سيب از درخت مي افتد، ماه دور زمين مي چرخد، نور ستاره ها كنار خورشيد خم مي شود و ساعت ها در نزديكي اجرام سنگين آهسته تر كار مي كنند. ما همه اين ها را با مفهومي به نام گرانش توضيح مي دهيم. اما پشت اين واژه ساده، يكي از بزرگ ترين معماهاي فيزيك پنهان شده است: چرا گرانش تا اين اندازه با بقيه نيروهاي طبيعت فرق دارد؟
در آخرين پژوهش هاي انجام شده، گروهي از فيزيكدانان مي گويند شايد جواب در جايي باشد كه كمتر انتظارش را داريم: آنتروپي؛ همان مفهومي كه معمولاً با گرما، بي نظمي، اطلاعات و ترموديناميك سروكار دارد. البته اين به معناي حل نهايي معماي گرانش نيست، اما مقاله تازه اي از فيليپ دوراو و آلبرت موخ نشان مي دهد معادلات نيمه كلاسيك اينشتين مي توانند از دل آنتروپي نسبي كوانتومي و تغيير مساحت افق ها بيرون بيايند.
اينشتين نقشه گرانش را كشيد، اما راز آن را نگفت نسبيت عام اينشتين يكي از درخشان ترين نظريه هاي تاريخ علم است؛ نظريه اي كه نگاه ما به گرانش را براي هميشه تغيير داد. پيش از اينشتين، گرانش بيشتر شبيه نيرويي نامرئي تصور مي شد كه اجسام را از راه دور به سوي هم مي كشد. اما اينشتين تصوير تازه اي ساخت: جرم و انرژي، بافت فضا-زمان را خم مي كنند و اجسام در اين هندسه خميده به حركت درمي آيند.
به زبان ساده، زمين دور خورشيد مي چرخد چون خورشيد با جرم عظيم خود، هندسه فضا-زمان اطرافش را تغيير داده است. در نسبيت عام، گرانش ديگر يك كشش ساده ميان دو جسم نيست، بلكه نتيجه حركت اجسام در فضا-زماني است كه حضور ماده و انرژي آن را خم كرده اند. درست مثل توپي كه روي يك سطح كشسان فرورفته مي غلتد، حركت سياره ها هم نتيجه شكل هندسي فضايي است كه در آن قرار گرفته اند.
اما اين توضيح، با همه زيبايي و دقتش، هنوز يك پرسش اساسي را بي پاسخ مي گذارد: چرا جرم و انرژي بايد فضا-زمان را دقيقاً به همين شكل خم كنند؟ معادلات اينشتين با دقتي خيره كننده كار مي كنند، اما شايد بيشتر به ما بگويند گرانش چگونه رفتار مي كند، نه اينكه در عميق ترين سطح از چه چيزي به وجود آمده است. براي همين، برخي فيزيكدانان به گرانش مثل فشار يا دماي يك گاز نگاه مي كنند. فشار را مي توان اندازه گرفت، اما فشار ويژگي يك مولكول تنها نيست، بلكه از حركت و رفتار جمعي ميلياردها مولكول به وجود مي آيد.
شايد گرانش هم چنين باشد: چيزي واقعي، قابل اندازه گيري و قدرتمند، اما نه لزوماً بنيادي. شايد آنچه ما به نام گرانش مي شناسيم، در مقياس هاي عميق تر، نتيجه رفتار جمعي اطلاعات، آنتروپي يا اجزاي ناشناخته اي از فضا-زمان باشد.
اولين سرنخ از دل سياه چاله ها بيرون آمد براي رسيدن به اين ايده كه گرانش شايد با آنتروپي و اطلاعات ارتباط داشته باشد، بايد سراغ عجيب ترين اجرام جهان برويم: سياه چاله ها. سياه چاله ها مرزهايي هستند كه در آن ها فيزيك تا لبه مرز خودش پيش مي رود، جايي كه گرانش آن قدر شديد است كه حتي نور هم به راحتي نمي تواند از آن بگريزد.
براي مدت ها، تصور مي شد سياه چاله ها فقط مي بلعند و چيزي پس نمي دهند. اما در دهه 1970، ياكوب بكنشتاين (Jacob Bekenstein) ايده اي جسورانه مطرح كرد: وقتي اطلاعاتِ ماده پس از ورود به سياه چاله از ديد ما پنهان مي شود، خود سياه چاله بايد ردپايي از اين اطلاعات را در قالب آنتروپي نگه دارد. نكته شگفت انگيز اين بود كه اين آنتروپي نه با حجم سياه چاله، بلكه با مساحت افق رويداد آن ارتباط داشت. بعدتر، استيون هاوكينگ نشان داد سياه چاله ها آن قدرها هم سياه نيستند. وقتي اثرات مكانيك كوانتومي را در نزديكي افق رويداد در نظر بگيريم، سياه چاله مي تواند مقدار بسيار اندكي تابش از خود نشان دهد، درست مثل جسمي كه دما دارد.
اين نتيجه براي فيزيكدانان تكان دهنده بود. دما و آنتروپي معمولاً به دنياي گازها، مولكول ها و سيستم هاي آماري تعلق دارند، نه به هندسه فضا-زمان. اما سياه چاله ها نشان دادند كه ميان گرانش، گرما و اطلاعات پيوندي عميق وجود دارد.
مقايسه گرانش و فشار
آيا فضا-زمان هم از قوانين ترموديناميكي پيروي مي كند؟ در سال 1995، تد جاكوبسن (Ted Jacobson) ايده اي مطرح كرد كه نگاه بسياري از فيزيك انان را به گرانش تغيير داد. او پرسيد: اگر رابطه ميان گرما، دما و آنتروپي فقط مخصوص گازها و مواد معمولي نباشد چه؟ اگر خود فضا-زمان هم بتواند رفتاري شبيه يك سيستم ترموديناميكي داشته باشد چه؟
جاكوبسن نشان داد وقتي اين رابطه ها را براي افق هاي محلي فضا-زمان به كار ببريم، همان معادلات معروف اينشتين به دست مي آيند. به بيان ساده تر، گويي معادلات نسبيت عام نه از يك قانون بنيادي تر شناخته شده، بلكه از نوعي توازن ميان انرژي، آنتروپي و هندسه فضا-زمان بيرون مي آيند.
پژوهش جديد چه چيزي به اين داستان اضافه مي كند؟ پژوهش تازه اين ايده را يك قدم جلوتر مي برد. نويسندگان اين بار سراغ آنتروپي معمولي نمي روند، بلكه از مفهومي دقيق تر در فيزيك كوانتومي استفاده مي كنند: آنتروپي نسبي كوانتومي. آنتروپي نسبي كوانتومي، راهي براي سنجيدن تفاوت ميان دو حالت كوانتومي است. تصور كنيد يك حالت، خلأ كامل باشد، يعني حالتي كه در آن هيچ ذره اي ديده نمي شود. حالت دوم، همان خلأ است اما با اندكي برانگيختگي، يعني مقدار بسيار كمي انرژي يا ماده به آن اضافه شده است. پرسش اصلي مقاله اين است: اين تفاوت كوچك ميان دو حالت كوانتومي، چه اثري روي فضا-زمان مي گذارد؟
نويسندگان نشان مي دهند اين تفاوت اطلاعاتي با جريان انرژي از يك افق فضا-زماني ارتباط دارد. افقي كه لزوماً افق رويداد يك سياه چاله واقعي نيست، بلكه مي تواند افقي محلي در فضا-زمان باشد؛ مرزي كه از نظر رياضي رفتاري شبيه افق سياه چاله دارد. به بيان ساده تر، وقتي حالت كوانتومي كمي تغيير مي كند، اين تغيير را مي توان به شكل عبور انرژي از چنين افقي توصيف كرد. از طرف ديگر، طبق رابطه بكنشتاين ـ هاوكينگ، آنتروپي با مساحت افق ارتباط دارد. بنابراين، اگر انرژي از افق عبور كند، مساحت افق هم تغيير مي كند و همين تغيير مساحت، راهي براي رسيدن به معادلات نيمه كلاسيك اينشتين باز مي كند.
اينجاست كه قطعات پازل كنار هم قرار مي گيرند: تغيير در اطلاعات كوانتومي، به تغيير در انرژي مي رسد؛ تغيير انرژي، مساحت افق را عوض مي كند؛ و از دل همين رابطه، معادلات نيمه كلاسيك اينشتين ظاهر مي شوند.
اهميت ماجرا دقيقاً همين جاست. گرانش كه در نگاه اول درباره جرم، انرژي و خميدگي فضا-زمان است، در اين چارچوب از دل مفاهيمي بيرون مي آيد كه به اطلاعات، آنتروپي و نظريه ميدان هاي كوانتومي مربوط هستند. پس شايد گرانش، در عميق ترين سطح، نه يك نيروي مستقل، بلكه زبان بزرگ مقياسِ اطلاعات كوانتومي باشد.
يعني منشأ گرانش كشف شده است؟ نه؛ حداقل هنوز نه. تيتر منشأ گرانش كشف شد جذاب است، اما بايد محتاط تر حرف بزنيم. اين پژوهش نشان مي دهد كه مي توان معادلات نيمه كلاسيك اينشتين را از رابطه اي اطلاعاتي ـ ترموديناميكي بيرون كشيد. اين دستاورد مهمي است، اما هنوز نمي گويد خود گرانش دقيقاً از چه چيزي ساخته شده است. هنوز نمي دانيم ريزساختار واقعي فضا-زمان چيست. آيا پاي گراويتون ها در ميان است؟ ريسمان ها؟ يا چيزي كاملاً متفاوت؟
خود نويسندگان هم نتيجه را در چارچوب نظريه ميدان كوانتومي روي فضا-زمان خميده بيان مي كنند و مي گويند اين كار نشان مي دهد اطلاعات كوانتومي احتمالاً در فهم گرانش كوانتومي نقش كليدي دارد. پس بهتر است بگوييم: ما شايد منشأ نهايي گرانش را پيدا نكرده ايم، اما يك مسير رياضي جدي پيدا كرده ايم كه گرانش را به اطلاعات كوانتومي وصل مي كند.
چرا اين كشف مي تواند نگاه ما به جهان را عوض كند؟ اهميت اين ايده فقط در يك فرمول تازه نيست؛ مسئله اين است كه شايد يكي از قديمي ترين معماهاي فيزيك را از زاويه اي كاملاً جديد نشان دهد. فيزيكدانان سال هاست مي خواهند گرانش را با مكانيك كوانتوم آشتي دهند. سه نيروي ديگر طبيعت در جهان كوانتومي جا مي گيرند، اما گرانش در نسبيت عام هنوز با زبان هندسه و فضا-زمان توضيح داده مي شود.
اگر گرانش واقعاً از دل پديده هاي عميق تر سر برآورده باشد، اين تفاوت عجيب معناي تازه اي پيدا مي كند. شايد گرانش مثل دما يا فشار باشد: پديده اي واقعي، قدرتمند و قابل اندازه گيري، اما نه بنيادي. همان طور كه دما از حركت جمعي ذرات به وجود مي آيد، گرانش هم شايد از الگوي پنهان اطلاعات كوانتومي بيرون بيايد.
اين يعني فضا-زمان شايد صحنه اي ثابت و خاموش براي رخدادهاي جهان نباشد، شايد خودش محصول چيزي عميق تر باشد. نسبيت عام به ما گفت گرانش چگونه رفتار مي كند، سياه چاله ها نشان دادند پاي آنتروپي و اطلاعات در ميان است و پژوهش هاي تازه نشان مي دهند شايد بتوان رد معادلات اينشتين را در دل آنتروپي نسبي كوانتومي پيدا كرد.
پس شايد گرانش چيزي باشد كه وقتي از دور به شبكه اي ناشناخته از اطلاعات كوانتومي نگاه مي كنيم، مي بينيم؛ زباني بزرگ مقياس براي واقعيتي عميق تر كه هنوز كامل نمي شناسيم.
