بریده‌هایی از کتاب پاسخ‌های کوتاه به پرسش‌های بزرگ

قبل از مهبانگ چه بود؟ طبق فرضیهٔ بی‌مرز، پرسش در مورد چیزی که قبل از مهبانگ وجود داشته بی‌معنی است، مثل این است که بپرسیم چه چیزی جنوبِ قطب جنوب است؛ چون هیچ تصوری از زمان به آن ارجاع نمی‌شود. مفهوم زمان فقط در داخل عالم ما وجود دارد.

چیزهایی در مورد مبدأ عالم دیده‌ایم. اما دو پرسش بزرگ باقی مانده است: آیا عالم خاتمه خواهد یافت؟ آیا عالم یگانه است؟ حال باید دید رفتار آتیِ محتمل‌ترین تاریخچه‌های عالم چگونه است؟ به‌نظر احتمالات زیادی وجود دارد که با ظهور حیات خردمند سازگار باشند. اینها وابسته به مقدار مادهٔ موجود در عالم است. اگر بیش از مقدار بحرانیِ خاصی باشد، کشش گرانشی بین کهکشان‌ها سرعت انبساط را کم می‌کند. در نهایت، کم‌کم به سوی هم فرو خواهند ریخت و در فشردگی بزرگی همه به هم می‌رسیم. این پایان تاریخ عالم در زمان واقعی خواهد بود. وقتی به شرق دور رفته بودم، از من خواستند که به فشردگی بزرگ اشاره نکنم چون ممکن بود بر بازارها تأثیر داشته باشد. ولی بازارها سقوط کردند، پس احتمالاً خبردار شده بودند. در بریتانیا، مردم چندان نگران پایانی احتمالی که بیست میلیارد سال دیگر رخ می‌دهد نیستند. قبل از فرا رسیدن آن کلی فرصت خوردن و نوشیدن و شادکامی دارید. اگر چگالی عالم کمتر از مقدار بحرانی باشد، گران

در سال ۲۰۱۲، LHC در سرن ژنو کشف ذرهٔ هیگز را اعلام کرد. این بار اولی بود که در قرن بیست‌ویکم، ذره‌ای جدید کشف می‌شد. هنوز امید هست که LHC بتواند ابرتقارن را کشف کند. ولی حتی اگر نتواند ذرهٔ بنیادین جدیدی را پیدا کند، هنوز کشف ابرتقارن با نسل جدیدی از شتاب‌دهنده‌ها که در حال طراحی است، امکان دارد. آغاز خودِ عالم در مهبانگ داغ، برترین آزمایشگاه انرژیِ زیاد برای آزمودن نظریهٔ M و عقاید ما در مورد مواد اولیهٔ فضازمان و ماده است. نظریه‌های مختلف، ردهای مختلفی از خود در ساختار فعلی عالم می‌گذارند، بنابراین، داده‌های اخترفیزیک می‌توانند ما را در یکپارچه کردن تمامی نیروهای طبیعی راهنمایی کنند. بله، ممکن است عالم‌های دیگری هم وجود داشته باشد، ولی ما متأسفانه هرگز قادر به اکتشاف آنها نخواهیم بود.

شاید عالم‌های دیگری هم وجود داشته باشد. نظریهٔ M پیش‌بینی می‌کند که تعداد بسیار زیادی عالم از هیچ خلق شد، هر یک متناظر با یکی از تاریخچه‌های ممکن. هر عالم در فرآیند رسیدن به زمان حال و رفتن به آینده، چندین تاریخچهٔ محتمل و چندین وضعیتِ ممکن دارد. بسیاری از این وضعیت‌ها با عالمی که ما مشاهده می‌کنیم تفاوت زیادی دارند. هنوز امید داریم اولین مدارک نظریهٔ M را در شتاب‌دهندهٔ ذره‌ای LHC، برخورددهندهٔ هادرونی بزرگ در سِرنِ ژنو به‌دست بیاوریم. از چشم‌انداز نظریهٔ M، این دستگاه فقط انرژی‌های کم را بررسی می‌کند، ولی شاید بخت یارمان باشد و علامتی ضعیف‌تر را در ارتباط با نظریهٔ بنیادین، مثلاً اَبَرتقارن، مشاهده کنیم. فکر می‌کنم کشف متناظرهایِ ابرتقارنیِ ذراتِ شناخته‌شده، انقلابی در درک ما از عالم ایجاد کند.

ده سال دیگر که گذشت، یعنی در سال ۲۰۰۳، اولین نتایج دریافتی از ماهوارهٔ WMAP باعث شد کیهان‌شناسی جزو علوم دقیقه شود. WMAP نقشه‌ای اعجاب‌آور از دمای آسمان مایکروویو تهیه کرد، عکسی از عالم در عمری حدود یک‌صدم عمر فعلی آن. بی‌نظمی‌هایی که می‌بینید با تورم پیش‌بینی می‌شود و معنای آنها این است که چگالی برخی نقاط عالم کمی بیش از چگالی نقاط دیگر بود. کشش گرانشی ناشی از چگالی بیشتر، انبساط آن ناحیه را کُند می‌کند و در نهایت می‌تواند باعث شود که در هم فرو بریزد و کهکشان و ستاره ایجاد کند. پس با دقت به نقشهٔ آسمان مایکروویو نگاه کنید. نقشهٔ اولیهٔ تمامی ساختارهای عالم است. ما، نتیجهٔ نوسانات کوانتومی در عالمِ بسیار جوان هستیم. خدا واقعاً تاس می‌اندازد. امروزه ماهوارهٔ پلانک را داریم که از WMAP پیشرفته‌تر است و نقشهٔ بسیار دقیق‌تری از عالم تهیه کرده است. این ماهواره به‌جدّ نظریات ما را آزمایش می‌کند و حتی ممکن است بتواند ردّ امواج گرانشیِ پیش‌بینی‌شده در نظریهٔ تورم را شناسایی کند. این می‌تواند گرانش کوانتومی مکتوب در پهنهٔ آسمان باشد.

در اوایل سال ۱۹۸۲ مقاله‌ای نوشتم و در آن گفتم که این تفاوت‌ها ناشی از نوسانات کوانتومی در دورهٔ انبساطی است. نوسانات کوانتومی به‌خاطر اصل عدم قطعیت اتفاق می‌افتد. علاوه بر این، این نوسانات بذرِ ساختارهای عالم ما بودند: کهکشان‌ها و ستارگان و ما. این نظر عملاً همان عملکرد تشعشعِ به‌اصطلاح هاکینگ از افق سیاهچاله‌ها را دارد؛ چیزی که حدود یک دهه قبل‌تر پیش‌بینی کرده بودم. فرقشان این است که این یکی تشعشعی از افق کیهان‌شناختی است؛ سطحی که قسمت‌هایی را که می‌توانیم ببینیم از قسمت‌هایی که نمی‌توانیم مشاهده کنیم جدا می‌کند. همان تابستان در کمبریج کارگاهی برگزار کردیم و تمامی افراد مهم این حوزه در آن شرکت کردند. در این جلسه، عمدهٔ تصویر فعلی خود از تورم را مشخص کردیم، به‌خصوص نوسانات چگالی که اهمیت اساسی دارند؛ نوساناتی که عامل تشکیل کهکشان‌ها و در نتیجه، وجود داشتن ما هستند. چندین نفر برای رسیدن به پاسخ نهایی همکاری کردند. این اتفاق ده سال قبل از مشاهدهٔ نوسانات در آسمان مایکروویو توسط ماهوارهٔ COBE در سال ۱۹۹۳ رخ داد، پس نظریه بسیار جلوتر از آزمایش بود.

تفاوت‌ها بیش از حد کم است ولی لازم است توضیح داده شوند. توضیحی که اغلب با آن توافق دارند این است که عالم در اوایل ظهور خود دارای دورهٔ انبساطیِ بسیار شدیدی بوده است، انبساطی با ضریبی حداقل برابر یک میلیارد میلیارد میلیارد. این فرآیند را تورم می‌نامند؛ چیزی که برخلاف تورم قیمت‌ها که اغلب از آن رنج می‌بریم، برای عالم مفید بود. اگر داستان فقط همین می‌بود، تشعشع مایکروویو در تمامی جهات دقیقاً یکسان می‌بود. پس تفاوت‌های جزئی از کجا آمده‌اند؟

این تفاوت با قانون معکوس توان دوم، باعث می‌شود سیارات نتوانند مدارهای پایدار داشته باشند. یا به درون ستاره سقوط می‌کردند یا به درون فضای تاریک و سرد پرتاب می‌شدند. به همین منوال، مدار الکترون‌هایِ اتم نیز پایدار نمی‌ماند؛ در نتیجه، ماده به‌شکلی که ما می‌شناسیم نمی‌توانست وجود داشته باشد. پس با اینکه نظریهٔ تاریخچه‌های متعدد می‌تواند تعداد زیادی از جهت‌های تقریباً مسطح را ممکن کند، فقط تاریخچه‌هایی با سه جهتِ مسطح می‌توانند دارای حیات هوشمند باشند. فقط در این تاریخچه‌هاست که می‌توان پرسید " فضا چرا سه بعد دارد؟" یک مشخصهٔ بارز در عالمی که مشاهده می‌کنیم، پس‌زمینهٔ مایکروویو است که آرنو پِنزیاس و رابرت ویلسون کشف کردند. این پس‌زمینه اساساً مثل روایتی سنگواره‌ای است از وضعیت عالم در زمانی که خیلی جوان بود. این پس‌زمینه تقریباً یکنواخت است و فرق نمی‌کند که از کدام جهت به آن نگاه کنید. تفاوت بین جهت‌های مختلف حدود یک در یکصدهزار است.

چرا در تاریخچه‌ای نیستیم که در آن هشت بُعد جمع شده‌اند و دو بُعد دیده می‌شود؟ هضم غذا برای موجودی دوبعدی بسیار دشوار می‌شد. اگر سیستم گوارشی در سراسر طول بدن کشیده شده باشد، مثل سیستم ما، موجودِ دوبُعدی دو تکه می‌شود. پس برای چیزی به پیچیدگیِ حیات هوشمند، دو بعدِ مسطح کافی نیست. چیز خاصی در سه بعدِ فضایی وجود دارد. در سه بعد، سیارات می‌توانند مدارهایی پایدار حول ستارگان داشته باشند. این نتیجهٔ تبعیت گرانش از قانون معکوسِ توان دوم است که رابرت هوک در سال ۱۶۶۵ کشف کرد و آیزک نیوتن توضیح داد. کشش گرانشی دو جسم را با فاصله‌ای خاص در نظر بگیرید. اگر فاصله دو برابر شود، نیروی بین آنها به چهار تقسیم می‌شود. اگر سه برابر شود، به نُه، اگر چهار برابر شود به شانزده و الخ. در نتیجه، مدارهای سیارات پایدار می‌ماند. حال فضای چهار بُعدی را در نظر بگیرید. در آن جا گرانش تابع قانون معکوسِ توان سوم می‌شود. اگر فاصلهٔ دو جسم دو برابر می‌شد، نیروی کشش بر هشت تقسیم می‌شد، اگر سه برابر می‌شد به بیست‌وهفت و اگر چهار برابر می‌شد به شصت‌وچهار.

تعداد تاریخچه‌هایی که حیات هوشمند ندارند برای ما اهمیت ندارد. فقط به زیرمجموعه‌ای علاقه داریم که در آنها حیات هوشمند تکامل پیدا می‌کند. لازم نیست این حیات هوشمند شباهتی با بشریت داشته باشد. موجودات کوچک سبزرنگ هم مناسب هستند. در واقع، شاید بهتر هم باشند. سابقهٔ رفتار هوشمندانهٔ بشریت چندان درخشان نیست. مثالی برای توصیف قدرت اصل انسان‌نگر، توجه به تعداد جهات ممکن در فضاست. تجربهٔ روزمرهٔ ما حکایت از زندگی در فضای سه‌بُعدی دارد. یعنی می‌توانیم موقعیت هر نقطه را با سه عدد مشخص کنیم. مثلاً طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریای آزاد. اما دلیل سه‌بعدی بودن فضا چیست؟ چرا مثل داستان‌های علمی تخیلی، تعداد ابعاد آن دو یا چهار یا هرچندتای دیگر نیست؟ در واقع، فضا در نظریهٔ M ده بُعد دارد (به‌علاوهٔ یک بُعدِ زمانی)، اما فکر می‌کنیم هفت بُعد از ده بعدِ جهت‌های فضایی، به‌شکلی بسیار کوچک جمع شده‌اند و سه بُعدﹾ باقی مانده‌اند که بزرگ و تقریباً مسطح هستند. مثل نِی نوشیدنی است. سطح نی دو بعدی است. ولی یکی از این ابعاد به شکل یک دایره جمع شده است؛ به طوری که از دور، نِی یک بعدی دیده می‌شود.