چرا این جهان؟ یک محاسبه جدید نشان می دهد که کیهان ما معمولی است.

کیهان شناسان دهه ها تلاش کرده اند تا بفهمند چرا جهان ما اینقدر وانیلی است. نه تنها تا آنجایی که می بینیم صاف و مسطح است، بلکه با سرعتی بسیار آهسته در حال گسترش است، زمانی که محاسبات ساده لوحانه حاکی از آن است که - با خروج از بیگ بنگ - فضا باید توسط گرانش مچاله شده باشد و منفجر شده توسط انرژی تاریک دافعه.

برای توضیح مسطح بودن کیهان، فیزیکدانان یک فصل آغازین دراماتیک به تاریخ کیهان اضافه کرده‌اند: آنها پیشنهاد می‌کنند که فضا به سرعت مانند یک بالون در شروع انفجار بزرگ باد می‌کند و هر گونه انحنا را از بین می‌برد. و برای توضیح رشد ملایم فضا به دنبال آن طلسم اولیه تورم، برخی استدلال کرده اند که جهان ما تنها یکی از بسیاری از جهان های کمتر مهمان نواز در یک چندجهانی غول پیکر است.

اما اکنون، دو فیزیکدان، تفکر مرسوم در مورد جهان وانیلی ما را بر سر خود تغییر داده اند. به دنبال خط تحقیقاتی که توسط استیون هاوکینگ و گری گیبونز در سال 1977 آغاز شد، این دو نفر محاسبه جدیدی را منتشر کردند که نشان می‌دهد به جای نادر بودن، ساده بودن کیهان مورد انتظار است. جهان ما به این شکل است که هست نیل توروک از دانشگاه ادینبورگ و لاتام بویل از مؤسسه فیزیک نظری پیرامونی در واترلو، کانادا، به همان دلیلی که هوا به طور مساوی در یک اتاق پخش می شود: گزینه های عجیب تر قابل تصور هستند، اما بسیار غیرمحتمل.

کیهان "ممکن است به نظر بسیار دقیق، بسیار بعید به نظر برسد، اما [آنها] می گویند، "یک دقیقه صبر کنید، این جهان مورد علاقه است." توماس هرتوگ، کیهان شناس در دانشگاه کاتولیک لوون در بلژیک.

گفت: «این یک مشارکت جدید است که از روش‌های متفاوتی در مقایسه با آنچه بیشتر مردم انجام می‌دادند، استفاده می‌کند استفن جیلن، کیهان شناس دانشگاه شفیلد در بریتانیا.

نتیجه تحریک آمیز مبتنی بر یک ترفند ریاضی است که شامل تغییر ساعتی است که با اعداد خیالی تیک می زند. با استفاده از ساعت خیالی، همانطور که هاوکینگ در دهه 70 انجام داد، توروک و بویل توانستند کمیتی به نام آنتروپی را محاسبه کنند که به نظر می رسد با جهان ما مطابقت دارد. اما ترفند زمان خیالی یک روش دوربرگردان برای محاسبه آنتروپی است، و بدون روش دقیق تر، معنای کمیت به شدت مورد بحث است. در حالی که فیزیکدانان در مورد تفسیر صحیح محاسبه آنتروپی معما دارند، بسیاری آن را به عنوان یک راهنمای جدید در مسیر رسیدن به ماهیت بنیادی و کوانتومی فضا و زمان می دانند.

Gielen گفت: "به نحوی، این به ما دریچه ای برای دیدن ریزساختار فضا-زمان می دهد."

مسیرهای خیالی

توروک و بویل، همکاران مکرر، به ابداع ایده‌های خلاقانه و غیرمتعارف درباره کیهان‌شناسی مشهور هستند. سال گذشته، برای مطالعه میزان احتمالی جهان ما، آنها به تکنیکی روی آوردند که در دهه 1940 توسط فیزیکدان ریچارد فاینمن توسعه یافت.

با هدف گرفتن رفتار احتمالی ذرات، فاینمن تصور کرد که یک ذره تمام مسیرهای ممکن را که شروع به پایان را به هم مرتبط می‌کند، بررسی می‌کند: یک خط مستقیم، یک منحنی، یک حلقه، تا بی نهایت. او راهی ابداع کرد که به هر مسیر یک عدد مربوط به احتمال آن بدهد و همه اعداد را با هم جمع کند. این تکنیک «انتگرال مسیر» به چارچوبی قدرتمند برای پیش‌بینی نحوه رفتار هر سیستم کوانتومی تبدیل شد.

به محض اینکه فاینمن شروع به انتشار انتگرال مسیر کرد، فیزیکدانان ارتباط عجیبی با ترمودینامیک، علم ارجمند دما و انرژی پیدا کردند. این پل بین نظریه کوانتومی و ترمودینامیک بود که محاسبات توروک و بویل را ممکن کرد.

ترمودینامیک از قدرت آمار استفاده می کند به طوری که شما می توانید فقط از چند عدد برای توصیف سیستمی از بخش های مختلف استفاده کنید، مانند مولکول های گاجیلیون هوا که در یک اتاق می چرخند. برای مثال، دما – اساساً میانگین سرعت مولکول‌های هوا – حسی تقریبی از انرژی اتاق می‌دهد. ویژگی‌های کلی مانند دما و فشار، یک «ماکرو حالت» اتاق را توصیف می‌کنند.

اما یک دولت کلان یک حساب خام است. مولکول‌های هوا را می‌توان به روش‌های بسیار زیادی مرتب کرد که همگی با یک حالت بزرگ مطابقت دارند. یک اتم اکسیژن را کمی به سمت چپ تکان دهید و دما تکان نمی خورد. هر پیکربندی میکروسکوپی منحصربه‌فرد به عنوان یک ریز حالت شناخته می‌شود و تعداد ریز حالت‌های مربوط به یک ماکروحالت معین آنتروپی آن را تعیین می‌کند.

آنتروپی به فیزیکدانان روش دقیقی برای مقایسه شانس نتایج مختلف می دهد: هر چه آنتروپی یک کلان حالت بیشتر باشد، احتمال آن بیشتر است. روش‌های بسیار بیشتری برای چیدمان مولکول‌های هوا در کل اتاق نسبت به زمانی که مثلاً در گوشه‌ای جمع شده باشند، وجود دارد. در نتیجه، فرد انتظار دارد که مولکول های هوا پخش شوند (و پخش شوند). این حقیقت بدیهی که نتایج احتمالی محتمل هستند، به زبان فیزیک بیان شده است، به قانون دوم معروف ترمودینامیک تبدیل می شود: اینکه آنتروپی کل یک سیستم تمایل به رشد دارد.

شباهت به انتگرال مسیر غیرقابل انکار بود: در ترمودینامیک، شما تمام پیکربندی های ممکن یک سیستم را جمع می کنید. و با مسیر انتگرال، تمام مسیرهای ممکنی که یک سیستم می تواند طی کند را جمع آوری می کنید. فقط یک تمایز نسبتاً خیره کننده وجود دارد: ترمودینامیک به احتمالات می پردازد که اعداد مثبتی هستند که مستقیماً با هم جمع می شوند. اما در انتگرال مسیر، عدد اختصاص داده شده به هر مسیر پیچیده است، به این معنی که شامل عدد خیالی است. i، جذر −1. اعداد مختلط وقتی با هم جمع می شوند می توانند رشد یا کوچک شوند - به آنها اجازه می دهد ماهیت موج مانند ذرات کوانتومی را بگیرند که می توانند ترکیب شوند یا از بین بروند.

با این حال فیزیکدانان دریافتند که یک تبدیل ساده می تواند شما را از یک قلمرو به قلمرو دیگر ببرد. زمان را خیالی کنید (حرکتی که به نام فیزیکدان ایتالیایی جیان کارلو ویک به نام چرخش فیتیله شناخته می شود) و یک حرکت دوم i وارد مسیر انتگرال می شود که انتگرال اول را از بین می برد و اعداد خیالی را به احتمالات واقعی تبدیل می کند. متغیر زمان را با معکوس دما جایگزین کنید و یک معادله ترمودینامیکی شناخته شده بدست می آورید.

این ترفند ویک در سال 1977، در پایان یک سری گردباد از اکتشافات نظری در مورد فضا و زمان، منجر به یک یافته پرفروش توسط هاوکینگ و گیبون شد.

آنتروپی فضا-زمان

دهه‌ها قبل، نظریه نسبیت عام انیشتین نشان داده بود که فضا و زمان با هم یک بافت یکپارچه از واقعیت - فضا-زمان - را تشکیل می‌دهند و نیروی گرانش در واقع تمایل اجسام به دنبال کردن چین‌ها در فضا-زمان است. در شرایط شدید، فضا-زمان می تواند به اندازه کافی منحنی شود تا یک آلکاتراز اجتناب ناپذیر به نام سیاهچاله ایجاد کند.

در سال 1973، یاکوب بکنشتاین بدعت را پیش برد که سیاهچاله ها زندان های کیهانی ناقص هستند. او استدلال کرد که پرتگاه ها باید آنتروپی وعده های غذایی خود را جذب کنند، نه اینکه آنتروپی را از کیهان حذف کنند و قانون دوم ترمودینامیک را نقض کنند. اما اگر سیاهچاله ها آنتروپی داشته باشند، باید دما هم داشته باشند و گرما را ساطع کنند.

استیون هاوکینگ شکاک تلاش کرد تا ثابت کند بکنشتاین اشتباه می کند و محاسبه پیچیده ای از نحوه رفتار ذرات کوانتومی در فضا-زمان منحنی یک سیاهچاله آغاز کرد. در کمال تعجب او در سال 1974 یافت که سیاهچاله ها واقعاً تابش می کنند. یک محاسبه دیگر حدس بکنشتاین را تأیید کرد: یک سیاهچاله آنتروپی برابر با یک چهارم مساحت افق رویداد خود دارد - نقطه بدون بازگشت برای یک جسم در حال سقوط.

در سال های بعد، فیزیکدانان بریتانیایی گیبونز و مالکوم پری، و بعدها گیبون و هاوکینگ، وارد در نتیجه مشابه از جانب جهت دیگر. آنها یک مسیر انتگرال را تنظیم کردند، در اصل همه راه های مختلفی را که فضا-زمان ممکن است برای ایجاد یک سیاهچاله خم می شود، جمع آوری کنند. در مرحله بعد، آنها سیاهچاله را چرخاندند و جریان زمان را با اعداد خیالی مشخص کردند و شکل آن را به دقت بررسی کردند. آنها دریافتند که در جهت زمانی خیالی، سیاهچاله به صورت دوره ای به حالت اولیه خود باز می گردد. این تکرار شبه گراندهاگ در زمان خیالی به سیاهچاله نوعی سکون داد که به آنها اجازه داد دما و آنتروپی آن را محاسبه کنند.

اگر پاسخ‌ها دقیقاً با نتایج محاسبه شده توسط بکنشتاین و هاوکینگ مطابقت نداشتند، شاید به نتایج اعتماد نمی‌کردند. در پایان دهه، کار جمعی آن‌ها مفهوم شگفت‌انگیزی را به همراه داشت: آنتروپی سیاه‌چاله‌ها نشان می‌دهد که فضا-زمان خود از قطعات کوچک و قابل تنظیم مجدد درست می‌شود، درست مانند هوا از مولکول‌ها. و به طور معجزه آسایی، حتی بدون دانستن اینکه این "اتم های گرانشی" چیست، فیزیکدانان می توانند آرایش آنها را با مشاهده یک سیاهچاله در زمان خیالی بشمارند.

هرتوگ، دانشجوی سابق و همکار قدیمی هاوکینگ، گفت: «این نتیجه ای است که تأثیر عمیق و عمیقی بر هاوکینگ گذاشت. هاوکینگ بلافاصله به این فکر کرد که آیا چرخش ویک برای چیزی فراتر از سیاهچاله‌ها کار می‌کند یا خیر. هرتوگ می‌گوید: «اگر این هندسه ویژگی کوانتومی یک سیاه‌چاله را نشان می‌دهد، پس انجام همین کار با ویژگی‌های کیهانی کل جهان غیرقابل مقاومت است.»

شمارش همه جهان های ممکن

بلافاصله، هاوکینگ و گیبون ویک یکی از ساده‌ترین جهان‌های قابل تصور را چرخانده‌اند - جهانی که چیزی جز انرژی تاریکی که در خود فضا ساخته شده است، نیست. این جهان خالی و در حال انبساط که فضا-زمان «د سیتر» نامیده می‌شود، افقی دارد که فراتر از آن فضا چنان سریع منبسط می‌شود که هیچ سیگنالی از آنجا هرگز به ناظری در مرکز فضا نمی‌رسد. در سال 1977، گیبونز و هاوکینگ محاسبه کردند که مانند یک سیاهچاله، یک جهان دسیتر نیز دارای آنتروپی برابر با یک چهارم مساحت افق خود است. باز هم به نظر می رسید فضا-زمان دارای تعداد قابل شمارش ریز حالت است.

اما آنتروپی جهان واقعی یک سوال باز باقی ماند. جهان ما خالی نیست. پر از نور تابشی و جریان هایی از کهکشان ها و ماده تاریک است. نور باعث انبساط سریع فضا در دوران جوانی کیهان شد، سپس جاذبه گرانشی ماده باعث شد که در دوران نوجوانی کیهانی خزیدن اشیا را کند کرد. اکنون به نظر می رسد که انرژی تاریک تسخیر شده است، و باعث ایجاد یک انبساط فراری شده است. هرتوگ می‌گوید: «این تاریخچه توسعه یک سفر پردست‌انداز است. "دستیابی به یک راه حل صریح چندان آسان نیست."

در طول یک سال گذشته یا بیشتر، بویل و توروک چنین راه حل صریحی را ساخته اند. اول، در ژانویه، در حالی که بازی با کیهان شناسی اسباب بازی، آنها متوجه شدم افزودن تشعشعات به فضا-زمان دی سیتر، سادگی لازم برای چرخش جهان را از بین نبرد.

سپس در طول تابستان آنها متوجه شدند که این تکنیک حتی در برابر گنجاندن نامرتب ماده نیز مقاومت می کند. منحنی ریاضی که تاریخچه انبساط پیچیده‌تر را توصیف می‌کند همچنان در گروه خاصی از توابع آسان قرار می‌گیرد و دنیای ترمودینامیک در دسترس باقی می‌ماند. زمانی که از فضا-زمان بسیار متقارن فاصله می گیرید، این چرخش فیتیله کاری مبهم است Guilherme Leite Pimentel، کیهان شناس در Scuola Normale Superiore در پیزا، ایتالیا. اما آنها موفق شدند آن را پیدا کنند.

با چرخاندن تاریخچه انبساط غلتکی کلاس واقع گرایانه تر از جهان ها، آنها معادله همه کاره تری برای آنتروپی کیهانی به دست آوردند. برای طیف وسیعی از حالت‌های کلان کیهانی که با تشعشع، ماده، انحنا و چگالی انرژی تاریک تعریف می‌شوند (همانطور که طیفی از دماها و فشارها محیط‌های ممکن مختلف یک اتاق را تعریف می‌کنند)، این فرمول تعداد ریز حالت‌های مربوطه را نشان می‌دهد. توروک و بویل پست کردند نتایج آنها در اوایل اکتبر به صورت آنلاین

کارشناسان نتیجه صریح و کمی را ستایش کرده اند. اما بویل و توروک از معادله آنتروپی خود به یک نتیجه غیر متعارف در مورد ماهیت جهان ما رسیده اند. هرتوگ گفت: «اینجاست که کمی جالب‌تر و کمی بحث‌برانگیزتر می‌شود».

بویل و توروک بر این باورند که این معادله سرشماری از تمام تاریخ های کیهانی قابل تصور را انجام می دهد. درست همانطور که آنتروپی یک اتاق همه راه‌های چیدمان مولکول‌های هوا را برای دمای معین می‌شمرد، آن‌ها گمان می‌کنند که آنتروپی آن‌ها همه راه‌هایی را می‌شمارد که ممکن است اتم‌های فضا-زمان را به هم ریخته و در نهایت به جهانی با تاریخ کلی معین ختم شود. انحنا و چگالی انرژی تاریک

بویل این فرآیند را به بررسی یک کیسه غول پیکر از سنگ مرمر تشبیه می کند که هر یک جهان متفاوتی دارند. آنهایی که دارای انحنای منفی هستند ممکن است سبز باشند. کسانی که انرژی تاریک زیادی دارند ممکن است چشم گربه ای باشند و غیره. سرشماری آنها نشان می‌دهد که اکثریت قریب به اتفاق سنگ‌های مرمر فقط یک رنگ دارند - مثلاً آبی - که مربوط به یک نوع کیهان است: یکی کاملاً شبیه جهان ما، بدون انحنای قابل‌توجه و فقط لمس انرژی تاریک. انواع عجیب‌تر کیهان بسیار نادر هستند. به عبارت دیگر، ویژگی‌های عجیب وانیلی جهان ما که چندین دهه نظریه‌پردازی در مورد تورم کیهانی و جهان چندگانه را برانگیخته است، ممکن است اصلاً عجیب نباشد.

هرتوگ گفت: «این یک نتیجه بسیار جذاب است. اما "بیشتر از پاسخ دادن به آن سوالات را ایجاد می کند."

سردرگمی شمارش

بویل و توروک معادله ای را محاسبه کرده اند که جهان ها را می شمارد. و آنها این مشاهدات قابل توجه را انجام داده اند که به نظر می رسد جهان هایی مانند جهان ما سهم بزرگی از گزینه های کیهانی قابل تصور را دارند. اما این همان جایی است که یقین به پایان می رسد.

این دو هیچ تلاشی برای توضیح اینکه چه نظریه کوانتومی گرانش و کیهان‌شناسی ممکن است جهان‌های خاص را رایج یا نادر کند، انجام نمی‌دهند. آنها همچنین توضیح نمی دهند که جهان ما، با پیکربندی خاص اجزای میکروسکوپی، چگونه به وجود آمده است. در نهایت، آنها محاسبات خود را بیشتر به عنوان یک سرنخ برای اینکه کدام نوع از جهان ها ارجحیت دارند تا هر چیزی که نزدیک به یک نظریه کامل کیهان شناسی است، می بینند. توروک گفت: «آنچه ما از آن استفاده کرده‌ایم یک ترفند ارزان برای دریافت پاسخ بدون دانستن این نظریه است.

کار آنها همچنین سوالی را احیا می کند که از زمانی که گیبون و هاوکینگ برای اولین بار کل تجارت آنتروپی فضا-زمان را آغاز کردند، بی پاسخ مانده است: ریز حالت هایی که این ترفند ارزان به حساب می آید دقیقا چیست؟

گفت: "نکته کلیدی در اینجا این است که بگوییم ما نمی دانیم آنتروپی به چه معناست." هنری ماکسفیلد، فیزیکدان دانشگاه استنفورد که نظریه های کوانتومی گرانش را مطالعه می کند.

آنتروپی در قلب خود جهل را در بر می گیرد. برای مثال، برای گازی که از مولکول‌ها ساخته شده است، فیزیکدانان دما را می‌دانند - سرعت متوسط ​​ذرات - اما آنچه را که هر ذره انجام می‌دهد را نمی‌دانند. آنتروپی گاز تعداد گزینه ها را منعکس می کند.

پس از دهه ها کار نظری، فیزیکدانان در حال همگرایی در تصویر مشابهی برای سیاهچاله ها هستند. بسیاری از نظریه پردازان اکنون بر این باورند که ناحیه افق ناآگاهی آنها را از موادی که در آن فرو رفته است توصیف می کند - همه روش های آرایش داخلی بلوک های سازنده سیاهچاله برای مطابقت با ظاهر بیرونی آن. (محققان هنوز نمی دانند که ریز حالت ها واقعاً چیستند؛ ایده ها شامل پیکربندی ذراتی به نام گراویتون یا رشته های نظریه ریسمان است.)

اما وقتی نوبت به آنتروپی جهان می‌رسد، فیزیکدان‌ها نسبت به اینکه جهلشان در کجاست، کمتر مطمئن می‌شوند.

در ماه آوریل، دو نظریه‌پرداز تلاش کردند تا آنتروپی کیهان‌شناختی را روی پایه‌های ریاضی محکم‌تری قرار دهند. تد جاکوبسونفیزیکدان دانشگاه مریلند که به دلیل استخراج نظریه گرانش اینشتین از ترمودینامیک سیاهچاله مشهور است و دانشجوی فارغ التحصیلش بتول بنی هاشمی به صراحت تعریف شده است آنتروپی (خالی، در حال گسترش) جهان د سیتر. آنها دیدگاه یک ناظر در مرکز را اتخاذ کردند. تکنیک آنها، که شامل افزودن یک سطح ساختگی بین ناظر مرکزی و افق، سپس کوچک کردن سطح تا رسیدن به ناظر مرکزی و ناپدید شدن بود، پاسخ گیبون و هاوکینگ را دریافت کرد که آنتروپی برابر با یک چهارم سطح افق است. آنها به این نتیجه رسیدند که آنتروپی د سیتر همه ریز حالت های ممکن را در داخل افق می شمارد.

توروک و بویل همان آنتروپی جیکوبسون و بنیهاشمی را برای یک جهان خالی محاسبه می کنند. اما در محاسبات جدید آنها که مربوط به یک جهان واقع گرایانه پر از ماده و تابش است، تعداد بسیار بیشتری از ریز حالت ها - متناسب با حجم و نه مساحت - به دست می آورند. در مواجهه با این برخورد آشکار، آنها حدس می‌زنند که آنتروپی‌های مختلف به سؤالات مختلفی پاسخ می‌دهند: آنتروپی کوچک‌تر دسیتر، ریزحالت‌های فضا-زمان خالص محدود به یک افق را شمارش می‌کند، در حالی که آن‌ها گمان می‌کنند که آنتروپی بزرگ‌تر آنها همه ریز حالت‌های یک فضا-زمان پر شده را می‌شمارد. ماده و انرژی، در داخل و خارج از افق. توروک گفت: «این کل شبانگ است.

در نهایت، حل این سوال که بویل و توروک چه چیزهایی را می‌شمارند، مستلزم تعریف ریاضی صریح‌تری از مجموعه ریزحالت‌ها است، مشابه آنچه جاکوبسون و بنیهاشمی برای فضای دی سیتر انجام داده‌اند. بنی هاشمی گفت که محاسبه آنتروپی بویل و توروک را «پاسخی به سؤالی می‌داند که هنوز به طور کامل درک نشده است».

کیهان‌شناسان می‌گویند که در مورد پاسخ‌های ثابت‌تر به سؤال «چرا این جهان؟»، تورم و جهان چندگانه هنوز مرده نیستند. به‌ویژه نظریه تورم مدرن، چیزی فراتر از صافی و صاف بودن جهان را حل کرده است. مشاهدات آسمان با بسیاری از پیش بینی های دیگر آن مطابقت دارد. پیمنتل گفت، استدلال آنتروپیک توروک و بویل اولین آزمون قابل توجهی را پشت سر گذاشته است، اما باید داده‌های دقیق‌تر دیگری را برای رقابت جدی‌تر با تورم مشخص کند.

همانطور که شایسته مقداری است که جهل را می سنجد، اسرار ریشه در آنتروپی پیش از این به عنوان منادی فیزیک ناشناخته عمل کرده اند. در اواخر دهه 1800، درک دقیق آنتروپی از نظر آرایش میکروسکوپی به تایید وجود اتم ها کمک کرد. امروز، امید این است که اگر محققانی که آنتروپی کیهان‌شناسی را به روش‌های مختلف محاسبه می‌کنند بتوانند دقیقاً به چه سؤالاتی پاسخ می‌دهند، آن اعداد آنها را به درک مشابهی از نحوه انباشته شدن آجرهای لگو از زمان و مکان برای ایجاد جهان راهنمایی می‌کند. ما را احاطه کرده است

توروک گفت: «کاری که محاسبات ما انجام می‌دهد این است که انگیزه بیشتری برای افرادی که در تلاش برای ساختن نظریه‌های میکروسکوپی گرانش کوانتومی هستند، فراهم می‌کند. "زیرا چشم انداز این است که آن نظریه در نهایت هندسه بزرگ مقیاس جهان را توضیح دهد."