پارادوکس کیهانی عواقب وحشت‌انگیز یک جهان بدون ناظر را نشان می‌دهد

با تشویق از موفقیت‌های به‌دست‌آمده در درک سیاه‌چاله‌ها، فیزیک‌دانان نظری دانش خود را به کل جهان‌ها بسط می‌دهند. یافته‌هایشان آن‌ها را به بازنگری فرضیات بنیادین دربارهٔ نحوه‌ی انجام فیزیک واداشته است.

در حین کار در میزهای خود با ریاضیات فضا‑زمان کوانتومی، فیزیک‌دانان به یک معمای سرسخت دست یافتند. قوانین پیچیدهٔ نظریهٔ کوانتوم و گرانش به آن‌ها اجازه می‌دهد انواع مختلفی از جهان‌ها را با جزئیات دقیق تصور کنند و تجربیات فکری قدرتمندی را ممکن سازند که در سال‌های اخیر به رموز دیرینه‌ای که پیرامون سیاه‌چاله‌ها می‌چرخند، پرداخته‌اند.

اما زمانی که گروهی از پژوهشگران در سال ۲۰۱۹ به دنیایی که به‌طراز جالبی شبیه به جهان ما بود پرداختند، به پارادکس برخوردند: به‌نظر می‌رسید این جهان نظری تنها یک وضعیت ممکن را قبول می‌کند. آن‌قدر ساده به‌نظر می‌آمد که محتویاتش را می‌توان توصیف کرد بدون اینکه حتی یک بیت داده، نه صفر و نه یک، منتقل شود. این نتیجه با واقعیتی که چنین نوع جهانی باید قادر به میزبانی سیاه‌چاله‌ها، ستارگان، سیاره‌ها — و بشر باشد، در تضاد بود؛ اما تمام این جزئیات غنی در جاهای خود دیده نمی‌شد.

«ما به اطراف نگاه می‌کنیم و بدون شک جهان پیچیده‌تر از این به‌نظر می‌رسد»، گفت روب مایرز، فیزیک‌دان نظری در Perimeter Institute for Theoretical Physics در واترلو، کانادا، که مستقیماً در این پژوهش مشارکت نکرده است.

فیزیک‌دانان دلیل موجهی برای اعتماد به این محاسبه دارند، چرا که بر پایهٔ ایده‌های بنیادی فیزیکی استوار است. ریاضیات نشان می‌دهد که این جهان تنها یک وضعیت دارد؛ در حالی که جهان ما به‌وضوح این‌گونه نیست. اکنون یک گروهی از نظریه‌پردازان پیشنهادی برای پاسخ دارند. نتیجهٔ پارادوکسی زمانی به‌دست آمد که فیزیک‌دانان سعی کردند توصیف عینی‌ای از وضعیت کل یک جهان ارائه دهند؛ اما چنین توصیفی ممکن است حتی در اصل نیز قابل‌تحقق نباشد. این فرضیه به‌طور ضمنی بر این استوار است که جهان بدون هیچ ناظری وجود دارد. و شاید بدون ناظر، پیچیدگی جهان معنای خود را از دست می‌دهد.

یک استدلال تکان‌دهنده

برای فیزیک‌دانانی که به هر دو حوزهٔ مکانیک کوانتومی و گرانش علاقه‌مندند، ترکیب این دو نظریه به‌طور فوق‌العاده‌ای دشوار بوده است. نظریهٔ ریسمان به‌عنوان یک راه‌حل پیشنهادی به این مشکل نگاه می‌کند؛ در این چارچوب، ذرات با رشته‌های نازک ارتعاشی جایگزین می‌شوند تا مشکلاتی که نظریه‌های دیگر را دچار شکست می‌کرد، رفع شوند. اما ریاضیات این نظریه پیچیده است و مفاهیم آن به سختی استخراج می‌شوند.

اما تقریباً سی‌سال پیش، یک مقالهٔ مهم توسط خوان مالدئنا، فیزیک‌دانی در مؤسسهٔ مطالعات پیشرفته، نشان داد که محاسبات دشوار نظریهٔ ریسمان می‌توانند گاهی از طریق مفاهیم آشنای فیزیک ذرات جلو‌گریزی شوند و به‌جای آن انجام شوند. شرط این رویکرد این است که جهان دارای هندسهٔ «ضد‑دِ اسیدر» غیرمعمولی باشد. یک جهان ضد‑دِ اسیدر دارای مرزی است که غالباً به‌صورت یک قوطی تقوطی تصور می‌شود. به‌طور شگفت‌انگیز، تمام پدیده‌های داخل این قوطی، از برخورد ذرات تا چرخش سیاه‌چاله‌ها، توسط سایه‌هایی بر روی مرز بیرونی قوطی نمایان می‌شوند. گویی جهان سه‌بعدی داخل قوطی معادل تصویری بر صفحهٔ صاف است؛ مفهومی که فیزیک‌دانان «هولوگرافی» می‌نامند.

هولوگرافی دستاوردهای بزرگی به‌دست آورده است. در سال ۲۰۱۹، مالدئنا و سه همکارش در مؤسسهٔ مطالعات پیشرفته، احمد المهیری، راغو ماهاجان و اینگ ژائو، از تفکر هولوگرافیک برای درک بهتر آنچه در داخل یک سیاه‌چاله اتفاق می‌افتد، استفاده کردند. بر پایهٔ کارهای قبلی، آن‌ها «فرمول جزیره» را پیشنهاد دادند که مرزهای نواحی مختلف داخل یک سیاه‌چاله را ردیابی می‌کند. این فرمول به‌سرعت به آن‌ها و دیگران کمک کرد تا توضیحی محتمل برای یک معمای دیرینه بیابند: چگونه می‌تواند سیاه‌چاله‌ها اطلاعاتی دربارهٔ آنچه به داخلشان سقوط کرده را نشان دهند — که نظریهٔ کوانتوم می‌گوید باید این‌گونه باشد — در حالی که این کار به‌نظر می‌رسد با ماهیت مطلق گرانش سیاه‌چاله مخالف است؟ موفقیت آن‌ها به فیزیک‌دانان اطمینان داد که فرمول جزیره روشی قابل اعتماد برای درک گرانش کوانتومی است، و نتایج بعدی نشان داد که این روش می‌تواند در زمینهٔ غیرضد‑دِ اسیدر نیز کاربرد داشته باشد.

اما این صرفاً یک پیش‌درآمد بود.

«سیاه‌چاله‌ها زمینۀ آزمون بسیار خوبی برای ایده‌ها هستند، اما منبع درآمدی نیستند»، گفت هِنری مکسفیلد، فیزیک‌دانی در دانشگاه استنفورد. «سوال مهم در گرانش کوانتومی، کیهان‌شناسی کوانتومی است» — تلاشی برای درک جهان اولیه.

مشکل این است که ما در یک کیهان باقابض «ضد‑دِ اسیدر» که شبیه یک قوطی تقوطی است، زندگی نمی‌کنیم. طبیعت گسترش جهان نشان می‌دهد که آن هیچ مرزی ندارد. مهم نیست چقدر پیش بروید، هرگز به لبه‌ای نمی‌رسید.

یک راه برای اینکه یک جهان لبه‌ای نداشته باشد این است که دارای هندسهٔ «بسته» باشد. در این حالت، مسافری که در خط مستقیم حرکت می‌کند می‌تواند نهایتاً به نقطهٔ آغاز خود بازگردد، همان‌طور که اگر سوار یک جت شوید و مستقیم به‌شرق پرواز کنید، سرانجام به نقطهٔ خروجی می‌رسید.

از آنجا که جهان ما ممکن است به این شکل بسته باشد، مالدئنا به‌سرعت فرمول جزیره را بر یک جهان بسته اعمال کرد. او چیزی را کشف کرد که همکارانش پذیرش آن را دشوار می‌پنداشتند: به‌نظر می‌رسید ناحیهٔ بسته تقریباً کاملاً خالی باشد.

«من به‌خاطر این استدلال تقریباً شوکه شدم»، گفت ژائو. «سعی کردم با او استدلال کنم.» چند سال طول کشید، اما ژائو در نهایت حفره‌ای در جهان خالی مالدئنا یافت.

صفحه‌ی خالی

جهان‌های بسته‌ای که مالدئنا بررسی کرد، خالی از جرم یا انرژی نبودند. آن‌ها خالی از چیزی حتی مهم‌تر بودند: اطلاعات.

هنگامی که فیزیک‌دانان نظریه‌های کوانتومی را مطالعه می‌کنند، باید وضعیت‌های ممکن هر سیستم فیزیکی را ردیابی کنند. برای این کار، از فضایی انتزاعی به نام فضای هیلبرت استفاده می­نمایند. فضاهای هیلبرت، که به افتخار ریاضیدان اوایل قرن بیستم دیوید هیلبرت نام‌گذاری شده‌اند، با افزودن بُعدهای ریاضی جدید، حالات کوانتومی مختلف را دربر می‌­گیرند. هرچه تعداد بُعدها بیشتر باشد، اطلاعات بیشتری می‌تواند در این فضاها کدگذاری شود.

یک سیستم ساده، مانند یک بیت کامپیوتری که می‌تواند صفر یا یک باشد، ممکن است دو بُعد داشته باشد.

اکثریت سیستم‌های کوانتومی بسیار پیچیده‌ترند. به عنوان مثال، یک اتم هیدروژن تک‌نفره را در نظر بگیرید. الکترون آن می‌تواند با دریافت انرژی بیشتر به اوربیت‌های بالاتری برود. در این حالت، تعداد حالات ممکن بی‌نهایت می‌شود و بنابراین فضای هیلبرت آن به‌صورت بی‌نهایت بُعدی است. بیشتر سیستم‌های واقعی کوانتومی این ویژگی را دارند.

بازگشت پیچیدگی

وضعیت یک پارادوکس را به‌وجود می‌آورد: محاسبات به‌طور مداوم نشان می‌دهند که هر جهان بسته‌ای تنها یک وضعیت ممکن دارد. اما جهان ما، که ممکن است قطعا بسته باشد، به‌ظاهر پیچیدگی بی‌نهایت دارد. پس چه چیزی در حال رخ دادن است؟

در مقاله‌ای به سال ۲۰۲۳، شاغولیان اشاره کرد که فیزیک‌دانان پیش از این رفتار عجیب را در نظریه‌هایی به نام نظریات میدان توپوژیک دیده‌اند. ریاضیدانان از این نظریات برای ترسیم شکل یا توپوژی فضاهای هندسی استفاده می‌کنند. نظریات میدان توپوژیک می‌توانند فضای هیلبرت تک‌بعدی داشته باشند. اما اگر فضا را به چندین ناحیه تقسیم کنید، می‌توانید آن را به راه‌های متعددی توصیف کنید. برای ردیابی تمام امکانات جدید، نیاز به فضای هیلبرت بزرگتری دارید.

«قوانین بازی تغییر می‌کنند»، گفت شاغولیان.

شاغولیان پیشنهاد داد که شاید راه مشابهی برای تقسیم یک جهان بسته وجود داشته باشد: وارد کردن یک ناظر.

مکانیک کوانتومی نیاز به جداسازی بین ناظر — همچون دانشمندی که آزمایشی را انجام می‌دهد — و سیستم مورد مشاهدۀ او دارد. سیستم معمولاً کوچک و کوانتومی است، مانند یک اتم؛ در حالی که ناظر بزرگ و دور است و به‌خوبی می‌تواند با فیزیک کلاسیک توصیف شود. شاغولیان مشاهده کرد که این جداسازی مشابهی است با روشی که فضای هیلبرت در نظریات میدان توپوژیک را گسترش می‌دهد. شاید ناظر بتواند همان کار را برای این جهان‌های بسته، که به‌ظاهر به‌ساده‌ترین حالت ممکن می‌رسند، انجام دهد؟

در سال ۲۰۲۴، ژائو به مؤسسهٔ فناوری ماساچوست پیوست، جایی که کار بر روی مسألهٔ قرار دادن ناظر در یک جهان بسته را آغاز کرد. او و دو همکارش — دنیل هارلو و میخایلو اوستایوک — ناظر را به‌عنوان معرفی‌کننده‌ای از نوع جدیدی از مرز تصور کردند: نه لبهٔ جهان، بلکه مرز خود ناظر. هنگامی که یک ناظر کلاسیک را درون یک جهان بسته درنظر می‌گیرید، تمام پیچیدگی جهان بازمی‌گردد، همان‌طور که ژائو و همکارانش نشان دادند.

مقالهٔ تیم MIT در ابتدای سال ۲۰۲۵ منتشر شد، همزمانی که گروه دیگری نیز ایده‌ای مشابه را مطرح کرد. دیگران نیز به‌موقع به ارتباط این کار با تحقیقات پیشین اشاره کردند.

در این مرحله، همه مشارکت‌کنندگان تأکید می‌کنند که هنوز راه‌حل کامل را نمی‌دانند. خود پارادوکس ممکن است ناشی از سو‌تفاهمی باشد که با یک استدلال جدید تبخیر می‌شود. اما تاکنون افزودن ناظر به جهان بسته و تلاش برای در نظر گرفتن حضور او به‌نظر می‌رسد ایمن‌ترین مسیر باشد.

«آیا واقعاً می‌توانم با اطمینان بگویم که این آن چیز است که مسأله را حل می‌کند؟ نمی‌توانم این‌طور بگویم. ما تمام تلاش‌مان را می‌کنیم»، گفت ژائو.

اگر این ایده ثابت بماند، بهره‌گیری از طبیعت ذهنی ناظر به‌عنوان روشی برای توجیه پیچیدگی جهان، می‌تواند یک تغییر اساسی در فیزیک باشد. فیزیک‌دانان معمولاً به‌دنبال دیدگاهی بی‌مرز، توصیف مستقلی از طبیعت هستند. آن‌ها می‌خواهند بدانند جهان چگونه کار می‌کند و چطور ناظران همانند ما به‌عنوان بخشی از جهان شکل می‌گیرند. اما همان‌طور که فیزیک‌دانان به درک جهان‌های بسته از منظر مرزهای خصوصی حول ناظرین خصوصی می‌رسند، این دیدگاه بی‌مرز کم‌کم غیرقابل‌اجرا می‌شود. شاید تنها دیدگاه «از جایی» بتواند برای ما امکان‌پذیر باشد.