دکتر حسن بلوری                                                                             

برلین، ۲۰۲۳٫۱۰٫۰۵

گرانشِ آنتروپیک

ترمودینامیکِ فضازمان

Entropic gravity; Thermodynamics of spacetime^۱

نظریه نسبیت عام اینشتین علت خمیدگی فضازمان را حضور ماده و انرژی می‌‌داند. اما یافته‌های جدید بعکس، نواساناتِ خلاء کوانتومی را دلیل بروز ماده و انرژی در مکان‌هایی که فضازمان خمیده است می‌انگارد. این تفسیر نو، چشم‌انداز جدیدی را برای حل برخی مسائل بنیادیِ فیزیک و کیهان‌شناسی ‌ایجاد می‌کند.

فشرده

بررسی‌ نتایج پژوهش‌‌های دهه‌های اخیر نشان از لزوم خوانش اساسن جدیدی از نظریه نسبیت عام اینشتین دارد. نظریه نسبیت عام علت خمیدگی فضازمان را حضور ماده و انرژی می‌داند.^۲و۳ اما یافته‌های جدید بعکس، نواسانات کوانتومی^۴ را دلیل بروز ماده و انرژی در مکان‌هایی که فضازمان خمیده است می‌انگارد.^۵

“یک چنین تفسیر معکوسی از رابطه‌ی مفهوم‌های اساسی فیزیک، رویکرد کاملن تازه‌ای را برای حلِ برخی مسائلِ کیهان‌شناسی، وحدت نظریه‌های کوانتوم و نسبیت، مسئلهِ بینهایت‌ها در فیزیک و انرژی تاریک ایجاد می‌کند.”^۵

در سطح میکروسکوپی متغیرهایی مانند متریک و خمیدگی فضازمان به‌شکلی که از نظریه کلاسیک نسبیت عام می‌شناسیم قابل تصور نیست. چراکه به‌نظر بختِ کوانتزه شدن آنها، حداقل در حال حاضر، بسیار کم است. البته می‌توان فضازمان را ساختاری شکل گرفته از واحدهای بسیار کوچک به اصطلاح”کوانتای فضازمان یا اتم‌های فضازمان”^۶ تصور کرد. نظریه نسبیت عام (معادلات اینشتین)، فضازمان را در رابطه با ماده و انرژی قرار می‌دهد. بررسی‌های نظریِ افقِ رویدادِ سیاه‌چاله‌ها نشان از رابطه میان آنتروپی سیاه‌چاله و سطحِ افقِ رویداد آن دارد. به این معنا که هرچه سطحِ افقِ رویداد بزرگتر است آنتروپی سیاه‌چاله نیز بیشتر است و بعکس. آنتروپی اما مفهومی از علم ترمودینامیک (آماری) است.   

ایده‌ی ایجادِ رابطه میان  فضازمان و ترمودینامیکِ را آندره ساخاروف (Andrei D. Sakharow) فیزیکدان شورویِ سابق (۱۹۸۹ـ۱۹۲۱) در مقاله‌ای از سال ۱۹۶۸ “در ارتباط با گرانشِ کوانتومی که گرانش را به‌عنوان اثری شکل‌گرفته از نواسانات خلاء کوانتومی می‌دید مطرح نمود.”^۷ این ایده در دهه هشتاد میلادی قرن بیستم از جانب کیپ تورن (Kip Thone) فیزیکدان آمریکایی (۱۹۴۰*) و تیبائولت دامور (Thibault Damour) فیزیکدان فرانسوی (۱۹۵۱*) به نوع دیگری (سنجش بین سطحِ افقِ رویدادِ سیاه‌چاله‌ها^۲و۳ و هیدرودینامیک) با نتایج مشابه پی‌گیری شد. از آن زمان به این سو اشتقاقِ ترمودیناکیکی معادلاتِ نسبیت عام اینشتین به‌عنوان “نیروی آنتروپی”، حاصل از حرکتِ جنبشی (حرارتیِ) ذرات، توجه فیزیکدان‌ها را به خود جلب نموده است. 

در این مقاله برآنیم با چشم‌انداز جدید، یعنی گرانشِ آنتروپیک، برای حل‌ِ مسائلِ بنیادی فیزیک و کیها‌ن‌شناسی کوانتومی^۸ آشنا شویم.    

پیشگفتار    

حدود یک قرن پیش از ارائه‌ی نظریه نسبیت عام از جانب آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵، یوهان کارل فریدریش گاوس   (Johan Carl Friedrich Gauß) ریاضیدان و ستاره‌‌شناس آلمانی (۱۸۵۵ـ۱۷۷۷) دریافته بود که فضای خمیده اساسی‌تر از فضای مسطح است. به این معنا که در واقع فضای مسطح یک مورد خاص از فضای خمیده است، مانند یک خط که به‌طور خاص می‌تواند یک خط مستقیم باشد. در فیزیک، یک سیستمِ شتابدار هم‌ارز (معادل) با فضازمانِ خمیده‌ (محلی) شناخته می‌شود.  

تجربه‌ی روزمره‌ی ما از دنیای ماکروسکوپی نشان از پیوسته بودن ساختار فضازمان تا مقیاس پلانک ( ^۳۵–۱۰متر) دارد. این در حالیست که ما می‌دانیم بنیادِ دنیای ماکروسکوپی را دنیای ناپیوسطه‌ها (کوانتومی) تشکیل می‌دهد.^۹و۱۰ از این‌رو وقتی ما نظریه کوانتوم را در یک فضای خمیده (طبق تفسیر جدید، در یک خلاء کوانتومی) ملاحظه ‌می‌کنیم با پدیده‌ا‌ی بسیار شگفت‌انگیزی مواجه هستیم به نام ’اثر آنرو‘. 

در سال ۱۹۷۶ ویلیام جرج آنرو (William George Unruh) فیزیکدان کانادایی (۱۹۴۵*) اثری را که به ’اثر آنرو‘ (Unruh effect) معروف است توصیف نمود. این اثر یکی از عجیب‌ترین پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت است. در مقاله^۱۱ تحت عنوان ’خاستگاه فضا و زمان‘ در ‌باره‌ی این اثر چنین می‌خوانیم:

“یک آشکارسازِ شتابدار و یا یک ناظرِ شتابدار می‌تواند تابش ذراتی مانند فوتون، الکترون و پوزیترون را در خلاء کوانتومی با دمایی متناسب با شتاب ملاحظه نماید. و این در حالی است که یک آشکارسازِ لَخت یا یک ناظرِ لَخت (مرجع لَخت، به دستگاهِ مختصاتی که عاری از شتاب است گفته می‌شود) قادر به مشاهده‌ی یک چنان پدیده‌ای نیست. برای مثال یک آشکارساز در فاصله‌ی ناچیزی از افقِ ‌رویدادِ^۸ یک سیاه‌چاله‌ در معرضِ میدانِ گرانشِ قوی سیاه‌چاله قرار دارد. معنای این گفته با در نظرگرفتن اصل هم‌ارزی گرانش و شتاب آن است که آشکارسازِ مربوطه از شتابِ بالائی برخوردار است. یعنی، می‌تواند نمایانگر (شاهد) تابشی با دمائی به نام ’دمای آنرو‘، اندکی کوچکتر از دمای پس‌زمینهِ ماکروویو کیهانی، باشد. طبق این نظریه به دلیل آنکه ذرات کوانتومی واقعیت دارند کیهان نمی‌تواند کاملن مسطح باشد. 

اثباتِ ’اثر آنرو‘ به ‌آسانی میسر نیست. به‌ این دلیل که برای نمایش آن نیاز به شتابی است که قادر باشد آشکارساز (ناظر) را در عرض یک میکروثانیه به سرعتی نزدیک به سرعت نور برساند و این در عمل غیرممکن است. با این ‌حال فیزیکدان‌ها از دانشگاه فنی وین (اتریش) با همکاری ویلیام آنرو و دیگر همکاران، آزمایشی را در نظرگرفته‌اند تا بتوانند ’اثر آنرو‘ را در سطح آزمایشگاهی مشاهده و بررسی نمایند. البته این آزمایش می‌باید در محیطی فوق‌العاده سرد، یعنی نزدیک به دمای صفر مطلق، چگالش بوز ـ اینشتین (Bose – Einstein condensate) در دمای ۲۷۳٫۱۴– درجه سانتی‌‌گراد صورت ‌گیرد. در این حالت دیگر نیازی نیست آشکارساز را تا نزدیک به سرعت نور شتاب داد بلکه می‌توان در سرعت و شتاب‌های پائین‌ ’اثر آنرو‘ را مشاهده نمود.^۱۲و۱۳“^۱۱

بطور خلاصه، یک ناظرِ (آشکارسازِ) شتابدار که در یک خلاء کوانتومی در حرکت است، برداشت آن دارد در محیطی پُر از ذرات با دمایی متناسب با شتاب در پرواز است. چنین به‌نظر می‌رسد که این پدیده مشابه پدیده تشعشعات سیاه‌چاله‌ها، اشعه هاوکینگ، است.

به این ترتیب ’اثر آنرو‘ بُعد کاملن تازه‌ای از نظریه نسبیت اینشتین را نمایان می‌کند. به این معنا که این نظریه نه فقط فواصل و دوره‌های زمانی را تابع مرجع بلکه ظاهر شدن ذرات از خلاء کوانتومی را نیز تابع مختصاتی به نام مختصات ریندلر (Rindler coordinates)، ولفگانگ ریندلر (Wolfgang Rindler) فیزیکدان آمریکایی (۲۰۱۹ـ۱۹۲۴)، می‌داند.

دستگاه مختصاتِ ریندلر به مرجعی گفته می‌شود که “بکارگیری آن برای مثال در آنالیزِ ’اثر آنرو‘ یک افقِ رویدادِ ظاهری (افق ریندلر) را برای ناظر ایجاد می‌کند و نشان از حدی دارد که از آن فراتر ناظر قادر به دریافت سیگنال‌های نور نیست.”^۱۴

دستگاه مختصات ریندلر یک چارچوب مرجع در نظریه نسبیت خاص (در فضازمان مینکوفسکی) است که در آن یک ابژکت با شتاب ثابت، در حالیکه توسط یک ناظر (شتاب سنج) متحرک اندازه‌گیری می‌شود، دچار حرکت هایپربولیک (Hyperbolic motion) با ویژگی‌های خاص مانند پشت‌سر گذاشتن نور می‌شود.^۱۴  

برای مطالعه متن کامل نوشته با فرمت پی دی اف لطفا اینجا کلیک کنید

———————————

مراجع

https://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2011/02/18/wie-man-die-raumzeit-krummt-teil-vi/1.

2. Hassan Bolouri, White hole, Wormhole, Black hole

۲. حسن بلوری، ’مفهوم ماده در تراکم‌های بسیار بالا‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی‌زبان، ماه اوت سال ۲۰۲۰

3. Hassan Bolouri, Centaurus A

۳. حسن بلوری، ’سازوکارها‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی‌زبان، ماه سپتامبر سال ۲۰۲۰

4. Hassan Bolouri, Vacuum and its structure – a discussion about “Nothing.”

۴. حسن بلوری، ’خلاء و ساختار آن، بحثی در بارهٔ “هیچ”‘منتشر شده در سایت‌های فارسی‌زبان، ماه آوریل سال ۲۰۲۳

5. Philipp Wehrli, Swise – Swiss Science Education file:///C:/Users/hassan/Downloads/Weshalb_wir_nicht_nach_einer_Quantengrav.pdf
6. Hassan Bolouri, The Quanta of Space and Time

۶. حسن بلوری، ’کوانتای فضا و زمان‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی‌زبان، ماه آوریل سال ۲۰۲۱

7. A. Sacharow, Vacuum quantum fluctuation in curved space and the theory of gravitation, Soviet Phys. Dokl., Bd. 12, 1968
8. Hassan Bolouri, Quantum cosmology

۸. حسن بلوری، ’کیهان‌شناسی کوانتومی‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی‌زبان، ماه ژوئن سال ۲۰۲۳

9. Hassan Bolouri, The concept of matter in philosophy and science

۹. حسن بلوری، ’مفهوم مادّه در فلسفه و علم‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی‌زبان، ماه می ۲۰۲۰

10. Hassan Bolouri, The Concept of Reality in Quantum Theory

۱۰. حسن بلوری، ’مفهوم واقعیت در نظریه کوانتوم‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی‌زبان، ماه اکتبر ۲۰۲۰

11. Hassan Bolouri, The origin of space and time

۱۱. حسن بلوری،’خاستگاه فضا و زمان‘، منتشر شده در سایت‌های فارسی‌زبان، ماه مارچ سال ۲۰۲۱   

12. https://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%86%DA%AF%D8%A7%D9%84%D8%B4_%D8%A8%D9%88%D8%B2%E2%80%93%D8%A7%DB%8C%D9%86%D8%B4%D8%AA%DB%8C%D9%86
13. https://science.orf.at/stories/3203450/#:~:text=Der%20kanadische%20Physiker%20William%20Unruh,nun%20eine%20einfachere%20Alternative%20vor
14. https://de.wikipedia.org/wiki/Hyperbelbewegung#:~:text=Rindler-Koor