افت و خیز خلأ، یا آمد و شد عالم!

[∆ MeRzaD ∆]

مروزه کیهان شناسان سعی می‌کنند به این پرسش قدیمی فلاسفه پاسخ دهند که ما از کجا آمده‌ایم و به کجا می‌رویم. اکنون حتی بسیاری از مردم عادی نیز با اصطلاح انفجار بزرگ آشنا هستند. این اصطلاح در واقع تولد عالم را از یک گوی آتشین در حدود پانزده میلیارد سال پیش، توصیف می‌کند. ولی حتی برخی از دانشمندان نیز از ایده‌های جدید کیهان شناسی که تولد جهان هستی را به سرانجام محتوم آن پیوند می‌زنند مطلع نیستند. این ایده‌ها تعریف کاملی را ارائه می‌دهند که به یمن پیوند بین دو دستاورد عظیم فیزیک در قرن بیستم، یعنی نسبیت عام و نظریه‌ی کوانتومی، حاصل شده است. در این زمینه پژوهشگرانی چون جایانت نارلیکاز از هند و جیم هارتل از کالیفرنیای امریکا و نیز چندین متخصص روس کار کرده‌اند. ولی کسی که نامش بیش از همه با این نظریه پیوند خورده است استیفن هاوکینگ از دانشگاه کیمبریج انگلستان است. در دو دهه‌ی اخیر هاوکینگ به عنوان نویسنده‌ی یکی از پر فروش‌ترین کتاب‌های مربوط به ماهیت زمان شهرت دارد. هم‌چنین او به خاطر ابتلا به یک بیماری معلولیت‌زا که باعث شده است تا همه‌ی عمرش را روی صندلی چرخ‌دار بگذراند مشهور است. وی نمی‌تواند کلمات را ادا کند و تنها با اشاره‌ی چشم و استفاده از یکی از دست‌هایش که کامپیوتر کوچکی را با آن هدایت می‌کند می‌تواند با دیگران ارتباط برقرار کند. ولی مدت‌ها قبل از این که هاوکینگ در بین مردم چنین شهرتی را کسب کند از سوی هم‌قطارانِ دانشمندش به عنوان یکی از اصیل‌ترین و تواناترین متفکران نسل خود شناخته شده بود. طی چند دهه مطالعات او در حل این معما متمرکز شده است که در یک تکینگی چه بر سر ماده می‌آید. تکینگی نقطه‌ای است که چگالی آن بی‌نهایت و حجم آن صفر است، و این طبق نظریه‌ی نسبیت همان مرکز و کانون سیاه‌چاله یا نقطه‌ی آغاز عالم است.
در واقع، خودِ عالم با همان معادلاتی توصیف می‌شود که با آن‌ها یک سیاه‌چاله را توصیف می‌کنند. سیاه‌چاله منطقه‌ای است که در آن چنان تراکمی از ماده وجود دارد که نیروی گرانش قدرتمند حاصل از آن باعث می‌شود که حتی نور هم نتواند از سطح آن بگریزد. هیچ چیز از درون سیاه‌چاله نمی‌تواند بر جهان خارج اثر بگذارد ولی اجسام خارجی ممکن است به درون آن سقوط کنند. چنین سیاه‌چاله‌ای زمانی به وجود می‌آید که ستاره‌ای بزرگ‌تر از خورشید به پایان حیاتش برسد و به درون خود فرو ریزد و متراکم شود. معادلات نسبیت عام نشان می‌دهند که هر ستاره‌ای که به سیاه‌چاله تبدیل می‌شود در واقع کاملاً به یک تکینگی فرو می‌ریزد یا به عبارت دیگر می‌رُمبد. دانشمندان به تکینگی‌ها و معادلاتی که شامل بی‌نهایت‌ها باشند با سوء ظن می‌نگرند. معمولاً آن‌ها هر علامتی از وجود تکینگی و بی‌نهایت را به عنوان نشانه‌ای از وجود اِشکال و نادرستی در معادلات قلمداد می‌کنند. ولی نسبیت عام همه‌ی آزمون‌ها را یکی پس از دیگری با موفقیت پشت سر می‌گذارد. و از آن جا که تکینگی‌های پیش بینی شده در معادلات آن تنها در کانون سیاه‌چاله‌ها، یعنی جایی که هرگز نمی‌توان دید، وجود دارند، این عقیده با اکراه پذیرفته شده است. بیش از چهل سال پیش، هاوکینگ ثابت کرد که همان معادلاتی که تشکیل تکینگی از ستاره‌های در حالِ رُمبش را الزامی می‌دانند، تولد جهانِ در حالِ انبساط را نیز از یک تکینگی لازم می‌شمارند.

می‌دانیم که جهان، در حال انبساط است زیرا مشاهده شده است که کهکشان‌های دور دست با سرعتی متناسب با فاصله‌شان در حال دور شدن از ما هستند. این بدان معنا نیست که کهکشان ما در مرکز عالم قرار دارد، زیرا از هر نقطه‌ای در درون عالمی که به طور یک‌نواخت در حال انبساط باشد چنین سرعت گریزی متناسب با فاصله از آن نقطه مشاهده می‌شود. این کشف که به دهه‌ی 1920 میلادی باز می‌گردد یکی از اجزای اصلی مفهوم انفجار بزرگ است. طبق این مفهوم، جهان در حالت فوق العاده متراکم و فوق العاده داغی قرار داشته است و در حدود پانزده میلیارد سال از آغاز انبساط آن می‌گذرد. کافی است تصور کنیم که این انبساط معکوس شود. آن وقت روشن می‌شود که مدت‌ها پیش، کهکشان‌ها به یک‌دیگر نزدیک‌تر بودند، و حتی مدت‌ها پیش از آن همه‌ی ستاره‌های کل کهکشان‌ها باید در یک توده‌ی آتشین به هم پیوسته باشند. ولی هیچ کس به طور جدی این نظر را مطرح نکرد که عقب‌گرد انبساط عالم می‌تواند به یک تکینگی منتهی شود، تا این که هاوکینگ ثابت کرد که با تغییر جهت زمان در معادلاتی که توصیف کننده‌ی فرو ریزش ستاره‌ها و تشکیل تکینگی هستند معادلاتی به دست می‌آیند که مستلزم انبساط عالم از یک تکینگی هستند. بر خلاف تکینگی سیاه‌چاله‌ها، تکینگی موجود در آغاز پیدایش عالم به یک معنا قابل مشاهده است. ولی از آن جا که این نقطه از حیث زمان پانزده میلیارد سال با ما فاصله دارد فیزیک‌دان‌ها چندان نگران این نقیصه در معادلاتشان نبودند، ولی چیز بدتری در انتظارشان بود.
در سال‌های دهه‌ی 1970 میلادی، هاوکینگ به مطالعه‌ی خودِ سیاه‌چاله‌ها پرداخت. او دریافت که بین توصیف سیاه‌چاله بر حسب نسبیت عام با توصیف آن بر حسب ترمودینامیک و نظریه‌ی کوانتومی رابطه‌ی عمیقی وجود دارد. با این کار، او عظیم‌ترین پیش‌رفت‌های علم فیزیک در قرن بیستم را با یزرگ‌ترین دستاوردهای فیزیک قرن نوزدهم پیوند زد. حاصل کار، نمایان شدنِ تکینگی‌های درون سیاه‌چاله‌ها در برابر جهان خارج از آن بود. قضیه از این قرار است: هر سیاه‌چاله لبه‌ی تیزی دارد که افق روی‌داد خوانده می‌شود. هر چیزی که در داخل افق روی‌داد قرار داشته باشد در دامِ آن اسیر است و هرگز نمی‌تواند فرار کند. هر ذره‌ای که خارج از این افق قرار دارد اگر سرعت کافی داشته باشد از چنگ نیروی جاذبه‌ی سیاه‌چاله فرار می‌کند. مساحت سطح سیاه‌چاله‌ها، یعنی مساحت افق روی‌داد، نشان‌گر اندازه‌ی سیاه‌چاله است و البته با مقدار جرمی که در درون آن سیاه‌چاله موجود است رابطه دارد. طرح نظریه‌ی کوانتومی در این قضیه، به خاطر خاصیتی است به نام عدم قطعیت که قلب جهان کوانتومی است. در این جهان، عدم قطعیت معنای بسیار دقیقی دارد. فیزیک کوانتومی به مطالعه‌ی ذراتی چون الکترون می‌پردازد که مقیاسی کوچک‌تر از اتم دارند. در چنین مقیاسی، هیچ چیز قطعی نیست. به عنوان مثال، یک ذره‌ی کوانتومی نمی‌تواند به طور هم‌زمان هم مختصات دقیقاً معین و هم اندازه حرکت دقیقاً معین داشته باشد. به زبان ساده، یک ذره یا می‌داند که در کجا فرار دارد و یا این که می‌داند که به کجا می‌رود، ولی دانستنِ هر دوی این‌ها به طور هم‌زمان ممکن نیست. متأسفانه در این جا فرصت نیست که به کلیه‌ی معانی جالبی که این قضیه در بر دارد بپردازیم.
در سطح کوانتومی، عدم قطعیت مشابهی در مورد انرژی صدق می‌کند. در فضای کوچکی از فضای تهی، یعنی جایی که هیچ چیز وجود ندارد، حباب کوچکی از انرژی می‌تواند از میان خلأ ظاهر شود به شرط این که طی زمان بسیار کوتاهی، که معادلات کوانتومی آن را تعیین می‌کنند، مجدداً از بین برود. یک چنین حباب انرژی کم عمری را افت و خیز خلأ می‌نامند. چون طبق معادلات اینشتین، انرژی معادل جرم است، این انرژی نامعلوم می‌تواند حتی به یک جفت ذره مبدل شود به شرط آن که فوراً از بین برود. (به خاطر سایر قوانین کوانتومی که در این جا به آن‌ها پرداخته نمی‌شود باید حداقل یک جفت ذره موجود باشد.) این تعریف گرچه ممکن است عجیب به نظر آید، ولی وصف فضای خلأ به عنوان گرداب متلاطم ذراتی که در جزء کوچکی از ثانیه به وجود می‌آیند و از بین می‌روند، ارکان فیزیک مدرن را تشکیل می‌دهد. اما بر سرِ چنین ذرات مجازی که در کنار یک سیاه‌چاله خلق می‌شوند چه می‌آید؟
در ذهن هاوکینگ این فکر جرقه زد که درست روی لبه‌ی یک سیاه‌چاله، در فاصله‌ی بسیار کمی از بالای افق روی‌داد، یک جفت ذره‌ی مجازی می‌تواند به وجود آید. ممکن است که یکی از آن ذرات به طور تصادفی به طرف داخل سیاه‌چاله حرکت کند و ذره‌ی دیگر به طرف خارج آن برود. چون ذرات تنها به صورت جفت می‌توانند خلق شوند بنا بر این تنها به صورت جفت هم می‌توانند نابود شوند. ولی در مدتی کم‌تر از آن‌چه نابودی یک جفت ذره طول می‌کشد یکی از ذرات برای همیشه در داخل سیاه‌چاله از بین رفته و دیگری گریخته است. به نظر می‌رسد که قواعد عدم قطعیت نقض شده باشند زیرا ظاهراً از میان عدم مطلق، یک ذره خلق شده است. ولی هاوکینگ نشان داد که جرم-انرژی لازم برای خلق یک ذره، از گرانش سیاه‌چاله به وجود آمده است. در نتیجه سیاه‌چاله عملاً مقداری از جرمش را از دست داده است و کمی کوچک‌تر شده است. با این روند که در سراسر افق روی‌داد جریان دارد و به تبخیر هاوکینگ معروف است سیاه‌چاله باید به آرامی کوچک‌تر شود و جرمش به تعداد بسیار زیادی از ذرات بنیادی تبدیل گردد. در نتیجه هر سیاه‌چاله‌ای یک دمای ذاتی دارد (رابطه‌اش با ترمودینامیک) و ممکن است مآلاً به قدری کوچک شود که افق روی‌داد ناپدید شده و تکینگی درون آن آشکار شود.
گرچه قبول این فرضیه برای فیزیک‌دان‌ها دشوار است، ولی آن‌ها تاکنون نتوانسته راهی برای رد این امکان بیابند. اما هاوکینگ با عریان ساختن تکینگی درون سیاه‌چاله‌ها، طی دهه‌های اخیر به بهترین وجه توانسته است تکینگی موجود در بدو پیدایش عالم را عیان نماید. به نظر هاوکینگ، درست همان طور که فیزیک کوانتومی مرز پیرامون سیاه‌چاله را از میان برمی‌دارد ممکن است تکینگی آغاز عالم را نیز از میان بردارد. وی می‌گوید: «لحظه‌ی پیدایش عالم متضمن یک لبه یا یک مرز زمانی برای عالم است.» ولی «هنگامی که از دیدگاه فیزیک کوانتومی به مسأله نگاه می‌کنیم این امکان هست که بتوان تکینگی را حذف کرد و ممکن است فضا و زمان به همراه یک‌دیگر سطح بسته‌ی چهار بعدی‌ای را تشکیل دهند که مثل سطح زمین بدون مرز و لبه است ولی دو بعد اضافی دارد. این بدان معناست که عالم مستلزم هیچ شرط مرزی نبوده است ... هیچ تکینگی‌ای نبوده است که قوانین فیزیک در آن نقض شوند.» هاوکینگ می‌گوید که چهار بعد عالم (سه بعد فضایی و یک بعد زمانی) مثل سطح دو بعدی زمین هستند؛ سطح زمین، بسته است. به این معنا که هیچ لبه‌ای وجود ندارد که از آن بیفتیم، یعنی سطح زمین مرز ندارد گرچه از نظر مساحت، محدود است. برای فهم بهتر این قیاس، باید هر سه بعد فضا را به عنوان یک خط واحد دایره‌ای (مدار) در نظر گرفت که از شرق تا غرب به دور زمین کشیده شده است. جهت زمان به وسیله‌ی خطوط طولی که از یک قطب تا قطب دیگر امتداد دارد مشخص می‌شود.





در این تصویر، قطب شمال مبین زمان صفر یا تولد عالم در انفجار بزرگ است. خط عرضی در قطب، هیچ بعدی ندارد. به موازات انبساط عالم از انفجار بزرگ می‌بینیم که خطوط متوالی عرضی به استوا نزدیک‌تر می‌شوند. با گذشت زمان (یعنی افزایش فاصله از قطب شمال) خطوط درازتر می‌شوند – یعنی، عالم منبسط می‌شود. ولی در قطب شمال هیچ لبه‌ی زمانی وجود ندارد، همان طور که هیچ لبه‌ی جهانی‌ای هم وجود ندارد. آن‌جا صرفاً مکانی است که کلیه‌ی پیکان‌های زمانی به طرف جلو نشانه رفته‌اند، درست همان طور که در سطح زمین کلیه‌ی جهت‌های فضایی، از قطب شمال به طرف جنوب سمت‌گیری شده‌اند. تا این جا درست. ولی وقتی به خط استوا می‌رسیم چه اتفاقی می‌افتد؟ خوب، وقتی خطوط متوالی عرضی را ادامه می‌دهیم کوچک‌تر می‌شوند. عالم کوچک‌تر می‌شود تا این که در قطب جنوب، یعنی نقطه‌ی مقابل انفجار بزرگی که از آن پدید آمده بود، ناپدید می‌شود. حال با توجه به تصویری که هاوکینگ ترسیم کرده، در جهان واقعی این اتفاق چگونه می‌توانست به وقوع بپیوندد؟ یکی از احتمالاتی که امروزه به طور جدی مطرح است این است که کل عالم ممکن است چیزی بیش از یک افت و خیز خلأ در مقیاسی عظیم نباشد. برای اغلب ما حتی یک لحظه تصور این که پیدایش عالم ممکن است از یک جفت ذره باشد که از عدم مطلق ناشی شده‌اند بسیار دشوار است. ولی به قول لوئیس کارول، برای کیهان شناسان اصلاً مشکل نیست که قبل از خوردن صبحانه به سه چیز غیر ممکن معتقد باشند. فیزیک‌دانی امریکایی خاطر نشان کرده است که گرچه طول عمر جفت ذره‌های مجازی را مقدار جرم-انرژی‌شان محدود می‌کند اما امکان این هست که کل عالم از میان عدم مطلق، یا انرژی خالص صفر خلق شده باشد. در این صورت، طول عمر آن به واسطه‌ی هیچ شرایطی محدود نمی‌شود زیرا معادلات کوانتومی همواره در حال تعادل هستند.
آن‌چه گفته شد مبتنی است بر نحوه‌ی انبار شدن انرژی در یک میدان گرانشی. از آن‌جا که جرم-انرژی یک ذره همواره مثبت است انرژی میدان جاذبه همیشه منفی است. به این ترتیب جهان ما ممکن است به منزله‌ی حباب کوچکی در فضا-زمان متولد شده باشد. این شگرد تنها موقعی موفقیت آمیز از آب درمی‌آید که جرم کافی وجود داشته باشد تا تضمین کند که خودِ جهان هستی یک نوع سیاه‌چاله است و به واسطه‌ی نیروی جاذبه‌اش رابطه‌ی آن با تمام ذرات خارجی قطع شده است. در آغاز، کیهان شناسان فکر می‌کردند که چنین جهان نوزادی، بی‌درنگ از هم پاشیده و ناپدید خواهد شد. اما اخیراً نظریه‌ی عالم تورمی نشان می‌دهد که چگونه هسته‌ی کوچک و فوق العاده متراکم ماده می‌تواند منفجر شود و انفجار بزرگ معروف را به وجود آورد.
به این ترتیب کیهان شناسان تعریف کاملی از این که جهان ما از کجا می‌آید و به کجا می‌رود ارائه می‌دهند. در واقع ما درون یک سیاه‌چاله‌ی غول آسا زندگی می‌کنیم که شامل کل کائنات می‌شود. این جهان که از میان عدم مطلق متولد شده است به عنوان یک افت و خیز کوانتومی خلأ، به مدت پانزده میلیارد سال در حال انبساط بوده، ولی آهنگ این انبساط دائماً رو به کاهش است. در آینده‌ای دور (که به ده‌ها میلیارد سال نمی‌رسد) نیروی جاذبه به طور اجتناب ناپذیر این انبساط را متوقف و سپس آن را معکوس خواهد کرد. تا ده‌ها میلیارد سال دیگر، تأثیر این روند بر ستاره‌ها، سیارات، و هر شکلی از حیات پیرامون ما کم‌تر از آن خواهد بود که موجب نگرانی باشد. ولی نهایتاً همه‌ی کهکشان‌ها به یک‌دیگر خواهند پیوست. ستارگان با یک‌دیگر تصادم خواهند کرد و به صورت توده‌ی بی‌شکل نامنظمی درخواهند آمد و سرانجام عالم از میان خواهد رفت و مانند هر نوسان دیگری از خلأ نابود خواهد شد. کسانی هم که از فانی بودن جهان دل‌تنگ می‌شوند اگر بدانند که جهان‌های دیگری نیز باید در لایتناهی فضا-زمان وجود داشته باشد که بعضی از آن‌ها قبل از ما بوده‌اند و بعضی بعد از ما می‌آیند و بعضی به یک معنا در کنار ما به حیات خود ادامه می‌دهند مایه‌ی تسلای خاطشان خواهد بود.