پارادوکس کیهانی، پیامد هولناک جهانی بدون ناظر را آشکار می‌کند
فیزیکدانان نظری با دلگرمی از موفقیت‌ها در درک سیاه‌چاله‌ها، اکنون آموخته‌های خود را در مورد کل کیهان به کار می‌گیرند. یافته‌های آن‌ها باعث شده است که مفروضات بنیادین در مورد چگونگی انجام فیزیک را زیر سؤال ببرند.
کریستینا آرمیتاژ/کوانتا مگزین
مقدمه
فیزیکدانان در حین کار بر روی ریاضیات فضای کوانتومی و زمان، با معمایی گیج‌کننده روبرو شده‌اند. قوانین پیچیده‌ی نظریه کوانتوم و گرانش به آن‌ها اجازه می‌دهد تا انواع مختلفی از جهان‌ها را با جزئیات دقیق تصور کنند. این امر به آزمایش‌های فکری قدرتمندی منجر شده که در سال‌های اخیر به رازهای دیرینه پیرامون سیاه‌چاله‌ها پرداخته‌اند.
اما در سال ۲۰۱۹، هنگامی که گروهی از پژوهشگران جهانی بسیار شبیه به جهان ما را بررسی کردند، با یک پارادوکس مواجه شدند: به نظر می‌رسید که آن جهان نظری تنها یک حالت ممکن را می‌پذیرد. این جهان آنقدر ساده به نظر می‌رسید که محتوای آن را می‌شد بدون انتقال حتی یک بیت داده توصیف کرد، حتی بدون انتخاب بین صفر یا یک. این نتیجه با این واقعیت در تضاد بود که چنین جهانی باید قادر به میزبانی سیاه‌چاله‌ها، ستارگان، سیارات و انسان‌ها باشد. با این حال، هیچ‌کدام از این جزئیات غنی در آنجا دیده نمی‌شد.
راب مایرز، فیزیکدان نظری در مؤسسه فیزیک نظری پریمیتر در واترلو، کانادا که مستقیماً در این پژوهش دخیل نبوده است، می‌گوید: «ما به اطراف نگاه می‌کنیم و قطعاً جهان پیچیده‌تر از این به نظر می‌رسد.»
فیزیکدانان دلیل خوبی برای اعتماد به این محاسبه دارند، زیرا بر پایه‌ی ایده‌های بنیادین فیزیک بنا شده است. ریاضیات به جهانی اشاره دارد که تنها یک حالت دارد؛ در حالی که جهان ما به وضوح این‌گونه نیست. اکنون تیمی از نظریه‌پردازان پاسخ احتمالی را مطرح کرده‌اند. نتیجه‌ی پارادوکسیکال زمانی به دست آمد که فیزیکدانان به دنبال توصیفی عینی از حالت کل یک جهان بودند. اما چنین توصیفی، حتی در سطح نظری، ممکن است امکان‌پذیر نباشد. این رویکرد به طور ضمنی جهانی را فرض می‌کند که بدون وجود ناظری برای مشاهده‌ی آن وجود دارد. و شاید بدون ناظران، پیچیدگی جهان معنای خود را از دست بدهد.
استدلالی تکان‌دهنده
برای فیزیکدانانی که به مکانیک کوانتوم و گرانش علاقه‌مندند، ترکیب این دو نظریه فوق‌العاده دشوار بوده است. نظریه ریسمان یک راه‌حل احتمالی برای این مشکل است که با جایگزین کردن ذرات با رشته‌های مرتعش بسیار کوچک، موانعی را که دیگر نظریه‌های کاندید را با شکست مواجه می‌کنند، هموار می‌سازد. با این حال، ریاضیات این نظریه چالش‌برانگیز است و استخراج پیامدهای آن دشوار بوده است.
اما تقریباً ۳۰ سال پیش، مقاله‌ای تاریخ‌ساز از خوان مالداسنا، فیزیکدان مؤسسه مطالعات پیشرفته، نشان داد که گاهی می‌توان محاسبات دشوار نظریه ریسمان را دور زد و در عوض با استفاده از مفاهیم آشنای فیزیک ذرات، آن‌ها را انجام داد. نکته اینجاست که این رویکرد تنها در صورتی کار می‌کند که جهان دارای هندسه‌ای غیرمعمول به نام «ضد دو سیتر» (anti-de Sitter) باشد. یک جهان ضد دو سیتر دارای مرزی است که اغلب شبیه به یک قوطی کنسرو به تصویر کشیده می‌شود. نکته قابل توجه این است که هر آنچه در داخل این قوطی رخ می‌دهد، از برخورد ذرات گرفته تا چرخش سیاه‌چاله‌ها، توسط سایه‌هایی بر روی مرز بیرونی قوطی آشکار می‌شود. گویی جهان سه‌بعدی درون آن، معادل تصویری بر روی یک صفحه نمایش تخت است؛ مفهومی که فیزیکدانان آن را هولوگرافی می‌نامند.
خوان مالداسنا، فیزیکدان نظری در مؤسسه مطالعات پیشرفته، رابطه‌ای مهم بین یک فضای فیزیکی و مرز آن فضا پیدا کرد.
ساشا ماسلوف
هولوگرافی دستاوردهای بزرگی به همراه داشته است. در سال ۲۰۱۹، مالداسنا و سه همکارش در مؤسسه مطالعات پیشرفته — احمد المهیری، راگو ماهاجان و یینگ ژائو — از تفکر هولوگرافیک برای درک بهتر آنچه در درون یک سیاه‌چاله رخ می‌دهد، استفاده کردند. آن‌ها با تکیه بر کارهای پیشین، «فرمول جزیره» را پیشنهاد کردند که مرزهای نواحی مختلف درون یک سیاه‌چاله را ردیابی می‌کند. این فرمول به زودی به آن‌ها و دیگران کمک کرد تا توضیحی بالقوه برای یک راز دیرینه بیابند: چگونه سیاه‌چاله‌ها می‌توانند اطلاعاتی را درباره آنچه به درونشان سقوط کرده است فاش کنند — چیزی که طبق نظریه کوانتوم باید اتفاق بیفتد — در حالی که به نظر می‌رسد این کار، ماهیت مطلق گرانش سیاه‌چاله را نقض می‌کند؟ موفقیت آن‌ها به فیزیکدانان این اطمینان را داد که فرمول جزیره راهی قابل اعتماد برای درک گرانش کوانتومی است و نتایج بعدی نشان داد که این فرمول می‌تواند خارج از زمینه اصلی خود یعنی فضای ضد دو سیتر نیز معتبر باشد.
اما این تنها یک دست‌گرمی بود.
هنری مکسفیلد، فیزیکدان در دانشگاه استنفورد، می‌گوید: «سیاه‌چاله‌ها زمینه‌ی آزمایشی بسیار خوبی برای ایده‌ها هستند، اما هدف اصلی نیستند. پرسش مهم در گرانش کوانتومی، کیهان‌شناسی کوانتومی است» — یعنی تلاش برای درک جهان در نخستین لحظاتش.
مشکل اینجاست که ما در یک کیهان قوطی‌مانند ضد دو سیتر زندگی نمی‌کنیم. ماهیت انبساط جهان ما نشان می‌دهد که مرزی ندارد. هر چقدر هم که سفر کنید، هرگز به لبه‌ای نخواهید رسید.
یکی از راه‌هایی که یک جهان می‌تواند بدون لبه باشد، داشتن هندسه‌ای «بسته» است. در این حالت، مسافری که در یک خط مستقیم حرکت می‌کند، در نهایت می‌تواند به نقطه‌ی شروع خود بازگردد، درست مانند زمانی که با یک جت به سمت شرق پرواز کنید.
از آنجا که جهان ما نیز می‌تواند به این شکل بسته باشد، مالداسنا به زودی فرمول جزیره را برای یک جهان بسته به کار برد. او چیزی را کشف کرد که پذیرش آن برای همکارانش دشوار بود: به نظر می‌رسید که ناحیه‌ی بسته تقریباً کاملاً خالی است.
ژائو می‌گوید: «من از آن استدلال بسیار شگفت‌زده شدم. سعی کردم با او مخالفت کنم.» چند سال طول کشید، اما ژائو در نهایت نقصی در جهان خالی مالداسنا پیدا کرد.
صفحه‌ی سفید
جهان‌های بسته‌ای که مالداسنا بررسی کرد، از جرم یا انرژی خالی نبودند. آن‌ها از چیزی حتی مهم‌تر خالی بودند: اطلاعات.
وقتی فیزیکدانان نظریه‌های کوانتومی را مطالعه می‌کنند، باید تمام حالات ممکن یک سیستم فیزیکی را دنبال کنند. برای این کار، از یک فضای انتزاعی به نام فضای هیلبرت استفاده می‌کنند. فضاهای هیلبرت، که به نام دیوید هیلبرت، ریاضیدان اوایل قرن بیستم، نامگذاری شده‌اند، با افزودن ابعاد ریاضی جدید، حالات کوانتومی مختلف را در نظر می‌گیرند. هرچه ابعاد بیشتری وجود داشته باشد، این فضاهای هیلبرت می‌توانند اطلاعات بیشتری را رمزگذاری کنند.
حکاکی فلاماریون، که برای اولین بار در سال ۱۸۸۸ منتشر شد، ناظری را به تصویر می‌کشد که از افق، «جایی که آسمان و زمین به هم می‌رسند»، عبور می‌کند. در آنجا، سازوکار کیهان آشکار می‌شود.
کامیل فلاماریون
یک سیستم ساده، مانند یک بیت کامپیوتری که می‌تواند صفر یا یک باشد، ممکن است دو بُعد داشته باشد.
بیشتر سیستم‌های کوانتومی بسیار پیچیده‌تر هستند. یک اتم هیدروژن را در نظر بگیرید. با دادن انرژی بیشتر به آن، الکترونش می‌تواند به مدارهای بالاتر و بالاتری برسد. در این مورد، تعداد حالات ممکن نامحدود است، و بنابراین فضای هیلبرت آن بی‌نهایت-بعدی است. بیشتر سیستم‌های کوانتومی واقعی این ویژگی را دارند.
ادگار شاقولیان، فیزیکدان در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، متوجه ارتباط این رفتار عجیب با نظریه‌های میدان توپولوژیک شد.
الکسا فردستون
بنابراین، فیزیکدانان انتظار دارند که یک جهان کامل نیز تعداد نامحدودی حالت داشته باشد. اما زمانی که مالداسنا فرمول جزیره را برای یک جهان بسته به کار برد، دریافت که فضای هیلبرت آن تنها یک بُعد دارد. هیچ اطلاعاتی برای یافتن وجود نداشت. کل جهان و هر آنچه در آن بود تنها می‌توانست در یک حالت کوانتومی باشد. این جهان حتی از پیچیدگی یک بیت هم بی‌بهره بود.
این نتیجه‌گیری برای فیزیکدانان پارادوکسیکال به نظر می‌رسید، با توجه به اینکه ما نیز ممکن است در یک جهان بسته زندگی کنیم. و ما به وضوح بسیار بیشتر از یک حالت را در اطراف خود می‌بینیم.
ادگار شاقولیان، فیزیکدان در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، می‌گوید: «روی میز من تعداد بی‌نهایتی از حالت‌ها وجود دارد.»
اما با ادامه مطالعه‌ی انواع مختلف جهان‌های بسته توسط فیزیکدانان، آن‌ها همچنان همان الگو را مشاهده می‌کردند. در حالی که گروه مؤسسه مطالعات پیشرفته سیاه‌چاله‌ها را در نظر می‌گرفتند، مکسفیلد و همکارش دونالد مارولف به حباب‌های کوانتومی فرضی از فضا-زمان به نام «جهان‌های نوزاد» نگاه کردند. آن‌ها نیز به همان سادگی مطلق رسیدند. به طور فزاینده‌ای به نظر می‌رسید که تهی بودن جهان‌های بسته یک روند جهانی است.
ژائو می‌گوید: «در نهایت ما آن را باور کردیم.»
بازگشت پیچیدگی
این وضعیت یک پارادوکس را به وجود می‌آورد: محاسبات به طور مداوم نشان می‌دهند که هر جهان بسته تنها یک حالت ممکن دارد. اما جهان ما، که به احتمال زیاد بسته است، بی‌نهایت پیچیده‌تر به نظر می‌رسد. پس چه اتفاقی در حال رخ دادن است؟
در مقاله‌ای در سال ۲۰۲۳، شاقولیان اشاره کرد که فیزیکدانان پیش از این نیز این رفتار عجیب را در نظریه‌هایی به نام «نظریه‌های میدان توپولوژیک» دیده بودند. ریاضیدانان از این نظریه‌ها برای ترسیم شکل یا توپولوژی فضاهای هندسی استفاده می‌کنند. نظریه‌های میدان توپولوژیک نیز می‌توانند فضاهای هیلبرت یک‌بعدی داشته باشند. اما اگر فضای هندسی را به چندین ناحیه تقسیم کنید، می‌توانید فضا را به روش‌های مختلفی توصیف کنید. برای پیگیری تمام احتمالات جدید، به یک فضای هیلبرت بزرگ‌تر نیاز دارید.
شاقولیان می‌گوید: «قوانین بازی تغییر می‌کند.»
شاقولیان پیشنهاد کرد که ممکن است راهی مشابه برای تقسیم یک جهان بسته وجود داشته باشد: وارد کردن یک ناظر.
یینگ ژائو، فیزیکدان نظری در مؤسسه فناوری ماساچوست، بخشی از تیمی بود که راه حلی برای مشکل جهان تک‌حالتی ارائه داد.
با سپاس از یینگ ژائو
مکانیک کوانتوم نیازمند تمایز بین یک ناظر — مانند دانشمندی که آزمایشی را انجام می‌دهد — و سیستمی است که او مشاهده می‌کند. سیستم معمولاً چیزی کوچک و کوانتومی مانند یک اتم است. ناظر بزرگ و دور است و بنابراین به خوبی توسط فیزیک کلاسیک توصیف می‌شود. شاقولیان مشاهده کرد که این تقسیم‌بندی مشابه همان نوعی است که فضاهای هیلبرت نظریه‌های میدان توپولوژیک را بزرگ می‌کند. شاید یک ناظر بتواند همین کار را با این جهان‌های بسته و به ظاهر فوق‌العاده ساده انجام دهد؟
در سال ۲۰۲۴، ژائو به مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) رفت و در آنجا کار بر روی مسئله‌ی چگونگی قرار دادن یک ناظر در یک جهان بسته را آغاز کرد. او و دو همکارش — دانیل هارلو و میخایلو اوساتیوک — به ناظر به عنوان معرف نوع جدیدی از مرز فکر کردند: نه مرز جهان، بلکه مرز خود ناظر. ژائو و همکارانش نشان دادند که وقتی یک ناظر کلاسیک را درون یک جهان بسته در نظر بگیرید، تمام پیچیدگی جهان بازمی‌گردد.
مقاله‌ی تیم MIT در ابتدای سال ۲۰۲۵ منتشر شد، تقریباً همزمان با گروه دیگری که ایده‌ی مشابهی را مطرح کردند. دیگران نیز به ارتباط این ایده با کارهای پیشین اشاره کردند.
در این مرحله، همه‌ی افراد درگیر تأکید می‌کنند که راه‌حل کامل را نمی‌دانند. خود پارادوکس ممکن است یک سوءتفاهم باشد که با یک استدلال جدید برطرف شود. اما تاکنون، افزودن یک ناظر به جهان بسته و تلاش برای در نظر گرفتن حضور او، ممکن است امن‌ترین مسیر باشد.
ژائو می‌گوید: «آیا واقعاً مطمئنم که این راه حل درست است و مشکل را حل می‌کند؟ نمی‌توانم بگویم. ما تمام تلاش خود را می‌کنیم.»
اگر این ایده پابرجا بماند، استفاده از ماهیت ذهنی ناظر برای توضیح پیچیدگی جهان، یک تغییر پارادایم در فیزیک خواهد بود. فیزیکدانان معمولاً به دنبال «نگاه از ناکجا» هستند، یک توصیف مستقل از طبیعت. آن‌ها می‌خواهند بدانند که جهان چگونه کار می‌کند و چگونه ناظرانی مانند ما به عنوان بخشی از جهان پدیدار می‌شوند. اما با درک فیزیکدانان از جهان‌های بسته بر حسب مرزهای خصوصی پیرامون ناظران خصوصی، این «نگاه از ناکجا» کمتر و کمتر امکان‌پذیر به نظر می‌رسد. شاید «نگاه از یک جا» تنها چیزی باشد که می‌توانیم داشته باشیم.