جهان با ذوب بزرگ آغاز شده، انفجار بزرگ را به فراموشی بسپارید! (قسمت دوم)

در قسمت اول نوشتار دو قسمتی منشا پیدایش جهان، از تلاش دانشمندان برای ادغام دو اصل گرانش و نظریه کوانتومی برای یافتن پاسخی مناسب برای منشا پیدایش جهان صحبت کردیم. بر اساس مطالعات جدید منشا پیدایش جهان نه یک انفجار بزرگ بلکه یک ذوب بزرگ بوده است. در قسمت دوم، به طور مفصل درباره‌ی چگونگی امکان چنین ویژگی هیجان‌انگیزی صحبت می‌کنیم. با دیپ لوک همراه باشید…

منظور ما از اطلاعات کیهانی، به راحتی با یک مقایسه، قابل توضیح است. وقتی یک قطعه یخ ذوب می‌شود، انتقال از فاز جامد به فاز مایع اتفاق می‌افتد. دینامیک واقعی انتقال فاز می‌تواند بسیار پیچیده باشد، اما تعداد کل اتم‌ها در یخ همانند تعداد کل اتم‌ها در آب است. این عدد، نشان‌دهنده‌ی تعداد درجات آزادی سیستم است که در طول انتقال فاز تغییر نمی‌کند. به طور مشابه، انتقال فازی که منجر به پیدایش جهان می‌شود را می‌توانیم با عددی که درجه آزادی در فاز پیش هندسی را با درجه آزادی درفضا-زمان کلاسیک ارتباط می‌دهد، بیان کنیم. با استفاده از این عدد، که ما آن را کاسمین (CosmIn) می‌نامیم، می‌توان دو فاز جهان را به یکدیگر متصل کرده و مشکلات ناشی از مدل گرانش کوانتومی را برطرف کرد. فضا-زمان باید به صورت درجه آزادی میکروسکوپی در نظر گرفته شود، همانطور که ماده از اتم ساخته شده است.

کاسمین، به عنوان یک عدد قابل مشاهده‌ی فیزیکی، باید محدود باشد. در واقع انتظار می‌رود تمام مقادیر فیزیکی در غیاب تکینگی، مقادیر محدود را اختیار کنند. علاوه بر این، ما توانستیم نشان دهیم که کاسمین، تنها در صورتی محدود خواهد شد که جهان به طور دقیق همانطور که امروز شاهد آن هستیم، دستخوش مرحله فزاینده‌ای از انبساط در زمان‌های پایانی گسترش شده باشد. این ارتباط نه تنها یک دلیل اساسی برای وجود ثابت کیهان‌شناسی را نشان می‌دهد، بلکه همچنین ابزاری برای محاسبه مقدار عددی آن است (البته اگر مقدار عددی کاسمین مشخص باشد).

مقدار عددی کاسمین در فاز پیش هندسی یا فاز گرانش کوانتومی جهان را می‌توان با استفاده از نتایجی که بار‌ها توسط چندین مدل گرانش کوانتومی پیشنهاد شده، تعیین کرد. دانشمندان حدس می‌زنند که کل اطلاعات انتقال یافته از فاز گرانشی کوانتومی به فاز کلاسیک، باید برابر با یک عدد ساده باشد: ۴π، دقیقا مساحت یک کره با شعاع واحد. این مقدار، معادل یک واحد اطلاعات در هر واحد سطح از کره‌ای با شعاع واحد است. با استفاده از این واقعیت، می‌توانیم مقدار عددی ثابت کیهانی را به مقیاس انرژی جهان، هنگام گذر از مرحله‌ی گرانش کوانتومی به مرحله‌ی کلاسیک مرتبط کنیم.

این مقیاس انرژی انتقال، به نوبه خود، می‌تواند به ویژگی مبهم دوم جهان ما یعنی بزرگی افت و خیزهای کوانتومی کوچک در جهان اولیه که به شکل کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی امروزی قابل مشاهده هستند، مرتبط باشد. روش مرسوم محاسبه اندازه این نوسانات، استفاده از الگوهای تورمی جهان است که جهان اولیه را به صورت جهانی با رشد و افزایش سریع اندازه، توصیف می‌کند. اما مدل‌های تورمی در تمام اشکال و اندازه ها قرار می‌گیرند و می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که برای هر دامنه، مقدار خاصی داشته باشند. شکل افت و خیزهای اولیه در ابتدا توسط ادوارد رابرت هریسون در سال ۱۹۷۰ (و به طور مستقل توسط یوکوف زولدویچ) به دست آمده و طیف هریسون-زولدویچ نامیده می‌شود. جالب است که هریسون نتایج خود را بیش از یک دهه قبل از ارائه مدل‌های تورمی به دست آورد!

این مدل به ما اجازه می‌دهد که هر دو عدد (مقدار عددی ثابت کیهان‌شناسی و اندازه نوسانات اولیه) را به مقیاس انرژی مرتبط کنیم که در آن جهان پیش هندسی از طریق فرآیند انتقال، به جهان امروزی ما تبدیل شد. به همین ترتیب، وقتی مقیاس انرژی مناسب را انتخاب می‌کنیم، مقدار صحیح مشاهده شده را برای هر دو عدد بدست می‌آوریم که به نوبه‌ی خود منجر به یک رابطه جبری بین ثابت کیهان‌شناسی، دامنه نوسانات اولیه و مقدار کاسمین می‌شود. ما می‌توانیم صحت این رابطه را با استفاده از مقادیر حاصل از مشاهدات پارامترهای کیهان‌شناسی و آزمایش اینکه آیا کاسمین در واقع ۴π است یا نه مورد تایید قرار دهیم. نتایج، بیانگر این نکته است که مقدار کاسمین حاصل از مشاهدات، برابر ۴π و با دقت یک قسمت در هزار است.

به شکل عجیبی، یک ترکیب پیچیده از پارامترهای کیهان‌شناختی که در نظر گرفته نشده و به یکدیگر وابسته نیستند نیز، باید چنین مقدار ساده‌ای داشته باشند، اما از سوی دیگر اعتقاد بر این است که این مقدار، حقیقتی عمیق و زیبا را در مورد جهان نشان می‌دهد. ما اعتقاد داریم این اولین تلاش برای پیوند دادن مقدار عددی ثابت کیهانی به اندازه افت و خیزها در جهان اولیه است. همچنین برای نخستین بار است که برای بدست آوردن هر دو عدد از مدلی که دارای پارامترهای قابل تنظیم نیست استفاده شده که آن‌ها را به مقیاس انرژی جهان امروزی ما مرتبط می‌کند.

تمام این ایده‌ها در چارچوب وسیع‌تر گرانش کوانتومی قرار دارند، نظریه‌ای که فیزیکدانان حتی پس از نزدیک به پنج دهه تلاش هنوز هم اصول مدوَنی برای آن ندارند. یکی از نقاط قوت مدل ارائه شده، این است که نیازی به جزئیات گرانش کوانتومی نداشته، ولی در عین حال، دو نکته مهم در خصوص ماهیت گرانش کوانتومی و ساختار فضا-زمان ارائه می‌دهد. نخست، به شدت پیشنهاد می‌کند که فضا-زمان باید از درجه آزادی‌های میکروسکوپی ساخته شده باشد، همانطور که ماده از اتم ساخته شده است. دوم، اینکه نشان می‌دهد نظریه‌ی خلق جهان، به احتمال زیاد شامل انتقال فاز از یک مرحله پیش هندسی به مرحله کلاسیک و امروزی است.

این نکات همچنین می‌توانند به یک سوال کلیدی پاسخ دهند: چرا نظریه پردازان پس از چند دهه تلاش، هنوز هم گرانش و نظریه کوانتومی را ادغام نمی‌کنند؟ ما معتقدیم این کار را می توان به بهترین شکل با استفاده از یک مقایسه‌ی دیگر نشان داد. ما می‌توانیم مکانیک سیالات را به عنوان یک نظریه فیزیکی خود سازگار که با مجموعه ای از معادلات بیان شده،‌درنظر بگیریم. اگر این معادلات را بنیادی فرض کنیم و اصول نظریه کوانتومی را به آنها تعمیم دهیم، می توانیم پدیده های جدید جالبی  مانند مفهوم فونون‌ها و تعاملات آنها با یکدیگر را درک کنیم. با این وجود، ما هرگز نمی توانیم با چنین رویکردی ساختار کوانتومی ماده را بیابیم.

شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد معادلات توصیف کننده گرانش مشابه معادلات مکانیک سیالات هستند. به عبارت دیگر، دوباره نویسی معادلات توصیف کننده گرانش با استفاده از اصول نظریه کوانتومی، مشابه استفاده از اصول کوانتومی در بیان معادلات مکانیک سیالات است. با این روش ماهیت کوانتومی فضا زمان کشف نخواهد شد. به اعتقاد ما، دهه‌ها تلاش برای کوانتیزه کردن نظریه‌ی اینشتین، منجر به شکست‌های فراوانی شده است. در عوض، لازم است تا ماهیت گرانش و آنچه را که در مورد ساختار میکروسکوپی فضا-زمان به ما می‌دهد، دوباره بررسی کنیم. این روش دقیقا همان روشی است که بولتزمن برای فهم پدیده‌های حرارتی استفاده کرد (یعنی توجه به درجه‌ی گسسته آزادی یا اتم، امری ضروری است). بولتزمن اساسا بیان نمود که اگر یک شی‌ دارای حرارت است، باید دارای درجات آزادی میکروسکوپی باشد.

فضا-زمان نیز می‌تواند دما داشته باشد و به نظر می‌رسد می‌تواند دارای درجه حرارت نیز باشد. این ایده ابتدا از طریق تحقیقات انجام گرفته توسط بکشتاین و استیون هاوکینگ در زمینه سیاهچاله‌ها مطرح شد. پس از آن و در اواسط دهه ۷۰، کارهای بیل اوررو و پل دیویس نشان داد که این ویژگیِ بسیار عادی فضا-زمان است. اگر پارامتر بولتزمن را با این واقعیت که فضا-زمان نیز می‌تواند دارای دما باشد، ترکیب کنیم، به این نتیجه می‌رسیم که فضا-زمان باید دارای درجه‌های آزادی‌های درونی مانند اتم‌ها در ماده باشد. شواهد نظری برای این نتیجه‌گیری در سال‌های اخیر پدید آمده است. این مشاهدات، کلیدی برای درک میکرو ساختار فضا-زمان است و به سرعت منجر به سه نتیجه‌ی قابل توجه می‌شود.

• اول: تکامل یک ناحیه از فضا-زمان را می‌توان به صورت درجات آزادی (یا به شکل مشابه محتوای اطلاعاتی) که در قسمت درونی و مرزی آن منطقه قرار دارد، توصیف نمود.
• دوم: مقدار گرانش مصون از تغییرات سطوح صفر انرژی خواهد بود. در نظریه اینشتین، گرانش به مقدار مطلق انرژی پاسخ می‌دهد و محاسبه مقدار ثابت کیهان‌شناسی تقریبا غیرممکن است.
• سوم: رویکرد اطلاعات نشان می‌دهد که ما نباید به تکامل کیهانی، همانطور که به دنبال یک راه حل خاص برای معادلات اینشتین هستیم، فکر کنیم. در عوض، این معادلات، از یک مجموعه دقیق معادلات که به توصیف درجه‌ی آزادی کوانتومی فضا-زمان می‌رسند، بوجود می‌آیند.
  

رویکرد اطلاعاتی، که توسط مدل کاسمین تایید شده، به ما یک تصویر واضح از جهان، مشابه با یک تکه بزرگ یخِ دارای منبع گرما می‌دهد. منبع گرما، یخ اطراف آن را ذوب کرده و به نوبه خود گسترش یافته و به تعادل ترمودینامیکی می‌رسد. در مقیاس‌های بزرگ و نزدیک به مرز فازها، مولکول‌ها هنوز به تعادل نرسیده‌اند، زیرا تکه‌ی یخ از داخل گرم می‌شود. این رفتار به شکل غیر قابل باوری مشابه چیزی است که در جهان خودمان رخ می‌دهد. منطقه‌ی حاوی مولکول‌های آب مشابه با جهان قابل مشاهده شده است (که توسط نظریه اینشتین شرح داده شده است). این فاز توسط فاز پیش هندسی (مشابه با یخ) احاطه شده که توسط قوانین ناشناخته گرانش کوانتومی توصیف شده است. مفهوم انفجار بزرگ به طور کامل حذف شده و با مفهوم انتقال فاز به فاز دیگر، در محدوده مرزی جهان، جایگزین شده است. در این صورت نیاز به یک دوره تورمی در مراحل پیدایش اولیه جهان نیز از بین رفته است.

چارچوب کلی ارئه شده، ساده و ظریف است، زیرا با یک پارامتر واحد توصیف می‌شود: مقیاس انرژی در فاز اولیه از فاز پیش هندسی به هندسه اینشتین انتقال می‌یابد. این امر بر خلاف مدل‌های تورمی استاندارد است که دارای مقادیر زیادی از پارامترهای غیر قابل پیش‌بینی هستند. مدل ما از فیزیک اثبات نشده، استفاده نمی‌کند. تنها فرضیه‌ی استفاده شده این است که محتوای اطلاعات جهان باید برابر با مساحت کره واحد یعنی ۴π باشد!

این کار، سه راه جدید پژوهشی را به روی محققان گشوده است:

• اول، ما را به تحقیق در فیزیک فاز پیش هندسی در مدل‌های مختلف گرانش کوانتومی دعوت می‌کند.
• دوم، فرصت کشف مفاهیم خاص اطلاعات کیهانی را فراهم کرده و تلاش می‌کند تا آن را به سایر ایده‌های مشابه اطلاعات مورد استفاده در زمینه‌های دیگر مرتبط سازد.
• سوم، این مفهوم را تقویت می‌نماید که فضا زمان از درجه‌های ابتدایی‌‌تر آزادی ساخته شده است (درست همانطور که ماده از اتم ساخته شده) و ما را به سوی مطالعه فازهای مختلف فضا زمان هدایت می‌کند، همانطور که فاز‌های مختلف ماده را در فیزیک ماده چگال بررسی می‌کنیم!