پارادوکس کیهانی پیامدهای وحشتناک یک جهان بدون ناظر را آشکار می‌کند

توسط مت وون هیپل

با انگیزه از دستاوردهای به‌دست‌آمده در فهم سیاه‌چاله‌ها، فیزیک‌دانان نظری سعی می‌کنند دانسته‌های خود را به کل جهان‌ها تعمیم دهند. نتایجی که به‌دست می‌آورند، فرضیات بنیادین دربارهٔ روش عملکرد فیزیک را به چالش می‌کشند.

مقدمه

در حین کار بر روی ریاضیات فضای کوانتومی و زمان، فیزیک‌دانان مسألهٔ معمایی‌ای کشف کردند. قوانین پیچیدهٔ نظریهٔ کوانتوم و گرانش به آن‌ها اجازه می‌دهد تا انواع گوناگون جهان‌ها را با دقت بسیار تصور کنند و این امکان را فراهم می‌کند که آزمایش‌های فکری قدرتمندی انجام دهند که در سال‌های اخیر به بررسی معماهای دیرینهٔ پیرامون سیاه‌چاله‌ها پرداخته‌اند.

اما هنگامی که گروهی از پژوهشگران در سال ۲۰۱۹ یک جهان شبیه به جهان ما را بررسی کردند، با پارادکسی مواجه شدند: به‌نظر می‌رسید این جهان نظری تنها یک حالت ممکن را می‌پذیرد. آن‌قدر ساده بود که می‌توانست محتویاتش را بدون انتقال حتی یک بیت اطلاعات توصیف کند؛ حتی انتخاب صفر یا یک هم وجود نداشت. این نتیجه با این واقعیت در تضاد بود که چنین نوعی از جهان باید قادر به میزبانی سیاه‌چاله‌ها، ستارگان، سیارات و حتی انسان‌ها باشد، اما تمام این جزئیات غنی به‌نظر نمی‌رسید.

«ما به اطراف نگاه می‌کنیم و بدون‌ شک جهان پیچیدگی بیشتری دارد»، گفت راب مایرز، فیزیک‌دان نظری در مؤسسهٔ پیرامتر برای فیزیک نظری در واترلو، کانادا، که به‌طور مستقیم در این تحقیق مشارکت نکرده است.

فیزیک‌دانان دلیل محکمی برای اطمینان به این محاسبه دارند، چرا که بر پایهٔ ایده‌های بنیادی فیزیکی بنا شده است. ریاضیات نشان می‌دهد که جهان تنها یک وضعیت دارد؛ در حالی که جهان ما به‌وضوح این‌چنین نیست. اکنون تیمی از نظریه‌پردازان پاسخی محتمل ارائه داده‌اند. این نتیجهٔ پارادکسیکال زمانی به‌دست آمد که فیزیک‌دانان سعی کردند توصیف عینی از وضعیت یک کل جهان داشته باشند. اما شاید چنین توصیفی، حتی در‌ اصل، ممکن نباشد؛ زیرا به‌طور ضمنی فرض می‌کند که جهانی وجود دارد که هیچ ناظری برای مشاهدهٔ آن وجود ندارد. و شاید بدون ناظر، پیچیدگی جهان معنای خود را از دست بدهد.

استدلال تکان‌دهنده

برای فیزیک‌دانانی که به هر دو مکانیک کوانتومی و گرانش علاقمندند، ترکیب این دو نظریه به‌طرز فوق‌العاده‌ای دشوار بوده است. نظریهٔ ریسمان به‌عنوان راه‌حل پیشنهادی مطرح می‌شود؛ در این چارچوب ذرات با رشته‌های نازک و لرزان جایگزین می‌شوند تا نواقصی که سایر نظریه‌های کاندید را به‌هم می‌زند، رفع شوند. با این حال، ریاضیات این نظریه چالش‌برانگیز است و استخراج پیامدهای آن دشوار می‌باشد.

اما تقریباً ۳۰ سال پیش، مقاله‌ای مهم توسط خوان مالدِنا، فیزیک‌دانی در مؤسسهٔ مطالعات پیشرفته، نشان داد که می‌توان گاهی محاسبات دشوار نظریهٔ ریسمان را با استفاده از مفاهیم آشنا از فیزیک ذرات دور زد. اما این روش تنها در صورتی کار می‌کند که جهان دارای هندسهٔ غیرعادی «فضای ضد‑دیسپرس» باشد. یک جهان ضد‑دیسپرس مرزی دارد که اغلب به شکل یک قوطی کنسرو تصویر می‌شود. به‌طرز شگفت‌انگیزی، هر اتفاقی که درون این قوطی می‌افتد، از برخورد ذرات تا چرخش سیاه‌چاله‌ها، توسط سایه‌های روی مرز بیرونی آن نمایان می‌شود. انگار که جهان سه‌بعدی داخل معادل تصویری بر صفحه‌ای صاف است؛ مفهومی که فیزیک‌دانان «هولوگرافی» می‌نامند.

هولوگرافی دستاوردهای بزرگی را به‌وجود آورده است. در سال ۲۰۱۹، مالدِنا و سه همکارش در موسسهٔ مطالعات پیشرفته — احمد المهیري، راگو ماهجان و یینگ ژائو — با به‌کارگیری تفکر هولوگرافیک به درک بهتری از آنچه داخل یک سیاه‌چاله رخ می‌دهد، پرداختند. بر پایهٔ کارهای پیشین، فرمول «جزیره» را پیشنهاد کردند که مرزهای مناطق مختلف درون یک سیاه‌چاله را ردیابی می‌کند. این فرمول به زودی به آن‌ها و سایر پژوهشگران کمک کرد تا توضیحی ممکن برای معمای دیرینه‌ای که این بود: چگونه می‌توان سیاه‌چاله‌ها اطلاعاتی دربارهٔ آنچه به‌درونشان سقوط کرده است را آشکار کرد — که طبق نظریهٔ کوانتومی این‌چنین باید باشد — در حالی که چنین امری به‌نظر می‌رسد با طبیعت مطلق گرانش سیاه‌چاله‌ها در تضاد باشد؟ موفقیت آن‌ها باعث شد فیزیک‌دانان به فرمول جزیره به‌عنوان روشی قابل اعتماد برای درک گرانش کوانتومی اعتماد کنند، و نتایج بعدی نشان دادند که می‌تواند در زمینه‌ای خارج از چارچوب ضد‑دیسپرس نیز معتبر باشد.

اما این تنها یک پیش‌درآمد بود.

«سیاه‌چاله‌ها میدان آزمایشی بسیار خوبی برای ایده‌ها هستند، اما منبع اصلی مالی نیستند»، گفت هنری ماکسفیلد، فیزیک‌دانی از دانشگاه استنفورد. «سؤال مهم گرانش کوانتومی، کیهان‌شناسی کوانتومی است» — تلاشی برای درک جهان اولیه.

مشکل این است که ما در یک کیهان ضد‑دیسپرس شبیه به قوطی کنسرو زندگی نمی‌کنیم. ماهیت گسترش جهان نشان می‌دهد که هیچ مرزی ندارد؛ هر چقدر هم که سفر کنید، هرگز به حاشیه‌ای نمی‌رسید.

یکی از راه‌های عدم وجود حاشیه برای یک جهان داشتن هندسهٔ «بسته» است. در این حالت، مسافری که به‌صورت مستقیم حرکت می‌کند می‌تواند در نهایت به نقطهٔ شروع خود بازگردد، همانند پرواز از یک جت به سمت شرق.

از آنجا که جهان ما می‌تواند به این شکل بسته باشد، مالدِنا به‌سرعت فرمول جزیره را بر یک جهان بسته اعمال کرد. او چیزی را کشف کرد که همکارانش به‌راحتی نتوانستند بپذیرند: این ناحیهٔ بسته تقریباً کاملاً خالی به‌نظر می‌رسید.

«من از این استدلال بسیار شگفت‌زده شدم»، ژائو گفت. «سعی کردم با او بحث کنم». این کار چند سال طول کشید، اما در نهایت ژائو یک نقص در جهان خالی مالدِنا پیدا کرد.

صفحه‌ خالی

جهان‌های بسته‌ای که مالدِنا بررسی کرد، خالی از جرم یا انرژی نبودند؛ بلکه خالی از چیزی حتی مهم‌تر بودند: اطلاعات.

هنگامی که فیزیک‌دانان نظریه‌های کوانتومی را بررسی می‌کنند، باید تمام حالت‌های ممکن یک سیستم فیزیکی را پیگیری کنند. برای این کار از فضایی انتزاعی به نام «فضای هیلبرت» استفاده می‌شود. فضاهای هیلبرت، که به نام ریاضیدان دیوید هیلبرت از قرن بیستم نامگذاری شده‌اند، با افزودن ابعاد ریاضی جدید، حالات مختلف کوانتومی را در بر می‌گیرند. هر چه تعداد ابعاد بیشتر باشد، فضای هیلبرت می‌تواند اطلاعات بیشتری را رمزگذاری کند.

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

اکثر سیستم‌های کوانتومی بسیار پیچیده‌تر هستند. به‌عنوان مثال، یک اتم هیدروژن واحد؛ الکترون آن می‌تواند با افزودن انرژی به مدهای بالاتری برود. در این حالت، تعداد حالات ممکن نامحدود است و فضای هیلبرت آن بی‌نهایت بُعدی می‌شود. اکثر سیستم‌های واقعی کوانتومی این ویژگی را دارند.

بدین‌سبب، فیزیک‌دانان انتظار دارند که یک جهان کامل نیز دارای تعداد نامحدودی از حالت‌ها باشد. اما هنگامی که مالدِنا فرمول جزیره را بر یک جهان بسته اعمال کرد، به‌جای آن یک فضای هیلبرت یک‌بعدی یافت؛ به این معنی که هیچ اطلاعاتی وجود نداشت. کل جهان و همه‌چیزهای داخل آن می‌توانستند تنها در یک حالت کوانتومی باشند؛ حتی پیچیدگی یک بیت هم در آن نبود.

این نت‌یجه فیزیک‌دانان را در مواجهه با پارادکس قرار داد، زیرا ما نیز می‌توانیم شاید در یک جهان بسته زندگی کنیم. اما واضح است که اطراف ما بسیار بیش از یک حالت است.

«روی میز من تعداد نامحدودی از حالت‌ها وجود دارد»، گفت ادگار شغولیان، فیزیک‌دانی از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا‌کروز.

اما همان‌طور که فیزیک‌دانان به مطالعهٔ انواع مختلفی از جهان‌های بسته ادامه دادند، الگوی یکسانی مشاهده کردند.

در حالی که گروه IAS به سیاه‌چاله‌ها می‌پرداخت، ماکسفیلد و همکارش دونالد مارولف به حباب‌های کوانتومی فرضی به نام «جهان‌های کودک» (baby universes) نگریستند. آن‌ها همان سادگی واضح را یافتند؛ به‌تدریج به‌نظر می‌رسید که خلوتی جهان‌های بسته یک روند کلی است.

«در نهایت به‌این باور رسیدیم»، ژائو گفت.

بازگشت پیچیدگی

این وضعیت یک پارادوکس را به‌وجود می‌آورد: محاسبه‌ها به‌طور مستمر نشان می‌دهند که هر جهان بسته‌ای تنها یک حالت ممکن دارد. در حالی که جهان ما، که ممکن است بسته باشد، به‌وضوح به‌طور نامحدود پیچیده‌تر است. پس چه می‌شود؟

در مقاله‌ای در سال ۲۰۲۳، شغولیان خاطرنشان کرد که فیزیک‌دانان پیش از این رفتار عجیبی را در نظریه‌های به‌نام نظریه‌های میدانی توپولوژیک دیده‌اند. ریاضیدانان از این نظریه‌ها برای ترسیم شکل یا توپولوژی فضاهای هندسی استفاده می‌کنند. نظریه‌های میدانی توپولوژیک می‌توانند فضاهای هیلبرت یک‌بعدی داشته باشند؛ اما اگر فضا را به چندین بخش تقسیم کنید، می‌توانید آن را به روش‌های مختلف توصیف کنید. برای ردیابی تمام این امکانات جدید، به یک فضای هیلبرت بزرگ‌تر نیاز دارید.

«قوانین بازی تغییر می‌کند»، شغولیان گفت.

شغولیان پیشنهادی کرد که شاید راهی مشابه برای تقسیم یک جهان بسته وجود داشته باشد: وارد کردن یک ناظر.

مکانیک کوانتومی نیازمند تمایز بین ناظر — مانند دانش‌دانی که آزمایش انجام می‌دهد — و سیستمی است که او مشاهده می‌کند. سیستم معمولاً چیز کوچکی و کوانتومی است، مثل یک اتم. ناظر بزرگ و دور از سیستم است، بنابراین به‌خوبی توسط فیزیک کلاسیک توصیف می‌شود. شغولیان دریافت که این تقسیم‌بندی مشابه نوعی است که فضاهای هیلبرت نظریه‌های میدانی توپولوژیک را گسترش می‌دهد. شاید ناظر بتواند همین کار را برای این جهان‌های بسته، که به‌نظر به‌طرز عجیبی ساده‌اند، انجام دهد.

در سال ۲۰۲۴، ژائو به مؤسسهٔ فناوری ماساچوست (MIT) منتقل شد، جایی که به تحقیق دربارهٔ چگونگی قرار دادن یک ناظر در یک جهان بسته پرداخت. او و دو همکارش — دانیل هارلو و میخائیلو اوستاتیک — ناظر را به‌عنوان نوعی مرز جدید تصور کردند: نه مرز جهان، بلکه مرز خود ناظر. وقتی یک ناظر کلاسیک داخل یک جهان بسته در نظر گرفته می‌شود، تمام پیچیدگی جهان بازمی‌گردد؛ این مطلب توسط ژائو و همکارانش نشان داده شد.

مقالهٔ تیم MIT در ابتدای سال ۲۰۲۵ منتشر شد، همزمانی که گروه دیگری با ایده‌ای مشابه پیش آمد. دیگر پژوهشگران نیز به ارتباط این کار با مطالعات پیشین اشاره کردند.

در این مرحله، تمام افراد درگیر تأکید می‌کنند که هنوز راه‌حل کامل را ندارند. شاید خود پارادوکس یک سوء‌تفاهم باشد که با استدلال جدیدی از بین می‌رود؛ اما تا کنون، افزودن یک ناظر به جهان بسته و تلاش برای حساب کردن حضور او به‌نظر می‌رسد ایمن‌ترین مسیر باشد.

«آیا واقعاً می‌توانم با اطمینان بگویم که این راه‌حل درست است و مسأله را حل می‌کند؟ نمی‌توانم این‌طور بگویم. ما تمام تلاش خود را می‌کنیم»، ژائو گفت.

اگر این ایده ثابت بماند، بهره‌گیری از طبیعت ذهنی ناظر به‌عنوان روشی برای توجیه پیچیدگی جهان، تحولی اساسی در فیزیک به حساب می‌آید.

فیزیک‌دانان معمولاً به‌دنبال دیدگاهی «بدون‌ناظر» هستند، توصیفی مستقل از طبیعت. آن‌ها می‌خواهند بفهمند جهان چگونه کار می‌کند و چگونه ناظران مانند ما از درون جهان شکل می‌گیرند. اما هم‌زمانی که فیزیک‌دانان به درک جهان‌های بسته به‌وسیلهٔ مرزهای خصوصی بین ناظر و جهان می‌پردازند، این دیدگاه «بدون‌ناظر» به‌نظر می‌رسد که کمتر و کمتر قابل‌اجرا باشد. شاید فقط دیدگاه‌های «از جایی» چیزی باشند که می‌توانیم داشته باشیم.