فرض کنید بتوانیم همهچیز را از جهان حذف کنیم؛ اول انسانها، زمین و خورشید، بعد همه ستارهها و کهکشانها، سپس تکتک اتمها، ذرات و حتی نور. شاید فکر کنید با حذف همه چیز، درنهایت به هیچ و فضایی کاملاً خالی و تاریک میرسیم. اما حتی در این حالت نیز هنوز فضا وجود دارد، زمان میگذرد و قوانین فیزیک و میدانهای کوانتومی برقرارند.
حالا فرض کنیم خود فضا، زمان، ماده، انرژی و حتی قوانین فیزیک را نیز حذف کنیم. در این صورت دیگر نه جایی وجود دارد، نه زمانی، نه ذرهای و نه قانونی که مشخص کند چه اتفاقی میتواند رخ دهد. آیا این همان هیچ مطلق است؟
اگر چنین وضعیتی ممکن باشد، یک سؤال مهم پیش میآید: چرا بهجای هیچ، اصلاً چیزی وجود دارد؟ این مسئله یکی از بنیادیترین پرسشها درباره وجود است. فیزیک امروز میتواند تاریخ جهان را تا میلیاردها سال قبل بررسی کند، اما وقتی میپرسیم «چرا اصلاً چیزی وجود دارد؟»، دیگر پاسخ فقط در حوزه فیزیک نیست و وارد بحثهای فلسفی میشویم.
هیچ آنقدرها هم خالی نیست
برای شروع باید یک مشکل اساسی را حل کنیم: وقتی میگوییم هیچ، دقیقاً درباره چه چیزی حرف میزنیم؟ در زندگی روزمره، وقتی میگوییم چیزی خالی است، منظورمان این نیست که واقعاً هیچچیز در آن وجود ندارد. مثلاً یک جعبه خالی هنوز پر از مولکولهای هواست. حتی اگر بیشتر هوا را با یک پمپ خارج کنیم، باز مقداری ماده باقی میماند. فضای میان ستارهها و کهکشانها نیز کاملاً خالی نیست.
حالا فرض کنید بتوانیم تمام ذرات و تابش را از بخشی از فضا بیرون بکشیم. آیا آن ناحیه واقعاً به هیچ تبدیل میشود؟ نه. در فیزیک کوانتوم، ذرات مستقل از میدانها نیستند؛ هر ذره به یک میدان بنیادی مربوط است. مثلاً الکترون از میدان الکترونی و فوتون از میدان الکترومغناطیسی بهوجود میآید. بنابراین، حتی اگر هیچ ذرهای در یک ناحیه نباشد، میدانهای بنیادی همچنان آنجا هستند.
بههمیندلیل، خلأ کوانتومی به معنای نبود کامل همهچیز نیست. خلأ کوانتومی در واقع پایینترین حالت انرژی میدانهای کوانتومی است. یعنی ممکن است ذرهای وجود نداشته باشد، اما میدانها و ساختار فیزیکی فضا هنوز وجود دارند.
گاهی برای سادهسازی گفته میشود ذرات مجازی از خلأ ظاهر میشوند و دوباره از بین میروند. این تصویر میتواند برای توضیح اولیه مفید باشد، اما نباید آن را بهمعنای واقعی بهوجود آمدن ذرات از هیچ در نظر گرفت. نکته مهم این است که خلأ کوانتومی خودش یک وضعیت فیزیکی با ویژگیهای مشخص است. پس خلأ با هیچ مطلق فرق دارد.
حتی اگر تمام ماده و انرژی را حذف کنیم، هنوز ممکن است فضا، زمان، میدانهای کوانتومی و قوانین فیزیک وجود داشته باشند. اما هیچ مطلق یعنی هیچکدام از اینها وجود نداشته باشند؛ نه ماده، نه انرژی، نه فضا، نه زمان و نه حتی قانونی برای توصیف آنچه ممکن است رخ دهد. پس حتی اگر بگوییم جهان از خلأ کوانتومی بهوجود آمده است، باز هم یک پرسش باقی میماند: خود خلأ کوانتومی، میدانها و قوانین فیزیک از کجا آمدهاند؟
بیگبنگ: انفجاری که در جایی اتفاق نیفتاد
وقتی از منشأ جهان حرف میزنیم، اولین چیزی که به ذهن خیلیها میرسد، بیگبنگ است. اما برداشت رایج از بیگبنگ اغلب اشتباه است. خیلیها تصور میکنند ابتدا هیچچیز وجود نداشت، بعد نقطهای بسیار کوچک در دل تاریکی منفجر شد و ماده را به فضای خالی اطراف پرتاب کرد.
تقریباً تمام بخشهای این تصور نادرست است. بیگبنگ انفجاری درون فضا نبود؛ در واقع، خود فضا در حال انبساط بود. یعنی جهان در یک نقطه از فضای خالی منفجر و ماده به اطراف پرتاب نشد. بنابراین، بیگبنگ مرکز مشخصی ندارد.
آنچه با اطمینان بیشتری میدانیم این است که جهان در گذشته بسیار داغتر و چگالتر بوده و طی حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال، پیوسته منبسط و سرد شده است. شواهد متعددی از انبساط کیهانی و فراوانی عناصر سبک تا تابش زمینهی کیهانی، نیز این تصویر را تأیید میکنند.
حدود ۳۸۰ هزار سال پس از آغاز جهان داغ، دما آنقدر کاهش پیدا کرد که الکترونها توانستند به هستهها متصل شوند و اتمهای خنثی شکل بگیرند. تا پیش از آن، جهان پر از پلاسمای داغ بود و نور نمیتوانست آزادانه در آن حرکت کند. با تشکیل اتمها، جهان شفاف شد و نور توانست در فضا منتشر شود. آن نور هنوز از تمام جهتها به ما میرسد و امروز آن را با نام تابش زمینه کیهانی یا CMB میشناسیم؛ نوری بسیار قدیمی که تصویری از جهان در حدود ۳۸۰ هزار سالگی به ما میدهد.
تصویری از جهان وقتی هنوز خیلی جوان بود: این نقشه، تابش زمینه کیهانی را نشان میدهد؛ نوری که حدود ۳۸۰ هزار سال بعد از بیگبنگ در جهان پخش شد. تفاوت رنگها، تغییرات خیلی کوچک دما را نشان میدهند؛ همان تغییراتی که بعدها زمینهساز شکلگیری ستارهها، کهکشانها و ساختارهای بزرگ کیهان شدند.
اما هرچه به گذشته دورتر جهان برگردیم، دما و چگالی بیشتر میشود و درنهایت به نقطهای میرسیم که نظریههای فعلی دیگر نمیتوانند شرایط جهان را با اطمینان توضیح دهند. اینجاست که بحث تکینگی مطرح میشود. اگر معادلات نسبیت عام را تا نخستین لحظات جهان به عقب ببریم، به شرایطی میرسیم که در آن چگالی و خمیدگی فضاـزمان بهسمت بینهایت میروند.
اما این لزوماً به این معنا نیست که واقعاً نقطهای با چگالی بینهایت وجود داشته است. ممکن است تکینگی فقط نشان دهد که نسبیت عام در چنین شرایطی دیگر کافی نیست و برای توضیح آن دوران به نظریهای بهنام گرانش کوانتومی نیاز داریم، نظریهای که هنوز شکل کامل و تأییدشدهای ندارد.
یکی از مهمترین توضیحات درباره جهان بسیار اولیه، تورم کیهانی است؛ دورهای بسیار کوتاه که در آن فضا با سرعتی بسیار زیاد منبسط شد. این ایده کمک میکند یکنواختی جهان در مقیاسهای بزرگ و نزدیکبودن هندسه آن به حالت تخت را توضیح دهیم. الگوهای دیده شده در تابش زمینه کیهانی نیز با بسیاری از پیشبینیهای تورم سازگار هستند.
بااینحال، هنوز دقیقاً نمیدانیم تورم چگونه آغاز شد، چه چیزی آن را متوقف کرد یا پیش از آن چه اتفاقی افتاده بود. حتی برخی از نشانههایی که میتوانند تورم را تأیید کنند، هنوز بهطور قطعی مشاهده نشدهاند. بنابراین بیگبنگ پاسخ پرسش «چرا جهان وجود دارد؟» نیست. این نظریه بیشتر توضیح میدهد که جهان در مراحل بسیار اولیه چگونه تحول پیدا کرده است، نه اینکه چرا اصلاً جهان یا واقعیتی وجود دارد.
از لرزشهای کوانتومی تا کهکشانها؛ آیا هیچ جهان را ساخت؟
یکی از نکات جالب درباره جهان اولیه این است که ساختارهای عظیمی که امروز میبینیم، احتمالاً از نوسانهای بسیار کوچک کوانتومی آغاز شدهاند. طبق مدلهای تورمی، در دوره انبساط سریع جهان، این نوسانهای ریز به مقیاسهای بسیار بزرگ کشیده شدند و تفاوتهای کوچکی در چگالی بهوجود آوردند. بعدتر، گرانش همین تفاوتها را تقویت کرد؛ نواحی کمی متراکمتر، ماده بیشتری جذب کردند و بهتدریج زمینه شکلگیری ستارهها، کهکشانها و خوشههای کهکشانی فراهم شد.
رد این تفاوتهای اولیه هنوز در تابش زمینهی کیهانی دیده میشود. CMB کاملاً یکنواخت نیست و تغییرات بسیار کوچکی در دمای آن وجود دارد که اطلاعات مهمی درباره شرایط جهان اولیه در اختیار ما میگذارد. اما از اینجا نمیتوان نتیجه گرفت که جهان از هیچ بهوجود آمده است. حتی اگر جهان از یک خلأ کوانتومی، میدان تورمی یا حالت کوانتومی اولیه شکل گرفته باشد، باز هم نقطه شروع هیچ مطلق نیست؛ چون هنوز نوعی وضعیت فیزیکی، ساختار و قوانین مشخص وجود دارند.
وقتی میخواهیم هیچ را تصور کنیم، معمولاً فضایی تاریک و خالی در ذهنمان میسازیم. اما همان فضای خالی هم هنوز فضا دارد، زمان در آن میگذرد و ما ناخودآگاه قوانین فیزیک و منطق را حفظ کردهایم. هیچ مطلق باید از همه اینها خالی باشد
در برخی مدلهای کیهانشناسی این احتمال مطرح شده که انرژی ماده و تابش، با سهم گرانشی جهان تا حدی یکدیگر را خنثی کنند؛ بهطوریکه مجموع انرژی جهان بسیار کم یا حتی نزدیک به صفر باشد. در چنین تصویری، پیدایش جهان میتواند در قالب یک فرایند کوانتومی بررسی شود.
اما حتی اگر این مدل درست باشد، هنوز به هیچ مطلق نرسیدهایم. چون برای رخدادن چنین فرایندی، باید یک چارچوب کوانتومی، قوانین فیزیک و امکان وقوع آن وجود داشته باشد. بنابراین پرسش بنیادی همچنان باقی میماند: چرا اصلاً چنین قوانین و ساختاری وجود دارند؟
یک سوءبرداشت رایج این است که مکانیک کوانتوم اجازه میدهد انرژی برای مدت کوتاهی از هیچ بهوجود بیاید. اما اصل عدم قطعیت چنین معنایی ندارد و بهسادگی نمیتوان از آن نتیجه گرفت که قانون بقای انرژی نقض میشود. از طرف دیگر، در کیهانشناسی تعریف انرژی کل جهان هم بهمراتب پیچیدهتر از یک سیستم معمولی آزمایشگاهی است.
بنابراین، فیزیک کوانتوم نشان میدهد خلأ، چیزی فراتر از فضای کاملاً خالی است و نوسانهای کوانتومی میتوانند در شکلگیری ساختارهای جهان نقش داشته باشند. اما هیچکدام از اینها به این معنا نیست که فیزیک ثابت کرده جهان از هیچ مطلق بهوجود آمده است.
قبل از بیگبنگ چه بود؟ شاید سؤال را اشتباه میپرسیم
قبل از بیگبنگ چه اتفاقی افتاد؟ این سؤال کاملاً طبیعی است، چون در تجربه روزمره، هر رویدادی چیزی پیش از خودش دارد. قبل از شکلگیری زمین، منظومه شمسی وجود داشت و پیش از آن، ابرهای گاز و غبار. بههمیندلیل، ذهن ما بهطور طبیعی دنبال چیزی میگردد که پیش از آغاز جهان وجود داشته باشد. اما اینجا یک نکته مهم وجود دارد: زمان خودش بخشی از جهان فیزیکی است.
طبق نسبیت، زمان چیزی جدا از جهان نیست که مستقل از آن جریان داشته باشد. فضا و زمان با هم فضاـزمان را میسازند و ساختار آن با ماده و انرژی ارتباط دارد. بنابراین، اگر زمان در آغاز جهان شروع شده باشد، پرسیدن در مورد قبل از آن شاید اصلاً معنای فیزیکی مشخصی نداشته باشد؛ شبیه اینکه بپرسیم «شمالِ قطب شمال کجاست؟»
البته هنوز نمیدانیم که زمان واقعاً یک آغاز مطلق داشته است یا نه. برای توضیح گذشتهی بسیار دور جهان، مدلهای مختلفی پیشنهاد شدهاند که هرکدام تصویر متفاوتی از آنچه ممکن است پیش از مرحله فعلی انبساط وجود داشته باشد، ارائه میدهند.
در مدلهای جهشی، جهان پیش از انبساط فعلی در حال انقباض بوده و سپس بهجای رسیدن به یک تکینگی، وارد مرحلهای تازه از انبساط شده است. در مدلهای چرخهای، این فرایند ممکن است بارها تکرار شود؛ یعنی جهان دورههایی از انبساط و انقباض را پشت سر بگذارد.
برخی مدلهای گرانش کوانتومی نیز پیشنهاد میکنند که در نخستین لحظات، خود فضا و زمان رفتاری متفاوت از چیزی داشتهاند که امروز میشناسیم. در چنین شرایطی، شاید مفهوم معمول قبل دیگر کاربرد نداشته باشد.
ایده بدون مرز هارتل و هاوکینگ نیز تلاش میکند آغاز جهان را بدون یک مرز زمانی مشخص توصیف کند. در این مدل، جهان لزوماً از یک لحظه اول به معنای معمول آغاز نمیشود، بلکه نزدیک به آغاز، تفاوت میان زمان و ابعاد فضایی کمرنگ میشود و پرسش درباره «قبل از آن چه بود؟» ممکن است اساساً معنای مشخصی نداشته باشد. بااینحال، همه اینها هنوز مدلهای نظری هستند و هیچکدام بهطور قطعی با شواهد تجربی تأیید نشدهاند.
حتی تورم کیهانی نیز پاسخ نهایی درباره گذشتهی جهان نیست. قضیه بورد–گات–ویلنکین نشان میدهد که در بسیاری از مدلها، اگر جهان در گذشته بهطور متوسط در حال انبساط بوده باشد، نمیتوان این روند را تا بینهایت به عقب ادامه داد. یعنی در نقطهای، برای توضیح گذشته دورتر به فیزیک یا مدلی فراتر از تورم نیاز داریم.
البته این نتیجه ثابت نمیکند که جهان از هیچ بهوجود آمده یا حتماً یک لحظه آغاز مشخص داشته است. فقط میگوید تورم بهتنهایی نمیتواند تمام تاریخ گذشته جهان را توضیح دهد. بنابراین، وقتی میپرسیم «قبل از بیگبنگ چه بود؟»، هنوز پاسخ قطعی نداریم. ممکن است مرحلهای پیش از آن وجود داشته باشد، شاید زمان از نقطهای آغاز شده باشد و حتی احتمال دارد مفهوم قبل در آن شرایط اصلاً معنای معمول خود را نداشته باشد.
نمایی شماتیک از سناریوهای مختلف درباره گذشته کیهان؛ از جهانهای جهشی و چرخهای تا ایده بدونمرز هارتل–هاوکینگ و محدودیتهای تورم کیهانی. این مدلها نشان میدهند که پرسش «پیش از بیگبنگ چه بود؟» ممکن است پاسخ واحدی نداشته باشد و حتی مفهوم قبل در آغاز کیهان معنای معمول خود را از دست بدهد.
چرا قوانین جهان دقیقاً همین قوانین هستند؟
فرض کنیم روزی فیزیکدانان بتوانند منشأ بیگبنگ را بهطور کامل توضیح دهند، مثلاً بفهمند تورم کیهانی چگونه آغاز شده است یا نظریهای کامل از گرانش کوانتومی پیدا کنند که نخستین مراحل جهان را توصیف کند. آیا در آن صورت پرسش اصلی حل شده است؟ نه لزوماً. چون بلافاصله سؤال دیگری پیش میآید: چرا قوانین جهان دقیقاً همین شکل را دارند؟
چرا جرم الکترون این مقدار است؟ چرا نیروهای بنیادی شدتهای مشخصی دارند؟ چرا ثابت کیهانشناختی مقداری را دارد که امروز اندازه میگیریم؟ آیا این مقادیر از یک نظریه بنیادیتر بهدست میآیند یا ممکن بود جهان با اعداد و قوانین دیگری شکل بگیرد؟
این پرسشها فقط جنبه فلسفی ندارند و در فیزیک بنیادی هم جدی گرفته میشوند. یکی از مفاهیم مهم در این بحث، طبیعیبودن است، یعنی بررسی اینکه آیا مقادیر بعضی کمیتهای فیزیکی بهطور طبیعی از دل نظریه بهدست میآیند یا برای توضیح آنها به تنظیمهای بسیار دقیق و غیرمنتظره نیاز داریم. جرم هیگز و ثابت کیهانشناختی دو نمونه مشهور از این مسئلهاند.
ثابت کیهانشناختی یکی از روشنترین نمونههای این مشکل است. محاسبات نظری انرژی خلأ در فیزیک کوانتومی، مقداری بهمراتب بزرگتر از چیزی پیشبینی میکنند که از مشاهدات کیهانی بهدست میآید. این اختلاف بزرگ نشان میدهد هنوز درک کاملی از ارتباط میان انرژی خلأ، فیزیک کوانتوم و رفتار جهان در مقیاسهای بزرگ نداریم.
یک احتمال این است که نظریهای بنیادیتر وجود داشته باشد که در آینده نشان دهد این مقادیر اصلاً تصادفی نیستند و از ساختار عمیقتری در طبیعت بهدست میآیند. احتمال دیگری که در بعضی مدلها مطرح میشود، چندجهانی است. یعنی ممکن است جهان ما تنها یکی از جهانهای بسیار زیادی باشد که هرکدام تاریخ و حتی برخی ویژگیهای فیزیکی متفاوتی دارند. در چنین تصویری، عجیب نیست که ما خودمان را در جهانی ببینیم که شرایطش برای شکلگیری ستارهها، سیارهها و درنهایت حیات مناسب است، چون در جهانهایی که چنین شرایطی ندارند، ناظری هم وجود ندارد که این سؤال را مطرح کند.
اما چندجهانی هنوز یک فرضیه تأییدشده نیست. فعلاً شواهد مستقیمی برای وجود جهانهای دیگر نداریم و اینکه یک نظریه چنین احتمالی را مطرح کند، با اثبات وجود آن تفاوت زیادی دارد. حتی اگر روزی مشخص شود چندجهانی واقعاً وجود دارد، پرسش اصلی همچنان باقی میماند: چرا خود چندجهانی و قوانینی که آن را ممکن کردهاند وجود دارند؟ در این حالت، مسئله حل نشده؛ فقط یک مرحله عقبتر رفته است.
تصویری از ایده چندجهانی؛ فرضیهای که میگوید شاید جهان ما تنها یکی از بیشمار جهانهای ممکن باشد، هرکدام با تاریخ، ساختار و شاید حتی قوانین فیزیکی متفاوت.
شاید هیچ اصلاً گزینه طبیعی نباشد
تا اینجا یک فرض پنهان را با خودمان آوردهایم: اینکه هیچ حالت سادهتر و طبیعیتر است و این وجود است که باید توضیح داده شود. اما چرا باید چنین فرضی داشته باشیم؟ چرا فکر میکنیم حالت پیشفرض، نبودن همهچیز است؟
اینجا سؤال کمی پیچیدهتر میشود. شاید هیچ مطلق اصلاً چیزی نباشد که بتواند وجود داشته باشد. البته این به این معنا نیست که علم ثابت کرده وجود جهان اجتنابناپذیر است، فقط نشان میدهد شاید هیچ آنقدر که تصور میکنیم، مفهوم سادهای نباشد.
وقتی میخواهیم هیچ را تصور کنیم، معمولاً فضایی تاریک و خالی در ذهنمان میسازیم. اما همان فضای خالی هم هنوز فضا دارد، زمان در آن میگذرد و ما ناخودآگاه قوانین فیزیک و منطق را حفظ کردهایم. هیچ مطلق باید از همه اینها خالی باشد. حتی عبارت «هیچ وجود دارد» هم تا حدی مسئلهساز است، چون با گفتن آن، نوعی وجود به هیچ نسبت میدهیم.
یک احتمال این است که زنجیره توضیحات جایی تمام شود، یعنی به یک واقعیت بنیادی برسیم که دیگر نتوان آن را با چیزی عمیقتر توضیح داد. شاید هر پاسخ، سؤال تازهای ایجاد کند یا شاید درنهایت به نقطهای برسیم که واقعیت فقط هست.
علم بالاخره چه میگوید؟ نمیدانیم، اما این تازه شروع ماجراست
بعد از تمام این بحثها، یک چیز روشن است: علم میتواند درباره تاریخ جهان چیزهای زیادی بگوید، اما هنوز نمیتواند پاسخ دهد چرا اصلاً جهانی وجود دارد.
ما میدانیم جهان در گذشته بسیار داغتر و چگالتر بوده است، میدانیم کهکشانها و ساختارهای بزرگ از ناهمگنیهای کوچک اولیه شکل گرفتهاند و میدانیم خلأ کوانتومی همان هیچ نیست. اما هنوز نمیدانیم زمان واقعاً آغازی داشته یا نه، پیش از بیگبنگ چه اتفاقی افتاده است و چرا قوانین بنیادی طبیعت دقیقاً همین ویژگیها را دارند.
حتی اگر روزی نظریهای پیدا کنیم که نخستین لحظات جهان را کامل توضیح دهد، باز ممکن است سؤال تمام نشود. میتوانیم بپرسیم: چرا همان نظریه؟ چرا همان قوانین؟ چرا اصلاً چیزی وجود دارد که بتواند از آن پیروی کند؟
شاید هیچ مطلق اصلاً یک امکان واقعی نباشد. شاید وجود در بنیادیترین سطح، توضیح دیگری نخواهد یا شاید هنوز بخشی از فیزیک را نمیشناسیم که پاسخ این پرسش را عوض کند. فعلاً هیچکدام از این احتمالات را نمیتوان با اطمینان تأیید کرد.
همین ندانستن نشان میدهد هنوز تا پاسخ نهایی فاصله داریم. زمانی نمیدانستیم ستارهها از چه ساخته شدهاند، جهان در حال انبساط است یا بیرون از راه شیری کهکشانهای دیگری وجود دارند. امروز پاسخ این پرسشها را میدانیم. شاید سؤال «چرا اصلاً چیزی وجود دارد؟» هم روزی شکل دیگری پیدا کند؛ شاید با کشف نظریهای عمیقتر، بخشی از آن روشن شود. اما فعلاً این پرسش همچنان باز است.
شاید بزرگترین راز جهان نه سیاهچالهها باشد، نه مکانیک کوانتوم و نه حتی بیگبنگ؛ بلکه این باشد که اصلاً چرا چیزی وجود دارد و هنوز پاسخش را نمیدانیم.
