معمای گلدی‌لاکس
رادنی هولدر/ ترجمه: امیرمسعود جهان‌بین

حیات در جهان وجود دارد، تنها به این خاطر که اتم کربن خواصی استثنایی و معین دارد.

سر جیمز جینز[۱] (۱۹۳۰) ]۱[

خاص‌بودن مه‌بانگ: تنظیم دقیق کیهانی

در فصل نخست و فصل دوم 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 خاص‌بودن به دو قلمرو مربوط است:

۱- لازم است اندکی پس از ‌مه‌بانگ شرایطی که دقیقا مربوط به آغاز است، با درجه‌ی بسیار بالایی از دقت برقرار شده باشد تا در جهان حیات پدید آید.

۲- 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 که فرایندهای کلیدی فیزیکی چه­گونه در مراحل گوناگون تکامل جهان پیش بروند. در ادبیات مربوطه، اصطلاح «اصل آنتروپیک/انسانی»[۲] بسیار به کار می‌رود تا بیانگر قیود قوانین 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 با آنکه واژه­ی «آنتروپیک» از واژه‌‌ی یونانی «آنتروپوس» (ἄνθρωπος) به معنای «انسان» برگرفته 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، اصطلاح «اصل بیوفیلیک»[۳] به معنای «اصل دوست­دار حیات» را نسبت به «اصل آنتروپیک» ترجیح می‌دهد. با این حال، اصطلاح اخیر باقی مانده است و من با ملاحظات مناسب به استفاده از آن، یا دست‌کم واژه‌ی «آنتروپیک»، ادامه خواهم داد.

دلیل دوم برای دغدغه‌‌داشتن درباره‌ی واژه‌شناسی «اصل آنتروپیک»، ابهام آن است. چندین نسخه از این اصل وجود دارد؛ به‌گونه‌ای که این واژه می‌تواند هر معنایی از همان‌گویی[۴] ملایم تا ادعای متافیزیکی بسیار ظنّی و مشکوک را داشته باشد. جان بارو و فرانک تیپلر «اصل آنتروپیک ضعیف»[۵] را در کتاب کلاسیک‌شان درباره‌‌ی این موضوع، به‌صورت زیر به کار برده­اند:

          مقادیر مشاهده‌شده‌‌ی همه‌ی کمیت‌های فیزیکی و کیهان‌شناختی به یک اندازه 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 به ­اندازه‌‌ی کافی مسن باشد تا به چنان مرحله‌ای رسیده باشد[۲].

این امر اساسا به این معنا است که ما تنها آن دسته از ثابت‌های فیزیکی و کمیت‌های ‌کیهان‌شناختی‌ را می‌توانیم 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 مقادیری را به خود بگیرند که وجود ما را ممکن می‌سازند؟»

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 در آن‌ها پارامترهای فیزیکی مقادیر متفاوتی بگیرند و حیات مبتنی بر کربن نتواند در آن‌ها وجود داشته باشد. در حقیقت WAP معمولا این­طور تفسیر می‌شود که در واقع چنان جهان‌هایی یا چنان مناطقی از جهان وجود دارند و اندازه‌گیری‌های ما صرفا نتیجه‌‌ی «اثر انتخاب مشاهده‌گر»[۶] هستند؛ به این معنا که ما نمی‌توانستیم مقادیر جای‌گزین را اندازه بگیریم. در فصل هشتم با جزییات بیش‌تری به این نکته‌‌ی مهم بازخواهم گشت.

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

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

اگر کسی به ظاهر این عبارت توجه کند، موجه‌یافتن آن بسیار دشوار است. به‌طور پیشینی، چرا جهان نتواند بدون حیات باشد؟ آیا جهان‌هایی با پارامترهای متفاوت با 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 کوانتوم است که در بحث‌ هاوکینگ و ملودینو در فصل چهارم به آن پرداخته و دیده‌ایم که فرد هویل، جان ویلر و پل دیویس در بسیاری مواقع بیان‌هایی گوناگون از آن را پذیرفته­اند. آنگاه SAP به چیزی تغییر شکل می‌دهد که بارو و تیپلر آن را «اصل آنتروپیک مشارکتی»[۷] (PAP) می‌نامند و ما اخیرا دیده‌ایم این ایده هم متناقض‌نما و هم غیر ضروری است.

دوازده مثال از تنظیم دقیق کیهانی[۴]

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

۱- چگالی متوسط ماده-انرژی در جهان

چگالی متوسط ماده-انرژی در جهان باید دقیق باشد تا حیات در آن شکل گیرد. در فصل نخست دیدیم که سه رژیم برای انحنای فضا-زمان وجود دارد: مثبت، منفی و صفر (مسطح) که وابسته به چگالی متوسط است و مقداری بحرانی برای چگالی متوسط وجود دارد که بالاتر از آن، جهان انحنای مثبت می‌یابد و کم‌تر از آن انحنای منفی دارد و در مقدارِ 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 در فصل نخست بیان کردم، کیهان­شناسان پارامتر امگا (Ω) را این‌طور 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 Ω_۰ نشان داده می‌شود با دقت قابل توجهی تخمین زده شده است. این تخمین به کمک مشاهداتی از طریق ماهواره‌‌ی WMAP و ماهواره­ی جدیدتر پلانک انجام شده است. مولفه‌‌ی تشعشع Ω_۰ قابل چشم‌پوشی است، سهم مربوط به ماده در حدود ۰.۳۲ است و سهم مربوط به ثابت کیهان‌شناختی که می‌توان آن را هم‌ارز نوعی چگالی دانست در حدود ۰.۶۸ است. بنابراین، مقدار سرجمع بسیار نزدیک به ۱ است.

مولفه‌‌ی تشعشع در جهان نخستین می‌توانسته تا نقطه‌‌ی تلاقی غالب باشد. در این نقطه دو چگالی به مقدار یک‌سانی کاهش یافته‌اند. این زمانی بوده که جهان پنجاه‌هزار 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 که از مولفه‌‌ی مربوط به ماده، سهم ماده­ی معمولی از Ω_۰ تنها ۰.۰۵ است و ۰.۲۷ باقی­مانده را «ماده­ی تاریک»[۸] رازآلود به خود اختصاص می‌دهد. ما می‌دانیم ماده‌‌ی تاریک وجود دارد؛ زیرا گرانش نمی­تواند به­تنهایی و بدون ماده‌‌ی تاریک مانع پراکنده­شدن کهکشان­ها شود. اما 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 به‌طور شگفت‌انگیزی مشهور است. برای آن‌که چندصد هزار سالِ بعد کهکشان‌ها شکل بگیرند، لازم است 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 و 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 هم‌ارزِ دقتی شگفت‌آورتر است. البته دانش فیزیک استواری بسیار کم‌تری دارد. اما فرض کنید ما مدل‌های خود را به­شکلی سرراست به ابتدایی‌ترین نقطه‌ای که می‌توانیم درباره‌‌ی آن سخن بگوییم معطوف کنیم؛ یعنی  ثانیه پس از مبدا که همچنان برای آن یک نظریه­ی گرانش کوانتومی ناشناخته­ 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 نشانه‌رفتن تفنگی به سکه‌ای در فاصله‌‌ی ۱۳ میلیارد سال نوری در آن سوی جهان و به هدف‌زدن، لازم است.

نماد علمی

ممکن است خوانندگان با نمادهای علمی ریاضیات مدرسه آشنا باشند؛ برای مثال x^۲ به معنای x ضرب در خودش است. xⁿ به معنای nبار ضرب x در خودش است، یعنی x × x × x … × x با ‌nتا x در محاسبه. x⁻ⁿ یعنی ۱ تقسیم بر xⁿ. این روش راهی مناسب برای بیان اعداد بزرگ به عنوان توان‌های ۱۰ و اعداد کوچک به عنوان توان منفی ۱۰ را فراهم می‌کند. بنابراین، همان‌طور که در متن اشاره شده است، ۱۰^۱۵ برابر است با ۱،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰ (۱ با ۱۵ صفر پس از آن) و ^۱۵-۱۰ برابر است با عدد ۱ تقسیم بر‌ ۱،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰،۰۰۰؛ یعنی ۰،۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ (با ۱۴ صفر).

ممکن است نزدیکی Ω به ۱ بر حسب نظریه­ا‌ی بنیادی‌تر که در زمان‌های ابتدایی‌تر عمل می‌کرده، قابل تبیین باشد؛ یعنی نظریه‌‌ی محبوب «تورم». ما تورم را با اندکی جزییات بیش‌تر در فصل هفتم بررسی خواهیم کرد. با این حال، این صرفا می‌تواند خاص‌بودن شرایط اولیه را به سوی نظریه‌ای که آن شرایط را در زمان‌های بسیار نخستین ایجاد کرده، سوق دهد. نکته‌ای که آن را در فصل ششم بررسی خواهیم کرد.

۲- اندازه‌‌ی جهان

با توجه به مطالب بالا و برخلاف 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 میلیارد سالی که زمان می‌برد تا نوع انسانی تکامل یابد، به آن می‌رسد. در ساده‌ترین مدل ‌کیهان‌شناختی، یعنی جهان مسطح با ثابت ‌کیهان‌شناختی صفر (که از میزان دقت کافی برای هدف کنونی برخوردار است)،‌ اندازه، جرم و سن جهان مشاهده‌پذیر با فرمولی ساده به هم مرتبط می‌شوند. جهانی منبسط­شونده با جرم یک کهکشان، ماده­ی کافی دارد تا ۱۰۰ میلیارد ستاره­ی مانند خورشید را بسازد. اما چنان جهانی تنها به مدت یک ماه انبساط یافته است، به‌طوری که در واقع هیچ ستاره‌ای 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 جهان چنان عظیم باشد امکان پیدایش ما وجود دارد.

۳- تولید هلیوم در ‌مه‌بانگ

یکی از مهم­ترین عناصر ضروری برای حیات -به­طور مشخص، حیات به‌گونه‌ای که ما می‌شناسیم- هیدروژن است؛ «فقدان هیدروژن» به معنای نبود آب و نبود هرگونه حیات است. در فصل دوم دیدیم که چه­گونه در ‌مه‌بانگ هلیوم از هیدروژن تولید شد. اگر نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی عهده‌دار تخریب رادیواکتیو، ظاهرا به‌طور تصادفی، به­شکلی نسبتا خاص به نیروی گرانشی مرتبط نبود، آنگاه یا تمام هیدروژن در سه دقیقه­ی نخست مه‌بانگ به هلیوم تبدیل می‌شد یا هیچ مقداری از آن تبدیل نمی‌شد. نتیجه‌ی حالت نخست با نیروی ضعیف به اندازه‌ای کم‌تر، فقدان هرگونه آب یا حیات در هر مرحله‌ی بعدی از تاریخچه‌‌ی جهان بود. برنارد کار[۹]. افزون بر این، این شرط که ستارگان عظیم به­صورت ابرنواخترها منفجر شوند تا عناصر شیمیایی تولیدی خود را آزاد کنند، رابطه‌ی بین نیروی ضعیف و گرانش را در هر دو جهت محدود می‌کند.

۴- نسبت جرم پروتون-الکترون

جرم پروتون باید تقریبا‌ ۱۸۳۷ برابر جرم الکترون باشد، که چنین هم هست، تا عناصر شیمیایی مورد نظر ساخته شوند و پایدار بمانند، مشخصا برای مولکول‌های پیچیده‌ای مانند DNA که اجزای سازنده‌ی حیات هستند[۱۰].

۵- رزونانس (تشدید) هویل

یکی از مشهورترین مثال‌های تنظیم دقیق چیزی است که فرد هویل کشف کرد که درباره‌ی آن در فصل دوم بحث کردم. برای آن‌که کربن و اکسیژن درون ستارگان شکل بگیرند، باید نسبت دوتا 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 کند؛ در حالی که نباید هیچ رزونانسی در هیچ سطحی در اتم اکسیژن وجود داشته باشد که تمام کربن را به اکسیژن تبدیل کند. در این­جا ذکر دوباره­ی توضیح هویل مفید است؛ وقتی 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.

۶- ثابت کیهان‌شناختی

احتمالا برجسته‌ترین مسئله در کیهان‌شناسی تنظیم ترکیب ثابت کیهان‌شناختی، Λ، است. همان‌طور که در فصل نخست گفته شد،‌ جایزه­ی نوبل ۲۰۱۱ به دو تیم از ستاره‌شناسان که کشف کردند Λ مثبت است، اهدا شد. در واقع نیمی از آن به سال پرلموتر[۱۰] از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی[۱۱] در کالیفرنیا و نیمی دیگر به برایان اشمیت[۱۲] از دانشگاه ملی استرالیا[۱۳] و آدام ریس[۱۴] از دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور[۱۵] رسید. نتیجه­ی این کشف آن است که اینشتین در ردکردن Λ بر اساس مبانی زیبایی‌شناختی اشتباه می‌کرد و لومیتر در پذیرش آن درست می‌گفت.

مسئله‌ای که مشاهده‌ها ایجاد می‌کند آن است که مقدار مشاهده‌شده­ی Λ بسیار کوچک است. فیزیک‌دان‌ها فکر می‌کنند می‌دانند Λ از کجا ناشی می‌شود. همان‌گونه که دیده‌ایم، در نظریه­ی کوانتوم، خلا خالی نیست بلکه جایی برای فعالیت نوسانیِ مداوم و دارای انرژی است. عقیده بر این است که Λ انرژی خلا است که «انرژی تاریک» نام گرفته است. آن­چه قابل تاسف است این است که وقتی Λ محاسبه می‌شود، مقداری به دست 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 شماره‌ی ۱-۵) (البته اگر چنین ‌بود، هیچ کهکشان و ستاره‌ای -چه برسد به شما- نمی‌توانست در قدم اول 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 نخست آن یک‌سان باشد، وجود داشته باشد. این حقیقتا مثالی گیج‌کننده از تنظیم دقیق است.

شکل شماره‌ی ۱-۵: اگر ثابت ‌کیهان‌شناختی مقدار محاسبه‌شده را می‌گرفت، پیامدهای آن مخرب ‌بود.

۷- آنتروپی اولیه‌‌ی جهان

سر راجر پنروز، 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 به‌مرور 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 به‌شکلی معجزه‌آسا دوباره با هم جمع نمی‌شوند و دیگر به عنوان فنجان‌ قهوه‌ی داغ نخستین روی میز قرار نمی‌گیرند. اگر شما چنین دنباله‌ای را روی صفحه‌ی‌ تلویزیون خود ببینید، فورا می‌فهمید یا در دنیای هری ‌پاتر[۱۶] 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 «۱۰ به توان ۱۰ به توان ۱۲۳» گزینه‌ی ممکن برای جهان داشته که تنها یکی از آن‌ها نظمی را که جهان ما دارد، داشته است[۱۱]. حواس­تان باشد که ۱۰ به توان ۱۲۳ برابر است با ۱ با ۱۲۳ صفر جلو آن و «۱۰ به توان ۱۰ به توان ۱۲۳» برابر است با ۱ با ۱۰ به توان ۱۲۳ صفر جلو 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 -بر اساس 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 ۱۰ به توان ۸۰ 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 هشتم به تاخیر افتد.

۸- چندبعدی‌بودن فضا

ما در جهانی سکونت داریم با سه بعد مکان و یک بعد زمان. ممکن است حتی این‌که درباره­ی این صحبت کنیم که آیا تعداد ابعاد جهان می‌توانست متفاوت باشد، عجیب به نظر برسد. همچنین ممکن است چندبعدی‌بودن را ثابتی «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 از آن دفاع می‌کند، باور بر این است که ده بعد فضا و زمان در یک بعد دیگر تعبیه شده است 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 دیگر حالات تنظیم دقیق، نتیجه می‌شود حیات تنها می‌تواند در فضایی سه‌بعدی (یا فضایی که در آن ابعاد دیگر قابل چشم‌پوشی­اند) وجود داشته باشد. همان‌طور که ریس و هاوکینگ هر دو اشاره می‌کنند، گوارش برای مخلوق [فرضی] دوبعدی، به این دلیل که لوله­ی گوارش او آن حیوان را به دو قسمت تقسیم می‌کرد، نسبتا دشوار ‌بود![۱۲] امکان‌ها برای ساختار پیچیده حتی در تنها یک بعد نیز به­وضوح پیچیده‌تر ‌بود. افزون 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 یک منظومه‌ی شمسی پایدار را پدید آورد. در واقع سال ۱۸۰۲، کشیش ویلیام پیلی[۱۷] این واقعیت را در رساله­اش به نام الهیات طبیعی[۱۸] به عنوان قرینه‌ای برای طراحی ارایه کرده است[۱۳]. پیلی به­طور خاص برای تمثیل مشهورش درباره­ی یافتن یک ساعت روی زمینی بایر و استنتاج درباره­ی این‌که آن 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 بر این نوع برهان مبتنی بر طراحی که به هر طراحی ساختارهای منفرد درون طبیعت مربوط است و می‌تواند تبیین کند چنان ساختارهایی چه­طور از طریق فرایند فرگشت پدید آمده‌اند، غلبه کرده است. با این حال، برهان عام‌تری که مربوط به خود قوانین طبیعت است -قوانینی که نظم کنونی را پدید می‌آورند- تحت  تاثیر داروینیسم قرار نمی‌گیرد. بنابراین، با در نظر گرفتن این نوع اخیر از برهان‌ها، 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 که همین توضیحات در مورد قانون عکس مجذور جاذبه بین پروتون­ها و الکترون‌ها در اتم برقرار است؛ بنابراین، در  صورتی که فضا سه بعد نداشته باشد، حتی اتم‌ها نمی‌توانند پایدار باشند![۱۴]‌ بدیهی است اگر جهان بخواهد در بر گیرنده‌‌ی حیات باشد، سه بعد مکانی الزامی اساسی است.

۹- اندازه‌‌ی نوسانات چگالی

جهان نیاز دارد توزیع جرمِ 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، آن‌ها برای تشکیل کهکشان­ها تقویت نخواهند شد. اگر آن‌ها در این زمان بیش از اندازه بزرگ باشند (برای مثال، ۱ قسمت در ۱۰۰ یا بیش‌تر)، ناگهان به‌صورت سیاه‌چاله‌هایی درآمده و فرو می‌پاشند. در واقع ماهواره‌‌ی WMAP نشان می‌دهد مقدار آشفتگی‌های چگالی حدود ۱ در ۱۰^۵‌ است؛ طوری که شکل‌گیری کهکشان را دقیقا ممکن می‌کند (با تشکر!). همانند چگالی کلی جرم-انرژی، ممکن است نقش‌بستن ناهمگنی‌هایی با مقدار مناسب، نهایتا بر حسب نظریه‌ا‌ی بنیادی­تر قابل تبیین باشند؛ برای مثال، نظریه‌ی «تورم» به­طور خاص (به فصل هفتم بنگرید). 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 (برای اطلاعات بیش‌تر در مورد این نکته‌ی تکراری به فصل ششم مراجعه کنید)[۱۵].

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 پیامدهای ناگواری روی نسبت این دو نیرو داشته باشد[۱۶]. پیامد عملی محدودیت دشواری بر انواع ستارگانی که می‌توانند پدید آیند خواهد بود[۱۷]. اگر گرانش اندکی قوی‌تر یا الکترومغناطیس اندکی ضعیف‌تر ‌بود، تمام ستارگان غول‌هایی آبی­‌ ‌بودند که اساسا بزرگ‌تر از خورشید و بسیار داغ‌تر از آن هستند. اگر وضع برعکس بود و گرانش اندکی ضعیف‌تر یا الکترومغناطیس اندکی قوی‌تر بود، تمام ستارگان کوتوله‌هایی قرمز، اشیایی کوچک و سرد بر اساس 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 در هر حال، آن‌ها هرگز آن­گونه که برای انتشار عناصر شیمیایی اجزای سازنده‌‌ی حیات لازم است، در ابرنواختر منفجر نمی­شدند. از سوی دیگر، براندون کارتر[۱۹]، بنیان­گذار اصطلاح «اصل آنتروپیک»، حدس زده است که ممکن نبوده ستارگان آبی که به جای همرفت حرارت، آن را تشعشع می‌کنند و با آهنگ شدیدی چرخش حول محور خود را حفظ می‌کنند، دارای سیارات مختص خود بوده باشند (به باور او، برای شکل‌گیری سیاره­ها، همرفت سطحی یک ستاره لازم است). در هر حال، آن‌ها عمر کوتاهی می‌داشتند و بنابراین برای آن‌که حیات در هر سیاره‌ای ایجاد شود، زمان بسیار کم‌تری وجود می‌داشت. همان‌طور که دیویس اشاره می‌کند، آن­چه روشن است این است که این تغییر کوچک باعث جهانی کاملا متفاوت می‌شد[۱۸].

۱۱- شدت گرانش

قیدی حتی سخت‌تر روی نیروی گرانشی را فیلسوفی به نام رابین کالینز[۲۰] ذکر کرده است[۱۹]؛‌ مارتین ریس ستاره‌شناس هم نکات مشابهی را بیان می‌کند[۲۰]. کالینز استدلال می‌کند که اگر شدت گرانش بیش از ۳۰۰۰ برابر مقدار واقعی آن در جهان کنونی ما ‌بود، احتمال این‌که حیات هوشمند بتواند پدید آید بسیار بسیار کاهش می‌یافت. در مقابل، دامنه‌ای که اجازه می‌دهد اساسا جهانی وجود داشته باشد، چیزی بین ۰ تا ۱۰^۴۰ برابر مقدار واقعی است (این دومی شدت گرانش را با شدت نیروی هسته‌ای قوی، یعنی قوی‌ترین نیروی چهار نیروی طبیعت، برابر می‌کند). افزایش در شدت گرانش با ضریب یک‌میلیارد، دلالت بر این دارد که هر حیوان موجود در خشکی که هم­اندازه‌‌ی انسان است، از هم می‌پاشید؛ 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 سیاره در حدود ۴۰ فوت، که مطلقا برای حفظ محیط بوم‌شناختی کافی نبود. اگر گرانش ۳۰۰۰ برابر می‌شد، سیاره‌ها نمی‌توانستند بیش از یک‌میلیارد سال، که زمانی ناکافی­ برای پدیدآمدن حیات هوشمند است، عمر کنند. با تقسیم ۳۰۰۰ بر بیشینه‌‌ی مقدار ممکن، یعنی ۱۰^۴۰، احتمال کوچک‌ ۱۰^-۳۷×۳  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 ۱۰^۹ می­رسید. ذرات ماده و پادماده‌‌ی آن‌ها بار مخالف دارند و نابود می‌شوند تا فوتون‌های تشعشع ایجاد کنند (برای خوانندگانی که گیج ‌شده‌اند باید گفت که نوترون بار خالص ندارد 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 به تعداد مساوی ذرات ماده و پادماده ‌داشت، ماده‌ی کافی برای شکل‌گیری کهکشان‌ها در پی تخریب باقی نمی‌ماند و فرآیند تکامل کیهانی –کهکشان‌ها، ستارگان، سیاره‌ها و حیات– حتی آغاز نمی­شد. در حالی که ممکن است نظریه‌ا‌ی بنیادی‌تر در آغازین‌ترین دوره (نظریه­ی یک­پارچه‌‌ی بزرگ) نهایتا بتواند نشان دهد چه­گونه این عدم توازن بین ماده و پادماده پدید می‌آید، باز هم برای بار چندم می­گویم که ممکن است تمام­ این‌ها مسئله را یک مرحله به عقب براند؛ یعنی از مازاد تنظیم‌دقیق‌شده‌‌ی 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 تنها تعدادی از مهم‌ترین آن‌ها را ذکر کرده‌ام. جان لسلی[۲۱] در کتاب کوچک و عالی خود، جهان‌ها[۲۲]، تعداد بسیار بیش‌تری را برمی‌شمارد[۲۱] که برای افراد این پرسش را برمی­انگیزد که آیا ممکن نیست تعداد قیود 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 (نکته‌ای دیگر که در فصل ششم به آن بازخواهیم گشت).

آلیستر مک‌گراث[۲۳] نیز تعدادی از خواص آنتروپیک را که با توسعه‌‌ی حیات به میان می‌آیند، ذکر کرده است. مثالی 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 حتی زمانی که سطح دریاچه یخ بسته است زنده بماند. آب خواص حلال­بودن نیز دارد که چون بسیاری از واکنش‌های بیوشیمیایی تنها در محلول‌ها رخ می‌دهند، این خواص برای حیات ضروری است[۲۲].

در فصل پیش دیدیم که جهان خود نیاز به تبیین دارد، که آیا حادث (دارای آغاز زمانی) بوده است یا نه و اگر معلوم شود که حادث است، دیدیم که چه‌گونه 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 گولدی‌لاکس و سه خرس، از راه‌های جذاب بسیاری به نظر می‌رسد جهان «دقیقا مناسب» حیات باشد»[۲۳].

شکل شماره‌ی ۲-۵: شوربای بچه‌خرس «دقیقا» مناسب بود.

دیویس معتقد است که تبیینی نیاز است. اما این چیزی است که برخی فیزیک‌دانان و فیلسوفان دیگر انکار کرده‌اند. از این رو، در فصل بعدی پیش از این‌که به بررسی تبیین‌های ارایه‌شده بپردازیم، نخست بررسی می‌کنیم که آیا واقعا تبیینی برای تنظیم دقیق لازم است یا خیر.

یادداشت‌ها:

1. Sir James Jeans, The Mysterious Universe (Cambridge: Cambridge University Press, 1937 [1930]), 7.
2. John D. Barrow and Frank J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle (Oxford: Oxford University Press, 1986), 16.
3. Barrow and Tipler, Anthropic Cosmological Principle, 21.
4. For more technical discussion, see Rodney D. Holder, God, the Multiverse, and Everything: Modern Cosmology and the Argument from Design (Aldershot and Burlington, VT: Ashgate, 2004), 33–۳۹.
5. J. Raine and E. G. Thomas, An Introduction to the Science of Cosmology (Bristol: Institute of Physics Publishing, 2001), 136.
6. Barrow and Tipler, Anthropic Cosmological Principle, 384–۸۵.
7. Barrow and Tipler, Anthropic Cosmological Principle, 384–۸۵.
8. Bernard Carr, “Lemaître’s Prescience: The Beginning and End of the Cosmos”, in Georges Lemaître: Life, Science and Legacy, ed. Rodney D. Holder and Simon Mitton (Heidelberg: Springer, 2012), 145–۷۲ (۱۵۲).
9. Carr, “Lemaître’s Prescience”, ۱۵۳. The actual constraint is that the strength of the gravitational force is roughly equal to the strength of the weak nuclear force to the fourth power, i.e. to 10^−۴۰ in appropriate dimensionless units.
10. Barrow and Tipler, Anthropic Cosmological Principle, ۳۰۵, citing T. Regge.
11. Roger Penrose, The Emperor’s New Mind: Concerning Computers, Minds, and the Laws of Physics (Oxford: Oxford University Press, 1989),
12. Rees, Just Six Numbers: The Deep Forces that Shape the Universe (London: Weidenfeld and Nicolson, 1999), 136; Stephen Hawking, The Universe in a Nutshell (London: Bantam, 2001), 88.
13. 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]).
14. Quantitative expression was given to Paley’s insight by physicist Paul Ehrenfest in a famous paper published in 1917 entitled “In What Way Does It Become Manifest in the Fundamental Laws of Physics That Space Has Three Dimensions?” See Barrow and Tipler, Anthropic Cosmological Principle, ۲۶۰–۶۲. Ehrenfest included the extension to atoms and molecules, and was able to be more rigorous in view of the recent advent of quantum theory.
15. See, for example, Barrow and Tipler, Anthropic Cosmological Principle, 417; Alan Guth, The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins (London: Jonathan Cape, 1997), 217.
16. This relationship is α_G ≈ α^۱۲ (m_e/m_p)^۴ where α_G is the strength of the gravitational force and α that of the electromagnetic force, both in natural non-dimensional units; m_e is the mass of the electron and m_p is the mass of the proton. The left-hand side of this equation ≈ ۵.۹۰۶ × ۱۰^−۳۹ whereas the right-hand side ≈ ۲.۲ × ۱۰^−۳۹. See Paul Davies, The Accidental Universe (Cambridge: Cambridge University Press, 1982), 71–۷۳.
17. Davies, Accidental Universe, ۷۳; the original argument is due to Brandon Carter and is in Brandon Carter, “Large Number Coincidences and the Anthropic Principle in Cosmology”, in Confrontation of Cosmological Theory with Astronomical Data, ed. M. S. Longair (Dordrecht: Reidel, 1974), 291–۹۸ (۲۹۶–۹۸).
18. Davies, Accidental Universe, 73.
19. Robin Collins, “Evidence for Fine-Tuning”, in God and Design: The Teleological Argument and Modern Science, ed. Neil A. Manson (Abingdon: Routledge, 2003), 178–۹۹ (۱۸۹–۹۰).
20. Rees, Just Six Numbers, 30–۳۱.
21. John Leslie, Universes (London and New York: Routledge, 1989).
22. Alister E. McGrath, A Fine-Tuned Universe: The Quest for God in Science and Theology (Louisville, KY: Westminster John Knox Press, 2009), 145–۴۶.
23. Paul Davies, The Goldilocks Enigma: Why is the Universe Just Right for Life? (London: Allen Lane, 2006), 3.

[۱] Sir James Jeans

[۲] anthropic principle

[۳] biophilic principle

[۴] tautology

[۵] weak anthropic principle (WAP)

[۶] observer selection effect

[۷] participatory anthropic principle

[۸] Dark Matter

[۹] Bernard Carr

[۱۰] Saul Perlmutter

[۱۱] Lawrence Berkeley National Laboratory

[۱۲] Brian Schmidt

[۱۳] Australian National University

[۱۴] Adam Riess

[۱۵] Baltimore

[۱۶] Harry Potter

[۱۷] William Paley

[۱۸] Natural Theology

[۱۹] Brandon Carter

[۲۰] Robin Collins

[۲۱] John Leslie

[۲۲] Universes

[۲۳] Alister McGrath