مطالعات انجام شده در سال‌های اخیر، منشا پیدایش جهان را انفجار بزرگی که در لحظات ابتدایی پیدایش جهان رخ داده، می‌دانند. اگرچه مدل های ارائه شده در اثبات این نظریه همچون گرانش کوانتومی دارای سوال‌های بی پاسخی در این مورد هستند، اما مطالعات اخیر عامل جدیدی را برای پیدایش جهان مطرح می‌کنند. به اعتقاد گروهی از دانشمندان منشا پیدایش جهان نه یک انفجار بزرگ بلکه یک ذوب بزرگ بوده است! با کاوش الکترو همراه باشید…

نوشتار زیر،‌ ترجمه‌ی مقاله‌ای است که توسط تانو پادمنابان، فیزیکدان هندی در سایت ناتیلوس منتشر شده است. او در این نوشتار درباره مقاله‌ی اخیر خود صحبت می‌کند.

دو راز بزرگ و البته ترسناک در مورد جهان وجود دارد: یکی از آن‌ها سرنوشت نهایی و دیگری منشا آغاز آن است. یافتن پاسخی مناسب برای این دو راز بزرگ، دهه‌ها ذهن کیهان‌شناسان علاقمند را به خود مشغول کرده است. اعتقاد عمومی برا این است که این دو مسئله کاملا مستقل از یکدیگر هستند، اما چه اتفاقی رخ خواهد داد اگر چنین نباشد؟

اولین مسئله مربوط به وجود چیزی به نام انرژی تاریک است که گسترش جهان را تسریع می‌بخشد و سرنوشت نهایی آن را تعیین می‌کند. نظریه پردازان معتقدند اثرات انرژی تاریک را می‌توان با افزودن یک معادله به معادلات گرانش اینشتین به نام ثابت کیهانی توضیح داد، اما برای توضیح این معادله، ثابت کیهان‌شناسی باید مقداری بسیار خاص و کوچک داشته باشد. ثابت کیهان‌شناسی در واحد‌های طبیعی، برابر است با ۱ تقسیم بر ۱ با ۱۲۳ صفر در مقابل آن. توضیح این عدد، یکی از بزرگترین چالش‌هایی است که فیزیک نظری با آن مواجه است.

مشکل دوم، مربوط به یک عدد مهم دیگر است که جهان را شکل می‌دهد و مربوط به تشکیل ساختار‌هایی مانند کهکشان‌ها و گروه‌های کهکشانی است. ما می‌دانیم که جهان اولیه، در حالی که بسیار نرم و روان و دارای نوسانات اندک چگالی بوده که منشا تمام ساختار‌های کیهانی که امروزه می‌بینیم، است. این نوسانات باید اندازه و شکل خاصی داشته باشند تا با مشاهدات کنونی سازگار باشند. فهمیدن اینکه چگونه این نوسانات کوچک در ابتدای مراحل تکامل جهان ایجاد شده، و توضیح اندازه و شکل آن‌ها، یکی از رموز بسیار مهیج کیهان‌شناسی است.

در رویکرد‌های متداول کیهان‌شناسی، این دو عدد، مقدار عددی ثابت کیهان‌شناسی و مقدار عددیِ اختلالات اولیه، دو مقدار کاملا مستقل از یکدیگر به شمار می‌آیند. اعتقاد بر این است که تغییر میان فاز اولیه و فاز نهایی جهان، حدود ۱۴ میلیارد سال کیهانی، زمان برده است. علاوه بر این، کیهان‌شناسی استاندارد هیچ توضیحی برای این دو عدد با استفاده از اصول اساسی ارائه نمی‌دهد. مدل‌های متعارف جهان، در مورد مقدار عددی ثابت کیهانی سکوت می‌کنند؛ یا یک مقدار کاملا بی ربط را برای آن پیش‌بینی می‌نمایند. با توجه به مقدار اختلالات اولیه، بهترین روش آن است که این مقدار را با مدل‌های توضیح دهنده‌ی فرآیند تورم جهان در یک دوره رشد سریع در فاز اولیه پیدایش آن، بدست آوریم. مشکل اساسی در استفاده از مدل‌های تورمی این است که می‌توان آن‌ها را برای تولید هر نتیجه مجازی و مطلوبی طراحی کرد، بنابراین قدرت پیش‌بینی ضعیفی خواهند داشت. 

بر اساس پژوهشی که من، دخترم و همکارانم در ETH انجام دادیم، هر دو عدد بالا به فرآیند ایجاد جهان ارتباط داده شده و مقادیر دقیق عددی نیز توضیح داده شده است. حاصل این پژوهش که در مجله Physics Letters B منتشر شد، نشان می‌دهد وجود ثابت کیهانی و همچنین مقدار بسیار کوچک آن می‌تواند نتیجه مستقیم محتوای اطلاعات فضا-زمان کیهانی باشد.  این تحلیل‌ها همچنین، منجر به یافتن مقدار صحیحی برای اندازه و شکل نوسانات کوچک در جهان اولیه شده است. درآمیختن این ثابت‌های اساسی پیامد‌های مهمی در فهم ما از جهان خواهد داشته و به ویژه، درک ما از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) را بازنویسی نموده و دیگر نیازی به دوره تورمی در فاز اولیه جهان نخواهد بود.

بیگ بنگ احتمالا معروف‌ترین ویژگی کیهان‌شناسی استاندارد است، اما این نظریه همچنان داری سوال‌های بی‌پاسخ فراوانی در مورد پیدایش جهان اولیه است؛ زیرا مدل کلاسیک جهان که توسط معادلات اینشتین شرح داده می‌شود، در شرایط انفجار بزرگ که تراکم و دما، نامحدود است (که فیزیکدانان از آن با نام تکینگی یاد می‌کنند)، پاسخگو نخواهد بود.

اما اگر تکینگی نبود چه؟ از دهه ۱۹۶۰، فیزیکدانان برای توصیف جهان بدون بیگ بنگ تلاش کرده‌اند تا نظریه گرانشی و نظریه کوانتومی را در نظریه‌ی تازه‌تری به نام گرانش کوانتومی ترکیب کنند. جان ویلر و برایس دویت اولین کسانی بودند که این ایده را به یک فاز پیش هندسی فرضی جهان (hypothetical pre-geometric phase of the universe)، که در آن مفاهیم فضا و زمان هنوز از برخی ساختارهای نامعلوم ظهور نکرده بودند، اعمال کردند. این شیوه‌‌ی مطالعه، کیهان‌شناسی کوانتومی بود که در آن فیزیکدانان تلاش کردند پویایی مدل‌های ساده‌ی جهان را به زبان کوانتومی توصیف کنند. در این میان، چندین ایده متفاوت، اما مرتبط، برای توصیف فاز پیش هندسی فرضی ارائه شده است. وجه تمایز این مدل‌ها آن است که جهان کلاسیک بدون هیچ گونه تکینگی، از طریق گذار از فاز پیش هندسی به فازی از فضا-زمان که توسط معادلات اینشتین توصیف می‌شود، وجود می‌آید. مشکل اصلی در بسط چنین توصیفی این است که ما نظریه کاملی از گرانش کوانتومی که به ما اجازه دهد جزئیات فاز پیش هندسی را مدل کنیم، در اختیار نداریم.

اینشتین معتقد بود افزودن ثابت کیهانی به معادلات او یک اشتباه است. امروزه فیزیکدانان معتقدند این ثابت مقداری مثبت دارد.

با استفاده از مفهوم اطلاعات کیهانی ارائه شده در این پژوهش می‌توان این مشکل فنی را برطرف کرد. این ایده که اطلاعات باید نقش کلیدی در توصیف فیزیک ایفا کند، درسال‌های اخیر، موافقان قابل توجهی بدست آورده است. این مفهوم در چند زمینه مثلا زمان ترکیب اصول نظریه کوانتومی و گرانش در مطالعه سیاهچاله‌های کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در برخی از این مدل‌ها، مفهوم جذاب هولوگرافی نیز وجود دارد که پیشنهاد می‌کند محتوای اطلاعات در یک منطقه تاریک از فضا می‌تواند به محتوای اطلاعات در محدوده مرزی آن مربوط باشد. اما متاسفانه توصیف ریاضی اطلاعات در زمینه‌های مختلف، متفاوت است و هنوز هم یک اصل متحد در همه موارد ارائه نشده است، بنابراین، برای تعمیم مفهوم اطلاعات به کل جهان، ابتدا باید یک تعریف فیزیکی مناسب برای آن ارائه دهیم.

ادامه دارد…