پارادوکس کیهانی پیامد وحشتناک یک جهان بدون ناظر را فاش می‌کند
پس از موفقیت‌های به‌دست‌آمده در درک سیاه‌چاله‌ها، فیزیک‌دانان نظری در حال به‌کارگیری آنچه یاد گرفته‌اند بر تمام جهان‌ها هستند. آنچه می‌یابند، آنها را وادار می‌کند تا فرضیات اساسی دربارهٔ نحوهٔ اجرای فیزیک را به چالش بکشند.
Kristina Armitage/Quanta Magazine
مقدمه
در حال آزمون و خطا با ریاضیات فضا و زمان کوانتومی بر سر میزهای خود، فیزیک‌دانان معمایی پیچیده کشف کردند. قوانین رمزی نظریهٔ کوانتوم و گرانش به آنها اجازه می‌دهد تا انواع مختلفی از جهان‌ها را با جزئیات دقیق تصور کنند و آزمایش‌های فکری قدرتمندی را انجام دهند که در سال‌های اخیر به معماهای دیرینهٔ پیرامون سیاه‌چاله‌ها پرداخته‌اند.
اما زمانی که گروهی از پژوهشگران در سال ۲۰۱۹ به بررسی جهان‌ای پرداخته‌اند که به‌طرز جذابی شبیه به جهان ما بود، به پارادوکسی رسیدند: به‌نظر می‌رسید این جهان نظری تنها یک حالت ممکن را می‌پذیرد. آن‌چنان ساده بود که محتوای آن را می‌توانستند بدون انتقال حتی یک بیت داده توصیف کنند، نه حتی انتخاب صفر یا یک. این نتیجه در تضاد با این واقعیت بود که چنین نوع جهانی باید قادر به میزبانی سیاه‌چاله‌ها، ستارگان، سیارات — و انسان‌ها باشد. اما تمام این جزئیات غنی در جای دیگری دیده نمی‌شد.
«ما به اطراف نگاه می‌کنیم و بی‌تردید جهان پیچیده‌تر از این به‌نظر می‌رسد»، راب مایرز، فیزیک‌دان نظری در مؤسسهٔ پرمتِر برای فیزیک نظری در واترلو، کانادا، که به‌طور مستقیم در این پژوهش مشارکت نکرده است، گفت.
فیزیک‌دانان دلایلی منطقی برای اعتماد به این محاسبه دارند که بر پایهٔ ایده‌های بنیادی فیزیکی استوار است. ریاضیات نشان می‌دهد که این جهان تنها یک حالت دارد؛ در حالی که جهان ما به وضوح این‌چنین نیست. اکنون تیمی از نظریه‌پردازان پیشنهادی برای پاسخ احتمالی ارائه کرده‌اند. نتیجهٔ پارادوکسیکال زمانی به‌دست آمد که فیزیک‌دانان سعی در توصیف عینی وضعیت تمام یک جهان داشتند. اما شاید چنین توصیفی حتی در اصل ممکن نباشد. این توصیف به‌طور ضمنی فرض می‌کند که عالمی وجود دارد که بدون ناظر برای مشاهده‌اش وجود دارد. و شاید بدون ناظران، پیچیدگی جهان معنای خود را از دست بدهد.
استدلال تکان‌دهنده
برای فیزیک‌دانانی که هم به مکانیک کوانتومی و هم به گرانش علاقه‌مندند، ترکیب این دو نظریه به‌طور فوق‌العاده‌ای دشوار بوده است. نظریهٔ ریسمان به‌عنوان راه‌حلی پیشنهادی برای این مشکل مطرح است؛ در آن ذرات با رشته‌های کوچک و ارتعاشی جایگزین می‌شوند تا مشکلاتی که دیگر نظریه‌های کاندید را نابود می‌کند، رفع شوند. اما ریاضیات این نظریه چالش‌برانگیز است و پیامدهای آن به‌دست آوردن دشوار است.
اما تقریباً سی سال پیش، مقاله‌ای مهم توسط خوان مالدانا، فیزیک‌دانی از مؤسسه مطالعات پیشرفته، نشان داد که محاسبات دشوار نظریهٔ ریسمان می‌توانند گاهی‌ای دور زده شوند و به‌جای آنها با استفاده از مفاهیم آشنای فیزیک ذرات انجام شوند. اما این رویکرد تنها در صورتی کار می‌کند که جهان دارای هندسهٔ غیرعادی «آنتی‑دو اسپارتز» باشد. یک جهان آنتی‑دو اسپارتز مرزی دارد که اغلب به شکل یک قوطی قوطی‌ستیل تصویر می‌شود. شگفت‌انگیز این است که همهٔ آنچه داخل این قوطی اتفاق می‌افتد، از برخورد ذرات تا چرخش سیاه‌چاله‌ها، توسط سایه‌وارهای روی مرز بیرونی قوطی آشکار می‌شود. گویی جهان سه‌بعدی داخل معادل تصویری بر روی یک صفحهٔ مسطح است؛ مفهومی که فیزیک‌دانان «هولوگرافی» می‌نامند.
صفحه خالی
جهان‌های بسته‌ای که مالدانا بررسی کرد، خالی از جرم یا انرژی نبودند. آنها خالی از چیزی حتی مهم‌تر بودند: اطلاعات.
وقتی فیزیک‌دانان نظریه‌های کوانتومی را مطالعه می‌کنند، باید هر حالت ممکن یک سیستم فیزیکی را پیگیری کنند. برای این منظور از فضای انتزاعی به نام فضای هیلبرت استفاده می‌کنند. فضاهای هیلبرت که به نام ریاضیدان دیوید هیلبرت، فعال قرن بیستم، نامگذاری شده‌اند، با افزودن ابعاد ریاضی جدید، حالت‌های کوانتومی مختلف را شامل می‌شوند. هرچقدر ابعاد بیشتر باشد، اطلاعات بیشتری می‌تواند در این فضاهای هیلبرت کدگذاری شود.
یکی از راه‌های این‌که یک جهان بدون لبه باشد، داشتن هندسهٔ «بسته» است. در این حالت، مسافری که در یک خط مستقیم حرکت می‌کند می‌تواند در نهایت به نقطه شروع خود بازگردد، همان‌گونه که اگر در یک جت سوار شوید و مستقیم به‌شرق پرواز کنید.
از آنجا که ممکن است جهان ما به این شکل بسته باشد، مالدانا به‌سرعت فرمول جزیره‌ای را بر یک جهان بسته اعمال کرد. او چیزی کشف کرد که همکارانش پذیرش آن را دشوار می‌دانستند: منطقهٔ بسته تقریباً کاملاً خالی به‌نظر می‌رسید.
«من از این استدلال به‌راستی شگفت‌زده شدم»، ژائو گفت. «سعی کردم با او بحث کنم». این کار چند سال به طول انجامید، اما ژائو سرانجام یک نقص در جهان خالی مالدانا پیدا کرد.
نقاشی‌نگارهٔ فلاماریون، که اولین بار در سال ۱۸۸۸ منتشر شد، ناظر را نشان می‌دهد که از افق «جایی که آسمان و زمین به هم می‌رسند» عبور می‌کند، همان‌طور که در عنوان اصلی آمده است. در آنجا، سازوکارهای جهان به‌صورت کامل آشکار می‌شوند.
Camille Flammarion
یک سیستم ساده، مانند بیت رایانه‌ای که می‌تواند صفر یا یک باشد، ممکن است دو بُعد داشته باشد.
اکثر سیستم‌های کوانتومی بسیار پیچیده‌ترند. به عنوان مثال یک اتم هیدروژن منفرد. الکترون آن می‌تواند با افزودن انرژی به مدارهای بالاتری دست یابد. در این حالت، تعداد حالات ممکن نامحدود است و بنابراین فضای هیلبرت آن بُعدی بی‌نهایت دارد. بیشتر سیستم‌های واقعی کوانتومی این ویژگی را دارند.
ادگار شاغولیان، فیزیک‌دانی از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، ارتباط رفتار عجیب را با نظریه‌های میدانی توپوئولوژیک متوجه شد.
Alexa Fredston
به‌این دلیل فیزیک‌دانان انتظار دارند که کل یک جهان نیز تعداد بی‌نهایتی از حالات داشته باشد. اما زمانی که مالدانا فرمول جزیره‌ای را بر یک جهان بسته اعمال کرد، به‌جای آن یافت که فضای هیلبرت آن فقط یک بُعد دارد. هیچ اطلاعاتی برای یافتن وجود نداشت. تمام جهان و همه‌چیزهای درون آن می‌توانستند تنها در یک حالت کوانتومی باشند. حتی پیچیدگی یک بیت هم وجود نداشت.
این نتیجه برای فیزیک‌دانان پارادوکسی به‌نظر می‌رسید، به‌ویژه از آنجایی که ما هم می‌توانیم در یک جهان بسته زندگی کنیم. و به‌وضوح می‌بینیم که اطرافمان بسیار بیشتر از یک حالت است.
«روی میز من بی‌نهایت حالت وجود دارد»، ادگار شاغولیان، فیزیک‌دانی از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، گفت.
اما همان‌طور که فیزیک‌دانان به مطالعهٔ انواع مختلفی از جهان‌های بسته ادامه دادند، الگوی یکسانی را مشاهده کردند. در حالی که گروه IAS به سیاه‌چاله‌ها می‌پرداخت، ماکسفیلد و همکارش دونالد مارولف به حباب‌های فرضی کوانتومی زمان‑فضا به نام جهان‌های بچه‌نگاه نگاه کردند. آنها همان سادگی واضح را یافتند. به‌طور فزاینده‌ای به‌نظر می‌رسید که بی‌حاصری جهان‌های بسته یک روند کلی باشد.
«در نهایت ما به این باور رسیدیم»، ژائو گفت.
بازگشت پیچیدگی
این وضعیت یک پارادوکس را به‌وجود می‌آورد: محاسبات به‌طور مستمر نشان می‌دهند که هر جهان بسته تنها یک حالت ممکن دارد. اما جهان ما، که احتمالاً بسته باشد، به‌ظاهر بی‌نهایت پیچیده‌تر است. پس چه اتفاقی می‌افتد؟
در مقاله‌ای در سال ۲۰۲۳، شاغولیان اشاره کرد که فیزیک‌دانان این رفتار عجیب را قبلاً در نظریه‌های میدانی توپوئولوژیک مشاهده کرده‌اند. ریاضی‌دانان از این نظریه‌ها برای ترسیم شکل یا توپولوژی فضاهای هندسی استفاده می‌کنند. نظریه‌های میدانی توپوئولوژیک می‌توانند فضاهای هیلبرت یک‌بعدی داشته باشند. اما اگر فضاهای هندسی را به چندین ناحیه تقسیم کنید، می‌توانید فضا را به روش‌های مختلف توصیف کنید. برای ردیابی تمام این امکان‌های جدید، به فضای هیلبرت بزرگ‌تری نیاز دارید.
«قوانین بازی تغییر می‌کند»، شاغولیان گفت.
شاغولیان پیشنهاد داد که شاید روشی مشابه برای تقسیم یک جهان بسته وجود داشته باشد: آوردن ناظری.
مکانیک کوانتومی نیاز به تمایزی دارد بین ناظر — مانند دانشمندی که آزمایشی انجام می‌دهد — و سیستمی که او مشاهده می‌کند. سیستم معمولاً چیزی کوچک و کوانتومی مثل یک اتم است. ناظر بزرگ و دور است و بنابراین به‌خوبی توسط فیزیک کلاسیک توصیف می‌شود. شاغولیان مشاهده کرد که این تقسیم مشابه شیوه‌ای است که فضاهای هیلبرت نظریه‌های میدانی توپوئولوژیک را بزرگ می‌کند. شاید ناظر بتواند همان کار را برای این جهان‌های بسته که به‌ظاهر به‌طرز سادگی غیرممکن به‌نظر می‌رسند، انجام دهد؟
در سال ۲۰۲۴، ژائو به مؤسسهٔ فناوری ماساچوست (MIT) منتقل شد، جایی که شروع به کار بر مشکلی کرد که ناظر را در یک جهان بسته قرار می‌دهد. او و دو همکارش — دانیل هارلو و میخایلو اوستایوک — ناظر را به‌عنوان نوعی مرز جدید تصور کردند: نه مرز جهان، بلکه مرز خود ناظر. وقتی یک ناظر کلاسیک را در یک جهان بسته در نظر می‌گیرید، تمام پیچیدگی جهان باز می‌گردد، همان‌طور که ژائو و همکارانش نشان دادند.
مقالهٔ تیم MIT در اوائل سال ۲۰۲۵ منتشر شد، همزمانی که گروه دیگری نیز ایده‌ای مشابه ارائه داد. دیگران نیز با اشاره به کارهای پیشین ارتباطات آنها را نشان دادند.
در این مرحله، همهٔ افراد درگیر تأکید می‌کنند که هنوز راه‌حل کامل را نمی‌دانند. شاید خود پارادوکس یک سوء‌فهم باشد که با استدلال جدید از بین می‌رود. اما تاکنون، افزودن ناظر به یک جهان بسته و سعی در در نظر گرفتن حضور او ممکن است مسیر امن‌تری باشد.
«آیا واقعا می‌توانم با اطمینان بگویم که این راه‌حل مساله است؟ نمی‌توانم این‌چنین بگویم. ما تمام تلاش خود را می‌کنیم»، ژائو گفت.
اگر این ایده ثابت بماند، استفاده از ماهیت ذهنی ناظر به‌عنوان راهی برای توجیه پیچیدگی جهان، نمایانگر یک تحول پارادایمی در فیزیک خواهد بود. فیزیک‌دانان معمولاً به‌دنبال دیدی «از هیچ» هستند، توصیفی مستقل از طبیعت. آنها می‌خواهند بدانند جهان چگونه کار می‌کند و چگونه ناظران مانند ما به‌عنوان بخش‌هایی از جهان پیدایش می‌یابند. اما هنگامی که فیزیک‌دانان شروع به درک جهان‌های بسته در چارچوب مرزهای خصوصی برای ناظران خصوصی می‌کنند، این دید «از هیچ» به‌تدریج غیرقابل‌اجرا می‌شود. شاید تنها دیدگاه «از جایی» باشد که می‌توانیم داشته باشیم.