جهان به کمک ماتریس حافظه چگونه اطلاعات را به یاد می‌آورد؟ 

جهان به کمک ماتریس حافظه چگونه اطلاعات را به یاد می‌آورد؟ 

پارادوکس اطلاعات یکی از بزرگترین روابط گم شده در علم فیزیک بود. در سال 1965، یک نظریه پرداز ذرات بنیادی، فرمولی برای برخورد ذرات بنیادی استخراج کرد. بیست سال بعد دو نظریه‌پرداز گرانشی، با استفاده از تکنیک‌های کاملا متفاوت، فرمولی برای برخورد ستارگان یا سیاهچاله‌ها به دست آوردند که با فرمول قبلی، یکسان بود. تنها تفاوت این بود که در فرمول اولی، از «p» برای تکانه و در فرمول دومی از «P» استفاده می‌شد. اندی استرومینگر (Andy Strominger)، فیزیکدان دانشگاه هاروارد می‌گوید  حتی یک کودک 6 ساله هم می‌تواند به این دو مقاله نگاه کند و شباهت آن‌ها را دریابد؛ اما ظاهرا هیچ  کودک 6 ساله‌ای متوجه این شباهت نشد. بنابراین تا زمان استرومینگر در سال 2014 کسی متوجه آن شباهت نشده بود.
نکته‌ی مشترک آنها، نگرانی درباره‌ی چگونگی عملکرد این فرمول‌ها تحت اثر گرانش و نیروهای دیگر در مقیاس‌های بزرگ است. استرومینگر و همکارانش در حال تحقیق درباره‌ی این موضوع هستند که چگونه می‌توانند مسیر غیر معمول و جدیدی برای وحدت قوانین فیزیک ارائه دهند. رفتار بزرگ مقیاس نیروها، مانند رفتار نیروهای کوچک مقیاس که فیزیکدانان بر روی آنها متمرکز شده اند، شگفتی‌های بسیاری ایجاد می‌کند. این روش پیشنهادی، مسیر جدیدی را برای  پارادوکس اطلاعات می‌گشاید که اولین بار توسط استیون هاوکینگ در دهه‌ی 1970 مطرح شد. این پارادوکس در مورد سرنوشت اطلاعات اشیایی که توسط سیاهچاله بلعیده شده اند، بحث می‌کند. اِنا فلانگن (Éanna Flanagan) از دانشگاه کُرنل می‌گوید: 
پژوهش استرومینگر بسیار مهم است و روی بسیاری از حوزه‌های فیزیک، تاثیر زیادی خواهد داشت.
پژوهش استرومینگر از دیدگاه گرانش، به کشف عجیب و غریبی که سال 1962 توسط نظریه‌پردازان گرانشی، هرمان بوندی و همکارانش صورت گرفت، برمی‌گردد. آنها به دنبال تعیین دقیق آنچه که نظریه نسبیت خاص اینیشتین را، خاص می‌سازد، بودند. این نظریه نشان می‌دهد چگونه ناظرین متفاوتی که با سرعت ثابتی نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند، می‌توانند در مورد طول اجسام و زمان بین رویدادها، دچار اختلاف نظر شوند. ضمن اینکه نظریه نسبیت عام اینشتین، این اصل را به ناظرینی که با سرعت‌های متغیر در حال حرکت‌اند، تعمیم می‌دهد. نسبیت عام مشخص می‌کند فضا و زمان چگونه در هم بافته می‌شوند تا یک بافت فضازمان چهار بعدی بسازند که در اطراف اجرام گرانشی پرجرم، خم شده و پیچ و تاب می‌خورد. 
کتاب‌های درسی می‌گویند اگر به دوردست‌ها سفر کنید، جایی بی نهایت دور از یک ستاره، سیاره یا سایر اجرام گرانشی، نظریه نسبیت عام به نظریه نسبیت خاص، تقلیل می‌یابد. آنجا جاذبه به هیچ تبدیل می‌شود و از بین می‌رود. بنابراین پیوستار سست فضازمان باید به یک چارچوب سفت و سخت تبدیل شود. از آنجایی که گرانش با فاصله کاهش می‌یابد، سیاره‌ها و ستاره‌ها تقریبا مستقل از دیگری هستند و آنچه در منظومه شمسی ما اتفاق می‌افتد، بستگی خیلی کمی به باقی کهکشان‌ دارد.
جفری کامپر (Geoffrey Compère) از دانشگاه آزاد بروکسل بلژیک، ساختار «فضازمان مسطح» را که نسبیت خاص توصیف می‌کند، به یک بلور تشبیه می‌کند. او توضیح می‌دهد که چنین فضازمانی تنها یک درجه‌ی محدودشده‌ از تقارن دارد: مثل اینکه شما سه قدم به سمت راست (تغییر مکان که به عنوان انتقال شناخته می‌شود) حرکت کنید یا سوار قطاری شوید که با سرعت ثابت در حال حرکت است.
با این حال، باندی و همکارانش با بررسی دقیق کشف کردند که حتی وقتی گرانش را صفر کنند، فضازمان به جای مسطح و سخت‌تر شدن، سست‌ باقی می‌ماند. به عبارت دیگر، حتی جایی که هیچ گرانشی وجود ندارد، گرانش هنوز وجود دارد؛ همیشه یک باقی مانده، باقی می‌ماند. سیاره‌ها و ستاره‌های دور به هیچ وجه از یکدیگر مستقل نیستند. پس تصویر کتاب اشتباه است، اما برای درک دلیل یا معنای آن، هیچ راه شهودی وجود ندارد. 
ابرانتقالات
در آن فواصل، آنچه باقی می‌ماند، فقط تقارن‌های نسبیت خاص نیست، بلکه تعداد نامحدودی از تقارن‌های دیگر به نام ابرانتقالات (supertranslations) نیز باقی می‌مانند. اینها انتقالاتی وابسته به زاویه هستند که نقاط بی نهایت دور از جرم گرانشی را درگیر می‌کنند. وفور این تقارن‌ها که به عنوان گروه BMS شناخته می‌شوند، پیچیدگی پنهان زیادی را به فضازمان خالی می‌دهند. راه‌های بی‌نهایت زیادی برای خالی بودن فضازمان وجود دارد. ابرانتقالات را نمی‌توان به راحتی سه قدم برداشتن به سمت راست، تجسم کرد. دهه‌هاست دانشمندان نتوانسته‌اند توضیح ساده‌ای برای آنها بیابند. بسیاری از فیزیکدانان به اهمیت ابرانتقالات و پیامدهای آنها برای نسبیت عام پی برده‌اند. همچنین معلوم شد که BMS تقارن‌هایی به نام ابرچرخش‌ها را از قلم انداخته بود. استرومینگر می‌گوید: 
مقالات این حوزه، سرشار از خطاست، چرا که این موضوع به خوبی درک نشده بود. من فکر می‌کنم مردم واقعا آن را باور نکردند و تلاش می‌کردند راهی برای از بین بردنش پیدا کنند.
اما استرومینگر در سال‌های اخیر، روشن کرده که ابرانتقالات چه هستند. تصور او می‌تواند تاثیر عمیقی بر درک ما از خلا و سیاهچاله‌ها داشته باشد. او از معمایی به ظاهر مستقل، اما به همین اندازه مبهم، در فیزیک ذرات الهام گرفت. در دهه 1930، فلیکس بلوخ (Felix Bloch) و آرنولد نوردسیک (Arnold Nordsieck) محاسبه کردند که اگر شما دو فوتون دارای انرژی صفر را که به آنها ذرات نرم (Soft Particles) می‌گویند، برخورد دهید، احتمال یک نتیجه‌ی دلخواه، مستقل از تعداد ذراتی است که تولید شده‌اند. بعدها فیزیکدانان نشان دادند که همین امر برای سایر انواع ذرات دیگر، از جمله گراویتون (ذره فرضی حامل گرانش) نیز صادق است. در عمل، تمام ذرات، در انرژی کم، یکسان هستند.
استرومينگر معتقد است محققان این رفتار را به عنوان یک ويژگي درونی نظریه ميدان کوانتومی ‌در نظر گرفتند و نیازی به جستجوی یک توضیح عمیق‌تر ندیدند. اما استرومینگر با ارتباط دادن این ویژگی عجیب و مشترک همه ذرات با انرژی صفر به گروه BMS، راهی برای معنا دادن به ابرانتقالات پیدا کرد. او می‌گوید یک ابرانتقال، ذرات نرم را به فضازمان می‌افزاید.
این درک به نوبه خود، تصویر واضح‌تری از اینکه چگونه یک فضازمان به ظاهر تهی که از هر جسم گرانشی به دور است، می‌تواند باقی مانده‌ی اثرات گرانشی را حفظ کند، بدست می‌دهد. یک ذره نرم را درون یک خلا بیندازید، با وجود اینکه انرژی را افزایش نمی‌دهد، اما تکانه زاویه‌ای و دیگر خواص خود را درگیر می‌کند، بنابراین خلا را به یک نسخه جدیدی از خود ارتقا می‌دهد. استرومينگر متوجه شد كه اگر خلا بتواند چند فرم بگیرد، یک اثر تقریبا هوميوپاتي (homeopathic) از چیزی که از آن عبور مي كند را حفظ خواهد کرد.
ابهی اشتکار (Abhay Ashtekar) دانشمند دانشگاه دولتی پنسیلوانیا که کارش در دهه 1980 منجر به درک جدیدی از اثرات دوربرد گرانش شد، ارتباط استرومینگر میان فیزیک فضازمان خالی و قضیه‌های نرم فیزیک ذرات را کاری بسیار الهام بخش می‌خواند. نیما ارکانی حامد، نظریه پرداز موسسه مطالعات پیشرفته پرینستون نیز روش استرومینگر را تحسین کرده و می‌گوید: 
استرومینگر و همکارانش این واقعیت‌های کلاسیکی را به یک زبان تقارنی، به خوبی بازتفسیر کرده‌اند که بسیار زیباست.
اما هیچکس شیفته تصویر شهودی استرومینگر از تقارن‌های خلا نیست. فیلسوفانی که متخصص بررسی تفسیرهای ارائه شده توسط دانشمندانند، به این قضیه مشکوک هستند. اریک کوریل (Erik Curiel) از دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیانس مونیخ آلمان می‌گوید: من به بسیاری از تلاش‌هایی که می‌خواهند یک تفسیر فیزیکی معنادار به BMS بدهند، شک دارم.
 او معتقد است تقارن‌های قلمداد شده، محصول ساختگی ایده‌آل سازی استفاده شده در تحلیل‌ها هستند و نباید بسیار عینی تلقی شوند. 
اثر حافظه
با این وجود، فیزیکدانان به دنبال شواهد قابل ملاحظه‌ای از اثر حافظه هستند که توسط گرانش ساخته شده باشد و بتوان آن را به زودی در آزمایشگاه آزمود. در دهه 1970 فیزیکدانانی مثل سوویت (Soviet)، زلدوویچ (Yakov Zel’dovich) و الکساندر پولانارف (Alexander Polnarev) پیشنهاد دادند که امواج گرانشی نه تنها باعث ایجاد نوسان سریع در یک آشکارساز می‌شوند، بلکه می‌توانند یک تغییر دائمی‌ نیز ایجاد کنند. استرومینگر می‌گوید: 
آینه‌ها می‌چرخند و پس از آنکه موج عبور کرد، به موقعیت اولیه‌ی خود بازنمی‌گردند.
وقتی به تصویر فضازمان کامپر (Compère) به صورت یک بلور فکر کنید، می‌توانید آن را به خوبی درک کنید. گذر یک موج گرانشی، مانند یک جابجایی در بلور (یک انحراف در شبکه) است. کامپر می‌گوید: 
اثر این جابجایی این است که دو ناظری که در ابتدا در حالت سکون و جدا از هم هستند، پس از گذر موج، به مقدار محدودی جابجا خواهند شد.
به گفته یوری لوین (Yuri Levin) از دانشگاه کلمبیا، ابعاد جابجایی حدود 5 درصد دامنه نوسان است و ممکن است با به‌روزرسانی آینده‌ی لیگو دیده شود. دیگر متخصصان تجربی به دنبال اثرات مشابه حافظه برای نیروهای الکترومغناطیسی و هسته‌ای هستند.

پارادوکس اطلاعات
اصل حافظه حتی ممکن است پارادوکس اطلاعات سیاهچاله را نیز که ‌هاوکینگ در دهه 1970 کشف کرد، حل کند. در تجزیه و تحلیل عادی، سیاهچاله‌ها، فراموشکار هستند. تنها جرم، اسپین و بار الکتریکی ماده‌ای که در آنها می‌افتد، ثبت می‌شود. سیاهچاله ‌ها با گذشت زمان، به تدریج و به شکل پرتو هاوکینگ، از شر ذرات خلاص می‌شوند و در نهایت به طور کامل فشرده و منقبض می‌شوند. جزئیات محتویاتی که بلعیده‌اند گم شده و از بین می‌رود. از آنجا که فرض می‌شود چنین فراموشی و نسیانی در فیزیک اتفاق نمی‌افتد، این پارادوکس ایجاد می‌شود. اما در سال 2016، استرومینگر با همکاری نظریه‌پردازانی مثل هاوکینگ و مالکولم پری (Malcolm Perry) از کمبریج پیشنهاد داد که خلا در نسبیت عام می‌تواند یک ماتریس حافظه ایجاد کند که ‌این اطلاعات را در جهان، ورای فروپاشی سیاهچاله حفظ کند. یک سیاهچاله در یک منطقه خالی از فضازمان شکل می‌گیرد؛ پس از آن تبخیر شده و آن منطقه یک بار دیگر خالی می‌شود، اما این، یک خالی متفاوت است.

در اصل، این قضیه منطقی به نظر می‌رسد، اما برای برخی از فیزیکدانان جزئیات دقیق چگونگی فرار اطلاعات از سیاهچاله، شک‌برانگیز است. سمیر ماتور (Samir Mathur) از دانشگاه دولتی اوهایو می‌گوید: 
مقاله واقعی هاوکینگ، پری و استرومینگر هیچ چیزی در مورد اینکه چگونه ابرانتقالات می‌توانند اطلاعات را خارج کنند، نمی‌گوید.
در نهایت راه‌حل هر چه باشد، درک نسبیت عام می‌تواند به فیزیکدانان فقط کمک کند تا یک نظریه بدون پارادوکس را جانشین آن نظریه کنند. اکنون که آنها تقارن‌های فضازمان را به طور کامل فهرست کرده‌اند، استرومینگر و دیگران می‌توانند به دنبال راه‌هایی باشند که ممکن است این تقارن‌ها از یک سیستم بنیادی‌تری ظهور کنند. بنابراین دفعه بعد که دو فرمولی را ببینید که تقریبا یکسان به نظر می‌رسند، بیشتر به آنها دقت کنید. ممکن است شما هم با یک نگاه ساده، ارتباط عمیقی پیدا کنید که از نگاه‌ها پنهان مانده بود.
منبع: nautil.us
 
كلمات كليدي :
ماتریس حافظه