نظریه‌ای علمی درباره‌ی چیزی که بیگ‌بنگ را به وجود آورد

چرا اصلاً باید عالمی وجود داشته باشد؟ دانشمندان معمولاً نمی‌دانند چه جوابی به سؤالاتی که با “چرا” شروع می‌شوند بدهند، به همین سادگی! این سؤالات از صورت‌بندی دانش امروزی بیرون است. نه چیزی در این باره می‌دانیم و نه حتی دیدگاهی راجع به ندانستن‌مان داریم! چرا باید جهانی وجود داشته باشد؟

(Eric Chaisson, Cosmic Dawn: The Origins of Matter and Life, 1981)

محدودیت‌های علم

در دهه‌ی ۱۹۷۰ نظریه‌ی انفجار بزرگ یا بیگ‌بنگ می‌رفت که بر دیدگاه کیهان‌شناسان از جهان تسلط یابد. این مدل علمی که جهان ما بسیار بسیار کوچک و چگال بود و در یک نقطه از فضا و زمان وجود داشت و سپس شروع به گسترش کرد، به واقعیت قابل قبول علمی بدل گشته است ولی با این حال هنوز مشکلاتی جدی در رابطه با آن وجود دارد.

با این توصیفات هنوز هم جای این سؤال خالیست؛ چه چیزی موجب خلقت جهان ما شده است؟ قبل از بیگ‌بنگ چه؟ این جا همان جاییست که علم ساکت می‌شود و ادعا می‌کند که این‌ها ماورای قدرت فرضیات و نظریات و مشاهدات و آزمایش‌هایش است. این یک راز و شاید هم تنها راز جهان (!) است که قطعاً خارج از وسعت علم می‌باشد. سؤالی که تقریباً فقط مذهب جرئت پرسش و پاسخ آن را از خود نشان داده است. هر کس می‌تواند در این باره اندیشیده و تعمق داشته باشد، اما غیرممکن به نظر می‌آید که کسی نظریه‌ای علمی درباره‌ی آنچه که واقعیت قبل از بیگ‌بنگ است داشته باشد و هنوز خودش را دانشمند بداند!

خلاصه که در اویل دهه‌ی یادشده ادعا و قبول شده بود که علم توانایی پاسخ به این سؤال را هم ندارد: چرا اصلاً چیزی باید وجود داشته باشد، در حالی که می‌تواند وجود نداشته باشد؟!

تاکنون، یک مرد فکر کرده که می‌داند چرا چیزی به جای این که نباشد، باید وجود داشته باشد و همین شخص بود که اعتقاد داشت این ایده که او درباره‌ی پیدایش جهان دارد می‌تواند برای تبدیل شدن به یک نظریه‌ی علمی حرف برای گفتن داشته باشد.

نظریه‌ای علمی درباره‌ی چیزی که بیگ‌بنگ را به وجود آورد

در دسامبر ۱۹۷۳، ژورنال علمی معتبر بریتانیایی، Nature، مقاله‌ای دو صفحه‌ای را با عنوان “آیا جهان نوسانی از خلأ است؟” منتشر کرد که توسط فیزیکدان ۳۳ ساله‌ی آمریکایی، Edward P. Tryon از Hunter College of the City University of Neww York نگاشته شده بود.

این بسیار برجسته و حتی شاید بسیار جسورانه بود؛ اولاً بخاطر این که این دو صفحه حاوی مطالبی بود که تابحال کسی چیزی درمورد آن‌ها نگفته بود، ثانیاً چیزی که او نوشته بود به نسبت آسان بود و هر فیزیکدانی می‌توانست آن را درک کند ولی تاکنون هم باور آن برای هر کسی در این زمینه سخت است.

ادوارد ترایون از ایده‌ای سورئال دفاع می‌کرد که بر اساس آن جهان عظیم و قدیمی ما ذره‌ای بسیار ریز بود که به صورت خودبه‌خودی بخاطر قوانین فیزیک از هیچ منشأ گرفت و چون نظریه‌ی او مدل بیگ‌بنگ را قبول کرده بود این معنا را  می‌رساند کهه او ادعا می‌کند ذره‌ی مذکور به طریقی رشد کرده تا این جهانی را که شاهد آن هستیم به وجود بیاورد. او همچنین این ادعا را داشت که این “ساده‌ترین و جذاب‌ترین تصور” از مدل‌های بیگ‌بنگ می‌تواند در “قالب علم متعارف” فهمیده شود.

ترایون بر این باور بود که برای اینکه حتی نظریه‌اش بتواند قابل استماع باشد، او باید ابتدا از پس دو مانع بزرگ برآید. چگونه چیزی می‌تواند از هیچ به وجود بیاید و حتی اگر چنین امری امکان‌پذیر باشد، چگونه عمل خواهد کرد؟ با چه روشی جهان ما از ناکجاآباد سر بیرون آورده است؟ او ابتدا به سراغ این رفته که چگونه امکان دارد چیزی از هیچ به وجودد بیاید و سپس روش آن را مورد کندوکاور قرار داده است.

جهانی از هیچ!

چگونه جهان می‌تواند از هیچ بوجود آمده باشد؟ این چیزی نیست که در ذهن بیشتر بگنجد! فیلسوف رومی، لوکرتیوس، گفته بود که فقط هیچ می‌تواند از هیچ خلق شود! نمی‌خواهیم حوصله‌ی شما را با حرف‌های گنگ فلسفی امتحان کنیم، پس می‌رویم سراغ نظریه‌ی خودمان! دشوارترین قسمت ایده‌ی ساخته شدن جهان از هیچ، زیر پا گذاشتن قانون اول ترمودینامیک است. این قانون بیان می‌دارد که انرژی و ماده نه می‌توانند ساخته شوند و نه از بین بروند.

تا آن زمان ترایون اعتبار کافی را برای حل معمای این که چگونه جهان از هیچ ساخته شده است، دریافت نکرد. او تأیید می‌کند که چگونگی ساخته شدن جهان از هیچ و شکسته نشدن قانون پایستگی انرژی را از پیتر برگمنِ نسبی‌گرا آموخته است.

این ایده‌ی عجیب و غریب چندین بار قبل از این که به برگمن برسد در چند جا مطرح شده بود اما اشاره‌ی مستند به این که چگونه جهان می‌تواند از هیچ (انرژی صفر) به وجود بیاید و با قانون اول ترمودینامیک هم مغایرت نداشته باشد، برای اولین بار در سال ۱۹۳۴ در کتاب نسبیت، ترمودینامیک و کیهان‌شناسی، تألیف Richard C. Tolman، روی کاغذ رفت.

Tolman کشف کرده بود که در جهانی بسته، انرژی کل دقیقاً برابر با صفر است. (نوع جهانی که او در نظر گرفته در حالل گسترش و انقباض بود اما این ایده در جهان ما نیز کار خواهد کرد، حتی اگر فقط انبساط عالم وجود داشته باشد.) او توصیف کردد که چگونه اگر ما تمام انرژی جرم را که مثبت است، و همه‌ی انرژی گرانش را که منفیست در نظر گرفته و با هم جمع کنیم، مجموعشان صفر خواهد شد. بر اساس این حقیقت فانتزی، شاید ما در جهانی وجود داریم با انرژی کل صفر! و این می‌تواند به واقعیتی منتج شود؛ جهان ما توان آن را دارد که از صفر (هیچ) آغاز شده و بدون شکستن قانون پایستگی انرژی به رشد خود ادامه داده باشد. یا همانطور که ترایون در مقاله‌اش می‌گوید:

اگر این مورد باشد، سپس جهان ما می‌تواند از هیچ کجا، بدون تخلف از هیچ قانون پایستگی‌ای، ظاهر شده باشد.

پس از یادآوری این واقعیت توسط ترایون به ما که بعضی چیزها می‌توانند از هیچ به وجود آمده و قوانین پایستگی انرژی را هم نشکسته باشند، سپس او از قوانین فیزیک برای توضیح رخ دادن این پدیده استفاده می‌کند.

خلقت ستاره‌ها از هیچ

قبل از ادامه‌ی داستان باید بررسی کنیم که فیزیک‌دان آلمانی، Pascual Jordan، چگونه نظریه‌ی این که جهان ما شاید نوسانی کوانتومی از خلأ باشد را مطرح نمود. Jordan یکی از پایه‌گذاران مکانیک کوانتوم است؛ او در دهه‌ی ۱۹۲۰ با هایزنبرگ و برنن همکاری داشت.

در اواخر دهه‌ی ۱۹۳۰ بسیاری از فیزیک‌دانان با این ایده که جهان در حال گسترش است و اینکه چگونه این اتفاق به عنوان واقعه‌ای در خلقت محسوب می‌شود موافق نبودند که یکی از آن‌ها هم خود Jordan بود. او هم مثل بسیاری از کیهان‌شناسان به دنبال این می‌گشت تا توضیح دهد که جهان ما ازلی است و همیشه وجود داشته است اما این دیدگاه مشکلاتی اساسی به بار می‌آورد؛ یکی از آن‌ها این است که اگر جهان ازلی است این ماده از کجا آمده و چگونه همیشه وجود داشته؟

راه‌حل این مشکل در نظر Jordan این بود که چگونه یک ستاره می‌تواند از هیچ به وجود بیاید؟ چون انرژی گرانشی منفی آن دقیقاً انرژی مثبت جرم آن را خنثی می‌کند. به نظر می‌رسد او این ایده را مستقل از Tolman گسترش داده ولی امکان دارد که از طریق Tolman یاد گرفته باشد ولی چیزی راجع به این موضوع در مقالات اشاره نشده است.

و بسیار بصیرانه، Jordan درباره‌ی چیزی که از انتقال کوانتوم از خلأ، از به وجود آوردن ستاره‌ای جدید جلوگیری می‌کند نیز اندیشیده است. با این حال جردن ادعایی درباره‌ی دخالت این روش در خلقت نداشته اما ماده چطور می‌تواند در جهانی ازلی به وجود آمده باشد.

عالمی از نوسان کوانتومی خلأ

نظریه‌ی ترایون برای فیزیکدانان بسیار ساده است و این هم بخاطر آن است که او به سادگی قوانین فیزیک را در عصر قبل از وجود عالم اِعمال می‌کند. او اولین دانشمندی نیست که چنین کاری کرده ولی اولین کسیست که ادعا داشته جهان می‌تواند از اِعمال قوانین فیزیک به خلأ قبل از وجود جهان به وجود آمده باشد.

قبل از وجود جهان چه چیزی وجود داشته؟ ترایون، تقریباً مثل همه‌ی فیزیکدانان، فرض می‌کند خلأای وجود داشته. به زبان علمی، فضایی خالی بدون هیچ چیزی درون آن. فضای خالی برای بسیاری از ماها هیچ محسوب می‌شود ولی فضای خالیِ یک فیزیکدان هرگز واقعاً خالی نیست و قطعاً چیزی در آن وجود دارد.

و اگر قوانین فیزیک به این فضای خالی اعمال شوند، سپس نظریه‌ی میدان کوانتومی (نظریهٔ میدان‌های کوانتومی (QFT) چارچوبی نظری برای ساختن مدل‌های مکانیک کوانتومی از ذرات زیراتمی در فیزیک ذرات وشبه‌ذره‌ها در فیزیک ماده چگال می‌باشد.) و همچنین مکانیک آن وارد بازی می‌شوند. بنابراین ترایون دانش ما از جهان کوانتوم را به این جهان کوانتوم که قبل از وجود جهان ما وجود داشته، منتقل خواهد کرد.

مکانیک کوانتوم و نظریه‌ی میدان کوانتومی با چیزهایی در سطح اتمی و زیراتمی سروکار دارند. این را هم بدانید؛ قوانینی که در یا زیر سطح اتمی اند بسیار عجیب و غریب و یا حتی مزخرف هستند! در این سطح هیچ چیزی پایدار نیست و انرژی دائماً تغییر می‌کند. بخاطر قوانین مکانیک کوانتوم، ذرات مجازی از خلأ فضا پا به وجود گذاشته یا از آن خارج می‎شوند. این ذرات مجازی وجود دارند و سپس بسیار سریع ناپدید می‌شوند. بنابراین در دنیای کوانتوم حال حاضر ما، هر جایی که فضایی وجود داشته باشد، حتی فضای خالی یا “هیچ”، این ذرات نیز وجود دارند و با این تعریف حتی در “هیچ” هم بالاخره چیزی وجود دارد!

ترایون اعتقاد دارد که در خلأ خالی قبل از وجود جهان ما، ذرات مجازی نیز وجود داشتند ولی تفاوت عمده آن است که در این خلأ، قبل از خلقت عالم، ذرات مجازی بین وجود و عدم نوسان نداشتند. برخی اوقات، یکی از این ذرات به خلأ راه یافته و به جای این که دوباره به عدم برگردد آنقدر رشد می‌کرده تا به جهانی شبیه آنچه ما در آن هستیم تبدیل شود. با این حال خود ترایون هم قبول می‌کند که نوسان خلأ در مقیاس دنیای ما احتمالاً نادر است. ترایون دلیلی برای این مدعا ارائه نمی‌دهد ولی می‌گوید که قوانین فیزیک برای مقیاس نوسانات خلأ محدودیتی وضع نکرده‌اند.

ترایون همچنین اشاره می‌کند که این خلأ حقیقتاً خلأ برخی از فضاهای بزرگ‌تر است که جهان ما در آن قرار دارد. به نظر می‌رسد کل این عالم بخشی از یک عالم بزرگ‌تر است، یا شاید جهانی چندلایه در کار باشد. جزئیاتی بیشتری در این باره از طرف ترایون مطرح نیست و همین مسأله کار را برای تفسیر مبهم می‌کند.

این نوسان کوانتوم خلأ بدون هدف و فقط اتفاقی بود. این اتفاق افتاد چون چیزی است که در دنیای کوانتوم رخ می‌دهد. او محرک اولیه‌ی آریستوتل (Aristotle’s Prime Mover) را تصادفی ساده ولی به صورت علمی تلقی نمود. قواعد این اتفاق بدون علت (که البته فقط بدون علت به نظر می‌آید) در نظر او در پس قوانین فیزیک نهفته است که به نظر می‌آید علت خاصی دارد و بخاطر همین هم است که گفته:

در جواب سؤال این که چرا این اتفاق رخ داده است، من متوسط‌ترین پیشنهاد را می‌دهم؛ جهان ما به سادگی یکی از آن چیزهاییست که هر از گاهی اتفاق می‌افتد.

رد کامل و کلی

دسامبر ۱۹۷۳! مقاله‌ی ترایون منتشر شد… هیچ اتفاقی هم نیافتاد. این نظریه‌ای بود که تابه‌حال در جهان شنیده نشده بود. او به شدت از طرف فیزیکدانان مورد هجمه واقع نشد. آن‌ها حتی به نظریه‌ی او نخندیدند و یا او را تحقیر هم ننمودند. جامعه‌ی علمی هم از او ستایشی به عمل نیاورد. علم، بدون توجه، در سکوتی خاموش از بی‌تفاوتی از او چشم‌پوشی کرد. فقط تعداد کمی از نظریه‌های مهم علمی به چنین شکلی نادیده گرفته شده‌اند.

با این حال هنوز هم دلایل قابل توضیح و درک‌پذیری برای این تراژدی نامرئی وجود دارد

ریاضی ترایون به نظر می‌رسد چیزی کم دارد؛ در واقع، او برای توضیح این که چگونه ذره‌ای میکروسکوپی می‌تواند چنان بزرگ شده و تا این اندازه پا بر جا بماند، چیزی ندارد. نظریه‌ی او بیش از حد محاسباتیست. او گفته بود که اگر این اتفاق افتاده باشد، ما در جهانی باید زندگی می‌کردیم که در آن ماده و پادماده برابر هم بودند که چنین نیست. (بعداً کشف شد که چگونه جهان با قسمت‌های برابری از ماده و پادماده آغاز می‌شود که یکی از آن‌ها می‌تواند بیش از دیگری شده و بر آن تسلط یابد.) بیانات او مبنی بر این که جهان شاید از هیچ به وجود آمده باشد ایده‌‌ای نبود که گسترش یابد یا حتی در مجامع علمی بحث‌برانگیز بوده باشد و سریعاً نادیده گرفته شد؛ چون مرتبط بود با این ایده که جهان از نوسانی کوانتومی ناشی می‌شود. با این حال این چیزهایی نبود که موجب رد این ادعا شد.

نظریه‌ی او رد و نادیده گرفته شد و آن را مضحک خواندند؛ چون قادر نبود توضیح دهد چگونه ذره‌ای ریز می‌تواند به جهان عظیم و قدیمی ما بیانجامد. برای کسی که چیزی از فیزیک می‌داند روشن است که این ذرات مجازی نمی‌توانند مادر هستی باشند. ذرات مجازی بسیار سریع وارد هستی شده و از آن خارج می‌شوند و قطعاً به اندازه‌ی وسعت و عمر جهان ما رشد نمی‌کنند. آیا گرانش وجود دارد؟ بله. آیا ذره‌ای مجازی می‌تواند به جهانی مانند عالم ما با این قدمت و عمر تبدیل شود؟ خیر. اگر هم فرض شود که این ذره تمام ماده و انرژی جهان را در خود داشته باید بسیار سنگین بوده باشد و همین مسأله بر آن فشار خواهد آورد تا دوباره ناپدید گردد یا به عنوان یک واحد به کار خود پایان دهد.

نظریه‌ی تورم

در ژانویه‌ی ۱۹۸۰، فیریکدان جوانی آمریکایی به نام Alan Guth از نظریه‌ای علمی پرده‌برداری نمود که برای بسیاری عجیب و غریب جلوه کرد. چه می‌شود اگر اینگونه فکر کنیم که در مراحل بسیار ابتدائی عالم، برای یک چشم بهم زدن هم که شده، جاذبه نیرویی دافعه بوده و جهان ما را متورم نموده است؟ این نظریه به نظریه‌ی تورم کیهانی مشهور است و توسط گوث وو دیگر فیزیکدان‌ها برای حل مشکلات مدل بیگ‌بنگ طراحی شده.

با این حال گوث درصدد تقویت نظریه‌ی ترایون نبود ولی در حقیقت آن را نجات داد؛ با این که در آن زمان کسی توجهی به این مطلب نداشت. به زودی این نظریه که جهان ما از ذره‌ای کوچک به وجود آمده و سپس به سمت جهانی عظیم رشد کرده است، مقبول افتاد که این مقبولیت بخاطر نظریه‌ی تورم کیهانی بود.

سپس در سال ۱۹۸۲، فیزیکدان دانشگاه Tuft، الکساندر ویلنکین، شروع کرد به توسعه‌ی نوع دیگری از نظریه‌ی ترایون، بسیار شبیه به آن ولی کاملاً نو و مبتکرانه. او اینگونه ادعا کرد که جهان از راه تونل‌زنی کوانتومی به وجود آمده است. بدون وجود هیچ چیزی، کاملاً هیچ چیز، نه فضا، نه ماده، نه زمان و نه شعاع. مانند ترایون او نیز از چیزی که در جهان ما اتفاق می‌افتد استفاده کرد (تونل‌زنی کوانتومی) و آن را به عصر قبل از بیگ‌بنگ ارجاع داد. تفاوت او با ترایون در این بود که او از نظریه‌ی تورم کیهانی برای گسترش جهانش استفاده کرده بود.

دیگر نظریه‌ها درباره‌ی این که جهان ما (یا جهان ما از بین جهان‌های چندگانه) می‌تواند پروسه‌ای کوانتومی باشد، پس از این سربرآوردند و با اینکه ترایون یکی از پدربزرگان کیهان‌شناسی علمی مدرن است، بسیاری از فرزندانش هرگز او را نشناخته‌اند.