کتاب شش عدد
نيروهای بنيادی كه جهان را شكل می‌‌دهند

قدردانی از یاری دهندگان و همکاران

قدردانی از یاری دهندگان و همکاران
پیش از همه وام دار همکارانی هستم که طی سال ها، در تحصیلات و تحقیقات خود، با آن ها همراه بوده ام. اما به همان اندازه رهین بحث های کیهان شناسی عمیقی هستم که با دوستان غیرحرفه ای خود داشته ام: بحث با این عده، به دلیل تاکیدشان بر مفهوم «تصویر کلی» و به دلیل یادآوری مکرر این نکته که مهم ترین پرسش ها هنوز بی پاسخ مانده اند، همواره دیدگاهی تازه به جمع ما ارائه کرده است. بنابراین سپاس های مخصوص من متوجه دیوید هارت(۲)، گرئیم میچیسون(۳)، هانس رَوزینگ(۴)، و نیک وِب(۵)، است. کتاب حاضر را برای خوانندگانی چون آن ها نوشته ام. کوشیده ام در عین اجتناب از ورود به جزئیات فنی، اکتشافات جدید را در جای خود بنمایانم، ادعاهای محکم و باپایه و اساس را از آنچه صرفاً حدس و گمان است متمایز سازم، و بالاخره، اسراری را که هم چنان ناشناخته باقی مانده اند مورد تاکید قرار دهم.
از جان برُک من(۶) که مرا دعوت کرد تا به جمع نویسندگان مجموعه «استادان علم» (که کتاب حاضر اثری است متعلق به این مجموعه) بپیوندم و طی روند کند شکل گیری ایده ها و مطالب کتاب از خود شکیبایی نشان داد، متشکرم. از حمایت های بی دریغ توبی ماندی(۷) و اِما بَکسْتِر(۸) (از موسسه وایدنفلد و نیکولسون(۹)) در تمام مراحل ویرایش و تولید، و نیز از ریچارد سورد(۱۰) و جوپ شِی(۱۱) برای تهیه شکل ها؛ از براین ایموس(۱۲) به خاطر فهرست پایانی؛ و بالاخره از جودیت ماس(۱۳) برای خدمات منشیانه سپاس گزارم.

عالم کیهانی و عالم خُرد

۱. عالم کیهانی و عالم خُرد

انسان... با همه موجودات شناخته شده و غیرشناخته شده رابطه ای جدایی ناپذیر دارد... از گمزادگان و آغازیان و شب تابی که سوسوکنان روی امواج دریا پایین و بالا می رود، تا سیارات چرخان و عالمِ در حال اتساع، همگی با ریسمان کشسان زمان، به هم پیوند خورده اند. مقتضی است از کنار آبی که در جزرومد بالا آمده به ستارگان نظاره شود، و بعد دوباره به آب.

جان اشتاین بک، کنده دریای کرتِز(۱۴)

شش عدد

قوانین ریاضی اند که بافت جهان ما را پی ریزی می کنند: نه فقط بافت اتم ها، بلکه بافت کهکشان ها، ستاره ها، و انسان ها را. و خواص اتم ها (یعنی اندازه، جرم، تعداد عناصر، و نیروهایی که آن ها را به هم پیوند می دهند) هستند که شیمی دنیای روزمره ما را تعیین می کنند. اصلاً وجود خود اتم، به نیروها و ذراتی که در اعماق آن اند وابسته است. آنچه منجمان مورد مطالعه قرار می دهند (یعنی سیارات، ستاره ها، کهکشان ها،...) به وسیله نیروی گرانشی جاذبه اداره می شوند، و همه چیز روی صحنه یک عالمِ در حال اتساع صورت می گیرد؛ عالمی که خواص آن در لحظه مهبانگ بر آن «نوشته شده»اند.
پیشرفت علم از طریق تشخیص الگوها و نظام های موجود در طبیعت، به گونه ای که پدیده های هرچه بیش تر را در مقوله های کلی و قوانین علمی شامل شوند، حاصل می شود. نظریه پردازان می کوشند تا جوهر قوانین طبیعی را در مجموعه ای وحدت یافته از معادلات، و تنها با چند عدد، خلاصه کنند. هنوز به پایان راه نرسیده ایم، اما پیشرفت های حاصله واقعاً جالب توجه اند.
موضوع این کتاب توصیف شش عددی است که اکنون به نظر می رسد از اهمیتی ویژه برخوردارند. از این شش عدد، دو عدد به نیروهای اساسی مربوط می شوند؛ دو عدد دیگر، اندازه و بافت کلی عالم کائنات و همچنین رشد یا عدم رشد آن را معین می کنند؛ و دوتای دیگر هم خواص خود فضا را:

*دلیل وسعت عظیم کیهان وجود یک عدد بسیار بزرگ،N، در طبیعت است که مساوی ۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰, ۱ است. این عدد نسبت قدرت دو نیروست: نیروی الکتریکی (که اتم ها را کنار هم نگه می دارد) به نیروی گرانش جاذبه آن ها. اگر N تنها چند صفر کم تر داشت، فقط یک عالم مینیاتوری کوچک و بسیار زودگذر امکان وجود می یافت: هیچ موجود زنده ای نمی توانست رشد کند تا به اندازه ای بزرگ تر از یک حشره برسد، و برای پیدایش موجودات بیولوژیک نیز زمان کافی وجود نداشت.
*عدد دیگر ε است. مقدار این عدد ۰۰۷ /۰ است و مبین استحکام پیوند هسته ها و چگونگی پیدایش عناصر است. مقدار این عدد است که آهنگ مصرف سوخت خورشید را کنترل و، از آن حساس تر، چگونگی تبدیل هیدروژن به عناصر بعدیِ جدول تناوبی را در ستاره ها تعیین می کند. فراوانی کربن و اکسیژن یا کمیابی طلا و اورانیم به دلیل حوادثی است که در ستاره ها رخ می دهند. اگر ε مساوی ۰۰۶/ ۰ یا ۰۰۸/ ۰ بود، ما وجود نداشتیم.
*عدد کیهانی Ω، به مقدار ماده موجود در عالم مربوط می شود؛ یعنی کهکشان ها، گازهای پراکنده، و «ماده تاریک». این عددِ Ω است که به ما می گوید اهمیت نسبی گرانش و انرژیِ اتساع در عالم چیست. اگر نسبت این دو کمیت از یک مقدار «بحرانی» بیش تر بود، مدت ها پیش، عالم در خود فروریخته بود؛ از سوی دیگر، اگر Ω از مقدار بحرانیش کوچک تر بود، کهکشان یا ستاره ای به وجود نمی آمد. به نظر می رسد سرعت انبساط اولیه با ظرافت بسیار تنظیم شده است.
*اندازه گیری عدد چهارم،λ، بزرگ ترین خبر علمی سال ۱۹۹۸ بود. یک نیروی غیرمنتظره جدید ـ نوعی «پادگرانش» کیهانی ـ اتساع عالم ما را کنترل می کند. البته این نیرو در مقیاس های کوچک تر از ۱ میلیارد سال نوری، دارای تاثیر محسوسی نیست، اما با گذشت زمان که عالم تاریک تر و خالی تر می شود، این نیرو حتماً بر گرانش و نیروهای دیگر، بیش از پیش غالب خواهد شد. برای ما (موجودات زنده) جای خوشبختی (و برای نظریه پردازان جای تعجب فراوان) است که λ این قدر کوچک است. اگر λ این قدر کوچک نبود، مانع شکل گرفتن کهکشان ها و ستاره ها می شد و سیر تکوین کیهان را در نطفه خفه می کرد.
*بذر ساختارهای کیهانی یعنی ستاره ها، کهکشان ها، و خوشه های کهکشانی همه در مهبانگ کاشته شده است. بافت عالم ما به یک عدد، Q، که معرّف نسبت دو انرژی بنیادی است و مقدارش تقریبا مساوی ۰۰۰۰۰۱ /۰ است، بستگی دارد. اگر Qاز این هم کوچک تر بود، اکنون عالم، خنثی و فاقد ساختار بود؛ اگر Qخیلی بزرگ تر از این مقدار بود، عالم مکانی سهمناک و خشن می شد که ستاره ها و منظومه های شمسی در آن امکان پیدایش نمی یافتند و اجرام غالب در چنین عالمی، سیاه چاله ها بودند.
*ششمین عدد حیاتی، عددی است که قرن هاست شناخته شده است، اما اکنون از منظری جدید به آن می نگرند. این عدد، D، تعداد ابعاد مکانی عالم ماست که مساوی ۳ است. اگر Dمساوی ۲ یا ۴ بود، حیات امکان وجود نمی یافت. زمان، بُعد چهارم است، اما این بُعد مخصوصا به واسطه جهت دار بودن ذاتی اش از سایر ابعاد متفاوت است: در این بعد فقط می توان به جلو؛ یعنی به سوی «آینده»، حرکت کرد. نزدیک سیاه چاله ها، فضا چنان پیچ وتاب برمی دارد که مسیر نور دایروی می شود و زمان از حرکت می ایستد. گذشته از آن، در زمان های نزدیک مهبانگ و در مقیاس های بسیار ریز، فضا می تواند عمیق ترین زیرساخت های خود را آشکار کند: ارتعاش ها و هارمونی هایی موسوم به «ابرریسمان» در یک صحنه ۱۰ بعدی.

شاید بین این اعداد ارتباطی وجود داشته باشد. اما در حال حاضر مقدار هیچ کدام از این اعداد را نمی توانیم با استفاده از دیگری پیش بینی کنیم؛ این را هم نمی دانیم که آیا روزی می رسد که «نظریه همه چیز» (یا همان نظریه وحدت چهار نیروی اصلی) فرمولی برای ارتباط این شش عدد با یکدیگر ارائه، یا آن ها را دقیقا و منحصرا مشخص کند، یا نه. دلیل این که این شش عدد را مورد تاکید قرار داده ایم آن است که هرکدام از این اعداد نقشی حیاتی و ممتاز در عالم ایفاء می کند و این اعداد در کنار هم چگونگی تحول عالم و چیستی استعدادهای بالقوه آن را معین می کنند. گذشته از آن، تنها در سال های اخیر بوده که اندازه گیری نسبتا دقیق سه تا از آن ها (سه عددی که به عالم در مقیاس کلان مربوط اند) تا حدودی میسر شده است.
این شش عدد «نسخه» جهان را می پیچند. به علاوه، نتیجه ای که حاصل می شود به شدت نسبت به مقادیر این اعداد حساس است: اگر «تنظیم» هرکدام به هم می خورد، اثری از ستاره، و به تبَع آن، اثری از حیات نبود. آیا این تنظیم، تنها یک واقعیت خشک و یک تصادف است، یا تقدیر یک خالق مهربان؟ از نظر نویسنده: هیچ کدام. از نظر نگارنده ممکن است بی نهایت عالمِ دیگر در «جاهایی» که این اعداد مقادیری متفاوت دارند وجود داشته باشد. اکثر این عوالمِ ممکن، یا مرده به دنیا می آیند یا عقیم اند. تنها در عالمی که دارای ترکیب «درست» است برای موجوداتی چون ما امکان پیدایش (و طبیعتا دیدن خودمان در این جا) وجود دارد. از نظر نویسنده، درک این نکته منظری کاملاً متفاوت و جدید نسبت به عالم و منزلت ما در آن، و نیز نسبت به ماهیت قوانین طبیعی عرضه می کند.(۱۵)
به راستی جای تعجب است عالمی در حال اتساع با آغازی چنان ساده، که با چند عدد قابل توصیف باشد، بتواند (به شرط این که این اعداد به طور مناسب «تنظیم» شوند) به عالمی با چنین ساختارهای پیچیده تبدیل شود.
بگذارید ابتدا با مرور این ساختارها در همه مقیاس ها، از اتم گرفته تا کهکشان، صحنه را بچینیم.

جهان از دید یک عدسی عکاسی

بیایید با یک «عکس فوری» عادی، از یک زوج، که از فاصله چند متری گرفته شده است آغاز کنیم؛ سپس همین صحنه را از نقاط دور و باز دورتر بنگریم، به گونه ای که هر کدام از فاصله ای ۱۰ برابر دورتر از عکس قبلی باشد. عکس دوم سبزه هایی را که زوج مزبور روی آن ها نشسته اند نشان می دهد؛ سومین عکس نشان می دهد که آن ها در یک پارک عمومی هستند. در عکس چهارم چند ساختمان بسیار بلند آشکار می شود؛ عکس بعدی تمامی شهر، و عکس بعد از آن، بخشی از افق زمین را نشان می دهد؛ این عکس از ارتفاعی گرفته شده است که به وضوح، انحنای کره زمین را نشان می دهد. دو عکس که جلوتر رویم با تصویری نافذ روبه رو می شویم که از دهه ۶۰ به بعد برای همه آشناست: تصویر کل کره زمین؛ قاره ها، اقیانوس ها و ابرها، با زیست کره اش که از آن فاصله فقط به صورت یک لایه براق و لطیف، در برابر ماهِ خشک و خالی، جلوه گری می کند.
سه عکس دیگر که پیش رویم، سیاره های درونی(۱۶) منظومه شمسی و مدار گردش زمین به دور خورشید، کمی دورتر از مدارهای تیر و ناهید، قابل رویت می شوند. تصویر بعدی، همه منظومه شمسی را نشان می دهد. باز اگر چهار عکس پیش رویم (در تصویری که از فاصله ای برابر چند سال نوری گرفته شده است)، خورشید را در بین همسایگانش، مانند یکی از ستارگان آسمان شب می بینیم. سه عکس دیگر که پیش رویم می توانیم در گستره ای به وسعت ده ها هزار سال نوری، میلیاردها ستاره مشابه در صفحه پهن راه شیری ببینیم. و باز سه عکس دیگر که جلو رویم، راه شیری به صورت یک کهکشان مارپیچی به همراه کهکشان اندرومیدا(۱۷) (اِمراه المسلسله) آشکار می شود. از این جا به بعد، راه شیری و اندرومیدا به صورت دو کهکشان در بین صدها کهکشان دیده می شوند - همه این ها اعضاء حومه خوشه کهکشانی سنبله اند.(۱۸) یک جهش دیگر نشان می دهد که خوشه سنبله، خود تنها یک خوشه نسبتا کوچک است. حتی اگر این تلسکوپ عکاسی خیالی ما قدرت تلسکوپ فضایی هابل(۱۹) را داشته باشد، باز هم کل کهکشان ما در آخرین عکس به زحمت به صورت یک نقطه نورانی ضعیف در فاصله چندین میلیارد سال نوری، قابل تشخیص خواهد بود. رشته تصاویر در این جا به پایان می رسد. افق ما از این جلوتر نمی رود؛ اما می بینیم که چطور با مقیاس «بشری» چند متر آغاز کردیم و با ۲۵ جهش، که در هر جهش با ضریب ۱۰ جلو رفتیم، به آخرین حدود عالم قابل مشاهده رسیدیم.
دسته دیگر عکس ها به سمت درون تمرکز می کنند. از فاصله کم تر از ۱ متر، بازوی مرد را می بینیم؛ از فاصله چند سانتی متری (یعنی کم ترین فاصله ای که با چشم غیرمسلح می توان دید) بخشی کوچک از پوست دست او را می بینیم. عکس های بعدی ما را به درون بافت های ریز اندام بشر، و سپس به درون خود سلول ها می برند (تعداد سلول های بدن ما تقریباً ۱۰۰ برابر تعداد ستاره های کهکشان ماست). سپس در جایی که تقریباً آخرین حد توانایی میکروسکوپ های قوی است، می توانیم قلمرو خود مولکول ها را بکاویم: رشته های به هم پیچیده طولانی پروتئین ها و مارپیچ دوتایی DNA.
عکس بعدی روی خود اتم ها متمرکز خواهد بود. در این جا تداخل های مربوط به اثرات کوانتمی وارد می شوند: این جاست که دقت و تمیزپذیری عکس هایی که می توانیم بگیریم، محدود می شود. هیچ میکروسکوپ واقعی نمی تواند درون اتم، جایی که انبوهی از الکترون ها، هسته با بار مثبت را احاطه کرده اند، بکاود. اما حتی ساختارهای ۱۰۰ بار کوچک تر از هسته اتم ها را می توان از راه ایجاد برخورد با ذرات دیگر، که ماشین های شتاب دهنده سرعت آن ها را تا نزدیک سرعت نور رسانده اند، مورد مطالعه قرار داد. ریزترین جزئیاتی که اکنون بشر می تواند مستقیماً اندازه بگیرد همین ها هستند. البته گمان می رود ساختارهای بنیادین طبیعت احتمالاً «اَبَرریسمان» یا «کف کوانتمی»(۲۰) باشند: مقیاس مربوط به این ساختارها آن قدر کوچک است که باید ۱۷ عکس دیگر پیش رفت تا به آن ها رسید.(۲۱)
نسبت بزرگ ترین بُعد ــ یعنی دورترین فاصله ای که امروزه تلسکوپ های ما می توانند نشان دهند ــ به ابعاد یک ابرریسمان ــ یعنی کوچک ترین ساختاری که گمان می رود درون اتم وجود داشته باشد ــ مساوی یک عدد ۶۰ رقمی است: پس، در توصیف ما از جهان طبیعت برحسب «عدسی تنظیمی»، ۶۰ عکس وجود دارد، که اندازه گیری های بالا، ۴۳ مورد از آن ها را پوشش می دهند. از این ۶۰ مرحله، تجربه روزمره ما، از ریزترین چیزهایی که چشم ما می تواند ببیند، یعنی مقیاس میلی متری، تا فواصلی که در پروازهای بین قاره ای می پیماییم، حداکثر ۹ مرحله را دربرمی گیرد. این امر یک واقعیت مهم و برجسته را، که آن قدر بدیهی است که به آن توجه نمی کنیم، آشکار می سازد: عالم ما محدوده ای بسیار عظیم از مقیاس ها، و مجموعه ای بسیار متنوع از ساختارها را دربرمی گیرد که ابعاد محسوسات روزمره ما در برابر ابعاد آن بسیار کوچک اند.