فرادرسچرا عالم آنتروپیک و به شکل کنونی است؟ | به زبان ساده
هشتمین و آخرین سوال بی‌جواب کیهان‌شناسان بر اساس مدل استاندارد، شکل عالم کنونی است. اینکه چرا عالم آنتروپیک است و چرا این شکل برای عالم به وجود آمده است. در این مطلب در مورد این سوال و جواب‌های احتمالی آن صحبت خواهیم کرد.
اصل و عالم آنتروپیک
سوال اصلی و مهم این بحث این است که از بین تمام هستی‌هایی که امکان شکل‌گیری داشته‌اند چرا تنها هستی ما و تنها يك جهان شكل گرفته است؟ چرا هستی ما به شكلی است که ما امروزه آن را مشاهده می‌کنیم و یک عالم آنتروپیک است؟ چرا ثابت‌های بنیادین طبیعت این مقادیر را دارند؟ آیا این ثابت‌ها می‌توانستند مقدار دیگری باشند؟ اگر هستی با شرایط متفاوتی آغاز به کار کرده بود، آیا ما یا دیگرانی مشابه ما برای پرسش از هستی وجود داشتیم؟
موضوعی که در ابتدا باید بررسی کنیم این است که اصل آنتروپیک چیست؟ در حقیقت اصل آنتروپیک مجموعه‌ای از اصول است که سعی دارد تعیین کند که از نظر آماری امکان اتفاق جهان قابل مشاهده ما با توجه به اینکه ما فقط می‌توانیم در یک نوع خاص از جهان وجود داشته باشیم چه قدر بوده است. به عبارت دیگر جهان قابل مشاهده از نظر علمی حتی اگر قوانین جهان با پیشرفت زندگی ناسازگار باشند امکان‌پذیر نخواهد بود.
طرفداران اصل آنتروپیک استدلال می‌کنند که این اصل توضیح می‌دهد که چرا این جهان دارای سن و ثابت‌های اساسی فیزیکی لازم برای زندگی به صورت آگاهانه است، زیرا اگر یکی از این مقادیر متفاوت بود ما برای انجام مشاهدات وجود نداشتیم. از اصول آنتروپیک اغلب برای مقابله با این نظریه استفاده می‌شود که بیان می‌کند «به نظر می رسد جهان به خوبی تنظیم شده است». در ادامه این مطلب با اصل آنتروپیک و بیان‌های مختلف آن بیشتر آشنا می‌شویم.
اصل هویل و عالم آنتروپیک
این تصور که هستی باید قادر باشد تا به حیات امکان بروز دهد اصلی با عنوان اصل آنتروپیک را پایه نهاده است. این اصل به دو شکل اصلی یعنی ضعیف و قوی وجود دارد و نسخه های متفاوتی از هر کدام از این دو شکل اصلی موجود است.
اصل آنتروپیک ضعیف نشان می‌دهد شرایط اولیه انفجار بزرگ به گونه‌ای بوده که در نهایت به ظهور حیات بر مبنای کربن منجر شده است. عالم‌هایی با موقعیت‌های اولیه متفاوت مثلاً مقادیر متفاوت سرعت نور، ثابت پلانک، ثابت گرانشی و غیره ممکن بود به وجود آیند اما اگر این شرایط با حیات سازگار نبودند آنگاه ما در اینجا حضور نداشتیم. بنابراین نباید انتظار داشته باشیم هیچ چیز غیرسازگار با حیات خودمان را در هستی بیابیم. با این حال تا اینجا اصل آنتروپیک چیز قابل توجهی ارائه نمی‌دهد.
اما اصل آنتروپیک قوی جلوتر می‌رود و نشان می‌دهد هستی ضرورتاً شرایط اولیه‌ای داشته که در نهایت امکان ظهور حیات بر مبنای کربن را ایجاد کرده است. هواداران اصل آنتروپیک قوی اینگونه استدلال می‌کنند که از بین تمام هستی‌های ممکن هستی ما به شکل خارق‌العاده‌ای غیرمحتمل است و به همین دلیل نمی‌تواند تصادفی باشد.
برخی حتی پیش‌تر رفته و اعلام کرده‌اند که هستی به گونه‌ای ساخته شده است که نه تنها حیات بلکه خود آگاهی را نیز پوشش می‌دهد. این گروه به نشانه‌های بی شماری استناد می‌کنند که نشان می‌دهد هستی به شکلی بسیار عالی برای بروز و ظهور حیات تنظیم شده است.
یک مثال کلاسیک از این دست نوکلئوسنتز کربن است. کربن در ستاره‌های رشته اصلی توسط واکنش سه گانه آلفا تولید می‌شود. دو هسته هلیم با ترکیب شدن یک هسته ناپایدار بریلیوم تشکيل می‌دهند. پیش از آنکه بریلیوم بتواند مجدداً تجزیه شود با هسته سوم هلیم برخورد می‌کند و هسته پایدار کربن شکل می‌گیرد.
مشکل این است که چنین برخورد سهگانهای آنچنان غیرمحتمل است که به سختی می‌توان مقدار کربنی را که امروزه در ستاره‌ها دیده می‌شود را توضیح داد. این مسئله در سال 1953 میلادی توسط «فرد هویل» (Fred Hoyle) حل شد. او پیش‌بینی کرد که کربن باید حالت تشدیدشونده‌ای داشته باشد که در یک سطح انرژی برخورد مشخص، هسته کربن آسان‌تر از حد انتظار شکل بگیرد.
بدون حالت تشدیدشونده هویل (که در مراحل بعد با آزمایش‌ها تائید شد) نه کربنی وجود داشت و نه کیهان شناسی! انرژی حالت تشدیدشونده به شکل بسیار دقیقی تنظیم شده است به گونه‌ای که اگر تنها کمی بالاتر بود کربن به سرعت به اکسیژن تبدیل می‌شد و ما دیگر وجود خارجی نداشتیم. این موضوع به قدری مهم است که هویل را نیز به شدت تحت‌تاثیر کشف خود قرار داد.
پدیده‌های عالم آنتروپیک
تعداد بسیاری پدیده دیگر از این دست وجود دارد و برخلاف پیش‌بینی هویل تمامی آنها به شکل ادراکی شناسایی شده‌اند. مدارهای پایدار تنها در هستی با سه بعد فضایی ممکن هستند. هر بعد اضافی باعث خواهد شد سیارهای برای زیست وجود نداشته باشد. انبساط اولیه عالم بعد از انفجار بزرگ کاملاً دقیق بوده چرا که اگر سریع‌تر بود ستاره‌ها و کهکشان‌ها قادر به شکل‌گیری نبودند و اگر آهسته‌تر بود هستی پیش از آنکه حیاتی بتواند در آن ظاهر شود فرو می‌پاشید.
ثابت گرانش نیز بايد شدت مناسب داشته باشد، بدین معنی که اگر G بسیار بزرگ بود تنها ستاره‌های سنگین شکل می‌گرفتند و پیش از شکل‌گیری حیات می‌مردند و اگر G بسیار کوچک بود ستاره‌ها به اندازه کافی داغ نمی‌شدند تا واکنش‌های هسته‌ای در آنها آغاز شود.
البته بسیاری با چنین استدلال‌هایی تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند و عقیده دارند نباید از اینکه هستی امکان حیات ما را ایجاد کرده تعجب کرد. برای این گروه اصل آنتروپیک و عالم آنتروپیک به شکل ضعیف شروع شده و به پایان می‌رسد و هیچ چیز عمیقی در آن وجود ندارد.
داگلاس آدامز نویسنده کتاب راهنمای عبوری کهکشان‌ها، داستان گودال آبی را طرح می‌کند که در یک جاده قرار گرفته است. فرض کنید گودال ناگهان هوشیار می‌شود و در مورد موقعیت خود شروع به تفکر می‌کند. ابتدا شروع به ادراک پیرامون خود و سطح جاده‌ای می‌كند که پائین‌تر از آن قرار گرفته، توجه داشته باشید که فرورفتگی که گودال در آن قرار گرفته شکل گودال را دارد. گودال به این نتیجه خواهد رسيد که نه تنها هستی کاملاً برای ظهور گودال تنظیم شده بلکه وجود خود او به گونه‌ای از پیش تعیین شده است. آیا این می‌تواند یک پدیده از پیش تعیین شده باشد یا یک تصادف؟
شما یک قرعه‌کشی را با احتمال ضعیف یک به چهارده میلیون می‌برید. چه تصادف غیرمحتمل و خارق العاده‌ای! این موضوع را می‌توان چنان تفسیر کرد که به هر حال کسی بايد برنده باشد و برد شما را بايد با توجه به میلیون‌ها فردی دید که برنده نشده‌اند. با این دیدگاه، هستی ما ممکن است یکی از احتمالات بی‌شمار در هستی‌های گذشته و آینده باشد که شاید از یک تورم بدون نظم حاصل شده باشد با این تفاوت که هستی ما بلیط برنده را داشته است.
برخی دیگر از محققین استدلال می‌کنند که صرف نظر از بی معنی بودن هستی‌های دیگر فرضی غیر قابل رصد، چنین سخنانی دور شدن از نکته اصلی است.
«راسل استانارد» (Russel Stannard) فیزیکدان و استاد دانشگاه اُپن، مثال زندانی را مطرح می‌کند که به اعدام با جوخه آتش محکوم شده است. در لحظه اجرای حکم تمام ده تیرانداز هدف را گم می‌کنند و زندانی از مجازات فرار می‌كند. اگر از زندانی در مورد این رهایی منحصر به فرد پرسیده شود و او پاسخ دهد: البته که آنها هدف را گم کردند، در غیر این صورت من اینجا نبودم! ما با توضیح رضایت بخشی مواجه نشده‌ایم زیرا که فرد رهایافته از جوخه آتش اشاره‌ای به این که چرا ده تیرانداز ماهر به شکل بسیار غیرمحتملی هدف را گم کرده‌اند نکرده است.
از ديد برخی كه به دنبال توضیحی برای این موضوع هستند که چرا هستی به گونه‌ای شکل گرفته که فراتر از تفسیر است و دقیقاً بايد به همين شکل باشد پاسخ اين است كه در غير اين صورت ما نمی‌توانستیم برای طرح این پرسش‌ها اینجا بوده و وجود داشته باشیم.
شما در مورد اصل آنتروپیک و عالم آنتروپیک چگونه فکر می‌کنید؟ آیا مانند داگلاس آدامز آن را بدیهی می‌دانید یا آنرا مانند راسل استانارد عمیق می‌دانید؟ آیا می‌توان در داستان‌های ذکر شده توسط این دو نقایصی یافت؟ آیا می‌توان بين این دو دیدگاه آشتی برقرار کرد؟
عالم آنتروپیک و کلام آخر
این مطلب و سری سوالات بی پاسخ کیهان‌شناسی را با یک نقل قول به پایان خواهیم رساند. آلبرت اينشتين که دیدگاه‌هایش در مورد ماهیت فضا و زمان، کیهان شناسی مدرن را ممکن ساخته در جایی گفته است که غیر قابل درک‌ترین موضوع در مورد هستی، قابل درک بودن آن است. شاید پس از مطالعه در مورد صفحات چند بعدی و تئوری M که با یکدیگر در حال برخورد هستند تصور کنید که اينشتين در این مورد اشتباه کرده است.
اما صبر کنید زیرا اينشتين دو مطلب را عنوان می‌كند. اول این که او عقیده‌ای را طرح می‌کند که شالوده نه تنها کیهان‌شناسی، بلکه تمامی علوم است و عبارت است از اینکه ما قادریم هستی را درک کنیم و آن را منطقی در می‌یابیم. جهان بی نظم نیست و این چیزی است که علوم را ممکن می‌سازد. اما اينشتين نکته دیگری نیز مطرح می‌کند و آن این است که اگر ما واقعاً حق نداریم انتظار داشته باشیم هستی به این صورت باشد چرا هستی را قابل درک یافته‌ایم؟
این موضوع ممکن است اشاره‌ای مجدد به اصل آنتروپیک و عالم آنتروپیک باشد اما در اینجا از بحث در مورد آن صرف نظر می‌کنیم. مدل‌هایی که در کیهان‌شناسی معرفی شده‌اند روش‌های کیهان‌شناسان برای قابل درک کردن و فهمیدن هستی است. تا اینجا مدل‌های کیهان‌شناسی کم و بیش قادر به هضم شگفتی‌هایی هستی بوده‌اند اما ممکن است در جايی این پدیده‌ها دیگر توسط مدل‌های کیهان‌شناسی درک نشوند و این اتفاق رخ دهد که هستی پس از آن دیگر برای ما قابل درک نباشد. اما تا زمانی که این اتفاق رخ دهد کیهان‌شناسی هنوز به عنوان یکی از مهیج‌ترین رشته‌های علوم به کار خود ادامه خواهد داد.
مروری بر سوالات بی پاسخ کیهان‌شناسی بر حسب مدل استاندارد
در هفت مطلب مجزا در مجله فرادرس هشت سوال بی پاسخ کیهان شناسی (دو سوال را در یک مطلب مورد بررسی قرار دادیم) بر اساس مدل استاندارد را معرفی و بررسی کردیم. در این جا همه سوالات بررسی شده را به طور خلاصه و مختصر مجدداً یادآوری می‌کنیم. واضح است که شرح و بسط هر یک از این سوالات در مطلب مخصوص خودشان با جزئیات بیشتر توضیح داده شده‌اند که می‌توانید آنها را مطالعه کنید.
ذکر این نکته ضروری است که مدل‌های ابداعی توسط کیهان‌شناسان بازنمایی ساده‌ای از عالم واقعی هستند. مانند تمامی مدل‌ها، این مدل‌ها نیز شبیه‌سازی ناقصی از واقعیت هستند و خارج از مرزهای اعتبارشان کارآیی ندارند. مدل انفجار بزرگ مدل نسبتاً موفقی است اما چندین مشکل وجود دارد که این مدل قادر به پاسخگویی به آنها نیست این مشکلات به شرح زیر هستند:
- ماهیت ماده تاریک چیست؟ ماده تاریک در حدود $$23\%$$ هستی را شکل داده است. بخش اندکی از آن مواد باریونیک و به شکل MACHOها است که اجزای شناخته‌شده‌ای در نجوم بوده اما بسیار کم نورتر از آن هستند که دیده شوند و برخی از آنها را می‌توان با میکرولنزهای گرانشی آشکار کرد. در حدود $$85\%$$ ماده تاریک غیرباریونیک است و به غیر از بخش بسیار کوچکی از آن که از نوترینو شکل گرفته، ماهیت آن ناشناخته است. بهترین کاندید ماده تاریک نوترالينوس است که شکلی از WIMP است و ممکن است به زودی و در تجربیات آزمایشگاهی کشف شود.
- انرژی تاریک چیست؟ انرژی تاریک منبع فشار منفی است که هستی را پر می‌کند و انبساط در حال شتاب‌گیری را هدایت می‌کند. انرژی تاریک را نبايد با ماده تاریک اشتباه گرفت. ماهیت انرژی تاریک هم چنان یک راز است اما بهترین کاندیدا برای آن ثابت کیهان شناختی اينشتين (منبع گرانش دفع کننده که از نسبیت عام حاصل می‌شود)، انرژی خلاء کوانتوم (نتیجه ای از اصل عدم قطعیت هاینزنبرگ) یا عنصر پنجم (شکل غیرعادی از ماده) هستند.
- چرا عالم بسیار یکنواخت است؟ این مشکل را مشکل افق نیز می‌نامند و چالش اصلی این است که می‌پرسد چرا نواحی بسیار جداگانه در فضا، درجه حرارت و چگالی یکسان دارند؛ هرچند هر کدام فراتر از افق دیگری قرار گرفته‌اند. تورم یک پاسخ احتمالی را به این سوال ارائه می‌دهد. بر اساس مدل تورم یک ناحیه کوچک فضا که همگن بوده ممکن است بسیار سریع و با چنان ضریبی منبسط شده باشد که تمام بخش‌های قابل رویت هستی (و شاید بیش از آن) درون ناحیه همگن متورم شده قرار بگیرد.
- چرا هستی هندسه تخت (0=K) دارد؟ مجدداً تورم پاسخی برای این پرسش دارد. در طول دوره تورمی مقادیر زیاد ماده و انرژی آزاد شده درون هستی ناشی از انرژی خلاء، چگالی را بسیار به چگالی بحرانی که به یک هندسه تخت مربوط است نزديک می‌کند. در نتیجه خمیدگی هستی اولیه هر چه بوده توسط تورم هموار شده و هندسه فضایی هستی قابل مشاهده را از فضای تخت، غیر قابل تشخیص کرده است.
- منشا ساختار عالم چیست؟ مجموعه‌های کهکشانی از نوسانات چگالی در هستی اولیه که تاثیرش هم چنان بر تابش‌های پس زمینه‌کیهانی وجود دارد به وجود آمده‌اند. این نوسانات احتمالاً از نوسانات کوانتومی بسیار کوچک که توسط تورم از مقیاس میکروسکوپیک تا فراتر از اندازه هستی قابل رویت امروز بزرگ شده است حاصل شده‌اند.
- چرا میزان بیشتری ماده نسبت به آنتی ماده در عالم وجود دارد؟ هرچند ممکن است تصور شود در هستی اولیه تعداد یکسانی ذره و آنتی ذره تولید شده باشد اما تئوری‌های وحدت بزرگ امکان عدم توازن ماده نسبت به آنتی ماده را تا حد 1 بخش در $$10^{9}$$ ایجاد می‌کند. ماده موجود در هستی امروز هنگامی که توده ماده و آنتی ماده نابود شده‌اند باقی مانده است.
- در عالم اولیه چه رخ داده است؟ این موضوع همچنان در حد حدس است. نسبيت عام در زمان‌های کوچکتر از زمان پلانک یعنی $$10^{-43}$$ ثانیه کاربرد ندارد و برای فهم زمان‌های قبل‌تر نیاز به تئوری گرانش کوانتومی است که نسبیت عام را با فیزیک کوانتومی ترکیب کند. تورم نیز تا زمان فهم کامل‌تر دوران اولیه تائید نشده باقی خواهد ماند. پیشرفت‌های محدودی در کیهان شناسی کوانتومی حاصل شده اما تئوری M افق و زمینه‌های تحقیقی جدیدی در این زمینه گشوده است.
- چرا عالم آنتروپیک و به شکل کنونی است؟ بر اساس اصل آنتروپیک به این دلیل که ما اینجا هستیم تا این پرسش را طرح کنیم.
جمع‌بندی
در این مطلب در مورد ماهیت شکل کنونی عالم و عالم آنتروپیک صحبت کردیم. همانطور که می‌دانید در کیهان شناسی هشت سوال بی پاسخ وجود دارد که عبارتند از :
- ماهیت ماده تاریک چیست؟
- ماهیت انرژی تاریک چیست؟
- چرا عالم یکنواخت است؟
- چرا عالم هندسه تخت (k=0) دارد؟
- ساختارها از کجا می‌آیند؟
- چرا میزان ماده از پادماده بیشتر است؟
- در زمان 0 =t (در ابتدای عالم) چه رخ داده است؟
- چرا عالم آنتروپیک و به شکل کنونی است؟
در این مطلب در مورد سوال هشتم و آخر که دلیل شکل کنونی و عالم آنتروپیک است صحبت کردیم و نظرات مختلف در این زمینه را معرفی و بررسی کردیم. در نهایت باید گفت که عالم آنتروپیک و به شکل کنونی آن است که ما اینجا باشیم و این سوالات را مطرح کنیم.
