۵ تصور علمی غلط در مورد کیهان که احتمالا به آن‌ها باور دارید

توماس آکویناس گفته است:

از آنجا که فلسفه از شگفتی سرچشمه می‌گیرد، فیلسوف در انتهای مسیر خود عاشق افسانه‌ها و داستان‌های شاعرانه می‌شود. شاعران و فیلسوفان در دوست داشتن شگفتی‌ها شبیه یکدیگر هستند.

کیهان مکانی وسیع و پر از رمز و راز است. کیهان شامل همه‌ی چیزی است که می‌شناسیم، همه‌ی چیزی که مشاهده می‌کنیم و همه‌‌ی چیزی که امیدواریم روزی با آن‌ها ارتباط برقرار کنیم. آسمان بالای سر ما مانند پنجره‌ای رو به عالم بیرون است و انسان برای هزاران سال با حیرت، شگفتی و شیفتگی به آن و رازهای کشف نشده‌اش نگاه کرده است. اما به لطف پیشرفت‌های علمی در تمدن‌های بشری در گوشه گوشه‌ی جهان، اکنون می‌دانیم نقاطی که در آسمان شب می‌درخشند، ستاره‌ها هستند که به‌صورت گروه‌ گروه در کهکشان‌ها یافت می‌شوند. کهکشان‌ها نیز در گروه‌های بزرگ‌تری گرد هم می‌آیند.

کیهان ما پس از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) در ۱۳.۸ میلیارد سال پیش پدید آمد. با این حال دانستن این حقایق به این معنی نیست که همه‌ چیز را در مورد کیهان می‌دانیم. در واقع داشتن آگاهی محدود از علم فیزیک منشأ باورهای غلط بسیاری هست که حتی بعضی از دانشمندان نیز به آن دچار می‌شوند. این باورهای غلط را در ادامه‌ی گزارش با هم مرور می‌کنیم.

۱. اگر کیهان ۱۳.۸ میلیارد سال پیش پدید آمده است؛ پس ما نباید اجرامی را که در فاصله‌ی ۴۶ میلیارد سال نوری از ما قرار دارند، ببینیم.

بدون تردید، هیچ چیزی نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند. نوری که از خورشید ساطع می‌شود در عرض ۸ دقیقه و ۲۰ ثانیه مسافت بین خورشید و زمین را طی می‌کند؛ از این‌رو می‌توانیم بگوییم نوری که به ما می‌رسد، ۸ دقیقه و ۲۰ ثانیه سن دارد. اما در این میان باید به دو نکته‌ی مهم توجه کنیم: اول این‌که در زمان پیمایش مسافت توسط نور، زمین و خورشید از هم دور نمی‌شوند یا به هم نزدیک نمی‌شوند؛ در واقع فاصله‌ی آن‌ها از هم تغییر نمی‌کند. نکته‌ی بعدی این است که فضای بین خورشید و زمین در حال انبساط نیست. در ابعاد بزرگ‌تر کیهانی، هر دوی این فاکتورها در تحلیل این موضوع تأثیر دارند.

تصور کنید کهکشانی در فاصله‌ی ۱۰ میلیارد سال نوری از ما قرار دارد و فرض کنید این کهکشان از خود نور ساطع می‌کند. حال اگر ساختار فضا در حال انبساط نباشد، نور ساطع‌شده از آن کهکشان پس از ۱۰ میلیارد سال به ما خواهد رسید. اما اگر کهکشان با سرعت مشخصی تا حد نهایت سرعت نور از ما دور شود، هنگام رسیدن نور به ما، کهکشان مذکور حداکثر بیست میلیارد سال نوری فاصله خواهد داشت. حال اگر فاکتور انبساط جهان را هم در نظر بگیریم، فاصله‌ی کهکشان از ما بیش از این رقم نیز خواهد شد. اگر کهکشان بیشتر از تشعشع تشکیل شده باشد، ما می‌توانیم اجرامی را که در فاصله‌ی ۲۷.۶ میلیارد سال نوری از ما قرار دارند، ببینیم؛ در حالی که سن کیهان تنها ۱۳.۸ میلیارد سال است. اگر کهکشان از ماده تشکیل شده باشد، این رقم به ۴۱.۴ میلیارد سال نوری می‌رسد و اگر ترکیب ماده، انرژی تاریک و ماده‌ی تاریک را در نظر بگیریم، انبساط کیهان نیز وارد معادله می‌شود؛ آنگاه ما می‌توانیم اجرامی را که در فاصله‌ی ۴۶ میلیارد سال نوری از ما قرار دارند، ببینیم.

۲. هیچ‌کس نمی‌داند دقیقا و اساسا گرانش چگونه کار می‌کند.

چهار نیرویی که بر کهکشان ما تأثیر می‌گذارند، یعنی گرانش که توسط نسبیت عام انیشتین توصیف شده است، به همراه نیروی الکترومغناطیس و نیروهای قوی و ضعیف هسته‌ای، همگی به‌سادگی قابل مشاهده و اندازه‌گیری هستند. اما نظریه‌هایی که این نیروها را توصیف می‌کنند از همدیگر جدا هستند. نسبیت عام رابطه‌ی بین ماده‌-انرژی و خمیدگی فضا-زمان را توصیف می‌کند و از طرف دیگر، نظریه‌ی کوانتوم به توصیف برهم‌کنش‌های بین ذرات در فضا-زمان می‌پردازد. شاید به این فکر کنید که نیروی گرانش اساسا باید دارای ماهیت کوانتومی باشد و گرانش در برهم‌کنش بین ذرات نقش داشته باشد. شاید به این هم فکر کنید که ما نمی‌توانیم نحوه‌ی رفتار نیرو و میدان گرانشی را در شرایط کوانتومی اندازه‌گیری و بررسی کنیم؛ شرایطی همانند عبور تک الکترون از دو شکاف موازی و به‌هم‌پیوستگی بعد از آن.

اما هدف علم، توصیف و توضیح مشاهدات است و نظریه‌ی نسبیت عام به‌خوبی از عهده‌ی این کار در تمامی ابعاد درمی‌آید؛ نه‌تنها به‌اندازه‌ی کافی بلکه به‌صورت عالی و تا حد نهایت توانایی ما در انجام هر نوع مشاهده‌ای. هر نظریه‌ دارای یک دامنه‌ی اعتبار است و فراتر از آن، اعتبار خود را از دست می‌دهد. نسبیت عام از این قاعده مستثنا نیست؛ این نظریه نیز در نهایت از یک حد به بعد، اعتبار خود ر ا از دست می‌دهد: مثلا در تکینگی گرانشی در داخل سیاه‌چاله‌ها که در آنجا کمیت‌های مورد استفاده برای اندازه‌گیری میدان گرانشی به بی‌نهایت میل می‌کنند. اما نظریه‌های کوانتوم نیز دامنه‌ی اعتبار محدودی دارند: در یکاهای پلانک و فواصلی در حدود ^۳۳-۱۰۰؛ جایی که نسبت اندازه‌ی اتم‌ به یکاهای پلانک همانند نسبت اندازه‌ی انسان به اتم است.

گراویتون، واحد بنیادی فرضی گرانش، باید وجود داشته باشد؛ اما شاید ماهیت آن‌ها شبیه فوتون باشد: گراویتون‌های واقعی را می‌توان در قالب امواج گرانشی شناسایی کرد (همان‌طور که فوتون‌های واقعی به‌صورت نور شناسایی می‌شوند) و از طرفی گراویتون‌های غیرواقعی‌ را نمی‌توان شناسایی کرد و تنها ابزاری برای انجام محاسبات هستند. توصیف انیشتین کاملا معتبر است. با این حال امیدواریم روزی نسبیت عام توسط یک نظریه‌ی ‌جامع کوانتومی که به توصیف گرانش می‌پردازد، جایگزین شود. اما درک ما از خمیدگی فضا-زمان در اثر ماده‌-انرژی، جایی که در آن مسیر اجرام توسط خمیدگی فضا‌-زمان تعیین می‌شود؛ تاکنون به‌خوبی پاسخگوی تمامی مشاهدات ما بوده  است و علاوه بر آن پاسخگوی تمام مشاهداتی خواهد بود که در آینده می‌توانیم متصور شویم.

۳. بیگ بنگ همان تولد فضا-زمان است.

کیهان به مدت میلیاردها سال در حال انبساط و سرد شدن است؛ همه‌چیز در گذشته گرم‌تر و چگال‌تر بوده است. اگر ما این روند را به‌اندازه‌ی کافی به عقب برگردانیم، به نقطه‌ای می‌رسیم که در آن چگالی بی‌نهایت بوده است. این موضوع به‌صورت تئوری اولین بار توسط کیهان‌شناسانی چون الکساندر فریدمن و جورجز لماتره در دهه‌ی ۲۰ میلادی عنوان شد. لماتره این نقطه را اتم اولیه نامید؛ اتمی که همه‌چیز در کیهان بعدی از آن به وجود آمده است. درستی نظریه‌ی بیگ بنگ در دهه‌ی ۶۰ میلادی اثبات شد، زمانی که دانشمندان توانستند تشعشعات بر جامانده از انفجار بزرگ را شناسایی کنند. این تشعشعات به دلیل انبساط کیهان به صورت امواج مایکروویو درآمده‌اند و وجود آن‌ها توسط دانشمندانی که نظریه‌ی انفجار بزرگ را ارائه کرده بودند، پیش‌بینی شده بود. اگر به‌اندازه‌ی کافی به عقب برگردید به یک نکته‌ی تکین می‌رسد؛ جایی که فضا و زمان در آن متولد شده بود.

اما در این میان یک مشکل وجود دارد؛ این‌که گفته‌ی فوق درست نیست. اگر دمای کیهان (و در نتیجه انرژی آن) از یک نقطه‌ی خاص در گذشته شروع به افزایش کرده‌ است؛ پس باید نوسانات در امواج مایکروویو کیهانی بیشتر از مقداری باشد که اکنون مشاهده می‌کنیم. این حقیقت که مقدار آن در ۱۰۰ هزار  بسیار ناچیز است، نشان از این دارد که قبل از انفجار بزرگ که کیهان داغ و چگال و پر از تشعشع و ماده‌ی ما از آن به وجود آمده است، یک وضعیت پیشین وجود داشته است. در دهه‌ی ۸۰ میلادی نظریه‌ای در مورد چگونگی این وضعیت پیش از بیگ بنگ پیشنهاد شد: تورم کیهانی، که باعث به وجود آمدن انفجار بزرگ شد. نوسانات مربوط به تشعشعات مایکروویو کیهانی که توسط این نظریه پیش‌بینی شد، کاملا با مشاهدات ما تطابق دارد. تورم کیهانی قبل از انفجار بزرگ اتفاق افتاده است؛ اما این‌که قبل از آن چه چیزی بوده است و قبل از ^۳۲-۱۰ ثانیه‌ی پایانی تورم چه اتفاقی افتاده، هنوز به‌صورت یک راز باقی مانده است.

۴. فضا، زمان و گرانش همگی ممکن است توهم باشند.

شاید هیچ کدام از این‌ها مفاهیم بنیادی نباشند؛ شاید به معنای واقعی «واقعی» نباشند. این روزها زمزمه‌های زیادی در مورد این ایده به گوش می‌رسد؛ این‌که فضا و زمان و گرانش از ویژگی‌های جنبی یک وجود بنیادی‌تر هستند. امواج صوتی از برهم‌کنش‌های مولکولی نشأت می‌گیرند. اتم‌ها در نتیجه‌ی کوارک‌ها، گلوئون‌ها، الکترون‌ها و برهم‌کنش‌های قوی الکترومغناطیسی به وجود می‌آیند. سیستم‌های سیاره‌ای در نتیجه‌ی گرانش به وجود می‌آیند که آن‌ هم با قانون نسبیت عام توصیف می‌شود. اما در مورد گرانش آنتروپیک و دیگر سناریوهایی همچون کوبیت‌ها، گفته می‌شود که ممکن است گرانش و فضا و زمان به شکل مشابه از یک ماهیت دیگر به وجود آمده باشند.

اما اگر ریشه‌ای به موضوع نگاه کنیم، این حقیقت که رابطه‌ی نزدیکی بین معادلات حاکم بر گرانش و معادلات حاکم بر ترمودینامیک وجود دارد، غیر قابل کتمان است. در حالت عادی نگاه ما این است که گرانش و ذرات، ماهیت‌هایی بنیادی هستند و ترمودینامیک از ماهیت‌های بنیادی پدید آمده است. در واقع ترمودینامیک به توصیف خواص ترکیبی تعداد زیادی از ماهیت‌های بنیادی می‌پردازد. قوانین ترمودینامیک از یک حوزه‌ی متفاوت و بنیادی‌تر نشأت می‌گیرند: مکانیک آماری. با این حال گرانش هم ممکن است از یک ماهیت بنیادی دیگر نشأت بگیرد: حلقه‌ها، رشته‌ها، سیاه‌چاله‌های مودار، ذرات پلانک یا هر ساختار تئوریک دیگر.

اما نکته‌ی کلیدی این است که پیش‌بینی‌های انجام‌شده در مورد این ماهیت بنیادی‌تر باید با پیش‌بینی‌های نسبیت عام متفاوت باشد و دیگر این‌که در قالب یکی از روش‌های معتبر فعلی قرار نگیرد. اما مهم‌ترین نکته این است که گرانش حتی اگر مفهومی بنیادی نباشد، یک توهم هم نیست. گرانش هم می‌تواند مانند یکی از ویژگی‌های پدیدآمده از ماهیت‌های بنیادی‌تر باشد. اما در مورد فضا و زمان چطور؟ شاید آن‌ها هم بنیادی نباشند؛ اما هنوز هیچ‌گونه نظریه‌ای در مورد این‌که آن‌ها ممکن است از چه چیزی پدید آمده باشند، وجود ندارد. در هر صورت، گرانش، فضا و زمان قطعا وجود دارند و این‌که آن‌ها را نوعی توهم بنامیم، اشتباه است.

۵. به‌هرحال همه‌ی این‌ها فقط نظریه هستند.

انفجار بزرگ یک نظریه است. گرانش هم یک نظریه است. قرار دادن این نظریه‌ها کنار هم فیزیک تئوری را تشکیل می‌دهد. این‌ها حقیقت، واقعیت و حتی قانون نیستند؛ فقط نظریه‌ هستند.

گفتن چنین سخنی به دور از ایده‌ و تعریف اصلی یک نظریه‌ی علمی است. اساسی‌ترین عنصر علم، حقیقت است. شما یک مشاهده انجام می‌دهید، این مشاهده یک حقیقت است. شما یک اندازه‌گیری انجام می‌دهد، این اندازه‌گیری یک حقیقت است. یک داده‌ی آزمایشگاهی هم یک حقیقت است. ما سعی داریم تا حد ممکن حقایق بیشتری جمع‌آوری کنیم و تجهیزات و آزمایش‌هایی طراحی کنیم که به ما در انجام این کار کمک کنند. اگر شما متوجه شوید که روابط خاصی بین اندازه‌گیری‌ها و مشاهدات وجود دارد و همه‌ی آن‌ها از یک معادله تبعیت می‌کند؛ یک قانون کشف کرده‌اید.

اما وقتی شما قالبی طراحی می‌کنید که نه‌تنها مشاهدات و قوانین در داخل آن قرار می‌گیرند، بلکه می‌تواند پیش‌بینی‌هایی قابل اثبات انجام دهد؛ در این صورت است که شما یک نظریه دارید. اما اگر شما دست به کار شوید و نظریه‌ی خود را اعتبار سنجی کنید و آن‌ها را تا نهایت مرزهایش آزمایش کنید؛ در آن صورت نظریه‌ای به‌خوبی نظریه‌ی انفجار بزرگ یا نسبیت عام خواهید داشت.

اما این موضوع را هم باید در نظر گرفت که نظریه‌های محکم و پذیرفته‌شده‌ی این‌چنینی نیز پاسخ نهایی سؤالات ما نیستند. همیشه چیزهای بیشتری برای یادگیری، مرزهای بیشتری برای درنوردیدن و سؤالات بیشتری برای پاسخ دادن وجود دارند. اما بهترین و پذیرفته‌شده‌ترین نظریه‌های امروزی که علم به ما ارائه کرده است، تا حد ممکن به حقیقت نزدیک هستند. بهتر است به‌جای این‌که خودمان را با تصورات غلط راضی نگه داریم، به دنبال درک واقعیت باشیم؛ حتی اگر در تلاش برای انجام این کار با اختلافات و تناقض‌هایی روبه‌رو شویم.