بررسی امکان تولد جهان هستی از یک جهش بزرگ کوانتومی
به لطف پیشرفت‌های باورنکردنی در دنیای علم طی قرن گذشته، ما اکنون قادریم تعیین کنیم که جهان ما در گذشته به چه شکلی بوده و از کجا آمده و همچنین به این سؤال پاسخ دهیم که به چه طریقی به حالتی در آمده که امروز می‌بینیم و با این روندی که امروزه شاهد آن هستیم، در آینده به چه حالتی درخواهد آمد. اما واقعیت این است که با وجود همه‌ی پیشرفت‌ها، امروزه نیز برای حدس و گفته‌های ما محدودیت‌هایی وجود دارد. هم برای زمان‌هایی از گذشته که می‌توانیم به‌طور قطع اطلاعاتی کسب کنیم، محدودیت وجود دارد و هم برای بازه‌‌ای زمانی در آینده که می‌توانیم رفتار و چگونگی تکامل جهان را با هر درجه‌ای از قطعیت پیش‌بینی کنیم. هنگامی که ما گام به‌سوی گذر از این محدوده‌ها می‌گذاریم، در واقع پا به جایی گذاشته‌ایم که بزرگ‌ترین و مبهم‌ترین رازهای تمام تاریخ بشر در آن نهفته است. کاترین لیچین یک پرسش در مورد یکی از این محدوده‌ها پیش روی ما می‌گذارد:
پس از خواندن پُستی درباره‌ی سرنوشت انجماد بزرگ برای جهان هستی، من می‌خواستم بدانم که نظر نویسنده در مورد سناریوی جهش بزرگ چیست؟
در رابطه با این قضیه سه بخش اصلی وجود دارد: چیزهایی که ما می‌دانیم، مواردی که «محتمل» هستند و همچنین چیزهایی که ما فکر می‌کنیم به خاطر وجود دلایل مناسب دارای محتمل‌ترین حالت هستند.
جهان ما به آن شکلی که در حال حاضر وجود دارد، دارای انبوهی از ستاره‌ها، کهکشان‌ها، سیاه‌چاله‌ها، ماده‌ی تاریک، انرژی تاریک و تابش است. جهان هستی دارای توده‌ها و خوشه‌های پرشمار و از سویی دیگر دارای حفره‌های بسیار عظیم است. این جهان گسترش می‌یابد، سردتر می‌شود و در هر لحظه‌ی مشخص، دارای شمار مشخصی از ذرات است که به طریقه‌ی مشخصی قرار گرفته‌اند. ما می‌توانیم بر اساس آنچه از قوانین فیزیکی، ماهیت اجزای سازنده‌ی جهان و چگونگی گسترش آن می‌دانیم، رفتار جهان هستی را از دو سوی زمانی به‌نوعی مورد برون‌یابی قرار دهیم؛ هم به‌سوی گذشته و هم به‌سوی آینده. هنگامی که ما به گذشته برگردیم، کیهان را نرم‌تر، ملایم‌تر، داغ‌تر، متراکم‌تر، دارای انباشتگی بیشتر، پرانرژی‌تر و یکنواخت‌تر خواهیم یافت؛ هنگامی که به‌سوی آینده نگاه کنیم، می‌بینیم جهان به انباشتگی بیشتر، جامد‌تر، پراکنده‌تر، کم‌انرژی‌تر و تهی‌تر نزدیک می‌شود. ما با درجه‌ی بسیار بالایی از دقت و صحت می‌توانیم بگوییم که گفته‌ی فوق می‌تواند درست باشد.
یکی از مواردی که می‌تواند به ما در درک این موضوع به شیوه‌ای متفاوت کمک کند، در نظر گرفتن آنتروپی جهانِ قابل مشاهده، است. البته درک و برداشت کامل از مفهوم آنتروپی مقداری دشوار است؛ اما برای ساده‌تر ساختن موضوع می‌توانیم از شما بخواهیم که به این مورد فکر کنید: شمار راه‌های مختلفی که شما می‌توانید حالت‌ها را در یک سیستم مشخص، مرتب کنید. امروزه ما می‌توانیم آنتروپی جهان را محاسبه کنیم و به مقداری برابر با ۱۰۱۰۴ واحد k برسیم که در آن k، ثابت بولتزمن است. سهم غالب از این مقدار به خاطر وجود سیاه‌چاله‌ها در مرکز کهکشان است. در واقع باید اشاره کنیم که آنتروپی مربوط به سیاه‌چاله‌ی مرکزی کهکشان راه شیری به‌تنهایی برابر با ۱۰۹۱ واحد k است. این سیاه‌چاله‌ها در زمانی که جهان هستی بسیار جوان بوده است، وجود نداشته‌اند (آن‌ها تشکیل نشده بودند) و بنابراین آنتروپی بسیار پایین‌تر از مقدار فعلی بوده است.
در آینده‌ی دور، جهان به یک حالت بالاتر از آنتروپی هم خواهد رسید؛ زمانی که همه‌ی آن‌ها از طریق پدیده‌ی تابش هاوکینگ (که هنوز رخ نداده است) دچار واپاشی شوند. زمانی که جهان در حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش تحت سلطه‌ی تشعشع‌های کیهانی بوده، آنتروپی آن تنها به مقدار ۱۰۸۸ واحد k بوده است. هنگامی که در آینده‌ی بسیار دور آخرین سیاه‌چاله دچار واپاشی شود، آنگاه آنتروپی به مقدار ۱۰۱۲۳ خواهد رسید. قوانین ترمودینامیک که در آن آنتروپی همیشه افزایش می‌یابد نیز کاملا با آنچه در جهان ما اتفاق می‌افتد سازگار هستند.
اما در این میان یک پرسش اساسی کماکان مطرح است؛ چه حالت‌هایی محتمل هستند؟ با حرکت رو به جلو در طی زمان، جهان هستی می‌تواند برای همیشه به انبساط ادامه دهد، یا اینکه با شتاب بیشتری به انبساط برای همیشه ادامه دهد؛ اما این امکان هم وجود دارد که دچار ازهم‌گسیختگی شود و از طریق تونل‌زنی کوانتومی، وارد حالت کوانتومی جدیدی شود یا اینکه به یک حالت انفرادی جدید در هم پاشیده شود.
حال باید ببینیم در مورد مواردی که محتمل به نظر می‌رسند به چه نتیجه‌ای می‌رسیم؟ با جلوتر رفتن در مسیر زمان، جهان هستی می‌تواند همچنان به گسترش خود برای همیشه و همچنین به سرعت بخشیدن به این روند ادامه دهد. اما از سویی دیگر این امکان وجود دارد که از هم متلاشی شود یا به یک حالت کوانتومی جدید تونل‌زنی کند یا اینکه به یک حالت تکینگی منجر شود. با حرکت به‌سوی گذشته در زمان، می‌توانیم تصور کنیم که جهان در حالت تورمی قبل از بیگ بنگ داغ (با مقدار آنتروپی حتی پایین‌تر از مقدار اولیه و به تعبیری مقداری کمتر از ۱۰۱۵ واحد k) وجود داشته است؛ اما هیچ چیزی در مورد لحظات قبل از ۳۳-۱۰ ثانیه‌ی نهایی آن مشخص نیست. آیا جهان هستی یک آغاز منحصربه‌فرد دارد که در آن زمان و مکان آن آغاز شده‌اند؟ یا اینکه آن‌ها همیشه وجود داشته‌اند؟ در جلسه‌ی سالانه‌ی انجمن اخترشناسی آمریکا، کیهان‌شناس، شان کارول، چهار احتمال برای یک منشأ غیر منحصربه‌فرد برای جهان در جزئیات بزرگ توصیف کرد که به آن‌ها اشاره می‌کنیم:
۱. وقوع یک جهش رشته‌ای
در نسبیت عام، اگر شما تا یک حالت اختیاری داغ، متراکم یا کوچک برون‌یابی کنید، ناگزیر به یک حالت تکینگی خواهید رسید و در این حالت تعاریف از زمان و مکان خواهند شکست. اما در پسوند بسط‌های کوانتومی که فراتر از نسبیت عام می‌روند، مانند گرانش کوانتومی حلقه، نظریه‌ی ریسمان یا کیهان‌شناسی شامه؛ شما می‌توانید از یک حالت از پیش موجود و در حال واپاشی، به یک حالت داغ و چگال و در حال انبساط دست‌یابید.
۲. هستی‌شناسی از نوع چرخه‌ای
این حالت شبیه به یک جهش رشته‌ای است و تنها تفاوت آن این است که جهش در آن می‌تواند بارها و بارها روی دهد. جهان گسترش می‌یابد و به حداکثر اندازه‌ی خود می‌رسد و سپس درهم کشیده می‌شود، این در حالی است که آنتروپی آن نیز در کل زمان‌ها افزایش می‌یابد و پس از آن دوباره از هم پاشیده می‌شود و درست در همین لحظه یک جهش دوباره در آن رخ می‌دهد.
۳. هستی‌شناسی مبتنی بر کاهش فعالیت
جهان به‌جای آنکه به‌سرعت در حال گسترش باشد (همانند روندی که جهان ما امروزه یا همچنین در طی دوره‌ی تورم خود، طی کرده است)، می‌توانست در حالتی بماند که نسبتا ثابت یا غیرفعال برای یک مدت بسیار طولانی بوده باشد. چنین حالتی نیاز به پدیده‌ای عجیب‌وغریب مانند «عاری شدن از گرانش» یا (degravitation) دارد که در آن گرانش برای مدتی غیرفعال می‌شود؛ یا اینکه نیاز به یک کیهان‌شناسی رشته‌ای گازی دارد.
۴. کیهان‌شناسی بازتولیدکننده
مورد چهارم حالتی است که در آن یک جهان از یک فضازمان موجود قبلی «متولد» می‌شود که در آن، فضازمان از پیش موجود دارای تنوعی از مکان‌ها و خواص است؛ اما از یک حالت تکینگی آغاز نشده است. در این مورد، یکی از جهان‌های متولدشده به شکل جهانی رشد یافته است که ما آن را به‌عنوان جهان خود می‌شناسیم.
رویداد جهش بزرگ به‌طور قطع امکانی است که ارزش بررسی و جدی گرفته شدن دارد و بسیاری از افراد صاحب‌نظر نیز چنین روندی در پیش گرفته‌اند؛ اما یک مشکل بزرگ در این میان وجود دارد و با در نظر گرفتن سناریوهای ۱، ۲ و ۳ که در بالا به آن اشاره کردیم، می‌توانیم آن را به این صورت بیان کنیم: مشکل موجود در فرض فوق این است که جهان ما باید با آنتروپی پایین متولد شده باشد و ما در این زمینه، قانون دوم ترمودینامیک را داریم. اگر آنتروپی جهان در گذشته کاهش یافته باشد که بزرگ‌ترین نقض قانون دوم ترمودینامیک در همه‌ی زمان‌ها را خواهیم داشت و اگر هم که آنتروپی در گذشته حتی کوچک‌تر از این نیز بوده باشد، آنگاه به‌طور دقیق تغییر می‌کند تا در نهایت خود‌به‌خود به صفر نزدیک شود.
سناریوی اول (جهش رشته‌ای) نیاز به کاهش آنتروپی دارد؛ جهش‌های چرخه‌ای نیاز به آنتروپی همیشه در حال افزایش دارند. مورد دوم به این معنی است که آخرین چرخه، قبل از جهش نیاز به آنتروپی حتی کمتر از مقداری دارد که جهان هستی تماما با آن به وجود آمده است. از این‌رو این چرخه همچنان دارای افزایش آنتروپی در تمام طول آن خواهد بود و همچنین باید اشاره کرد که جهش بعدی با میزان آنتروپی حتی بیشتر از آن مقداری آغاز خواهد شد که جهان ما با آن به پایان برده شده است. از تمام حالات اشاره‌شده در این گزارش، تنها حالت چهارم یعنی کیهان‌شناسی بازتولیدکننده است که از مشکل آنتروپی جلوگیری می‌کند. برای تصور اینکه حالت چهارم چگونه کار می‌کند، می‌توانید جهانی را در برخی از حالت‌هایی مجسم کنید که در آن دارای مقدار فراوانی از آنتروپی، بسیاری از تغییرات و بسیاری از نوسان‌ها بوده است.
این حالت بسیار شایع است. چنین حالتی در واقع دارای کمترین میزان از ایجاد تغییرات در شرایط اولیه‌ای است که ما با آن می‌توانستیم آغاز یک جهان را متصور باشیم. از سویی دیگر این حالت دارای اشتراک‌های زیادی با بسیاری از سیستم‌های فیزیکی است که معمولا ما می‌خواهیم طراحی‌شان کنیم؛ سیستم‌هایی همانند یک اتاق پر از مولکول‌های گاز در دمای نسبتا بالا. شما هرگز انتظار نخواهید داشت که در سیستم فوق، همه‌ی مولکول‌های گاز در یک نیمه‌ی اتاق تجمع کنند و نیمه‌ی دیگر آن را خالی بگذارند. چنین رویدادی نه‌تنها از نقطه‌نظر ترمودینامیکی نامطلوب تلقی می‌شود، بلکه رخ دادن آن از نظر آماری نیز فوق‌العاده بعید است. اما شما تعجب نخواهید کرد اگر ببینید در همان اتاقی که به‌عنوان مثال در نظر گرفته‌ایم، یک منطقه‌ی کوچک از آن (مثلا منطقه‌ای به اندازه‌ی مچ دست) دارای چند میلیارد مولکول بیشتر یا کمتر از مقدار متوسط بوده باشد؛ یا اینکه برای مثال انرژی یا آنتروپی آن منطقه از میانگین کلی اتاق بیشتر یا کمتر باشد.
اگر شما خود را به بررسی مناطق بسیار کوچک محدود کنید، به‌عنوان نمونه مناطقی به اندازه‌ی یک ویروس که می‌تواند تا حدود ۵ نانومتر کوچک باشد، ممکن است منطقه‌ای از میان آن‌ها پیدا کنید که دارای نوسان‌های بسیار کمی بوده باشد یا اینکه شاید حتی مقدار آنتروپی آن به‌کل قابل اغماض باشد. آنتروپی کلی سیستم هنوز هم باید افزایش یابد، اما یک منطقه‌ی بسیار کوچک از سیستم می‌تواند دارای مقدار بسیار کم و حتی قابل چشم‌پوشی در هر زمانی باشد و شاید در ادامه، آن منطقه‌ی نوسان کوچک که در آن آنتروپی به اندازه‌ی کافی کم می‌شود، توانسته باشد به تولد یک جهان جدید منجر شود که در آن تورم روی می‌دهد.
تورم دارای این خاصیت فوق‌العاده است که با یک‌بار آغاز شدن و پس از آن، در ادامه فضای بیشتر و بیشتری را با سرعت فوق‌العاده زیاد ایجاد می‌کند که این سرعت نیز دائما به‌طور نمایی افزایش می‌یابد. البته مناطقی هم وجود دارند که در آن تورم به پایان خواهد رسید و در همین حالت است که سیستم فوق به یک بیگ بنگ با دمای بسیار بالا منتهی و منجر به ایجاد ماده / ضد ماده / فضای پر از پرتوها، درست همانند بخشی از جهان قابل مشاهده‌ی ما می‌شود. اما مناطقی هم وجود دارند که به روند خود در آینده نیز ادامه خواهند داد. جهان هستی ممکن است از یک تکینگی آغاز شده باشد که در آن زمان و فضا از حالتی با هم آمیخته شده باشند که در آن هیچ زمان و فضایی در بیرون از خود آن سیستم وجود نداشته است.
اما همچنین ممکن است جهان هستی از یک حالت کاملا غیر مفرد به وجود آمده باشد. با این حال، تا زمانی که ما قانون دوم ترمودینامیک را پیش روی خود داریم که بر پایه‌ی آن آنتروپی کلی یک سیستم هرگز کاهش نمی‌یابد، نظریه‌های مبتنی بر جهش بزرگ از نظر تئوری دارای یک مانع اساسی برای پذیرفته شدن هستند. در صورت وجود نداشتن هیچ‌گونه شواهدی برای رخ دادن یک درهم پاشیدگی مجدد، همراه با مشکلات نظری که یک سناریوی جهش بزرگ با آن مواجه است، بهترین سناریویی که علم فیزیک به ما در زمینه‌ی تولد جهان هستی ارائه می‌دهد، سناریوی بازتولیدکنندگی خواهد بود.