سرخس‌ها گیاهانی هستند که شکلی هندسی خاصی دارند. اگر قسمتی از آن‌ها را جدا کنید، با کمی دوران و بزرگ‌نمایی می‌توانید قسمت دیگری را بازسازی کنید. این ویژگی هندسی فرکتال‌ها است. در مورد هندسه فرکتالی و کاربرد آن در فیزیک نکات جالبی وجود دارد. مثلا به نوشته‌های زیر سر بزنید:
تصویری از یک سرخس به عنوان موجودی با ساختار فرکتالی – نگاره از عباس ک. ریزی (ارسفیورد – نروژ)
اول مرداد سال جاری، استیون واینبرگ از بزرگترین فیزیکدانان نظری زمان ما فوت کرد. واینبرگ به مراتب بلند قامت‌تر از چیزی است که من درباره او بنویسم. با این حال، سال‌ها پیش واینبرگ در نوشته کوتاهی ۴ درس طلایی به دانشمندان تازه‌کار می‌دهد. اصل این نوشته در این جا قابل خواندن است و متن پیش رو ترجمه‌ای از متن اصلی است.
حدود صدسال پیش، هنگامی که مدرک کارشناسیم را گرفتم، قبل از شروع پژوهش شخصیم، هر گوشه‌ای از فیزیک که می‌خواستم آن را برای خود ترسیم کنم مانند اقیانوسی وسیع و کشف نشده به نظرم می‌رسید. چه‌طور می‌توانستم کاری انجام بدهم بدون آن‌که بدانم چه چیزی پیش از این انجام شده است؟ خوش‌بختانه در سال اول تحصیلات تکمیلی، شانس این را داشتم که به دستان فیزیکدانان باتجربه‌ای سپرده شوم که علی رغم اعتراض‌های دلواپسانه من، بر این پافشاری کردند که من باید پژوهشم را شروع کنم و هر چیزی که به دانستن آن نیاز دارم را طی مسیر بردارم. یا باید شنا می‌کردی یا که غرق می‌شدی! در کمال تعجب، فهمیدم که این روش موثر است. سرانجام موفق شدم که یک دکتری سریع بگیرم؛ هرچند که در لحظه فارغ التحصیلی به این موضوع آگاه بودم که تقریبا چیزی در مورد فیزیک نمی‌دانم. با این وجود من درس بزرگی گرفتم و آن اینکه هیچ کس همه چیز را نمی‌داند و شما هم نیازی ندارید که بدانید!
به دنبال استعاره اقیانوس‌شناسی‌ام، درس بعدی برای آموختن این است که تا وقتی که شنا می‌کنید و غرق نمی‌شوید باید آب‌های سخت را هدف بگیرید. در اواخر دهه ۶۰ هنگامی که در MIT تدریس می‌کردم، دانشجویی به من گفت که می‌خواهد به جای فیزیک ذرات بنیادی که من روی آن کار می‌کردم به سمت نسبیت عام برود. دلیلش هم این بود که اصول دومی شناخته شده بود در حالی‌که اولی به چشم او بهم ریخته می‌آمد. بی‌درنگ به ذهنم رسید که او همین الان دلیل بسیار خوبی برای انجام دادن خلاف چیزی که گفته را آورده! فیزیک ذرات حوزه‌ای بود که هنوز میشد در آن کار خلاقانه انجام داد. با اینکه در دهه ۶۰ فیزیک ذرات واقعا کلاف سردرگمی بود ولی تلاش خیلی از فیزیکدانان نظری و تجربی از آن زمان منجر به باز کردن گره‌ها و کنار هم گذاشتن همه چیز (خب، تقریبا همه‌چیز) در قالب یک نظریه زیبا به اسم مدل استاندارد شد. نصیحت من است که به دنبال بهم‌ریختگی‌ها بروید، هر چه خبر است در آنجاست!
نصیحت سوم من احتمالا سخت‌ترین آن‌ها برای پذیرفتن است. و آن اینکه خودتان را به خاطر هدردادن وقت ببخشید! از دانشجویان فقط خواسته میشود مسائلی را حل کنند که اساتیدشان به قابل حل بودن آن‌ها آگاه هستند (مگر اینکه آن اساتید به‌طور غیرعادی بی‌رحم باشند). علاوه بر این، اصلا مهم نیست که آن مسائل از لحاظ علمی مهم باشند چرا که هدف از حل شدنشان تنها گذراندن درس است! در دنیای واقعی دانستن اینکه کدام مسائل مهم هستند کار دشواری است و شما هیچگاه متوجه نمی‌شوید که در مقطعی از تاریخ که در آن به سر می‌بری آن مسئله حل‌شدنی است یا نه. در آغاز قرن بیستم، لورنتز و آبراهام به دنبال به‌دست آوردن نظریه‌ای برای الکترون بودند. هدف بخشی از این کار رسیدن به این نکته بود که چرا تمام تلاش‌های صورت گرفته برای شناسایی اثرات حرکت زمین در میان اتر با شکست روبه‌رو شده است. اکنون ما می‌دانیم که آن‌ها روی مسئله اشتباهی کار می‌کردند. در آن زمان، هیچ‌کس نمی‌توانست برای الکترون نظریه موفقی را توسعه دهد چرا که هنوز مکانیک کوانتومی کشف نشده بود! نبوغ آلبرت آینشتین در ۱۹۰۵ نیاز بود تا به این پی‌برده شود که مسئله درستی که باید روی آن کار کرد اثر حرکت روی اندازه‌گیری‌های فضا و زمان است. این مسئله منجر به نظریه نسبیت خاص برای او شد. از آنجا که شما هیچگاه نخواهید فهمید که کدام مسائل انتخاب‌های درستی برای کار کردن روی آن‌ها هستند، بیشتر وقت سپری شده‌تان در آزمایشگاه یا پشت میز هدر خواهد رفت. اگر می‌خواهید خلاق باشید، باید به این عادت کنید که بیشتر زمان خود را می‌بایست صرف خلاق نبودن کنید و برای مدتی روی اقیانوس دانش علمی در انتظار باد متوقف بمانید.
در آخر، چیزی از تاریخ علم یا دست کم تاریخ شاخه‌ای از علم که دنبالش می‌کنید یادبگیرید. کم‌اهمیت‌ترین دلیل برای این کار این است که تاریخ ممکن است واقعا دردی از کار پژوهشی شما دوا کند. به عنوان مثال، هر از گاهی دانشمندان از حرکت باز می‌ایستند چرا که به یکی از مدل‌های بیش از حد ساده شده علم باور پیدا می‌کنند که توسط فیلسوفانی چون فرانسیس بیکن تا توماس کوهن و کارل پوپر مطرح شده است. بهترین پادزهر برای فلسفه علم، دانشی از تاریخ علم است.
از آن مهم‌تر، تاریخ علم کار شما را می‌تواند ارزشمندتر نزدتان جلوه دهد. به عنوان یک دانشمند احتمالا شما قرار نیست که فرد ثروتمندی شوید. احتمالا دوستان و خانواده‌تان نخواهند فهمید که شما مشغول چه کاری هستید. و اگر در زمینه‌ای مثل فیزیک ذرات بنیادی کار می‌کنید، شما حتی احساس رضایت از انجام کاری که بلافاصله مفید است را هم نخواهید نداشت. با این وجود شما می‌توانید با تشخیص اینکه کار شما در علم بخشی از تاریخ است احساس رضایت زیادی به دست آورید.
به یک‌صد سال پیش، سال ۱۹۰۳ نگاه کنید. امروز چقدر مهم است که چه کسی نخست‌وزیر بریتانیای کبیر در ۱۹۰۳ یا رئیس‌جمهور ایالات متحده بوده است؟ آنچه که به وضوح خیلی مهم است این است که در دانشگاه مک‌گیل، ارنست راترفورد و فردریک سودی مشغول درک و بررسی طبیعت پرتوزایی بوده‌اند. این کار (البته که) کابردهای عملی داشت اما آنچه که مهم‌تر است پیامدهای فرهنگیش است. درک درست پرتوزایی به فیزیکدانان اجازه داد تا توجیهی برای چگونگی داغ بودن هسته زمین و خورشید پس از میلیون‌ها سال پیدا کنند. به این ترتیب، آخرین ایراد علمی به چیزی که بسیاری از زمین‌شناسان و دیرینه‌شناسان برای دوران اوج زمین و خورشید تصور می‌کردند هم مرتفع شد. پس از آن، مسیحی‌ها و یهودی‌ها یا باید از اعتقاد به نص صریح کتاب مقدس دست می‌کشیدند یا خود را متقاعد می‌کردند که ارتباط عقلانی وجود ندارد. این فقط یک قدم از سری قدم‌هایی بود که از گالیله تا نیوتون و داروین تا حال حاضر به کرات برداشته شد و ستون‌های جزم‌اندیشی دینی را تضعیف کرد. این روزها خواندن هر روزنامه‌ای کافی است تا نشان دهد که این گونه کارها هنوز تکمیل نشده‌اند. با این وجود این کاری است تمدن‌ساز، چیزی که دانشمندان به خاطر انجام دادنش می‌توانند احساس غرور داشته باشند.
دکتر یاسر رودی استاد نوروساینس در موسسه کاولی برای علوم اعصاب سیستمی در تروندهایم 🇳🇴 است. Yasser Roudi – Kavli Institute for Systems Neuroscience – NTNU
این گفت‌وگو در مورد فضای پژوهشی بین‌رشته‌ای پیرامون تخصص یاسر در علوم اعصاب محاسباتی است.
به فیزیک چکه کردن آب از سقف خونه تاحالا فکر کردید؟! آب روی پشت‌بوم به خاطر جاذبه وارد سقف به عنوان یک محیط متخلخل میشه و بعد از طی کردن یک مسیر پر پیچ و خم ممکنه به پایین سقف برسه و در نهایت چکه کنه! این فرایند خیلی شبیه به سازوکار قهوه درست کردنه؛ اونجا آب یا بخار با فشار زیادی از محیطی به اسم پودر قهوه می‌گذره و در نهایت نوشیدنی قهوه ایجاد میشه. به این پدیده «تراوش» گفته میشه. اگر آب از پشت بوم به داخل اتاق نرسه یا وقتی نوشیدنی قهوه از قهوه‌ساز خارج نشه اصطلاحا می‌گیم تراویدن موفقیت‌آمیز نبوده و تراوش انجام نشده. ساز و کار تراوش به عنوان یک مسئله گذارفاز پیوسته، از نظر فیزیک پدیده‌های بحرانی خیلی جالبه. خصوصا وقتی که تراوش جهت‌دار باشه. مثلا اگه آب فقط بتونه از بالا به پایین بره، تراوش فقط در یک جهت خاص انجام میشه.
شبکه برهمکنشی در مدل آیزینگ – نگاره از مجله کوانتا
مدل تراوش جهت‌دار ساده‌ترین مدلیه که گذار فاز پیوسته در شرایط دور از تعادل رو نشون میده.
با این که مدل تراوش جهت‌دار (directed percolation) خیلی ساده به نظر می‌رسه و بیشتر از ۶۰ سال از مطرح شدنش می‌گذره، اما این مسئله روی اکثر شبکه‌ها حل تحلیلی نداره. همین‌طور تا امروز شواهد بسیار محدود در شرایط بسیار کنترل شده‌ی آزمایشگاهی برای این پدیده داشتیم. یعنی تا همین چندسال پیش تردید وجود داشت که آیا این مدل فقط یک مسئله انتزاعی ریاضیه یا اینکه واقعا در طبیعت تراوش جهت‌دار رخ میده؟! خلاصه کلی خون دل خورده شده برای قسمت تجربی ماجرا تا این چیزها رو مردم در آزمایشگاه هم ببینند! مثلا اخیرا یک گروه ژاپنی-فرانسوی این پدیده رو در بلورهای مایع (electrohydrodynamic convection of liquid crystal) مشاهده کردن.
ما در مقاله جدیدمون نشون دادیم که اتفاقا این پدیده زیاد در طبیعت رخ میده؛ فَارْجِعِ الْبَصَر! در واقع نشون دادیم که گذار فاز در مسئله دسترسی (reachability) در شبکه‌های زمانی، تحت شرایطی نگاشت میشه به مسئله تراوش جهت‌دار و گذار فاز دسترسی عضو کلاس عمومی تراوش‌جهت‌داره. میکّو جزئیات فنی بیشتری در این رشته توییت نوشته.
می‌تونید این مقاله از مجموعه کارهای ما روی پدیده‌های بحرانی در شبکه‌های زمانی رو اینجا ببینید. همکار ما در این پروژه مارتن کارزای از CEU بود و آرش بدیع-مدیری زحمت اصلی این پروژه رو کشیده. این کار از جهت‌های مختلف برای من هیجان‌انگیزه: هم فیزیک داره، هم ریاضی و هم شبیه‌سازی‌های بسیار بسیار بزرگ! هم فاله و هم تماشا! از همه مهم‌تر اینکه هر کس که برای اولین بار به این مسئله فکر کنه ممکنه به این نتیجه برسه که خب این مسئله کاملا بدیهی به نظر می‌رسه! شما چیو نشون دادین پس؟! اما اولا اونقدرا که مردم تصور می‌کنن بدیهی نیست (همون طور که بحث کردیم در مقاله) و از اون مهم‌تر بالاخره بعد از مدت‌ها حدس و گمان باید تکلیف این مسئله روشن میشد و گروهی نشون میدادن که وضعیت آگاهی ما از این مسئله در شرایط و تنظیمات مختلف چیه.
این ویدیو در مورد کار پژوهشی من یعنی پدیده‌های بحرانی و شبکه‌های پیچیده است. اینجا میگم که چی شد که به این موضوع علاقه‌مند شدم و الان مشغول چه کاری هستم:
عبارت «جهانهای موازی» از جمله عبارات و مفهوم‌های پرتکرار در داستان‌ها، فیلم‌ها و سریال‌های علمی-تخیلی است که امروزه به همین دلیل به گوش بیشتر افراد جامعه آشناست. از سوی دیگر، استفاده از این عبارت (به خصوص در زبان فارسی) همواره با ابهام‌های فراوانی همراه بوده است که کج‌فهمی‌های زیادی را در ذهن مخاطب غیرمتخصص ايجاد کرده است. برای بر طرف نمودن این ابهام‌ها و اصلاح کج‌فهمی‌ها، در گام اول بايد بر تفاوت دو مفهوم مستقل که متاسفانه در زبان فارسی برای اشاره به هر دو آن‌ها معمولا از عبارت «جهانهای موازی» استفاده میشود، تاکید کنیم: «جهانهای موازی» که ترجمه عبارت انگلیسی «Parallel Universes» است در زبان انگلیسی کاربرد بسیار محدودی در دایره واژگان تخصصی علم فیزیک دارد و بیشترین استفاده از این عبارت مربوط به داستان‌های علمی-تخیلی است؛ در صورت استفاده از این عبارت در مقالات علمی، با توجه به متن، اشاره به یکی از دو مفهوم مستقل «تفسیر دنیاهای چندگانه»، ترجمه عبارت many-worlds interpretation، و یا مفهوم «چندجهان»، ترجمه عبارت multiverse، است. هر چند استفاده از این عبارت برای اشاره به یکی از شاخههای «درخت تاریخچه‌ها» در تفسیر دنیاهای چندگانه مرسوم‌تر است تا استفاده از آن برای اشاره به یکی از حباب‌ها در فرضیه چندجهان. در ادامه این متن، با جزئيات بيشتر به هر کدام از این دو مفهوم خواهیم پرداخت.
تصور روی جلد کتاب داستانی مصور «Flash of Two Worlds» که برای اولین بار مفهوم «جهانهای موازی» را وارد دنیای مجموعه داستان‌های مصور «Flash» کرد.
درصورتاستفادهازعبارت «جهانهایموازی» درمقالاتعلمی،باتوجهبهمتن،اشارهبهیکیازدومفهوممستقل «تفسیردنیاهایچندگانه» ویافرضیه «چندجهان» است.
تفسیر دنیاهای چندگانه
تفسیر دنیاهای چندگانه یا many-worlds interpretation یکی از تفسیر‌های مکانیک کوانتومی است که در سال ۱۹۵۷ و توسط هیوْ اِوِرِت برای حل «مشکل اندازهگیری» در مکانیک کوانتومی پیشنهاد داده شد؛ هرچند نام «تفسیر دنیاهای چندگانه» توسط برایس دویت، که در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ میلادی نقش اصلی را در ترویج این ایده به عده داشت، برای این تفسیر انتخاب شد. اما شاید این سوال برای‌تان ایجاد شده باشد که «چرا مکانیک کوانتومی به یک تفسیر نیاز دارد؟» و اینکه تفاوت «تفسیر» با «نظریه» و یا «فرضیه» در چیست؟ برای پاسخ به سوال اول باید «اصل اندازهگیری» و «تقليل تابع موج» را در مکانیک کوانتومی با دقت بیشتری مورد بررسی قرار دهیم: بر اساس نظریه کوانتومی، تمامی اطلاعات یک سیستم در «حالت کوانتومی» آن سیستم ذخیره شده است که به دلایل تاریخی به آن «تابع موج» نیز گفته میشود. همچنین، تحول زمانی حالت کوانتومی یک سیستم توسط معادله شرودینگر توصیف میشود که یک معادله دیفرانسیل خطی است. احتمالا این توصیف که مکانیک کوانتومی نظریه‌ای ذاتا آماری است برای خواننده این متن آشنا باشد اما، آنچه که معمولا در توصیف‌های متفاوت از مکانیک کوانتومی کمتر بر آن تاکید میشود این نکته است که تحول زمانی تابع موج یک سیستم کوانتومی فرآیندی تعینی است (به این معنی که با دانستن حالت اولیه سیستم، معادله شرودینگر حالت کوانتومی سیستم را در تمامی زمان‌های آینده به طور دقیق معین می‌کند— این نتیجه مستقیم خطی بودن معادله شرودینگر است) و ذات آماری نظریه کوانتومی تنها در نتیجه انجام فرآیند اندازهگیری است.
بر اثر اندازهگیری یک مشاهدهپذیر، مکانیک کوانتومی تنها احتمالات مشاهده شدن هر کدام از نتایج محتمل را پیش‌بینی کرده و مطابق «اصل اندازهگیری» حالت کوانتومی سیستم پس از اندازهگیری را به صورت آنی با یکی از این نتایج محتمل جایگزین می‌کند (در صورتی که حالت کوانتومی سیستم پیش از اندازهگیری می‌توانسته برهم‌نهی از تمامی این نتایج محتمل باشد)؛ به این جایگزینی حالت کوانتومی پیش از اندازهگیری با یکی از حالات محتمل به صورت آنی، «تقلیل تابع موج» یا «جهش کوانتومی» گفته میشود. به عبارت دیگر، برخلاف تحول زمانی حالت کوانتومی با استفاده از معادله شرودینگر که فرآیندی یکانی است (به این معنی که مجموع احتمالات در طی این تحول دست نخورده باقی می‌ماند) پدیده اندازه گیری و تقلیل تابع موج فرآیندی غیر یکانی است! درست به دلیل همین تفاوت ذاتی تحول زمانی با پدیده اندازهگیری در مکانیک کوانتومی، این سوال ایجاد میشود که چه فرآیندهایی را باید یکانی و چه فرآیندهایی را باید به صورت غیر یکانی در نظر گرفت؟ اما، همان‌طور که از توصیف ما از اصل اندازهگیری مشخص است، از پدیده اندازهگیری تعریف دقیقی ارائه نشده است و به همین دلیل مکانیک کوانتومی نیازمند «تفسیر»ای از آنچه به آن «اندازهگیری» گفته میشود است.
در تفسیر اولیه‌ای که از این اصل توسط نیلز بور ارائه شد، و امروزه به تفسیر کپنهاگی مشهور است، فیزیک در مقیاس‌های روزمره توسط مکانیک کلاسیکی توصیف میشود و مکانیک کوانتومی تنها مقیاس‌های کوچک را توصیف می‌کند. همچنین، در این تفسیر پدیده اندازهگیری توسط یک «دستگاه اندازهگیری» بزرگ مقیاس توصیف میشود که از قوانین مکانیک کلاسیکی تبعیت می‌کند. اما، این تفسیر با فلسفه تقلیل‌گرایانه نظریه‌های علمی در تناقض است و به صورت خاص این سوال را ایجاد می‌کند که فیزیک در کدام مقیاس‌ها توسط مکانیک کوانتومی توصیف میشود و در کدام مقیاس‌ها توسط مکانیک کلاسیکی؟ همچنین مشخص نیست که گذار از دنیای کوانتومی به کلاسیکی چگونه رخ می‌دهد و مقیاسی که در آن این گذار صورت می‌گیرد از نظر فیزیکی چه ویژگی خاصی دارد؟ اِروین شرودینگر، که معادله معروف شرودینگر را برای توصیف تحول زمانی یک سیستم کوانتومی پیشنهاد کرده بود، از جمله معروف‌ترین منتقدين این تفسیر از مکانیک کوانتومی بود. شرودینگر در نامهای به بور (که در کتاب جز و کل نوشته‌ی ورنر هایزنبرگ نقل شده است) نوشته است:
اروین شرودینگر
«بور، تو حتما متوجه هستی که کل این ایده جهش‌های کوانتومی قطعا به [نتایج] بی‌معنی منجر میشود… اگر ما همچنان مجبور به تحمل کردن این جهش‌های کوانتومی لعنتی باشیم، من از اینکه هرگز نقشی در نظریه کوانتومی داشته‌ام متاسفم.»
-کتاب جز و کل نوشته‌ی ورنر هایزنبرگ
به منظور بر طرف کردن مشکلات ذکر شده، هیو اورت ایده «حالت نسبی» خود را در زمانی که دوره دکتری فیزیک را در دانشگاه پرینستون و زیر نظر جان ویلر، فیزیکدان مشهور آمریکایی، سپری می‌کرد مطرح نمود. این تفسیر بعدها و توسط برایس دویت به نام «تفسیر دنیاهای چندگانه» مشهور شد و مطابق آن تلاش میشود تا فرآیند اندازهگیری نیز درست مانند تحول زمانی توسط یک فرآیند یکانی توصیف شود که تمامی احتمالات را حفظ می‌کند: در این تفسیر، تقلیل تابع موج اتفاق نمی‌افتد و بر اثر هر اندازهگیری تاریخچه‌های جدیدی (که به آن‌ها جهانهای موازی هم گفته میشود) شکل می‌گیرند که در هر کدام از آن‌ها یکی از نتایج محتمل اندازهگیری مشاهده شده است. برای مثال، تحول زمانی و اندازهگیری اسپین یک الکترون را در نظر بگیرید: تحول زمانی می‌تواند حالت کوانتومی این الکترون را در برهم‌نهی از اسپین بالا و پایین آماده کند؛ سپس، در صورت اندازهگیری این مشاهدهپذیر، مطابق تفسیر دنیاهای چندگانه، تاریخچه‌های جداگانه‌ای به وجود می‌آیند که در یکی از آن‌ها اسپین الکترون بالا مشاهده شده است و در دیگری اسپین پایین اندازهگیری شده است.
درخت تاریخچه‌ها: با هر بار اندازهگیری اسپین الکترون، تاریخچه‌های جدیدی به وجود می‌آیند که در هر کدام از آن‌ها یکی از نتایج محتمل، در این مثال اسپین بالا یا پایین، مشاهده شده است؛ این تاریخچه‌ها (یا جهانهای موازی) هر کدام در نتیجه اندازه‌گیری‌های بعدی می‌توانند به تاریخچه‌های مجزا تقسیم شوند. همچنین، هیچ برهمکنشی بین این تاریخچه‌ها وجود ندارد و این تفسیر از مکانیک کوانتومی منجر به پیش‌بینی قابل مشاهده نمی‌شود.
همچنین، در شباهت با تفسیر کپنهاگی، احتمال قرار گرفتن در هر کدام از این تاریخچه‌ها با قاعده بورن پیش‌بینی میشود. شایان ذکر است که در این تصویر تاریخچه‌ها (یا جهانهای موازی) هیچ برهمکنشی با هم نداشته و پس از شکل‌گیری هر کدام به صورت یکانی و توسط معادله شرودینگر تحول پیدا می‌کنند. در این صورت، پس از گذشت زمانی از اندازهگیری اول، اسپین الکترون می‌تواند دوباره در برهم‌نهی از اسپین‌های بالا و پایین قرار گیرد و با تکرار فرآیند اندازهگیری اسپین این الکترون می‌توان هر کدام از تاریخچه‌های قبلی را به تاریخچه‌های جدیدی تقسیم نمود: تاریخچه‌هایی که در آن نتیجه اندازهگیری اول و دوم به ترتیب {بالا، بالا}؛ {بالا، پایین}؛ {پایین، بالا}؛ {پایین، پایین} بوده است. به این ترتیب، مطابق شکل بالا، درختی از تاریخچه‌ها شکل می‌گیرد که هر کدام از شاخههای آن یک واقعیت مجزا (یک تاریخچه یا دنیا موازی) را توصیف می‌کند.
حال که با تفسیر دنیاهای چندگانه آشنا شدیم، می‌توانیم به سوال دوم که در ابتدا این بخش مطرح شد پاسخ دهیم: آنچه که یک «تفسیر» را از یک «فرضیه» و یا «نظریه» مجزا می‌کند، وجود داشتن و یا نداشتن پیش‌بینی‌های قابل مشاهده است! از آنجا که مطابق تفسیر دنیاهای چندگانه، دیگر تاریخچه‌ها (یا به عبارتی جهانهای موازی) هیچ برهمکنشی با هم نداشته و هیچ اثر مشاهده پذیری از خود بر دیگر تاریخچه‌ها باقی نمی‌گذارند، هیچ پیش‌بینی قابل مشاهده‌ای که درستی و یا نادرستی این تفسیر را مشخص نماید در دسترس نیست. هرچند، به تازگی فرضیه‌ای مشابه با این تفسیر توسط فرانک ویلچک، برنده نوبل فیزیک، و جردن کاتلر مطرح شده است که به آن «تاریخچه‌های درهمتنیده» گفته میشود و قادر به ارائه پیش‌بینی‌های قابل آزمایش است (آزمایش‌های پیشنهاد شده هنوز به انجام نرسیده‌اند و در نتیجه درستی و یا نادرستی این ایده همچنان مشخص نیست). همچنین، باید اشاره نمود که با وجود تفسیر‌های متفاوت از مسئله اندازهگیری، این مسئله کماکان جز مسائل باز و حل نشده به حساب می‌آید و تا به امروز توافقی در انتخاب تفسیر درست از مفهوم «اندازهگیری» در بین فیزیکدان‌ها وجود ندارد! با این حال، درست به خاطر همین سختی ارائه پیش‌بینی‌های قابل آزمایش برای حل این مسئله، تنها بخش کوچکی از فیزیکدان‌ها به صورت جدی بر روی حل این مشکل کار می‌کنند (هر چند با اهمیت یافتن مضوعاتی از جمله نظریه اطلاعات کوانتومی، آشوب کوانتومی و گرانش/کیهان‌شناسی کوانتومی تعداد افرادی که به صورت غیر مستقیم بر روی حل این مشکل کار می‌کنند افزایش یافته است).
فرضیه چندجهان
«فرضیه چند‌جهانی» یا «Multiverse Hypothesis» یکی از نتایج محتمل نظریه «تورم کیهانی»است که به منظور حل کردن مشکلاتی در کیهان‌شناسی (که از آن‌ها با نامهای مشکل افق و مشکل تختی یاد میشود) ارائه شده است. اندازه‌گیری‌های انجام شده و همچنین مشاهدات مبتنی بر تابش زمینه کیهانی نشان می‌دهند که انحنای کیهان امروزی ما بسیار کوچک بوده (هندسه فضا-زمان و نه صرفا هندسه برش‌های فضایی، بسیار به هندسه تخت نزدیک است) و همچنین حالت آن در زمان واجفتیدگی که در آن فوتون‌های تابش زمینه کیهانی توانسته‌اند از برهمکنش مداوم با الکترون‌ها و هسته‌ها گریخته و بدون مانع به حرکت خود ادامه دهند (این زمان حدود ۳۷۸ هزار سال پس از مهبانگ است که در مقیاس کیهان‌شناختی زمان بسیار کوتاهی محسوب میشود و به همین دلیل این پرتو‌ها اطلاعات زیادی را از کیهان اولیه در اختیار ما قرار می‌دهند) بسیار همگن و یکنواخت بوده است. پیش از مطرح شدن نظریه تورم کیهانی، به نظر می‌رسید که هر دو این مشاهدات نیازمند یک «تنظیم ظریف» در پارامترها هستند زیرا تغییرات جزئی در چگالی ماده و انرژی کیهان اولیه می‌توانست انحنای کیهان امروزی را به شدت تغییر داده و آن را از تخت بودن دور کنند؛ همچنین، همگنی و یکنواختی مشاهده شده در تابش زمینه کیهانی به ما نشان می‌دهد که نواحی از فضا-زمان که با یکدیگر در ارتباط علّی نبوده‌اند به تعادل گرمایی رسیده‌اند.
«نظریه تورم کیهانی» که مطابق آن کیهان اولیه در نخستین کسرهای ثانیه پس از مهبانگ وارد یک دوره کوتاه انبساط بسیاربسیار سریع به نام تورم کیهانی شد می‌تواند سازوکاری را برای توجیح هر دو این مشکل‌ها بدون نیاز به تنظیم ظریف پارامترها ارائه دهد: این دوره کوتاه انبساط بسیار سریع می‌تواند چگالی ماده و انرژی در عالم اولیه را به مقدار بحرانی آن (که برای تخت بودن کیهان به آن نیاز است) نزدیک کرده و همچنین توجیح نماید که نواحی که در زمان واجفتیدگی در ارتباط علّی با یکدیگر نبوده‌اند، پیش از آغاز تورم با یکدیگر ارتباط علّی داشته و به همین دلیل به تعادل دمایی رسیده‌اند. در شکل امروزی آن این نظریه توسط یک میدان کوانتومی اسکالری (موجودی ریاضی که مطابق قوانین مکانیک کوانتومی تحول یافته و به هر نقطه از فضا-زمان یک عدد نسبت می‌دهد که این عدد با تغییر دستگاه مختصات، از جمله چرخاندن محور‌ها و جا‌به‌جا کردن مبدا، ثابت است. می‌توانید به تابعی که در هر لحظه به نقاط مختلف یک اتاق دمای آن را نسبت می‌دهد، به چشم یک میدان کلاسیکی اسکالری نگاه کنید) با نام «میدان تورم» یا «Inflaton» توصیف میشود که تابع پتانسیل آن دارای ویژگی‌های خاصی است. در نظریه تورمی «غلتش کند» یا «Slow-roll Inflation»، تابع پتانسیل میدان تورم دارای ناحیه‌ای نسبتا تخت بوده که فاز تورمی را توصیف می‌کند و میدان تورم پس از اتمام این فاز، با قرار گرفتن و نوسان در اطراف کمینه پتانسیل (که می‌تواند کمینه موضعی یا کمینه سرتاسری باشد) وارد فاز بازگرمایش میشود.
شکل تقریبی پتانسیل میدان تورم در در نظریه تورمی غلتش کند. تابع پتانسیل میدان تورم دارای ناحیه‌ای نسبتا تخت بوده که فاز تورمی را توصیف می‌کند و میدان تورم پس از اتمام این فاز، با قرار گرفتن و نوسان در اطراف کمینه پتانسیل وارد فاز بازگرمایش میشود. پتانسیل ميدان تورم می‌تواند کمینه‌های موضعی زیادی داشته باشد که در این صورت به این کمینه‌ها خلا کاذب یا خلا شبه‌پایدار گفته میشود و میدان کوانتومی تورم می‌تواند با استفاده از تونل‌زنی کوانتومی از این کمینه‌ها خارج شده و باقی کمینه‌ها را در فضای پیکربندی کاوش کند.
در صورتی که این کمینه پتانسیل تنها یک کمینه موضعی باشد (شکل رو به رو)، میدان تورم می‌تواند طی فرآیند تونل‌زنی کوانتومی، که در ادامه در مورد آن بیشتر توضیح خواهیم داد، از سد پتانسیل (بیشینه موضعی پتانسیل که دو کمینه را از هم جدا کرده است) عبور کرده و پس از طی دوباره فاز تورم غلتش کند به نوسان در اطراف کمینه سرتاسری (و یا در حالت کلی‌تر کمینه موضعی دیگر) بپردازد. از آنجا که در نظریه میدان‌های کوانتومی از کمینه‌های پتانسیل به عنوان حالت خلا یاد میشود، به این کمینه‌های موضعی حالت خلا کاذب یا خلا شبه‌پایدار و به کمینه‌های سرتاسری خلا حقیقی یا خلا پایدار نیز گفته میشود.
شکل تقریبی پتانسیل مناسب برای توصیف تورم ابدی ناشی از واپاشی خلا کاذب. در این تصویر میدان تورم با استفاده از تونل‌زنی کوانتومی به خارج از ناحیه خلا کاذب راه یافته و پس از طی کردن فاز تورمی غلتش کند، وارد فاز بازگرمایش و نوسان در اطراف خلا حقیقی میشود.
در طی این فرآیند تونل‌زنی از خلا کاذب به خلا حقیقی (یا در حالت کلی‌تر از خلا کاذب ۱ به خلا کاذب ۲)، حباب‌هایی از خلا جدید (برای مثال خلا حقیقی) در پس‌زمینه خلا قدیمی (مثلا خلا کاذب در شکل بالا) شکل می‌گیرد که پس از تشکیل شدن با سرعتی نزدیک به سرعت نور گسترش پیدا می‌کنند. درون هر کدام از این حباب‌ها از خلا‌های مختلف، پس از طی شدن مرحله تورم، مرحله بازگرمایش و تشکیل ساختار‌های کیهانی رخ می‌دهد و در نتيجه در درون هر کدام از این حباب‌ها، جهان جدیدی (با ثابت‌های فیزیکی متفاوت) تشکیل میشود. در صورتی که نرخ تولید این حباب‌ها از مقدار بحرانی آن کمتر باشد، تورم هرگز متوقف نخواهد شد و در این صورت آنچه به آن «تورم ابدی» گفته میشود رخ خواهد داد: حباب‌هایی از جهانهای متفاوت (که در موارد بسیار معدودی به آن‌ها جهانهای موازی گفته میشود) در پس‌زمینه خلا کاذب اولیه تشکیل خواهد شد که هرگز موفق به پوشاندن کل فضای پر شده از خلا اولیه نخواهند شد و به مجموع آن‌ها «چندجهان» یا Multiverse گفته میشود. این پدیده تشکیل حباب، نوعی از یک گذار فاز مرتبه اول است که نمونه کلاسیکی آن را می‌توان با آزمایشی جالب حتی در منزل نیز مشاهده نمود! به همین منظور، پیش از پرداختن به تونل‌زنی کوانتومی و توضیح بیشتر فرآیند تشکیل و گسترش حباب‌ها، کمی درباره پدیده‌های ابرسرمایش یا ابرگرمایش و ارتباط آن‌ها با تشکیل حباب‌ها در کیهان‌شناسی توضیح خواهیم داد.
تجسم هنری از تورم ابدی و چندجهان. براساس این فرضیه، حباب‌هایی از خلا حقیقی در خلا کاذب اولیه به‌وجود می‌آیند که تا ابد بدون پر کردن فضای اولیه به رشد خود ادامه می‌دهند. مجموعه حباب‌های تشکیل‌شده (که در هر کدام از آن‌ها جهان جدیدی به وجود آمده است) در درون خلا کاذب اولیه، چند جهان را تشکیل می‌دهند.
برای توصيف پدیده‌های ابرسرمایش و یا ابرگرمایش، ظرفی از آب مقطر در فاز مایع را در نظر بگیرید. همان‌طور که مطمئنا خواننده این متن با آن آشناست، این ظرف آب در فشار ۱ جو در دمای صفر درجه سانتی‌گراد یخ بسته و در دمای صد درجه سانتی‌گراد بخار میشود. با این حال، در صورتی که آب درون ظرف خالص باشد و در طی مدت سرمایش و یا گرم کردن ضربه و یا تکان ناگهانی به ظرف آب وارد نشود، آب مقطر می‌تواند در دمای زیر صفر درجه و یا بالای صد درجه سانتی‌گراد در فاز مایع باقی بماند! در این حالت، با وارد کردن ضربه‌ای به ظرف آب می‌توان تشکیل شدن حباب‌هایی از فاز جامد (یخ) و یا گاز (بخار) را در درون ظرف مشاهده نمود که به سرعت رشد کرده و در زمان کوتاهی کل مایع درون ظرف را به فاز جدید (بخار یا یخ) می‌برند (شکل و ویدیو زیر را ببینید)!
مراحل مختلف پدیده ابرسرمایش از لحظه وارد شدن ضربه و شکل گرفتن حباب‌هایی از یخ تا گسترش و برخورد این حباب‌ها و گذار فاز کامل مایع درون ظرف به فاز جامد را نشان می‌دهد.
پدیده ابرسرمایش که در آن تشکیل شدن حباب‌هایی از یخ و گسترش آن‌ها در درون ظرف به وضوح مشخص است.
همان‌طور که از توضیح ما در بند قبلی مشخص است، این پدیده بسیار شبیه گذار فاز کوانتومی است که چندجهان را تشکیل می‌دهد! در واقع پتانسیل موثر بین ملکول‌ها در رژیم ابرسرمایش/ابرگرمایش درست شبیه فرم کلی پتانسیل میدان تورم در رژیم تورم ابدی است (تصویر بالا سمت چپ در صفحه قبل): در این حالت، کمینه موضعی پتانسیل توصیف کننده فاز مایع و کمینه سرتاسری آن توصیف کننده فاز جامد/گاز است. از آنجا که این دو فاز متفاوت توسط یک سد پتانسیل (بیشینه موضعی) از هم جدا شده‌اند، در شرایطی ذکر شده (خالص بودن مایع و عدم وارد شدن ضربه به ظرف) ملکول‌های آب انرژی کافی را برای گذر کردن از این سد پتانسیل نداشته و در نتيجه در کمینه موضعی انرژی (فاز مایع) باقی می‌مانند. در صورت وارد شدن ضربه‌ای کوچک به این سیستم، بخشی از مایع انرژی لازم برای بالا رفتن از قله پتانسیل و قرار گرفتن در کمینه سرتاسری را پیدا می‌کند؛ در این فرآیند، به اندازه تفاوت انرژی بین دو کمینه مختلف انرژی آزاد خواهد شد که می‌تواند باقی بخش‌های مایع را نیز از سد پتانسیل عبور داده و به فاز جدید ببرد. نتیجه این فرآیند، تشکیل و گسترش حباب‌هایی از فاز جدید (جامد و یا گاز) در درون فاز قدیمی (مایع) است.
همان‌طور که پیش از این نیز اشاره کردیم، فرآیند تشکیل حباب‌ها در کیهان‌شناسی را نیز می‌توان با سازوکاری تقریبا مشابه فهمید. برای این منظور ابتدا توضیح کوتاهی در مورد پدیده تونل‌زنی کوانتومی ارائه خواهیم داد: پدیده تونل‌زنی کوانتومی (که پدیده‌ای ذاتا کوانتومی و بدون معادل کلاسیکی است) نتیجه مستقیم ذات دوگانه (موجی-ذره‌ای) سیستم‌های کوانتومی است. ما در مکانیک کلاسیکی با این موضوع آشنا هستیم که بر خلاف ذرات (مثلا یک توپ را در نظر بگیرید)، موج‌ها (مانند امواج الکترومغناطیسی) می‌توانند به میزانی که به طول موج آن‌ها و همچنین پهنا و ارتفاع قله پتانسیل وابسته است، از سد‌های پتانسیل، مانند یک دیوار، عبور کنند (درست به همین دلیل است که توپ و نور مرئی، حداقل به میزانی که برای ما قابل اندازهگیری باشد، از دیوار عبور نمی‌کنند اما رادیو و تلویزیون شما در درون خانه همچنان کار می‌کنند!). از آنجا که ذرات کوانتومی در واقع بسته‌های موجی هستند که طول موج آن‌ها با رابطه دوبروی داده میشود، انتظار می‌رود که با گذر زمانی به قدر کافی، سیستم‌های کوانتومی نیز بتوانند بدون نیاز به انرژی اضافه (مانند ضربه زدن که برای عبور دادن مایع از سد پتانسیل در مثال ابرسرمایش و ابرگرمایش به آن نیاز بود) از سد‌های پتانسیل عبور کرده و در طرف دیگر آن ظاهر شوند؛ به این پدیده «تونل‌زنی کوانتومی» گفته میشود (شکل زیر را ببینید). پدیده تونل‌زنی کوانتومی علاوه بر مکانیک کوانتومی غیر نسبیتی در نظریه میدان‌هایی کوانتومی (در پس‌زمینه‌های تخت و یا منحنى) نیز اتفاق می‌افتد و در آن یک میدان کوانتومی می‌تواند بدون داشتن انرژی کافی برای عبور کلاسیکی از سد پتانسیل، به طرف دیگر آن تونل بزند!
تونل‌زنی کوانتومی از ناحيه خلا کاذب (FV) به ناحيه خلا حقیقی (TV) را نشان می‌دهد.
حال آماده‌ایم تا چگونگی تشکیل چندجهان و رشد حباب‌ها در فرضیه تورم ابدی را بهتر درک کنیم: در قسمتی از فضای پر شده از خلا کاذب اولیه (مانند فاز مایع در مثال کلاسیکی ابرسرمایش/ابرگرمایش)، حبابی از خلا جدید بر اثر پدیده تونل‌زنی کوانتومی شکل می‌گیرد (درست مانند حباب‌های یخ/گاز که در مثال ابرسرمایش/ابرگرمایش بر اثر تزریق انرژی به سیستم از طریق وارد کردن ضربه ایجاد می‌شدند)؛ این حباب‌ها پس از شکل‌گیری به سرعت در پس‌زمینه خلا کاذب اولیه رشد می‌کنند. بر خلاف آنچه در مثال ابرسرمایش/ابرگرمایش برای آب در یک ظرف با ابعاد ثابت دیدیم، کیهان پر شده از خلا کاذب اولیه خود در حال انبساط شتاب‌دار است (به دلیل انرژی خلا غیر صفر) و بنابراین، بسته به نرخ تولید این حباب‌ها و سرعت رشد آن‌ها ممكن است این حباب‌های خلا جدید هرگز نتوانند خلا کاذب اولیه را به طور کامل پر کنند. به این رژیم از نظریه تورم کیهانی، «تورم ابدی با واپاشی خلا کاذب» یا (False Vacuum Eternal Inflation) گفته میشود. در این حالت، به مجموعه این حباب‌ها چندجهان گفته شده و در موارد بسیار محدودی به هر کدام از این حباب‌ها یک جهان موازی نیز گفته میشود (هر چند استفاده از این واژه در مقالات علمی انگلیسی زبان برای اشاره به این حباب‌ها بسیار غیر متعارف است).
در آخر بايد بر این نکته تاکید کنیم که هر کدام از حباب‌ها در فرضیه چندجهان ناحیه‌هایی از فضا-زمان هستند که بعضی ثابت‌های فیزیکی (مانند ثابت کیهان‌شناسی) در آن‌ها با یکدیگر تفاوت می‌کند. همچنین، تا زمانی که این حباب‌ها با یکدیگر برخورد نکنند، که در رژیم تورم ابدی احتمال آن تقریبا برابر با صفر است، هیچ‌گونه ارتباط علّی بین این حباب‌ها وجود نداشته و سفر کردن بین آن‌ها ممکن نخواهد بود (در صورتی که دو حباب با یکدیگر برخورد کنند، مطمئنا امکانی برای بقای حیات در هیچکدام از آن‌ها باقی نخواهد ماند که بخواهند به جهان دیگر سفر کنند). با این حال بر این نکته تاکید می‌کنیم که اگرچه امکان مشاهده و اندازهگیری مستقیم وجود دیگر حباب‌ها امکان‌پذیر نیست، اما این فرضیه اثرات قابل مشاهده غیر مستقیمی را پیش‌بینی می‌کند که ممکن است در آینده امکان تایید (محدود) و یا رد این فرضیه را فراهم کنند! به صورت خاص، رژیم تورم ابدی با واپاشی خلا کاذب تنها با انحنای فضایی (نه فضا-زمانی) منفی سازگار بوده و در صورت مشاهده انحنای فضایی مثبت و یا صفر می‌توانیم درستی این فرضیه را منتفی بدانیم (هر چند مشاهده شدن انحنای فضایی منفی الزاما به معنی تایید این فرضیه نخواهد بود!).
جهان‌هایی موازی چه نیستند؟
حال که در بخش قبلی این متن با تعریف «تفسیر جهانهای چندگانه» از مکانیک کوانتومی و فرضیه «چندجهان» در کیهان‌شناسی آشنا شدیم، می‌توانیم به برخی باور‌های غلط در ارتباط با این دو مفهوم و استفاده از عبارت «جهانهای موازی» برای هر دو آن‌ها اشاره کنیم: شاید فراگیرترین باور غلط در ارتباط با هر دو این مفاهيم، امکان برقرار کردن رابطه علّی با «جهانهای موازی» است! همان‌طور که در انتهای بخش قبل و در مورد فرضیه چندجهان به آن اشاره کردیم، با اینکه این جهانهای موازی (در واقع حباب‌ها) مکان‌های متفاوتی در فضا-زمان هستند، امکان سفر کردن بین این حباب‌ها وجود نداشته و هیچ ارتباط علّی نیز بین آن‌ها برقرار نمی‌باشد. در مورد تفسیر جهانهای چندگانه این باور غلط حتی مشکل‌زا تر نیز هست زیرا همان‌طور که اشاره کردیم جهانهای موازی توصیف شده در این تفسیر، تاریخچه‌های متفاوتی از جهان خود ما هستند و مکان‌های متفاوتی را در فضا-زمان توصیف نمی‌کنند! بنابراین، امکان سفر کردن بین آن‌ها نیز منتفی (و بی‌معنی) است.
همچنین، از آنجا که در فیلم‌ها، سریال‌ها و داستان‌های علمی تخیلی برای اشاره به هر دو مفهوم توضیح داده شده از عبارت «جهانهای موازی» استفاده میشود، بسیاری از ویژگی‌های این دو مفهوم متفاوت در ادبيات علمی-تخیلی با هم ترکیب شده و ملقمه‌ای را ساخته است که به هیچ کدام از این دو مفهوم علمی شبیه نمی‌باشد! برای مثال، معمولا «جهانهای موازی» در ادبیات علمی-تخیلی به صورت مکان‌هایی تصور می‌شوند (در شباهت با چندجهان) که تاریخچه آن‌ها بسیار شبیه به دنیا ما بوده و تنها تفاوت‌های کوچکی با آن دارد (احتمالا این نگاه از برداشتی نادقیق از تفسیر جهانهای چندگانه نشات گرفته است). بنابراین، همان‌طور که در ابتدای این متن نیز به آن اشاره کردیم، تمیز دادن ویژگی‌های متفاوت این دو مفهوم مجزا در بر طرف کردن کج‌فهمی‌های ایجاد شده نقش مهمی را بازی می‌کند.
در نهايت، همان‌گونه که در بخش قبلی به تفصيل شرح داده شد، به ذات متفاوت این دو مفهوم (یکی تفسیر و دیگری فرضیه) اشاره کرده و بر عدم وجود شواهد تجربی (تا به امروز) برای پذیرش یا رد هر دو این مفاهيم تاکید می‌کنیم! هرچند، امکان تایید یا رد فرضیه چندجهان (و حتی به صورت کلی‌تر نظریه تورم کیهانی) و یا فرضیه «تاریخچه‌های درهمتنیده»، که ایده‌هایی مشابه با تفسیر جهان‌ها چندگانه را مطرح می‌کند، در آینده وجود داشته و هنوز باید برای مطالعه همخوانی پیش‌بین‌های این دو فرضیه با مشاهدات منتظر ماند!
