انحراف فضا

متن زیر ترجمه مقاله‌ای است از پروفسور هاوکینگ :
پس از سال 1985 کم کم مشخص شد که تئورى تار (ریسمان) تصویر کاملى نیست. اول آن که مشخص شد که تارها فقط یک عضو از دسته وسیعى از موضوعاتى هستند که مى‌توان آنها را به بیش از یک بعد گسترش داد. پال تونسند که همانند من یکى از اعضاى بخش ریاضى کاربردى و فیزیک نظرى در کمبریج است و بسیارى از پژوهش‌هاى بنیادى این حوزه را انجام داده است، نام پ-برین را براى آنها برگزیده است. هر پ-برین در جهت داراى طول است. بنابراین یک برین با تار است و برین با یک سطح یا غشا و به همین ترتیب تا آخر. به نظر مى‌رسد که هیچ دلیلى وجود ندارد که تارهاى با را بر سایر مقدارهاى ممکن ترجیح دهیم. در عوض باید اصل موکراسى را بپذیریم: تمام تارها به طور برابر ایجاد شده‌اند.
تمام تارها را مى‌توان به عنوان راه حل‌هایى براى معادلات نظریه‌هاى ابرگرانش در 10 یا 11 بعد در نظر گرفت. هر چند که ابعاد 10 گانه یا 11 گانه با فضا زمانى که درک مى‌کنیم، چندان شباهتى ندارد؛ اما در توجیه این نکته گفته مى‌شود که 6 یا 7 بعد دیگر چنان پیچ خورده و کوچک شده‌اند که متوجه وجود آنها نمى‌شویم و فقط 3 بعد باقیمانده را که بزرگ و تقریباً مسطح هستند، درک مى‌کنیم.
لازم است یادآور شوم که شخصاً از پذیرفتن ابعاد بالاتر چندان خرسند نبوده‌ام. اما از آنجا که اثبات‌گرا هستم، پرسش «آیا ابعاد بالاتر واقعاً وجود دارند؟» بى‌معنى است. فقط مى‌توان پرسید آیا مدل‌هاى ریاضیاتى با ابعاد بالاتر توصیف مناسبى از جهان ارائه مى‌دهد یا خیر. ما تاکنون مشاهداتى نداشتیم که براى تفسیر آنها به وجود ابعاد بالاتر نیازى باشد. با این همه این احتمال وجود دارد که این ابعاد را در برخورد دهنده بزرگ هادرون که در ژنو قرار دارد، مشاهده کنیم. اما آنچه که بسیارى از افراد و از جمله مرا متقاعد ساخته است که مدل‌هاى با ابعاد بالاتر را جدى تلقى کنند، آن است که شبکه‌اى از ارتباط‌هاى غیرمنتظره که دوگانگى نامیده مى‌شود، در این مدل‌ها وجود دارد. این دوگانگى‌ها نشان مى‌دهد که مدل‌ها اصولاً معادل یکدیگرند، به عبارت دیگر این مدل‌ها جنبه‌هاى مختلف یک نظریه بنیادى هستند، که نظریه ام-تئوری نام گرفته است.
اگر وجود این شبکه از دو گانگى‌ها را نشانه‌اى از حرکت در مسیر صحیح ندانیم، تقریباً مثل آن است که فکر کنیم خداوند فسیل ها را در صخره‌ها قرار داده است تا داروین در مورد تکامل حیات گمراه شود. این دوگانگى‌ها نشان مى‌دهد که 5 نظریه ابرتار مبانى فیزیکى یکسانى را بیان مى‌کند و از لحاظ فیزیکى معادل ابرگرانش است. نمى‌توان گفت که ابر تارها بنیادى‌تر از گرانش است یا برعکس، ابر گرانش بنیادى‌تر از ابرتار. بلکه این نظریه‌ها بیان‌هاى متفاوتى از یک نظریه بنیادى است که هرکدام از آنها براى محاسبه در موقعیت‌هاى مختلف مفید واقع مى‌شوند. نظریه‌هاى تار براى محاسبه حوادثى که هنگام برخورد چند ذره با انرژى بالا و تفرق آنها روى مى‌دهد، مناسب است زیرا فاقد بى‌نهایت‌ها است. با این همه این نظریه براى توصیف چگونگى تابدار شدن جهان به وسیله انرژى تعداد زیادى ذره یا تشکیل حالت محدود مثل سیاهچاله فایده چندانى ندارد. براى چنین وضعیت‌هایى به ابر گرانش نیاز است که اصولاً از نظریه فضا زمان خمیده اینشتین همراه با بعضى موضوع‌هاى دیگر تشکیل شده است. این تصویرى از عمده مطالبى است که پس از این در مورد آنها صحبت خواهم کرد.
مناسب است براى تشریح اینکه چگونه تئورى کوآنتوم به زمان و فضا شکل مى‌دهد، ایده زمان موهومى را بیان کنیم. شاید به نظر برسد زمان موهومى برگرفته از داستان‌هاى علمى تخیلى باشد، اما زمان موهومى در ریاضیات مفهومى کاملاً تعریف شده است: زمان موهومى زمانى است که با اعداد موهومى سنجش مى‌شود. مى‌توان اعداد حقیقى معمولى همانند 1، 2، 5/3- و غیره را به صورت مکانشان روى خطى که از چپ به راست امتداد دارد در نظر گرفت: صفر در وسط خط، اعداد حقیقى مثبت در سمت راست و اعداد منفى حقیقى در سمت چپ قرار دارند.
اعداد موهومى را مى‌توان به صورت مکانشان روى خط عمود در نظر گرفت: صفر باز هم در وسط خط قرار دارد، اعداد موهومى مثبت رو به بالا و اعداد موهومى منفى رو به پایین ترسیم مى‌شود. بنابراین اعداد موهومى را مى‌توان به صورت نوع جدیدى از اعداد، عمود بر اعداد حقیقى معمولى در نظر گرفت. از آنجایى که این اعداد ساختارى ریاضیاتى هستند لازم نیست که به طور فیزیکى تحقق یابند، هیچکس نمى‌تواند به تعداد عدد موهومى پرتقال داشته باشد یا صاحب یک کارت اعتبارى با صورت حساب اعداد موهومى باشد.
ممکن است کسى فکر کند که این گفته‌ها به این معنى است که اعداد موهومى فقط یک بازى ریاضى است که با دنیاى واقعى کارى ندارد. با این همه از دیدگاه فلسفه اثبات‌گرا نمى‌توان تعیین کرد که چه چیزى واقعى است. تنها کارى که مى‌توانیم انجام دهیم این است که دریابیم کدام مدل‌هاى ریاضى جهانى را که در آن زندگى مى‌کنیم، توصیف مى‌کند. معلوم مى‌شود که مدل ریاضیاتى شامل زمان موهومى نه تنها آثارى را که پیش از این مشاهده کردیم، پیش گویى مى‌کند، بلکه آثارى را پیش گویى مى‌کند که تاکنون نتوانسته‌ایم اندازه گیرى کنیم، ولى به دلایل دیگر، آنها را باور داشتیم. پس چه چیز واقعى و چه چیز موهومى است؟ آیا این دو فقط در ذهن ما متمایز از یکدیگرند؟
نظریه نسبیت عام کلاسیک (یعنى غیر کوآنتومى) اینشتین زمان واقعى را با سه بعد دیگر فضا ادغام مى کند تا فضا زمان چهار بعدى را به وجود آورد. اما جهت زمان واقعى با سه جهت دیگر زمان تفاوت داشت؛ خط جهانى یا تاریخ یک ناظر در زمان واقعى همیشه افزایش مى‌یابد (به عبارت دیگر زمان همیشه از گذشته به سوى آینده حرکت مى‌کند.) ولى سه بعد دیگر فضا هم مى‌توانند کاهش یابند و هم افزایش به عبارت دیگر مى‌توان در فضا تغییر جهت داد اما نمى‌توان در خلاف جهت زمان حرکت کرد.
از طرف دیگر، از آنجایى که زمان موهومى عمود بر زمان واقعى است، همانند جهت فضایى چهارم رفتار مى‌کند و بنابراین زمان موهومى مى‌تواند شامل احتمال‌هایى بیش از مسیر راه آهن زمان واقعى باشد که داراى آغاز و پایان است یا روى یک مسیر بسته حرکت مى‌کند. با توجه به این مفهوم موهومى است که مى‌گوییم زمان داراى شکل است.
×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××
این هم یک متن یک خبر در این باره :
آیا زمین در یک چاله فضا-زمان واقع شده است؟
به زودی جواب را به دست خواهیم آورد: آزمایش فیزیکی مشترکی بین سازمان فضایی آمریکا(ناسا) و دانشگاه استنفورد ، به نام "گرانش کاو B" اخیرا به نخستین نتایج رسیده است. اکنون اولین سال جمع‌آوری اطلاعات این ماهواره در مدار زمین به پایان رسیده است. نتایج‌، که تجزیه و تحلیل آنها یک سال دیگر طول خواهد کشید، شکل انحنای فضا-زمان را در نزدیکی زمین مشخص خواهد کرد.
زمان و فضا –بر طبق نظریه نسبیت اینشتین –به یکدیگر بافته شده اند و ساختار تار و پودی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده اند.جرم قابل توجه زمین ، این ساختار را به شکل یک گودی در می آورد.مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگیهای فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف اجرام بسیار پر جرم تر و فشرده تری مانند سیاهچاله ها، ستاره های نوترونی، و کوتوله های سفید سراغ داریم اما اگر با دقت کافی محیط اطراف اجرام بسیار کم جرم تری مانند زمین را نیز بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم زمین را می توانیم بیابیم).
بر طبق نظریه نسبیت عام اینشتین ، حرکت اجسام در ساختار تار و پودی فضا-زمان صورت می گیرد. یعنی جسم در حال حرکت تابع شکل فضا-زمانی است که در آن واقع شده است. بر اساس این نظریه، گرانش باعث تغییر شکل ساختار فضا-زمان می شود و در نتیجه حرکت جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می کند. می توان گفت که به زبان اینشتین گرانش در اصل حرکت اجسام در مسیر خمیدگی ساختار فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم است. یعنی وقتی زمین ر مداری به دور خورشید در گردش است از دید نسبیتی به دلیل انحنای فضا-زمان اطراف خورشید در این مسیر هدایت می شود.
اگر زمین ثابت بود، ضرورتی برای انجام این کاوش نبود، ولی از آنجا که زمین به دور خود حرکت دورانی دارد ، این خمیدگی نیز باید همراه با زمین بچرخد.زمین با پیچ و تاب دادن ساختار فضا-زمان به دور خود به آرامی آن را به صورت یک ساختار چرخشی 4 بعدی در می آورد.این همان چیزی است که ماهواره گرانش کاو یا GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.
این آزمایش براساس فکر بسیار ساده ای انجام می شود: یک ژیروسکوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداری در نزدیکی زمین قرار می دهند ، در حالی که محور چرخش آن به سمت یک ستاره بسیار دور -در نقش یک مرجع ثابت و بدون حرکت- نشانه رفته است. بدون وجود نیروهای خارجی، محور ژیروسکوپ باید تا ابد به سمت همان ستاره ثابت بماند.ولی چون فضا-زمان در نزدیکی زمین خمیده است، جهت محور ژیروسکوپ به مرور زمان تغییر می کند.با اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات جهت محور ژیروسکوپ نسبت به ستاره، می توان میزان خمیدگی فضا-زمان را در نزدیکی زمین اندازه گرفت.
اما در عمل این آزمایش بسیار دشوار است:
4 ژیروسکوپی که در GP-B کار گذاشته شده اند، کامل ترین کره هایی هستند که تا به حال به دست بشر ساخته شده اند.این کره ها که هر کدام به اندازه یک توپ پینگ پونگ اند (به قطر حدود 4 سانتی متر)، از جنس سیلیکون و کوارتز هستند. هیچ گاه اختلاف آنها با یک کره کامل بیش از 40 لایه اتمی نیست. اگر ژیروسکوپ ها کاملا کروی نبودند، محور چرخش آنها حتی بدون اثرات نسبیتی ‌، حرکت می کرد.
بر طبق محاسبات فضا-زمان انحنا پیدا کرده در نزدیکی زمین باعث می شود تا محور ژیروسکوپ در طول یک سال به اندازه ی 041/0 ثانیه قوس جابه جا شود. یک ثانیه قوس 3600/1 یک درجه است. برای اندازه گیری دقیق این زاویه، GP-B به دقت سنجش فوق العاده 0005/0 ثانیه قوس نیاز دارد.این عمل مانند آن است که بخواهیم قطر یک ورق کاغذ را از فاصله‌ی 150 کیلومتری اندازه بگیریم.
محققان GP-B فناوری های کاملا جدیدی را برای این اندازه گیری اختراع کرده اند. آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا “بدون لرزش” ساخته اند تا در هنگام حرکت ماهواره در لایه های بالایی جو به ژیروسکوپ ها لرزشی وارد نشود. آنها دریافتند که چگونه از نفوذ میدان مغناطیسی زمین به داخل فضاپیما جلوگیری کنند و همچنین دستگاهی را برای اندازه گیری چرخش ژیروسکوپ ، بدون تماس با آن، اختراع کردند.
فرانسیس اوریت ، استاد فیزیک دانشگاه استنفورد و محقق اصلی پروژه GP-B می گوید: “در جریان انجام آزمایش هیچ حادثه غافلگیر کننده ای اتفاق نیفتاده است.” اکنون که مرحله جمع آوری اطلاعات پایان یافته است ، او می گوید : “دانشمندان GP-B با اشتیاق و علاقه بیشتری به کار خود ادامه می دهند و کار سخت پیش روی خود را نادیده نمی گیرند.”
در مرحله بعدی آنها باید اطلاعات گرفته شده را به طور دقیق و کامل بررسی کنند.اوریت توضیح می دهد که دانشمندان GP-B این کار را در سه مرحله انجام می دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را به صورت روز به روز بررسی می کنند تا بی نظمی های موجود در آنها را بیابند. سپس اطلاعات را به صورت ماه به ماه در می آورند و در نهایت آنها را به صورت یک مجموعه کامل به دست آمده در طول یک سال، تحلیل می کنند. بدین ترتیب دانشمندان ایرادات موجود در اطلاعات را ، که از طریق یک روش تجزیه و تحلیل ساده نمی توان پیدا کرد، می یابند.
نهایتا دانشمندان از سراسر دنیا نتایج را به دقت بررسی می کنند.اوریت می گوید: “بدین طریق به سخت ترین منتقدان، اجازه شرکت در این پروژه داده می شود.” اگر GP-B بتواند به طور دقیق چاله فضا-زمانی را که انتظار می رود مشخص کند، بدین معنی است که بر اساس باور عمومی فیزیکدانان نظریه اینشتین حقیقت داشته است ولی اگر این گونه نشود، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟ شاید ایرادی در نظریه نسبیت عام اینشتین یافته شود. اختلاف کوچکی که ظهور انقلابی بزرگ را در فیزیک عصر جدید اعلام خواهد کرد.

--- زهرائی (از کاربران هوپا)