جهان باورنکردنی همزاد ما

نویسنده: محمود حاج زمان

زیرعنوان: آیا دنیایی در همسایگی ما وجود دارد که زمان در آن به عقب می‌رود؟

فیزیک مدرن، مه بانگ را آغاز جهان می‌داند؛ اما شاید مه بانگ نه یک جهان، بلکه دو جهان را خلق کرده باشد. یکی از این جهان‌ها، دنیای ماست؛ جایی که در آن زمان روال عادی و رو به جلوی خود را دارد. جهان دوم، دنیای دوقلویی است که در آن زمان به طرف عقب حرکت می‌کند. این جهان دوم، که در سمت دیگر مه بانگ قرار گرفته، برای ساکنانش کاملاً عادی به نظر می‌رسد؛ با ستارگان و کهکشان‌هایی که مانند جهان ما، از انجماد خرده‌های سرد شده‌ی مه بانگ شکل گرفته اند. تنها تفاوت این جاست که اگر می‌توانستیم از میان مه بانگ به این همزاد کیهانی خود نگاهی بیندازیم، زمان رو به عقب این جهان شبیه جهانی معکوس به نظر می‌رسید.
***
شاید جملات آغازین به نظر عجیب و تا حدی مسخره باشد، اما واقعیت خلاف این است. دکتر «جولیان باربور» از دانشگاه آکسفورد، دکتر «کیم کوشلوفسکی» از دانشگاه «نیوبرانس ویک» و دکتر «فلاویو مرکاتی» از مرکز تحقیقاتی «perimeter Institute» «اونتاریو»، زمانی به این کشف نائل شدند که مشغول تلاش برای درک یکی از بزرگ ترین معماهای فیزیک بودند: چرا زمان دارای جهت است؟
معمولا این «پیکان» زمانی را به روش‌هایی مانند شکستن تخم مرغ، پیرشدن آدم‌ها و فروریختن قلعه‌ها درک می‌کنیم. ما هرگز ندیده ایم که پوسته‌ی تخم مرغ شکسته‌ای دوباره به هم بچسبد، آدم‌ها جوان شوند یا قلعه‌ها از خاک برخیزند، اما چرا «ندیدن» ما، به آن اندازه‌ای که باید به نظر برسد، بدیهی نیست؟

پیکان زمان

مشکل این جاست که تمام قوانین بنیادین فیزیک، از نظر زمانی تقارن دارند و به اصطلاح، «متقارن زمانی» هستند؛ آن‌ها اجازه می‌دهند رخ دادها به طور مساوی و یک سان، در هر دو جهت رو به جلو و رو به عقب پیش بروند. برای مثال، یک اتم می‌تواند یک فوتون نور از خود ساطع، یا یک فوتون نور را جذب کند. اگر به شما فیلمی از یک اتم نشان داده شود که مشغول انجام چنین کاری است، هرگز قادر نخواهید بود بگویید فیلم در حال پخش عادی است یا پخش در جهت عکس. هر دو رخ داد کاملا منطقی به نظر می‌رسند. در مقابل، اگر به شما تصویری از یک فنجان سالم و یک فنجان خرد شده را نشان دهند، بدون کوچک ترین شکی خواهید گفت تصویر فنجان شکسته بعدا گرفته شده است.
این مساله به «پیکان ترمودینامیکی زمان» معروف است و با تغییر از نظم به بی نظمی ارتباط دارد. به شکلی واضح، این اتفاق تنها در صورتی ممکن است رخ دهد که جهان در گذشته، در وضعیتی منظم تر بوده باشد. اما مشکل این جاست که یک وضعیت منظم، وضعیتی خاص و استثنایی به شمار می‌رود؛ موضوعی که برای علم فیزیک غیرقابل پذیرش است.
در قرن نوزدهم، فیزیک دانی آلمانی به نام «لودویگ بولتزمان» حدس زد که گرچه جهان در حالت کلی بی نظم است، اما به دلیل اتفاقی خارق العاده، ما در موقعیتی بسیار منظم ظهور کرده‌ایم. این وضعیت را می‌توان به عنوان یک «نوسان آماری» کم یاب در نظر گرفت، که همان هم ارز دانستن کیهان با فنجانی سالم است. از نظر بیشتر فیزیک دانان، این نتیجه گیری خرسندکننده‌ای نیست؛ چرا که صرفاً خاص بودن دنیای ما را بر حسب یک سری خاص بودن‌های دیگر نشان می‌دهد.
مدت‌ها پس از بولتزمان، دانشمندان کشف کردند که جهان 13 میلیارد و 820 میلیون سال پیش، در انفجاری عظیم موسوم به مه بانگ شکل گرفته و همه‌ی کهکشان‌ها (از جمله راه شیری ما)، از به هم پیوستن خرده‌های سردشده‌ی این انفجار تشکیل شده اند. این کشف، سوال درباره‌ی منشاء پیکان زمان را در معرض توجه تیزتری قرار می‌دهد. اکنون مشخص شده که مه بانگ باید در یک وضعیت خاص و بسیار منظم رخ داده باشد. مجددا هضم این مساله، برای فیزیک دانان بسیار سخت و غامض است.
یک احتمال منطقی دیگر این است که جهان از نظم به بی نظمی حرکت می‌کند. این امر به دلیل آن نیست که جهان درگذشته فوق العاده منظم بوده، بلکه به دلیل چشم انداز نامحدودی از بی نظمی فزآینده در آینده است. این احتمال از سوی «شن کارول» و «جنیفر چن» از موسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (کلتک) مطرح شد. یکی از نظریات محبوب درباره‌ی منشا عالم «تورم ازلی» (Eternal inflation) است. در این نظریه، جهان به تولید جهان‌های خردسال ادامه می‌دهد، که به نوبه‌ی خود آن‌ها نیز جهان‌های خردسال دیگری را پدید می‌آورند و ماجرا همین طور ادامه می‌یابد. کارول و چن ادعا می‌کنند این نظریه تضمین می‌کند جهان پیچیده تر و بی نظم تر می‌شود، در نتیجه همواره چشم اندازی برای بی نظمی فزآینده وجود دارد.

قوانین مشکل زا

نکته‌ی مشترک در گذشته‌ی فوق منظم و آینده‌ی فوق بی نظم، این است که آن‌ها به ترتیب شرایط «ابتدایی» و «نهایی»‌ای هستند که توسط قوانین فیزیک تحمیل شده اند. اما اگر این، خود قوانین فیزیک باشند که پیکان زمانی را تحمیل می‌کنند، تکلیف چیست؟ در تحقیقی که نتایج آن در اکتبر 2014/ مهرماه 1393 منتشر شد، «باربور» و همکارانش به کشفی غیرمنتظره رسیده بودند که بیان می‌شد شاید دقیقا همین اتفاق باشد.
گروه باربور، هزار ذره‌ی پرجرم شناور در فضا را شبیه سازی کرد. در کارهای پیشین، فیزیک دانان کشف کرده بودند، چنین گروه بزرگی از ذرات که تنها تحت تاثیر نیروی کشش ناشی از گرانش متقابل خود هستند، تمایل دارند پس از گذشت مدت زمانی طولانی در گروه‌های کوچک اجتماع کنند. این گروه‌ها، عموما به شکل جفت اجرامی دیده می‌شوند که به دور هم در گردشند. باربور و گروهش این حالت را به عنوان نقطه‌ای آغاز فرض کردند و توانستند شبیه سازی کنند که برای هر ذره‌ی آن‌ها، چه اتفاقی می‌افتد، بدون آن که هیچ مرجع زمانی را در نظر بگیرند. آن‌ها در کار خود از فرمول بندی فضایی خاصی کمک گرفتند که بین فیزیک دانان به نان «پویایی شکلی» (shape Dynamics) شناخته می‌شود. در این فرمول بندی، تنها شکل آرایش ذرات (و نه جدایی مطلق آن‌ها)، مهم است. در پویایی شکلی، نسبت بزرگ ترین فاصله‌ی ذرات به کوچک ترین فاصله را می‌توان به عنوان معیاری از پیچیدگی در نظر گرفت.
گروه تحقیقاتی باربور کشف کرد که در هر چیدمان اولیه، خوشه ابتدا به وضعیت پیشینه‌ی تراکم و کمینه‌ی پیچیدگی می‌رود، که آن‌ها آن را با مه بانگ هم بسته گرفتند. اما از این وضعیت به بعد، اجتماع ذرات می‌توانست در دو راه ممکن به فرگشت خود ادامه دهد. باربور می‌گوید: «ویژگی کلیدی مدل این است که هر راه حل منفردی، دو پیکان زمانی مخالف جهت دارد. این نتیجه گیری کاملا جدید است. دیگر راه حل‌های ارائه شده که من از آن‌ها اطلاع دارم، همگی برای وجود یک پیکان زمانی، نیازمند وضعیت اولیه، نهایی یا هر دوی آن‌ها هستند که باید به عنوان شرایط اولیه به قوانین حاکم بر مساله اضافه شود.»

آن سوی دیگر

این تحقیق پیشنهاد می‌کند که ما در یک جهان زندگی می‌کنیم، اما جهان دیگری نیز در «آن سوی دیگر مه بانگ» وجود دارد که زمان در آن نسبت به ما، به سمت عقب حرکت می‌کند. در چنین تصویری، بر خلاف آنچه همگان تصور می‌کردند، مه بانگ آغاز عالم نیست، بلکه صرفاً نقطه‌ی میانی حیات آن است. جهان همزاد ما برای ساکنانش، همان گونه به نظر می‌رسد که ما جهان رو به انبساط خودمان را می‌بینیم، البته شاید کهکشان‌ها و ستارگان متفاوتی داشته باشد. اگر بتوانیم دنیای دوقلوی خود را ببینیم، انتظار می‌رود همه چیز در آن جا به سمت عقب حرکت کند؛ مثل فیلمی که روی دور برگشت گذاشته باشید. اما باربور می‌گوید نمی توان چنین ادعایی را مطرح کرد؛ «مدل ما خیلی ساده بود؛ ما مجبور بودیم تنها به اندازه‌ای نور بتابانیم که بتوانیم مشاهدات خود را انجام دهیم و به پرسش‌هایی از این قبیل، پاسخ گوییم.»
در سناریوی گروه باربور، قانون گرانش هم پیکان زمانی تولید می‌کند هم نمی کند. گرچه ساکنان هر کدام از دنیاها یک پیکان زمانی را تجربه می‌کنند، اما این دو پیکان مخالف جهت اند و در مجموع همدیگر را خنثی می‌کنند. به نظر می‌رسد منبع جهت پیکان زمان، قانون گرانش باشد. این موضوع بسیار غیرمنتظره است، چرا که قانون گرانش متقارن زمانی است. باربور می‌گوید: «این جنبه از نخستین باری که در سال 1772 توسط لاگرانژ کشف شد، تاکنون در قانون گرانش نیوتن مغفول باقی مانده بود.» دکتر «لی اسمولین» از موسسه‌ی perimeter نیز معتقد است: «این موضوع در درک ما از نامتقارنی زمانی جهان اهمیت بالایی دارد. به نظر من این تمام ماجرا نیست، اما بینش و درک مهمی است. »
مدل باربور، مدل ساده‌ای است که تنها گرانش نیوتنی را در نظر می‌گیرد. با این وجود، جهان ما تنها با قانون گرانش نیوتن اداره نمی شود، بلکه نظریه‌ای پیچیده تر نسبیت عام اینشتین نیز در اداره‌ی آن دخیل است. با این حال فیزیک دانان عقیده دارند جنبه‌هایی از گرانش نیوتن که به نتیجه گیری‌های فعلی منجر شده، در نظریه‌ی نسبیت اینشتین نیز وجود دارد.
باربور هشدار می‌دهد تمام چیزی که گروهش نشان داده اند این است که پیکانی گرانشی برای زمان وجود دارد؛ جهتی از زمان که به طور طبیعی در سامانه‌هایی که تحت اثر گرانش نیوتنی هستند، پدیدار می‌شود. با این حال، او باور دارد شاید بتوان نشان داد پیکان ترمودینامیکی زمان، که زندگی روزمره‌ی ما را کنترل می‌کند و باعث شکستن فنجان‌ها و پیرشدن افراد می‌شود، پی آمد طبیعی پیکان گرانشی زمان باشد. باید صبر کرد و دید که در آینده، چه کشفیات باورنکردنی دیگری در انتظار ماست.