آخرین اخبار
آیا قانون بقای انرژی، دیگر معنایی ندارد؟

آیا قانون بقای انرژی، دیگر معنایی ندارد؟

شاید انرژی، بتواند خلق و نابود شود و شاید قانون بقای انرژی، کاملا بی‌معنی باشد.

فیزیک، اغلب مبهم و گیج‌کننده است، اما یک اصل، خیلی سفت و سخت به نظر می‌رسد: قانون بقای انرژی که می‌گوید مقدار انرژی جهان،‌ هرگز تغییر نمی‌کند. انرژی می‌تواند از یک شکل به شکل دیگر، تبدیل شود یا از یک جسم به جسم دیگر برود، اما مقدار کل آن، ثابت باقی می‌ماند. همه‌چیز، به این قانون بستگی دارد. این قانون، انرژی را به یک کالای گرانبهای قابل محاسبه تبدیل می‌کند.

فیزیکدانان آموخته‌اند که بدن‌ ما صرفا از انرژی استفاده نمی‌کند، بلکه از آن تشکیل شده است. فرمول اینشتین E=mc2، جرم را به عنوان شکلی از انرژی نشان می‌دهد، شکلی که می‌تواند به سایر شکل‌ها تبدیل شود (مثلا توسط یک بمب هسته‌ای)  یا از شکل‌های دیگر خلق شود (در یک برخورددهنده‌ی ذره). این فرمول، شهود ما را مبنی بر اینکه انرژی، بنیان اساسی چیزهاست قوت می‌بخشد. وقتی در فیزیک، عمیق‌تر شویم، می‌آموزیم که قوانین بقا، به طور تنگاتنگی با تقارن‌ها در ارتباط‌اند، نکته‌ای که حدود یک قرن پیش و برای نخستین‌بار توسط ریاضی‌دان آلمانی، امی نوتر (Emmy Noether) پیش‌بینی‌ شد. انرژی، دارای بقاست، زیرا قوانین طبیعت، در زمان، متقارن هستند، یعنی آن‌ها لحظه به لحظه تغییر نمی‌کنند.

اما فیزیک، اگر مدام خودش را به پرسش و چالش نمی‌کشید، فیزیک نبود. اینشتین اندکی پس از آنکه فرمول مشهور خود را بدست آورد،‌ شروع به ساخت نظریه گرانش خود، یعنی نظریه نسبیت عام کرد. بقای انرژی، کمی غیرقابل‌پیش‌بینی و غیرقطعی شد. اگرچه ناظران جداگانه، می‌توانند چگالی انرژی اطراف خود را فورا اندازه بگیرند و تایید کنند که انرژی کل سیستم‌های جایگزیده، ثابت باقی می‌ماند، اما تعریف یک انرژی سراسری که به شدت دارای بقاست، غیرممکن است. ممکن است تعریف یک کمیت محلی انرژی و نه یک کمیت جهانی، عجیب به نظر برسد و البته که هست!

جهان در حال انبساط ما، مثال خوبی از چنین غرابتی است. چگالی انرژی ماده، متناسب با معکوس حجم فضا کاهش می‌یابد. مثلا کهکشان‌ها از یکدیگر دور می‌شوند، به گونه‌ای که تعداد آن‌ها در یک حجم معین کمتر می‌شود (در توافق با بقای انرژی)؛ اما چگالی انرژی نورستاره‌ و سایر اَشکال تابش، با سرعت بیشتری کاهش می‌یابد. انرژی آن‌ها از بین می‌رود و به شکل دیگری تبدیل نمی‌شود. این امر، مجاز است، زیرا یک جهان در حال انبساط، در زمان، متقارن نیست، یعنی رشد آن‌ در گذشته، با رشد آن در آینده فرق می‌کند. بنابراین نسبیت عام، حفظ این دیدگاه که انرژی، بنیان اساسی تمام چیزهاست را دشوار می‌کند.

این تازه آغاز ماجراست. به نظریه‌ی دیگری که فیزیک را در قرن بیستم متحول کرد، یعنی مکانیک کوانتومی توجه کنید. دنیای کوانتومی، بدون قطعیت است؛ یعنی ویژگی‌هایی مانند انرژی، خوش تعریف نبوده و مبهم‌اند. خبر بدتر اینکه، این نظریه، یک نقص مفهومی بسیار جدی دارد که باید هنگام بررسی سرنوشت نهایی بقای انرژی، درنظر گرفته شود.

مکانیک کوانتومی، دو دستورالعمل ناسازگار و جدا برای تعیین چگونگی تحول زمانی یک ذره یا سیستمی از ذرات دارد. دستورالعمل اول، زمانی که سیستم در حال مشاهده‌شدن نیست و دستورالعمل دوم، وقتی که سیستم مشاهده می‌شود، اعمال می‌شود. مکانیک کوانتومی نمی‌داند کدام دستورالعمل را استفاده کند. چیزی که دقیقا یک اندازه‌گیری یا مشاهده را شکل می‌دهد، چیست؟ آیا باید یک موجود هوشیار در این رویداد، دخیل باشد؟ آیا یک کَک می‌تواند یک اندازه‌گیری انجام دهد؟ یک ویروس چطور؟ این مسئله، به عنوان «مسئله اندازه‌گیری» (measurement problem) شناخته می‌شود و همانطور که منتقدان زیادی گفته‌اند، باید با عنوان «مسئله واقعیت» (reality problem) از آن یاد کرد: مکانیک کوانتومی، در مورد اینکه «آن بیرون» چه چیزی مستقل از ادراک ما وجود دارد، شفاف و واضح نیست.

تیم مودلین (Tim Maudlin) از دانشگاه نیویورک می‌گوید رویکردهای حل این مشکل، سه نوع هستند. یکی از آن‌ها، متغیرهای پنهانی (اجزایی فراسوی چیزی که نظریه کوانتومی معمول دارد) را وارد می‌کنند تا یک توصیف کامل‌تر از حالت یک سیستم را بدست دهند. بهترین مثال شناخته‌شده، نظریه دوبروی-بوهم (de Broglie–Bohm theory) است که فرض می‌کند علاوه بر تابع موج، ذراتی وجود دارند که مکان‌های قطعی دارند که فرمالیسم‌ کوانتومی استاندارد، آ‌ن‌ها را نشان نمی‌دهد. تابع موج، فقط آن‌ها را مانند سگ نگهبان گله هدایت می‌کند.

رویکرد دوم، یک فرایند تصادفی را فرض می‌کند که عدم قطعیت سیستم را تقلیل داده و ابهام آن را حذف می‌کند. راه حل سوم، چندگانگی جهان‌ها را شامل می‌شود. چیزی که ما یک اندازه‌گیری می‌نامیم،‌ به نحوی متناظر با شکافتگی جهان ما به شاخه‌های بسیار است، یکی، متناظر با هر نتیجه‌ی ممکن. هیچ‌یک از این ایده‌ها از دستورالعمل مشکل‌ساز اندازه‌گیری استفاده نمی‌کنند. هیچ از آن‌ها، بدون مشکل نیستند، اما به هر حال چیزهایی هستند که در حال حاضر داریم.  

امسال، مادلین، الیاس اوکن (Elias Okon) و دنیل سودارسکی (Daniel Sudarsky) از دانشگاه ملی خودمختار مکزیک، شروع به مطالعه‌ی سرنوشت قوانین بقا در این رویکردها کردند. تجزیه‌تحلیل آ‌ن‌ها ملاحظات عمومی و همچنین آزمایش‌های فکری مختلفی را شامل می‌شد.

یک آزمایش استاندارد که یک سیستم کوانتومی (مثلا متشکل از چند فوتون) را در نظر بگیرید که به یک گونه‌ی کوانتومی «ترکیب»؛ یعنی برهم نهی دو مسیر، تحول می‌یابد. این مسیرها منجر به موقعیت‌هایی می‌شوند که در سطح کلاسیکی، متناظر با مقادیر متفاوت انرژی هستند. یک مسیر، فوتون‌ها را به یک کهکشان دور می‌برد و برمی‌گرداند، بنابراین باعث می‌شود آن‌ها انرژی خود را به علت انبساط کیهانی از دست بدهند. مسیر دیگر، هیچ تغییری در انرژی اولیه‌ی آن‌ها نمی‌دهد. بنابر یک اصل بنیادی در نظریه کوانتومی، هر فوتون، هر دو مسیر را می‌گیرد.

داستان استاندارد و معمول در فیزیک کوانتومی، این است که هر غیربقایی می‌تواند با درنظر گرفتن انرژی تامین‌شده یا جذب‌شده توسط دستگاه‌ اندازه‌گیری توضیح داده شود. ما این گزینه را با استفاده از اثر کوانتومی دیگری به نام درهم تنیدگی حذف می‌کنیم. این اثر به ما اجازه می‌دهد تا اندازه‌گیری را از راه دور انجام دهیم.

سه رویکرد تفسیری، حالت‌های متفاوتی در مورد آنچه برای انرژی رخ می‌دهد، پیشنهاد می‌دهند. در نظریه‌های تقلیل همزمان، سیستم، پس از یک زمان به اندازه‌ی کافی طولانی، به طور ناگهانی به یکی از مقادیر انرژی تقلیل می‌یابد که منجر به بقا نداشتن انرژی می‌شود. در رویکرد دوبروی-بوهم، هر تصویری از انرژی با هر شانسی از بقا داشتن، باید هم شامل ذرات ‌شود و هم شامل تابع موج هادی. تابع موج، شکافته شده و بعدا در آزمایشگاه متحد می‌شود و تداخلی که در اتحاد رخ می‌دهد، باعث می‌شود فوتون‌ها به گونه‌ای رفتار کنند که انرژی بقا نداشته باشد. در رویکرد دنیاهای چندگانه (many-worlds)، انرژی متوسط تمام شاخه‌هایی که جهان به آن‌ها شکافته می‌شود، باید دارای بقا باشد، اما در هر شاخه، انرژی بقا نخواهد داشت. از دید هر شاخه، چیزی که رخ می‌دهد درست مانند نظریه‌های تقلیل است.

به طور خلاصه، محققان نتیجه گرفتند که هیچ طرحی، یک تعریف منطقی از انرژی جهانی یک سیستم که شدیدا داری بقاست را ارائه نمی‌دهد. هیچ‌یک از این رویکردها، تصویری از بقای انرژی محلی را ارائه ندادند که بد است، زیرا نسبیت عام برای سازگاری درونی، به بقای انرژی محلی نیاز دارد.

برای آشتی دادن مکانیک کوانتومی و نسبیت عام، یک نظریه‌ی کوانتومی گرانش نیاز خواهد بود. نظرات فیزیک‌دانان در مورد اینکه چنین نظریه‌ای چگونه خواهد بود، به شدت متفاوت‌ است، اما بیشتر آن‌ها روی یک چیز، اجماع دارند: تصویر فضازمان در سطح گرانش کوانتومی بنیادی، ناپدید خواهد شد. در چنین موقعیتی، قوانین بقا، مفهوم خود را به کلی از دست می‌دهند. چگونه می‌توانید بگویید یک کمیت با زمان، تغییر نمی‌کند، اگر اصلا زمانی در سطح بنیادی وجود نداشته باشد؟

در سطح کاربردی و عملی، انتظار می‌رود انحراف‌ها از بقای سفت و سخت، کوچک باشند و به مشکلات واقعی که ما انسان‌ها در مورد انرژی با آن‌ها مواجهیم، کمکی نکنند، اما برای بسیاری از نظریه‌پردازان، هر نقضی، کفرآمیز است، با این حال، هنوز ممکن است جبرانی وجود داشته باشد.

تیبوت جاست (Thibaut Josset) و الخاندرو پرز (Alejandro Perez) از دانشگاه مارسی و جیمز بیورکن (James Bjorken) از دانشگاه استنفورد و دنیل سودارسکی نشان دادند که تصحیحی در نسبیت عام (که ابتدا توسط خود اینشتین مورد توجه قرار گرفته بود)، انحرافات کوچک از بقای انرژی محلی را مجاز می‌کند. چنین نظریه‌ای می‌تواند راهی برای حل یکی از بزرگ‌ترین رازهای علم مدرن، یعنی انرژی تاریک باز کند.

انرژی تاریک، موجود اسرارآمیزی است که تا ۷۰ درصد کل محتوای کائنات را تشکیل داده و منجر به انبساط شتا‌ب‌دار آن‌ می‌شود. بنابر تجزیه‌تحلیل محققان، انرژی تاریک، نوعی حافظه‌ی انباشتی تمام نقض‌های بقای انرژی محلی است که در تاریخ جهان رخ داده‌اند. در یکی از مدل‌های خاصی که بررسی شده، مقدار پیش‌بینی‌شده با مشاهدات به شیوه‌ای کاملا طبیعی، تطابق دارد.


منبع: nautil.us
كلمات كليدي :
گرانش کوانتومی , قانون بقای انرژی
 
امتیاز دهی
 
 

نظر شما
نام  
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر