دو نظریه بر مبنای ریاضیات متفاوت، فرضیات متفاوت، اصول فیزیکی متفاوت و در قلمروهای متفاوتی بنا شده‌اند. عجیب نیست که تمام تلاش‌ها برای یکپارچه کردن آن‌ها بی نتیجه مانده است!

غول‌های فیزیک، مانند اروین شرودینگر، ورنر هایزنبرگ، ولفگانگ پائولی و آرتور ادینگتون، کسانی که دنباله رویاینشتین بوده‌اند، همگی دستی بر نظریه میدان یکپارچه زده‌اند و البته همه شکست خورده‌اند!

در سال ۱۹۲۸، اینشتین با ارائه نسخه زودهنگام نظریه خود برای همه چیز، باعث ایجاد توفانی در رسانه‌ها گردید. مجله نیویورک تایمز حتی بخش‌هایی از این مقاله را، حاوی معادلات او منتشر کرد. بیش از صدها خبرنگار اطراف خانه او ازدحام کردند. ادینگتون از انگلستان برای اینشتین نوشت:

شاید برایتان جالب باشد بدانید، یکی از فروشگاه‌های بزرگ ما در لندن مقاله‌ی شما را روی شیشه خود نصب کرده است (هر شش صفحه را درکنار هم) ؛ به‌گونه‌ای که عابرین پیاده بتوانند آن را کامل بخوانند. جالب اینجا است که جمعیت زیادی برای خواندن آن جمع می‌شوند!

در سال ۱۹۴۶، اروین شرودینگر نیز خود را درگیر این مسئله کرد و آنچه را گمان می‌کرد همان نظریه افسانه‌ای میدان یکپارچه باشد، مطرح کرد. به‌دلیل عجله زیاد، شرودینگر در زمان خود کار تقریبا نامتعارفی را انجام داد؛ او کنفرانس خبری را ترتیب داد، که حتی نخست وزیر ایرلند، ایمون دى والرا، برای گوش دادن به صحبت‌های شرودینگر، در جلسه حضور پیدا کرد. زمانی‌که از او پرسیده شد، تا چه حد اطمینان دارد که توانسته است سرانجام نظریه میدان یکپارچه را بیابد، پاسخ داد؛

من ایمان دارم که درست می‌گویم. اگر اشتباه می‌کردم باید شبیه یک دلقک زشت می‌بودم!

در سال ۱۹۵۸، فیزیکدانی به نام ژرمی برنشتین، در یک سخنرانی در دانشگاه کلمبیا شرکت کرد. در این گردهمایی،ولفگانگ پائولی نسخه خود را از نظریه میدان یکپارچه، که آن را با کمک ورنر هایزنبرگ تهیه کرده بود، مطرح کرد.نیلز بور که در جمع مخاطبان قرار داشت، متقاعد نشد و بالاخره بلند شد و گفت؛

ما در این طرف، متقاعد شدیم که نظریه شما احمقانه است! اما آن چیزی که ما را از هم متمایز می‌سازد، این است که آیا نظریه شما به اندازه کافی احمقانه است یا نه؟

پائولی سریعا منظور بور را فهمید. اینکه نظریه هایزنبرگ-پائولی بسیار سنتی‌تر  و معمولی‌تر از آن بود، که بتواند نظریه میدان یکپارچه باشد. خواندن «ذهن خدا» معنی ارائه ریاضیات و ایده‌هایی است که از ریشه متفاوت باشند.

بسیاری از فیزیکدانان متقاعد شده‌اند که در پس هر چیز، نظریه‌ای ساده زیبا و قاطع وجود دارد، که بااین‌حال به اندازه‌ی کافی بی معنی و احمقانه است، که به نظر صحیح نیاید. جان ویلر از پرینستون، اشاره می‌کند که در قرن نوزدهم توصيف تنوع بی‌کران حیات روی کره زمین به‌طور ناامید کننده‌ای غیر ممکن به نظر می‌رسید. اما بعد چارلز داروین نظریه انتخاب طبیعی را مطرح کرد؛ نظریه‌ی مستقلی که ساختاری را برای توضیح منشاء و گوناگونی تمام حیات روی زمین ارائه می‌کرد.

استیون واینبرگ، دارنده جایزه نوبل، از مثال متفاوتی استفاده می‌کند. پس از کریستف کلمب، نقشه‌های به دست آمده از سفرهای جسورانه او و همراهانش نشان می‌دادند، که باید قطب شمالی وجود داشته باشد، ولی دلیل محکمی برای این ادعا وجود نداشت. به این دلیل که نقشه‌های موجود از کره زمین همه دارای شکاف بزرگی بودند، که گمان می رفت باید در آن قطب شمال وجود داشته باشد، اگرچه جستجوگران اولیه هرگز چنین چیزی را ندیده بودند، اما فرض کردند که قطب شمال وجود دارد. به‌طور مشابه فیزیکدانان امروزی، مانند جستجوگران اولیه، شواهد غیرمستقیم زیادی را دال بر وجود نظریه همه چیز یافته‌اند. اگرچه در حال حاضر هیچ توافق عمومی روی اینکه این نظریه چیست، وجود ندارد!

تاریخچه نظریه ریسمان‌ها

یکی از نظریه هایی که به اندازه کافی احمقانه است، تا نظریه میدان یکپارچه باشد، نظریه ریسمان‌ها یا نظريه M است. شاید بتوان گفت نظریه ریسمان‌ها عجیب‌ترین سرگذشت را در تاریخ علم فیزیک داشته است. نه‌تنها کشف این نظریه کاملا تصادفی بوده، بلکه در مورد مسئله‌ی اشتباهی به کار گرفته شده و در پرده‌ای از ابهام باقی مانده است و در آخر، ناگهان به‌عنوان «نظریه همه چیز» مطرح شده است. در بررسی نهایی، از آنجا که انجام اصلاحات کوچک بدون تخریب نظریه امکان‌پذیر نیست، به نظر می‌رسد که نظریه ریسمان‌ها هم می‌تواند «نظریه همه چیز» و هم «نظریه هیچ چیز» باشد.

دلیل این تاریخچه عجیب این است که تکامل نظریه ریسمان‌ها برعکس بوده است. به‌طور معمول در نظریه‌ای مثل نسبیت، در ابتدا کار براساس اصول بنیادی فیزیک آغاز می‌شود. سپس این اصول به مجموعه‌ای از معادلات ابتدایی تبدیل می‌شوند. سرانجام تغییرات کوانتومی به این معادلات اعمال می‌شود. نظریه ریسمان‌ها برعکس تکامل یافته و این بار در ابتدا نظریه کوانتومی آن به‌طور تصادفی کشف شده است. فیزیکدانان هنوز نمی‌دانند که کدامیک از اصول فیزیکی ممکن است، نظریه را هدایت کرده باشد.

نقطه‌ی شروع نظریه ریسمان ها به سال ۱۹۶۸ باز می‌گردد، هنگامی که دو فیزیکدان جوان در آزمایشگاه هسته‌ای در برن ژنو، به نام های گابریل ونتزیانو و ماهیكو سوزوکی، به‌طور مستقل هنگام ورق زدن یک کتاب ریاضی به تابع بتای اویلر برخورد کردند؛ یک عبارت مبهم ریاضی مربوط‌به قرن هجدهم که به وسیله لئونارد اویلر کشف شد و به‌طور عجیبی به نظر می رسید، که بتواند توصیف‌گر دنیای زیراتمی باشد. آن‌ها حیرت زده شدند، زیرا به نظر می‌رسید این فرمول ریاضی خلاصه شده، توصیف‌گر برخورد دو ذره مزون پای در انرژی‌های بسیار زیاد باشد. مدل ونتزیانو به سرعت شور و شعفی در فیزیک ایجاد کرد و در تلاش برای تعمیم این مفهوم به توصیف نیروهای هسته‌ای، صدها مقاله منتشر شدند.

به بیان دیگر، این نظریه کاملا تصادفی کشف شد. ادوارد ویتن از انستیتوی مطالعات پیشرفته، کسی که بسیاری عقیده دارند موتور خلاق پشت پرده بسیاری از یافته‌های مهم در این نظریه بوده است، گفته است؛

به حق فیزیکدانان قرن بیستم، نباید امتیاز مطالعه این نظریه را به خود اختصاص دهند. در حقیقت قرار نبوده است، نظریه ریسمان‌ها در آن زمان اختراع شود!

در گذشته، مطالعات فیزیکی اغلب براساس انجام مشاهدات با جزئیات زیاد از طبیعت، فرمول‌بندی کردن بخشی از فرضیات، آزمایش دقیق ایده‌های مخالف با داده‌ها و سپس تکرار خسته کننده‌ی چندباره این فرایند انجام می‌گرفت. نظریه ریسمان‌ها روشی بی قاعده بود، که تنها براساس حدس زدن پاسخ بنا شده بود و تصور نمی‌شد که به هیچ وجه چنین میان‌برهای مهیجی امکان‌پذیر و مؤثر باشد.

دانشمندان، به‌دلیل اینکه ذرات زیر اتمی را نمی‌توان حتی با قدرتمندترین تجهیزات مشاهده کرد، برای تحلیل و بررسی آن‌ها به روشی خشن، اما در عین حال مؤثر روی آورده‌اند. آن‌ها این ذرات را در انرژی‌های بسیار زیادی به هم می‌کویند، تاکنون میلیاردها دلار برای ساخت اتم شكن‌ها یا شتاب‌دهنده‌های ذره، به بزرگی چندین کیلومتر هزینه شده است. این تجهیزات پرتوهایی را از ذرات زیر اتمی پدید می‌آورند، که با یکدیگر برخورد می‌کنند.

سپس فیزیکدانان با دقت زیاد باقی مانده‌های این برخورد را مورد بررسی قرار می‌دهند. هدف از انجام این فرایند دشوار و پر زحمت، ایجاد دنباله‌ای از اعداد، به نام ماتریس تفرق یا ماتریس s است. این مجموعه از اعداد از اهمیت بالایی برخور دارند، زیرا این دنباله، تمام اطلاعات مربوط‌به ذرات زیراتمی را درون خود کدگذاری کرده است. به این معنی که اگر ماتریس را بدانیم، می‌توانیم تمام ویژگی‌های ذرات بنیادی را استخراج کنیم!

یکی از اهداف فیزیک ذرات بنیادی؛ پیشگویی ساختار ریاضی ماتریس s برای فعل و انفعالات قوی است. رسیدن به این هدف چنان مشکل به نظر می‌رسید که برخی فیزیکدانان عقیده داشتند، که فراتر از هر فیزیک شناخته شده‌ای است. در این صورت می‌توان تصور کرد ونتزیانو و سوزوکی تنها با حدس زدن ماتریس، ازطریق ورق زدن یک کتاب ریاضی، چه‌ شور و شعفی به پا کردند.

مدلی که آن‌ها پیشنهاد کردند، جانوری بود از نوعی کاملا متفاوت با هر آنچه که قبلا دیده شده بود. اغلب زمانی‌که کسی نظریه جدیدی را ارائه می‌کند (مثل کوارک‌ها)، فیزیکدانان با تغییر پارامترهای کوچک (مثل چرم ذرات یا قدرت تزويج)، سعی در اصلاح و بهبود نظریه می‌کنند. اما مدل ونتزیانو چنان عالی شکل داده شده بود، که حتی کوچک‌ترین اختلال در تقارن اولیه آن، کل فرمول را ویران می‌کرد. درست همانند قطعه کریستالی که با ظرافت ساخته شده است؛ هر تلاشی برای تغییر شکل آن منجر به شکستن می‌شود!

از صدها مقاله‌ای که در آن به‌طور عوامانه پارامترهای این مدل را بهبود بخشیدند و در نتیجه زیبایی آن را از بین بردند، در حال حاضر هیچ کدام باقی نمانده است. تنها مواردی که هنوز در خاطر مانده‌اند، آن‌هایی هستند که به فهمیدن اینکه چرا این نظریه اصلا کار کرده است پرداخته‌اند. یعنی آنهایی که سعی در آشکار کردن تقارن‌های مدل کردند. سرانجام فیزیکدانان فهمیدند، که این نظریه ابدا هیچ پارامتر تعدیل پذیری ندارد.

مدل ونتزیانو ، در عین اینکه بسیار قابل‌توجه بود، هنوز مشکلات متعددی داشت، نخست اینکه فیزیکدانان دریافتند؛ این نظریه تقریب، اوليه ماتریس نهایی s بوده و تصویر کلی نیست. عده‌ای از اساتی دانشگاه ویسکانسین دریافتند، که ماتریس s را می‌توان به‌صورت دنباله‌ی نامتناهی از عبارات ریاضی نشان داد و اینکه مدل ونتزیانو تنها اولین و در عین حال مهم ترین جمله این دنباله است.

سرانجام، یویچرو نامبو، از دانشگاه شیکاگو و تتسو گوتو از دانشگاه نیهون، موفق به تعیین ویژگی کلیدی این مدل، یعنی ریسمان مرتعش گشتند. این ویژگی همان چیزی بود، که باعث می‌شد مدل به خوبی کار کند. زمانی‌که ریسمانی با ریسمان دیگری برخورد می‌کند، ماتریس sای ایجاد می‌کند که به وسیله مدل ونتزیانو تعریف می‌شود. در این تصویر، ذره چیزی شبیه یک لرزش یا نتی نواخته شده روی یک ریسمان است!

پیشرفت در این زمینه بسیار سریع صورت گرفت. در سال ۱۹۷۱، جان شوارتز، اندرو نوو و پیر راموند مدل ریسمان را به‌گونه‌ای تغییر دادند، که پارامتر جدیدی به نام اسپین را شامل شد. به این ترتیب آن‌ها این مدل را به کاندیدایی واقع گرایانه برای برهم کنش ذرات تبدیل کردند.

علم فیزیک در ۱۵۰ سال گذشته، تماما براساس «میدان» بنا شده است؛ از زمانی‌که اولین‌بار این مفهوم به وسیله فیزیکدان بریتانیایی، مایکل فارادی، مطرح شد. خطوط میدان مغناطیسی را که به وسیله یک آهن ربای میله‌ای ایجاد شده است، در نظر بگیرید. همانند تار عنکبوت، خطوط نیرو در تمام فضا گسترش می‌یابند. در هر نقطه‌ی فضا، می‌توان قدرت و جهت خطوط نیروی مغناطیسی را اندازه گرفت. به‌طور مشابه می‌توان گفت یک میدان، جسمی ریاضی است، که در هر نقطه‌ی فضا مقادیر متفاوتی را اختیار می‌کند. بنابراین میدان، قدرت نیروهای مغناطیسی، الکتریکی یا هسته‌ای را، در هر نقطه‌ی جهان تعیین می‌کند. به همین دلیل تعریف بنیادی نیروی الکتریکی، مغناطیسی، هسته‌ای و گرانش، بر پایه میدان‌ها شکل می‌گیرد. حال این سؤال پیش می‌آید، که چرا باید ریسمان‌ها متفاوت باشند؟ برای پاسخ به این سؤال، به یک «نظریه میدان برای ریسمان‌ها» نیاز بود، تا امکان خلاصه کردن کل محتویات نظریه، تنها در یک معادله فراهم آید.

میچیو کاکو فیزیکدان مشهور آمریکایی-ژاپنی تبار نیز از بنیان گذارن نظریه ریسمان است. او در کتاب وقایع را چنین نقل کرده است؛

در سال ۱۹۷۴، تصمیم گرفتم خود را در مسئله ریسمان درگیر کنم. من و همکارم، کیجی کیکاوا از دانشگاه اوزاکا، با موفقیت توانستیم نظریه‌ی میدان ریسمان‌ها را استخراج کنیم. ما موفق شدیم در معادله‌ای به طول حدود چهار سانتی‌متر، تمام اطلاعات موجود در نظریه ریسمان‌ها را جای دهیم. پس از اینکه نظریه میدان ریسمان‌ها فرمول‌بندی شد، مجبور بودم مجامع فیزیکی بزرگ‌تر را نیز نسبت به قدرت و زیبایی این فرمول متقاعد کنم. در تابستان همان سال، در یک کنفرانس فیزیک نظری در مرکز اَسپن در کلرادو، شرکت کردم و در مقابل گروهی کوچک، ولی در عین حال منتخب از فیزیکدانان به سخنرانی پرداختم. من کاملا مضطرب بودم. در میان مخاطبان دو نفر از برندگان جایزه نوبل قرار داشتند؛ موری ژلمن و ریچارد فاینمن!

 هر دوی آن‌ها به‌دلیل سوالات زیرکانه‌شان معروف بودند. آن‌ها سوالاتی می‌پرسیدند که اغلب سخنران را دستپاچه می‌کرد. من در سخنرانی خود بر این مسئله تاکید کردم، که نظریه میدان ریسمان‌ها، ساده‌ترین و جامع‌ترین برداشت از نظریه ریسمان‌ها را ارائه می‌دهد، ولی در عین حال تا اندازه زیادی مجموعه‌ای آمیخته از فرمول‌های بی ربط و از هم گسیخته است. با استفاده از این نظریه، می‌توان كل نظریه را در یک معادله به طول در حدود چهار سانتی‌متر خلاصه کرد. تمام ویژگی‌های مدل ونتزیانو، تمام جملات تقریب بی‌نهایت‌ها و تمام ویژگی‌های ریسمان‌های در حال چرخش را می‌توان تنها از یک معادله، که درون یک آدامس شانسی جا می‌گیرد، نتیجه گرفت. تاکید من روی تقارن‌های موجود در نظریه ریسمان‌ها بود، که به آن زیبایی و قدرت می‌بخشید. زمانی‌که ریسمان‌ها در فضا-زمان حرکت می‌کنند، سطوح دوبعدی شبیه به نوار را جاروب می‌کنند. استفاده از دستگاه‌های مختصات مختلف برای توصیف این فضای دو بعدی، نظریه را تغییر نخواهد داد. هیچگاه فراموش نمی‌کنم که بعد از آن فاینمن نزد من آمد و گفت؛ ممکن است من با نظریه ریسمان‌ها کاملا موافق نباشم، ولی سخنرانی شما یکی از زیباترین سخنرانی هایی بود که تاکنون شنیده بودم!

ابعاد دهگانه

درست زمانی‌که نظریه ریسمان‌ها در حال اوج گرفتن بود، ناگهان از هم پاشیده شد! کلاود لاولس از روتگرز، کشف کرد که مدل اصلی ونتزیانو ایراد ریاضی کوچکی دارد، که تنها در صورتی که فضا-زمان بیست و شش بعد داشته باشد، این مشکل از بین می‌رود. به‌طور مشابه، مدل ابرریسمان‌های نوو-شوارتز-راموند تنها می‌تواند، در فضای ده بعدی وجود داشته باشد. این مسئله فیزیکدانان را تکان داد. چنین مسئله‌ای هرگز در تمام تاریخ علم دیده نشده بود. هیچ کجا نظریه دیگری نمی‌یابیم، که ابعاد خود را انتخاب کند. به‌عنوان مثال، نظریه‌های نیوتون و اینشتین را می‌توان در تمام ابعاد فرمول بندی کرد. همین طور قانون معروف عکس مجذور گرانش را می‌توان در چهار بعد به قانون عکس مکعب تبدیل کرد. اما، نظریه‌ی ریسمان‌ها تنها در ابعاد مشخصی می‌تواند وجود داشته باشد.

از نقطه نظر عملی، این یک فاجعه محسوب می‌شد. طبق باور عمومی، دنیای ما در سه بعد فضا (طول، عرض و ارتفاع) و یک بعد زمان وجود دارد. پذیرش یک جهان ده بعدی، نظریه را به داستانی علمی-تخیلی شبیه می‌کند. به این ترتیب، نظریه پردازان ریسمان‌ها مورد تمسخر واقع شدند. جان شوارتز به خاطر می‌آورد؛ زمانی را که به همراه فاینمن در آسانسور بوده، فاینمن به حالت تمسخرآمیز به او گفته؛ خب جان، بگو ببینم امروز در چند بعد زندگی می‌کنی؟

با وجود تمام تلاش‌هایی که فیزیکدانان حامی نظریه ریسمان‌ها برای نجات این مدل انجام دادند، این نظریه محکوم به فنا گردید. تنها گروهی با پشتکار، به‌تنهایی به تلاش‌های خود ادامه دادند.

در اواسط دهه ۱۹۸۰، تلاش‌های دیگری در جهت یافتن نظریه میدان یکپارچه صورت گرفت. نظریه‌هایی که تلاش داشتند، به روش‌هایی بسیار ابتدایی، گرانش را به مدل استاندارد پیوند دهند، کم کم از میدان خارج می‌شدند. هر تلاشی که به‌طور ساختگی سعی داشت، گرانش را با دیگر نیروهای کوانتومی یکپارچه سازد، منجر به ایجاد تناقضات ریاضی شده و نظریه از هم می پاشید! اینشتین عقیده داشت، شاید خدا در ساختن جهان حق انتخابی نداشته است. دلیل این امر می‌تواند این مسئله باشد، که تنها یک نظریه از تمام این تناقضات ریاضی آزاد است.

این تناقضات ریاضی دو نوع هستند؛ اولین مشکل، وجود بی‌نهایت‌ها است. اغلب افت و خیزهای کوانتومی، مقادیر کوچکی دارند. در اکثر موارد، اثرات کوانتومی، تنها جبران‌سازی کوچکی برای قوانین حرکت نیوتون محسوب می‌شوند. به همین دلیل است، که در اغلب موارد می‌توانیم، در دنیای بزرگ مقیاس خود، از آن‌ها چشم پوشی کنیم. بااین‌حال، زمانی‌که گرانش به یک نظریه کوانتومی تبدیل می‌شود، این تحولات کوانتومی نیز بی‌نهایت می‌شوند، که بی معنی است.

دومین تناقض ریاضی به وجود ناهنجاری‌ها مربوط می‌شود؛ ناهنجاری‌های کوچکی در نظریه که در زمان افزودن تحولات کوانتومی به آن به وجود می‌آیند. این ناهنجاری‌ها، تقارن اصلی نظریه را از بین برده و در نتیجه قدرت اصلی آن را می‌گیرند.

به‌عنوان مثال مهندسی را در نظر بگیرید، که قصد دارد موشک صیقلی و آیرودینامیکی بسازد تا به‌راحتی درون اتمسفر حرکت کند. این موشک باید دارای تقارن بالایی بوده تا بتواند اصطکاک با هوا را به حداقل برساند، در این حالت موشک دارای تقارن استوانه‌ای است؛ یعنی با چرخاندن آن حول محور خود، شکل آن تغییر نمی‌کند. اما اینجا، دو مشکل بالقوه وجود دارند؛ نخست، به‌دلیل سرعت بسیار زیاد موشک، امکان رخ دادن ارتعاش در بال‌ها وجود دارد. اغلب این ارتعاشات در هواپیماهایی که زیر سرعت صوت حرکت می‌کنند، ناچیز هستند. بااین‌حال در سرعت‌های فراصوتی، شدت این لرزش‌ها می‌تواند چنان زیاد شود، که درنهایت منجر به کنده شدن بال گردد. واگرایی‌های مشابه از این دست، می‌تواند هر نظریه کوانتومی گرانش را با اشکال مواجه کند. در حالت عادی، این مقادیر آن قدر کوچک هستند، که می‌توان از آن‌ها چشم پوشی کرد، اما در یک نظریه کوانتومی گرانش، این مقادیر تأثیرگذار خواهند بود!

دومین مشکل در مورد موشک این است، که ممکن است ترک‌های کوچکی در بدنه پدید آیند. این ترکها تقارن اصلی استوانه‌ای موشک را از بین می‌برند و هرچقدر هم که کوچک باشند، درنهایت می‌توانند گسترش یافته و موشک را متلاشی کنند. به‌طور مشابه، چنین شکافهایی قادر هستند، تقارن یک نظریه گرانش را از بین ببرند!

دو راه برای حل مشکلات مذکور وجود دارد. نخست استفاده از روش‌های بندزنی است؛ مانند بند زدن ترک‌ها با چسب و محکم کردن بال‌ها با تخته، به امید اینکه موشک در اتمسفر منفجر نشود. این روش، راه حلی تاریخی است که اغلب فیزیکدانان، در تلاش برای همگرایی نظریه کوانتوم با گرانش، از آن استفاده کرده‌اند.

دومین روش برای جلوگیری از متلاشی شدن موشک، این است که همه چیز را از اول شروع کنیم؛ موشکی با یک شکل جدید و مواد ناشناخته جدید، که بتواند فشار سفر فضایی را تحمل کند. فیزیکدانان، چندین دهه سعی کردند، با استفاده از همان روش بندزنی، یک نظریه کوانتوم گرانش را سرهم کنند و تنها دستاورد آن‌ها نظریه‌هایی سردرگم با واگرایی‌ها و ناهنجاری‌های جدید بوده است. آن‌ها به تدریج دریافتند، که شاید بهتر باشد این روش را رها کرده و از ابتدا بنیان جدیدی را اتخاذ کنند!

موسیقی کیهانی

اینشتین یک بار گفته بود، اگر نظریه‌ای نتواند تصویری فیزیکی ارائه دهد که حتی یک کودک نیز آن را بفهمد، احتمالا بلااستفاده است. خوشبختانه در پس نظریه ریسمان‌ها تصویر فیزیکی ساده‌ای قرار دارد؛ تصویری براساس مفهوم موسیقی!

براساس نظریه ریسمان‌ها، اگر یک ابر میکروسکوپ داشته باشیم و بتوانیم به دقت به قلب یک الکترون بنگریم، نه یک ذره نقطه‌ای، بلکه ریسمانی مرتعش را مشاهده خواهیم کرد. اگر بخواهیم این ریسمان را به ارتعاش در آوریم، صدای آن تغییر خواهد کرد؛ مثلا الكترون ممکن است به یک نوترینو تبدیل شود و اگر دوباره آن را به ارتعاش در آوریم، ممکن است به یک کوارک تبدیل شود. در حقیقت اگر ریسمان را با شدت‌های مختلف به لرزه در آوریم، می‌توانیم آن را به هرکدام از ذرات زيراتمی شناخته شده، تبدیل کنیم. به این ترتیب نظریه ریسمان‌ها می‌تواند به‌راحتی این موضوع را توضیح دهد، که چرا تعداد ذرات زیراتمی تا به این حد زیاد است. آن‌ها چیزی نیستند جز نت‌های متفاوتی که می‌توان روی یک اَبریسمان نواخت. به‌عنوان یک مثال، در یک ویولن، ریسمان‌های نوت لا-دیز، سی-دیز و دو-دیز نت‌های اصلی نیستند و تنها با به لرزه در آوردن ریسمان در روش‌های مختلف می‌توان تمام نت های موسیقی را ایجاد کرد. به‌عنوان مثال سی-بمل اصلی‌تر از نت سُل نیست. همه‌ی آن‌ها نت‌های موسیقی ویولون هستند. به همین ترتیب، الكترون‌ها و کوارک‌ها اصلی نیستند، اما ریسمان اصلی است. در حقیقت تمام زیر ذرات موجود در جهان را می‌توان به‌صورت ارتعاشات متفاوت یک ریسمان نشان داد، که هارمونی‌های ریسمان همان قوانین فیزیک هستند.

ریسمان‌ها می‌توانند، ازطریق شکافتن و دوباره پیوند خوردن با یکدیگر برهمکنش داشته باشند. این‌ها همان برهمکنش‌هایی هستند، که میان الکترون‌ها و پروتون‌ها در اتم شاهد آن هستیم. به این ترتیب، با کمک نظریه ریسمان‌ها می توانیم تمام قوانین فیزیک هسته‌ای و اتمی را ایجاد کنیم. آهنگ‌هایی را که می‌توان برای ریسمان‌ها نوشت، به قوانین شیمی مربوط می‌شوند. اکنون می‌توان جهان را به شکل سمفونی عظیمی از ریسمان‌ها تعبیر کرد!

نظریه ریسمان‌ها، علاوه‌بر اینکه ذرات نظریه کوانتوم را به‌صورت نت‌های موسیقی جهان معرفی می‌کند، قادر است نظریه نسبیت اینشتین را نیز توضیح دهد. پایین‌ترین ارتعاش ریسمان، یعنی ذره اسپین-۲ با جرم صفر، را می‌توان به‌صورت گراویتون (کوانتوم گرانش) تفسیر کرد. اگر برهمکنش این گراویتون‌ها را محاسبه کنیم، می‌توانیم به دقت نظریه‌ی قدیمی گرانش اینشتین را، به شکل کوانتومی آن، به دست آوریم. وقتی ریسمانی حرکت می‌کند، یا پاره می‌شود، یا مجددا ترمیم می‌شود، محدودیت‌های زیادی روی فضا۔زمان اعمال می‌کند. با تحلیل و بررسی مجدد این محدودیت‌ها، دوباره به نظریه قدیمی نسبیت عام اینشتین خواهیم رسید.

بنابراین نظریه ریسمان‌ها به‌سادگی نظریه اینشتین را، بدون نیاز به هیچ کار اضافی، توضیح می‌دهد. ادوارد ويتنگفته است؛ که حتی اگر اینشتین هم نسبیت را کشف نکرده بود، نسبیت می‌توانست به‌عنوان محصول ثانویه نظریه ریسمان‌ها کشف شود!

زیبایی نظریه ریسمان‌ها این است که می‌توان آن را به موسیقی تشبیه کرد. موسیقی، استعاره‌ای است که ازطریق آن طبیعت جهان را هم در سطوح زیراتمی و هم در سطوح کیهانی می‌فهمیم. اینشتین عقیده داشت که تحقیقات او در مورد نظریه میدان یکپارچه، سرانجام به او این امکان را می‌دهد که ذهن خدا را بخواند. اگر نظریه ریسمان‌ها درست باشد، می‌بینیم که ذهن خدا بیانگر موسیقی کیهانی است، که در فرافضای ده بعدی طنین انداخته است. گوتفرید لایب‌نیتس گفته است؛

موسیقی، تمرین ریاضی مخفیانه‌ای است، که روح انجام می‌دهد و خود از انجام آن بی خبر است!

از نظر تاریخی، پیوند بین موسیقی و علم، پانصد سال قبل از میلاد اتفاق افتاد؛ زمانی‌که فیثاغوریان یونانی قوانین هارمونی را کشف کرده و آن‌ها را به‌صورت ریاضی درآوردند. آن‌ها دریافتند، که صدایی که از ریسمان نواخته شده چنگ به گوش می‌رسد، به طول ریسمان بستگی دارد. اگر طول ریسمان چنگ را دو برابر کنیم، آن گاه صدا به اندازه یک اکتاو کامل پایین می‌آید. اگر طول ریسمان به اندازه دو سوم کاهش یابد، آن گاه صدا به یک پنجم تقليل می‌یابد. بنابراین، قوانین موسیقی و هارمونی را می‌توان به‌صورت روابط دقیق میان اعداد نشان داد. تعجبی ندارد که شعار فيثاغوریان در آن زمان این بود که؛ همه چیز به‌صورت عدد است. در ابتدای امر، آن‌ها چنان از این نتایج راضی بودند، که به خود اجازه دادند این قوانین هارمونی را به کل جهان اعمال کنند. البته تلاش آن‌ها به‌دلیل پیچیدگی عظیم ماده بی‌نتیجه ماند. از برخی جهات می‌توان گفت؛ فیزیکدانان با طرح نظریه ریسمان‌ها، به رویای فيثاغوریان بازگشته‌اند.

ژمی جیمز درباره این ارتباط تاریخی گفته است؛

موسیقی و علم زمانی چنان عمیق شده بودند، هرکسی که تصور می‌کرد بین آن‌ها تفاوتی اساسی وجود دارد، آدم نادانی محسوب می‌شد. اما امروزه اگر کسی بیان کند، که این دو با هم اشتراک دارند، احتمال اینکه از طرف برخی بی‌سواد و از طرف برخی دیگر غیرحرفه‌ای خوانده شود را به جان خریده است و بدتر از همه اینکه از طرف هردو عوام فریب خوانده شود!

جهان هولوگرافیک

نظریه‌ی M یک پیش‌بینی تا اندازه‌ای اسرار آمیز دارد، که هنوز کاملا درک نشده، ولی می‌تواند نتایج عمیق فیزیکی و فلسفی در بر داشته باشد. این سؤال مطرح می‌شود: آیا جهان یک هولوگرام است؟ آیا جهان سایه‌ای، وجود دارد که در آن بدن‌های ما در یک فرم فشرده دو بعدی قرار دارند؟ این مسئله خود پرسش دیگری را بر می انگیزد: آیا جهان یک برنامه رایانه‌ای است؟ آیا می‌توان محتویات جهان را روی یک سی دی قرار داده و در زمان مناسب آن را پخش کرد؟

هم‌اکنون هولوگرام‌ها روی کارت‌های اعتباری، در موزه‌ها و در پارک‌های تفریحی استفاده می‌شوند. نکته قابل‌توجه در مورد آن‌ها این است، که می‌توانند یک تصویر سه‌بعدی کامل را روی سطح دو بعدی ضبط کنند. در حالت عادی اگر به عکسی نگاه کرده و سپس سر خود را اندکی بچرخانید، تصویر روی عکس تغییری نخواهد کرد. اما در مورد هولوگرام مسئله متفاوت است. اگر به یک عکس هولوگرافیک نگاه کنید و سپس سر خود را بچرخانید، می‌بینید که تصویر تغییر می‌کند، به شکلی که انگار شما از درون یک پنجره یا سوراخ کلید به تصویر نگاه کرده‌اید. استفاده از هولوگرام می‌تواند سرانجام به تلویزیون‌ها و فیلم های سه‌بعدی منتهی گردد. در آینده شاید بتوانیم در اتاق نشیمن راحت نشسته و به تصویری کاملا سه‌بعدی از مکان‌های دور بنگریم، طوری که پرده دیواری تلویزیون در حقیقت پنجره‌ای باشد، که به چشم‌انداز جدیدی باز می‌شود. به‌علاوه اگر پرده دیواری به شکل یک استوانه بزرگ باشد، که اتاق ما در مرکز آن قرار گرفته باشد، این طور به نظر می‌رسد، که به درون دنیای جدیدی منتقل شده‌ایم. به هر طرف که نگاه کنیم تصویر سه‌بعدی از چیزهای جدیدی را می‌بینیم، که از اشیاء واقعی غیرقابل تشخیص‌اند!

ماهیت هولوگرام به این ترتیب است، که سطح دو بعدی آن تمام اطلاعات لازم برای تولید مجدد یک تصویر سه‌بعدی را در خود کدگذاری می‌کند. در آزمایشگاه، هولوگرام‌ها ازطریق تاباندن نور لیزر روی یک کلیشه حساس عکاسی ساخته می‌شوند. نور لیزر با نور تابیده شده از موضوع اصلی تداخل کرده و موجب پدید آمدن یک الگوی تداخلی و ثبت موضوع روی سطحی دو بعدی می‌شود.

برخی کیهان شناسان تصور می‌کنند که شاید بتوان چنین ایده‌ای را در مورد خود جهان نیز به کار برد، اینکه شاید ما در یک هولوگرام زندگی می‌کنیم. منشاء این تفکر عجیب از فیزیک سیاه چاله‌ها بر می‌خیزد. بکنشتاین و هاوکینگحدس می‌زنند که مقدار کلی اطلاعات موجود درون یک سیاه چاله با مساحت افق رویداد آن، که یک کره است، متناسب باشد. این نتیجه عجیبی است، چرا که اطلاعات ذخیره شده در یک شیء اغلب با حجم آن متناسب است. به‌عنوان مثال مقدار اطلاعات ذخیره شده در یک کتاب با حجم آن متناسب است و نه با سطح جلد آن!

زمانی‌که می‌گوییم نمی‌توان در مورد یک کتاب از روی جلد آن قضاوت کرد، به‌طور غیرارادی به همین مسئله اشاره می‌کنیم. اما این کشف در مورد سیاه چاله‌ها صادق نیست؛ برای سیاه چاله‌ها می‌توان از روی جلد آن‌ها قضاوت کرد.

ممکن است چنین فرضیه نادری را رد کنیم، زیرا سیاه چاله‌ها خود موجودات عجیب و غریبی هستند و مشاهدات ما را درهم می‌شکنند. بااین‌حال، این نتیجه به نظریه‌ی M نیز اعمال می‌شود، که ممکن است بتواند بهترین توصیف را از جهان به ما بدهد. در سال ۱۹۷۷، در انستیتوی مطالعات پیشرفته پرینستون، ژوان مالداسنا، با نشان دادن این موضوع که نظریه ریسمان‌ها منجر به ایجاد نوع جدید جهان هولوگرافیک می‌شود، شور و شوق فراوانی ایجاد کرد. او با یک ضد جهان دسیتر پنج بعدی، آغاز کرد که اغلب در نظریه ریسمان‌ها و نظریه ابرگرانش ظاهر می‌شود. جهان دسیتر جهانی است، که دارای ثابت کیهان شناسی مثبت است و به این ترتیب جهانی است که با گذشت زمان سرعت می‌گیرد.

مالداسنا نشان داد که بین این جهان پنج بعدی و مرز آن که جهانی چهار بعدی است، دوگانی وجود دارد. هر موجودی که در این فضای پنج بعدی زندگی می‌کند، از نظر ریاضی با موجوداتی که در فضای چهار بعدی زندگی می‌کنند معادل هستند و راهی وجود ندارد که آن‌ها را از هم جدا بدانیم.

تعدادی ماهی را درون تنگی در نظر بگیرید. این ماهی‌ها تصور می‌کنند، که تنگ آن‌ها واقعی است. حال تصویری هولوگرافیک دو بعدی را از این ماهی ها تصور کنید، که روی سطح تنگ منعکس شده است. این تصویر یک کپی دقیق از ماهی‌ها است، جز اینکه آن‌ها تخت شده‌اند. هر حرکتی که ماهی‌ها در تنگ انجام می‌دهند، در تصویر تخت روی سطح تنگ منعکس می‌شود. هم ماهی‌هایی که در تنگ شنا می‌کنند و هم ماهی‌های تخت شده که روی سطح تنگ زندگی می‌کنند، تصور می‌کنند که ماهی‌های واقعی بوده و آن سایر وهم و خیال هستند. هر دو گروه ماهی‌ها زنده بوده و به‌گونه‌ای رفتار می‌کنند، که انگار آن‌ها ماهی‌های واقعی‌اند.

کدام تعریف صحیح است؟ در حقیقت هردو! زیرا از نظر ریاضی با هم معادل و غیرقابل تفکیک‌اند.

چیزی که نظریه پردازان ریسمانی را به هیجان می‌آورد، این حقیقت است که محاسبه در فضای ضد دسیتر پنج بعدی نسبتا آسان است. درحالی که کار با نظریه‌های میدان چهار بعدی آشکارا دشوار است. حتی امروزه پس از ده‌ها سال کار سخت، قدرتمندترین رایانه‌های ما نیز نمی‌توانند معادله‌ی مدل کوارک چهار بعدی را حل کرده و جرم پروتون و نوترون را استخراج کنند. معادلات مربوط‌به خود کوارک‌ها به خوبی درک شده‌اند، اما ثابت شده است، حل کردن آن‌ها در چهار بعد به منظور به دست آوردن ویژگی‌های پروتون‌ها و نوترون‌ها بسیار سخت‌تر از آن چیزی است، که قبلا تصور می‌شد. یکی از اهداف دانشمندان محاسبه جرم و مشخصات پروتون و نوترون با استفاده از این دوگانی عجیب است!

این دوگانی هولوگرافیک ممکن است، کاربردهای عملی نیز داشته باشد. مانند حل کردن معمای اطلاعات در فیزیک سیاه چاله‌ها. اثبات این مسئله که با پرتاب اشیاء به درون سیاه چاله، اطلاعات گم نمی‌شوند، در چهار بعد شدیدا مشکل است. اما چنین فضایی دوگان یک جهان پنج بعدی است، که درون آن اطلاعات شاید هیچگاه گم نشوند. امید می‌رود معماهایی که در چهار بعد قابل حل شدن نیستند (مثل معمای اطلاعات، محاسبه اجرام مدل کوارک و از این دست) درنهایت بتوانند، در پنج بعد حل شوند. همواره این امکان وجود دارد، که این شباهت در حقیقت انعکاس جهان حقیقی باشد و اینکه ما درواقع به‌صورت هولوگرام وجود داشته باشیم!