راهکار جدید فیزیکدانان برای حل پرسشی قدیمی: آیا جهان برای ظهور حیات تنظیم شده است؟

گروهی از پژوهشگران در مقاله‌ای جدید روش‌هایی را برای آزمایش «اصل آنتروپیک»، یا این ایده که «آیا جهان برای وجود حیات تنظیم شده»، ارائه کرده‌اند. در کمال شگفتی، ممکن است طی مدت زمان بسیار کوتاهی به پاسخ این پرسش قدیمی دست یابیم.

یکی از مشکلات موجود در دنیای فیزیک (البته نه برای طرفداران حیات) این است که جهان ظاهراً برای پیدایش و شکوفایی حیات، حداقل از نوعی که روی زمین می‌شناسیم، به‌صورت دقیق تنظیم شده است.

اگر گرانش به‌طور قابل توجهی ضعیف‌تر از آنچه است، بود (هرچند درحال حاضر نیز بسیار ضعیف است)، ستاره‌ها و سیارات تشکیل نمی‌شدند. یا اگر نیروی الکترومغناطیس کمی قوی‌تر بود، ستاره‌ها سردتر بودند و منفجر نمی‌شدند تا عناصر سنگین‌تر موردنیاز برای وجود حیات را تولید کنند. مثال‌های بی‌شمار دیگری نیز وجود دارد؛ حتی با کمی دست‌کاری در مقادیر فیزیک، زندگی آن‌طور که ما در این جهان می‌شناسیم به‌وجود نمی‌آمد.

«پل دیویس»، فیزیکدان انگلیسی درباره‌ی این مشکل می‌گوید: «این کلیشه که حیات بر لبه‌ی تیغ تعادل دارد، دست کم‌گرفتن وحشتناکی است. هیچ تیغی در جهان نمی‌تواند لبه‌ای به این ظرافت داشته باشد.»

طبیعتاً دانشمندان و فیلسوفان تلاش کرده‌اند تا از طریق روش‌های مختلف با این مشکل مقابله کنند. شما می‌توانید استدلال کنید که جهان واقعاً برای حیات تنظیم دقیق نشده است. شاید اگر ثابت‌ها متفاوت بودند، نوع دیگری از حیات (از طریق فرآیندهای متفاوت) پدید می‌آمد تا بپرسد چرا به‌نظر می‌رسد که جهان برای وجود آن بسیار دقیق تنظیم شده است.

یکی از استدلال‌ها این است که پرسیدن این سوال که «چرا جهان برای ما بسیار دقیق تنظیم شده است؟» نوعی «سوگیری بازماندگی» یا «اثر انتخاب ناظر» است که گاهی اوقات اصل آنتروپیک (انسان‌نگر) نامیده می‌شود.

«آندرس ساندبرگ» از موسسه مطالعات آینده می‌نویسد: «فرض کنید تکامل حیات و هوش به مجموعه‌ای از تصادفات بسیار بعید نیاز دارد: سیاراتی در فاصله مناسب از یک ستاره فوق‌العاده‌ی پایدار در منطقه حیات کهکشانی، با یک ماه پایدارساز و یک مشتری منحرف‌کننده‌ی دنباله‌دارها، تنوع شیمیایی مناسب، تصادف شیمیایی کم‌نظیری که سلول‌ها را تولید می‌کند، یک لیست طولانی از مراحل تکاملی با احتمال کم که به ظهور گونه‌ای به‌شدت همه‌فن حریف منجر می‌شود و سپس آن گونه دراثر شرایط محیطی مجبور می‌شود به یک گونه هوشمند خاص تبدیل شود. با این‌حال، هر گونه‌ی حیات هوشمند در جهان این تصادفات را پشت سر خواهد گذاشت. برعکس، دانستن اینکه ما وجود داریم به ما نمی‌گوید که آیا هوش رایج است یا خیر.»

به‌طور خلاصه، هر ناظری خود را در جهانی می‌یابد که به‌نظر می‌رسد کاملاً برای او مناسب است. اگر شرایط درست نبود، زنده نبودند. آنها زنده هستند، بنابراین شرایط باید برای حیات مناسب بوده باشد. گسترش این ایده پیشنهاد می‌کند که ما به سادگی در یک چندجهانی هستیم که مقادیر ممکن زیادی برای ثابت‌های مختلف دارد و در بخشی از آن هستیم که زندگی در آن امکان‌پذیر است.

یکی از فرضیه‌ها برای ماده تاریک، ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف (WIMPs) بود. این ایده مورد توجه قرار گرفت؛ زیرا توسط ابرتقارن پیش‌بینی شده بود و انتظار می‌رفت که به وفور تولید شود تا بتواند مشاهدات آغاز جهان را توضیح دهد. بنابراین، وجود آن‌ها به اصل آنتروپیک نیاز ندارد تا توضیح دهد که چرا اینجا هستیم.

بااین‌حال، ما WIMP-‌ها را در انرژی‌های پیش‌بینی‌شده پیدا نکرده‌ایم و فیزیکدانان به طور فزاینده‌ای به «اکسیون‌ها» و اکسیون‌های WIMP به عنوان توضیح جایگزین روی آورده‌اند. اگر اکسیون‌ها ماده تاریک را تشکیل دهند، پیش‌بینی می‌شود که در طول «تورم کیهانی» در اوایل جهان و در جرم‌های خاصی تولید شده باشند. اگر ماده تاریک اکسیونی یافت شود، یا نشانه‌هایی از آن از طریق جستجوهای آینده مشاهده شود، می‌توانیم آن را به‌عنوان آزمایشی برای اصل آنتروپیک در نظر بگیریم.

«نمانجا کالوپر»، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا، در بیانیه‌ای توضیح داد: «نکته این است که وجود تورم کیهانی و اکسیون‌های فوق سبک با جرم 10-19 eV و کمتر، دلالت بر این دارد که ماده تاریک باید یک اکسیون باشد؛ برای شرایط اولیه معمولی، ما درنهایت با مقدار بسیار زیادی ماده تاریک مواجه می‌شویم و به شدت به اصل آنتروپیک برای محدودکردن آن نیاز داریم. برای اینکه متوجه شویم اکسیون، ماده تاریک نیست، استنباط خواهیم کرد که شرایط اولیه نه تنها بعید بود (که می‌تواند به‌طور آنتروپیک اصلاح شود) بلکه در قلمرو استدلال آنتروپیک نیز نمی‌گنجد.»

هرچند به‌نظر می‌رسد یافتن ماده تاریک احتمالی بسیار ضعیف است، فضاپیمایی به نام «لایت‌برد» (مخفف ماهواره‌ی مخصوص مطالعات قطبش حالت بی) که قرار است در سال ۲۰۳۲ توسط ژاپن پرتاب شود، می‌تواند شواهدی به نفع یا علیه اصل آنتروپیک ارائه دهد.

کالوپر توضیح داد: «ممکن است ماهواره لایت‌برد، امواج گرانشی اولیه‌ی نزدیک به محدوده‌های فعلی را کشف کند که با تورم کیهانی مطابقت دارد. اکثر کیهان‌شناسان احساس می‌کنند که این امر تورم در مقیاس بالا را تأیید می‌کند.»

کالوپر ادامه داد: «ممکن است نشانه‌هایی از اکسیون‌های فوق سبک را نیز با بررسی سیاه‌چاله‌های عظیم در جهان کشف کنیم. اکسیون‌ها بر نسبت اسپین به جرم سیاه‌چاله‌ها تأثیر می‌گذارند و این ممکن است قابل مشاهده باشد. درنهایت، ممکن است جست‌وجوهای آینده برای ماده تاریک کشف کنند که ماده تاریک در درجه اول از اکسیون‌های فوق سبک تشکیل نشده است. در این صورت، نتیجه خواهیم گرفت که اصل آنتروپیک شکست خورده است.»

مطالعه‌ی پژوهشگران به‌صورت پیش‌انتشار در پایگاه داده آرکایو موجود است و برای انتشار در مجله کیهان‌شناسی و اخترفیزیک ذره‌ای پذیرفته است.