«هیچ» کوانتومی: جهان از کجا و کی به وجود آمده است؟

هیچ کوانتومیابتدای نوشتار حاضر را با این پرسش آغاز می‌کنم که: «همه چیز از کجا آمده است؟» و بررسی 2000 سال اندیشه‌های بشری ما را به این‌جا و این پاسخ رساند که: «همه چیز، از هیچ چیز پدید آمده است!» فیزیک نوین می‌گوید: احتمال این‌که عالم از خلاء پدید آمده باشد وجود دارد. «هیچ پیوستگی چشمگیرتر از آن‌چه میان «هیچ» و «چیز» وجود دارد، یافت نمی‌شود. ایده اصلی این‌ست که عالم ما شاید حاصل افت و خیزهای کوانتومی غول‌آسایی باشد با انرژی بسیار نزدیک به صفر. این افت و خیزها بدین سبب رخ می‌دهد که در عالم به سبب وجود جاذبه نافذ گرانش، هم انرژی‌های مثبت داریم و هم انرژی‌های منفی! بیاد بیاورید هسته اتمی که بار مثبت دارد با میدان الکتریکی‌ای احاطه شده است که دیگر بارهای الکتریکی مثبت مانند ذرات الفا را از خود می‌راند. فرض کنید چنین ذره آلفایی در فاصله‌ای بسیار دوردست نسبت به هسته اتم مورد نظر ما قرار دارد و با سرعت به سمت آن در حال حرکت است. بدین ترتیب کل انرژی ذره آلفا، انرژی جنبشی است. هرچه این ذره آلفا به هسته اتم نزدیک‌تر می‌شود، دافعه الکتریکی هسته را بیشتر می‌کند و از سرعتش کاسته می‌شود. اگر در مسیر مستقیم برخورد با هسته‌ای قرار بگیرد در نهایت به‌طور کامل متوقف شده و سپس در مسیر آمده، به عقب رانده می‌شود. در لحظه توقف، انرژی جنبشی ذره آلفا صفر است. چون بر اساس اصل بقای انرژی، مقدار کل انرژی بایستی همواره ثابت بماند، پس انرژی جنبشی به انرژی پتانسیلی تبدیل شده است. همان‌طور که در آغاز حرکت ذره آلفا، وضعیت برعکس این بوده است. این افزایش و کاهش همزمان انرژی، تا لحظه نزدیک‌ترین رویارویی رخ می‌دهد. اما در این مثال همة انرژی‌ها مثبت‌اند. حال فرض کنید یکی از این ذرات، منفی باشد. مثلاً الکترونی دوردست که به‌سوی هسته مثبت جذب می‌شود. در آغاز حرکت، انرژی جنبشی و پتانسیل الکترون صفر است. آنگاه که به واسطه نیروی گرانش به سمت هسته کشیده می‌شود - و این‌جا نیز بر اساس قانون بقای انرژی مجموع انرژی بایستی ثابت باقی بماند - انرژی جنبشی فزاینده الکترون حکم می‌کند که انرژی پتانسیل باید منفی باشد و اندازه‌اش با نزدیک‌تر شدن به هسته، بیشتر هم شود. بنابراین برای نیروی جاذبه، انرژی پتانسیل می‌تواند «منفی» باشد [مانند دستگاه منظومه شمسی که مجموع انرژی‌های جنبشی و پتانسیل آن کمتر از صفر و انرژی پتانسیل آن‌ها بطور یکنواختی، منفی است/سبب ماندن سیستم در دام گرانشی خورشید می‌شود (مگر در صورت رسیدن به سرعت فرار) که فقط در سرعتی بالاتر از این مقدار است که مجموع انرژی‌های جنبشی و پتانسیلی، مثبت می‌شود (رهایی از دام زمین اما همچنان در دام گرانش خورشید باقی می‌ماند) کهکشان باقی می‌ماند]. نیروی گرانش در سرتاسر کیهان پراکنده است و برای هر جرمی که در دامش گرفتار باشد، انرژی پتانسیلی منفی در پی خواهد داشت. حتی وقتی همه ماده عالم (mc2) را هم محسوب کنیم، باز هم کل انرژی عالم نزدیک به «هیچ» است. بر اساس نظریه کوانتومی، مجموع انرژی در عالم چنان نزدیک به صفر است که در صورت حفظ این وضعیت می‌تواند تا ابد پایدار باقی بماند. بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی می‌دانیم که طول موج رابطه معکوس با انرژی دارد، بنابراین تابش زمینه کیهانی که امروزه دمایی حدود 3 درجه بالاتر از صفر مطلق دارد، در گذشته بسیار گرم‌تر بوده است. ماده، که در دام میدان گرانشی اسیر است، با انبساط عالم، انرژی پتانسیل منفی را به بهای از دست دادن انرژی جنبشی مثبت، به‌دست می آورد. منظور از تغییر فاز چیست؟ تغییر فاز در فیزیک ماده چگال مانند سرد کردن فلزی داغ برای ساختن آهن‌ربا است. هنگام سرد شدن، خاصیت مغناطیسی در آهن‌ربا از بخشی به بخشی دیگر متفاوت است و «حوزه‌ها»ی جداگانه‌ای از خاصیت مغناطیسی پدید می‌آید که در سرتاسر فلز به شکل نایکنواختی پراکنده است. مشابه همین اتفاق می‌بایست در عالم، وقتی دچار انتقال فاز می‌شد، رخ داده باشد. آلن گاث در نظریه معروف «تورّم» معتقد است که عالم ما، نتیجه به شدت متورم شدن یکی از این حوزه‌های ریزمقیاس است. بنابراین با توجه به اصل تغییر فاز این احتمال وجود دارد که بخشی از عالم در خلأ ناپایدار یا کاذب بوده باشد. اکنون باید دید مفهوم این سخن چیست؟بیاد بیاوریم که افزودن میدان هیگز به خلأ کاذب، انرژی آن را کاهش می‌دهد. در خلأ کاذب کل انرژی متناسب است با حجم و افزایش دادن این حجم نیازمند انجام دادن «کار» است. به سبب این‌که انرژی خلأ هیگز پایین‌تر است، تمایل طبیعی چنین حجمی به انقباض خواهد بود و حالت خلأ کاذب، نسبت به خلأ هیگز حالتی است که در آن، فشار به‌طور مؤثری منفی است. بنابراین اگر افت و خیزی در بخشی از این خلأ کاذب رخ بدهد، اثر گرانشی فشار منفی، ممکن است بر خاصیت گرانشی ماده غلبه کند و موجب انبساط شود. این همان انتقال فاز است که می‌گوئیم جهان از خلأ کاذب به خلأ هیگز انتقال می‌یابد. پس از دوره تورّم، انرژی حاصل از این انتقال به درون خلأ واقعی آزاد شد، مانند گسیل حرارت پنهانی. مانند زمانی که آب یخ می‌زند. این انرژی ذرات ماده را تولید کرد که سرانجام ستاره‌ها و کهکشان‌ها و ما را ساخت. در دوران تورم، نوعی از انبساط چنان مهارناپذیر و سریع رخ داد که برخی از ماده (که قبلاً به قدر کافی آن‌قدر به هم نزدیک بودند که با هم اطلاعات تابشی رد و بدل کنند) به بخش‌هایی بسیار دوردست از عالم پرتاب شدند که دیگر امکان تبادل هیچ اطلاعاتی با هم ندارند (کهکشان‌هایی دورتر از سن عالم) اما با این حال این «مادة» دور، از قوانین فیزیکی یکسانی پیروی می کنند و طیف‌نگاری عناصر آن‌ها مانند ورقه فاکسی از دوردست‌ها، نشان از ویژگی‌هایی همانند عالم رصدپذیر ماست. تابش زمینه کیهانی در سرتاسر جهان دما و شدتی یکسان با دقتی بیش از یک به ده هزار دارد و ساده‌انگاری است که این همسانی را تصادف محض بدانیم. همه بخش‌های گیتی رصدپذیر ما بایستی زمانی در گذشته با هم مرتبط و از هم آگاه بوده باشند. در غیاب تورّم، این موضوع برحسب تناقض بنیادین خواهد بود. با مژده تولد کامپیوترهای کوانتومی، امیدوار خواهیم بود بتوانیم با شبیه‌سازی‌های معکوس از رفتار عالم، افت و خیزهای خلأ را با شدت یک به ده هزار، تا آغاز کائنات بازسازی کنیم. در چند سال گذشته این موضوع با سنجش‌های دقیق ماهواره‌های کوبی (کاوشگر تابش زمینه کیهانی) و دبلیومپ (کاوشگر ناهمسانگردی ریزموج ویلکینسون) به اثبات رسیده است. این ماهواره‌ها افت و خیزهایی در حد چند بخش در ده هزار در دمای کائنات را نشان دادند (نوبل فیزیک 2006 به رهبر این گروه پژوهشی اعطا شد که حلال‌شان باشد). اگر این امر به اثبات کامل تجربی برسد پاسخی احتمالاً نهایی به این پرسش خواهد داد که: ما از کجا آمده‌ایم؟ اما این پاسخ، پرسشی بزرگ‌تر را با خود خواهد آورد: آیا هیچ علتی وجود دارد که تصور کنیم پیدایش جهان تورّمی ما، رویدادی یگانه در عالم بوده است؟ آیا ابعاد بالاتر نیز، محصول این جهان تورّمی ماست؟ یکی از نظریه‌های محبوب این است که در عالم بُعدهایی بیش از آن‌چه ما امروز از آن آگاهیم وجود دارند. برخی از این ابعاد به مقیاس‌هایی چنان کوچک «پیچ» خورده‌اند که فراتر از تجربه ما هستند و برخی دیگر بعد از مه‌بانگ در عالم گسترده شده‌اند تا ابعاد بزرگ‌مقیاس آشنا در عالم ما را (فضا-زمان چهاربُعدی) بسازند. پرسش دیگری که پیش می‌آید این است که: «ابعاد واقعاً چه هستند؟» آیا در غیاب «چیزها» (در هیچ) هم وجود دارند؟ چطور می‌توانیم ابعاد دیگر را آشکار کنیم؟ (مانند زمان)! پاسخ معکوس این می‌تواند باشد که: اگر تنها از یک بُعد آگاه بودیم/ نصف‌النهار شمالی – جنوبی و حرکت شرق + فقط سطح/ هواپیما/ ... . حضور شبح‌گون موجودات از بعد چهارم در دنیای ما – زمان چطور؟ بر چه اساسی زمان را یک بعد محسوب می‌کنیم؟ تاریخ‌گذاری (ثبت) رویدادها در طول زمان فقط در یک جهت انجام می‌شود. اگر می شد ماشین زمانی ساخت که با آن بتوان در زمان عقب یا جلو رفت، آنگاه بُعد زمان هم هیچ تفاوتی با ابعاد فضا (مکان) نداشت! بدون آن ماشین ما همواره اسیر اکنون و امروزیم. با نگاه به ماه و خورشید و ستاره‌هایی دوردست و در نهایت به مه‌بانگ، ما زمان را در «حال» می‌بینیم/ در جستجوی خلأ - اندیشه ابعاد بالاتر شاید واقعی باشد. شاید هم موضوعی علمی تخیلی باشد ولی به‌هرحال کمکی است برای حل تناقض‌های مربوط به این پرسش: عالم در روز پیش از مه‌بانگ کجا بود؟ زمان بی‌شک یک بُعد است / ویژگی بُعد بودن را دارد / اما از نظر کیفی با سه بعد دیگر متفاوت است. منظورم از «حال» در سطور گذشته چه بود؟ ما در نقطه‌ای از زمان یعنی حال وجود داریم/ «حال» حالِ دیگری است که در آن، آن‌چه را که در «حال» گذشته رخ داده است به یاد می‌آوریم/ در حالی‌که «حال»‌هایی هم قرار است که در «حال»‌های آینده بیایند! چه چیزی را به یادتان آورد؟ آیا این «حال»‌های زمانی می‌توانند ما را به یک شب قبل از مه‌بانگ ببرد؟ تا خلأ نخستین؟ مه‌بانگ نسخه نوین همه اسطوره‌های خلقت است. مزیت ما نسبت به اسطوره‌های کهن این است که ما از مکانیک کوانتومی آگاهیم که به ما دیدی جدید می‌دهد و آن این‌ست که: خلأ نوعی واسط است. در جستجوی خلأ - خلأ نخستین! برمی‌گردیم سراغ دیروز مه‌بانگ: می‌دانید چیست؟ مشکل ما به درک ما گره خورده است. ما زمان را بُعد خطی ساده‌ای می‌دانیم که تاریخ در روی آن، به‌صورت عمودی فهرست شده است: «حال» نقطه‌ای ظاهراً در وسط. آینده، جایی در آن بالاها و گذشته، آن پایین. و طبیعتاً مه‌بانگ پایینِ پایینِ پایین قرار گرفته است. جایی که خط ما در آن‌جا متوقف می‌شود. پایینی که پایین‌تر از آن هیچ چیزی نیست. چشم‌اندازی است که هیچ زمانی پیش از آن زمان نبوده است. مفهوم فضای تهی «هیچ» از این‌جا پدید آمده است. دیدیم که انیشتین تصویری چهاربعدی از فضا-زمان دارد و انحنای آن را به گرانش نسبت می‌دهد. استفان هاوکینگ و جیمز هارتل از این هم فراتر می‌روند و گیتی را «سطحی» چهاربعدی از کُره‌ای پنج بُعدی تصور می‌کنند. من نمی‌توانم این را تصور کنم. شما هم نمی‌توانید. راستش خودشان هم نمی‌توانستند. خودشان جز به زبان ریاضی طور دیگری نتوانستند آن را تجسم کنند. بیایید ما سعی‌مان را بکنیم: به جای سه بُعد فضایی به اضافه «زمان» عالَمی را تصور کنید با چهار بعُد فضایی به اضافه بُعدی به نام «زمان خیالی». این بُعد پنجم از تکینگی مه‌بانگ، به‌سوی تکینگی (نقطه پایان) - رُمبش بزرگ، پیش می‌رود. هارتل اعلام کرد که شاید زمان، جریان خطی و ساده‌ای نباشد و بُعد دیگری هم دارد که آن را «زمان خیالی» نامید. فرض کنید این جهان پنج بُعدی را بر «سطحی» مانند اَبَرمکعب یا یک کره نمایش دهیم. روی کره طول و عرض جغرافیایی داریم. در تصویر هارتل خطوط عرض جغرافیایی نشان‌دهنده مختصه زمان و خطوط طول جغرافیایی، همان چیزی است که آن‌ها «زمان خیالی» نامیدند. به این ترتیب مه‌بانگ در نقطه قطب شمال و رُمبش بزرگ در نقطه قطب جنوب قرار می‌گیرد. هر خط عرض جغرافیایی هم متناظر با زمانی خاص است: مثلاً 40 درجه شمالی که نشان‌دهنده امروز است. حالا به نقطه قطب شمال نگاه کنید: هرچه به زمان صفر نزدیک‌تر می‌شویم، شبکه خطوط زمانِ خیالی فشرده‌تر می شود (همان خطوط ژئودزیک کروی) تا این‌که در نقطه صفر قطبی صفر (تکینگی = خلأ نخستین)!؟ بسیار تخیّلی است اما در واقع این تئوری هارتل نظریه‌ای ریاضی است که چیزی فراتر از عالم تخیل است. این چیزی است که از سه هزار سال پیش ذهن بشر را درگیر کرده است. می‌توانیم تصور کنیم آن‌چه ما آن را مه‌بانگ می نامیم زمانی بوده است که عالم فشرده از دل دوران گرانش کوانتومی پدیدار شده، همان زمانی که بُعد زمان از بُعد «زمان خیالی» پیشی گرفت و جانشین آن شد. عالم در این تصویر هیچ آغاز و پایانی ندارد، فقط «هست»! متقاعد کننده نیست همچنان‌که مکانیک نیوتنی و نسبیت عالم در آغاز متقاعدکننده نبود، اما شاید روزی معادله‌ای کوتاه‌تر از E=MC2 بتواند جهان را توضیح دهد ... . اما پاسخ دادن با فهمیدن فرق دارد: عالم، چرا و چگونه و درون چه چیز، وجود دارد؟ چه کسی یا چیزی و چه وقت این مجموعه قوانین کوانتومی را تنظیم کرده که همه چیز، چنین پیش برود؟ آیا آناکساگوراس راست می‌گفت که عالم در واقع پدیدار شدن نظم از درون بی‌نظمی است؟ آیا تالِس به‌درستی باور داشت که امکان ندارد که چیزی از دلِ «هیچ» پدید آید؟ آیا افت و خیزهای کوانتومی به‌طور تصادفی، عالم ما را بَردة تصادفی قوانین و نیروها کرده است؟ آیا هاوکینگ و هارتل راست می‌گفتند که جهان نه آغاز دارد و نه پایان؟ و فقط «وجود» دارد؟ آیا: ماده نخستین عالم، همان خلأ کوانتومی است؟خلأ کوانتومی، که بی‌نهایت ژرف و انباشته از ذره است و می‌تواند شکل‌های گوناگون به خود بگیرد. افت و خیزهای کوانتومی که در آن انرژی مثبت درون ماده می‌تواند با کشش منفی (پادگرانش) میدان گرانشی فراگیر (عالم) طوری خنثی شود که کل انرژی عالم در عمل «هیچ» شود؟ این فرضیه‌ها وقتی با عدم‌قطعیت کوانتومی ترکیب شوند، این «امکان» را به‌وجود می‌آورد که همه چیز در واقع نوعی افت و خیز کوانتومی باشد که در زمانی عاریه گرفته شده از صفر به وقوع پیوسته است. بدین ترتیب، شاید بعد از سه هزار سال اندیشیدن بتوانیم بگوئیم: شاید «همه چیز»، حاصل برهم کنشی کوانتومی است از دل «هیچ» چیز!