معمای گلدی‌لاکس
رادنی هولدر/ ترجمه: امیرمسعود جهان‌بین

حیات در جهان وجود دارد تنها به این خاطر که اتم کربن خواص استثنایی معینی دارد.

سر جیمز جینز (۱۹۳۰) [۱]

 

خاص بودن مه‌بانگ: تنظیم دقیق کیهانی

پیش‌تر دیدیم که شواهد به‌خوبی از ‌مه‌بانگ پشتیبانی می‌کنند. با این حال، این نظریه ما را رو در روی چند معما قرار می‌دهد. در واقع به نظر می‌رسد ‌مه‌بانگ از راه بسیار ویژه‌ای برپا شده باشد؛ ظاهرا با این هدف که ما این‌جا پدید آییم تا آن را مشاهده کنیم. این خاص بودن به دو قلمرو مربوط است:

1. لازم است اندکی پس از ‌مه‌بانگ شرایطی که دقیقا مربوط به آغاز است، با درجه‌ی بسیار بالایی از دقت برقرار باشد تا در جهان حیات پدید آید.
2. ثابت‌هایی که در قوانین فیزیک وجود دارند، باید مقدار‌های کنونی را با دقتی قابل توجه دارا باشند تا حیات در جهان پدید آید. این ثابت‌ها شدت نسبی چهار نیروی بنیادی طبیعت را تعیین می‌کنند؛ یعنی گرانش، نیروی الکترومغناطیس که اتم‌ها را کنار هم نگه می‌دارد، نیروی هسته‌ای ضعیف که مسئول تخریب رادیواکتیو است و نیروی هسته‌ای قوی که هسته‌های اتمی را به هم پیوند می‌دهد. آن‌ها همچنین شامل کمیت‌هایی از قبیل جرم ذرات بنیادی هستند و تعیین می‌کنند فرایندهای کلیدی فیزیکی چه‌گونه در مراحل گوناگون تکامل جهان پیش بروند. در ادبیات مربوطه، واژه‌ی «اصل آنتروپیک» بسیار به کار می‌رود تا بیانگر قیود قوانین طبیعت و شرایط اولیه‌ای باشد که در ‌مه‌بانگ برای وجود ما مورد نیازند. با این حال، این واژه به چند دلیل، نسبتا مسئله‌ساز است. دلیل نخست آن است که از آن‌جا که واژه‌ی آنتروپیک[۱] از واژه‌‌ی یونانی آنتروپوس (ἄνθρωπος) به معنای «انسان» مشتق شده است، شرایطی که ما از آن‌ سخن می‌گوییم، شرایطی نیست که به‌طور خاص برای حیات انسانی مورد نیاز است. به بیان بهتر، ما باید درباره‌ی شرایط پیدایش حیات هوشمند یا حیات مبتنی بر کربن در کیهان سخن بگوییم؛ هرچند برخی از این شرایط که به آن‌ها اشاره می‌کنیم، صرفا شرایطی هستند که برای پیدایش هر چیز جالب توجهی در جهان مورد نیازند.

پل دیویس، به خاطر دلایل این‌چنینی، واژه‌ی «اصل بیوفیلیک»[۲] به معنای «اصل دوست‌دار حیات» را نسبت به «اصل آنتروپیک» ترجیح می‌دهد. با این حال، ترکیب دوم جا افتاده و من در ادامه واژه‌ی «آنتروپیک» را دست‌کم با احتیاط مناسب به کار خواهم برد.

دلیل دیگری برای داشتن دغدغه درباره‌ی واژه‌شناسی «اصل آنتروپیک» ابهام آن است. چندین نسخه از این اصل وجود دارد؛ به گونه‌ای که این واژه می‌تواند هر معنایی از یک همان‌گویی[۳] ملایم تا ادعای متافیزیکی بسیار ظنی و مشکوک را داشته باشد. جان بارو[۴] و فرانک تیپلر[۵] «اصل آنتروپیک ضعیف»[۶] را در کتاب کلاسیک‌شان درباره‌‌ی این موضوع، به صورت زیر به کار برده‌اند:

     مقادیر مشاهده شده‌‌ی تمام کمیت‌های فیزیکی و کیهان‌شناختی به یک میزان محتمل نیستند اما آن‌ها مقادیری را به خود می‌گیرند که در نتیجه مکان‌هایی وجود داشته باشد که در آن، حیات مبتنی بر کربن بتواند تکامل یابد و جهان به‌اندازه‌‌ی کافی مسن باشد تا به چنان مرحله‌ای رسیده باشد[۲].

این امر، اساسا به آن معنا است که ما تنها می‌توانیم ثابت‌های فیزیکی و کمیت‌های ‌کیهان‌شناختی‌ای را اندازه بگیریم که با وجود خود ما سازگارند. به‌طور کلی، تنها بازه‌ا‌ی باریک از مقادیر برای گسترش حیات مساعد است و روشن است که اندازه‌گیری‌های ما تنها می‌توانند چنان مقادیری را به ما بدهند. احتمالاتی که از آن‌ها سخن گفته می‌شود، احتمالات «پسینی» یا احتمالات شرطی مشروط به وجود ما هستند؛ اما به‌طور قطع احتمالات پیشینی نیستند. این نکته‌ای کلیدی در بحث آینده است. با فرض این‌که ما وجود داریم، ثابت‌ها باید بسیار محدود باشند. اما پرسش مهم‌تر این است که: «چه‌قدر احتمال دارد ثابت‌ها در نخستین قدم، آن مقادیر را به خود بگیرند تا وجود ما را ممکن سازند؟»

اصل آنتروپیک ضعیف یک همان‌گویی است. با این حال، این مسئله را پدید می‌آورد که آیا بخش‌های دیگر جهان یا در واقع جهان‌های دیگری وجود دارند که پارامترهای فیزیکی در آن‌ها مقادیر متفاوتی بگیرند و حیات مبتنی بر کربن نتواند در آن‌ها وجود داشته باشد. در واقع WAP معمولا این‌طور تفسیر می‌شود که چنان جهان‌هایی یا چنان مناطقی از جهان وجود دارند و اندازه‌گیری‌های ما صرفا نتیجه‌‌ی یک «اثر انتخاب مشاهده‌گر» هستند؛ به این معنا که ما نمی‌توانیم مقادیر جای‌گزین را اندازه بگیریم.

اصل آنتروپیک قوی (SAP) که بارو و تیپلر آن را به قرار زیر تعریف کرده‌اند، بیش‌تر مورد بدگمانی است:

جهان باید خواصی داشته باشد که آن خواص اجازه دهند در مرحله‌ای از تاریخچه‌اش، حیات درون آن توسعه یابد[۳].

اگر کسی به ظاهر این عبارت تمسک کند، موجه یافتن آن بسیار دشوار است. چرا جهان نتواند به‌طور پیشینی بدون حیات باشد؟ آیا جهان‌هایی با پارامترهای متفاوت از آن‌چه ما می‌بینیم، نمی‌توانند وجود داشته باشند؟ به نظر می‌رسد تنها راه فهم معنای SAP آن است که آن را این‌گونه تفسیر کنیم که بیانگر «واقعیت آفریده‌‌‌شده به وسیله‌ی مشاهده‌گر» است؛ یعنی ایده‌‌ای که می‌گوید ما وجود جهان را با مشاهده‌‌ی آن پدید می‌آوریم. این تفسیر نظریه‌ی کوانتومی است که در بحث  هاوکینگ و ملودینف وجود دارد و فرد هویل[۷]، جان ویلر[۸] و پل دیویس[۹] در بسیاری مواقع، بیان‌های گوناگونی از آن را پذیرفته‌اند. آنگاه SAP به چیزی تغییر شکل می‌دهد که بارو و تیپلر آن را «اصل آنتروپیک مشارکتی»[۱۰] (PAP) می‌نامند. اخیرا دیده‌ایم این ایده، هم متناقض‌نما و هم غیرضروری است.

دوازده مثال از تنظیم دقیق کیهانی[۴]

مثال‌های بسیاری درباره‌ی این به اصطلاح تنظیم دقیق وجود دارد و موارد زیر تنها گزیده‌هایی از آن‌ها هستند که ایده‌‌ی اصلی را نشان می‌دهند:

1. چگالی متوسط ماده-انرژی در جهان

چگالی متوسط ماده-انرژی در جهان باید دقیق باشد تا حیات در آن شکل گیرد. پیش‌تر دیدیم که سه رژیم برای انحنای فضا-زمان وجود دارد: مثبت، منفی و صفر (مسطح) که وابسته به چگالی متوسط است و یک مقدارِ بحرانی برای چگالی متوسط وجود دارد که بالاتر از آن، جهان انحنای مثبت می‌یابد و کم‌تر از آن انحنای منفی دارد و در مقدار برابر با آن مسطح است. امروزه چگالی متوسط به مقدار بحرانی بسیار نزدیک است و این امر  دلالتی است بر این‌که در زمان‌های اولیه بسیار بسیار نزدیک‌تر به آن بوده است.

همان‌گونه که پیش‌تر بیان کردم کیهان‌شناسان پارامتر امگا (Ω) را این طور تعریف می‌کنند: «چگالی متوسط تقسیم بر مقدار بحرانی». همان‌طور که دیدیم، چگالی متوسط و بنابراین Ω نیز شامل سه مولفه‌ی مربوط به تشعشع، ماده و ثابت ‌کیهان‌شناختی هستند. مقدار Ω کنونی که با Ω۰ نشان داده می‌شود با دقت قابل توجهی تخمین زده شده است. این تخمین به کمک مشاهداتی از طریق ماهواره‌‌ی WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) و ماهواره‌ی جدیدتر Planck انجام شده است. مولفه‌‌ی تشعشع Ω۰ قابل چشم‌پوشی است، سهم مربوط به ماده در حدود ۰.۳۲ است و سهم مربوط به ثابت کیهان‌شناختی که می‌توان آن را هم‌ارز یک چگالی دانست در حدود ۰.۶۸ است. بنابراین، مقدار سرجمع آن، بسیار نزدیک به ۱ است.

در جهان نخستین، مولفه‌‌ی تشعشع تا نقطه‌ی تلاقی بالا می‌رود، نقطه‌ای که در آن دو چگالی به مقدار یکسانی کاهش یافته‌اند. این زمانی بوده که جهان پنجاه ‌هزار سال سن داشته است[۵]؛ پس از این، مولفه‌‌ی ماده غالب شده است. مولفه‌‌ی ثابت ‌کیهان‌شناختی یعنی Λ تنها در تاریخچه‌‌ی اخیر جهان شروع به غلبه کرده است؛ زیرا در حالی که چگالی ماده با انبساط کاهش می‌یابد، چگالی مربوط به Λ ثابت است. همچنین، باید یادآور شویم از مولفه‌‌ی مربوط به ماده، سهم ماده‌ی معمولی از Ω۰ تنها ۰.۰۵ است و ۰.۲۷ باقی‌مانده را «ماده‌ی تاریک»[۱۱] رازآلود به خود اختصاص می‌دهد. ما می‌دانیم ماده‌‌ی تاریک وجود دارد؛ زیرا گرانش نمی‌تواند به‌تنهایی و بدون ماده‌‌ی تاریک، مانع پراکنده‌شدن کهکشان‌ها شود. ما هنوز نمی‌دانیم این ماده‌ی تاریک چیست.

اکنون به معمای ماده بازگردیم. فرض کنید به وضعیت جهان در حدود یک ثانیه پس از ‌مه‌بانگ می‌اندیشیم. موضع دانش فیزیک در این دوره‌ی نخستین به نحو شگفت‌انگیزی شناخته شده است. برای آن‌که چند صد هزار سالِ بعد، کهکشان‌ها شکل بگیرند نیاز است که جهان در آن «زمان بسیار اولیه» دقیقا به میزان مناسب و با دقت بسیار بالایی در حال انبساط بوده باشد. اگر نرخ انبساط بیش از حد کوچک باشد، چگالی به اندازه‌‌ی بیش از حد بزرگی بیش‌تر از مقدار بحرانی است. گرانش، پیش از آن‌که کهکشان‌ها فرصت شکل‌گرفتن پیدا کنند، جهان را به عقب خواهد کشید و فروپاشی دوباره رخ خواهد داد. اگر نرخ انبساط بسیار بزرگ باشد، چگالی از مقدار بحرانی بسیار کوچک‌تر و گرانش نیز برای این‌که ناهمگنی‌ها (مناطق با چگالی مازاد اندک) منقبض شده و کهکشان‌ها را شکل دهند، بسیار ناکافی خواهد بود. در واقع، یک ثانیه پس از ‌مه‌بانگ، لازم است Ω  با خطایی از مرتبه‌‌ی ۱۰^-۱۵ برابر با ۱ باشد. بنابراین، Ω باید کم‌تر از ۱.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ و بیش‌تر از ۰.۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹ باشد. هرچه در زمان عقب‌تر و به سوی آغاز می‌رویم، این هم‌ارز دقتی، شگفت‌آورتر است. البته دانش فیزیک استواری بسیار کم‌تری دارد. اما فرض کنید ما مدل‌های خود را به‌شکلی سر راست به ابتدایی‌ترین نقطه‌ای که می‌توانیم درباره‌‌ی آن سخن بگوییم، معطوف کنیم؛ یعنی ۱۰^-۴۳ ثانیه پس از مبدا که همچنان نظریه‌ی گرانش کوانتومی ناشناخته‌ای برای آن مورد نیاز است (هرچند نظریه‌‌ی M نامزد آن است). در آن نقطه، Ω باید (با خطایی از مرتبه‌‌ی ۱۰^-۶۰) برابر با ۱ باشد؛ دقتی برابر با یک قسمت در ۱۰^۶۰ دقتی است که برای آن‌که تفنگی را به سکه‌ای در فاصله‌‌ی ۱۳ ملیارد سال نوری در آن سوی جهان نشانه برویم و به آن اصابت کنیم، لازم است.

ممکن است این طور باشد که نزدیکی Ω به ۱ برحسب نظریه‌ا‌ی بنیادی‌تر که در زمان‌های ابتدایی‌تر عمل می‌کرده است، قابل تبیین باشد؛ یعنی نظریه‌‌ی محبوب «تورم». با این حال، این صرفا می‌تواند خاص بودن شرایط اولیه را به سوی نظریه‌ای که آن شرایط را در زمان‌های بسیار نخستین ایجاد کرده، سوق دهد.

2. اندازه‌‌ی جهان

با توجه به مطالب بالا و بر خلاف شهودهای ما، نتیجه این است که برای آن‌که نوع انسان وجود داشته باشد، جهان باید به همین اندازه‌ وسیع باشد[۶]. این اندازه‌ای است که جهانی منبسط‌شونده با چگالی‌ای نزدیک به مقدار بحرانی آن، در ۱۳.۸ ملیارد سالی که زمان می‌برد تا نوع انسانی تکامل یابد، به آن می‌رسد. در ساده‌ترین مدل ‌کیهان‌شناختی یعنی جهان مسطح با ثابت ‌کیهان‌شناختی صفر (که این از میزان دقت کافی برای هدف فعلی برخوردار است)، اندازه، جرم و سن جهان مشاهده‌پذیر با فرمولی ساده به هم مرتبط می‌شوند. یک جهان منبسط‌شونده با جرم یک کهکشان، دارای ماده‌ی کافی است تا ۱۰۰ ملیارد ستاره‌ی مانند خورشید را بسازد. اما چنان جهانی تنها به مدت یک ماه انبساط یافته است؛ طوری که هیچ ستاره‌ای در واقع نتوانسته شکل بگیرد[۷]. این امر به‌وضوح و به‌گونه‌ای که بالاتر تعریف شد، در هماهنگی با WAP است؛ ما نمی‌توانسته‌ایم زودتر یا دیرتر در تاریخچه‌‌ی جهان پدید آییم. با این حال، به نظر می‌رسد باید جور دیگری درباره‌ی این استدلال اندیشید؛ استدلالی که بارها به چشم می‌آید و می‌گوید ما نقطه‌‌ی ناچیزی در کیهانی غول‌آسا هستیم؛ تنها در صورتی که جهانْ این‌چنین عظیم باشد، امکان پیدایش ما وجود دارد.

3. تولید هلیوم در ‌مه‌بانگ

یکی از مهم‌ترین عناصر ضروری برای حیات –به‌طور مشخص حیات به گونه‌ای که ما می‌شناسیم- هیدروژن است؛ «فقدان هیدروژن» به معنای نبود آب و نبود هرگونه حیات است. پیش‌تر دیدیم که چه‌گونه در ‌مه‌بانگ هلیوم از هیدروژن تولید شد. اگر نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی عهده‌دار برای تخریب رادیواکتیو -ظاهرا به‌طور تصادفی- به‌شکلی نسبتا خاص به نیروی گرانشی مرتبط نبود یا هیچ مقداری از آن تبدیل نمی شد، یا ‌مه‌بانگ و تمام هیدروژن در سه دقیقه‌ی نخست به هلیوم تبدیل می‌شد. نتیجه‌ی حالت اول، با نیروی ضعیف به اندازه‌ای کم‌تر، فقدان هرگونه آب یا حیات در هر مرحله‌ی بعدی از تاریخچه‌‌ی جهان بود. برنارد کار[۱۲] نیز یادآور می‌شود احتمالا ستارگان فروزان هلیومی به اندازه‌‌ی کافی دوام ندارند تا حیات گسترش پیدا کند؛ هرچند که امکانش وجود داشته است.[۱۳]علاوه براین، این شرط که ستارگان عظیم به‌صورت ابرنواخترها منفجر شوند تا عناصر شیمیایی آزاد کنند، رابطه‌ی میان نیروی ضعیف و گرانش را در هر دو جهت محدود می‌سازد.

4. نسبت جرم پروتون-الکترون

جرم پروتون باید تقریبا  ۱۸۳۷ برابر جرم الکترون باشد و باید همین‌طور باشد تا عناصر شیمیایی مورد نظر ساخته شوند و پایدار بمانند؛ مشخصا برای مولکول‌های پیچیده‌ای مانند DNA که اجزای سازنده حیات هستند.[۱۴]

5. رزونانس (تشدید) هویل[۱۵]

یکی از مشهورترین مثال‌های تنظیم دقیق چیزی است که فرد هویل کشف کرد؛ برای آن‌که کربن و اکسیژن درون ستارگان شکل بگیرند، باید نسبت دو تا از نیروهای بنیادی طبیعت -نیروی هسته‌ای قوی که هسته‌های اتمی را به هم پیوند می‌زند و نیروی الکترومغناطیسی که میان ذرات باردار عمل می‌کند– دقیقا به مقدار مناسب باشد؛ مقداری که این پارامتر به خود می‌گیرد، تضمین می‌کند در اتم کربن رزونانسی در سطح مناسب وجود داشته باشد تا بتواند تولید کربن را کارآمد نماید؛ در حالی که نباید هیچ رزونانسی در هیچ سطحی در اتم اکسیژن وجود داشته باشد تا تمام کربن را به اکسیژن تبدیل کند. در این‌جا ذکر دوباره‌ی توضیح هویل مفید است؛ زمانی که او این را کشف کرد چنین گفت: «هوشی برتر، همچون شیمی و زیست‌شناسی، در فیزیک نیز دخالت کرده است و هیچ نیروی کوری در طبیعت وجود ندارد که بتوان درباره‌‌ی آن سخن گفت». این گفته‌ی هویل بسیار مهم است؛ زیرا او کسی است که پیش از آن دین را به عنوان «توهمی در زندگی خود» توصیف کرده بود.

6. ثابت کیهان‌شناختی

احتمالا برجسته‌ترین مسئله در کیهان‌شناسی تنظیم ترکیب ثابت کیهان‌شناختی، Λ است. جایزه‌ی نوبل ۲۰۱۱ به دو تیم از ستاره‌شناسان که کشف کردند Λ مثبت است، اهدا شد. در واقع، نیمی از آن به سال پرلموتر[۱۶] از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی[۱۷] در کالیفرنیا و نیمی دیگر به برایان اشمیت[۱۸] از دانشگاه ملی استرلیا[۱۹] و آدام ریس[۲۰] از دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور[۲۱] رسید. نتیجه‌ی این کشف آن است که اینشتین در رد کردن Λ بر اساس مبانی زیبایی‌شناختی اشتباه می‌کرد و لمیتر[۲۲] در پذیرش آن درست می‌گفت.

مسئله‌ای که این مشاهده ایجاد می‌کند آن است که مقدار مشاهده شده‌ی Λ بسیار کوچک است. فیزیکدان‌ها فکر می‌کنند می‌دانند Λ از کجا ناشی می‌شود. همان‌گونه که دیدیم، در نظریه‌ی کوانتومی، خلا خالی نیست؛ بلکه جایی برای فعالیت نوسانیِ مداوم و دارای انرژی است. عقیده بر این است که Λ انرژی خلا باشد که «انرژی تاریک» نام گرفته است. آن‌چه قابل تاسف است، این است که وقتی Λ محاسبه می‌شود، مقداری می‌دهد که  برابر مقداری است که با مشاهده‌ها سازگار است. اگر Λ واقعا مقدار محاسبه‌شده را می‌گرفت اجزای بدن شما تکه‌تکه و به مرزهای جهان پرتاب می‌شد (شکل ۵.۱). (البته اگر چنین می‌بود هیچ کهکشان و ستاره‌ای -چه برسد به شما- نمی‌توانست در گام نخست به وجود آید!) یک راه برای حل این مسئله آن است که بگوییم باید برای Λ مولفه‌ی دیگری (مولفه‌ی «اینشتین») که دقیقا انرژی خلا را خنثی کند و با مولفه‌ی انرژی خلا در ۱۲۰ رقم اول آن یکسان باشد، وجود داشته باشد. این حقیقتا مثالی گیج‌کننده از تنظیم دقیق است.

شکل ۵.۱:  اگر ثابت ‌کیهان‌شناختی مقدار محاسبه‌شده را می‌گرفت، عواقب آن مخرب می‌بود.

7. آنتروپی اولیه‌‌ی جهان

سر راجر پنروز[۲۳]، استاد ریاضی در آکسفورد و کیهان‌شناس برجسته، اندازه‌‌ی نظم موجود در آغاز جهان را بررسی کرده است. نظم با کمیتی به نام آنتروپی اندازه‌گیری می‌شود و هم‌زمان با نامنظم‌ترشدن سیستم‌ها به مرور زمان، آنتروپی افزایش می‌یابد. این «قانون دوم ترمودینامیک» است و به محور آشنای زمان مربوط است. اگر من فنجان قهوه‌ی خود را از روی میز پرت کنم، فنجان تکه‌تکه و قهوه سرد خواهد شد و در فرش نفوذ خواهد کرد. خرده‌ریزهای چینی و قهوه‌ی سرد نفوذکرده به شکلی معجزه‌آسا دوباره با هم جمع نمی‌شوند و دیگر به عنوان فنجان‌های قهوه‌ی داغ نخستین روی میز قرار نمی‌گیرند. اگر شما چنین دنباله‌ای را روی صفحه‌ی تلویزیون خود ببینید، فورا می‌فهمید یا در دنیای هری‌پاتر هستید یا این‌که کسی فیلم را برعکس اجرا می‌کند. «محور زمان» واقعی در جهت افزایش بی‌نظمی است.

پنروز مطلب را این‌گونه مرتبط با آنتروپی جهان می‌داند. او می‌گوید خالق، به تعداد  گزینه‌ی ممکن برای جهان داشته است که تنها یکی از آن‌ها نظمی را که جهان ما دارد، داشته است. حواس‌تان باشد که  برابر است با ۱ با ۱۲۳ صفر جلوی آن و  برابر است با ۱ با  صفر جلوی آن! این نظمی است که مورد نیاز است تا کیهانی را با تمام کهکشان‌ها، ستارگان و سیارات جهان ما ایجاد کند؛ به نظر می‌رسد این شگفت‌انگیزترین تنظیم دقیق باشد؛ زیرا براساس گفته‌ی پنروز، اگر کسی بخواهد این عدد را به‌طور کامل بنویسد، بیش از تعداد اتم‌های جهان به صفر نیاز دارد؛ زیرا در تمام جهان مشاهده‌پذیر تنها  اتم وجود دارد. در این داستان، نقطه‌ی عطفی وجود دارد که آن را حتی قابل توجه‌تر و فوق‌العاده مسئله‌ساز برای تبیین چندجهانی از تنظیم دقیق می‌کند. اما ملاحظات مربوط به آن باید تا فصل ۸ به تاخیر افتد.

8. چندبُعدی بودن فضا

ما در جهانی با سه بعد مکان و یک بعد زمان سکونت داریم. ممکن است حتی این‌که درباره‌ی این صحبت کنیم که آیا تعداد ابعاد جهان می‌توانست متفاوت باشد، عجیب به نظر برسد. همچنین، ممکن است چندبعدی بودن را ثابت «فیزیکی» نام نهیم. اما ریاضی‌دانان با خرسندی با فضاهای چندبعدی بازی می‌کنند و حتی برخی نظریات فیزیکی اکنون بیش از سه بعد مکانی معمول را در خود جای می‌دهند.

در نظریه‌‌ی M، یعنی تعمیم نظریه‌‌ی ریسمان که استفان هاوکینگ[۲۴] از آن دفاع می‌کند، باور بر این است که ده بعد مکان و یک بعد زمانی وجود دارد که جمعا می‌شود یازده بعد. سپس، نسبتا به‌آسانی ادعا می‌شود همه‌‌ی ابعاد به جز سه بعد مکان و یک بعد زمان، خمیده‌اند («فشرده شده‌اند»)؛ طوری که بسیار بسیار ریز هستند و زیر هر آستانه‌‌ی مشاهده‌پذیری قرار می‌گیرند.

مشابه با سایر حالات تنظیم دقیق، نتیجه می‌شود حیات تنها می‌تواند در فضای سه بعدی (یا فضایی که سایر ابعاد در آن قابل چشم‌پوشی‌اند) وجود داشته باشد. همان‌طور که هم ریس و هم هاوکینگ اشاره می‌کنند، گوارش برای مخلوق [فرضی] دو بعدی، به این دلیل که لوله‌ی گوارش او آن حیوان را به دو قسمت تقسیم می‌کرد، نسبتا دشوار می‌بود![۸] امکان‌ها برای ساختار پیچیده، حتی در تنها یک بعد نیز به‌وضوح پیچیده‌تر می‌بود. علاوه بر این، تنها در سه بعد، قانون گرانش عکس مجذور وجود دارد و به نظر می‌رسد تنها قانونی باشد که مدارهای پایدار سیارات را پدید می‌آورد. برای مثال، در چهار بعد، قانون می‌بایست عکس مکعب می‌بود و این نمی‌توانست امکان منظومه‌ی شمسی‌ای پایدار را پدید آورد. در واقع، این واقعیت را کشیش ویلیام پیلی در رساله‌اش به نام الهیات طبیعی در سال ۱۸۰۲ به عنوان قرینه‌ای برای طراحی ارایه کرده است[۹].

پیلی، به‌طور خاص، برای تمثیل مشهورش درباره‌ی یافتن ساعتی روی زمینی بایر و استنتاج درباره‌ی این‌که طراحی شده است، مشهور است و همچنین، در مورد طراحی چشمِ بسیار پیچیده‌تری که ساعت را مشاهده می‌کند، استدلال کرده است. مشهور است که داروینیسم این نوع برهان مبتنی بر طراحی را که به ساختارهای منفرد درون طبیعت مربوط است، مورد غلبه قرار داده است که می‌تواند تبیین کند چنان ساختارهایی چه‌طور از طریق فرایند فرگشت پدید آمده‌اند. با این حال، برهان عام‌تری که مربوط به خود قوانین طبیعت است -قوانینی که نظم فعلی را پدید می‌آورند- تحت تاثیر داروینیسم قرار نمی‌گیرد. بنابراین، با درنظر گرفتن بخش دوم، این پرسش که «چرا سه بعد از مکان وجود دارد؟» یا «چرا سازوکار فشرده‌سازی وجود دارد که ابعاد بالاتر را به بخش‌های ریزتری تقسیم می‌کند؟» معتبر باقی می‌ماند.

شایان ذکر است، همین توضیحات در مورد قانون عکس مجذور جاذبه بین پروتون‌ها و الکترون‌ها در اتم برقرار است؛ بنابراین، به غیر از صورتی که فضا سه بعد می‌داشته، حتی اتم‌ها نمی‌توانستند پایدار باشند! بدیهی است اگر جهان بخواهد دربرگیرنده‌‌ی حیات باشد، سه بعد مکانی یک الزام اساسی هستند.

           ۹. اندازه‌‌ی چگالی نوسانات

جهان نیاز دارد توزیع جرم هموار و یکنواخت داشته باشد؛ اما نه بیش از حد یک‌نواخت (همگن). شکل‌گیری کهکشان بستگی به وجود اندکی تفاوت‌های چگالی در جهان منبسط‌شونده دارد؛ به‌گونه‌ای که فروپاشی گرانشی بتواند رخ دهد. اگر این «آشفتگی‌های چگالی» بسیار کم‌تر از ۱ قسمت در ۱۰^۵ در زمان بازترکیب باشد، زمانی که تعاملات میان ماده و تشعشع متوقف می‌شود، آنگاه آن‌ها برای تشکیل کهکشان‌ها تقویت نخواهند شد. اگر آن‌ها در این زمان بیش از اندازه بزرگ باشند (مثلا ۱ قسمت در ۱۰۰ یا بیش‌تر)، ناگهان به صورت سیاه‌چاله‌هایی در آمده و فرومی‌پاشند. در واقع ماهواره‌‌ی WMAP نشان می‌دهد مقدار اختلالات چگالی حدود ۱ در ۱۰^۵  است؛ طوری که شکل‌گیری کهکشان را دقیقا ممکن می‌سازد (با تشکر!). مانند چگالی کلی جرم-انرژی و نقش‌بستن ناهمگنی‌هایی با مقدار مناسب که ممکن است در نهایت بر حسب نظریه‌ا‌ی بنیادی‌تر قابل تبیین باشند؛ مثلا نظریه «تورم» به‌طور خاص. با این حال، این، باز هم مانند مورد چگالی متوسط، می‌تواند صرفا تنظیم دقیق شرایط اولیه‌‌ی جهان را به سوی نظریه‌ای که به‌طور فرضی در زمان‌های بسیار نخستین قابل کاربرد است، برگرداند.

           ۱۰. پیدایش ستارگانی از نوع مناسب

لازم است شدت نیروی گرانشی به‌شکلی نسبتا خاص، به شدت نیروی الکترومغناطیسی مربوط باشد و تغییر هر یک از این نیروها به اندازه‌ای کوچک، می‌تواند عواقب ناگواری روی نسبت این دو نیرو داشته باشد. پیامد عملی محدودیت دشواری بر انواع ستارگانی که می‌توانند پدید آیند، خواهد بود. اگر گرانش اندکی قوی‌تر یا الکترومغناطیس اندکی ضعیف‌تر می‌بود، تمام ستارگان، غول‌های آبی‌ای  می‌بودند که اساسا بزرگ‌تر از خورشید و بسیار داغ‌تر از آن بودند. اگر شرایط بر عکس بود و گرانش اندکی ضعیف‌تر یا الکترومغناطیس اندکی قوی‌تر بود، تمام ستارگان کوتوله‌های قرمزی بودند که اشیائی کوچک و سرد براساس معیارهای اختری بودند. اینک، اغلب ستارگان همانند خورشید ما هستند و میان این دو حد قرار می‌گیرند.

این‌که کوتوله‌های قرمز می‌توانستند حرارت کافی برای ایجاد حیات روی سیاره‌های خود تولید کنند، واضح نیست اما درهر حال آن‌ها هرگز، آن‌گونه که برای انتشار عناصر شیمیایی اجزای سازنده‌‌ی حیات لازم است، در ابرنواختر منفجر نمی‌شدند. از سوی دیگر، براندون کارتر[۲۵]، بنیان‌گذار اصطلاح «اصل آنتروپیک» حدس زده است ممکن نبوده ستارگان آبی که به جای آن‌که حرارت را هدایت کنند، مشعشع می‌شوند و با آهنگ شدیدی چرخش حول محور خود را حفظ می‌کنند، دارای سیارات مختص خود بوده باشند (به باور او برای شکل‌گیری سیاره‌ها، هدایت سطحی یک ستاره لازم است). در هر حال، آن‌ها عمر کوتاهی می‌داشته‌اند و بنابراین، برای آن‌که حیات در هر سیاره‌ای ایجاد شود، زمان بسیار کم‌تری وجود می‌داشته است. همان‌طور که دیویس اشاره می‌کند، آن‌چه واضح است این است که این تغییر کوچک باعث جهانی کاملا متفاوت خواهد شد.

           ۱۱. شدت گرانش

قیدی حتی دشوارتر روی نیروی گرانشی توسط فیلسوفی به نام رابین کالینز[۲۶] ذکر شده است؛  مارتین ریس[۲۷] ستاره‌شناس هم نکات مشابهی را بیان می‌کند. کالینز استدلال می‌کند احتمال این‌که حیات هوشمند بتواند پدید آید، بسیار بسیار کاهش می‌یافت اگر شدت گرانش بیش از ۳۰۰۰ برابر مقدار واقعی آن در جهان کنونی ما می‌بود. در مقابل، دامنه‌ای که اجازه می‌دهد اساسا جهانی وجود داشته باشد، چیزی بین ۰ تا ۱۰۴۰ برابر مقدار واقعی است (این دومی شدت گرانش را با شدت نیروی هسته‌ای قوی، یعنی قوی‌ترین نیروی چهار نیروی طبیعت، برابر می‌سازد). افزایش در شدت گرانش با ضریب یک ملیارد، دلالت بر این دارد که هر حیوان موجود در خشکی که هم‌اندازه‌‌ی انسان است، از هم می‌پاشد؛ حتی پشه‌ها باید پاهایی ضخیم می‌داشتند تا بتوانند زنده بمانند و هیچ حیوانی نمی‌توانست رشدی داشته باشد. برای جبران این امر، با کاهش اندازه‌ی سیاره با این هدف که گرانش سیاره تنها ۱۰۰۰ برابر زمین باشد –صرفا به‌طور مرزی تا امکان ارگانیسم‌هایی با اندازه‌‌ی مغز قابل مقایسه با مغز ما فراهم شود– دلالت می‌کند بر قطر سیاره‌ای در حدود ۴۰ فوت که مطلقا برای حفظ محیط بوم‌شناختی کافی نمی‌بود. اگر گرانش ۳۰۰۰ برابر می‌شد، سیاره‌ها نمی‌توانستند بیش از یک ملیارد سال که زمان ناکافی‌ای برای پدید آمدن حیات هوشمند است، عمر کنند. با تقسیم ۳۰۰۰ بر بیشینه‌‌ی مقدار ممکن یعنی ۱۰۴۰، احتمال کوچک  ۳ × ۱۰^−۳۷ برای تنظیم دقیق گرانش به دست می‌آید.

           ۱۲. مازاد ماده نسبت به پادماده

جهان در آغازین‌ترین زمان خود، از مازاد بسیار کوچک ذرات ماده (مانند پروتون، نوترون و الکترون) نسبت به ذرات پادماده‌‌ی متناظر آن‌ها (مانند آنتی‌پروتون، آنتی‌نوترون و پوزیترون) برخوردار بود. این مازاد به میزان ۱ ذره در ۱۰۹ می‌رسید. ذرات مادی و پادماده‌‌ی آن‌ها دارای بار مثبت هستند و نابود می‌شوند تا فوتون‌ها تشعشع ایجاد کنند. برای خواننده‌‌ی گیج‌شده، باید گفت نوترون دارای بار خالص نیست اما از سه ذره‌‌ی سازنده‌‌ی باردار به نام «کوارک» ساخته می‌شود که بار کل آن‌ها برابر با صفر است؛ آنتی‌نوترون از سه آنتی‌کوارک باردار متناظر تشکیل می‌شود. پروتون‌ها نیز از سه کوارک تشکیل می‌شوند، اما بار مجموع آن‌ها مثبت است.

مسئله این است که اگر جهان، ذرات ماده و پادماده را به تعداد مساوی می‌داشت، در پی تخریب، به مقدار کافی‌ ماده باقی نمی‌ماند تا کهکشان ها را شکل دهد و فرایند تکامل کیهانی –کهکشان‌ها، ستارگان، سیاره‌ها، حیات– حتی آغاز نمی‌شد؛ در حالی که ممکن است نظریه‌ا‌ی بنیادی‌تر در آغازین‌ترین دوره (نظریه‌ی یک‌پارچه‌‌ی بزرگ) در نهایت بتواند نشان دهد چه‌گونه این عدم توازن بین ماده و پادماده پدید می‌آید. باز هم برای بار چندم می‌گویم تمام‌ این‌ها ممکن است مسئله را یک مرحله به عقب براند؛ یعنی از مازاد تنظیم دقیق شده‌‌ی ماده نسبت به پادماده به نظریه‌ای که عدم توازن را ایجاد می‌کند.

به باور من، شمار زیادی از این مثال‌های تنظیم دقیق وجود دارد و من فقط تعدادی از مهم‌ترین آن‌ها را ذکر کرده‌ام. جان لسلی در کتاب کوچک و عالی خود، به نام جهان‌ها، تعداد بسیار بیش‌تری را برمی‌شمارد که برای افراد این تعجب را برمی‌انگیزد که آیا ممکن نیست تعداد قیودْ بیش‌تر از تعداد ثابت‌ها باشد و بنابراین، این مطلب را که هر مجموعه‌ای از پارامترهای مساعد برای حیات اساسا موجود باشد، نسبتا قابل توجه نشان می‌دهد.

آلیستر مک‌گراث نیز تعدادی از خواص آنتروپیک را که با توسعه‌‌ی حیات به میان می‌آیند، ذکر کرده است. یکی از مثال‌های مهم می‌تواند خواص شیمیایی قابل توجه آب باشد. برای مثال، این واقعیت که یخ روی آب شناور می‌شود به معنای آن است که معمولا در محیط‌های سرد، آب مایع زیر آب جامد قرار می‌گیرد. بنابراین، ماهی می‌تواند زنده بماند؛ حتی زمانی که سطح دریاچه یخ بسته است. آب، همچنین دارای خواص حلال‌بودن است که از آن‌جا که بسیاری از واکنش‌های بیوشیمیایی تنها در محلول‌ها رخ می‌دهند، این خواص برای حیات ضروری است.

جهان خودش نیاز به این تبیین دارد که آیا حادث بوده است یا نه و چنان‌که به نظر می‌رسد حادث است و مشاهده کردیم چه‌گونه آن مسئله‌ای خاص برای خداناباوری ایجاد می‌کند. ظاهرا چنین به نظر می‌رسد که چیزی درباره‌‌ی تنظیم دقیق در کار است و گویی این نیز نیازمند تبیین است. پل دیویس کیهان‌شناس این مطلب را چنین بیان می‌کند: «همانند شوربا در داستان گلدی‌لاکس و سه خرس؛ از راه‌های جذاب بسیاری به نظر می‌رسد جهان «دقیقا مناسب» حیات باشد».

 شکل ۵.۲ : شوربای بچه‌خرس «دقیقا» مناسب بود.

دیویس معتقد است که تبیینی نیاز است. اما این چیزی است که برخی فیزیک‌دانان و فیلسوفان دیگر انکار کرده‌اند.

 

 

یادداشت‌ها:

۱. Sir James Jeans, The Mysterious Universe (Cambridge: Cambridge

۲. John D. Barrow and Frank J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle (Oxford: Oxford University Press, 1986) ,16

۳ . Barrow and Tipler, Anthropic Cosmological Principle, ۲۱.

۴ . برای بحث فنی‌تر بنگرید به:

Rodney D. Holder, God, the Multiverse, and Everything: Modern Cosmology and the Argument from Design (Aldershot and Burlington, VT: Ashgate, 2004), 33–۳۹.

۵. D. J. Raine and E. G. Thomas, An Introduction to the Science of Cosmology (Bristol: Institute of Physics Publishing, 2001), 136

۶ .   Barrow and Tipler, Anthropic Cosmological Principle, ۳۸۴–۸۵

۷ . Barrow and Tipler, Anthropic Cosmological Principle, ۳۸۴–۸۵.

۸ . Rees, Just Six Numbers: The Deep Forces that Shape the Universe

۹ . William Paley, Natural Theology, or Evidence of the Existence and Attributes of the Deity, Collected from the Appearances of Nature (Oxford:Oxford University Press, 2006 [1802])

 

 

منبع:

Rodney D. Holder, Big Bang, Big God: a Universe Designed for Life?, Lion Hudson, 2013, chapter 5

 

 

[۱] anthropic

[۲] biophilic principle

[۳] tautology

[۴] John Barrow

[۵] Frank Tipler

[۶] weak anthropic principle (WAP)

[۷] Fred Hoyle

[۸] John Wheeler

[۹] Paul Davies

[۱۰] participatory anthropic principle

[۱۱] Dark Matter

[۱۲] Bernard Carr

[۱۳] Carr, “Lemaître’s Prescience”, ۱۵۳.

[۱۴] Barrow and Tipler, Anthropic Cosmological Principle, ۳۰۵, citing Regge.T.

[۱۵] Hoyle

[۱۶] Saul Perlmutter

[۱۷] Lawrence Berkeley National Laboratory

[۱۸] Brian Schmidt

[۱۹] Australian National University

[۲۰] Adam Riess

[۲۱] Johns Hopkins University, Baltimore

[۲۲] Lemaître

[۲۳] Roger Penrose

[۲۴] Stephen Hawking

[۲۵] Brandon Carter

[۲۶] Robin Collins

[۲۷] Martin Rees