چگونه مهبانگ از هیچ پدید آمد؟

روزهای بروجرد– “آخرین ستاره به آرامی سرد و محو می شود. با این گذار، بار دیگر کیهان به خلائی بدون نور، زندگی و معنا تبدیل می شود.” 

برایان کاکس فیزیکدان این موضوع را در سریال اخیر بی بی سی به نام کیهان (Universe) عنوان کرد. محو شدن آخرین ستاره، آغاز یک دوره بی‌نهایت طولانی و تاریک خواهد بود. تمام مواد در نهایت توسط سیاهچاله‌های هیولاوار مصرف می‌شوند که آنها نیز به نوبه خود تبخیر و به کم‌سوترین درخشش‌های نور تبدیل می‌شوند.

به گزارش افق رویداد، فضا همچنان به سمت بیرون منبسط خواهد شد تا زمانی که حتی آن نور کم سو نیز برای تعامل داشتن، بیش از حد کم سو خواهد بود.

آیا اینگونه خواهد شد؟ برخی کیهان شناسان بر این باور شگفت‌انگیزند که ممکن است جهانی خالی، تاریک و سرد، مانند آنچه در آینده دور ما نهفته است، منبع مه‌بانگ کیهان ما بوده باشد. 

نخستین ماده 
اما قبل از اینکه به آن بپردازیم، بیایید نگاهی بیندازیم که چگونه “ماده” – ماده فیزیکی – برای نخستین بار پدید آمد. اگر بخواهیم منشا ماده پایدار ساخته شده از اتم ها یا مولکول ها را توضیح دهیم، باید خاطر نشان کنیم که مطمئناً هیچ کدام از آن ها نه در مه‌بانگ که تا صدها هزار سال بعد از آن نیز وجود نداشته‌اند.

در واقع ما درک بسیار دقیقی از چگونگی تشکیل اولین اتم ها از ذرات ساده تر داریم، زمانی که شرایط به اندازه کافی سرد شد تا مواد پیچیده، پایدار بمانند، و همچنین از اینکه چگونه این اتم ها بعداً به هم جوش خوردند تا به عناصر سنگین‌تر درون ستارگان بدل شدند. اما دانستن اینها به این سؤال پاسخ نمی‌دهد که آیا چیزی از هیچ پدید آمده است یا خیر.

پس بیایید به عقب‌تر بیاندیشیم. اولین ذرات ماده با عمر طولانی پروتون ها و نوترون ها بودند که با هم هسته اتم را تشکیل می دهند. اینها حدود یک ده هزارم ثانیه پس از مه بانگ پدید آمدند.

قبل از آن، واقعاً هیچ ماده ای به معنای آشنای کلمه وجود نداشت. اما فیزیک به ما این امکان را می‌دهد که خط زمانی را به سمت عقب دنبال کنیم، به فرآیندهای فیزیکی که قبل از هر ماده پایداری وجود دارند.

این ما را به اصطلاح “دوران یکپارچگی بزرگ” می برد. در اینجا، ما تماماً وارد حوزه فیزیک نظری شده‌ایم، زیرا نمی‌توانیم در آزمایش‌ها انرژی کافی برای بررسی فرآیندهای گوناگونی که در آن زمان در حال رخ دادن بوده را ایجاد کنیم.

اما یک فرضیه قابل قبول این است که جهان فیزیکی از سوپ ذرات بنیادی کوتاه مدت – از جمله کوارک ها، بلوک های سازنده پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده بود.

هم ماده و هم «پاد ماده» در مقادیر تقریباً برابر وجود داشته است: هر نوع ذره ماده، مانند کوارک، یک پاد ماده «تصویر آینه‌ای» دارد که تقریباً با خودش یکسان است و فقط در یک جنبه متفاوت است. با این حال، ماده و پادماده هنگام برخورد با هم در صاعقه‌ای از انرژی از بین می روند، به این معنی که این ذرات دائما پدید می‌آیند و از بین می روند.

اما این ذرات در وهله اول چگونه به وجود آمدند؟ نظریه میدان کوانتومی به ما می گوید که حتی خلاء، که ظاهراً نشان دهنده فضا-زمان خالی است، پر از فعالیت فیزیکی به شکل نوسانات انرژی است. این نوسانات می تواند باعث پدید آمدن ذراتی شود که پس از مدت کوتاهی ناپدید می شوند. این موضوع ممکن است بیش از فیزیک واقعی، شبیه یک ابهام ریاضی به نظر برسد، اما چنین ذراتی در آزمایش هایی بی شمار مشاهده شده اند.

حالت خلاء فضا-زمان در حال جوشیدن است و به نظر می‌رسد پیوسته ذراتی “از هیچ” در حال ایجاد و نابودی هستند، اما شاید آنچه این موضوع واقعاً به ما می‌گوید این است که خلاء کوانتومی (علی‌رغم نامش) “یک چیز” است تا “هیچ”. دیوید آلبرت فیلسوف به طور به یاد ماندنی از ایده‌ای از مه.بانگ که بر اساس آن از هیچ، چیزی دست می‌آید، انتقاد کرده است.

فرض کنید بپرسیم: خود فضازمان از کجا پدید آمده است؟ پس می‌توانیم ساعت را به عقب‌تر برگردانیم، به «دوران واقعاً باستانی پلانک»، دوره‌ای در اوایل تاریخ کیهان که بهترین نظریه‌های فیزیک در آن فرومی‌ریزد.

این دوره تنها یک ده میلیونم از یک تریلیون تریلیونم یک تریلیونم ثانیه پس از مه‌بانگ رخ داد. در این مرحله، فضا و زمان، خود در معرض نوسانات کوانتومی قرار گرفتند. 

فیزیکدانان معمولاً با مکانیک کوانتومی، که بر دنیای ذرات ریز حکومت می کند، و با نسبیت عام، که در مقیاس های بزرگ و کیهانی اعمال می شود، به طور جداگانه کار می کنند. اما برای درک واقعی عصر پلانک، به یک نظریه کامل گرانش کوانتومی نیاز داریم که این دو را ادغام کند.

ما هنوز یک نظریه کامل از گرانش کوانتومی نداریم، اما تلاش هایی مانند نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی حلقه وجود دارد. در این تلاش‌ها، معمولاً فضا و زمان معمولی پدیده های ظهور یافته دیده می‌شوند، مانند امواجی که بر روی سطح یک اقیانوس عمیق پدیدار می‌شوند.

آنچه ما به عنوان فضا و زمان تجربه می کنیم محصول فرآیندهای کوانتومی است که در سطحی عمیق تر و میکروسکوپی عمل می کنند، فرآیندهایی که برای ما به عنوان موجوداتی که ریشه در دنیای ماکروسکوپی داریم چندان معنی ندارند.
در عصر پلانک، درک معمولی ما از مکان و زمان از بین می‌رود، بنابراین دیگر نمی‌توانیم به درک معمولی خود از علت و معلول نیز تکیه کنیم.

با وجود این، همه نظریه‌های داوطلب گرانش کوانتومی، چیزی فیزیکی را توصیف می‌کنند که در دوره پلانک در حال وقوع است، نوعی پیش‌ساز کوانتومی فضا و زمان معمولی. اما این از کجا آمده است؟

حتی اگر علیت، دیگر به شکل معمولی کاربرد نداشته باشد، باز هم ممکن است بتوان یک جزء از جهان عصر پلانک را بر حسب جزء دیگر توضیح داد. متأسفانه، در حال حاضر حتی بهترین دانش ما از فیزیک به طور کامل قادر به ارائه پاسخ نیست. تا زمانی که در «نظریه همه چیز» پیشرفت نکنیم، نمی‌توانیم پاسخ قطعی بدهیم.

چیزی که در این مرحله می‌توانیم با بیشترین اطمینان بگوییم این است که فیزیک تاکنون هیچ نمونه تأیید شده‌ای از چیزی پیدا نکرده است که از هیچ به وجود آمده باشد.

چرخه هایی از تقریباً هیچ
برای پاسخ درست به این سوال که چگونه چیزی می تواند از هیچ به وجود بیاید، باید وضعیت کوانتومی کل جهان در آغاز دوره پلانک را توضیح دهیم. تمام تلاش‌ها برای انجام این کار شدیداً در محدوده ذهنی باقی مانده است. برخی از این توضیحات به نیروهای ماوراء طبیعی به مثابه یک طراح تمایل دارند. اما سایر توضیحات مانند چندکیهانی (مالتی‌ورس)، که شامل بی نهایت جهان موازی است، یا مدل های چرخه ای که در آن جهان دوباره و دوباره متولد می شود، در قلمرو فیزیک باقی می مانند .

راجر پنروز، فیزیکدان برنده جایزه نوبل ۲۰۲۰، یک مدل جذاب اما بحث برانگیز برای جهانی چرخه ای به نام «کیهان شناسی چرخه ای یکپارچه» ارائه کرده است.

پنروز از یک ارتباط ریاضی جالب بین یک حالت بسیار داغ، متراکم و کوچک از کیهان همانطور که در مه‌بانگ بود و یک حالت بسیار سرد، خالی و منبسط شده از جهان همانطور که در آینده دور خواهد بود. الهام گرفته است. نظریه رادیکال او برای توضیح این تناظر است که این حالات وقتی به حد خود می رسند از نظر ریاضی یکسان می شوند. اگرچه ممکن است متناقض به نظر برسد، اما فقدان کامل ماده ممکن است باعث ایجاد تمام ماده ای شود که ما در اطراف خود در جهان می بینیم.

جهان دیگری قبل از جهان ما وجود داشته و انرژی از طریق سیاهچاله‌ها از آن خارج می‌شود؛ بعد از جهان ما نیز‌ جهان دیگری وجود خواهد داشت/ برنده جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۰؛ راجر پنروز

در این دیدگاه، مه‌بانگ تقریباً از هیچ سرچشمه می گیرد. همان چیزی که وقتی همه ماده جهان در سیاهچاله‌ها مصرف می‌شود باقی میماند. سیاه‌چاله‌هایی که به نوبه خود به فوتون‌ تبخیر می‌شوند و فوتون‌ها در فضای خالی گم می‌شوند.

بنابراین، کل جهان از چیزی نشأت می‌گیرد که تا جای ممکن به هیچ چیز نزدیک شده است. اما این هیچ چیز هنوز نوعی چیز است. این هنوز یک جهان فیزیکی است، هر چند خالی. چگونه ممکن است همین حالت از یک منظر جهانی سرد و خالی باشد و از منظری دیگر یک جهان متراکم داغ؟ پاسخ در یک روش پیچیده ریاضی به نام “تغییر مقیاس همسان” نهفته است، یک تبدیل هندسی که در واقع اندازه یک جسم را تغییر می دهد اما شکل آن را بدون تغییر می گذارد.

مسلماً درک اینکه چگونه دو شیء می توانند از این طریق با اندازه های مختلف یکسان باشند دشوار است، اما پنروز استدلال می کند که اندازه به عنوان یک مفهوم در چنین محیط های فیزیکی رادیکالی معنی ندارد.

در کیهان شناسی چرخه ای منسجم، جهت تفسیر از پیر و سرد به جوان و گرم می رود: حالت متراکم گرم “به علت” حالت خالی سرد وجود دارد. اما این “علت” آن علت آشنا نیست که اثرش در زمان به دنبالش می آید. این تنها اندازه نیست که در این حالت های رادیکال دیگر منطبق نیست: زمان نیز همینگونه ‌است.

اثرگذاری حالت متراکم سرد و حالت متراکم گرم در خطوط زمانی مختلفی قرار دارند. حالت خالی سرد از دیدگاه ناظر برای همیشه در هندسه زمانی خود ادامه می‌یابد، اما حالت متراکم داغ که در اثر آن ایجاد آن می‌شود، به طور مؤثر در یک خط زمانی جدید سکنا می‌گیرد.

این ممکن است به درک ایجاد حالت متراکم گرم از حالت خالی سرد که به روشی غیر سببی ایجاد می شود کمک کند. شاید باید بگوییم که حالت متراکم گرم از حالت سرد و تهی ظهور می‌یابد، یا در آن مستقر می‌شود، یا با آن درک می‌شود.

اینها ایده های متافیزیکی متمایزی هستند که توسط فیلسوفان علم به گستردگی مورد بررسی قرار گرفته اند، به ویژه در زمینه گرانش کوانتومی که به نظر می رسد در آن علت و معلول معمولی در حال فروپاشی است. در محدوده دانش ما، تفکیک فیزیک و فلسفه دشوار می شود.

شواهد تجربی؟
کیهان‌شناسی چرخه‌ای منسجم برخی پاسخ‌های دقیق، هرچند بر اساس گمان، به این سوال ارائه می‌کند که مه‌بانگ ما از کجا آمده است. اما حتی اگر دیدگاه پنروز با پیشرفت‌های آینده کیهان‌شناسی تأیید شود، هنوز به یک سؤال فلسفی عمیق‌تر پاسخ نمی‌دهد: اینکه واقعیت فیزیکی، خود از کجا آمده است.

کل سیستم چرخه ها چگونه به وجود آمده است؟ سپس در نهایت به این سؤال ناب می پردازیم که چرا به جای هیچ چیز، چیزی وجود دارد، این یکی از بزرگترین سؤالات متافیزیک است.

اما تمرکز ما در اینجا بر توضیحاتی است که در قلمرو فیزیک باقی می مانند. سه گزینه مفصل برای این سوال عمیق تر که چرخه ها چگونه آغاز شدند وجود دارد.

اصلاً نمی تواند توضیح فیزیکی داشته باشد. یا ممکن است چرخه‌هایی بی‌پایان تکرار شوند، که هر یک به تنهایی یک جهان است و وضعیت کوانتومی اولیه هر کیهان، توسط برخی از ویژگی‌های جهان قبلی توضیح داده می شود یا ممکن است یک چرخه واحد، یک جهان تکرار شونده، وجود داشته باشد که آغاز آن با ویژگی پایان خودش توضیح داده شود.

دو رویکرد آخر به رویداد بی علت نیاز ندارند و این به آنها جذابیت ویژه‌ای می دهد. هیچ چیز توسط فیزیک بدون توضیح باقی نمی ماند.

پنروز دنباله ای از چرخه های جدید بی پایان را در نظر دارد و دلیل آن تا حدی به تفسیر مورد علاقه او از نظریه کوانتوم مرتبط است. در مکانیک کوانتومی، یک سیستم فیزیکی، برهم نهی همزمان بسیاری از حالت‌های مختلف است و زمانی که آن را اندازه‌گیری می‌کنیم، فقط یکی از آنها به‌طور تصادفی انتخاب می‌شود.

از نظر پنروز ، هر چرخه شامل رویدادهای کوانتومی تصادفی است که به روش متفاوتی از چرخه‌های دیگر رخ می دهند، به این معنی که هر چرخه با چرخه های قبل و بعد از آن متفاوت است. این خبر خوبی برای فیزیکدانان تجربی است، زیرا ممکن است به ما این امکان را بدهد که از طریق مشاهده آثار ضعیف یا ناهنجاری ها در تابش باقی مانده از مه‌بانگ، که توسط ماهواره پلانک دیده می شود، نگاهی اجمالی به جهان قدیمی داشته باشیم.

پنروز و همکارانش بر این باورند که ممکن است قبلاً این آثار را مشاهده کرده باشند و الگوهای موجود در داده‌های پلانک را به تشعشعات سیاهچاله‌های کلان پرجرم در جهان قبلی نسبت می‌دهند. با این حال، مشاهدات ادعا شده آنها توسط سایر فیزیکدانان به چالش کشیده شده است و در مورد درستی یا نادرستی آن هنوز تصمیم‌گیری نشده است.
نقشه تابش پس‌ زمینه کیهانی؛ ESA با همکاری پلانک

چرخه های جدید بی پایان کلید چشم انداز خود پنروز هستند. اما یک راه طبیعی برای تبدیل کیهان‌شناسی چرخه‌ای منسجم از شکل چند چرخه‌ای به یک چرخه‌ای وجود دارد. واقعیت فیزیکی شامل یک چرخه است که از مه‌بانگ به حالت حداکثری تهی در آینده دور و سپس دوباره به همان مه‌بانگ منجر می‌شود، که دوباره همان جهان را ایجاد می کند.

این احتمال اخیر با تفسیر دیگری از مکانیک کوانتومی که تفسیر جهان های متعدد نامیده می شود، سازگار است. تعبیر جهان های متعدد به ما می گوید که هر بار سیستمی که در برهم نهی قرار دارد را اندازه گیری می کنیم، این اندازه گیری به طور تصادفی حالتی را انتخاب نمی کند. بلکه نتیجه اندازه‌گیری که مشاهده می‌کنیم تنها یکی از احتمالات است، همانی که در جهان خودمان به نمایش در می‌آید. نتایج اندازه‌گیری‌های دیگر همگی در جهان‌های دیگر در یک چندجهانی پدیدار می‌شوند که عملاً از جهان ما جدا شده‌اند. بنابراین هر چقدر هم که احتمال وقوع چیزی کم باشد، اگر شانسی غیر صفر داشته باشد، در دنیای موازی کوانتومی رخ می دهد.

کسانی مانند شما در دنیاهای دیگر وجود دارند که برنده لاتاری شده‌اند، یا توسط یک طوفان عجیب به ابرها کشیده شده‌اند، یا به طور خود به خود آتش گرفته‌اند، یا هر سه را به طور همزمان انجام داده‌اند.

برخی بر این باورند که چنین جهان‌های موازی ممکن است به شکل اثری که در اثر برخورد جهانی دیگر با جهان ما ایجاد می‌شود، در داده‌های کیهان‌شناسی نیز قابل مشاهده باشند.

هرچند که پنروز با آن موافق نیست، اما نظریه کوانتومی چندجهانی پیچش جدیدی در کیهان‌شناسی چرخه‌ای منسجم ایجاد می‌کند، مه‌بانگ ما ممکن است تولد دوباره یک چندجهان کوانتومی منفرد باشد که شامل بی‌نهایت جهان‌های مختلف است که همگی با هم رخ می‌دهند. هر چیزی که ممکن باشد، اتفاق می افتد، سپس دوباره و دوباره و دوباره اتفاق می افتد.

یک اسطوره باستانی
برای یک فیلسوف علم، دیدگاه پنروز جذاب است. فرصت‌های جدیدی را برای توضیح ‌مه‌بانگ می‌گشاید و تفاسیر ما را فراتر از علت و معلول معمولی می‌برد. بنابراین این آزمونی عالی برای کاوش در راه‌های مختلف فیزیک است که می‌تواند جهان ما را توضیح دهد. این موضوع سزاوار توجه بیشتر فیلسوفان است.

برای یک عاشق اسطوره، دید پنروز زیباست. شکل چند چرخه ترجیحی پنروز، نوید دنیاهای بی پایان جدیدی را می دهد که از خاکستر اجدادشان متولد شده اند. در شکل تک چرخه ای خود، بازخوانی مجدد به روز و قابل توجهی از ایده باستانی اوروبورو (ماری استوره ای در تمدن‌های مصر و یونان که دم خود را در دهان دارد و مدام از خود زائیده می‌شود)یا مار-جهان است.

در اساطیر اسکاندیناوی، مار یورمونگاندر یکی از فرزندان فرزند لوکی فریبکار باهوش و آنگربودا غول پیکر است (آنگرابودا در استوره‌های اسکاندیناوی یکی از همسران لوکی است). یورمونگاندر دم خود را می‌خورد و دایره ایجاد شده تعادل جهان را حفظ می کند. اما افسانه اوروبوروس در سرتاسر جهان – از جمله در مصر باستان – ثبت شده است.

اوروبورو جهان تک چرخه ای واقعاً با شکوه است. در درون شکمش، جهان خودمان، و همچنین هر یک از جهان‌های عجیب و شگفت‌انگیز جایگزین که فیزیک کوانتومی مجاز می‌داند وجود دارد، و در نقطه‌ای که سرش به دمش برخورد می‌کند، کاملاً خالی است و در عین حال به سرعت تبدیل به انرژی صد هزار میلیون میلیار تریلیون درجه سانتیگراد می‌شود.

مترجم: داریوش چگینی(افق رویداد)
 منبع: the conversation