مقدمه
فیزیکدانان با بررسی ریاضیات فضا-زمان کوانتومی در میزهای کار خود، به یک معمای گیجکننده دست یافتهاند. قوانین مرموز نظریه کوانتوم و گرانش به آنها اجازه میدهد انواع مختلفی از جهانها را با جزئیات دقیق تصور کنند و آزمایشهای فکری قدرتمندی را ممکن میسازد که در سالهای اخیر به رازهای دیرینه پیرامون سیاهچالهها پرداختهاند.
اما هنگامی که گروهی از محققان در سال 2019 جهانی را که به طور مرموزی شبیه به جهان خودمان بود بررسی کردند، به یک پارادوکس رسیدند: به نظر میرسید جهان نظری تنها یک حالت ممکن را میپذیرد. آنقدر ساده به نظر میرسید که محتویات آن را میشد بدون انتقال حتی یک بیت داده، حتی انتخاب صفر یا یک، توصیف کرد. این نتیجه با این واقعیت که این نوع جهان باید قادر به میزبانی سیاهچالهها، ستارهها، سیارات و انسانها باشد، در تضاد بود. اما هیچ یک از این جزئیات غنی دیده نمیشد.
«ما به اطراف نگاه میکنیم و مطمئناً دنیا پیچیدهتر از این به نظر میرسد،» راب مایرز، فیزیکدان نظری در مؤسسه فیزیک نظری پریمیتر در واترلو، کانادا، که مستقیماً در این تحقیق مشارکت نداشته است، گفت.
فیزیکدانان دلیل خوبی برای اعتماد به این محاسبات دارند، که بر اساس ایدههای فیزیکی بنیادی بنا شده است. ریاضیات، جهانی با تنها یک حالت را ایجاب میکند؛ اما جهان ما قطعاً اینگونه نیست. اکنون تیمی از نظریهپردازان پاسخ احتمالی را مطرح کردهاند. نتیجه پارادوکسیکال زمانی رخ داد که فیزیکدانان به دنبال توصیفی عینی از حالت یک جهان کامل بودند. اما چنین توصیفی، حتی از لحاظ نظری، ممکن است امکانپذیر نباشد. این به طور 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.
یک استدلال تکاندهنده
برای فیزیکدانانی که هم به مکانیک کوانتومی و هم به گرانش علاقهمندند، ترکیب این دو نظریه فوقالعاده دشوار بوده است. نظریه ریسمان یک راهحل فرضی برای این مشکل است، که ذرات را با طولهای بسیار کوچک ریسمانهای مرتعش جایگزین میکند تا مشکلات موجود در سایر نظریههای کاندید را برطرف کند. با این حال، ریاضیات این نظریه چالشبرانگیز است و استخراج پیامدهای آن دشوار بوده است.
اما تقریباً 30 سال پیش، یک مقاله برجسته توسط خوان مالداسنا، فیزیکدان در مؤسسه مطالعات پیشرفته، نشان داد که محاسبات دشوار نظریه ریسمان گاهی اوقات میتوانند با استفاده از مفاهیم آشنای فیزیک ذرات جایگزین و انجام شوند. نکته اینجاست که این رویکرد تنها در صورتی کار میکند که جهان دارای هندسهای غیرمعمول به نام «ضد دو سیتر» (anti-de Sitter) باشد. جهان ضد دو سیتر دارای یک مرز است که اغلب به یک قوطی حلبی تشبیه میشود. به طرز شگفتانگیزی، هر اتفاقی که در داخل قوطی رخ میدهد، از برخورد ذرات گرفته تا سیاهچالههای چرخان، توسط سایهها بر روی مرز بیرونی قوطی آشکار میشود. گویی جهان سهبعدی در داخل 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 2019، مالداسنا و سه همکارش در IAS — احمد المهیری، راغو ماهاجان و یینگ ژائو — با استفاده از تفکر هولوگرافیک، درک بهتری از آنچه در داخل یک سیاهچاله رخ میدهد، به دست آوردند. آنها با تکیه بر کارهای قبلی، «فرمول جزیره» را پیشنهاد کردند که مرزهای مناطق مختلف درون یک سیاهچاله را ردیابی میکند. این فرمول به زودی به آنها و دیگران کمک کرد تا یک توضیح بالقوه برای یک معمای دیرینه کشف کنند: چگونه سیاهچالهها میتوانند اطلاعاتی در مورد آنچه به درونشان افتاده است آشکار کنند — که نظریه کوانتوم میگوید باید اتفاق بیفتد — در حالی که به نظر میرسد انجام این کار طبیعت مطلق گرانش 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 بستر اصلی ضد دو سیتر نیز معتبر باشد.
اما این تنها یک گرمکردن بود.
«سیاهچالهها میدان آزمایشی بسیار خوبی برای ایدهها هستند، اما محل اصلی کسبوکار نیستند،» هنری مکسفیلد، فیزیکدان دانشگاه استنفورد، گفت. «سؤال مهم گرانش کوانتومی، کیهانشناسی کوانتومی است» – تلاش برای درک جهان اولیه.
مشکل اینجاست که ما در کیهانی با هندسه قوطی حلبی ضد دو سیتر زندگی نمیکنیم. ماهیت انبساط جهان نشان میدهد که هیچ مرزی ندارد. مهم نیست چقدر سفر کنید، هرگز به یک لبه نخواهید رسید.
یکی از راههایی که یک جهان میتواند فاقد لبه باشد، داشتن هندسهی «بسته» است. در این حالت، مسافری که در یک خط مستقیم حرکت میکند، میتواند در نهایت به جایی که شروع کرده بازگردد، درست مانند زمانی که با یک جت پرواز کرده و به سمت شرق میروید.
از آنجایی که جهان ما میتواند به این شکل بسته باشد، مالداسنا به زودی فرمول جزیره را به یک جهان بسته اعمال کرد. او چیزی را کشف کرد که همکارانش قبول آن را دشوار یافتند: به نظر میرسید منطقه بسته تقریباً کاملاً خالی است.
ژائو گفت: «من از آن استدلال کاملاً شوکه شده بودم.» «سعی کردم با او بحث کنم.» چند سال طول کشید، اما ژائو در نهایت سوراخی در جهان خالی مالداسنا پیدا کرد.
لوح سفید
جهانهای بستهای که مالداسنا بررسی کرد، 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 ممکنی را که یک سیستم فیزیکی میتواند در آن باشد، ردیابی کنند. برای این کار، از یک فضای انتزاعی به نام فضای هیلبرت استفاده میکنند. فضاهای هیلبرت، که به نام دیوید هیلبرت، ریاضیدان اوایل قرن بیستم نامگذاری شدهاند، با افزودن ابعاد ریاضی جدید، حالتهای کوانتومی مختلف را در نظر میگیرند. هرچه ابعاد بیشتری وجود داشته باشد، این فضاهای هیلبرت میتوانند اطلاعات بیشتری را رمزگذاری کنند.
یک سیستم ساده، مانند یک بیت کامپیوتری که میتواند صفر یا یک باشد، ممکن است دو بعد داشته باشد.
اکثر سیستمهای کوانتومی بسیار پیچیدهتر هستند. یک اتم هیدروژن را در نظر بگیرید. الکترون آن میتواند با دریافت انرژی بیشتر به مدارهای بالاتر و بالاتر برسد. در این حالت، تعداد حالتهای ممکن نامحدود است، و بنابراین فضای هیلبرت آن بینهایتبعدی است. اکثر سیستمهای کوانتومی واقعی این ویژگی را دارند.
بنابراین فیزیکدانان انتظار دارند که یک جهان کامل نیز تعداد بینهایتی از حالتها داشته باشد. اما وقتی مالداسنا فرمول جزیره را به یک جهان بسته اعمال کرد، به جای آن دریافت که دارای فضای هیلبرتی با تنها یک بعد است. هیچ اطلاعاتی یافت نشد. کل جهان و هر آنچه در آن است میتوانست تنها در یک حالت کوانتومی باشد. حتی پیچیدگی یک بیت هم در آن وجود نداشت.
این نتیجه برای فیزیکدانان پارادوکسیکال به نظر میرسید، با توجه به اینکه ما نیز به طور قابل تصوری میتوانیم در یک جهان بسته زندگی کنیم. و ما به وضوح بسیار بیشتر از یک حالت واحد در اطراف خود میبینیم.
ادگار شاغولیان، فیزیکدان در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، گفت: «روی میز من بینهایت حالت وجود دارد.»
اما همانطور که فیزیکدانان به مطالعه انواع مختلف جهانهای بسته ادامه دادند، همان الگو را مشاهده میکردند. در حالی که گروه IAS سیاهچالهها را بررسی میکردند، مکسفیلد و همکارش دونالد مارول به بررسی حبابهای کوانتومی فرضی فضا-زمان به نام جهانهای نوزاد پرداختند. آنها همان سادگی مطلق را یافتند. به طور فزایندهای، به نظر میرسید که سترونی جهانهای بسته یک روند جهانی است.
ژائو گفت: «در نهایت ما آن را باور کردیم.»
بازگشت پیچیدگی
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 بسیار خوب بسته باشد، به طرز بینهایتی پیچیدهتر به نظر میرسد. پس چه خبر است؟
در یک مقاله در سال 2023، شاغولیان اشاره کرد که فیزیکدانان قبلاً این رفتار عجیب را در نظریههایی به نام نظریههای میدان توپولوژیکی (topological field theories) مشاهده کرده بودند. ریاضیدانان از این نظریهها برای نقشهبرداری شکل یا توپولوژی فضاهای هندسی استفاده میکنند. نظریههای میدان توپولوژیکی نیز میتوانند فضاهای هیلبرت یکبعدی داشته باشند. اما اگر فضای هندسی را به چندین منطقه تقسیم کنید، میتوانید فضا را به روشهای مختلفی توصیف کنید. برای پیگیری همه احتمالات جدید، به یک فضای هیلبرت بزرگتر نیاز دارید.
شاغولیان گفت: «قوانین بازی تغییر میکند.»
شاغولیان پیشنهاد کرد که ممکن است راهی مشابه برای تقسیم یک جهان بسته وجود داشته باشد: وارد کردن یک ناظر.
مکانیک کوانتومی نیازمند تمایز بین یک ناظر — مانند دانشمندی که یک آزمایش را انجام میدهد — و سیستمی است که او مشاهده میکند. سیستم معمولاً چیزی کوچک و کوانتومی کوانتومی است، مانند یک اتم. ناظر بزرگ و دور است و بنابراین به خوبی با فیزیک کلاسیک توصیف میشود. شاغولیان مشاهده کرد که این تقسیمبندی مشابه نوعی است که فضاهای هیلبرت نظریههای میدان توپولوژیکی را بزرگ میکند. شاید یک ناظر بتواند همین کار را برای این جهانهای بسته و به ظاهر غیرممکن ساده انجام دهد؟
در سال 2024، ژائو به مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) منتقل شد، جایی که کار خود را بر روی مشکل چگونگی قرار دادن یک ناظر در یک جهان بسته آغاز کرد. او و دو همکارش — دانیل هارلو و میخایلو یوساتیوک — ناظر را به عنوان معرفیکننده نوع جدیدی از مرز در نظر گرفتند: نه لبه جهان، بلکه مرز خود ناظر. ژائو و همکارانش نشان دادند که وقتی یک ناظر کلاسیک را در یک جهان بسته در نظر بگیرید، تمام پیچیدگی جهان بازمیگردد.
مقاله تیم MIT در اوایل سال 2025 منتشر شد، تقریباً همزمان با گروه دیگری که با ایدهای مشابه مطرح شدند. دیگران نیز اشاره کردند که این موضوع ارتباطاتی با کارهای قبلی دارد.
در این مرحله، همه افراد درگیر تأکید میکنند که راهحل کامل را نمیدانند. خود پارادوکس ممکن است یک سوءتفاهم باشد، که با یک استدلال جدید از بین میرود. اما تاکنون، افزودن یک ناظر به جهان بسته و تلاش برای در نظر گرفتن حضور آن، ممکن است امنترین مسیر باشد.
ژائو گفت: «آیا واقعاً اطمینان دارم که این درست است، این همان چیزی است که مشکل را حل میکند؟ نمیتوانم بگویم. ما تمام تلاش خود را میکنیم.»
اگر این ایده پایدار بماند، استفاده از ماهیت ذهنی ناظر به عنوان راهی برای توضیح پیچیدگی جهان، یک تغییر پارادایم در فیزیک خواهد بود. فیزیکدانان معمولاً به دنبال دیدگاهی از هیچ کجا، یک توصیف مستقل از طبیعت هستند. آنها میخواهند بدانند دنیا چگونه کار میکند و چگونه ناظرانی مانند ما به عنوان بخشی از جهان پدیدار میشوند. اما همانطور که فیزیکدانان به درک جهانهای بسته بر اساس مرزهای خصوصی در اطراف ناظران خصوصی میرسند، این دیدگاه از هیچ کجا کمتر و کمتر قابل اجرا به نظر میرسد. شاید تنها دیدگاههایی از جایی مشخص باشد که ما میتوانیم داشته باشیم.