بیگ بنگ: نویسنده علمی، “رابرت لاورنس کوهن” در این مقاله به موضوعی جذاب پرداخته: چندجهانی. از کودکی مجذوب هستی بوده‌ام. هستی چیست؟ وسعت هستی چقدر است؟ هدف هستی چیست؟ حالا شش دهه گذشته و بعد از بررسی چیزهای زیاد، نه مطمئن‌تر شده‌ام و نه باهوش‌تر، ولی به جستجویم ادامه می‌دهم. بزرگ‌ترین و قطعی‌ترین حقیقت راجع به هستی که می‌توانم با اطمینان بدانم چیست؟ برای من پاسخ این سوال عظمت کیهان است. جهان بسیار بزرگ است ولی با اکتشافات چند وقت اخیر بود که فهمیدیم جهان به چه طرز غیرقابل ِ درکی بزرگ است و یا جهان‌های چندگانه می‌تواند وجود داشته باشد. حالا این یکی از سوالات غایی بشریت است و تا همین چند وقت پیش آن‌قدر نمی‌دانستیم که بتوانیم بپرسیم چند جهان وجود دارد؟

به گزارش بیگ بنگ، اگر جهان را به معنای “هر آن چیزی که هست” یا “هر آن چیزی که وجود دارد” تعریف کنیم پس مشخصاً طبق تعریف، تنها یک جهان می‌تواند وجود داشته باشد. اما اگر “جهان” را به عنوان « هر آن چیزی که می‌توانیم مشاهده کنیم»(‌ اهمیتی ندارد که تلسکوپ‌هایمان چقدر بزرگ باشد) یا « نواحی فضا- زمانی که با هم منبسط می‌شود» تعریف کنیم، آن‌وقت قطعاً جهان‌های زیادی وجود دارد. در علم هیچ چیزی جالب‌تر و باشکوه‌تر از چندجهانی نیست. برای تشخیص ماهیت واقعیت غایی باید با چالش چندجهانی شروع کنیم.

یک “چندجهانی” چیست؟

همان‌طور که فیزیکدان و برنده‌ی جایزه‌ی نوبل، استیون واینبرگ به من گفت:« تصور می‌کنم که کلمه‌ی “جهان” باید به درستی به معنای تمام چیزها باشد- همه‌چیز، ولی وقتی به کلمه‌ی جهان فکر می‌کنیم گاهی‌اوقات از این کلمه تنها برای بیگ بنگ( مه‌بانگ) استفاده می‌کنیم، چیزهایی را که می‌توانیم در تمامی جهات تا فواصل دور کیهان ببینیم و از این جهت این سوال معقولانه‌ای است: آیا جهان ما منحصر به فرد است؟ آیا بیگ بنگ‌های چندگانه وجود دارد؟ آیا این امکان وجود دارد تا بیگ بنگ‌های متعدد به معانی مختلف وجود داشته باشد؟»

آندری لینده فیزیکدان روسی‌- آمریکایی که حالا در استنفورد مشغول به کار است می‌گوید:« منظورمان از کلمه‌ی “چندجهانی” مجموعه‌ای بی‌شمار از فضا- زمان‌های گسسته بود.» او نظریه‌ی « تورم بی‌نظم ابدی» را طراحی کرد که تعداد رو به افزایش ابدی از جهان‌ها را بدون هیچ پایانی تولید می‌کند. در ادامه لینده می‌گوید:« دانشمندان واژه‌ی جدید “چندجهانی” را ابداع کردند چون فهمیدیم چیزی که  “جهان” می‌نامیدیم می‌تواند به نواحی به شدت بزرگی تقسیم شود که احتمال دارد قوانین فیزیک متفاوتی داشته باشد و شاید یک قسمت برای حیات مناسب بوده و قسمت‌های دیگر مناسب نباشد.»

لینده “جهان‌ها” را به صورت بادکنک‌هایی رنگ شده یا حباب‌هایی روی بوم نقاشی به تصویر می‌کشد که از طریق تورم ابدی از یکدیگر “جدا” شده‌‌ است. هر کدام از حباب‌هایش یک جهان مجزا است و هر کدام قوانین فیزیک متفاوتی دارد. کل مجموعه‌ی جهان‌ها یا چندجهانی به طرز غیرقابل‌درکی عظیم است و همچنان به رشد خود ادامه می‌دهد.

آیا این نوع چندجهانی گمانه‌زنی محض است؟ قطعاً اینطور نیست چون به طرز گسترده‌ای مثل فیزیک کوانتوم یا مدل استاندارد فیزیک ذرات توسط دانشمندان مورد قبول واقع شده است. ولی اساس آن علم واقعی است و از معادلات کیهان‌شناسی‌ای پیروی می‌کند که به صورت بهینه، خاستگاه و ساختار جهان ما را توضیح می‌دهد. در حقیقت در بعضی از مدل‌های ریاضیاتی لینده، تورم کیهانی باید به صورت ابدی و بی‌نظم در حال انبساط باشد.

تورم کیهانی

تورم بی‌نظم کیهانی که جهان‌های چندگانه را تولید می‌کند، از نظریه‌ی تورم کیهانی ساخته می‌شود که در ابتدا توسط آلن گوت در موسسه‌ی فناوری ماساچوست مطرح شد. او تورم کیهانی را فرمول‌بندی کرد تا چند مسئله‌ی عمیق در کیهان‌شناسی جهان ما را حل کند- برای مثال چرا جهان آغازین به شدت(و به طرز عجیبی) همگن بود، اگرچه نواحی مجزا به طور اتفاقی گسسته بودند؟ـ نواحی نمی‌توانست باعث ایجاد انفعال با باقی نواحی شود چون این نواحی بسیار بزرگ و مدت زمان سپری شده بسیار کوتاه بود، هرچند اطلاعات با سرعت نور مبادله می‌شد، چیزی که نظریه‌پردازان “مسئله‌ی افق” می‌نامند.)

آلن گوت تورم را به این صورت توصیف می‌کند:« جهان ما با دوره‌ی شگفت‌انگیز بسیار کوتاهی از انبساط نمایی و عظیم شروع شد که توسط حالت ویژه‌ای از ماده هدایت می‌شد که “خلاء کاذب” نام دارد. این عمل در واقع دافعه‌ی گرانشی درست می‌کند.» دوره‌ی کوتاه شگفت‌انگیز گوت قطعاً به طرز شگفت‌انگیزی کوتاه بود- از ۱۰ به توان ۳۶- ثانیه بعد از T0( زمان صفر) یعنی خاستگاه جهان، تا حدود 10 به توان 32- ثانیه.

طبق نظریه‌ی میدان کوانتومی، کلمه‌ی “خلاء” نشان‌دهنده‌ی بخشی از فضا است که انرژی کمینه‌ی محلی دارد ولی کمترین انرژی محتمل ممکن نیست و کلمه‌ی ” کاذب” به معنای در نهایت ناپایدار است اگرچه خلاء می‌تواند به مدت بسیار طولانی‌ای پایدار باقی بماند. نکته‌ی قابل‌توجه این است که “خلاء کاذب” می‌تواند به یک حالت انرژی پایین‌تر “تونل” بزند و انرژی عظیمی را آزاد یا ” ایجاد” کند.

گوت می‌گوید در این سناریوی تورمی، انبساط نمایی به پایان می‌رسد، چون خلاء کاذبی که محرک گرانش دافع است ناپایدار بوده و فرو می‌پاشد، چیزی که بسیار شبیه واپاشی عناصر پرتوزا است. پایان آن تورم اولیه( بعد از اینکه فضا به صورت نمایی در کسری از ثانیه منبسط شده) به بیگ بنگ سنتی تبدیل می‌شود که در آن انرژی وسیعی که در خلاء کاذب محبوس شده بود، آزاد شده و به انرژی و ماده‌ی جهان آغازین تبدیل می‌شود. این انرژی چیزی است که سوپ بسیار داغ و یکنواختی از ذرات پلاسمایی را تولید می‌کند که نقطه‌ی شروع در نظریه‌ی سنتی بیگ بنگ است.

ولی طبق مدل تورم کیهانی، در حالی که فروپاشی خلاء کاذب جرقه‌ی بیگ بنگ را در یک بخش از فضای در حال انبساط زده است، آن فروپاشی در تمام فضای در حال انبساط اتفاق نیافتاده است چون تمام فضای در حال انبساط به صورت هم‌زمان فرو نمی‌پاشد. آن آهنگ‌های متغیر فروپاشی کلید مخصوصی را فراهم کرد که باعث می‌شود جهان‌های چندگانه بدون هیچ پایانی متولد شود.

دلیل‌اش این است: بخش‌هایی از فضای خلاء کاذب که فرو نمی‌پاشد به صورت نمایی منبسط می‌شود و فضا را نسبت به بخش‌هایی از خلاء کاذب که فرو می‌پاشد هم سریع‌تر کشیده و بسط می‌دهد- و چون این فضای خلاء کاذب و در حال انبساط “شبه‌پایدار” است، در نهایت قسمت‌هایی از آن ( در طول دوره‌های زمانی بسیار طولانی) فرو می‌پاشد. هر فروپاشی یک به اصطلاح “جهان پاکتی(pocket universe)” منفرد تولید می‌کند که این عبارت اصطلاح گوت برای ناحیه‌ی متصل فضا- زمان است. آهنگ انبساط‌ها بسیار سریع‌تر از آهنگ فروپاشی‌ها است به همین دلیل نواحی جدیدی درست می‌شود- با پتانسیل فروپاشی‌های جدید و از این‌رو پتانسیل جهان‌های پاکتی جدید.

تمام اینها به این خاطر کار می‌کند که فشار گرانش منفی خلاء کاذب(در بخش‌هایی از فضا که فرو نپاشیده) به ایجاد میدان گرانشی دافع ادامه می‌دهد که نیروی محرک پشت قضیه‌ی انبساط نمایی تورم فضا است. این عمل فرصت‌های بیشتری برای فروپاشی‌های محلی درست می‌کند که در عوض جهان‌های پاکتی‌ای تولید می‌کند که به معنای واقعی کلمه‌ بی‌نهایت یا نامحدود است. یکبار دیگر به خاطر آهنگ انبساط‌های فضای خلاء کاذب( که فضا را بسط می‌دهد) که از آهنگ فروپاشی فضای خلاء کاذب( که بیگ بنگ‌ها را تولید می‌کند) جلو می‌زند است که فرآیندهای تولید جهان‌های چندگانه هیچ‌وقت متوقف نمی‌شود.

الکس ویلکنین، کیهان‌شناس دانشگاه توفت در ماساچوست توضیح داد که چون:« فضای بین این جهان‌های پاکتی یا حبابی با سرعت بسیار زیادی منبسط می‌شود، جا برای شکل‌گیری حباب‌های جدید باز می‌شود، بنابراین تعداد نامحدودی از جهان‌های پاکتی در طول تورم شکل می‌گیرد.» اگر این تصویر صحیح باشد گوت می‌گوید:« هیچ پایانی برایش نمی‌بینیم.»

جهان‌های پاکتی و تونل‌های کوانتومی

برای اینکه به خوبی متوجه شویم چطور چندجهانی می‌تواند تولید شود، اجازه دهید با نظریه‌ی تورم کیهانی شروع کنم که خاستگاه و ساختار جهان ما را توضیح می‌دهد. سپس چون تورم کیهانی به طور هم‌زمان در همه جا به پایان نمی‌رسد این موضوع منجر به نظریه‌ی تورم بی‌نظم ابدی می‌شود که چند جهان پاکتی را به صورت مداوم و بدون هیچ پایانی تولید می‌کند.

خیلی راحت می‌شود فراموش کرد که هر کدام از این جهان‌های پاکتی جدید به شدت بزرگ‌تر از جهان قابل‌مشاهده‌ی ما است ولی این جهان‌های جدید خیلی عجیب نیستند چون همگی درون همان چهارچوب فضا- زمانی قرار دارند که ما در جهان خود می‌شناسیم- هرچند آنها در فراسوی چیزهایی که می‌توانیم در جهان قابل‌مشاهده‌مان ببینیم جوانه می‌زنند. به علاوه زمانی که این جهان‌های پاکتی متولد می‌شوند، کاملا و به طور همیگشی از باقی جهان‌های دیگر( از جمله جهان ما) جدا می‌شوند. ولی چطور تورم کیهانی را آغاز کنیم؟ به مقدار هر چقدر کوچکی از مواد فیزیکی نیاز داریم. بنابراین این ماده‌ی اولیه از کجا می‌آید؟

ویلکنین می‌گوید که پاسخ این سوال، “تونل‌زنی کوانتومی” است. او به من گفت:« تونل‌زنی کوانتومی می‌تواند جهانی را از هیچ به وجود بیاورد؛ چون چیزهایی که در فیزیک کلاسیک به وسیله‌ی موانع انرژی ممنوع است، در مکانیک کوانتومی می‌تواند توسط تونل‌زنی در موانع انرژی اتفاق بیافتد. بنابراین جهانی با اندازه‌ی صفر- به عبارت دیگر نیستی یا نبود هیچ جهانی- می‌تواند به طور خودبخودی با تونل‌زنی در مانع انرژی و سپس انبساط تورمی به وجود بیاید.» البته وجود “هیچِ” قوانین مکانیک کوانتوم با “هیچ حقیقی” برابری نمی‌کند- ولی این داستان دیگری است( بررسی سطوح هیچ).

معمایی مشابه این است که به نظر می‌رسد تورم کیهانی، انرژی را “از هیچ” درست کند که این موضوع قانون پایستگی انرژی را نقض می‌کند( یک ممنوعیت فیزیکی). در حقیقت انرژی خالص جهان صفر است، چون انرژی مثبت تمام موادی که درست شده است با انرژی منفی گرانش در تعادل قرار دارد. گوت به آن “ناهار رایگان غایی” می‌گوید.( واژه‌ی ناهار رایگان به سنتی در زمان‌های قدیم آمریکا اشاره دارد که در سالن‌های غذاخوری به مشتریانی که می‌توانستند یک نوشیدنی بخرند یک ناهار رایگان اهدا می‌شد. ناهار رایگان در اینجا به معنی گرفتن «چیزی از هیچ» است- م.)

چه شواهدی برای نظریات تورم کیهانی، تورم بی‌نظم ابدی و جهان‌های چندگانه وجود دارد؟ حداقل می‌توان گفت در نظر گرفتن این موضوع که تورم کیهانی درون کوچک‌ترین کسری از اولین ثانیه‌ی موجودیت جهان ما آغاز و پایان یافته، یک مقدار چالش‌برانگیز است و طبق تعریف، تورم بی‌نظم کیهانی را نمی‌توان دید چون جهان‌های دیگر( که به طور نامعلومی توسط تورم بی‌نظم کیهانی تولید می‌شود) به طور دائمی از جهان ما جدا می‌شود.

با این حال چند سری از شواهد تائید کننده( به غیر از زیبایی معادلات‌ها)، بسیاری از کیهان‌شناسان را به حدی متقاعد کرده است که تورم کیهانی و تورم بی‌نظم کیهانی اساساً به “مدل استاندارد” کیهان‌شناسی تبدیل شده‌اند؛ چون به نظر می‌رسد تورم کیهانی به طور هم‌زمان چند معمای مجزا از هم در خاستگاه و ساختار جهان را( که شامل مسئله‌ی افقی که قبلا مطرح کردم هم می‌شد) حل کند. به علاوه تورم کیهانی پیش‌بینی‌های جالبی نیز انجام می‌دهد، مخصوصا درباره‌ی تابش زمینه‌ی ریزموج کیهانی( که آثار باقی‌مانده‌ای از بیگ بنگ است)؛ پیش‌بینی‌هایی که توسط داده‌های دقیق فزاینده از ماهواره‌ها تائید و بازتائید شد.

به نظر می‌رسد که تورم بی‌نظم ابدی هم پی‌آمدی اجتناب‌ناپذیر از ریاضیات تورم کیهانی باشد: زمانی که تورم کیهانی آغاز می‌شود توقف‌اش غیرممکن به نظر می‌رسد. هرچند در حالی که نشانه‌هایی شگفت‌انگیز از داده‌هایی تائید کننده وجود داشته است ولی هیچ کدام ( فعلاً؟) متقاعد کننده نبوده‌ است. تورم کیهانی، انقلابی در کیهان‌شناسی به وجود آورد و اگر در نهایت تایید شود( لازمه‌ای مهم)، شاید به عنوان یکی از اکتشافات بنیادی بشریت شناخته شود.

ادامه دارد »»»

ترجمه: امیرحسین سلیمانی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: space.com