مهندس برق، ستارهشناس، مترجم، استراتژیست محتوا، در حال مطالعه و یادگیری مکانیک کوانتوم. یادگیری
آیا جهان واقعاً از هیچ به‌وجود آمد؟
بیگ‌بنگ (مه‌بانگ یا انفجار بزرگ) داغ، متراکم، یکنواخت و پُر از ماده و انرژی بود. قبل از اون چه چیزی وجود داشت؟ چیزی نبود. تویِ این مطلب می‌خوام بهتون بگم که چرا قبل از بیگ‌بنگ چیزی وجود نداشت.
منشأ کیهان، یکی از مهم‌ترین پرسش‌های وجودیه که بشر باهاش روبه‌رو شده. علم و ابزارهای علمی می‌تونن ما رو به لحظه‌های اولیه‌ی بیگ‌بنگ ببرن. علم می‌تونه ما رو حتی به قبل از بیگ‌بنگ هم ببره؛ یعنی به یه دوره‌ی کاملاً متفاوت. ما وقتی که به پدیده‌ی «تورم کیهانی» پی بردیم، فهمیدیم که جهان از یه نقطه شروع شده. این یه نقطه «چیزی» بوده؛ یعنی حتی هیچی هم می‌تونه چیزی باشه.
هرچی درمورد ناشناخته‌های بزرگ کیهانی کنجکاوتر میشیم، با پرسش‌های بی‌پاسخ بیشتری روبه‌رو میشیم. پرس‌وجو درمورد ماهیت هرچیزی (این‌که کجا بوده، از کجا اومده و چطوری به‌وجود اومده)، ناگزیر ما رو به همون اسرار بزرگ می‌رسونه و درنهایت به پرسش بزرگ درمورد ماهیت و منشأ جهان و هرچیزی که تویِ جهان هست می‌رسیم. با‌این‌حال، مهم نیست که چقدر به عقب بریم، به‌نظر می‌رسه که همون سؤال‌های بزرگ برای همیشه پابرجا می‌مونن.
اون چیزهایی که نقطه‌ی شروع این جهان و ما بودن، تویِ یه مقطع زمانی وجود نداشتن؛ پس چطوری به‌وجود اومدن؟ آخه مگه میشه چیزی از «هیچ» به‌وجود بیاد؟ سؤال اصلی که ما می‌خوایم به جوابش برسیم همینه.
این شاید یکی از بزرگترین پرسش‌های بشر باشه؛ چون اصلاً نمی‌پرسه که چی از کجا اومده، بلکه کل ماجرا رو زیر سؤال می‌بره و میگه در وهله‌ی اول چطوری همه‌چی به‌وجود اومد؟
این روزها وقتی به کیهان نگاه می‌کنیم، مجموعه‌ی کامل مشاهداتی که جمع‌آوری کردیم حتی با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌های شناخته شده، همگی به یه چیز کاملاً ثابت اشاره دارن. جهان ما از ماده (و نه پادماده) ساخته شده، همه‌جا و تویِ همه‌ی زمان‌ها از قوانین فیزیک یکسانی پیروی می‌کنه و اون‌طوری که می‌دونیم با یه انفجار بزرگ حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش شروع شده. نسبیت عام روی جهان حکم‌فرمایی می‌کنه، در حال انبساط و سرد شدنه، انرژی تاریک ۶۸ درصد و ماده‌ی تاریک ۲۷ درصد اون رو تشکیل میدن و بقیه‌ی جهان هم از ماده‌ی معمولی، نوترینو‌ها و تابش تشکیل شده.
البته این روزها جهان با روزهای اولش خیلی فرق داره. این روزها جهان پُر از کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیارات و عناصر سنگینه و تویِ حداقل یه نقطه از اون، حیات هوشمند و پیشرفته (بشر) وجود داره. این ساختار‌ها همیشه وجود نداشتن و در اثر تکامل کیهانی به‌وجود اومدن. در یه جهش علمی قابل توجه، دانشمندان قرن بیستم تونستن یه جدول زمانی ایجاد کنن که نشون میده چطور جهان ما از یه وضعیت عمدتاً یکنواخت، عاری از ساختار پیچیده و منحصراً تشکیل شده از هیدروژن و هلیوم، به جهانی غنی از ساختار که امروزه مشاهده می‌کنیم، تبدیل شده.
اگه از امروز شروع کنیم، می‌تونیم در زمان به عقب برگردیم و بپرسیم که هر ساختار یا جزئی از اون ساختار از کجا اومده. وقتی جوابمون رو می‌گیریم، بعدش می‌تونیم بپرسیم: «خیلی خُب؛ ولی این از کجا اومده و چطوری به‌وجود اومده». دوباره به عقب برگردیم تا زمانی که مجبور بشیم پاسخ بدیم: «هنوز نمی‌دونیم». آخرین سؤالی که باید از خودمون بپرسیم اینه که: «فلان چیز چطوری به‌وجود اومد و آیا راهی وجود داره که از هیچ به‌وجود اومده باشه؟»
بیاید شروع کنیم.
زندگی ما امروز از مولکول‌های پیچیده‌ای سرچشمه می‌گیره که باید از اتم‌های جدول تناوبی به‌وجود اومده باشن. اتم‌ها، مواد اولیه‌ای هستن که تموم مواد طبیعی که امروز تویِ جهان هستن رو شکل میدن. جهان با این اتم‌ها متولد نشده؛ یعنی اون لحظه‌ی اول اصلاً این اتم‌ها وجود نداشتن. برای این‌که اتم‌ها به‌وجود بیان، باید ستاره‌هایی به‌دنیا میومدن و می‌مردن و مواد حاصل از واکنش‌های هسته‌ای اون‌ها تویِ نسل‌های آینده‌ی ستاره‌ها بازیابی میشد. بدون این فرآیندها، شکل‌گیری سیاره‌ها و شیمی پیچیده غیرممکن بود.
برای تشکیل ستاره‌ها و کهکشان‌های امروزی، به چیزهای زیر نیاز داریم:
- به گرانشی برای کشیدن کهکشان‌های کوچیک و خوشه‌های ستاره‌ای به سمت همدیگه و ایجاد کهکشان‌ها و ستاره‌های نسل جدید
- به مجموعه‌هایی از جرم که از قبل وجود داشتن و رشد گرانشی اون‌ها رو به‌وجود آورده
- به هاله‌های ماده تاریک که بتونه اجرام رو شکل بده و از پرتاب شدن اون ماده به فضای میان‌کهکشانی جلوگیری کنه
- به تعادل مناسب ماده معمولی، ماده تاریک و تشعشع نیاز داریم که بتونه تابش زمینه کیهانی، عناصر سبک تشکیل شده تویِ انفجار بزرگ و فراوانی/الگو‌هایی که تویِ اون‌ها می‌بینیم رو به‌وجود بیارن
- به نوسانات نخستین (نقص چگالی) برای رشد گرانشی دادن به این ساختار‌ها
- به راهی برای ایجاد نوسانات نخستین، همین‌طور روشی برای ایجاد ماده تاریک و ایجاد مقادیر اولیه ماده عادی
این‌ها عناصر مهمی هستن که تویِ مراحل اولیه‌ی بیگ‌بنگِ داغ، برای پیدایش کیهان (اون‌طوری که امروزه هست)، مورد نیاز هستن؛ یعنی باید یه‌جورایی باشن. جدای از این‌ها، ما نیاز داریم که از همون لحظه هم قوانین فیزیک و خود فضازمان هم وجود داشته باشن. خودِ ماده و انرژی هم باید باشن؛ چون این‌ها همگی اجزای ضروری هستن که به یه نحوی باید ایجاد بشن.
پس به طور خلاصه، وقتی می‌پرسیم که آیا میشه از هیچ، یه جهان به‌وجود بیاد یا نه، این‌ها چیزهای ضروری و واجب‌الوجودی هستن که فعلاً نمی‌تونیم توضیحی برای وجود داشتنشون بدیم؛ ولی باید باشن تا چیزی به‌وجود بیاد.
برای این‌که ماده‌ی بیشتری نسبت به پادماده به‌دست بیاریم، باید به لحظات اولیه‌ی جهان بریم؛ یعنی جایی که علم فیزیک هم نمی‌تونه با قطعیت درموردش نظر بده. قوانین فیزیک، اون‌طوری که ما شناختیم، یه‌جورایی بین ماده و پادماده متقارنه: هر واکنشی که تا حالا ایجاد یا مشاهده کردیم می‌تونه ماده و پادماده رو فقط تویِ اندازه‌های مساوی ایجاد یا نابود کنه.
جهان اولیه از یه وضعیت فوق‌العاده داغ شروع شد و تویِ اون وضعیت، ماده و پادماده می‌تونستن تویِ مقادیر خیلی زیاد ایجاد بشن. این جهان تویِ اون وضعیت ناپایدار، باید قبل از این‌که ماده و پادماده وجود داشته باشن، روشی برای ایجاد عدم تقارن بین اون‌ها داشته باشه.
روش‌های زیادی برای انجام این‌کار وجود داره. هرچند ما نمی‌دونیم کدوم سناریو واقعاً تویِ لحظات اولیه‌ی جهان رخ داده؛ ولی هر سناریویی که رخ داده باشه باید سه شرط ساخاروف رو داشته باشه. سال ۱۹۶۷، آندری ساخاروف سه شرط لازم برای عدم تقارن (تولید ماده و پادماده با سرعت‌های مختلف) رو فرض کرد:
- شرط اول: نقض عدد باریونی (عددی کوانتومی که تویِ یه برهمکنش حفظ میشه). این یعنی پروتون‌ها خیلی آهسته به ذرات زیراتمی سبک‌تر مثل یه پیون خنثی و یه پوزیترون تجزیه میشن و به‌طور مشابه، یه آنتی‌پروتون به یه پیون و یه الکترون تجزیه میشه.
- شرط دوم: نقض تقارن C (بار) و CP (بار-پاریته)
- شرط سوم: فرآیندی که عدم تقارن باریون رو ایجاد می‌کنه، به‌دلیل انبساط سریع و کاهش امکان وقوع نابودی جفت، نباید در تعادل حرارتی باشه.
مدل استاندارد (نظریه‌ی تقریباً همه‌چیز) همه‌ی این شروط رو داره؛ ولی کافی نیست. اگه شرایط متقارن ماده/پادماده رو به‌عنوان «هیچ» در نظر بگیری، تقریباً می‌تونی بگی که جهان به عنوان یه «چیز» از «هیچ» به‌وجود اومده. حتی باوجوداین هم مطمئن نیستیم که چطوری چیزی از اون «هیچ» فرضی به‌وجود میاد.
به‌طور مشابه، راه‌های عملی زیادی برای تولید ماده تاریک وجود داره. دانشمندها با آزمایش و جستجوی گسترده به این نتیجه رسیدن که ماده‌ی تاریک هرچی که باشه، نمی‌تونه از ذرات موجود تویِ مدل استاندارد به‌وجود اومده باشه. ماهیت واقعی ماده‌ی تاریک هرچی که باشه، به فیزیک جدیدی فراتر از اون‌چیزی که می‌شناسیم نیاز داره؛ ولی روش‌های زیادی برای به‌وجود اومدن ماده‌ی تاریک وجود داره.
- می‌تونه در اثر حرارت خیلی زیاد تویِ جهانِ داغِ اولیه به‌وجود اومده باشه و موفق نشده کامل از بین بره و بعداً پایدار مونده (مثل سبک‌ترین ذره‌ی اَبَرمتقارن یا کالوزا-کلین)
- می‌تونه در اثر یه انتقال فاز که خودبه‌خود با انبساط و سرد شدن کیهان رخ داده و ذرات عظیمی (مثل آکسیون) رو از خلاء کوانتومی خارج کرده به‌وجود اومده باشه.
- می‌تونه به‌عنوان شکل جدیدی از یه نوترینو که خودش می‌تونه با نوترینو‌های شناخته شده (یعنی یه نوترینوی استریل) مخلوط بشه، به‌وجود اومده باشه یا اصلاً به‌عنوان یه نوترینوی راست‌دست سنگین، جدای از نوترینو‌های معمولی وجود داشته باشه.
- می‌تونه در اثر یه پدیده‌ی گرانشی که باعث ایجاد یه ذره‌ی بسیار پرجرم میشه، به وجود اومده باشه (ویمپ‌زیلاها - WIMPzilla).
چرا اصلاً ماده‌ی تاریک وجود داره؟ آیا جهان به نقطه‌ای نرسیده که بدون این ماده‌ی تاریک هم مشکلی براش پیش نیاد؟ حتماً باید راهی برای تولید «این چیز» وجود داشته باشه؛ یعنی یه نقطه‌ای وجود داشته باشه که قبلش این چیز وجود نداشته. متأسفانه تموم این سناریوها برای وجود داشتن، خودشون قبل از هرچیزی به انرژی نیاز دارن؛ پس اون همه انرژی از کجا اومده؟
شاید، بر اساس نظریه‌ی تورم کیهانی (نظریه اصلی ما در مورد منشأ کیهان قبل از انفجار بزرگ) واقعاً این انرژی از هیچ سرچشمه گرفته باشه. این مورد رو باید یکمی توضیح بدم؛ ولی بیشتر وقت‌ها به‌معنی همون جهان از هیچه.
وقتی اولین مراحل بیگ‌بنگ داغ رو تصور می‌کنیم، باید به چیزی فوق‌العاده داغ، متراکم، پرانرژی و تقریباً یکنواخت فکر کنیم. وقتی می‌پرسیم «چطوری این اتفاق رخ داد؟»، دوتا گزینه داریم:
- می‌تونیم مسیری که خیلی‌ها رفتن رو بریم و فقط بگیم که از اول همین‌طوری به‌وجود اومده و به همین شکل بوده و ما همه‌ی این شرایط رو قبول می‌کنیم و به این ویژگی‌های جهان «شرایط اولیه» میگیم و به این باور می‌رسیم که توضیح بیشتری وجود نداره و اگه پیش بریم دیوانه میشیم. فیزیک‌دان‌های نظری، این رویکرد رو مساوی با تسلیم شدن می‌دونن.
- می‌تونیم کاری که فیزیک‌دان‌های نظری به بهترین شکل انجام میدن رو انجام بدیم. یعنی یه مکانیزم نظری رو بسازیم که می‌تونه علت وجود شرایط اولیه رو توضیح بده و می‌تونه پیش‌بینی‌های جالبی رو به ما بده که با اون‌چیزی که رایج و استاندارده تفاوت داره بعد این پیش‌بینی‌های جالب و مهم‌تر رو انتخاب کنیم و به‌دنبال اندازه‌گیری پارامترهای حیاتی باشیم.
نظریه‌ی تورم کیهانی در نتیجه‌ی اتخاذ رویکرد دوم به‌وجود اومد و به معنای واقعی کلمه، تصور ما رو از چگونگی پیدایش جهان، تغییر داد.
نظریه‌ی تورم کیهانی میگه که ریشه‌ی این جهان به یه تکینگی بی‌نهایت داغ و گرم برنمی‌گرده. این نظریه میگه شاید قبل از بیگ‌بنگ، دوره‌ای وجود داشته که تویِ اون دوره، چگالی انرژی خیلی زیادی تویِ بافت فضا وجود داشته و باعث شده جهان با سرعتی سرسام‌آور متورم بشه و بعد از پایان این تورم، اون انرژی به ماده، پادماده و تشعشع منتقل شده و اون چیزی که به‌عنوان بیگ‌بنگ داغ می‌شناسیم رو ایجاد کرده. بیگ‌بنگ خودش نتیجه‌ی یه تورم بوده.
وارد جزئیات ریز این نظریه بشیم. این نظریه چه چیزی رو پیش‌بینی می‌کنه؟ این نظریه جهانی رو پیش‌بینی می‌کنه که در همه‌جا دمایی یکسان داره، هندسه‌ی تخت (هموار) داره و هیچ آثار و بقایایی از یه‌دوره‌ی یکپارچگی فرضی نداره. از طرفی وجود نوع و طیف خاصی از نوسانات بذر (چگالی-نوسانات نخستین) رو پیش‌بینی می‌کنه که در نتیجه‌ی اون‌ها، ما به‌وجود اومدیم. یعنی یه فرآیند طبیعی، از یه فضای خالی (البته مملو از انرژی میدانی)، کل جهان قابل مشاهده رو به‌وجود آورده که ساختاری به‌شدت کامل و غنی داره.
این همون ایده‌ای هست که میگه جهان از هیچ به‌وجود اومد. البته همون‌طوری که دیدید، هیچِ‌هیچ هم نیست. این توضیحات برای خیلی از افراد قابل پذیرش نیست.
خُب مشخصه وقتی که میگیم جهانی که تویِ اون فضا و زمان وجود دارن، قوانین فیزیک هم هستن، ثابت‌های بنیادین هم هستن و حتی انرژی ذاتی وجود داره، ایده‌ی به‌وجود اومدن از هیچ بی‌معنی میشه. وجود این‌ها یعنی یه‌چیزی بوده و هیچ مطلق نبوده. مشخصه که با این تعاریف، برای خیلی از مردم به‌وجود اومدن از هیچ، کاملاً بی‌معنیه.
یه لحظه صبر کنید. ما می‌تونیم مکانی رو خارج از فضا تصور کنیم، جایی فراتر از محدوده‌ی زمان. مجموعه‌ای از شرایط که هیچ واقعیت فیزیکی نمی‌تونه اون‌ها رو محدود کنه؛ واقعیت‌هایی که برای دست‌یابی به نیستیِ حقیقی، باید اون‌ها رو حذف کرد و این تصورات حداقل از نظر فلسفی معتبر هستن.
این دقیقاً تفاوت بین نیستیِ فلسفی و تعریف فیزیکی‌تر از نیستی هست. برای نیستی، چهار تعریف علمی وجود داره و همه‌شون هم درست هستن؛ فقط به این بستگی داره تویِ چه زمینه‌ای به‌کار برده بشن:
- وقتی که «چیز» مدنظر شما وجود نداشته باشه
- فضای کاملاً خالی و فیزیکی
- فضازمان خالی در کم انرژی‌ترین حالت ممکن
- وقتی کل کیهان و قوانین حاکم بر اون رو از بین می‌برید
اگه از دو تعریف اول استفاده کنیم، قطعاً می‌تونیم بگیم که «یه جهان رو از هیچ» به‌دست آورد‌یم. اگه از تعریف سوم استفاده کنیم نمی‌تونیم همچین جهانی به‌دست بیاریم. در مورد چهارمی هم هنوز نمی‌دونیم که اگه ازش استفاده کنیم چه اتفاقی می‌افته؛ چون تعریف چهارم دقیقاً همون توصیف فلسفی از نیستی هست. نمیشه بدون یه نظریه‌ی فیزیکی، اون چیزی که خارج از کیهان و فراتر از قوانین فیزیکی رخ میدن رو توصیف کرد و در این‌جا مفهوم نیستی، فلسفیه و تعریف فیزیکی براش وجود نداره.
در زمینه‌ی فیزیک، درک ایده‌ای از نیستی مطلق غیرممکنه. خارج از فضا و زمان بودن به چه معنیه و چطوری فضا و زمان می‌تونن به‌طور معقول و قابل پیش‌بینی از حالت نیستیِ مطلق به‌وجود بیان؟ وقتی نیستیِ مطلق حاکمه و هیچ تعریفی از مکان و زمان وجود نداره، چطوری فضازمان می‌تونه تویِ یه مکان یا زمان خاص پدید بیاد؟ وقتی نیستیِ مطلق حاکم باشه، قوانین حاکم بر کوانتوم‌ها (میدان‌ها و ذرات) از کجا باید بیان؟
این خط فکری فلسفی حتی فرض می‌کنه که مکان، زمان و قوانین فیزیک هم از ازل وجود نداشتن و نیستی مطلق حاکم بوده؛ درحالی‌که واقعاً ممکنه قوانین فیزیک از ازل وجود داشته باشن. اگه تعریف فیزیکی «هیچ» رو بپذیرید، بله، به‌نظر می‌رسه که جهان، اون‌طوری که ما می‌شناسیم از هیچ به‌وجود اومده؛ ولی اگه محدودیت‌های فیزیکی رو نادیده بگیرید و اون‌ها رو فرض نکنید، مطمئناً همه‌ی منشأ کیهانی ما ناپدید میشه و از نیستیِ مطلق چیزی به‌وجود نمیاد.
متأسفانه تورم کیهانی باعث میشه هر اطلاعاتی که از لحظه‌ی قبل از وجود کیهان تویِ این جهان بوده، برای ما دیگه قابل دسترسی نباشه. درسته که تخیلات ما بی‌حد و مرز هستن؛ ولی ما فقط می‌تونیم درمورد موضوعاتی نتیجه‌گیری کنیم که برای اون‌ها بتونیم آزمون و خطای فیزیکی طراحی کنیم. مهم نیست که هر نظریه‌ی دیگه‌ای از جمله مفهوم نیستیِ مطلق، چقدر منطقی باشن، اون‌ها صرفاً ساخته‌ی ذهن ما هستن.
مطلبی دیگر در همین موضوع
فک کنید شما ایلان ماسک بودین و یک فالکن‌هوی داشتین
مطلبی دیگر در همین موضوع
دانشمندان رنگ دقیق جهان را کشف کردند
بر اساس علایق شما
روانشناسی رنگ زرد در دکوراسیون داخلی