جهان باورنكردنيِ همزاد ما...

img jahane hamzad

گذشته‌ی فوق‌ منظم و آینده‌ی فوق بی‌نظم، این است که آن‌ها به ترتیب شرایط «ابتدایی» و «نهایی»ای هستند که توسط قوانین فیزیک تحمیل شده‌اند. اما اگر این، خود قوانین فیزیک باشند که پیکان زمانی را تحمیل می‌کنند، تکلیف چیست؟

 


 

فیزیک مدرن، مه‌بانگ را آغاز جهان می‌داند؛ اما شاید مه‌بانگ نه یک جهان، بلکه دو جهان را خلق کرده باشد.

یکی از این جهان‌ها، دنیای ماست؛ جایی‌ که در آن زمان روال عادی و رو به جلوی خود را دارد. جهان دوم، دنیای دوقلویی است که در آن زمان به طرف عقب حرکت می‌کند.

این جهان دوم، که در سمت دیگر مه‌بانگ قرار گرفته، برای ساکنانش کاملا عادی به نظر می‌رسد؛ با ستارگان و کهکشان‌هایی که مانند جهان ما، از انجماد خرده‌های سرد شده‌ی مه‌بانگ شکل گرفته‌اند.

تنها تفاوت این‌جاست که اگر می‌توانستیم از میان مه‌بانگ به این همزاد کیهانی خود نگاهی بیندازیم، زمان رو به عقب این جهان شبیه جهانی معکوس به نظر می‌رسید.

شاید جملات آغازین به نظر عجیب و تا حدی مسخره باشد، اما واقعیت خلاف این است.

دکتر «جولیان باربور» از دانشگاه آکسفورد، دکتر «کیم کوشلوفسکی» از دانشگاه «نیو برانس‌ویک» و دکتر «فلاویو مرکاتی» از مرکز تحقیقاتی «Perimeter Institute» ِ «اونتاریو»، زمانی به این کشف نائل شدند که مشغول تلاش برای درک یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک بودند: چرا زمان دارای جهت است؟

معمولا این «پیکان» زمانی را به روش‌هایی مانند شکستن تخم‌مرغ، پیر شدن آدم‌ها و فرو ریختن قلعه‌ها درک می‌کنیم. ما هرگز ندیده‌ایم که پوسته‌ی تخم‌مرغ شکسته‌ای دوباره به هم بچسبد، آدم‌ها جوان شوند یا قلعه‌ها از خاک برخیزند، اما چرا «ندیدن» ما، به آن اندازه‌ای که باید به نظر برسد، بدیهی نیست؟

 

پیکان زمان

مشکل این‌جاست که تمام قوانین بنیادین فیزیک، از نظر زمانی تقارن دارند و به اصطلاح، «متقارن زمانی» هستند؛ آن‌ها اجازه می‌دهند رخ‌دادها به طور مساوی و یک‌سان، در هر دو جهت رو به جلو و رو به عقب پیش بروند.

برای مثال، یک اتم می‌تواند یک فوتون نور از خود ساطع، یا یک فوتون نور را جذب کند.

اگر به شما فیلمی از یک اتم نشان داده شود که مشغول انجام چنین کاری است، هرگز قادر نخواهید بود بگویید فیلم در حال پخش عادی است یا پخش در جهت عکس. هر دو رخ‌داد کاملا منطقی به نظر می‌رسند.

در مقابل، اگر به شما تصویری از یک فنجان سالم و یک فنجان خرد شده را نشان دهند، بدون کوچک‌ترین شکی خواهید گفت تصویر فنجان شکسته بعدا گرفته شده است.

این مساله به «پیکان ترمودینامیکی زمان» معروف است و با تغییر از نظم به بی‌نظمی ارتباط دارد. به شکلی واضح، این اتفاق تنها در صورتی ممکن است رخ دهد که جهان در گذشته، در وضعیتی منظم‌تر بوده باشد.

اما مشکل این‌جاست که یک وضعیت منظم، وضعیتی خاص و استثنایی به شمار می‌رود؛ موضوعی که برای علم فیزیک غیرقابل پذیرش است.

در قرن نوزدهم، فیزیک‌دانی آلمانی به نام «لودویگ بولتزمان» حدس زد که گرچه جهان در حالت کلی بی‌نظم است، اما به دلیل اتفاقی خارق‌العاده، ما در موقعیتی بسیار منظم ظهور کرده‌ایم.

این وضعیت را می‌توان به عنوان یک «نوسان آماری» کم‌یاب در نظر گرفت، که همان هم‌ارز دانستن کیهان با فنجانی سالم است.

از نظر بیشتر فیزیک‌دانان، این نتیجه‌گیری خرسندکننده‌ای نیست؛ چرا که صرفا خاص بودن دنیای ما را بر حسب یک‌سری خاص بودن‌های دیگر نشان می‌دهد.

مدت‌ها پس از بولتزمان، دانشمندان کشف کردند که جهان13 ميليارد و 820 ميليون سال پیش، در انفجاری عظیم موسوم به مه‌بانگ شکل گرفته و همه‌ی کهکشان‌ها (از جمله راه شیری ما)، از به هم پیوستن خرده‌های سردشده‌ی این انفجار تشکیل شده‌اند.

این کشف، سوال درباره‌ي منشاء پیکان زمان را در معرض توجه تیزتری قرار می‌دهد. اکنون مشخص شده که مه‌بانگ باید در یک وضعیت خاص و بسیار منظم رخ داده باشد. مجددا هضم این مساله‌، برای فیزیک‌دانان بسیار سخت و غامض است.

یک احتمال منطقی دیگر این است که جهان از نظم به بی‌نظمی حرکت می‌کند. این امر به دلیل آن نیست که جهان در گذشته فوق‌العاده منظم بوده، بلکه به دلیل چشم‌انداز نامحدودی از بی‌نظمی فزآینده در آینده است.

این احتمال از سوی «شن کارول» و «جنیفر چن» از موسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (کلتک) مطرح شد. یکی از نظریات محبوب درباره‌ی منشا عالم «تورم ازلی» (Eternal inflation) است.

در این نظریه، جهان به تولید جهان‌های خردسال ادامه می‌دهد، که به نوبه‌ی خود آن‌ها نیز جهان‌های خردسال دیگری را پدید می‌آورند و ماجرا همین‌طور ادامه می‌یابد.

کارول و چن ادعا می‌کنند این نظریه تضمین می‌کند جهان پیچیده‌تر و بی‌نظم‌تر می‌شود، در نتیجه همواره چشم‌اندازی برای بی‌نظمی فزآینده وجود دارد.

 

قوانین مشکل‌زا

نکته‌ی مشترک در گذشته‌ی فوق‌ منظم و آینده‌ی فوق بی‌نظم، این است که آن‌ها به ترتیب شرایط «ابتدایی» و «نهایی»ای هستند که توسط قوانین فیزیک تحمیل شده‌اند.

اما اگر این، خود قوانین فیزیک باشند که پیکان زمانی را تحمیل می‌کنند، تکلیف چیست؟ در تحقیقی که نتایج آن در اکتبر 2014/ مهرماه 1393 منتشر شد،«باربور» و همکارانش به کشفی غیرمنتظره رسیده بودند که بیان می‌داشت شاید دقیقا همین اتفاق افتاده باشد.

گروه باربور، هزار ذره‌ی پرجرم شناور در فضا را شبیه‌سازی کرد. در کارهای پیشین، فیزیک‌دانان کشف کرده بودند، چنین گروه بزرگی از ذرات که تنها تحت تاثیر نیروی کشش ناشی از گرانش متقابل خود هستند، تمایل دارند پس از گذشت مدت زمانی طولانی در گروه‌های کوچک اجتماع کنند.

این گروه‌ها، عموما به شکل جفت اجرامی دیده می‌شوند که به دور هم در گردشند.

باربور و گروهش این حالت را به عنوان نقطه‌ی آغاز فرض کردند و توانستند شبیه‌سازی کنند که برای هزار ذره‌ی آن‌ها، چه اتفاقی می‌افتد، بدون آن‌که هیچ مرجع زمانی را در نظر بگیرند.

آن‌ها در کار خود از فرمول‌بندی فضایی خاصی کمک گرفتند که بین فیزیک‌دانان به نام «پویایی شکلی» شناخته می‌شود. در این فرمول‌بندی، تنها شکل آرایش ذرات (و نه جدایی مطلق آن‌ها)، مهم است. در پویایی شکلی، نسبت بزرگ‌ترین فاصله‌ی ذرات به کوچک‌ترین فاصله را می‌توان به عنوان معیاری از پیچیدگی در نظر گرفت.

گروه تحقیقاتی باربور کشف کرد که در هر چیدمان اولیه‌، خوشه ابتدا به وضعیت بیشینه‌ی تراکم و کمینه‌ی پیچیدگی می‌رود، که آن‌ها آن را با مه‌بانگ هم‌بسته گرفتند.

اما از این وضعیت به بعد، اجتماع ذرات می‌توانست در دو راه ممکن به فرگشت خود ادامه دهد. باربور می‌گوید: «ویژگی کلیدی مدل این است که هر راه‌حل منفردی، دو پیکان زمانی مخالف جهت دارد.

این نتیجه‌گیری کاملا جدید است. دیگر راه‌حل‌های ارائه شده که من از آن‌ها اطلاع دارم، همگی برای وجود یک پیکان زمانی، نیازمند وضعیت اولیه، نهایی یا هر دوی آن‌ها هستند که باید به عنوان شرایط اولیه به قوانین حاکم بر مساله اضافه شود.»

 

آن سوی دیگر

این تحقیق پیشنهاد می‌کند که ما در یک جهان زندگی می‌کنیم، اما جهان دیگری نیز در «آن سوی دیگر مه‌بانگ» وجود دارد که زمان در آن نسبت به ما، به سمت عقب حرکت می‌کند.

در چنین تصویری، بر خلاف آنچه همگان تصور می‌کردند، مه‌بانگ آغاز عالم نیست، بلکه صرفا نقطه‌ی میانی حیات آن است. جهان همزاد ما برای ساکنانش، همان‌گونه به نظر می‌رسد که ما جهان رو به انبساط خودمان را می‌بینیم، البته شاید کهکشان‌ها و ستارگان متفاوتی داشته باشد.

اگر بتوانیم دنیای دوقلوی خود را ببینیم، انتظار می‌رود همه چیز در آن‌جا به سمت عقب حرکت کند؛ مثل فیلمی که روی دور برگشت گذاشته باشید.

اما باربور می‌گوید نمی‌توان چنین ادعایی را مطرح کرد؛ «مدل ما خیلی ساده بود؛ ما مجبور بودیم تنها به اندازه‌ای نور بتابانیم که بتوانیم مشاهدات خود را انجام دهیم و به پرسش‌هایی از این قبیل، پاسخ گوییم.»

در سناریوی گروه باربور، قانون گرانش هم پیکان زمانی تولید می‌کند هم نمی‌کند. گرچه ساکنان هر کدام از دنیاها یک پیکان زمانی را تجربه می‌کنند، اما این دو پیکان مخالف جهت‌اند و در مجموع همدیگر را خنثی مي‌كنند.

به نظر می‌رسد منبع جهت پیکان زمان، قانون گرانش باشد. این موضوع بسیار غیرمنتظره است، چرا که قانون گرانش متقارن زمانی است.

باربور می‌گوید: «این جنبه از نخستین باری که در سال 1772 توسط لاگرانژ کشف شد، تاکنون در قانون گرانش نیوتن مغفول باقی مانده بود.» دکتر «لی اسمولین» از موسسه‌ی Perimeter نیز معتقد است: «این موضوع در درک ما از نامتقارنی زمانی جهان اهمیت بالایی دارد. به نظر من این تمام ماجرا نیست، اما بینش و درک مهمی است.»

مدل باربور، مدل ساده‌ای است که تنها گرانش نیوتنی را در نظر می‌گیرد. با این وجود، جهان ما تنها با قانون گرانش نیوتن اداره نمی‌شود؛ بلکه نظریه‌ی پیچیده‌تر نسبیت عام اینشتین نیز در اداره‌ی آن دخیل است.

با این حال فیزیک‌دانان عقیده دارند جنبه‌هایی از گرانش نیوتن که به نتیجه‌گیری‌های فعلی منجر شده، در نظریه‌ی نسبیت اینشتین نیز وجود دارد.

باربور هشدار می‌دهد تمام چیزی که گروهش نشان داده‌اند این است که پیکانی گرانشی برای زمان وجود دارد؛ جهتی از زمان که به طور طبیعی در سامانه‌هایی که تحت اثر گرانش نیوتنی هستند، پدیدار می‌شود.

با این حال، او باور دارد شاید بتوان نشان داد پیکان ترمودینامیکی زمان، که زندگی روزمره‌ی ما را کنترل می‌کند و باعث شکستن فنجان‌ها و پیر شدن افراد می‌شود، پی‌آمد طبیعی پیکان گرانشی زمان باشد. باید صبر کرد و دید که در آینده، چه کشفیات باورنکردنی دیگری در انتظار ماست.