چگونه بیگ بنگ می‌تواند از هیچ به وجود آمده باشد؟

درباره‌ی بیگ بنگ شاید بتوان این پرسش را مطرح کرد که چگونه ممکن است از هیچ به وجود آمده باشد. معمولا برای وجود چیزی نیاز به ماده است. حالا این پرسش مطرح می‌شود که مواد ایجاد‌کننده‌ی بیگ بنگ از کجا آمدند و چه اتفاقی باعث شکل‌گیری آن‌ها شد؟ به گفته‌ی برایان کوکس فیزیک‌دان:

آخرین ستاره به آرامی سرد شده و ناپدید می‌شود. با ناپدید شدن این ستاره جهان هم به یک خلاء بدون نور، زندگی یا معنا تبدیل خواهد شد.

ناپدیدشدن آخرین ستاره می‌تواند آغازی برای یک عصر تاریکی بی‌نهایت طولانی باشد. در این زمان کل مواد توسط سیاه‌چاله‌های غول‌آسا مصرف شده‌اند سیاه‌چاله‌ها هم خود روزی تبخیر و ناپدید خواهند شد. جهان بیشتر منبسط می‌شود تا زمانی که حتی کورسوی نوری برای دیدن وجود نداشته باشد و در نهایت هر فعالیتی متوقف خواهد شد. آیا پاراگراف فوق به حقیقت تبدیل خواهد شد؟ برخی کیهان‌شناسان به جهان پیشین تاریک و سردی باور دارند که به جهان آینده‌ی دور شباهت دارد و این جهان می‌تواند منشأ بیگ بنگ ما باشد.

اما قبل از پرداختن به پرسش‌های فوق در ابتدا ببینیم ماده (در اینجا منظور ماده‌ی فیزیکی است) چگونه به وجود آمد. اگر به‌دنبال توضیحی برای منشأ ماده‌ی پایدار باشیم که از اتم‌ها یا مولکول‌ها ساخته شده است باید گفت چنین ماده‌ای در زمان بیگ بنگ یا حتی صدها و هزاران سال پس از آن وجود نداشته است. ما در واقع درکی دقیق از شکل‌گیری اولین اتم‌ها از ذرات ساده‌تر داریم که پس از سرد شدن جهان شکل گرفتند و همچنین می‌دانیم این اتم‌ها چگونه بعدها به عناصر سنگین‌تر داخل ستاره‌ها تبدیل شدند؛ اما این درک لزوما به این پرسش پاسخ نمی‌دهد که مواد اولیه از کجا آمده‌اند.

درنتیجه، لازم است به گذشته‌های دورتر سفر کنیم. اولین ذرات ماده‌ی پایدار، پروتون‌ها و نوترون‌ها بودند که هسته‌ی اتم را ساختند. این ذرات درست یک ده‌ هزارم ثانیه پس از بیگ بنگ به وجود آمدند. قبل از این زمان هیچ ماده‌‌‌ای حداقل آشنا برای ما در جهان وجود نداشت؛ اما فیزیک این اجازه را به ما می‌دهد که زمان را به عقب برگردانیم و فرآیندهای فیزیکی پیش از هر ماده‌ی پایداری را بررسی کنیم.

بدین‌ترتیب، به عصری موسوم به عصر یکپارچه‌ی بزرگ (grand unified epoch) می‌رسیم. در حال حاضر در حوزه‌ی فیزیک نظری نمی‌توانیم انرژی کافی را برای آزمایش‌ها و بررسی فرآیندهای آن زمان تولید کنیم؛ اما یکی از فرضیه‌های احتمالی این است که جهان فیزیکی آن زمان سوپی از ذرات بنیادی دارای عمر کوتاه از جمله کوارک‌ها بوده است که عناصر سازنده‌ی پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند. در آن زمان ماده و پادماده به نسبت‌های برابر در جهان وجود داشتند. هر نوع ذره‌ی ماده از جمله کوارک‌ها دارای همراه «آینه‌ای» پادماده است که با وجود شباهت تنها در یک ویژگی با آن تفاوت دارد. بااین‌حال، ماده و پادماده بر اثر برخورد یکدیگر را خنثی کردند درنتیجه، این ذره‌ها به شکلی پیوسته تولید و نابود می‌شدند.

اما در درجه‌ی اول این سؤال مطرح می‌شود که این ذرات چگونه به وجود آمدند؟ براساس نظریه‌ی میدان کوانتومی حتی خلاء که متناظر با فضازمان خالی است، پر از فعالیت‌های فیزیکی به شکل نوسان‌های انرژی است. این نوسان‌ها باعث شکل‌گیری ذراتی می‌شوند که در فاصله‌ی کوتاهی پس از به وجود آمدن ناپدید می‌شوند. این فرضیه بیشتر تناقضی ریاضی به نظر می‌رسد تا واقعیتی فیزیکی اما چنین ذراتی در بسیاری از آزمایش‌ها دیده شده‌اند.

وضعیت خلاء فضازمان همراه با ذراتی که به صورت پیوسته از هیچ تولید و نابود می‌شوند دچار تلاطم می‌شود؛ اما شاید کل این واقعیت به ما می‌گوید که خلاء کوانتومی برخلاف اسمش، چیزی بیش از هیچ است. فیلسوفی به نام دیوید آلبرت از بسیاری از گزارش‌های مربوط به بیگ بنگ که رسیدن به چیزی از هیچ را وعده دادند انتقاد کرده است.

شبیه‌سازی کوانتومی نوسان‌های خلأ در کرودینامیک کوانتومی

این سؤال را درنظر بگیرید: خود فضازمان از کجا آمده است؟ با طرح این پرسش می‌توانیم زمان را به دوره‌ای به نام عصر پلانک بازگردانیم. دوره‌ای بسیار آغازین در تاریخ جهان که در آن حتی بهترین نظریه‌های فیزیکی هم شکست می‌خورند. این زمان یک دهم میلیونیوم تریلیونیوم تریلیونیوم تریلیونیوم ثانیه پس از بیگ بنگ رخ داد. در این نقطه، فضا و زمان خود درمعرض نوسان‌های کوانتومی قرار داشتند. فیزیک‌دان‌ها معمولا به صورت مجزا در حوزه‌های مکانیک کوانتومی که بر جهان ذرات کوچک حاکم است و نسبیت عام که برای مقیاس‌های عظیم کیهانی صدق می‌کند، کار می‌کنند؛ اما برای درک عصر پلانک، به نظریه‌ی کاملی مثل گرانش کوانتومی نیاز داریم که ترکیبی از دو نظریه‌ی نسبیت عام و مکانیک کوانتوم است.

هنوز نظریه‌ی بی‌نقصی درباره‌ی گرانش کوانتومی وجود ندارد اما تلاش‌هایی مثل نظریه‌ی ریسمان و گرانش کوانتومی حلقوی در این زمینه صورت گرفته‌اند. در این تلاش‌ها فضازمان معمولی به شکل ساختاری مانند امواج سطح اقیانوسی عمیق به نظر می‌رسد. آنچه به‌عنوان فضازمان تجربه می‌کنیم در واقع محصول فرآیندهایی کوانتومی است که در سطوح عمیق‌تر میکروسکوپی انجام می‌شوند، فرآیندهایی که برای ما به‌عنوان موجوداتی ماکروسکوپی قابل درک نیستند. در زمان پلانک، درک معمولی ما از فضازمان نقض می‌شود درنتیجه، دیگر نمی‌توانیم به درک عادی‌مان از علت و معلول وابسته باشیم. با وجود این تمام نظریه‌های منتخب گرانش کوانتومی چیزی فیزیکی را شرح می‌دهند که در زمان پلانک رخ داده است: پیش‌نیازهای فضا و زمان عادی؛ اما این پیش‌نیازها از کجا آمده‌اند؟

حتی اگر قانون سببی را نتوان به شکل عادی‌اش اعمال کرد هنوز هم می‌توان مؤلفه‌ی جهان عصر پلانک را به شیوه‌ای دیگر توصیف کرد. متأسفانه در حال حاضر بهترین‌ نظریه‌های فیزیکی هم نمی‌توانند پاسخ کاملی را به این پرسش ارائه کنند. تا زمانی که به پیشرفت‌های بیشتری در زمینه‌ی «نظریه‌ی همه‌چیز» نرسیم نمی‌توانیم پاسخی قطعی را ارائه کنیم. تنها چیزی که با اطمینان می‌توان گفت این است که تاکنون در فیزیک چیزی که از هیچ به وجود آمده باشد ثابت نشده است.

برای پاسخگویی به این پرسش که چگونه چیزی از هیچ به وجود می‌آید در ابتدا باید وضعیت کوانتومی کل جهان را در ابتدای زمان پلانک توصیف کنیم. تمام تلاش‌ها برای این کار در حد تئوری بوده‌اند. برخی از آن‌ها نیروهایی فراطبیعی مثل یک طراح را دخیل می‌دانند؛ اما برخی از دیگر توصیف‌های احتمالی در حوزه‌ی فیزیک از جمله چندجهانی (مولتی ورس) هستند که شامل تعدادی نامتناهی از جهان‌های موازی یا مدل‌های مدوری جهان است که به صورت پیوسته متولد و بازمتولد می‌شوند.

راجر پنروز، فیزیک‌دان برنده‌ی جایزه‌ی نوبل در سال ۲۰۲۰، یکی از جنجالی‌ترین مدل‌ها را برای جهان چرخه‌ای به نام کیهان‌شناسی چرخه‌ای همدیس (conformal cyclic cosmology) مطرح می‌کند. پنروز این نظریه را براساس ارتباط ریاضی جذاب بین وضعیت کوچک، متراکم و داغ جهان (در زمان بیگ بنگ) و وضعیت انبساط‌یافته، خالی و سرد جهان (در آینده‌ی دور) ارائه کرد. براساس نظریه‌ی بنیادی پنروز دو وضعیت ریاضی وقتی به آخرین کران‌های خود می‌رسند یکسان می‌شوند. گرچه این نظریه به نظر متناقض می‌رسد، غیاب کامل ماده باید به گونه‌ای تنظیم شود که در نهایت منجر به ظهور موادی شود که در جهان اطرافمان می‌بینیم.

براساس این نظریه، بیگ بنگ تقریباً از هیچ به وجود آمده است. این هیچ حاصل خلأ‌ مواد در جهانی است که توسط سیاه‌چاله‌ها مصرف شده‌اند و سپس خود سیاه‌چاله‌ها هم در خلأ تبخیر و ناپدید شدند. درنتیجه، کل جهان از چیزی به وجود آمده است که براساس دیدگاهی فیزیکی دیگر تقریباً به هیچ ما نزدیک است؛ اما هیچ هم خود یک چیز یا همان جهان فیزیکی است هرچند این جهان فیزیکی خالی باشد.

چگونه حالت جهانی تهی و سرد از یک چشم‌انداز دیگر می‌تواند جهانی داغ و متراکم به نظر برسد؟ پاسخ در رویه‌ی پیچیده‌ای ریاضی به نام «مقیاس‌بندی مجدد همدیس» نهفته است. تبدیلی هندسی که براساس آن اندازه‌ی یک شیء تغییر می‌کند اما شکل آن دست‌نخورده باقی می‌ماند.

پنروز نشان می‌‌دهد چگونه وضعیت سرد متراکم و وضعیت داغ متراکم را می‌توان با مقیاس‌بندی مجدد به یکدیگر ربط داد به گونه‌ای که از نظر شکل فضازمانی بایکدیگر منطبق باشند. قطعاً به سختی می‌توان گفت دو شکل چگونه می‌توانند در چنین وضعیتی با یکدیگر برابر باشند درحالی‌که اندازه‌هایی متفاوت دارند اما پنروز معتقد است اندازه به‌عنوان یک مفهوم مانع از منطقی به نظر رسیدن محیط‌های فیزیکی کرانی می‌شود.

براساس کیهان‌شناسی چرخه‌ای همدیس، جهت تکامل جهان از قدیمی و سرد به جوان و داغ حرکت می‌کند: وضعیت متراکم داغ به دلیل وضعیت تهی سرد وجود دارد؛ اما این «چرایی» از نوع آشنا نیست. تنها اندازه نیست که مانع از ربط این حالت‌ها می‌شود: زمان هم در این تعریف به‌عنوان یک مانع عمل می‌کند. وضعیت متراکم سرد و وضعیت متراکم داغ در مقیاس‌های مختلف زمانی قرار دارند. وضعیت خالی سرد هم از دیدگاه ناظر و هندسه‌ی زمانی او تا ابد ادامه می‌یابد اما وضعیت متراکم داغ سیر زمانی خود را ایجاد می‌کند.

تعریف فوق می‌تواند به روشی غیرسببی به درک وضعیت متراکم داغ که از وضعیت تهی و سرد تولید شده است کمک کند. شاید بهتر است بگویم وضعیت متراکم داغ از وضعیت سرد و خالی ظهور یافته یا زمینه در آن دارد یا توسط آن پیاده‌سازی شده است. این ایده‌های متافیزیکی توسط فیلسوف‌های علمی به شکلی گسترده به‌ویژه از نظر گرانش کوانتومی بررسی شدند در این دیدگاه قانون علت و معلول عادی نقض می‌شود.

کیهان‌شناسی چرخه‌ای همدیس پاسخ‌هایی دقیق و در عین حال نظری را برای این پرسش که بیگ بنگ از کجا آمده است ارائه می‌کند؛ اما اگر دیدگاه پنروز با پیشرفت‌های آینده‌ی کیهان‌شناسی اثبات شود بازهم ممکن است پاسخی به این پرسش عمیق‌تر فلسفی نداشته باشیم: خود واقعیت فیزیکی از کجا سرچشمه می‌گیرد؟ چگونه کل سیستم‌های چرخه‌ای شکل گرفته‌اند؟ در نهایت بازهم به این پرسش می‌رسیم که چرا همیشه باید چیزی به جای هیچ وجود داشته باشد که یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌های متافیزیکی است.

اما در اینجا تمرکز اصلی روی تعاریفی است که در حوزه‌ی فیزیک قرار دارند. سه گزینه‌ی گسترده برای پرسش عمیق چگونگی آغاز چرخه‌ها یا دورها وجود دارد. همچنین ممکن است اصلا هیچ توضیح فیزیکی در کار نباشد. یا چرخه‌های تکرارشونده و بی‌پایانی وجود داشته باشند که هر کدام جهانی با وضعیت کوانتومی اولیه هستند و این وضعیت‌ها براساس ویژگی‌های جهان قبلی توصیف می‌شوند. شاید هم تنها یک چرخه یا جهانی واحد و تکرارشونده وجود داشته باشد به‌طوری‌که ابتدای چرخه را بتوان با ویژگی‌های انتهای آن توصیف کرد. هر دو رویکرد از نیاز به رویدادهای بی‌دلیل اجتناب می‌کنند و همین باعث تمایز آن‌ها می‌شود؛ زیرا در فیزیک هیچ چیز بی‌دلیل نیست.

چرخه‌های پیوسته‌ی جهانی متمایز در کیهان‌شناسی چرخه‌ای همدیس، راجر پنروز

پنروز همچنین توالی‌ای از بی‌نهایت چرخه‌ی جدید را تجسم می‌کند که به نوعی با تفسیر او از نظریه‌ی کوانتوم در ارتباط هستند. در مکانیک کوانتومی، سیستم فیزیکی حاصل برهم‌نهی تعداد زیادی از وضعیت‌های مختلف به صورت هم‌زمان است و وقتی قصد اندازه‌گیری آن را داریم یکی از وضعیت‌ها را به صورت تصادفی انتخاب می‌کند. برای پنروز هر چرخه شامل رویدادهای کوانتومی تصادفی است که هر کدام به شیوه‌ای متفاوت رخ می‌دهند. درنتیجه، هر چرخه با چرخه‌های پیش و پس از خود متفاوت است. این خبر خوبی برای فیزیک‌دان‌های تجربی است زیرا اجازه می‌دهند با ماهواره‌ی پلانک ردپاهای کمرنگ یا ناهنجاری‌ها را در تابش باقی‌مانده از بیگ بنگ رصد کنند.

پنروز و همکاران او معتقدند این ردپاها احتمالاً قبلا هم رصد شده‌اند؛ برای مثال وجود الگوهایی مثل تشعشعات ناشی از سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در جهان قبلی در داده‌های پلانک را می‌توان در این دسته قرار داد. بااین‌حال، رصدهای ادعاشده توسط دیگر فیزیک‌دان‌ها به چالش کشیده شده‌اند.

نقشه‌ای از تابش پس‌زمینه‌ی مایکروویوی کیهانی

نکته‌ی کلیدی دیدگاه پنروز، وجود چرخه‌های جدید بی‌پایان است؛ اما روشی طبیعی برای تبدیل کیهان‌شناسی چرخه‌ای همدیس از چندچرخه به فرمی تک چرخه‌ای وجود دارد. در این صورت واقعیت فیزیکی شامل چرخه‌ای واحد حول بیگ بنگ تا وضعیتی بی‌نهایت خالی در آینده‌ای دور است و سپس مجددا حول بیگ بنگ شکل گرفته و همان جهان را مجددا تکرار می‌کند.

این احتمال دوم منطبق با تفسیر دیگری از مکانیک کوانتوم به نام تفسیر جهان‌های متعدد است. براساس تفسیر جهان‌های متعدد، هربار که به اندازه‌گیری سیستمی که در حالت برهم‌نهی قرار دارد می‌پردازیم، این اندازه‌گیری وضعیتی تصادفی را انتخاب نمی‌کند. بلکه نتیجه‌ی اندازه‌گیری صرفاً یک احتمال است. احتمالی که در جهان خود ما توسعه می‌یابد.

برخی افراد معتقدند این دنیاهای موازی را می‌توان در داده‌های کیهانی رصد کرد؛ درست مانند مهری که بر اثر برخورد جهان‌های دیگر با جهان ما به وجود آمده است. نظریه‌ی کوانتومی جهان‌های متعدد پیچش جدیدی را در نظریه‌ی کیهان‌شناسی چرخه‌ای همدیس ارائه می‌کند گرچه پنروز با آن موافق نیست. ممکن است بیگ بنگ ما بازتولید تنها یک مولتی ورس کوانتومی باشد که خود شامل بی‌نهایت جهان متعدد است که هم‌زمان با یکدیگر رخ می‌دهند. به این صورت احتمال هر چیزی وجود دارد و این احتمال مجددا رخ می‌دهد.

دیدگاه پنروز برای فیلسوف‌های علمی جذابیت زیادی دارد زیرا می‌تواند احتمالات جدیدی را برای توصیف بیگ بنگ باز کند و تعاریف را فراتر از علت و معلول معمولی ببرد. درنتیجه، این نمونه تست خوبی برای اکتشاف روش‌های مختلفی است که فیزیک قادر به توصیف جهان است. همچنین استحقاق توجه بیشتری را از سوی جامعه‌ی فیلسوف‌ها را دارد.

دیدگاه پنروز برای عاشقان افسانه‌ّ‌‌ها هم جذابیت زیادی دارد. در نظریه‌ی چندچرخه‌ای پنروز، وعده‌ی دنیاهای جدید بی‌پایانی داده شده است که از خاکستر پیشینیان خود متولد می‌شوند. درحالی‌که فرضیه‌ی تک چرخه‌ای گویی بازتولید فرضیه‌ی کهن اوروبروس یا مار عظیم است. در اسطوره‌شناسی نورس، مار عظیمی به نام یورموندگاند فرزند لوکی باهوش و آنگروبودوای غول‌آسا است. یورمونگاند دم خود را می‌خورد و این دم‌خواری باعث حفظ تعادل جهان می‌شود؛ اما افسانه‌ی اوربوروس در سراسر جهان به‌ویژه در مصر به شکل مستند درآمده است.

اوروبروس در مقبره‌ی توت عنخ آمون

اوروبروس جهان تک‌چرخه‌ای جادویی است. درنتیجه، براساس اساطیر می‌توان گفت اوروبروس در شکم خود جهان ما و هر جهان عجیب و جایگزین دیگری را که فیزیک کوانتوم مجاز می‌داند جای داده است و در نقطه‌ای که سر به دم می‌رسد کاملاً خالی است در عین حال مملو از جریان انرژی حاصل از دمای صدهزار میلیون میلیارد تریلیون درجه‌ی سانتی‌گراد است. حتی لوکی هم تحت تأثیر چنین جهانی قرار می‌گیرد.