پارادوکس کیهانی پیامد وحشتناک جهانی بدون ناظر را آشکار می‌کند

فیزیکدانان در حین کار با ریاضیات فضا-زمان کوانتومی، به معمایی گیج‌کننده دست یافته‌اند. قوانین پیچیده نظریه کوانتوم و گرانش به آن‌ها اجازه می‌دهد انواع مختلفی از جهان‌ها را با جزئیات دقیق تصور کنند و آزمایش‌های فکری قدرتمندی را امکان‌پذیر سازند که در سال‌های اخیر به رازهای دیرینه پیرامون سیاه‌چاله‌ها پرداخته‌اند.

اما زمانی که گروهی از پژوهشگران در سال ۲۰۱۹ جهانی را که به طرز کنجکاوی‌برانگیزی شبیه جهان ما بود، بررسی کردند، به یک پارادوکس برخوردند: به نظر می‌رسید که این جهان نظری تنها یک حالت ممکن را می‌پذیرد. این جهان آنقدر ساده به نظر می‌رسید که محتویات آن بدون انتقال حتی یک بیت داده، حتی بدون انتخاب صفر یا یک، قابل توصیف بود. این نتیجه با این واقعیت که این نوع جهان باید قادر به میزبانی سیاه‌چاله‌ها، ستارگان، سیارات – و انسان‌ها باشد، در تضاد بود. با این حال، تمام آن جزئیات غنی در هیچ کجا دیده نمی‌شد.

روب مایرز (Rob Myers)، فیزیکدان نظری در مؤسسه فیزیک نظری پریمیتر در واترلو، کانادا، که مستقیماً در این پژوهش دخالتی نداشته است، گفت: «ما به اطراف نگاه می‌کنیم و قطعاً جهان پیچیده‌تر از این به نظر می‌رسد.»

فیزیکدانان دلایل خوبی برای اعتماد به این محاسبات دارند، زیرا این محاسبات بر ایده‌های بنیادی فیزیکی استوار هستند. ریاضیات یک جهان با تنها یک حالت را ایجاب می‌کند؛ در حالی که جهان ما به وضوح چنین نیست. اکنون تیمی از نظریه‌پردازان پاسخی احتمالی را مطرح کرده‌اند. این نتیجه پارادوکسیکال زمانی رخ داد که فیزیکدانان به دنبال توصیفی عینی از حالت یک جهان کامل بودند. اما چنین توصیفی، حتی در اصل، ممکن است امکان‌پذیر نباشد. این توصیف به‌طور ضمنی جهانی را فرض می‌کند که بدون ناظری برای مشاهده آن وجود دارد. و شاید بدون ناظران، پیچیدگی جهان معنای خود را از دست می‌دهد.

برای فیزیکدانانی که هم به مکانیک کوانتومی و هم به گرانش علاقه‌مند هستند، ترکیب این دو نظریه فوق‌العاده دشوار بوده است. نظریه ریسمان راه‌حلی احتمالی برای این مشکل است که ذرات را با طول‌های بسیار کوچک ریسمان‌های ارتعاشی جایگزین می‌کند تا مشکلات و گره‌هایی را که سایر نظریه‌های کاندیدا را به بن‌بست می‌کشاند، هموار سازد. با این حال، ریاضیات این نظریه چالش‌برانگیز است و استخراج پیامدهای آن دشوار بوده است.

اما تقریباً ۳۰ سال پیش، مقاله مهمی از خوان مالداسنا (Juan Maldacena)، فیزیکدان مؤسسه مطالعات پیشرفته، نشان داد که محاسبات دشوار نظریه ریسمان گاهی اوقات می‌توانند نادیده گرفته شوند و با استفاده از مفاهیم آشنای فیزیک ذرات انجام شوند. نکته این است که این رویکرد تنها در صورتی کار می‌کند که جهان دارای هندسه‌ای غیرمعمول به نام "ضد دو سیتر" (anti-de Sitter) باشد. یک جهان ضد دو سیتر دارای یک مرز است که اغلب به یک قوطی حلبی شباهت دارد. به طرز قابل توجهی، هر چیزی که درون این قوطی اتفاق می‌افتد، از برخورد ذرات گرفته تا سیاه‌چاله‌های چرخنده، توسط سایه‌هایی بر روی مرز خارجی قوطی آشکار می‌شود. گویی جهان سه‌بعدی درون آن معادل تصویری بر روی یک صفحه تخت است، مفهومی که فیزیکدانان آن را هولوگرافی می‌نامند.

هولوگرافی پیشرفت‌های بزرگی را به ارمغان آورده است. در سال ۲۰۱۹، مالداسنا و سه همکارش در IAS — احمد المهیری (Ahmed Almheiri)، راگو ماهاجان (Raghu Mahajan) و یینگ ژائو (Ying Zhao) — از تفکر هولوگرافیک برای درک بهتر آنچه درون یک سیاه‌چاله اتفاق می‌افتد، استفاده کردند. آن‌ها با تکیه بر کارهای قبلی، "فرمول جزیره" (island formula) را پیشنهاد کردند که مرزهای مناطق مختلف درون یک سیاه‌چاله را ردیابی می‌کند. این فرمول به زودی به آن‌ها و دیگران کمک کرد تا توضیحی بالقوه برای یک معمای دیرینه پیدا کنند: چگونه سیاه‌چاله‌ها می‌توانند اطلاعاتی در مورد آنچه که به درون آن‌ها افتاده است را آشکار کنند — که نظریه کوانتوم می‌گوید باید اتفاق بیفتد — در حالی که به نظر می‌رسد انجام این کار ماهیت مطلق گرانش یک سیاه‌چاله را به چالش می‌کشد؟ موفقیت آن‌ها به فیزیکدانان اطمینان داد که فرمول جزیره راهی قابل اعتماد برای درک گرانش کوانتومی است و نتایج بعدی نشان داد که این فرمول می‌تواند در خارج از بافت اصلی ضد دو سیتر خود نیز معتبر باشد.

اما این فقط یک گرم کردن بود.

هنری مکسفیلد (Henry Maxfield)، فیزیکدان دانشگاه استنفورد، گفت: «سیاه‌چاله‌ها زمینه‌ی آزمایش بسیار خوبی برای ایده‌ها هستند، اما موضوع اصلی نیستند. سؤال مهم گرانش کوانتومی، کیهان‌شناسی کوانتومی است» — تلاشی برای درک جهان اولیه.

مشکل این است که ما در یک کیهان قوطی حلبی شکل ضد دو سیتر زندگی نمی‌کنیم. ماهیت انبساط جهان نشان می‌دهد که هیچ مرزی ندارد. هر چقدر هم که سفر کنید، هرگز به یک لبه برخورد نخواهید کرد.

یکی از راه‌هایی که یک جهان می‌تواند بدون لبه باشد، داشتن هندسه "بسته" است. در این حالت، مسافری که در خط مستقیم حرکت می‌کند، می‌تواند در نهایت به جایی که شروع کرده بود بازگردد، دقیقاً همان‌طور که شما اگر با یک جت به سمت شرق پرواز کنید، به همین ترتیب عمل خواهد کرد.

از آنجایی که جهان ما می‌تواند به این شکل بسته باشد، مالداسنا به زودی فرمول جزیره را برای یک جهان بسته به کار برد. او چیزی را کشف کرد که همکارانش قبول آن را دشوار یافتند: به نظر می‌رسید منطقه بسته تقریباً کاملاً خالی است.

ژائو (Zhao) گفت: «از آن استدلال بسیار شوکه شدم. سعی کردم با او بحث کنم.» چند سال طول کشید، اما ژائو سرانجام سوراخی در جهان خالی مالداسنا پیدا کرد.

جهان‌های بسته‌ای که مالداسنا بررسی کرده بود، از جرم یا انرژی خالی نبودند. آن‌ها از چیزی حتی مهم‌تر خالی بودند: اطلاعات.

هنگامی که فیزیکدانان نظریه‌های کوانتومی را مطالعه می‌کنند، باید هر حالت ممکن را که یک سیستم فیزیکی می‌تواند در آن باشد، پیگیری کنند. برای این کار، آن‌ها از یک فضای انتزاعی به نام فضای هیلبرت (Hilbert space) استفاده می‌کنند. فضاهای هیلبرت، که به نام دیوید هیلبرت (David Hilbert) ریاضیدان اوایل قرن بیستم نامگذاری شده‌اند، با اضافه کردن ابعاد ریاضی جدید، حالت‌های کوانتومی مختلف را در نظر می‌گیرند. هر چه ابعاد بیشتری وجود داشته باشد، این فضاهای هیلبرت می‌توانند اطلاعات بیشتری را رمزگذاری کنند.

این وضعیت یک پارادوکس را ارائه می‌دهد: محاسبات به طور مداوم نشان می‌دهند که هر جهان بسته‌ای تنها یک حالت ممکن دارد. اما جهان ما، که ممکن است به خوبی بسته باشد، به طرز بی‌نهایتی پیچیده‌تر به نظر می‌رسد. پس چه اتفاقی در حال رخ دادن است؟

در یک مقاله در سال ۲۰۲۳، شاغولیان اشاره کرد که فیزیکدانان قبلاً این رفتار عجیب را در نظریه‌هایی به نام نظریه‌های میدان توپولوژیکال (topological field theories) مشاهده کرده بودند. ریاضیدانان از این نظریه‌ها برای نقشه‌برداری شکل یا توپولوژی فضاهای هندسی استفاده می‌کنند. نظریه‌های میدان توپولوژیکال نیز می‌توانند فضاهای هیلبرت یک‌بعدی داشته باشند. اما اگر فضای هندسی را به چندین منطقه تقسیم کنید، می‌توانید فضا را به روش‌های بسیار متفاوتی توصیف کنید. برای پیگیری تمام امکانات جدید، به یک فضای هیلبرت بزرگ‌تر نیاز دارید.

شاغولیان گفت: «قوانین بازی تغییر می‌کند.»

شاغولیان پیشنهاد کرد که ممکن است راه مشابهی برای تقسیم یک جهان بسته وجود داشته باشد: یک ناظر را وارد کنید.