قبل از بیگ بنگ چه بوده است؛ چند نظریه که مغز شما را منفجر می‌کند!

یکی از سوالات بنیادین در کیهان شناسی این است که قبل از بیگ بنگ چه بوده است؟ بیایید چند نظریه جدید درباره مه بانگ را با هم مرور کنیم.

تصور من این است که هیچ چیز از هیچ حاصل نمی‌شود. برای اینکه چیزی وجود داشته باشد باید ماده یا مولفه‌ای در دسترس باشد و برای اینکه آنها وجود داشته باشند، باید چیز دیگری در دسترس باشد! حال سوال من این است: ماده‌ای که مه بانگ یا بیگ بنگ را ایجاد کرد، از کجا آمده است و در این مرحله چه اتفاقی برای ایجاد آن افتاده؟

برایان کاکس، فیزیکدانی است که در برنامه بی بی سی یونیورس (BBC Universe) هشدار داده: «آخرین ستاره به آرامی سرد می‌شود و محو خواهد شد. پس از آن جهان باری دیگر تبدیل به خلأ می‌شود؛ جهانی بدون نور، زندگی و معنا.»

قبل از بیگ بنگ و تئوری‌های مربوط به آن

ناپدید شدن آخرین ستاره آغاز یک دوره بی‌نهایت طولانی و تاریک خواهد بود. تمامی مواد موجود در کیهان توسط ابرسیاهچاله‌های غول آسا بلعیده می‌شوند و به نوبه خود تبخیر و تبدیل به هیچ می‌گردند. فضا همواره به سمت بیرون منبسط خواهد شد تا زمانی که آن کورسوی نور برای تعامل بیشتر گسترش یابد. پس از آن هرگونه فعالیتی متوقف می‌شود.

به قدر کافی عجیب و غریب بود؟ برخی از کیهان شناسان بر این باور هستند که جهانی تاریک و سرد، مانند آنچه در آینده‌های دور در انتظار ماست، می‌تواند منبع بیگ بنگ خود ما بوده باشد.

موضوع اول: بیایید قبل از اینکه به سوال این مقاله پاسخ دهیم، نگاهی به «ماده فیزیکی» بیندازیم. اگر بخواهیم منشأ مواد پایدار ساخته شده از اتم‌ها و مولکول‌ها را توضیح دهیم، مطمئناً هیچ یک از این موارد نه در بیگ بنگ و نه صدها هزار سال بعد از آن وجود نداشته است.

در حال حاضر درک دقیقی از فرآیند تشکیل اتم‌ها از ذرات ساده‌تر داریم و می‌دانیم در شرایطی ایجاد شدند که کیهان به اندازه کافی سرد شد تا مواد پیچیده‌تر بتوانند پایدار شوند. همچنین می‌دانیم که چگونه این اتم‌ها بعداً به عناصر سنگین‌تر تبدیل شدند و درون ستارگان جای گرفتند.

اما فهم این موارد به این سوال که آیا چیزی از «هیچ» به وجود آمده یا خیر، پاسخ نمی‌دهد. پس بیایید به خیلی قبل‌ترها فکر کنیم. اولین ذرات ماده با عمر طولانی، پروتون‌ها و نوترون‌ها بودند که با یکدیگر هسته اتم‌ها را می سازند. این ذرات تنها یک ده هزارم ثانیه پس از بیگ بنگ به وجود آمدند. قبل از آن نقطه عطف، هیچ ماده‌ای به معنای واقعی کلمه وجود نداشت. اما فیزیک به ما اجازه می‌دهد تا خط زمانی را به عقب برگردیم. (عقب گردی به فرآیندهای فیزیکی که قبل از هر ماده پایداری هستند.)

فیزیک ما را به نظریه «وحدت بزرگ» می‌برد. هم اکنون به درستی وارد فیزیک نظری شده‌ایم زیرا نمی‌توانیم در آزمایش‌های خود، نیروی کافی برای بررسی فرآیندهایی که در آن زمان در حال وقوع بودند، ایجاد کنیم و باید به تئوری‌ها بسنده نمائیم.

اولین فرضیه قابل قبول این است که جهان فیزیکی از «سوپ بنیادین» (اصطلاحی است که از سوی یکی از دانشمندان برای توضیح مبدأ حیات در زمین بیان شد) با عمری کوتاه که شامل کوارک‌ها و اجزای سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها می‌شود، تشکیل گردیده است.

در آن زمان هم ماده و هم پادماده در مقادیر تقریباً یکسانی وجود داشتند: هر نوع ماده همچون کوارک، دارای یک پادماده یا «تصویر آینه‌ای» است که تقریباً با خودش یکسان است و تنها یک درجه تفاوت دارند. با این حال ماده و پادماده هنگام برخورد با هم از بین می‌روند؛ به عبارت دیگر این ذرات مدام ایجاد می‌شوند و از بین می‌روند.

اما سوال اینجاست که این ذرات در وهله اول چگونه به وجود آمدند؟ نظریه میدان‌های کوانتومی به ما می‌گوید که حتی در خلأ که ظاهراً فضا-زمان خالی از هرگونه انرژی است، فعالیت‌های فیزیکی به شکل نوسانات انرژی است. این نوسانات می‌تواند منجر به تخلیه ذرات شود که مدت کوتاهی پس از آن ناپدید می‌شوند. چنین چیزی به جای فیزیک واقعی ممکن است شبیه یک ابهام ریاضی به نظر برسد چنین ذراتی در آزمایشات بی‌شماری دیده شده‌اند.

به عبارتی حالت خلأ فضا-زمان پیوسته در حال جوش و خروش است و ذرات دائماً از هیچ ایجاد و نابود می‌شوند. اما شاید همه اینها واقعاً می‌خواهد به ما بگوید که خلأ کوانتومی (به رغم نامی که دارد) چیزی بیش از «هیچ» است.

حالا فرض کنید بپرسیم: خود فضا-زمان از کجا پدید آمده است؟ حالا می‌توانیم ساعت زمان را به عقب‌تر بازگردانیم و به دوران باستانی «پلانک» برویم؛ دورانی در اوایل تاریخ کیهان که در آن بهترین نظریه‌های فیزیکی ما نقض می‌شوند. این دوره تنها یک ده میلیونم تریلیونم تریلیونم ثانیه پس از انفجار بزرگ رخ داد.

در این مرحله فضا و زمان، هر دو در معرض نوسانات کوانتومی قرار گرفتند. فیزیکدانان معمولا به طور مجزا با مکانیک کوانتومی که بر جهان ذرات خرد حکومت می‌کند و نیز نسبیت عام که در مقیاس‌های بزرگ و کیهانی اعمال می‌شود، سر و کار دارند. لکن برای درک کامل عصر پلانک، به یک نظریه کامل همچون نظریه گرانش کوانتومی نیاز داریم تا این دو را با هم ادغام کند.

هنوز نظریه کاملی از گرانش کوانتومی نداریم اما در این زمینه تلاش‌هایی همچون نظریه ریسمان و نظریه گرانش کوانتومی حلقه، صورت پذیرفته است. در این مجموعه کوشش‌ها، فضا و زمان معمولاً همچون امواج سطح یک اقیانوس عمیق، ظاهر می‌شوند.

آنچه ما به عنوان فضا و زمان تجربه می‌کنیم محصول فرآیندهای کوانتومی است که در سطحی عمیق‌تر و میکروسکوپی عمل می‌کنند و این فرآیندها برای ما به عنوان موجوداتی که ریشه در جهان ماکروسکوپی دارند، معنای خاصی ندارد.

در عصر پلانک، درک ما نسبت به مکان و زمان از بین می‌رود، بنابراین دیگر نمی‌توانیم به درک خود از علت و معلول نیز تکیه کنیم. با این وجود تمامی نظریه‌های کاندید شده گرانش کوانتومی چیزی را توصیف می‌کنند که در عصر پلانک در حال وقوع است. اما این از کجا آمده است؟

حتی اگر علیت به هیچ شکل دیگری اعمال نشود، باز هم ممکن است بتوان یکی از اجزای عصر پلانک را بر حسب جزء دیگر توضیح داد. متاسفانه هم اکنون حتی بهترین قوانین فیزیک نیز قادر به ارائه پاسخ نیستند. تا زمانی که به سمت «نظریه همه چیز» حرکت نکنیم، نمی‌توانیم به این سوال پاسخی قطعی بدهیم.

بهترین پاسخی که در این مقطع می توانیم با اطمینان بگوییم، این است که فیزیک تا به امروز، هیچ نمونه تائید شده ای از چیزی پیدا نکرده که از هیچ به وجود آمده باشد. برای پاسخ واقعی به این سؤال که چگونه چیزی می‌تواند از هیچ پدید آید، باید وضعیت کوانتومی کل جهان را در آغاز دوره پلانک توضیح دهیم.

اما نهایتاً تمامی تلاش‌ها برای پاسخ به این سوال در حد حدس و گمان باقی می‌ماند. برخی از آنها مانند یک طراح به نیروهای ماوراء طبیعی توجه می‌کنند. سایر توضیحات نیز در قلمرو فیزیک باقی می‌مانند. (مثل یک جهان چندگانه که شامل بی‌نهایت جهان موازی است یا مدل‌هایی از چرخه جهان که بارها و بارها متولد می‌شوند.)

راجر پنروز، فیزیکدان برنده جایزه نوبل 2020، یک مدل جذاب اما بحث برانگیز برای یک جهان چرخه‌ای (هر یک از مدل‌های کیهان شناسی که در آن گیتی از چرخه‌های بی‌نهایت یا نامشخص پیروی می‌کند، مدل چرخه‌ای نام دارد) ارائه کرده که «کیهان شناسی چرخه‌ای منسجم» نامیده می‌شود.

پنروز از یک ارتباط ریاضی جالب بین یک حالت داغ، چگال و کوچک از کیهان -همان‌طور که در بیگ بنگ بود- و یک حالت بسیار سرد، خالی و منبسط شده از جهان -همان‌طور که در آینده دور خواهد بود- الهام گرفت. طبق نظریه بنیادی پنروز، دو وضعیت نامبرده وقتی به آخرین کران‌های خود می‌رسند، یکسان می‌شوند. گر چه این نظریه ممکن است متناقض به نظر برسد اما فقدان کامل ماده ممکن است باعث ایجاد تمام ماده‌ای شود که در اطراف خود می‌بینیم.

در این دیدگاه، بیگ بنگ تقریباً از هیچ به وجود آمده است. این هیچ نتیجه خلأ مواد در جهانی است که توسط سیاهچاله‌ها بلعیده شده و سپس خود این سیاهچاله‌ها نیز در خلأ تبدیل به فوتون و بعد هم ناپدید گشته‌اند. بنابراین کل جهان از چیزی نشات می‌گیرد که می‌توان گفت تقریباً همان هیچ مدنظر ما است. اما این «هیچ چیز» در نوع خود «چیزی» است. در واقع جهانی فیزیکی است هرچند که خالی باشد.

چگونه ممکن است این حالت از یک منظر، جهانی سرد و خالی باشد و از منظر دیگر، یک جهان متراکم و داغ؟ پاسخ در یک روش پیچیده ریاضی به نام «تغییر مقیاس همسان» نهفته است، یک تبدیل هندسی که در واقع اندازه یک جسم را تغییر می‌دهد اما شکل آن را بدون تغییر می‌گذارد.

پنروز نشان داد که چگونه حالت متراکم سرد و حالت متراکم گرم می‌توانند با چنین مقیاس‌گذاری مجددی به هم مرتبط شوند، به طوری که در مورد شکل فضازمان‌هایشان – البته نه با اندازه‌هایشان – مطابقت داشته باشند. مسلماً درک اینکه چگونه دو شیء را می‌توان به این روش شناسایی کرد، زمانی که اندازه‌های متفاوتی دارند دشوار است – اما پنروز استدلال می‌کند که اندازه به عنوان یک مفهوم در چنین محیط‌های فیزیکی معنایی ندارد.

در کیهان شناسی چرخه‌ای منسجم، جهت تکامل جهان از قدیمی و سرد به جوان و گرم در حرکت است: در واقع حالت متراکم و گرم به علت حالت خالی و سرد به وجود می‌آید اما «چرایی» این مسئله چندان آشنا نیست. تنها اندازه نیست که مانع ارتباط این دو حالت می‌شود؛ در واقع زمان نیز به همان اندازه مهم و ارزشمند است. حالت متراکم سرد و حالت متراکم گرم در مقیاس‌های زمانی مختلفی قرار دارند. حالت خالی سرد از دید ناظر در هندسه زمانی خودش تا ابد ادامه می‌یابد اما حالت متراکم گرم سیر زمانی خود را به وجود می‌آورد.

تعریف فوق می‌تواند به درک حالت متراکم گرم که به روش غیرعلتی از حالت سرد ایجاد می‌شود، کمک کند. شاید بهتر است بگوییم که حالت متراکم داغ از حالت سرد و تهی به وجود می‌آید یا شاید هم در آن مستقر شده است. اینها ایده‌های متافیزیکی مشخصی هستند که به طور گسترده توسط فیلسوفان علم و به لحاظ گرانش کوانتومی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. (در گرانش کوانتومی روابط علت-معلولی فرو می‌پاشد.) در محدوده دانش ما، تفکیک فیزیک و فلسفه سخت می‌شود.

شواهد تجربی

کیهان شناسی چرخه‌ای منسجم، پاسخ‌هایی دقیق، ولو نظری برای این پرسش که بیگ بنگ از کجا آمده است، ارائه می‌کند. اما حتی اگر دیدگاه و نظریه راجر پنروز با پیشرفت‌های آتی کیهان شناسی تائید شود، باز هم ممکن است که سوال فلسفی عمیق‌تری ایجاد شود که قادر به پاسخگویی آن نیستیم؛ اینکه خود واقعیت فیزیکی از کجا آمده است؟ کل سیستم چرخه‌ها از کجا پدیدار شده‌اند؟ در نهایت به یکی از بزرگترین و ناب‌ترین سوالات متافیزیک می‌رسیم: چرا چیزی به جای هیچ چیز وجود دارد؟

اما تمرکز ما در اینجا روی توضیحاتی است که در حوزه دانش فیزیک قرار دارند نه متافیزیک! سه گزینه جامع برای این سوال عمیق که چرخه‌ها چگونه آغاز شدند، وجود دارد. از طرفی ممکن است برای این سوال هیچ توضیح فیزیکی وجود نداشته باشد. این چرخه‌ها یا ممکن است به صورت بی‌پایان تکرار شوند که در آن صورت هر یک به تنهایی جهانی جدید است یا اینکه یک چرخه منفرد و واحد وجود دارد که مدام تکرار می‌شود و در این صورت ابتدای هر چرخه را می‌توان با انتهای آن توصیف نمود. هر دوی این رویکرها از نیاز به هرگونه رویداد بی‌دلیل اجتناب می‌کنند زیرا در فیزیک هیچ چیز بی دلیل نیست.

پنروز همچنین توالی‌ای از بی‌نهایت چرخه جدید را تصور می‌کند که در واقع با تفسیر او از نظریه کوانتومی‌اش در ارتباط است. در مکانیک کوانتومی سیستم فیزیکی حاصل برهم نهی تعداد زیادی از وضعیت‌های متفاوت به طور همزمان است و زمانی که آن را اندازه‌گیری می‌کنیم، فقط یکی را به‌طور تصادفی انتخاب می‌کند.

برای Penrose، هر چرخه شامل رویدادهای کوانتومی تصادفی است که به روش متفاوتی رخ می‌دهند – به این معنی که هر چرخه با چرخه‌های قبل و بعد از آن متفاوت است. این در واقع خبر خوبی برای فیزیکدانان تجربی است زیرا ممکن است به آنها این امکان را بدهد تا نگاهی اجمالی به جهان قدیمی داشته باشند و بتوانند از طریق آثار ضعیف یا ناهنجاری‌های تابشی که از بیگ بنگ باقی مانده و توسط ماهواره پلانک دیده می‌شود را رصد کنند.

نکته کلیدی دیدگاه پنروز، وجود چرخه‌های جدید بی پایان است. اما راه حلی طبیعی برای تبدیل کیهان شناسی چندچرخه‌ای به وضعیت یک چرخه 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.