آیا جهان موازی و چندجهانی وجود دارد؟
زمان آن رسیده تا جهانهای موازی را که تنها ایدهای در فیلمها و کتابهای علمی-تخیلی به نظر میرسد را در دنیای واقعی نیز بپذیریم. گویا مشاهدههای نجومی بشر، حداقل به صورت غیرمستقیم وجود دنیای موازی را تایید میکنند؛ آیا نسخه مشابهی از شما وجود دارد، آن هم دقیقا در سیارهای عین زمین با تمام کوهها، مزارع و شهرهایش که در منظومه خورشیدی دیگری با هشت سیاره قرار دارد؟
جهانهای موازی
طبق پیشبینی سادهترین مدل اخترشناسی، در فاصله ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۲۸ متری شما حداقل یک کهکشان وجود دارد که در آن یک انسان دقیقا مثل شما زندگی میکند؛ این ایده هیچ ربطی به نظریههای پیچیده فیزیک مدرن ندارد و از محاسبه احتمالاتی به دست آمده است؛ در فاصلهای به این بزرگی، حتی کوچکترین احتمال ممکن در جهان که انسانی دقیقا مثل شما وجود داشته باشد و تمام اطرافیان، خاطرهها و تصمیماتش شبیه شما باشد نیز میتواند واقعیت داشته باشد.
البته احتمالا هیچگاه او را نمیبینید. ما نمیتوانیم فواصلی دورتر از ۱۴ میلیارد سال نوری را ببینیم؛ زیرا نور فقط همین مقدار زمان داشته تا در جهان ما حرکت کند. دورترین شی قابل مشاهده در فاصله ۴x۱۰ به توان ۲۶ متری ما قرار دارد، فاصلهای که به آن کیهان قابل مشاهده یا حجم هابل (Hubble volume) میگوییم.
از طرف دیگر، خود دیگر ما نیز با محدودیتی مشابه روبهروست و چیزی فراتر از مرزهای قابل مشاهدهاش را نمیبیند؛ این شاید سادهترین نمونه دنیای موازی باشد. هر جهان صرفا جز کوچکی از مولتیورس (Multiverse) یا چندجهانی است.
ایده چندجهانی همیشه موضوعی متافیزیکی (Metaphysics) باقی خواهد ماند، اما مرز بین فیزیک و متافیزیک آنجاست که نظریهای قابل آزمایش باشد و ارتباطی به میزان عجیب و غریب بودنش ندارد؛ متافیزیک شاخهای از فلسفه است که به بررسی ماهیت بنیادی واقعیت، اصول اولیه هستی، هویت و تغییر، مکان و زمان، علیت، ضرورت و امکان میپردازد؛ این شامل سوالاتی در مورد ماهیت آگاهی و رابطه بین ذهن و ماده، بین جوهر و صفت و بین بالقوه و فعلیت است.
مرزهای فیزیک همواره به گونهای گسترش پیدا کردهاند که مفاهیم انتزاعی و متافیزیکی را در بر بگیرند؛ مانند گردی زمین، میدانهای الکترومغناطیسی نامرئی، کند شدن زمان در سرعت بالا، برهم نهی کوانتومی، خم شدن فضا و سیاهچالهها. در دهههای اخیر، مفهوم چندجهانی نیز اضافه شده است؛ این ایده مبتنی بر نظریههای کاملا آزموده، مانند نسبیت و مکانیک کوانتومی و سازگار با هر دو معیار علم تجربی است که عبارتاند از پیشبینیپذیری و انکارپذیری.
به نظر میرسد پرسش اصلی فیزیکدانها این نیست که دنیاهای موازی وجود دارند یا نه، بلکه میپرسند این جهانها چند نوع دارند؛ آنها جهانهای موازی را به چهار سطح تقسیم میکنند و طبق این تقسیمبندی، جهانهای مشابه جهان ما میتوانند از ما بسیار دور یا نزدیک باشند که برای ما قابل تصور نیستند.
سطح ۱: جهانهای فراتر از جهان ما
شاید بدیهی به نظر برسد که کیهان نیز نباید پایانی داشته باشد؛ یعنی نقطهای نیست تا بتوان در آن ایستاد و گفت چیزی فراتر از آن وجود ندارد، اما نظریه نسبیت اینشتین (Einstein) این شهود را زیر سوال میبرد. فضایی با انحنای محدب یا دارای مکانشناسی یا همان توپولوژی (Topology) نامتعارف میتواند حجمی محدود و بیلبه داشته باشد، اما چنین موضوعی را چگونه میتوان با شیوههای علمی بررسی کرد؟
یکی از راههای علمی بررسی محدودیت جهان، تابش زمینه کیهانی است که اجازه میدهد مرزهای جهان را با دقت زیادی بسنجند و تا به حال هیچ کشفی تایید نکرده است که کیهان انحنای محدب یا مرز داشته باشد. مدل بینهایت بودن ابعاد کیهان کاملا با دادهها همخوانی دارد.
احتمال دیگر، مدل کیهان جزیرهای (Island universe) میباشد که در آن فضا بینهایت و ماده فقط اطراف ما متمرکز است؛ البته مشاهدهها توزیع سهبعدی کهکشانها و تابش زمینه کیهانی ثابت کردهاند ماده اطراف ما به صورت یکنواخت توزیع شده است؛ همچنین هیچ سازه کیهانی با ابعاد بزرگتر از ۱۰ متر به توان ۲۴ کشف نشده؛ یعنی هیچ مدرکی وجود ندارد که نشان بدهد توزیع ماده فراتر از مرزهای قابل مشاهده متفاوت است.
تمام ناظرانی که در دنیای موازی سطح ۱ زندگی میکنند، قوانین فیزیکی مشابه ما را تجربه میکنند؛ فقط در شرایط آغازی تفاوت وجود دارد. طبق نظریهها جدید، فرآیندهای درون بیگبنگ (Big Bang)، ماده را به صورت تصادفی پخش کردند؛ در نتیجه تمام حالتهای ممکن شکل گرفتند.
محاسبه فاصله دنیای موازی مشابه دنیای ما
طبق فرضیه کیهانشناسان، توزیع ماده در تمام جهانهای دیگر نیز ثابت است و نزدیکترین کپی شما حداکثر ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۲۸ متر از شما دور است؛ با توجه به توزیع ماده در فضا تمام حالتهای کوانتومی مختلف ماده دوباره تکرار میشوند.
از سویی دیگر، در فاصله ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۹۲ متر، حتما فضایی کروی به قطر ۱۰۰ سال نوری وجود دارد که با حجم مشابه مرکز زمین یکسان است؛ در واقع تمام حالتهای مختلف ماده در یک کره با قطر ۱۰۰ سال نوری را میتوان در آن میتوان جا داد؛ در فاصله ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۱۱۸ متر نیز، باید حجم هابل مشابهی با حجم هابل ما وجود داشته باشد؛ به عبارت دیگر، خارج از جعبه در این فاصله تمام جهانهای قابل مشاهده ممکن دوباره تکرار میشوند.
این اعداد بسیار محافظهکارانه با این فرض محاسبه شدهاند که در فضایی به ابعاد بالا، هیچ حالت کوانتومی دو بار تکرار نشود. با این حال، همچنان این احتمال وجود دارد که سیارهای کاملا شبیه زمین در فاصلهای نزدیکتر وجود داشته باشد؛ در عین حال، ابعاد فضایی که تمام جهانهای ممکن در آن قرار میگیرند بسیار بزرگتر از ابعاد جهان قابل مشاهده ماست، اما بینهایت نیست.
سطح ۲: حبابهای پستورمی
اگر تصور چندجهانی سطح ۱ برایتان دشوار بود، مجموعهای با بیشمار چند جهان سطح ۱ را تصور کنید. هر کدام آنها ابعاد فضا-زمان متفاوت و ثابتهای فیزیکی خاص خودشان را دارند. این چند جهانهای دیگر، چندجهانی سطح ۲ را تشکیل میدهند که نظریه «تورم ابدی آشوبناک» (Eternal Chaotic Inflation) آن را پیشبینی میکند.
تورم از شاخههای نظریه بیگبنگ است و بسیاری از کاستیهای آن را پوشش میدهد؛ مثلا اینکه چرا کیهان چنین بزرگ، یکنواخت و مسطح است. تمام اینها را میتوان با تورمی در ابتدای عالم توضیح داد که بسیاری از نظریهها ذرات بنیادی و تمام شواهد موجود با این تورم سازگارند.
صفتهای «ابدی» و «آشوبناک» به بسط جهان در مقیاسهای بسیار بزرگ اشاره میکند. فضا به عنوان یک کل همواره به بسط خودش ادامه میدهد. در این فرآیند، برخی تکههای فضا جدا میشوند و حبابهای مستقل تشکیل میدهند؛ هر کدام از این حبابها یک چندجهانی سطح ۱ هستند؛ سفر بین این حبابها حتی برای نور هم غیرممکن است؛ زیرا فضای بین آنها با سرعتی بیشتر از سرعت نور منبسط میشود.
در جهانهای سطح ۲، این جهانها نه فقط در شرایط آغازین، بلکه از لحاظ قوانین طبیعی نیز با هم تفاوت دارند. امروز، فیزیکدانها معتقدند ابعاد فضا-زمان، کیفیتهای ذرات بنیادی و ثابتهای فیزیکی نتیجه فرآیندی به نام شکست تقارن (Symmetry breaking) است که در آن یک سامانه فیزیکی در حالت متقارن، خود به خود به حالت نامتقارن ختم میشود.
شکست تقارن چگونه باعث ایجاد دنیای موازی میشود؟
یکی از خصوصیات جهان ما این است که سه بعد مکانی دارد. نظریهپردازان فکر میکنند کیهان ما زمانی ۹ بعد داشت که همه با هم برابر بودند. اندکی پس از بیگبنگ، سه تا از این بعدها دچار انبساط کیهان شدند و این سهبعدی را که امروز میبینیم، تشکیل دادند.
شش بعد دیگر حالا قابل مشاهده نیستند؛ زیرا احتمالا ابعاد دیگر در توپولوژی دونات شکل بسیار کوچکی محفوظ ماندهاند یا ماده موجود در عالم فقط روی همین سه بعد قابل مشاهده جمع شده است.
نوسانات کوانتومی که باعث تورم آشوبناک میشوند، میتوانند در حبابهای دیگر شکستهای تقارن متفاوتی ایجاد کنند. برخی از این حبابها میتوانند چهار بعد مکان داشته باشند و بعضی دو تا؛ این سبب میشود ثابتهای فیزیکی در هر حباب متفاوت باشد.
حالت دیگر این است که دنیای موازی سطح ۲ در فرآیند تولد و مرگ جهانها ایجاد شوند. طبق این مفهوم، یک عالم سهبعدی دیگر وجود دارد که به معنای واقعی کلمه، با جهان ما موازی است. این عوالم از هم جدا نیستند و میتوانند از طریق ابعاد بالاتر با هم اندرکنش داشته باشند. طبق نظریه برین، جهانهای موازی با ما پوستههایی سهبعدی در یک فضای نهبعدی هستند.
اثبات جهانهای موازی سطح ۲
ما نمیتوانیم مستقیم با جهانهای سطح ۲ ارتباط برقرار کنیم، اما میتوانیم به وجود آنها پی ببریم. این جهانها میتوانند برخی از امور تصادفی دنیای ما را توضیح بدهند.
جرم ستارهها میتواند از ۱۰ به توان ۲ تا ۱۰ به توان ۳۲ کیلوگرم متغیر باشد؛ از طرفی، برای اینکه زمین سیارهای مسکونی باشد، جرم خورشید باید در محدوده بسیار کوچک ۱.۶x۱۰ به توان ۳۰ تا ۲.۴x۱۰ به توان ۳۰ کیلوگرم باشد. اینکه جرم خورشید برابر با ۲x۱۰ به توان ۳۰ کیلوگرم است در نگاه اول تصادفی به نظر میرسد، اما از این تصادف ظاهری میتوان نتیجه گرفت سیارههای زیادی هم اندازه زمین وجود دارند که جرم ستاره آنها در این بازه کوچک قرار نمیگیرد.
در واقع بسیاری از اندیشمندان با استدلالی مشابه، قرنها پیش از کشف اولین سیارههای فراخورشیدی به وجود آنها پی برده بودند. بیشتر خصوصیاتی که شکست تقارن در جهان ما به وجود میآورد در ظاهر تصادفهایی بسیار شکنندهاند؛ حتی کوچکترین انحرافی از مقادیر فعلی میتواند به جهانی ختم شود که نمیتوانستیم در آن به وجود بیاییم.
اگر پروتونها ۰.۲ درصد سنگینتر بودند، به نوترون تبدیل میشدند و اتمها شکل نمیگرفتند؛ اگر نیروی الکترومغناطیسی ۴ درصد ضعیفتر بود، اتم هیدروژن (در نتیجه ستارهها) شکل نمیگرفت؛ اگر برهمکنشهای ضعیف اندکی ضعیفتر بودند، هیچ اتمی وجود نمیداشت و اگر قویتر بودند، ابرنواخترها (Supernovas) فضا را با عناصر سنگین پر میکردند.
اگر ثابت کیهانشناسی بزرگتر بود، جهان ما پیش از شکلگیری اولین کهکشانها از هم میپاشید. تمام این ظرافتهای تصادفی میتوانند نشان دهنده این باشند که جهان ما تنها جهان موجود نیست. ثابتها و ابعاد فیزیکی جهان ما نتایج تصادفی شکست تقارن پس از بیگبنگ هستند؛ این تصادفی بودن احتمالا نشانه آن باشد که جهانهای دیگری با ثابتهای متفاوت وجود دارند.
سطح ۳: جهانهای کوانتومی فراوان
چندجهانیهای سطح ۱ و ۲ چنان دورند که حتی در مقیاسهای نجومی نیز نمیگنجند، اما نوع دیگری از جهانهای موازی در فاصله نزدیکتری به ما قرار دارند. این جهانها حاصل تفسیری مشهور از مکانیک کوانتومی هستند؛ تفسیری که میگوید فرآیندهای تصادفی کوانتومی جهان را به چند شاخه مختلف تقسیم میکنند، هر شاخه برای یک خروجی محتمل.
نظریه مکانیک کوانتومی، جهان را براساس حالتهای قطعی کلاسیک توصیف نمیکند، بلکه از ابزاری ریاضیاتی به نام «تابع موج» استفاده میکند. طبق معادله شرودینگر (Schrodinger)، این حالت در طول زمان به گونهای تکامل مییابد که ریاضیدانان به آن یکپارچگی (Unitarity) میگویند؛ یعنی تابع موج در فضایی انتزاعی با بینهایت بعد به نام فضای هیلبرت (Hilbert space) دوران میکند.
توضیح سادهتر این است که برخلاف باور متداول، حالتهای کوانتومی تصادفی یا غیرقطعی نیستند؛ تابع موج به گونهای تکامل مییابد که در طول زمان، یکی از واقعیتهای کلاسیک بر برهمنهیهای دیگر غلبه کند. طبق توضیح قدیمیتر این نظریه، تابع موج به یکی از واقعیتهای کلاسیک فرو بپاشد.
برهمنهی واقعیتهای کلاسیک چیزی است که میتوان آن را دنیای موازی سطح ۳ تفسیر کرد. برای فهم بهتر توضیحات بالا، باید میان دو نقطه نظر متفاوت به پدیدههای فیزیکی تمایز قایل شویم: دیدگاه فیزیکدانی که معادلههای ریاضی را مطالعه میکند و دیدگاه ناظری که درون دنیایی زندگی میکند و معادلهها را توصیف میکنند.
تفاوت این دو نقطه نظر را میتوان به صورتی دید که فیزیکدانی معادلهها را مطالعه میکند و مانند پرندهای است که از آسمان به منظره پایین خودش نگاه میکند، در حالی که ناظر درون دنیا، قورباغهای درون این منظره است؛ از دید ناظر بیرونی، جهان مجموعهای از تمام حالتهای مختلف ماده است.
چند شاخه شدن واقعیت
از نگاه پرنده، چندجهانی سطح ۳ بسیار ساده است؛ زیرا فقط یک تابع موج است. در طول زمان، این تابع به نرمی و با قطعیت بدون تقسیم شدن به شاخههای موازی تکامل مییابد. دنیای کوانتومی انتزاعی که این تابع را در حال تکامل توصیف میکند، تعداد فراوانی مسیر کلاسیک دارد که پیوسته چند شاخه و سپس ادغام میشوند؛ همچنین تعدادی پدیدههای کوانتومی در آن وجود دارند که توصیف کلاسیک ندارند.
از نگاه قورباغه، ناظران فقط بخش کوچکی از این واقعیت کامل را میبینند. آنها میتوانند دنیای سطح ۱ خود را ببینند، اما فرآیندی به نام «انسجامزدایی» (Decoherence) مانع میشود که نسخههای سطح ۳ خودشان را ببینند؛ به عبارت دیگر، در فرآیند انسجامزدایی به نظر میرسد تابع موج برای ناظر فرو پاشیده است، اما از نقطه نظر معادلهها، یکپارچگی حفظ میشود.
برای مثال، فرض کنید دو انتخاب دارید: خواندن این مطلب را ادامه بدهید یا دست از خواندن بکشید. از نگاه پرنده، تصمیمگیری باعث میشود شما وارد دو نسخه واقعیت میشوید که در یکی به خواندن ادامه میدهید، در دیگری نه، اما از دید قورباغه، هرکدام از این نسخهها فقط شاخه واقعیت خودش را احساس میکنند.
ارتباط جهانهای کوانتومی با جهانهای موازی سطح ۱ و ۲
میتوان گفت چندجهانی سطح ۳ چیز جدیدی به چندجهانیهای سطح ۱ و ۲ اضافه نمیکند و تنها تفاوت در مکان جهانهاست. در سطح ۱، خود دیگر شما در نقطهای بسیار دور در فضایی سهبعدی زندگی میکند. در سطح ۲، جهانهای دیگر در حبابها یا در ابعاد متفاوت فضا هستند، اما در سطح ۳، جهانها در شاخه کوانتومی دیگری در فضای بینهایتبعدی هیلبرت واقع شدهاند.
مثال خواندن یا نخواندن این مطلب را در نظر بگیرید. اگر به خواندن ادامه بدهید، در کهکشانی دوردست، میتوان حالتی از مواد را پیدا کرد که در آن، خود دیگر شما از خواندن دست میکشد.
همین استدلال را میتوان درباره دنیای موازی سطح ۲ به کار برد. فرآیند شکست تقارن نتیجهای منحصر به فرد به دنبال ندارد، بلکه برهمنهی تمام نتایج ممکن بود که هرکدام راه خودشان را رفتند؛ یعنی در سطح ۳، هرکدام از ثابتهای فیزیکی و ابعاد فضا-زمان به صورت شاخههای مختلف واقعیتهای کوانتومی درآمدند.
تعداد دنیای موازی کوانتومی
در نگاه اول، به نظر میرسد با هر انتخاب، چند جهان کوانتومی موازی ایجاد میشوند؛ پس آیا تعداد جهانها با گذشت زمان افزایش مییابد؟ پاسخ منفی است. از نگاه پرنده، تنها یک جهان کوانتومی وجود دارد.
از سوی دیگر، از نگاه قورباغه تنها چیز مهم تعداد جهانهای قابل تمیز در یک لحظه است؛ یعنی تعداد حجمهای هابلی که تفاوتشان مشخص است. طبق محاسبهها، ۲ به توان ۱۰ به توان ۱۱۸ حالت مختلف برای ماده در یک حجم هابل وجود دارد؛ پس تعداد دنیای موازی نیز همینقدر است.
از دید قورباغه، تکامل تابع موج باعث میشود ناظر از یکی از این جهانها به جهانهای دیگر منتقل شود. به عبارت دیگر، تمام حالتهای ممکن در هر لحظه وجود دارند؛ پس گذر زمان را در حقیقت میتوان این طور تعبیر کرد که ناظر از یکی از این جهانها به جهان دیگر منتقل میشود.
سطح ۴: ساختارهای ریاضیاتی دنیای موازی را توضیح میدهند
دیدیم که در چندجهانیهای سطح ۱، ۲ و ۳، شرایط آغازین و ثابتهای فیزیکی میتوانند متفاوت باشند، اما قوانین بنیادی طبیعت در هر سه سطح ثابت هستند؛ پس چرا در این نقطه باقی بمانیم؟ چرا نباید خود این قوانین تغییر کنند؟
جهانی را تصور کنید که در آن قوانین فیزیک کلاسیک حکمفرما هستند، نه قوانین نسبیت و مکانیک کوانتوم. جهانی را تصور کنید که در آن زمان به صورت قدمهای گسسته میگذرد، نه پیوسته. شاید جهانی وجود داشته باشد که فقط جهانی دوازده وجهی توخالی است.
در چندجهانی سطح ۴، تمام این جهانها میتوانند وجود داشته باشند. این سطح به نظر کاملا انتزاعی میآید، اما یک راه وجود دارد که بتوان این چندجهانی را اثبات کرد. برای این کار باید به سراغ یکی از بنیادیترین پرسشهای فلسفه ریاضی برویم: آیا سازگاریهای تقریبا بینقص بین دنیاهای انتزاعی (مانند ریاضی) و واقعیت تصادفی هستند یا نه؟
طرفداران چندجهانی سطح ۴ باور دارند کاربردهای بسیار مهم و دقیق ریاضی در دنیای واقعی نشان میدهد که جهان ما پایه و اساس ریاضیاتی دارد؛ پس مفاهیم ریاضی ساختارهایی واقعی هستند که میتوانند و باید در جهان وجود داشته باشند.
افلاطون در برابر ارسطو
فیزیکدانهای مدرن به دیدگاه افلاطونی (فیلسوف یونان باستان دوره کلاسیک) علاقه بیشتری دارند. دیدگاه ارسطویی (فیلسوف یونان باستان) میگوید جهان به همین صورتی وجود دارد که الان هست، اما مطابق دیدگاه افلاطونی، میتوان پرسید چرا جهان ساختار ریاضیاتی متفاوتی ندارد؛ این پرسش میتواند راهی باشد برای اینکه بتوانیم وجود جهانهایی را متصور شویم که از لحاظ ساختارهای ریاضیاتی با جهان ما تفاوت دارند.
اگر روزی اختلاف میان دیدگاههای ارسطویی و افلاطونی با پیروزی طرفداران افلاطون تمام شود، میتوانیم تقریبا مطمئن شویم جهانهایی با ساختارهای ریاضیاتی متفاوت با ما نیز وجود دارند.