جهان واقعا بزرگ است. ما در یک کهکشان زندگی می کنیم، کهکشان راه شیری. حدود صد میلیارد ستاره در کهکشان راه شیری وجود دارد و اگر شما یک دوربین بردارید و آن را به هر سمتی از آسمان بگیرید و تنها شاتر دوربین را باز نگه دارید، در صورتیکه دوربین شما به تلسکوپ فضایی هابل وصل باشد، یه چیزی مثل این را خواهد دید.
هر کدام از این نقطه ها کهکشانی هستند تقریبا هم اندازه کهکشان ما. (صد میلیارد ستاره در هر کدام از این نقطه ها) تقریبا صد میلیارد کهکشان در جهانی که می توانیم ببینیم وجود دارد. صد میلیارد تنها عددی است که نیاز دارید بدانید.
یکی از کارهایی که با عکسی مثل این میتوانید انجام بدهید این است که خیلی ساده تحسینش کنید. بی اندازه زیباست.
حال سوال این است که چرا جهان به این شکل است؟ سرنخ بزرگی که ما داریم این است که جهان با زمان تغییر می کند. اگر شما به یکی از این کهکشان‌ها نگاه کنید و سرعتش را اندازه بگیرید، می بینید که در حال دور شدن از شماست و اگر به یک کهکشان باز هم دورتر نگاه کنید، می بینید که با سرعت بیشتری در حال دور شدن است. بنابراین ما میگوییم که جهان در حال انبساط و گسترده شدن است.
جهان بخشی از یک قلمرو
این به سادگی به این معناست که در گذشته، همه چیز به هم نزدیکتر بوده. در گذشته، جهان متراکم تر بود و همچنین داغ تر، چرا که اگر شما چیزها را به هم بفشارید، دما بالا می رود. این قضیه برای ما منطقی و آشناست. چیزی که خیلی به نظر منطقی نمی‌‍آید این است که جهان در زمانهای اولیه، نزدیک انفجار بزرگ، بسیار بسیار یک دست بود.
شما ممکن است فکر کنید که این قضیه خیلی دور از ذهن نیست. هوای داخل این اتاق بسیار ملایم و یک دست است ممکن است بگویید که، “خوب، احتمالا چیزهایی پخش شدند و خودشان را یک دست و ملایم کردند” ولی شرایط موقع انفجار بزرگ بسیار بسیار متفاوت از شرایط هوای این اتاق است. به خصوص، همه چیز بسیار متراکم تر بود. کشش گرانشی همه چیز نزدیک انفجار بزرگ بسیار قوی‌تر بود.
چیزی که شما بایستی به آن فکر کنید این است که ما جهانی با صد میلیارد کهکشان داریم، هر کدام با صد میلیارد ستاره در زمانهای اولیه، آن صد میلیارد کهکشان در فضایی به این اندازه فشرده شده بودند. دقیقا، در زمانهای اولیه.
شما بایستی این فشرده شدن را بدون هیچ نقصی تصور کنید، بدون هیچ لکه و ناهمواری کوچکی، بطوری‌که قسمتی از آن تعداد بیشتری اتم از نسبت به قسمت دیگر داشته باشد در غیراینصورت، تحت فشردگی گرانشی در یک سیاه چاله بزرگ فرو می ریزد. نگه داشتن جهان بصورت بسیار بسیار یک دست در زمانهای اولیه کار آسانی نیست، یک چیدمان ظریف است. این یک سرنخ است که جهان اولیه بطور تصادفی انتخاب نشده است. چیزی هست که آن را به این صورت در آورد. ما میخواهیم بدانیم آن چیست.
قسمتی از درک ما در این مورد مدیون “لودویگ بولتسمان“، فیزیکدان اتریشی قرن ۱۹ است. کاری که بولتسمان کرد، کمک برای فهم آنتروپی بود.
شاید شما نیز در مورد آنتروپی چیزی شنیده باشید. آنتروپی، همان آشفتگی، بی نظمی، تصادفی و غیرقابل پیش بینی بودن یک سیستم است.
فرمول بولتسمان
بولتسمان فرمولی ارائه داد که در حال حاضر بر روی سنگ قبرش حکاکی شده است. این فرمول، آنتروپی را به صورت عددی می سنجد و بطور اساسی فقط میگوید که آنتروپی تعداد حالاتی است که ما میتوانیم اجزا اصلی تشکیل دهنده سیستمی را بچینیم که شما نتوانید تفاوتش را تشخیص بدهید، بنابراین در مقیاس بزرگ و کلی یکسان به نظر می رسد. اگر هوای این اتاق را در نظر بگیرید، شما متوجه هر اتم به تنهایی نمی شوید.
یک پیکربندی با آنتروپی پایین آن است که تنها تعداد کمی حالت در آن به این صورت دیده میشود. یک پیکربندی با آنتروپی بالا آن است که تعداد زیادی حالت در آن به این صورت دیده میشود.
این یک بینش بسیار مهم به ما میدهد و به ما کمک می کند تا قانون دوم ترمودینامیک را توضیح بدهیم. قانونی که میگوید آنتروپی در حال افزایش در جهان است، و یا در قسمت ایزوله‌ایی از جهان.
دلیل آن که آنتروپی در حال افزایش است این است که تعداد حالات بسیار بیشتری برای آنتروپی بالا نسبت به آنتروپی پایین وجود دارد. این یک درک شگفت انگیز است، ولی یک چیز را در برنمی‌گیرد. درک این که آنتروپی در حال افزایش است، با این همه، همان چیزی است که دلیل بردار زمان شناخته می شود، تفاوت بین گذشته و آینده. هر تفاوتی که بین گذشته و آینده هست به دلیل آن است که آنتروپی در حال افزایش است. این واقعیت که شما گذشته را به یاد می آورید، اما نه آینده را. این واقعیت که شما به دنیا اومدید، بعد زندگی می کنید، و سپس می میرید، همیشه با همین توالی و ترتیب، بخاطر این است که آنتروپی در حال افزایش است.
بولتسمان توضیح داد که اگر شما با آنتروپی پایین شروع کنید، افزایش آن خیلی طبیعی است، زیرا حالتهای بیشتری برای افزایش آنتروپی وجود دارد. چیزی که او توضیح نداد این بود که اصلا چرا آنتروپی در آن مکان اول، کم بود.
این واقعیت که آنتروپی جهان کم بوده انعکاسی از این واقعیت است که جهان اولیه بسیار بسیار یک دست و هموار بوده. ما دوست داریم این را بفهمیم. متاسفانه، این واقعا مساله ایی نیست که ما به اندازه کافی به آن توجه کرده باشیم. یکی از افرادی که متوجه این مساله شد، ریچارد فاینمن بود.
نظریه ریچارد فاینمن
۵۰ سال پیش، او یک سری از سخنرانی های متفاوت ارائه داد. او سخنرانی های عمومی به اسم “کاراکتر قانون فیزیکی” ارائه کرد. همچنین سخنرانی هایی برای دانشجویان دوره لیسانس به اسم “سخنرانی های فینمن در مورد فیزیک” و سخنرانی هایی برای دانشجویان دوره دکترا به اسم “سخنرانی های فینمن در مورد جاذبه”. در هر کدام از این کتاب ها، هر کدام از این مجموعه سخنرانی ها، او روی این مساله عجیب تاکید می کرد: چرا جهان اولیه انقدر آنتروپی کوچکی داشت؟
او می گوید که بنا به دلایلی، جهان، در یک زمانی، با آن محتوای انرژی اش آنتروپی خیلی پایینی داشته، و از آن موقع تاکنون آنتروپی افزایش داشته است. بردار زمان بطور کامل قابل درک نخواهد بود تا زمانی که معمای آغازهای تاریخ جهان حتی تا فراتر از حد فهم و تصور کاهش پیدا کند.
دلیل این که مساله بدتر شده این است که در سال ۱۹۹۸ ما یک نکته مهم در مورد جهان فهمیدیم که تا قبل از آن نمی‌دانستیم. ما فهمیدیم که آن (جهان) در حال شتاب گرفتن است. جهان تنها در حال انبساط نیست. اگر شما به کهکشان نگاه کنید، در حال دور شدن است اگر یک میلیارد سال بعد برگردید و دوباره به آن نگاه کنید، می بینید که آن با سرعت بیشتری در حال دور شدن خواهد بود.
تک تک کهکشان ها سریعتر و سریعتر در حال دور شدن از ما هستند. بنابراین ما میگوییم که جهان در حال شتاب گرفتن است، برخلاف آنتروپی پایین جهان اولیه. گرچه ما جواب این سوال را نمی دانیم دست کم تئوری خوبی داریم که میتواند آن را توضیح بدهد.این تئوری تئوری انرژی تاریک است. این ایده که فضای خالی بخودی خود دارای انرژی است.
در هر سانتیمتر مکعب کوچک از فضا، انرژی وجود دارد و این انرژی، طبق گفته انیشتین یک نیروی فشار به جهان اعمال می کند. این یک نیروی همیشگی و دایمی است که به کهکشان ها فشار اورده و آنها را از هم دور می کند. زیرا انرژی تاریک، برخلاف ماده یا تشعشع، با انبساط جهان رقیق نمی شود.
مقدار انرژی در هر سانتیمتر مکعب ثابت باقی می ماند، حتی وقتی که جهان بزرگتر و بزرگتر می شود. این قضیه پیامدهای بحرانی برای آنچه که جهان در آینده انجام میدهد، خواهد داشت. یک مورد، انبساط همیشگی جهان خواهد بود.
در گذشته ما نمی‌دانستیم که جهان چه خواهد کرد. بعضی مردم فکر می کردند که جهان در آینده دوباره داخل خودش فرو خواهد ریخت. انیشتین به این ایده علاقه داشت. ولی اگر انرژی تاریک وجود داشته باشد و از بین نرود، جهان برای همیشه و همیشه به انبساط خود ادامه خواهد داد. ۱۴ میلیارد سال در گذشته، ولی بی نهایت سال در آینده.
البته در عمل، به نظر ما جهان محدود است. جهان ممکن است محدود باشد و یا نباشد، اما چون جهان در حال شتاب گرفتن است، قسمت‌هایی از آن هست که ما نمی‌توانیم ببینیم و هیچگاه هم نخواهیم دید.
ما به بخش محدودی از فضا دسترسی داریم که با یک افق احاطه شده، بنابراین با اینکه زمان برای همیشه پیش خواهد رفت، فضا برای ما محدود است. در نهایت، فضای خالی دمای خاصی دارد.
تحقیقات استیون هاوکینگ
در دهه ۱۹۷۰، استیون هاوکینگ گفت که یک سیاه چاله (که شما فکر می‌کنید سیاه است)، از خود تشعشع ساطع می کند، این در صورتی است که از دید مکانیک کوانتوم به قضیه نگاه کنید. انحنای فضا-زمان در اطراف سیاه چاله نوسان مکانیک کوانتومی را و تشعشع سیاه چاله ایی را مطرح می کند. محاسبات مشابه دقیقی توسط هاوکینگ و گری گیبسون نشان داد که اگر شما انرژی تاریک را در فضای خالی داشته باشید، در این صورت کل جهان تشعشع می کند.
انرژی فضای خالی، نوسان کوانتومی را مطرح می کند و اگر چه جهان همیشگی خواهد بود و مواد معمولی و تشعشعات رقیق خواهند شد، با این همیشه مقداری تشعشع و مقداری نوسان حرارتی وجود خواهد داشت، حتی در فضای خالی. این به این معناست که جهان مانند یک جعبه گاز همیشگی است.
پیامد این قضیه توسط بولتسمان در قرن ۱۹ بررسی شد. او میگوید که آنتروپی افزایش پیدا میکند زیرا حالتهای بسیار بسیار بیشتری وجود دارد که جهان در آنتروپی بالا باشد تا آنتروپی پایین. اما این یک بیان احتمالی است.
بولتسمان چیزی درباره انفجار بزرگ نمی دانست، او چیزی درباره انبساط جهان نیز نمی دانست. او فکر می کرد که فضا و زمان توسط ایزاک نیوتن توضیح داده شده. ایده او درباره سرشت جهان شامل این بود که مولکولهای هوا بطور یکسان همه جا پخش شده بودند.
ولی اگر شما جای بولتسمان باشید، میدانید که اگر برای مدت زمان به قدر کافی طولانی، منتظر بمانید، نوسان های تصادفی آن مولکول ها، گهگاهی آن ها را در حالت آنتروپی پایین قرار خواهد داد. البته بعد از آن بطور طبیعی آنها دوباره پخش خواهند شد. پس آنتروپی نباید همیشه افزایش پیدا کند. پس شما میتوانید نوسان‌هایی به سمت آنتروپی پایین داشته باشید، حالتهای منظم‌تر.
اگر این درست باشد، بولتسمان به سمت ابداع دو مفهوم بسیار جدید رفته ایده هایی دقیق و درست. جهان چندگانه و اصل آنتروپی.
ایده جهان چندگانه و آنتروپی
او میگوید که مساله تعادل حرارتی این است که ما نمی توانیم آنجا زندگی کنیم. بخاطر داشته باشید که زندگی، به بردار زمان وابسته است. ما نمی توانیم اطلاعات را پردازش کنیم، متابولیز داشته باشیم، راه برویم و حرف بزنیم، اگر در تعادل حرارتی زندگی می کردیم.
پس اگر یک جهان خیلی خیلی بزرگ را تصور می کنید، یک جهان بی نهایت بزرگ، با برخوردهای های تصادفی ذرات با یکدیگر، گهگاهی نوسان های کوچکی به حالتهای آنتروپی پایین وجود خواهد داشت، و سپس به حالت استراحت قبلی برمی گردند اما نوسان های بزرگی هم وجود خواهند داشت. گاهی سیاره‌ایی خواهید ساخت یا یک ستاره یا کهکشان یا یک میلیارد کهکشان.
بولتسمان معتقد است، ما تنها در یک قسمت از جهان چندگانه زندگی می کنیم، در بخشی از این مجموعه بزرگ ذرات نوسانی که زندگی ممکن است. اینجا منطقه‌ای است که آنتروپی پایین است.
کارل سیگن میگوید که “برای درست کردن یک پای سیب، اول از همه بایستی جهان را به وجود بیارید.” اما او اشتباه می کند. طبق سناریوی بولتسمان، اگر می خواهید که یک پای سیب درست کنید، شما باید منتظر بنشینید که حرکت تصادفی اتم ها یک پای سیب درست کند.
درست نیست. این سناریو پیش بینی میکند که ما باید یک نوسان کمینه باشیم. حتی اگر کهکشان‌مان را کنار بگذارید، یک میلیارد کهکشان دیگر نخواهید داشت. فینمن هم این را متوجه شد.
فاینمن میگوید که “با توجه به این فرضیه که دنیا یک نوسان است، تمام پیش گویی ها این است که ما به قسمتی از دنیا نگاه کنیم که تا به حال ندیده ایم برای ما گیج کننده خواهد بود. اگر نظم ما به خاطر یک نوسان بود، ما انتظار داریم که این نظم فقط در آنجایی که دیدیم باشد نه جای دیگه. بنابراین به این نتیجه می رسیم که جهان یک نوسان نیست.”
حالا سوال این است که اگر جهان یک نوسان نیست، پس چرا جهان اولیه آنتروپی پایینی داشت؟
جهان در طی ۱۰ میلیارد سال گذشته و یا چیزی در این حدود در حال انبساط بوده. ما الان به قدر کافی درباره آینده جهان می دانیم که بیشتر درباره اش حرف بزنیم. اگر انرژی تاریک در اطراف بماند، ستارگان اطرافمان سوخت هسته شان را تمام می کنند و دست از سوختن بر می دارند. آنها داخل سیاه چاله ها سقوط خواهند کرد.
ما در جهانی زندگی خواهیم کرد که هیچ چیز در آن وجود ندارد مگر سیاه چاله ها. این جهان ۱۰ به توان ۱۰۰ سال ادامه خواهد داشت. بسیار بیشتر از اونی که جهان کوچک ما زندگی کرده است. آینده خیلی طولانی تر از گذشته است. اما حتی سیاه چاله ها نیز همیشگی نیستند. آنها بخار خواهند شد و ما چیزی به جز یک فضای خالی نخواهیم داشت. آن فضای خالی اساسا برای همیشه ادامه خواهد داشت.
اگر چه همانطور که متوجه شدید چون فضای خالی تشعشع ساطع میکند، در عمل نوسان های حرارتی وجود خواهد داشت و بطور چرخه ای تمام ترکیب های ممکن مختلف از درجات آزادی که در جهان خالی وجود دارد را می سازد. بنابراین اگر چه جهان همیشگی است، تنها تعداد محدودی از چیزهاست که امکان دارد در جهان اتفاق بیفتد. همه آنها در یک بازه زمانی برابر ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۱۲۰ سال اتفاق خواهد افتاد.
طرح یک سوال
اگر جهان برای ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۱۲۰ سال خواهد بود، چرا ما در ۱۴ میلیارد سال اول آن به دنیا آمدیم، در گرما و راحتی درخشش پس از انفجار بزرگ؟ چرا ما در فضای خالی نیستیم؟ ممکن است بگویید “خب آنجا چیزی برای زندگی کردن نیست،” اما این درست نیست. شما میتوانید یک نوسان تصادفی از نیستی باشید. چرا نیستید؟
یک واقعیت خشن درباره جهان وجود دارد که باید یاد بگیرید که قبول کنید و سوال پرسیدن را متوقف کنید. یا شاید انفجار بزرگ سراغاز جهان نیست. شاید یک چیزیست که بطور طبیعی، از طریق رشد قوانین فیزیکی، منجر به جهانی اینچنین شده. اگر این درست باشد میتواند بیشتر از یکبار اتفاق افتاده باشد. ما میتوانیم قسمتی از یک جهان چندگانه خیلی بزرگتر باشیم.
۵۰ سال دیگر، همه ما اعتقاد پیدا می کنیم که جهان کوچک ما تنها یک قسمت کوچکی از یک جهان چندگانه به مراتب بزرگتر است. ما خواهیم فهمید که چه اتفاقی در انفجار بزرگ افتاده.
این خیلی هیجان انگیز است که روزی همه چیز را خواهیم فهمید. برای دانستن مطالب بیشتر میتوانید کتاب جهان در پوست گردو اثر استیون هاوکینگ را مطالعه نمایید.
منابع: