گرانش و اطلاعات کوانتومی از طریق اشتقاق معادلات اینشتین به هم مرتبط شده اند

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

تحقیقات اخیر نشان می دهد که گرانش و اطلاعات کوانتومی عمیقا به هم مرتبط هستند و شکل فضا-زمان را می توان به روش ذخیره اطلاعات در میدان های کوانتومی ردیابی کرد.

نظریه نسبیت عام اینشتین، گرانش را به عنوان انحنای فضا و زمان که توسط ماده و انرژی ایجاد می شود، توصیف می کند. از سوی دیگر، نظریه کوانتومی، جهان میکروسکوپی را توصیف می کند. یکی کردن این دو یکی از بزرگترین مشکلات باز در فیزیک است.

در سال 1995، فیزیکدان تد جاکوبسون نشان داد که معادلات اینشتین را می توان از ترمودینامیک، فیزیک گرما و آنتروپی استخراج کرد، دقیقا مانند قوانین حاکم بر یک گاز که از حرکت مولکول های آن بیرون می آید. این نشان می دهد که گرانش ممکن است اساسی نباشد، اما می تواند از چیزی عمیق تر بیرون بیاید.

نویسندگان در تحقیق خود که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، مشتق ترمودینامیکی نسبیت عام را از طریق روش های پیچیده ریاضی که اطلاعات کوانتومی را به هندسه فضا-زمان متصل می کند، بازسازی می کنند.

با این حال، مقاله و گفتگوهای گسترده با نویسندگان نشان می دهد که تحقیقات آنها می تواند سرنخ های جدیدی در مورد منشاء گرانش ارائه دهد، نتیجه آزمایشی که آنها از طریق استفاده از آنتروپی نسبی کوانتومی به آن می رسند.

نویسندگان بر اساس این ایده هستند که فضا و گرانش ممکن است ویژگی‌های اساسی طبیعت نباشند، بلکه ممکن است از دنیای کوانتومی بیرون بیایند. آنها به جای تکیه بر مفهوم کلاسیک آنتروپی، از آنتروپی نسبی کوانتومی استفاده می‌کنند، یک معیار ریاضی دقیق از نظریه اطلاعات کوانتومی که مشخص می‌کند دو حالت کوانتومی چقدر قابل تشخیص هستند.

دکتر آلبرت موچ، استادیار نظریه میدان کوانتومی و نسبیت عام و نویسنده همکار این مطالعه، توضیح داد: «ما نشان می‌دهیم که این کمیت، که در یک افق ارزیابی می‌شود - مرزی در فضازمان که فراتر از آن هیچ اطلاعاتی دریافت نمی‌شود - برابر با انرژی جاری در سراسر افق است.

این امر در ترکیب با رابطه کاملا تثبیت شده بین آنتروپی و مساحت افق، همانطور که بکنشتاین و هاوکینگ نشان داده‌اند، مستقیما به معادلاتی منتهی می‌شود که توضیح می‌دهند چگونه ماده کوانتومی فضازمان را منحنی می‌کند.»

آنتروپی نسبی اندازه گیری می کند که دو حالت کوانتومی تا چه حد می توانند از هم جدا شوند. سطح دریا را تصور کنید که هرگز کاملا ساکن نیست. موج دائمی آن مانند خلاء کوانتومی است، حالتی که ما آن را فضای خالی می نامیم. حال تصور کنید که موجی از این سطح عبور می کند. آنتروپی نسبی به ما می گوید که چقدر می توان آن موج را از پس زمینه موج دار تشخیص داد.

نویسندگان استدلال می کنند که اهمیت یافته های آنها به تازگی واقعی اثبات آنها است. در عین حال، آنها اذعان دارند که اجزای اساسی ارتباط عمیق بین اطلاعات و گرانش قبلا شناخته شده بودند.

با این حال، محققان تاکید می‌کنند که این رابطه اغلب بر حسب شهود فیزیکی و استدلال‌های پیشنهادی ارائه می‌شود نه از طریق یک چارچوب ریاضی کاملا دقیق که توسط مشتقات و اثبات‌های دقیق پشتیبانی می‌شود.

برای چندین دهه، ارتباط بین آنتروپی و گرانش بر قیاس با ترمودینامیک کلاسیک تکیه داشت. این کار نشان می‌دهد که مفهوم کوانتومی دقیق اطلاعات می‌تواند جای آن را بگیرد، پیشرفتی که نویسندگان آن را گامی معنادار به سوی درک گرانش کوانتومی می‌دانند.

موچ تاکید کرد: "اشتقاق ما از کمیت های ریاضی دقیق و کاملا تعریف شده استفاده می کند، که جایگزین استدلال های اکتشافی قبلی می شود." این دیدگاه را تایید می‌کند که فضازمان و گرانش ممکن است از اطلاعات کوانتومی بنیادی‌تر پدید آیند، که یک سرنخ کلیدی در جستجوی نظریه گرانش کوانتومی است.

این تحقیق نشان می دهد که گرانش در هسته خود ریشه در اطلاعات کوانتومی دارد. نحوه منحنی فضا و زمان ممکن است بر اساس نحوه تشخیص حالت های کوانتومی از یکدیگر کنترل شود.

موچ خاطرنشان کرد: معادلات گرانش به شکل تصحیح شده کوانتومی خود را می توان از اطلاعات کوانتومی به دست آورد. "این کمی شبیه کندن یک سیم گیتار است: ماده تراشه است، فضا زمان سیم است و نتی که تولید می کند معادلات اینشتین است."

نظریه میدان کوانتومی در فضازمان منحنی، که ماده کوانتومی را در پس‌زمینه گرانشی توصیف می‌کند، اغلب به عنوان اولین گام به سوی گرانش کوانتومی در نظر گرفته می‌شود. به گفته فیلیپ دوراو، نویسنده همکار، فیزیکدان نظری در موسسه فیزیک نظری در دانشگاه لایپزیگ در آلمان، این یافته‌ها نشان می‌دهد که این گام اول به یک رابطه اساسی‌تر اشاره می‌کند: انحنای فضا-زمان محلی به اطلاعات کوانتومی گره خورده است.

دوراو ادامه داد: "بیشتر مواد تشکیل دهنده کار ما برای دهه ها شناخته شده است. فیزیکدانان مدت هاست که چگونگی رفتار ماده کوانتومی در نزدیکی افق ها مانند سیاهچاله ها و همچنین خواص حرارتی فضای خالی را بررسی کرده اند." این پیشرفت اخیر در درک آنتروپی نسبی بود که به ما حلقه گمشده بین اطلاعات کوانتومی، ترمودینامیک و گرانش را داد.

در حالی که این تحقیق کاربردهای فوری ندارد، ارزش آن در تعمیق درک ما از مبانی طبیعت است. از نظر تاریخی، چنین کارهای بنیادی اغلب تأثیر طولانی مدت زیادی داشته است. به گفته موچ، نسبیت عام که زمانی یک چارچوب صرفا نظری در نظر گرفته می شد، اکنون برای فناوری هایی مانند GPS ضروری است.

وی افزود: «علاوه بر این، اطلاعات کوانتومی، زبان کار ما، همان چارچوبی است که زیربنای محاسبات کوانتومی و فناوری‌های کوانتومی است.

یافته‌ها، در صورت تایید و توسعه بیشتر، می‌توانند به پر کردن یکی از عمیق‌ترین شکاف‌ها در فیزیک مدرن کمک کنند: شکاف هنوز حل نشده بین قوانین کوانتومی حاکم بر جهان میکروسکوپی و نظریه گرانش اینشتین.

نویسندگان با آگاهی از این شکاف عمیق، گرانش را به تنهایی به عنوان یک نیروی اساسی در نظر نمی گیرند. در عوض، کار آنها از این ایده حمایت می کند که خود فضازمان ممکن است از ساختار اطلاعاتی جهان کوانتومی بیرون بیاید.

آنها اکنون قصد دارند یافته‌های خود را به سناریوهای عمومی‌تر، از جمله اشکال مختلف ماده کوانتومی، حالت‌های کوانتومی عمومی‌تر و سطوح نورانی که نقش اصلی را در فیزیک سیاه‌چاله بازی می‌کنند، گسترش دهند.

موچ گفت: «ما در حال حاضر در تلاش هستیم تا این را به گرانش کوانتومی کامل تعمیم دهیم، و به نظر من این ارتباطی که شناسایی کرده‌ایم به عنوان بستر آزمایشی برای نظریه‌های مختلف گرانش کوانتومی عمل خواهد کرد.

او افزود که تحقیقات آتی آنها بر فرمول بندی مولفه کوانتومی که می تواند در یک طرف این معادلات درج شود تمرکز خواهد کرد "و ببینیم آیا چیز درست (یعنی معادلات انیشتین + تصحیحات) در طرف دیگر ظاهر می شود یا خیر."

"هدف بلندمدت ما این است که بدانیم و روشن کنیم که گرانش تا چه حد می تواند تنها از اطلاعات کوانتومی استخراج شود، که ممکن است راهنمایی به سمت یک نظریه کامل گرانش کوانتومی باشد."

فیلیپ دوراو و همکاران، از آنتروپی نسبی کوانتومی تا معادلات نیمه کلاسیک اینشتین، نامه‌های بررسی فیزیکی (2026). DOI: 10.1103/lmq8-nsty

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →