کیهان‌شناسی کوانتومی؛ «هیچ کوانتومی» و «هیچ کلاسیکی»

دیدارنیوز ـ سروش زمانی مقدم: بر طبق اصول موضوع مکانیک کوانتومی، توصیف کوانتوم مکانیکی طبیعت، کاملا با آنچه که در مشاهدات روزمره و بر مبنای توصیف کلاسیکی صورت می‌گیرد متفاوت است.

آنچه که این توصیف را از اساس دگرگون و متفاوت می‌سازد، رابطه‌ای موسوم به "اصل عدم قطعیت" است که به قلب مکانیک کوانتومی نیز شهرت دارد. اما قبل از آنکه دریابیم که این اصل چگونه توصیفات ما را بالاخص در کیهانشناسی متمایز می‌کند، مجبور به درک مفهوم آن هستیم.

با مفهوم "مسیر" در فیزیک شروع می‌کنیم. برطبق قوانین فیزیک کلاسیک، مسیر توپ فوتبالی که مورد اصابت ضربه قرار می‌گیرد، کاملا مشخص است و پیش بینی مکان و سرعت دقیق توپ در هر لحظه ممکن است.

اما در دنیای ریز مقیاس اتم‌ها و ذرات زیر اتمی و بنیادی، چنین توصیفی ممکن نیست و بر طبق اصل عدم قطعیت، مستقل از خطا‌های ممکن انسانی و یا آزمایشگاهی، نمی‌توان "به طور همزمان" و کاملا دقیق، مکان و سرعت یک ذره را تعیین کرد.

مثلا اگر در لحظه‌ای مکان الکترونی را با دقت تعیین کنیم، قطعا نمی‌توان سرعت آن را در همان زمان با دقت کامل تعیین کرد و بنابراین، چون در نتیجه این عدم تعیین نمی‌توانیم مکان لحظه بعدی الکترون را نیز مشخص کنیم، لذا مفهوم مسیر به معنای کلاسیکی آن، اعتبار وجودی خود را از دست می‌دهد.

در عین حال، کوانتوم مکانیک به جای مفهوم کلاسیکی مسیر، موجودیت دیگری را با نام "حالت کوانتومی" در اختیارمان می‌گذارد. پذیرش مفهوم حالت کوانتومی نتایج جالب و البته بهت آوری در اختیارمان می‌گذارد.

الکترون به جای آنکه مسیر مشخصی را دنبال کند، حالات کوانتومی مختلفی را اختیار می‌کند و بنابراین وقتی یک ذره در حالت کوانتومی خاصی قرار می‌گیرد، برخلاف تخصیص مکان یا سرعتی مشخص به آن در حالت کلاسیکی، تنها می‌توان از "احتمال" بودن آن ذره در یک مکان مشخص و یا "احتمال" داشتن سرعتی خاص برای آن صحبت کرد.

به طور خلاصه در نگاه کوانتوم مکانیکی به جهان، به جای داشتن توصیفی تعیین پذیر از آن، توصیفی احتمالاتی از آن خواهیم داشت که خصوصیتی غیر کلاسیکی بوده و مشخصه‌ای کوانتومیست.

پس از این مقدمه، حال می‌توانیم با دیدی کوانتومی مبانی کیهانشناسی کلاسیک را بازنگری کنیم.

از "مهبانگ" شروع می‌کنیم که در تعاریف استاندارد به لحظه‌ای از پیدایش کیهان اطلاق می‌شود که اندازه عالم را صفر، و چگالی ماده و دما را بی نهایت در نظر می‌گیریم. در واقع در این فرض‌ها مشکلی نهفته است که عمدتا به آن توجه نمی‌شود.

آنچه که برای درک عالمی بینهایت کوچک که اندازه اولیه آن از ابعاد یک اتم هم کوچکتر فرض می‌شود در اختیار داریم، گرانش اینشتینی مبتنی بر نسبیت عام است که بصورتی ناقص به ابعادی در حوزه بلامنازع کوانتومی پیوند زده می‌شود و این عمل بدون درک آنکه چگونه مفاهیم کوانتومی به توصیف "لحظات نزدیک مهبانگ" می‌پردازد صورت می‌گیرد.

در واقع جنبه اساسی آنچه که کیهانشناسی کلاسیک نامیده می‌شود، انبساط عالم پس از خلقت آن اتم اولیه است.

این انبساط بر حسب تابع وابسته به زمانی با نام "عامل انبساط" صورت می‌پذیرد و در واقع نحوه تغییرات انبساط عالم با گذشت زمان، همانند یافتن مسیر حرکت توپ فوتبال مورد نظرمان در اول بحث، برحسب تغییرات تابع عامل انبساط صورت می‌گیرد.

عامل انبساط در واقع متشکل از مجموعه‌ای از معادلات است که شکل آن به ماهیت و مقدار ماده تشکیل دهنده عالم بستگی دارد و بر مبنای آن می‌توان مقدار انبساط و آهنگ تغییرات آن را در هر لحظه بعدی محاسبه کرد.

اینکه ما در کهکشان راه شیری، مکان‌های متفاوت کهکشان‌های دوردست دیگر و فاصله‌شان از خودمان را بر پایه عامل انبساط در زمان‌های مختلف بررسی می‌کنیم، علی الاصول همانند آنست که با استفاده از مکان و سرعت اولیه توپ فوتبال در نظر گرفته شده، مسیر آن را در زمان‌های بعدی بدست آوریم.

مشکل، اما از اینجا آغاز می‌شود که بر طبق نظریه کوانتوم، همانطور که دانستن همزمان مکان و سرعت ذره کوانتومی مجاز نبود، به تشابه نمی‌توانیم همزمان "عامل انبساط" و "آهنگ تغییرات آن" را بدانیم!

البته اگر بگویید که دانستن همزمان چنین اطلاعاتی در مورد ابعاد کهکشان‌ها در کیهان آنچنان برای اصل عدم قطعیت برخورنده نیست، حق با شماست، اما به خاطر آورید که ما توصیف خود را از لحظات اولیه مهبانگ با اندازه کیهان در زمانی که خردتر از اتم بود آغاز کردیم!

بنابر آنچه که پیشتر ذکر شد، در توصیف کوانتومی کیهان، همانطور که از مفهوم مسیر الکترون چشمپوشی کردیم و به حالت کوانتومی الکترون با انرژی مشخص روی آوردیم، اینبار نیز ناچاریم تا مفهوم "حالت کوانتومی عالم" را جایگزین آنچه که "عامل انبساط" نامیدیم کنیم.

حال ببینیم که چنین نگرشی چه نتایج عجیبی دربر خواهد داشت!

گفتیم که در نگاه کوانتومی، مکان الکترون با انرژی معلوم، مقدار مشخصی ندارد و تنها می‌توان از احتمال بودن الکترون در مکانی خاص صحبت کرد.

گسترش چنین نگاهی برای توصیف کوانتومی کیهان، به منزله آنست که با مشخص بودن حالت کوانتومی عالم، عامل انبساط آن نامعین خواهد بود و تنها می‌توان درباره میانگین عامل انبساط با افت و خیز‌هایی حول آن مقدار میانگین صحبت کرد.

از آنجایی که با کوچکتر شدن عامل انبساط، آن به اصطلاح افت و خیز‌ها رشد فزاینده‌ای خواهند داشت، در نتیجه در لحظه‌ای که اندازه عالم را صفر در نظر می‌گیریم، می‌توان مهبانگ را نادیده گرفت!

برای درک بهتر این نتیجه بار دیگر به مثال الکترون درحال چرخش به دور پروتون، در هسته اتم بر می‌گردیم.

پیش بینی فیزیک کلاسیک از چرخش الکترون با بار منفی الکتریکی به دور پروتون با بار مثبت الکتریکی، آنست که در نهایت الکترون با از دست دادن تمامی انرژی خود، در مسیری دورانی که به پروتون منتهی می‌شود، زوزه کشان، به درون هسته اتم سقوط می‌کند و این یعنی اتم نباید پایدار بماند!

در واقع در نگاه فیزیک کلاسیک، پایداری اتم‌ها و هر آن چیزی که از آن‌ها ساخته شده است، منجمله شمایی که در این لحظه با ثبات کامل در حال خواندن این متن هستید، رازی بی جواب بود.

اما از آنجایی که در تفسیر کوانتومی، الکترون دارای مسیر مشخصی نیست، و بلکه به جای آن دارای تراز انرژی است، لذا با توجه به آنکه صحبت از مسیر الکترون در یک تراز انرژی معنایی ندارد، بنابراین نمی‌توان از مسیر‌های سقوط الکترون به درون هسته صحبت کرد و این به یک بیان یعنی نمی‌توان اتم را له کرد!

به تشابه از ایده مشابهی در کیهانشناسی کوانتومی استفاده می‌شود.

درست همانطور که الکترون و پروتون نمی‌توانند بیشتر از حدی که اصل عدم قطعیت اجازه می‌دهد به هم نزدیک شوند، کیهان نیز نمی‌تواند به دلایل کوانتومی دارای حجم صفر باشد!

در این صورت آیا مکانیک کوانتومی طول کمینه‌ای را برای جهان پیش بینی می‌کند؟

جواب مثبت است و این طول که با "طول پلانک" شناخته می‌شود برابر با "ده به توان منفی سی و سه سانتی متر" است که مقدار آن بر حسب ثابت‌های بنیادین فیزیک تعیین می‌شود.

بیشتر بخوانید: تکینگی کوانتومی

جالب آنجاست که این تنها نتیجه مهم اعمال نظریه کوانتوم بر کیهانشناسی نیست. در واقع کیهانشناسی کوانتومی بر خلاف حالت کلاسیکی آن می‌تواند پاسخی برای این پرسش که چرا اصلا عالم وجود دارد؟ نیز داشته باشد.

وجود عالم و در نتیجه چرایی آفرینش این حجم از ماده سوالی است که در چارچوب کیهانشناسی کلاسیک نمی‌توان برای آن پاسخی یافت.

می‌توان نشان داد که گسترش کوانتوم مکانیک به کیهانشناسی نه تنها توصیف کننده کیهان با ماده درون آن است، بلکه لازم می‌دارد که عالم حتما باید دارای ماده باشد و در واقع معادلات کوانتومی کیهان اجازه وجود "عالم خالی" را نمی‌دهند!

به بیانی فنی‌تر در یک فضای خالی، به دلیل ناپایداری افت و خیز‌های گرانشی، عالم از حالت خالی و بدون ماده، به عالمی در حال انبساط و دارای ماده، گذار فاز پیدا می‌کند.

دست آخر ممکن است این سوال منطقی پیش آید که خلق ماده و انبساط عالم نیازمند انرژی است و لذا ایجاد ماده از فضایی خالی و به اصطلاح ایجاد "چیز" از "هیچ"، قطعا باید ناقض اصل مسلم فیزیک با نام پایستگی انرژی باشد!

بیشتر بخوانید: چرا بودن؟ اینک مسئله این است

اینجاست که گرانش به کمکمان می‌آید!‌

می‌دانیم که سیستم‌های مقید تحت تاثیر نیرو‌های جاذبه‌ای همچون گرانش، دارای انرژی منفی هستند.

برای مثال از آنجایی که کره زمین به خاطر نیروی گرانشی، مقید به چرخش دور خورشید است، لذا زمین در سیستم مقید خورشید-زمین، دارای انرژی منفی است.

نتیجه آنکه انرژی گرانشی منفی موجود در کیهان، با انرژی مثبت ماده و انبساط آن، در حال تعادل است و در نتیجه انرژی کل باز هم صفر می‌شود!

بنابراین اینکه در چارچوب کیهانشناسی کوانتومی به علت نوسانات یا همان افت و خیز‌های کوانتومی خلاء، ماده می‌تواند به طور خود به خودی به وجود آمده باشد نیز مساله عجیبی نیست و این یعنی "هیچ کوانتومی" دارای معنای متمایزی از "هیچ کلاسیکی" است.

در واقع از آنجایی که "خلاء کوانتومی" به معنای "خالی بودن فضای کلاسیکی" نیست، بنابراین در اثر خلق و فنای پیوسته ذرات و افت و خیز‌های پیوسته میدان ها، دنیای مادی مورد مشاهده مان ایجاد می‌شود.

اشباح کوانتومی؛ خیال یا واقعیت؟

دست آخر باید متذکر شد که هر چند هنوز بطور کامل در دستیابی به یک نظریه "گرانش کوانتومی" یکپارچه موفق نبوده ایم، اما شواهد نشانگر آنست که ترکیب موفق نسبیت عام و کوانتوم مکانیک، نگرش و شناخت ما را از دنیای پیرامونمان بسیار غنی‌تر و باشکوه‌تر خواهد ساخت!