شناسایی سیاهچاله های کوانتومی در آزمایشگاه

منتشرشده در QuantaMagazine به تاریخ ۱۵ جولای ۲۰۲۰لینک مقاله اصلی: Spotting Quantum Black Holes in the Labدر فیزیک، ما قانون جدیدی را با حدس زدن کشف می‌کنیم و سپس نتایج حدس را با نتایج تجربی مقایسه می‌کنیم. همان طور که ریچارد فینمن همیشه می‌گوید: هیچ تفاوتی نمی‌کند که حدس شما چقدر زیبا است. اینکه چقدر باهوش باشید تفاوتی ایجاد نمی‌کند … اگر با آزمایش موافق نباشد، اشتباه است.این اساس چیزی است که فیزیک را از ریاضی جدا می‌کند. ریاضی‌دانان نیز حدسیاتی می‌زنند و آخرین داور حقیقت آن‌ها، استدلال محکم است. فیزیکدانان ممکن است از ابزارهای پیچیده ریاضی استفاده کنند یا حتی آن‌ها را ابداع کنند، اما هدف آن‌ها یک هدف متفاوت است: توضیح جهان به شکلی که واقعا هست. برای این منظور، آزمایش‌ها ضروری هستند.البته، اعتبار سنجی تجربی ممکن است از گمانه‌زنی‌های نظری ما فاصله زیادی بگیرد. کشف امواج گرانشی روی زمین ۱۰۰ سال طول کشید و ۵۰ سال طول کشید تا دانشمندان بوزون هیگز را کشف کنند. هر دوی آن‌ها به نبوغ زیاد، توسعه تکنولوژیکی و سرمایه‌گذاری پولی نیاز داشتند. و آن مشاهدات تجربی نه تنها پیش‌بینی‌های نظری را تایید کردند، بلکه چیز جدیدی را به ما یاد دادند و درهایی را برای تحقیقات بیشتر باز کردند. ما انتظار داشتیم که منابع نجومی فیزیکی بتوانند امواج گرانشی قابل تشخیصی تولید کنند، اما نمی‌دانستیم که این منابع چقدر معمول خواهند بود، و دلیلی داشتیم که باور کنیم بوزون هیگز وجود دارد اما در مورد جرم آن مطمئن نبودیم.مطالعه گرانش کوانتومی یک حالت حداکثری از نظریه است که مورد آزمایش قرار می‌گیرد. ما درک قابل قبولی از فیزیک کوانتومی در مقیاس اتم‌ها و ذرات زیر هسته‌ای داریم، اما هیچ نظریه کوانتومی معتبر تجربی که در مورد نیروهای گرانشی بسیار قوی صدق کند، وجود ندارد. بدون چنین نظریه‌ای ما نمی‌توانیم بفهمیم که در جهان اولیه درست بعد از انفجار بزرگ چه اتفاقی افتاد، یا سرنوشت دقیق یک فضانورد بدبخت که به طور غیرقابل تصوری در یک سیاه‌چاله با چگالی بالا فشرده شده‌است را پیش‌بینی کنیم. ما نیاز به آزمایش‌هایی داریم تا ما را راهنمایی کند، با این حال آن‌ها به صورت افسردگی آوری دشوار و پیچیده هستند.تاریخ فیزیک ذرات یک توازی آموزنده فراهم می‌کند. تا دهه ۱۹۵۰، ما نظریه‌ای در مورد نیروی هسته‌ای ضعیف داشتیم که با آزمایش همسو بود. اما به دلایل کاملا نظری، ما می‌دانستیم که ناقص و دچار کاستی است؛ ما حتی می‌توانیم برآورد کنیم که پیش‌بینی‌های تئوری در مقیاس‌های بسیار کوتاه در حدود ۱۰ به توان منفی ۱۸ متر یا کم‌تر شکست خواهند خورد. در نهایت، شتاب‌دهنده‌هایی که به اندازه کافی برای کشف ماده در این مقیاس‌های کوچک قدرتمند هستند، منجر به کشف پدیده‌های جدید مانند بوزون‌های W و Z و ذره هیگز می‌شود و به سوی یک نظریه کامل‌تر اشاره می‌کند.با گرانش، ما دوباره دلیل خوبی داریم که باور کنیم نظریه فعلی ناقص است، و در اینجا نیز می‌توانیم مقیاس فاصله‌ای که در آن پدیده جدید باید ظاهر شود را تخمین بزنیم: حدود ۱۰ به توان منفی ۳۵ متر. متاسفانه، ساخت شتاب‌دهنده ذره‌ای که بتواند آن مقیاس را با استفاده از تکنولوژی موجود کاوش کند به ماشینی به بزرگی کهکشان راه شیری نیاز دارد. واضح است که این امر حتی در آینده دور نیز دور از دسترس خواهد بود.از آنجایی که بررسی گرانش کوانتومی توسط «روش برنامه‌سازی پرقدرت» موثر واقع نخواهد شد، باید راهی هوشمندانه تر و کم‌تر مستقیم برای پیشرفت پیدا کنیم. و ما در واقع پیشنهادهای مختلفی برای تحقیق در مورد گرانش کوانتومی در آزمایشگاه داریم، که همگی نیازمند تلاش‌های قهرمانانه-اما نه لزوما بیهوده-توسط آزمایشگران هستند. می‌خواهم در مورد یک رویکرد خاص که برایم هیجان‌انگیز است صحبت کنم.برای درک آن، بیایید بر تشکیل و تبخیر نهایی یک سیاه‌چاله به خاطر اثرات کوانتومی تمرکز کنیم، پدیده اصلی که در گرانش کوانتومی مطالعه شده‌است. در ابتدا ممکن است انجام آزمایش‌های مربوطه در آزمایشگاه، جدا از در نظر گرفتن خطر آن، غیر ممکن به نظر برسد. اما ممکن است راهی وجود داشته باشد.بررسی‌های نظری گرانش کوانتومی تعادل شگفت انگیزی را بین دو فرمول مختلف از یک پدیده فیزیکی برقرار کرده‌است. به لطف آن تعادل، چرخه زندگی یک سیاهچاله را می‌توان به زبانی کاملا متفاوت توصیف کرد که اصلا شامل جاذبه نمی‌شود. در عوض، سیستم کوانتومی «دوگانه» متشکل از ذرات بسیاری است که به شدت با یکدیگر در تعامل هستند. یکی از اهداف تحقیق حاضر، گسترش فرهنگ لغتی است که یکی از این زبان‌ها را به دیگری ترجمه کند.این تعادل دو توصیف مختلف از یک فیزیک اساسی ممکن است شبیه به یک مشاهده صرفا ریاضی به نظر برسد، اما مفاهیم آن برای آزمایش‌ها بسیار محسوس هستند. مشخص شده‌است که ابزارهای تجربی مورد نیاز برای مطالعه توصیف غیرگرانشی یک سیاهچاله دقیقا همان ابزارهایی هستند که فیزیکدانان به دلایل کاملا متفاوتی در حال توسعه آن بوده‌اند-دستگاه‌های کوانتومی که مشکلات محاسباتی بسیار سختی را حل می‌کنند. دلیل آن این است که در هر دو شبیه‌سازی گرانش کوانتومی و محاسبات کوانتومی، ما باید یک سیستم پیچیده از ذرات را ذخیره کنیم و به دقت نحوه تعامل آن‌ها را کنترل کنیم.من سالهاست که عمیقا به محاسبات کوانتومی و سیاهچاله‌ها علاقمند هستم، بنابراین این ارتباط بین این دو برای من جذاب و رضایت‌بخش است. تکنولوژی محاسبات کوانتومی برای اطمینان هنوز نابالغ است، بنابراین ما به این زودی‌ها قادر به شبیه‌سازی یک سیاهچاله واقعی در آزمایشگاه نخواهیم بود. اشکالی ندارد - ما برای مطالعه مدل‌های ساده شده‌ای که برخی از ویژگی‌های جالب گرانش کوانتومی را به دست می‌آورند، صبر خواهیم کرد. حتی این‌ها هم می‌توانند آموزنده باشند و با پیشرفت تکنولوژی کوانتوم، ما قادر خواهیم بود به طور فزاینده‌ای آزمایش‌های پیچیده انجام دهیم.علاوه بر این، دوگانگی یک خیابان دو طرفه است. کامپیوترهای کوانتومی نه تنها در مورد گرانش کوانتومی به ما آموزش می‌دهند، بلکه با ایجاد ارتباط بین رفتار بسیاری از ذرات با تعامل قوی به پدیده گرانشی، بهتر می‌توانیم آن رفتار را درک کنیم. به طور معمول، اگر ما اطلاعاتی را در یک مکان خاص در یک سیستم به شدت تعاملی منتشر کنیم، این اطلاعات به سرعت گسترش می‌یابند و خیلی زود خواندن آن‌ها سخت می‌شود. اما ما چند موقعیت جذاب را می‌شناسیم که در آن، به دلایلی که بسیار دور از بدیهی هستند، اطلاعات در نهایت دوباره متمرکز می‌شوند و به راحتی در یک مکان متفاوت و دور، قابل خواندن می‌شوند.درک این فرآیند اسرار آمیز، وقتی که به زبان جاذبه دوگانه ترجمه می‌شود، بسیار آسان‌تر است. در این چارچوب، یک کرمچاله دو نقطه دور در فضا را به هم متصل می‌کند. اطلاعات نشانه‌گذاری شده با ورود به یک انتهای کرمچاله ناپدید می‌شوند و سپس با خروج از انتهای دیگر دوباره ظاهر می‌شوند. فیزیکدانان مشتاق چنین توضیحات شهودی از پدیده‌های پیچیده هستند و تلاش‌های مشترک آزمایشگران و نظریه پردازان به ارائه بینش‌های بیشتر از یک نوع محدود می‌شود.گاهی اوقات ما نگران این هستیم که با پیشرفت علم، به طور پیوسته به تخصص‌های باریک‌تر و محدودتر تبدیل شود که کم‌تر و کم‌تر با یکدیگر تعامل دارند. اما براساس تجربه خودم، من یک روند جبرانی قوی‌تر را می‌بینم: با پیشرفت دانش، دانشمندانی که در زمینه‌های مختلف کار می‌کنند متوجه می‌شوند که بیشتر و بیشتر باید از یکدیگر یاد بگیرند. فرصت بررسی گرانش کوانتومی در آزمایشگاه با گمانه‌زنی نظریه پردازان انرژی بالا تقویت می‌شود، اما به شدت از تخصص فیزیکدانان ماده متراکم، فیزیکدانان اتمی و دانشمندان کامپیوتر ناشی می‌شود. این ارتباطات هیجان‌انگیز و عمیق مرا نسبت به آینده خوش بین می‌کند.این متن با استفاده از ربات ترجمه مقاله علمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.