شان کارول: بستر تاریخی زمان و اشاره ای به جهان چندگانه

جهان واقعا بزرگه. ما در یک کهکشان زندگی می کنیم، کهکشان راه شیری. حدود صد میلیادر ستاره در کهکشان راه شیری وجود دارد و اگر شما یک دوربین بردارید و اون 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 یک کهکشانی هستند تقریبا هم اندازه کهکشان ما -- صد میلیارد ستاره در هر کدوم از این نقطه ها تقریبا صد میلیارد کهکشان در جهانی که می توانیم ببینیم وجود دارد. صد میلیارد تنها عددی است که نیاز دارید بدونید. سن جهان، از انفجار بزرگ تا به الان صد میلیارد سال سگی است. (خنده حضار) که یه چیزایی در مورد جایگاه ما در این جهان به شما میگه.
یکی از کارهایی که با عکسی مثل این میتونید انجام بدید اینه که خیلی ساده تحسینش کنید. بی اندازه زیباست. من اغلب تعجب می کنم که فشار تکاملی چیه که باعث شده اجداد ما در Veldt (wide open rural spaces of South Africa or southern Africa) تطبیق و تکامل پیدا کنند تا از عکسهای کهکشانها واقعا لذت ببرند زمانی که اونها هیچ کدوم این عکسها را نداشتند. ولی ما همیشه دوست داریم که این را بفهمیم. به عنوان یک کیهان شناس، می خواهم بپرسم که، چرا جهان به این شکل است؟ یک 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 اون داره از شما دور میشه. و اگر به یک کهکشان باز هم دورتر نگاه کنید، می بینید که با سرعت بیشتری داره دور میشه. بنابراین ما میگیم که جهان در حال انبساط و گسترده شدنه
این به سادگی این معناست که در گذشته، چیزها به هم نزدیکتر بودند. در گذشته، جهان متراکم تر بود و همچنین داغ تر اگر شما چیزها را به هم بفشارید، دما بالا می رود. این قضیه یه جورایی برای ما منطقی و آشناست. چیزی که خیلی به نظرمون منطقی نمیاد اینه که جهان در زمانهای اولیه، نزدیک انفجار بزرگ، بسیار بسیار یک دست هم بود. شما ممکنه فکر کنید که این قضیه خیلی دور از ذهن نیست. هوای داخل این اتاق بسیار ملایم و یک دست است ممکنه بگید که، "خوب، احتمالا این چیزها پخش شدند و خودشون 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 چیزها نزدیک انفجار بزرگ بسیار قویتر بود.
چیزی که شما بایستی به اون فکر کنید اینه که ما جهانی با صد میلیارد کهکشان داریم، هر کدوم با صد میلیارد ستاره در زمانهای اولیه، اون صد میلیارد کهکشان در فضایی به این اندازه فشرده شده بودند -- دقیقا، در زمانهای اولیه. و شما بایستی این فشرده شدن را بدون هیچ نقصی تصور کنید، بدون هیچ لکه و ناهمواری کوچکی بطوریکه یک جاییش تعداد بیشتری اتم از یه جای دیگه اش داشته باشه وگرنه، تحت فشردگی گرانشی در یک سیاه چاله بزرگ فرو می ریزد. نگه داشتن جهان بصورت بسیار بسیار یک دست در زمانهای اولیه کار آسونی نیست، یک چیدمان ظریف است. این یک سرنخه که جهان اولیه بطور تصادفی انتخاب نشده است. یه چیزی هست که اون را به اون صورت در آورد. ما میخواهیم بدونیم اون چیه.
قسمتی از درک ما در این مورد مدیون "لودویگ بولتزمان" است، فیزیکدان اتریشی قرن ۱۹. کاری که بولتزمان کرد، کمک برای فهم آنتروپی بود. شما در مورد آنتروپی شنیده اید. اون آشفتگی، بی نظمی، تصادفی و غیرقابل پیش بینی بودن یک سیستم است. بولتزمان یک فرمولی ارایه داد -- که الان روی سنگ قبرش حکاکی شده .. این فرمول واقعا آنتروپی را بصورت عددی می سنجه بطور اساسی فقط میگه که آنتروپی تعداد حالاتی است که ما میتوانیم اجزا اصلی تشکیل دهنده سیستم را بچینیم که شما نتونید 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 اونییه که تنها تعداد کمی حالت در اون به این صورت دیده میشه. یک پیکربندی با آنتروپی بالا اونییه که تعداد زیادی حالت در اون به این صورت دیده میشه. این یک بینش بسیار مهمی به ما میده برای اینکه به ما کمک می کنه که قانون دوم ترمودینامیک را توضیح بدهیم -- قانونی که میگه آنتروپی در حال افزایش در جهان است، و یا در قسمت ایزوله ایی از جهان.
دلیلی که آنتروپی در حال افزایش است به سادگیه اینه که تعداد حالات بسیار بیشتری برای آنتروپی بالا وجود داره تا آنتروپی پایین. این یک درک شگفت انگیزه، ولی اون یک چیزی را در بر نمیگیره. درک این که آنتروپی در حال افزایش است، با این همه، همون چیزیه که دلیل بردار زمان شناخته می شود، تفاوت بین گذشته و آینده. هر تفاوتی که بین گذشته و آینده هست برای اینه 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 اینه که آنتروپی در حال افزایش است. بولتزمان توضیح داد که اگر شما با آنتروپی پایین شروع کنید، افزایش اون خیلی طبیعیه برای اینکه حالتهای بیشتری برای افزایش آنتروپی وجود دارد. چیزی که اون توضیح نداد این بود که اصلا چرا آنتروپی در اون مکان اول کم بود.
این واقعیت که آنتروپی جهان کم بوده یک انعکاسی از این واقعیت است که جهان اولیه بسیار بسیار یک دست و هموار بوده. ما دوست داریم این را بفهمیم. بعنوان کیهان شناس این کار ماست. متاسفانه، این واقعا مساله ایی نیست که ما به اندازه کافی بهش توجه کرده باشیم. این یکی از اولین چیزهایی نیست که مردم می پرسند، وقتی که از یک کیهان شناس مدرن می پرسید، "مسايلی که باهاش سر و کار داریم چیه؟" یکی از افرادی که متوجه شد که مساله اینه ریچارد فینمن بود. ۵۰ سال پیش، او یک سری از کلی سخنرانی های متفاوت ارایه داد. او سخنرانی های عمومی ایراد کرد به اسم "کاراکتر قانون فیزیکی". سخنرانی هایی برای دانشجویان دوره لیسانس دانشگاه کل تک به اسم "سخنرانی های فینمن در مورد فیزیک". سخنرانی هایی برای دانشجویان دوره دکترا دانشگاه کل تک 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 -- من روی جمله خاصی تاکید نمی کنم -- "بنا به دلایلی، جهان، در یک زمانی، با اون محتوای انرژی اش آنتروپی خیلی پایینی داشته، و از اون موقع تا به الان آنتروپی افزایش داشته است. بردار زمان بطور کامل قابل درک نخواهد بود تا معمای آغازهای تاریخ جهان حتی تا فراتر از حد فهم و تصور کاهش پیدا کند." این کار ماست. ما می خواهیم که بدونیم -- این حرف ۵۰ سال پیش گفته شده، "بطورحتم" شما فکر می کنید که، "ما تا الان این قضیه را فهمیدیم" اینطور نیست که ما این را تا الان فهمیده باشیم.
دلیلٍ این که مساله بدتر شده، بجای اینکه بهتر بشه، اینه که در سال ۱۹۹۸ ما یک نکته مهمی در مورد جهان فهمیدیم که تا قبل از اون نمی دونستیم. ما فهمیدیم که اون در حال شتاب گرفتنه. جهان تنها در حال انبساط نیست. اگر شما به کهکشان نگاه کنید، اون در حال دور شدنه اگر یک میلیارد سال بعد برگردید و دوباره بهش نگاه کنید، می بینید که اون 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 داره شتاب می گیره. برخلاف آنتروپی پایین جهان اولیه، گرچه ما جواب این سوال را نمی دانیم دست کم یک تئوری خوبی داریم که میتونه اون را توضیح بده، اگر این تئوری درست باشه، و اون تئوری انرژی تاریک است. ایده اینکه فضای خالی بخودی خود دارای انرژی است.
در هر سانتیمتر مکعب کوچک از فضا، چیزی در اون باشه یا نه، ‌ذرات، ماده، تشعشع یا هر چیز دیگر، هنوز انرژی در اون هست، حتی در خود فضا. 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 اونه را از هم دور می کنه برای اینکه 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 خواهد داد داشت. یک مورد، انبساط همیشگی جهان خواهد بود.
زمانی که من همسن و سال شما بودم، ما نمی دونستیم 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 همیشهُ همیشه به انبساط خود ادامه خواهد داد. ۱۴ میلیارد سال در گذشته، ۱۰۰ میلیارد سال سگی، ولی بی نهایت سال در آینده. البته در عمل، به نظر ما جهان محدود است. جهان ممکنه محدود باشه و یا نباشه، اما چون جهان در حال شتاب گرفتن است، قسمتهایی از اون هست که ما نمی توانیم 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 یک دمایی دارد.
در دهه ۱۹۷۰، استفان هاوکینگ گفت که یک سیاه چاله، گرچه که شما فکر می کنید سیاه است، در واقع 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 تشعشع رقیق خواهد شد، با این همه همیشه مقداری تشعشع وجود خواهد داشت، مقداری نوسان حرارتی، حتی در فضای خالی. خوب این به این معناست که جهان مثل یک جعبه گاز میمونه که همیشگیه. خوب این قضیه چه پیامدی داره؟
پیامد این قضیه توسط بولتزمان در قرن ۱۹ بررسی شد. اون میگه که، خوب، آنتروپی افزایش پیدا میکنه برای این که حالتهای بسیار بسیار بیشتری وجود داره که جهان در آنتروپی بالا باشد تا آنتروپی پایین. ولی این یک بیان احتمالاتیه. اون احتمالا افزایش پیدا خواهد کرد، و احتمالش هم فوق العاده بالاست. نیازی به نگرانی نیست -- وقتی همه هوای این اتاق در یک گوشه ایی جمع بشه ما خفه می شویم. این قضیه خیلی خیلی بعیده. مگر اینکه در اتاق را قفل کنند و ما را به معنای کلمه تا ابد اینجا نگه دارند، اونوقت این اتفاق میافته. هر چیزی که محتمل باشه، هر حالتی از چیدمان مولکولهای این اتاق که محتمل باشه، در نهایت اتفاق میافته.
پس بولتزمان میگه که، ببین، تو میتونی از جهان شروع کنی که در تعادل حرارتی بوده. او چیزی درباره انفجار بزرگ نمی دونست، او چیزی درباره انبساط جهان نمی دونست. او فکر می کرد که فضا و زمان توسط ایزاک نیوتن توضیح داده شده -- اونها مطلق گرا بودند; همش به همونها چسبیده بودند. ایده او درباره سرشت جهان شامل این بود که مولکولهای هوا بطور یکسان همه جا پخش شده بودند -- مولکولهای همه چیز. ولی اگر شما جای بولتزمان باشید، میدونید که اگر برای مدت زمان به قدر کافی طولانی منتظر بمونید، نوسان های تصادفی اون مولکول ها گهگاهی اون ها را در حالت آنتروپی پایین قرار خواهد داد. و البته بعد از اون بطور طبیعی اونها دوباره پخش خواهند شد. پس آنتروپی نباید همیشه افزایش پیدا بکنه -- شما میتونید نوسانهایی به سمت آنتروپی پایین داشته باشید، حالتهای منظم تر.
خوب اگر این درست باشه، بولتزمان به سمت ابداع دو مفهوم بسیار جدید رفته - ایده هایی دقیق و درست -- جهان چندگانه و اصل آنتروپی. اون میگه که، مساله تعادل حرارتی اینه که ما نمی تونیم اونجا زندگی کنیم. بخاطر داشته باشید که زندگی خودش به بردار زمان وابسته است. ما نمی تونیم اطلاعات را پردازش کنیم، متابولیز داشته باشیم، راه بریم 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 وقتها، سیاره ایی خواهید ساخت یا یک ستاره یا کهکشان یا یک میلیارد کهکشان. بولتزمان میگه که، ما تنها در یک قسمت از جهان چندگانه زندگی می کنیم، در بخشی از این مجموعه بزرگ ذرات نوسانی، جایی که زندگی ممکنه. اینجا منطقه اییه که آنتروپی پایینه. شاید جهان ما تنها یکی از اونهاست که هر چند وقت یکبار اتفاق میافته.
حالا مشق شب شما اینه که واقعا به این قضیه فکر کنید، ببینید معنی اش چیه. کارل ساگان جمله معروفی داره که " برای درست کردن یک پای سیب، اول از همه بایستی جهان را به وجود بیارید." اما او اشتباه می کرد. طبق سناریوی بولتزمان، اگر می خواهید که یک پای سیب درست کنید، شما بایستی منتظر بنشینید که حرکت تصادفی اتم ها یک پای سیب درست کنه. این قضیه بیشتر پیش میاد تا اینکه حرکت تصادفی اتم ها براتون یک باغ سیب بسازه و مقداری شکر و یک اجاق، و بعد براتون یک پای سیب بسازه. بنابراین این سناریو پیش گویی هایی خواهد کرد. و اون پیش گویی ها اینه که نوسان هایی که ما را می سازند کمینه هستند. حتی اگر شما تصور کنید که این اتاقی که الان توش هستیم وجود داره و واقعیه و ما در اون هستیم، و ما نه تنها خاطراتمون را داریم، بلکه این را هم می دونیم که بیرون از اینجا یه چیزایی هست که کل تک و آمریکا و کهکشان راه شیری نامیده می شود، خیلی آسونتر اینه که تمام این فکرها بطور تصادفی در مغز شما نوسان داده شده باشند تا اینکه بطور واقعی نوسان تصادفی یافته باشند در کل تک، آمریکا و کهکشان.
خبر خوب این که پس این سناریو جواب نمیده; درست نیست. این سناریو پیش بینی میکنه که ما بایستی یک نوسان کمینه باشیم. حتی اگر کهکشانمون را کنار بگذارید، یک میلیارد کهکشان دیگر نخواهید داشت. و فینمن هم این را متوجه شد. فینمن میگه که، "با توجه به این فرضیه که دنیا یک نوسان است، تمام پیش گویی ها اینه که، ما به قسمتی از دنیا نگاه کنیم که تا به حال ندیده ایم، برامون گیج کننده خواهد بود، و مثل اون چیزی که همین الان دیدیمش نیست -- آنتروپی بالا. اگر نظم ما بخاطر یک نوسان بود، ما انتظار داریم که ایم نظم فقط در اونجایی که دیدیم باشه نه جای دیگه. بنابراین به این نتیجه می رسیم که جهان یک نوسان نیست." خوب این خوبه. حالا سوال اینه که پس جواب درست چیه؟ اگر جهان یک نوسان نیست، پس چرا جهان اولیه آنتروپی پایینی داشت؟ من خیلی دوست دارم که جواب را بگم، اما وقت من داره تموم میشه.
(خنده حضار)
این جهانیه که درباره اش حرف می زنیم، در مقابل جهانی که واقعا وجود داره. من همین الان این تصویر را بهتون نشون داده بودم. جهان در طی ۱۰ میلیارد سال گذشته و یا چیزی در این حدود در حال انبساط بوده. اون سرد می شده. ولی ما الان به قدر کافی درباره آینده جهان می دونیم که بیشتر درباره اش حرف بزنیم. اگر انرژی تاریک دور و بر بمونه، ستارگان اطرافمون سوخت هسته شان را تمام می کنند و دست از سوختن بر می دارند. اونها داخل سیاه چاله ها سقوط خواهند کرد. ما در جهانی زندگی خواهیم کرد که هیچ چیزی در اون وجود نداره 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 هم همیشگی نیستند. اونها بخار خواهند شد، و ما چیزی به جز یک فضای خالی نخواهیم داشت. اون فضای خالی اساسا برای همیشه ادامه خواهد داشت. اگر چه همانطور که متوجه شدید چون فضای خالی تشعشع ساطع میکنه، 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 داره را می سازد. بنابراین اگر چه جهان همیشگی است، تنها تعداد محدودی از چیزهاست که امکان داره در جهان اتفاق بیافته. همه اونها در یک بازه زمانی برابر ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۱۲۰ سال اتفاق خواهد افتاد.
حالا ۲ تا سوال از شما یک: اگر جهان برای ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۱۲۰ سال خواهد بود، چرا ما در ۱۴ میلیارد سال اول اون به دنیا اومدیم، در گرما و راحتی درخشش پس از انفجار بزرگ؟ چرا ما در فضای خالی نیستیم؟ ممکنه بگید، "خوب اونجا چیزی برای زندگی کردن نیست،" اما این درست نیست. شما می تونید یک نوسان تصادفی از نیستی باشید. چرا نیستید؟ یک مشق شب دیگه برای شما.
همانطورکه گفتم، من واقعا جواب را نمی دونم. من بهتون سناریوی مورد علاقه خودم را میگم. یا مثل این میمونه. هیچ توضیحی وجود نداره. یک واقعیت خشن درباره جهان وجود داره که بایستی یاد بگیرید که قبول کنید و سوال پرسیدن را متوقف کنید. یا شاید انفجار بزرگ سراغاز جهان نیست. یک تخم مرغ، یک تخم مرغ شکسته نشده، یک پیکربندی آنتروپی پایین است، و هنوز هم، وقتی که در یخچال را باز می کنیم، نمیگیم که، "هه، چقدر جالبه که این پیکربندی آنتروپی پایین را در یخچالمون پیدا کردم." این به دلیل اینه که یک تخم مرغ یک سیستم بسته نیست; اون از یک مرغ پدید میاد. شاید جهان از یک مرغ جهانی پدید اومده. شاید یک چیزی هست که بطور طبیعی، از طریق رشد قوانین فیزیکی، منجر به جهانی مثل واسه ما شده در یک پیکربندی آنتروپی پایین. اگر این درست باشه میتونه بیشتر از یکبار اتفاق افتاده باشه; ما میتونیم قسمتی از یک جهان چندگانه خیلی بزرگتر باشیم. این سناریوی مورد علاقه منه.
برگزارکنندگان از من خواستند که برنامه را با یک اندیشه جسورانه تمام کنم. اندیشه جسورانه من اینه که تاریخ کاملا من را تایید خواهد کرد. ۵۰ سال دیگه، همه ایده های طوفانی من به عنوان حقیقت پذیرفته خواهد شد از طرف دانشمندان و انجمن های بیرونی. ما همه اعتقاد پیدا می کنیم که جهان کوچک ما تنها یک قسمت کوچکی از یک جهان چندگانه به مراتب بزرگتر است. و حتی بهتر از اون، ما خواهیم فهمید که چه اتفاقی در انفجار بزرگ افتاده بصورت تئوریک که قادر خواهیم بود با مشاهده ها مقایسه کنیم. این یک پیش بینی است. ممکنه من اشتباه بکنم. اما ما تا به حال به عنوان نسل انسان فکر می کرده ایم که جهان شبیه چیه، چرا به شکلی شده که بوده -- برای سالهای زیادی. خیلی هیجان انگیزه که فکر کنیم که یک روزی بالاخره ممکنه جواب را بدونیم.
متشکرم.
(تشویق حضار)