چهار سناریوی پایان جهان؛ انجماد، فشردگی، تغییر یا شکاف بزرگ؟

اگر فکر می‌کنید دانشمندان و نظریه‌پردازان فقط به‌ دنبال کشف اسرار آغاز جهان هستند و به پایان آن کاری ندارند، سخت در اشتباهید؛ برای تک‌تک احتمالات پایان جهان، سناریوهای پیچیده‌ با جزئیات کامل نوشته‌اند و به سبک نام‌گذاری انفجار بزرگ،‌ برای آن‌ها اسامی هولناکی انتخاب کرده‌اند.

البته پایان کره‌ی زمین مدت‌ها است پیش‌بینی شده. با مرگ خورشید که خوشبختانه شش میلیارد سال دیگر اتفاق می‌افتد، اثری از زمین باقی نخواهد ماند. اما زمین فقط یک سیاره در منظومه‌ی شمسی است و خورشید یکی از صدها میلیارد ستاره در کهکشان در کنار صدها میلیارد کهکشان دیگر در جهان. سرنوشت همه‌ی این‌ها چه می‌شود؟ جهانی که با انفجار بزرگ متولد شد، با چه سناریویی قرار است به پایان برسد؟

نظریه‌پردازان بر سر پایان جهان با هم اختلاف دارند. معلوم نیست این پایان با اتفاقی بزرگ و قطعی به وقوع بپیوندد یا مثل کهولت سن، به‌تدریج اتفاق بیفتد. به هر حال درک ما از قوانین فیزیک چندین گزینه‌ی ممکن را برای آخرالزمان کیهانی پیش روی ما می‌گذارد که از بین آن‌ها، چهار سناریو طرفداران بیشتر و اسم‌هایی متناسب با انفجار بزرگ (Big Bang) دارد: انجماد بزرگ (Big Freeze)،‌ فشردگی بزرگ (Big Crunch)، تغییر بزرگ (Big Change) و شکاف بزرگ (Big Rip). 

به قول اورسن ولز، اگر دنبال پایان خوش هستید، به این بستگی دارد که کجا دست از خواندن داستان بکشید. اگر شما برای سناریوی آخرالزمان کهکشانی دنبال پایان خوش (یا دست کم پایان باز) هستید، خواندن آن را تا انتها ادامه دهید. 

مرگ حرارت (Heat Death) برخلأف اسمش قرار نیست آتشی جهنمی باشد که روزی کل دنیا را در بر بگیرد؛ منظور از مرگ، تفاوت درجه حرارت اجسام است. 

شاید فکر کنید مرگ حرارت برای شروع چندان ترسناک نیست و قرار است این داستان شما را با کم‌خطرترین سناریوی پایان دنیا روبه‌رو کند تا وقتی مطمئن شدیم در صندلی خود فرو رفته‌اید و احساس راحتی می‌کنید، سناریوهای ترسناک‌تر را رو کنیم. اما مرگ حرارت را دست کم نگیرید؛ چون تبعات این سناریو حتی از آتش گرفتن کل دنیا بدتر است. 

تقریبا هر فعل و انفعالی در زندگی روزمره به اختلاف دما نیاز دارد. برای مثال، عامل حرکت خودرو، دمای بالاترِ درون موتور نسبت به بیرون آن است. یا برقی که کامپیوتر را روشن نگه می‌دارد، از نیروگاهی می‌آید که احتمالا از گرم کردن آب برای به کار انداختن توربین استفاده می‌کند. حتی اینکه می‌توانید بدوید و وجود داشته باشید به خاطر اختلاف دمای خورشید با سایر اجزای جهان است. 

شاید از خودتان بپرسید چه می‌شود جهان به این نقطه‌ی هولناک می‌رسد. جواب به سازوکار آنتروپی (آشفتگی) برمی‌گردد. 

جهان به همین صورت است؛ هرچه بزرگ‌تر و بزرگ‌تر می‌شود، اجرام به‌آرامی رو به زوال می‌روند و در سطح جهان پراکنده می‌شوند. بعد از گذشت زمان بسیار بسیار زیاد، تمام ابرهای گازی تشکیل‌دهنده‌ی ستاره‌ها به اتمام می‌رسد و جهان تاریک می‌شود. باقی خورشیدها هم خواهند مرد؛ سیاه‌چاله‌ها به‌تدریج و طی میلیاردها سال به خاطر «تابش هاوکینگ» تبخیر می‌شوند. وقتی این فرایند به اتمام رسید، تنها لایه‌ی رقیقی از فوتون‌ (ذرات نور) باقی خواهد ماند؛ اما آن‌هم بعد از مدتی از بین می‌رود. 

پس از اینکه مبحث ترمودینامیک در اوایل دهه‌ی ۱۸۰۰ مطرح شد، تا مدت‌ها انجماد بزرگ تنها سناریوی محتمل برای پایان دنیا بود. اما ۱۰۰ سال پیش، نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین، پای سناریویی بسیار دراماتیک‌تر از مرگ حرارت را پیش کشید. 

سناریوی بیگ‌کرانچ‌ (Big Crunch) یا فشردگی بزرگ (مه‌رمب) در واقع معکوس پدیده‌ی انفجار بزرگ  و پیدایش هر دو، مدیون نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین است. طبق نظریه‌ی نسبیت عام (یا همان گرانش)، ماده و انرژی باعث فرورفتگی فضا و زمانِ اطراف خود می‌شوند. به‌گفته‌ی انیشتین، تمام ماده و انرژی موجود در جهان، سرنوشت نهایی آن را مشخص خواهد کرد. 

به پیش‌بینی این نظریه، جهان  باید در حال انبساط باشد یا انقباض و نمی‌تواند اندازه‌ی کنونی را تا ابد حفظ کند. انیشتین در سال ۱۹۱۷ به این موضوع پی برد و آنقدر نسبت به پذیرش آن بی‌میل بود که حاضر شد نظریه‌ی خودش را دست‌کاری کند تا اندازه‌ی جهان یکسان باقی بماند. 

اما در سال ۱۹۲۹ ادوین هابل، فضانورد و ستاره‌شناس مشهور آمریکایی، شواهد محکمی مبنی بر انبساط جهان کشف کرد و انیشتین مجبور شد نظرش را تغییر بدهد و پافشاری روی فرضیه‌ی جهان ایستا را «بزرگ‌ترین اشتباه» خود بنامد.

اگر جهان در حال انبساط است، پس حتما باید زمانی از اندازه‌ی کنونی، کوچک‌تر بوده باشد. این مسئله به ظهور نظریه‌ی انفجار بزرگ یا بیگ‌بنگ انجامید که می‌گوید جهان از نقطه‌ای بی‌نهایت کوچک شروع شد و بعد با سرعتی باورنکردنی شروع به انبساط کرد. 

تنها عاملی که جلوی انبساط جهان ایستاده، گرانش است و نیروی گرانش به مقدار جرم ماده و انرژی موجود در جهان بستگی دارد. هرچه این مقدار بیشتر باشد، نیروی گرانش بیشتر می‌شود. تا زمانی‌که این مقدار از آستانه‌ی بحرانی عبور نکند، جهان به منبسط شدن ادامه می‌دهد تا بالاخره با پدیده‌ی انجماد بزرگ از بین برود. 

اما اگر جرم ماده و انرژی در جهان از آستانه‌ی بحرانی رد شود، فرایند انبساط جهان کاهش می‌یابد تا اینکه به‌طور کامل متوقف ‌شود و گرانش، نیروی غالب در دنیا خواهد شد. در این حالت، جهان شروع به منقبض شدن می‌کند. کهکشان‌ها به سمت یکدیگر کشیده می‌شوند، با هم ادغام می‌شوند و جهان کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شود؛ و چون جهان کوچک‌تر، داغ‌تر خواهد بود، دما در همه جا به‌طور هم‌زمان افزایش می‌یابد تا اینکه همه چیز به جهنمی بسیار فشرده تبدیل می‌شود.

صد هزار سال قبل از وقوع بیگ‌کرانچ، تابش زمینه در فضا از سطح بیشتر ستاره‌ها داغ‌تر خواهد شد و به این ترتیب ستاره‌ها از بیرون شروع به سوختن می‌کنند. چند دقیقه پیش از وقوع بیگ‌کرانچ، هسته‌ی اتم‌ها دچار واپاشی می‌شود و بعد، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم همه چیز را می‌بلعند. 

در طول قرن بیستم، اخترشناسان مطمئن نبودند کدام ‌یک از این دو سناریو گزینه‌ی محتمل‌تری برای پایان دنیا است؛ بیگ فریز یا بیگ کرانچ؟ یخ یا آتش؟ آن‌ها سعی کردند با انجام یک سرشماری کیهانی درباره‌ی مقدار اجرام موجود در جهان به جواب برسند. معلوم شد ما به‌طور عجیبی به آستانه‌ی بحرانی نزدیک هستیم اما سرنوشت‌مان همچنان نامعلوم است. 

اواخر قرن بیستم تمام این فرضیات تغییر کرد. در سال ۱۹۹۸ دو تیم اخترشناس خبر حیرت‌انگیزی اعلام کردند: سرعت انبساطِ جهان در حال افزایش است. 

این پدیده از این جهت حیرت‌انگیز است که تمام ماده و انرژی که به‌طور عادی در دنیا یافت می‌شود، هرگز قادر نخواهد بود سرعت انبساط را تا این حد افزایش دهد. این اولین مدرک برای کشف نوع جدید انرژی موسوم به «انرژی تاریک» (dark energy) بود که مثل هیچ چیز دیگری در کیهان رفتار نمی‌کرد. 

وجود انرژی تاریک به این معنی است که سرنوشت جهان دیگر در دست جرم ماده و انرژی شناخته‌شده نیست. درعوض، این انرژیِ تاریک است که کنترل کیهان را در دست گرفته و انبساط جهان را تسریع می‌کند. در نتیجه، سناریوی بیگ‌کرانچ که می‌گفت نیروی گرانش، آنتاگونیست اصلی داستان است و در پایان داستان، همه چیز را در خود مچاله می‌کند، دیگر چندان محتمل نیست. اما به‌ آن معنی نیست که انجماد بزرگ اجتناب‌ناپذیر است؛ چون هنوز گزینه‌های دیگری برای پایان جهان وجود دارد. 

تصور کنید جهان مثل نامه‌های کارآگاه گجت که پس از خواندن به‌طور خودکار منفجر می‌شد، دکمه‌ای داشته باشد که با فشار دادن آن، خودش را طوری نابود کند که تمام اجسام فیزیکی از هستی ساقط شوند و زندگی تا ابد غیر ممکن شود.

به این دکمه‌ی خودتخریب‌گر جهان، پدیده‌ی تغییر بزرگ (Big Change) یا زوال خلأ (vacuum decay) می‌گویند و در مقاله‌ای که در سال ۱۹۸۰ منتشر شد، دو فیزیکدان به نام سیدنی کولمن و فرنک دولوچیا آن را «فاجعه‌ی اکولوژیکی نهایی» نامیدند.  

برای توضیح پدیده‌ی خودتخریبی جهان، اول باید با دو موضوع آشنا شد: سطح انرژی و پایداری

سطح انرژی: هر چیزی در جهان، سطحی از انرژی دارد. مثلا چوب سطح انرژی بالایی دارد؛ اما بعد از سوختن، این انرژی را به‌صورت گرما از دست می‌دهد و خاکستری که از آن باقی می‌ماند، سطح انرژی پایین‌تری دارد.

پایداری: هر چیزی در جهان سعی دارد به حالت پایه برسد. در حالت پایه، جسم کاملا پایدار است و به پایین‌ترین سطح ممکن از انرژی رسیده. برای مثال توپی که روی تپه قرار دارد، ناپایدار و پر از انرژی بالقوه است. با ضربه زدن به آن، از شیب تپه به سمت پایین شروع به حرکت می‌کند، انرژی خود را در طول مسیر از دست می‌دهد تا زمانی‌که به پایین تپه و حالت پایه برسد. در این حالت، توپ بی‌حرکت باقی خواهد ماند. 

هرچیزی در جهان از این دو اصل، یعنی سطح انرژی و پایداری، پیروی می‌کند. اگر چیزی انرژی زیادی داشته باشد، ناپایدار است و می‌خواهد برای رسیدن به پایداری و حالت پایه از شر این انرژی خلاص شود. ذراتی که تحت فرمان مکانیک کوانتومی هستند، مایلند به پایین‌ترین سطح انرژی برسند که به آن «حالت خلأ» می‌گویند. در این حالت، می‌توان گفت تمام میدان‌های فیزیکی، به جز یکی، به حالت خلأ رسیدند. این احتمال وجود دارد که میدان هیگز (Higgs Field) پایدار نباشد و در واقع «شبه‌پایدار» باشد؛ یعنی فقط وانمود می‌کند که به حالت خلأ رسیده است، درحالی‌که این خلأ ممکن است کاذب (false vacuum) باشد. 

میدان هیگز جرم ذرات را تعیین می‌کند و بدین‌ترتیب، نحوه‌ی تعامل تقریبا هر چیزی در جهان زیر نظر میدان هیگز است. حالا اگر این میدان در خلأ کاذب باشد، چه می‌شود؟

به مثال توپ برگردیم. توپ در پایین تپه‌ (میدان هیگز) از حرکت ایستاده و انتظار ما این است که به همان حالت باقی بماند، چون تمام انرژی خود را در حال غلطیدن از شیب تپه از دست داده است. اما اگر این‌جا پایین‌ترین حالت انرژی برای میدان هیگز نباشد، چه می‌شود؟ شاید دره‌ی عمیق‌تری بعد از این دره وجود داشته باشد و توپ بخواهد همچنان به غلطیدن ادامه بدهد تا به آن برسد.

این یعنی میدان هیگز هنوز مقدار زیادی انرژی بالقوه داد و منتظر است آن‌ را آزاد کند. انگار که میدان هیگز تکه‌ای چوب آغشته به بنزین و منتظر است جهان را به آتش بکشد. یک جرقه‌ی تصادفی مانند تونل‌زنی کوانتومی می‌تواند این انرژی پتانسیل را آزاد و فرایندی را آغاز کند که به آن «زوال خلأ» (vacuum decay) می‌گویند.

وقتی زوال خلأ شروع شود، دیگر بازگشت از آن ممکن نیست، چون این فرایند مثل اثر دومینو یک‌باره کل جهان را در بر می‌گیرد. وقتی میدان هیگز به سطح انرژی کمتر برخورد می‌کند، حجم عظیمی از انرژی بالقوه‌ی خود را آزاد می‌کند. این انرژی فضای اطرافش را از مرزی که آن‌ها را احاطه کرده است به بیرون هل می‌دهد و باعث آزادسازی انرژی بیشتری می‌شود. حبابی از میدان هیگز پایدار (خلأ واقعی) با سرعت نور در تمام جهات شروع به بزرگ شدن می‌کند. این حباب را هاله‌ای از انرژی احاطه کرده است که هرچه به آن برخورد می‌کند، می‌بلعد و از هستی ساقط می‌کند.

این حباب تا ابد به بزرگ‌تر شدن ادامه می‌دهد و همه چیز را سر راه خود پاک می‌کند. این پدیده بدون هیچ هشداری و آن‌قدر سریع اتفاق می‌افتد که نمی‌توان هیچ کاری برای مقابله با آن انجام داد. در کسری از ثانیه زمین طوری از بین می‌رود که انگار هیچ وقت وجود نداشته است. بدتر از آن، وقتی سطح انرژیِ میدان هیگز تغییر کند، تمام فیزیک جهان را تحت ‌تأثیر قرار می‌دهد. درون این حباب، مدل استاندارد فیزیک از کار می‌افتد، ماهیت ذرات و قوانین فیزیکی حاکم بر آن‌ها تغییر می‌کند و حتی خود علم شیمی هم نابود و حیات غیر ممکن می‌شود. پس از تغییر بزرگ، حتی انرژی تاریک ممکن است جور دیگری رفتار کند و به‌جای افزایش سرعت انبساط جهان، باعث انقباض آن شود و به بیگ‌کرانچ بیانجامد. 

البته در حال حاضر کسی نمی‌داند زوال خلأ حقیقت دارد یا فقط ایده‌ا‌ی ترسناک است. اگر در گوشه‌ای از جهان این حباب‌های مرگ شروع به انبساط کرده باشند، جهان آن‌قدر پهناور است که میلیاردها سال طول می‌کشد به ما برسند. در ضمن، انبساط جهان حتی می‌تواند کاری کند این حباب ها هرگز به کهکشان راه شیری وارد نشوند. سرعت نور در مقیاس جهان آنقدرها سریع نیست.

سناریوی چهارم برای پایان دنیا به شکاف بزرگ (مه‌گسست) یا بیگ‌ریپ (Big Rip) مشهور است. خرابکار اصلی دوباره انرژی تاریک است که شاید بسیار قوی‌تر از آن باشد که می‌پنداشتیم و بتواند کل جهان را به‌تنهایی و بدون کمک گرفتن از تغییر، انجماد یا فشردگی بزرگ نابود کند. 

نقش انرژی تاریک در سناریوی بیگ‌ریپ چیست؟ انرژی تاریک خاصیتی عجیبی دارد. درحالی‌که دنیا منبسط می‌شود، چگالی انرژی تاریک ثابت می‌ماند و این یعنی با گذشت زمان و انبساط جهان، بر مقدارانرژی تاریک افزوده می‌شود تا چگالی‌اش ثابت بماند. این اتفاق غیر عادی است؛ اما هیچ‌کدام از قوانین فیزیک را نقض نمی‌کند؛ برای همین فیزیکدان‌ها با مطرح کردن این فرضیه مشکلی ندارند.  

البته داستان از این عجیب‌تر می‌شود. تصور کنید چگالیِ انرژی تاریک به ‌جای ثابت بودن، همپای انبساط جهان افزایش یابد. به عبارت دیگر، مقدار انرژی تاریک با سرعتی بیشتر از انبساط جهان افزایش یابد. 

این ایده را رابرت کالدول، استاد فیزیک و ستاره‌شناسی کالج دارتموث آمریکا، مطرح کرد و آن را «انرژی تاریک شبح» (phantom dark energy) نامید تا داستان از آنچه هست، ترسناک‌تر شود. اگر انرژی تاریک شبح واقعا وجود داشته باشد، آن وقت حق با «جنگ ستارگان» است و جنبه‌ی تاریک سرانجام پیروز داستان خواهد شد.

اما در حال حاضر چگالی انرژی تاریک خیلی کم است؛ حتی کمتر از چگالی اجرام روی زمین. اما با گذشت زمان، چگالیِ انرژی تاریک ممکن است افزایش یابد و تاروپود جهان را از هم بشکافد.

در مقاله‌ای که در سال ۲۰۰۳ منتشر شد، کادول و همکارانش برای نقش منفیِ انرژی تاریک سناریویی نوشتند و آن را «رستاخیز کیهانی» (cosmic doomsday) نامیدند. وقتی چگالی انرژی تاریک شبح بیشتر از شیء خاصی شود، آن شیء از هم می‌شکافد و تکه‌تکه می‌شود. 

در آخر، طی چند ثانیه زمین منفجر خواهد شد. حتی اتم‌ها از هم وامی‌پاشند و در حالی‌که جهان با سرعتی بیشتر از نور در حال انبساط است، هیچ ذره‌ای قادر به تعامل با ذرات دیگر نیست. در این حالت، جهان تبدیل به ذرات تنهای بی‌شماری می‌شود که در این فضای عجیب و بی‌زمان نمی‌توانند با هیچ چیزی تماس برقرار کنند. 

البته خود کادول هم اعتراف کرده سناریوی بیگ‌ریپ «بسیار نامعقول» است، چون فرض آن بر این است که ماده و انرژی نمی‌توانند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنند.  

تمام این سناریوها تصویر تاریک و تراژیکی از آینده ترسیم می‌کنند. اما آیا راهی برای نجات از آن‌ها و امیدی به جان سالم به در بردن وجود دارد؟ 

البته دلیلی ندارد از الان درباره‌ی آینده‌ی جهان نگران باشیم. تمام این سناریوها (به جز تغییر بزرگ که کاملا تصادفی و یکباره رخ می‌دهد)، میلیاردها سال طول می‌کشد تا به وقوع بپیوندند. در ضمن دلیلی برای نگرانی در مورد آینده‌ی بشر وجود ندارد؛ چون رانش ژنتیکی تا آن زمان آیندگان ما را آنقدر تغییر داده است که با چیزی که الان هستیم، هیچ شباهتی نخواهند داشت. اما اگر به پایان تراژیک علاقه‌ای ندارید، شاید بتوان برای این داستان دست ‌کم پایانی باز ترسیم کرد. 

فریمن دایسون، فیزیکدان مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته در پرینستون نیوجرسی، در مقاله‌ی پژوهشی در سال ۱۹۷۹ این‌طور نتیجه‌گیری کرد که حیات در آینده‌ی دور به گونه‌ای دست‌خوش تغییر خواهد شد تا بتواند از انجماد بزرگ جان سالم به در ببرد. اما این روزها به خاطر کشف انرژی تاریک از خوشبینی‌اش کم شده است. از نظر او، افزایش سرعت انبساط به این معنی است که زمین در نهایت تماسش را با اکثر کهکشان‌ها از دست خواهد داد و انرژی در دسترس بشر به طرز چشمگیری محدود خواهد شد. 

در این حالت تنها جنبه‌ی خوشبینانه‌ی داستان این است که با بزرگ‌تر شدن جهان، سرعت انبساط آن کاهش یابد. در این صورت شاید هنوز امیدی به حیات در سناریوی آخرالزمان جهان باشد. 

اما اگر سرعت انبساط کم نشد یا تغییر بزرگ در راه بود، چه می‌شود؟ برخی فیزیکدان‌ها راه حلی پیشنهاد داده‌اند که انگار در آزمایشگاه یک دانشمند دیوانه شکل گرفته است. به ‌گفته‌ی این دسته از فیزیکدان‌ها،‌ از جمله آلن گوت از دانشگاه MIT، برای فرار از پایان دنیا می‌شود جهان خودمان را در آزمایشگاه بسازیم و داخل آن پناه بگیریم. 

البته گوت تأکید می‌کند اگر ساخت آزمایشگاهی جهان ممکن باشد، به تکنولوژی بسیار پیشرفته و حجم عظیمی از انرژی نیاز دارد و تا جایی که می‌شود آینده را پیش‌بینی کرد، امکان دستیابی به این تکنولوژی و این حجم از انرژی وجود ندارد. 

یک سناریوی دیگر هم برای پایان نسبتا خوش این داستان وجود دارد: فرضیه‌ی چندجهانی (multiverse). اگر فرضیه‌ی چندجهانی حقیقت داشته باشد، تمام این سناریوهای تراژیک تنها برای یکی از جهان‌های موجود اتفاق می‌افتد و باقی جهان‌ها به زندگی خود ادامه خواهند داد. اگر خوش‌شانس باشیم، در جهانی زندگی می‌کنیم که از این اتفاقات فاجعه‌آمیز در امان است. شاید هم به قول فرانتس کافکا ( نویسنده‌ی آلمانی زبان)، «امید زیادی است، بی‌نهایت امید...؛ اما نه برای ما.» 

شما کاربر زومیت کدام سناریو را برای پایان جهان محتمل‌تر می‌دانید؟ به نظر شما‌ آیا بشر میلیاردها سال بعد موفق خواهد شد راهی برای نجات از پایان دنیا بیابد؟