چرا جهان وجود دارد؟

تا به حال فکر کرده‌اید که چرا جهان وجود دارد؟ به این اندیشه کرده‌اید که گیتی چرا و چگونه بوجود آمده است؟ آیا جهان ما یگانه است یا جهان‌های دیگری هم وجود دارد؟ اصلا قبل از مهبانگ چه وجود داشته است؟ به طور کلی آیا کیهان می‌توانست وجود نداشته باشد؟ هزاران سال است که دانشمندان و فیلسوف‌های مختلف در سراسر جهان به موضوعات این‌چنینی فکر کرده‌اند

تقریبا در هر تمدن و هر فرهنگی مردم سعی کرده‌اند پاسخی برای این پرسش بنیادین، که چرا جهان وجود دارد پیدا کنند. بسیاری از تمدن‌ها به اسطوره‌ها متوسل شده‌اند و بسیاری دیگر آن را بی‌پاسخ رها کرده‌اند.

واقعیت این است که هم‌اکنون نیز پاسخ شفافی برای آن نداریم. در حقیقت باید گفت که علم امروزی ما خیلی خوب نمی‌تواند به آزمایش فرضیه‌هایی که در این‌باره داده می‌شود، بپردازد. با این حال چند سالی است که بعضی از فیزیک‌دان‌ها و کیهان‌شناسان، سعی کرده‌اند پاسخی علمی و مستدل به آن بدهند. پاسخی که می‌تواند با دانش ناچیز فعلی بشر، تا حدودی قانع کننده باشد.

فیزیک‌دان‌ها و کیهان‌شناسان معتقدند که امروز تا حد زیادی از تاریخچه‌ی کیهان می‌دانند و قوانین فیزیک حاکم بر آن را می‌شناسند. آن‌ها می‌گویند که ممکن است این مقدار دانش و اطلاعات، بتواند سرنخ‌هایی از چرایی بوجود آمدن کیهان به آن‌ها بدهد. البته پاسخی که آن‌ها به این پرسش بزرگ می‌دهند، به شدت مناقشه برانگیز است. دانشمندان می‌گویند که کیهان از «هیچ» بوجود آمد. یک «هیچ» و «خلاء» ناپایدار. این نظریه ممکن است خیلی عجیب به نظر برسد. حتی شاید آن را فقط داستان علمی-تخیلی دیگری درباره‌ی پیدایش جهان بپنداریم. ولی فیزیک‌دان‌ها می‌گویند که این ایده، بر اساس دوتا از قوی‌ترین نظریه‌های علم، یعنی «مکانیک کوانتم» و «نسبیت عام» شکل گرفته است.

ذراتی از دل فضای تهی

نخست بهتر است نگاهی به مکانیک کوانتم بیندازیم. مکانیک کوانتم شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعه‌ی دنیای بسیار ریز زیر اتمی می‌پردازد. مکانیک کوانتم از جمله موفق‌ترین نظریه‌های دنیای علم است و پایه و اساس الکترونیک امروزی ما را ساخته است. مکانیک کوانتم به ما می‌گوید که در کیهان چیزی به نام فضای تهی وجود ندارد. حتی خالص‌ترین انواع خلاء نیز مقدار زیادی ذره و پاد ذره دارند. ذره‌ها و پادذره‌هایی که در عرض یک چشم به هم زدن بوجود می‌آیند و از بین می‌روند. این ذرات آن‌قدر عمر نمی‌کنند که بتوان آن‌ها را مستقیم مشاهده کرد،‌ ولی با اثر ثانویه‌‌ای که برجای می‌گذارند، می‌توانیم بفهمیم که وجود دارند.

مکانیک کوانتم به ما می‌گوید که حتی در خلاء کامل هم ذره‌ها و پادذره‌هایی در عرض یک چشم به هم زدن بوجود می‌آیند و از بین می‌روند.

اگر از دنیای زیراتمی خارج شویم و بخواهیم به توصیف ساختارهای بسیار بزرگ عالم مثل کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی بپردازیم، باید مکانیک کوانتم را کنار بگذاریم و به سراغ نظریه‌ی نسبیت عام برویم. نسبیت عام، دستاورد بزرگ آلبرت انشتین است و به ما نشان می‌دهد که فضا، زمان و گرانش چگونه در ساختارهای بزرگ عالم با یکدیگر در ارتباط هستند. نسبیت عام نظریه‌ای کاملا متفاوت از مکانیک کوانتم است و تا به حال هیچ‌کس نتوانسته این دو را به صورت یکپارچه توضیح دهد. با این حال، بعضی از دانشمندان توانستند هر دو را برای توضیح بعضی مسائل مشخص به کار گیرند. مثلا استیفن هاوکینگ، دانشمند مشهور انگلیسی، از این دو برای توضیح و توصیف کارکرد سیاه‌چاله‌ها استفاده کرد.

یکی از چیز‌هایی که دانشمندان از به کارگیری نظریه‌های نسبیت و مکانیک کوانتم فهمیدند این بود که وقتی نظریه‌ی کوانتم در فضا اعمال می‌شود، فضا دچار ناپایداری می‌گردد. حباب‌های فضا-زمان، درست مثل ذره‌ها و پاد ذره‌ها، می‌توانند در خلاء به صورت خودبخودی بوجود آیند و از بین بروند. به نوعی می‌توان گفت که فضا، حتی در تهی‌ترین شکل ممکن، کاملا خالی نیست و حباب‌های ریز فضا-زمان می‌توانند در آن به یکباره پدیدار شوند. در حقیقت اگر فضا و زمان کوانتمی شوند، می‌توانند نوسان کنند. «الکساندر ویلنکین» (Alexander Vilenkin) از دانشگاه تافتس در بوستون می‌گوید: «در فیزیک کوانتم، اگر اتفاقی ممنوع نباشد، حتما با احتمالی بیشتر از صفر رخ می‌دهد.»

بعضی از دانشمندان می‌گویند که جهان می‌تواند از «هیچ» بوجود آمده باشد.

جهانی پر از حباب‌

بنابراین این فقط ذره‌ و پادذره‌ نیست که می‌تواند از هیچ بوجود آیند. حباب‌های فضا-زمان هم می‌توانند از هیچ پدیدار شوند. با این حال، اینکه یک حباب فضا-زمان بسیار ریز تبدیل به کیهانی فوق‌العاده عظیم که بیش از ۱۰۰ میلیارد کهکشان را در خود جای داده شود، تا حدی عجیب به نظر می‌رسد. سوال این‌جاست که چرا حباب فضا-زمانی که بوجود آمد، خیلی سریع و در عرض یک چشم به هم زدن دوباره ناپدید نشد؟

باید گفت یک راه وجود دارد که حباب فضا-زمان از بین نرود و باقی بماند. منتها این بقا نیازمند پدیده‌ای به نام «انبساط کیهانی» است. اکنون بیشتر فیزیک‌دان‌ها اعتقاد دارند که کیهان از «مهبانگ» (Big Bang) بوجود آمده است. بدین معنی که زمانی کل ماده و انرژي جهان در نقطه‌ای بسیار ریز جمع شده بوده و به ناگهان با انفجاری بزرگ تبدیل به جهان کنونی شده است. نخستین بار زمانی نظریه‌ی مهبانگ مطرح شد که دانشمندان فهمیدند کهکشان‌ها در حال دور شدن از یکدیگر هستند و جهان در حال انبساط است. بنابراین نتیجه گرفتند که اگر فیلم انبساط را بالعکس کنند، با انقباض مواجه می‌شوند و اینکه کیهان به یک نقطه‌ی آغاز می‌رسد.

نظریه‌ی انبساط کیهان بیان می‌کند که بلافاصله پس از وقوع مهبانگ، جهان خیلی سریع و برق‌آساتر از لحظات بعد منبسط شد. این مفهوم غیر عادی، را نخستین بار «آلن گوث» (Alan Guth) از انستیتوی فناوری ماساچوست در دهه‌ی ۸۰ میلادی مطرح کرد و بعدا «آندره لیند» (Andrei Linde) از دانشگاه استنفورد اصلاحاتی روی آن انجام داد. ایده این‌ است که در کسری از ثانیه پس از وقوع مهبانگ، حباب بسیار ریز کوانتمی فضا-زمان با سرعتی فوق‌العاده زیاد منبسط شد. در زمانی بسیار بسیار کوتاه،‌ اندازه‌ی آن که از هسته‌ی اتم کوچک‌تر بود، به ابعاد یک دانه‌ی شن رسید. پس از این مرحله، سرعت انبساط کاهش یافت و میدان نیرویی که آن را بوجود آورده بود، به ماده و انرژی که جهان امروز را پر کرده‌اند، تبدیل شد. هرچند که خیلی عجیب و غریب به نظر می‌رسد، ولی نظریه‌ی انبساط کاملا با واقعیت‌ جور در می‌آید. مثلا، این به خوبی پاسخ می‌دهد که چرا تابش مایکرویو زمینه‌ی کیهانی، که در حقیقت تابشی باقی‌مانده از زمان مهبانگ است، در تمام آسمان به صورت یکدست پخش شده است. اگر جهان خیلی سریع منبسط نشده بود، ما باید تابشی غیر همگن را در آسمان مشاهده می‌کردیم.

حباب‌های فضا-زمان می‌توانستند به صورت خودبخودی از خلاء ناپایدار بوجود آیند و یکی از آن‌ها به شکل جهانی که در آن زندگی می‌کنیم، منبسط شود.

جهان همگن

انبساط، ابزار سنجشی که کیهان‌شناسان برای تعیین هندسه‌ی کیهان نیاز داشتند را به آن‌ها داد. این برای فهمیدن چرایی بوجود آمدن جهان مهم است. نظریه‌ی نسبیت عام انشتین به ما می‌گوید فضا-زمانی که در آن زندگی می‌کنیم، می‌توانست در سه شکل متفاوت بوجود آمده باشد. ۱. فضا-زمان می‌تواند کاملا تخت باشد. ۲. فضا زمان می‌تواند به صورت سطحی از یک کره به داخل خمیده باشد. ۳. فضا-زمان می‌تواند به صورت سطحی مثل زین اسب، به خارج خمیده باشد. واقعا فضا-زمان چه شکلی است؟

یک راه برای فهمیدن آن وجود دارد، حتما از کلاس ریاضی به یاد دارید که مجموع اندازه‌ی زوایای یک مثلث، ۱۸۰ درجه است. اگر معلم شما قرار بود اطلاعات بیشتری به شما بدهد،‌ باید می‌گفت که این گزاره فقط بر روی یک سطح صاف و مثلث دو بعدی صحیح است. اگر بر روی سطح یک توپ، مثلثی بکشید، مجموع اندازه‌ی زوایای آن بیش از ۱۸۰ درجه می‌شود. در سوی مقابل، اگر مثلث را بر سطح زین یک اسب که به بیرون خمیدگی دارد بکشیم،‌ مجموع اندازه‌ی زاویه‌ها کمتر از ۱۸۰ درجه می‌شود. بنابراین برای اینکه بفهمیم فضا-زمان یا در واقع همان کیهان تخت است یا خیر، باید اندازه‌ی زاویه‌های یک مثلث خیلی بزرگ را اندازه بگیریم. این دقیقا جاییست که دوباره انبساط عالم خود را نشان می‌دهد. انبساط، میانگین ابعاد مناطق گرم‌تر و سردتر در پرتوی زمینه‌ی کیهانی را تعیین کرد. دمای این مناطق در سال ۲۰۰۳ اندازه‌گیری شد و در نتیجه به ستاره‌شناسان، انتخاب‌هایی از مثلث‌های بزرگ کیهانی داد. در نتیجه، ما اکنون می‌دانیم که کیهان قابل دیدن ما، تخت است.

بعدا مشخص شد که تخت بودن جهان اهمیت خیلی زیادی دارد. به این دلیل که فقط یک جهان تخت می‌تواند از «هیچ» بوجود آید. هرچه که اکنون وجود دارد، از ستاره‌ها گرفته تا کهکشان‌ها و نوری که می‌بینیم، باید از جایی آمده باشد. ما اکنون می‌دانیم که ذرات، از سطوح کوانتمی بوجود می‌آیند، بنابراین می‌توانیم انتظار داشته باشیم که ذرات کمی در جهان اولیه وجود داشته‌اند. این درحالیست که برای ساختن این همه ستاره و سیاره، انرژی خیلی زیادی نیاز است.

برای اینکه جهان از نیستی بوجود آمده باشد، هندسه‌ی فضا-زمان حتما باید تخت باشد.

کیهان این همه انرژی را از کجا آورد؟ در حقیقت اصلا لازم نیست این انرژی را از جایی آورده باشد. بدین دلیل که همه‌ی اجرام کیهان، دارای گرانش هستند و می‌توانند دیگر اجرام را به سمت خود جذب کنند. گرانش با همه‌ی ماده‌ای که در کیهان وجود دارد به تعادل رسیده‌ است. این تا حدودی شبیه به ترازوهای قدیمی به نظر می‌رسد. شما می‌توانید یک وزنه‌ی سنگین در یک طرف قرار دهید و سپس با قرار دادن وزنه‌ی دوم در طرف دیگر، تعادل را برقرار کنید. در مورد جهان، ماده در یک طرف ترازو و گرانش در طرف دیگر آن قرار می‌گیرد تا تعادل برقرار شود. فیزیک‌دان‌ها حساب کرده‌اند که در یک جهان تخت، انرژی ماده دقیقا با انرژی گرانشی که جرم را بوجود می‌آورد، همسنگ است. با این حال این فقط در یک جهان تخت صادق و برقرار است. اگر جهان خمیده بود، تعادل بین این دو وزنه برقرار نمی‌شد.

جهان‌های موازی

با این اوصاف، بوجود آمدن جهان آسان به نظر می‌رسد. مکانیک کوانتم به ما می‌گوید که «خلاء» به صورت ذاتی ناپایدار است. بنابراین جهش از نیستی به هستی، اجتناب‌ناپذیر است. وقتی از خلاء و نیستی، یک حباب ریز فضا-زمان بوجود می‌آید، این حباب می‌تواند از بین نرود، منبسط شود و جهان بزرگ ما را بوجود آورد. آن‌طور که «لاورنس کراوس» (Lawrence Krauss) از دانشگاه آریزونا در تمپ می‌گوید: «قوانین فیزیک، اینکه جهان از هیچ بوجود آمده را برای ما ملموس می‌کند. این قوانین می‌گویند که جهان از نیستی کامل بوجود آمده است.»

جهان ما شاید یکی از بی‌شمار دنیاهایی باشد که با همین ناپایداری کوانتمی بوجود آمده‌اند.

ولی چرا این اتفاق فقط برای یک بار رخ داد؟ چرا فقط یکی از حباب‌های فضا-زمانی که از نیستی بوجود آمده بود رشد کرد و به یک کیهان بزرگ تبدیل شد؟ چه چیزی از تبدیل دیگر حباب‌های ریز فضا-زمان به جهان‌هایی دیگر جلوگیری کرد؟ لیند یک ایده‌ی جالب و تفکر برانگیز دارد. او می‌گوید که احتمالا باز هم جهان‌هایی از حباب‌های فضا-زمان بوجود آمده‌اند و این رویه همچنان ادامه دارد. در حقیقت به غیر از جهان ما، بیشمار دنیای دیگر می‌تواند وجود داشته باشد. جهان ما می‌تواند یکی از شن‌های ساحلی بی‌انتها باشد. این‌ دنیاها ممکن است کاملا با کیهان ما تفاوت داشته باشند. جهان همسایه، ممکن است به جای سه بعد، دارای پنج بعد فضا باشد. ممکن است در آن‌جا، گرانش ده برابر قوی‌تر یا هزاران برابر ضعیف‌تر باشد. شاید هم اصلا آن‌جا گرانش وجود نداشته باشد. ممکن است ماده به طور کلی از ذراتی متفاوت تشکیل شده باشد.

منبع: دیجی مگ