۱۲ آذر ۱۳۸۰ ۰۳:۳۰

سازوکار عالم و اعداد بنیادی طبیعت

بهرام مبشر ترجمه: حسن فتاحي . مريم سليماني

خود را کودکی یافتم که بر پهنای ساحلی در حالی به بازی خویش مشغول است که اقیانوسی سِتُرگ از حقیقت، کشف‌نشده، در پس سر او غُنوده است.

«آیزاک نیوتن»

حدود 13.8 میلیارد سال پیش عالم پدید آمد و همان‌دم فضا و زمان هم به وجود آمدند. درحالی‌که عالم فقط یک ثانیه از پیدایش آن می‌گذشت، چهار نیروی بنیادی طبیعت شامل نیروهای گرانش، هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف و الکترومغناطیس، ویژگی‌های کنونی خود را به دست آوردند. ذرات بنیادی جرم‌دار شدند و هسته‌ها و اتم‌ها شکل گرفتند. هسته‌های عناصر سبک همچون هلیوم و لیتیوم در همان 10 دقیقه اول بعد از مهبانگ شکل گرفتند. اتم‌های پایدار بعدی هم در بازه زمانی که عالم ۳۸۰ هزار سال داشت، شکل گرفتند. با گذشت بیش از یک میلیارد سال از پیدایش عالم، حالا نسل اول ستارگان، موسوم به ستارگان اولیه کهکشان‌ها در عالم در حال انبساط پدیدار شده بودند. آرام‌آرام سامانه‌های سیاره‌ای و حیات روی زمین آشکار شد و نتیجه این تحول چند میلیارد سال عالم حضور انسان روی زمین است. کتاب «خاستگاه‌ها: داستان آغاز هر چیز» روایتگر آغاز هر چیزی است که امروز با آن سروکار داریم؛ عالم، کهکشان‌ها، ستارگان، سیارات، حیات و تمدن انسانی. این کتاب تألیف استاد نامور کیهان‌شناسی رصدی دانشگاه کالیفرنیا، بهرام مبشر، است و خواننده مشتاق کشف روند تحولی و تکاملی عالم و آدم را به زیبایی به سفری شگفت‌انگیز می‌برد. مقاله حاضر ترجمه گزیده‌ای از فصل اول کتاب است. پروفسور بهرام مبشر یکی از برجسته‌ترین کیهان‌شناسان رصدی است. وی سال‌ها نماینده سازمان فضایی اروپا در ناسا و از مجریان طرح تهیه ژرف‌ترین تصویر از عالم بود. بهرام مبشر تاکنون به دلیل انجام پروژه‌های علمی زیاد و معتبر و نیز انتشار مقالات علمی فراوان، جوایز فراوانی دریافت کرده است. او علاوه بر پژوهش‌های تحقیقاتی تراز اول، راهنمایی پایان‌نامه‌های دکترای نجوم بسیاری را هم بر عهده داشته که دانشجویان ایرانی هم در میان آنان به چشم می‌خورد.

مقدمه و نگرشی کلی

عنوان این کتاب راهنمای مطالب موجود در آن است؛ تلاشی چندوجهی برای عبور از میان مرزهای علم. مادامی‌که ما از میان زمینه‌های بسیار متفاوت می‌گذریم، توجه ما بر چیستی «خاستگاه» متمرکز می‌شود؛ اینکه چگونه هر آن چیزی که در عالم مشاهده و تجربه می‌کنیم، به‌گونه‌ای که اکنون هست پیش ‌آمده؟ ما پدیده‌های طبیعی را مشاهده می‌کنیم و آنها را بدیهی می‌پنداریم. هرچند هر آن چیزی که در دنیای فیزیکی مشاهده می‌کنیم، احتمالا شروعی داشته است و از طریقی به شکل کنونی‌ خود درآمده است. هدف ما در اینجا کاوشی عمیق‌تر برای دیدن نقطه‌ آغازین تمام این پدیده‌هاست و اینکه چگونه این پدیده‌های ظاهرا مستقل گردهم آمده‌اند تا شرایط کنونی عالمی را که می‌بینیم و تجربه می‌کنیم، فراهم آورند. علم به راه و روش‌هایی گفته می‌شود که از طریق الگوهایی که با تجربیات و مشاهدات در مقام مقایسه قرار می‌گیرند، به توضیح طبیعت می‌پردازد. این راه و روش مستلزم یک تفکر نکته‌سنجانه برای مفهوم‌آفرینی از یک پدیده مشاهده‌پذیر و سپس تلاش در جهت توضیح آن پدیده از طریق قوانین اثبات‌شده و محک‌زدن آن با آزمایش‌هاست. از راه علم، می‌توان کنجکاوی بشر را مورد ملاحظه قرار داد؛ از ژرفای فضا گرفته تا درون یک اتم و تا ساختار یک سلول زنده، با کمک بزرگ‌ترین تلسکوپ‌های زمینی و کاوشگرهای فضایی، شتاب‌دهنده‌های قوی ذرات و میکروسکوپ‌های الکترونی قدرتمند. با بهره‌گیری از اصول علمی پایه می‌توان به توسعه و رشد فنّاوری پرداخت که خود برای اندازه‌گیری‌ها و مشاهدات بسیار دقیق‌تر و احتمالا اکتشافات علمی جدید ضروری و لازم است. مطالعه خاستگاه‌ها به شناخت هرچه ‌بهتر جهان و از طریق آن به شناخت خود ما و موقعیت‌مان در این عالم کمک خواهد کرد. هدف از این فصل این است که با ارائه‌دادن خلاصه‌ای بسیار کوتاه از آنچه در ادامه سری مقالات خواهد آمد، زمینه‌ای برای درک بهتر سازوکار عالم فراهم کند. این فصل به ارائه چکیده‌ای از تاریخچه‌ همه ‌چیز می‌پردازد و در ادامه به مطالعه قوانین بنیادی طبیعت و ثابت‌های فیزیکی حاکم بر جهان اطراف ما خواهد پرداخت و به‌این‌ترتیب زمینه‌ کلی مورد نیاز برای باقی مقالات مبتنی بر فصل‌های این کتاب را فراهم می‌کند.

نگرشی کلی به تاریخچه همه‌چیز

گواهی قانع‌کننده وجود دارد که عالم ما حدود 13.8 میلیارد سال پیش، از یک انفجار بزرگ با نام مِهبانگ آغاز شد. فضا و زمان در همان یک‌ لحظه شکل گرفت. لحظه‌ای که در آن، چگالی و دما بیشینه بودند. بر اثر کش‌آمدن فضا، عالم از آن هنگام تاکنون کماکان در حال انبساط است. نخستین ذرات در کسری از ثانیه، با شکل‌گیری هسته‌ اتم هیدروژن که سبک‌ترین هسته است، درست یک دقیقه پس از مهبانگ پدیدار شدند. ‌عالم در نتیجه‌ انبساطش سرد شد، الکترون‌ها به هسته‌های موجود پیوستند و اتم‌ها شکل گرفتند و این منجر به شکل‌گیری ماده‌ای که امروزه می‌شناسیم، شد. بر اثر نیروی گرانش و آشفتگی‌های اولیه در یک توزیع ماده‌ یکپارچه‌ متفاوت دیگر، با کنار یکدیگر آمدن ماده، ساختارهایی چون کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی شکل گرفتند. کهکشان‌هایی به‌طور متوسط با صدها هزار میلیون ستاره با عالمی قابل‌ مشاهده که به‌طور تخمینی شامل صدها هزار میلیون کهکشان است. در سرتاسر عمر عالم، ویژگی‌های کهکشان‌ها به دلیل برهمکنش با دیگر سامانه‌ها و یا تحول تدریجی تأثیرپذیر ستاره‌های موجود در آنها تغییر کرده‌اند. ما برآوردهای بسیار دقیقی درباره عناصر تشکیل‌دهنده عالم داریم؛ هرچند درباره‌ طبیعت مؤلفه‌های حاکم بر آن یعنی ماده تاریک (۲۲ درصد)، انرژی تاریک (۷۴ درصد) و ماده معمولی (۴ درصد) اطمینان کمتری داریم. ماده‌ تاریک از طریق نیروی گرانش، کهکشان‌ها را به‌طرف خود جذب کرده و آهنگ انبساط عالم را کاهش می‌دهد؛ درحالی‌که انرژی تاریک، کهکشان‌ها را دفع می‌کند و آهنگ انبساط را افزایش می‌بخشد. آنچه ما در آسمان شب می‌بینیم و تمامی آنچه در عالم مشاهده می‌کنیم، تنها چهار درصد از محتویات عالم را تشکیل می‌دهد. بعد از اینکه ستارگان از رُمبش گاز سردِ درون کهکشان‌ها شکل گرفتند، سیارات در حال چرخش به دور ستارگان در صحنه پدیدار شدند. برای نخستین‌بار در تاریخ تمدن بشر، ما قادر به یافتن و مطالعه‌ سیاراتی خارج از سامانه‌ خورشیدی خود هستیم که می‌تواند به ما در فهمیدن فازهای اولیه‌ شکل‌گیری سیاره‌مان، زمین، در حدود 4.6 میلیارد سال پیش کمک کند. ستارگان کارخانه‌های اصلی برای تولید عناصر سنگین هستند. آنها با تبدیل تمام عناصر سبک خود به عناصر سنگین‌تر سرانجام سوخت خود را تمام می‌کنند. اگر ستاره‌ای به‌قدر کافی سنگین باشد، به‌صورت یک ابرنواختر منفجر می‌شود و با پخش‌کردن مواد سنگین درونشان در فضای میان‌ستاره‌ای، این محیط را با مواد شیمیایی سنگین غنی می‌سازند. این، سرچشمه‌ عناصر سنگین یافت‌شده روی کره‌ زمین است، عناصری که مسئول حیات هستند. شاهدی برای نخستین موجودات زنده روی کره زمین که به حدود 3.5 میلیارد سال پیش بازمی‌گردد، چیزی به شکل سلول‌های نخستین یا پیش‌سلول‌ها یا به‌اصطلاح سلول بدون هسته و غشا بوده است و سپس، سلول‌های پیچیده‌تری که منجر به تشکیل سلول‌هایی شدند که توانایی انجام وظایفی چندگانه را داشتند. تمامی اینها در اعماق اقیانوس‌ها آغاز شد و زمانی که جوّ زمین شکل گرفت، به خشکی انتقال یافت. اولین اندامگان یا سازواره‌های زنده برای زنده‌ماندن نیازی به اکسیژن نداشتند و در نتیجه به‌عنوان پسماند، اکسیژن آزاد می‌کردند. این به افزایش اکسیژن در جوّ و در پی آن شکل‌گیری لایه‌ ازن منتهی شد که لایه‌ای محافظ به دور کره‌ زمین ایجاد کرد. لایه‌ای که از آن در برابر تشعشعات شدید فرابنفش خورشید محافظت کرده و زمین را قابل سکونت یا زیست‌پذیر می‌کند. تحول حیات روی کره‌ زمین فرایندی بسیار پیچیده است. تنها سامانه‌هایی قادر به ادامه زندگی و رشدیافتن شده‌اند که توانسته‌اند خود را با محیط اطرافشان سازگار كنند. جهش به خلق گونه‌های مختلفی از گیاهان و حیواناتی که امروزه مشاهده می‌کنیم، منتهی شد. تاریخچه‌ گونه پستانداران نخستین یا نخستینان به بیش از یک‌ میلیون سال پیش بازمی‌گردد، درحالی‌که نزدیک‌ترین نیاکان ما یعنی شبیه‌ترین گونه‌ انسان‌های نخستین به بشر امروزی روی سیاره زمین حدود صد هزار تا 150 هزار سال پیش زندگی می‌کردند. آنها تکامل یافتند و خود را با محیط اطرافشان سازگار كردند. اندازه مغزشان افزایش یافت و هوششان را تقویت كرد. پیدایش اولیه و تکامل زندگی پستانداران در آفریقا رخ داد. بعد گروهی از هوموساپیان‌ها در حدود 30 هزار سال پیش شروع به نقل ‌مکان از آفریقا و وارد‌شدن به اروپا و آسیای کنونی کردند. در زمانی نامشخص آنها شروع به تشکیل جوامع کردند، با یکدیگر ارتباط برقرار كرده و در یافتن روش‌های جدیدی برای تغذیه‌ خودشان پیشرفت کردند. در حدود 10 هزار سال پیش کشاورزی ابداع شد و نیاکان ما اهلی‌کردن حیوانات را آموختند. در مرحله‌ای آنها راه‌هایی برای تولیدکردن غذا با بازده بیشتر یافتند و غذای بیشتری مصرف کردند. آنان زمان بیشتری یافتند تا برای امور دیگری مانند به‌وجودآوردن جوامع مدنی وقت بگذارند. اینها پیشرفت گام‌به‌گام حیات روی کره‌ زمین را نشان می‌دهد. برای اینکه درباره مقیاس‌های زمانی مربوطه طرحی ارائه دهیم، آموزنده است تا تاریخچه‌ عالم و حیات روی کره‌ زمین را در مدت یک سال فشرده کنیم. با درنظر‌گرفتن عمر ۱۳٫۸ میلیارد ساله برای عالم، در این طرح هر ماه مطابق است با بیش از یک میلیارد سال و این در حالی است که هر روز معرف 40 میلیون سال و هر ثانیه در حدود ۴۰۰ سال است. تصور کنید که عالم در ساعت ۱۲ ظهر یکم ژانویه آغاز شده است. در این مقیاس زمانی، کهکشان راه ‌شیری در ماه مِی و سامانه‌ خورشیدی آن در اوایل سپتامبر شکل‌ گرفته است. حیات نخستین روی کره‌ زمین در اواخر سپتامبر آغاز شد، درحالی‌که ساختارهای زنده‌ پیچیده‌تر در نوامبر شکل گرفتند. صورت پیچیده‌تری از حیات تا اواسط دسامبر پدیدار نشد. ماهی‌ها نخستین حیواناتی بودند که در ۱۷ دسامبر وارد صحنه شدند؛ درحالی‌که گیاهان و حیوانات اهل خشکی ۲۰ تا ۲۳ دسامبر پدیدار شدند. دایناسورها در حدود ۲۵ تا ۲۶ دسامبر پا به صحنه گذاشتند. در ۳۱ دسامبر انسان‌گونه‌ها (نخستین نیاکان ما) تسلط بر زمین را آغاز کردند. کشاورزی در ۲۵ ثانیه توسعه یافت و اهرام مصر ۱۱ ثانیه پیش از نیمه‌شب ساخته شد. در این مقیاس تمامیت تاریخ بشر در چهار دقیقه‌ آخر تاریخچه‌ عالم رخ می‌دهد.

ثابت‌های فیزیکی

چرا عالم این‌گونه است؟ چگونه شرایط برای حیات رشد و تحول یافت؟ چگونه سیاره‌ ما شکل گرفت، تحول یافت و قابل سکونت شد؟ این سؤال‌ها به‌همراه بسیاری پرسش‌های بنیادی دیگر می‌توانند توسط ثابت‌های فیزیکی طبیعت بررسی شوند؛ درحالی‌که روشن نیست که این ثابت‌ها چگونه ارزش مقادیری را که دارا هستند دارند یا خاستگاه آنها چه بوده است؛ اما آنها مهم‌ترین شاخص‌ها یا پارامترها برای شکل‌دادن به جهان پیرامون ما هستند. برخی از مهم‌ترین ثابت‌های فیزیکی عبارت‌اند از: سرعت نور، ثابت پلانک، بار الکتریکی، جرم الکترون، ثابت گرانشی نیوتن و ثابت‌هایی که مسئولیت قدرت‌بخشیدن به نیروهای بنیادی در طبیعت را بر عهده دارند. بنیادی‌ترین ثابت‌ها ابعادی (دیمانسیون‌هایی) دارند که بر پایه‌ کمیت‌های جرم، طول و زمان استوارند. دسته‌ای از ثابت‌های فیزیکی هم وجود دارند که فاقد یکا و به‌بیان‌دیگر بدون بُعدند. مثالی از این ‌دست، ثابت ابعاد ظریف است که مقدار آن بسیار کوچک است و قدرت برهمکنش الکترومغناطیس را بیان می‌کند. نکته‌ جالب درباره‌ یکاهای بدون بُعد این است که آنها حقایقی را درباره‌ عالم بیان می‌کنند که به‌طورکامل از انتخاب یکاهای ما مستقل‌اند. اگر این ثابت‌ها مقادیر متفاوت دیگری داشتند، عالم مکان کاملا متفاوتی می‌بود. عالم به شکل کنونی خود و شرایطی که از حیات روی زمین حمایت می‌کند، تنها زمانی می‌تواند وجود داشته باشد که ثابت‌های فیزیکی مقادیری را که هم‌اکنون دارند، داشته باشند. اگر این ثابت‌ها اندکی متفاوت می‌بودند، ما در اینجا نبودیم. در ادامه برای روشن‌کردن این مطلب مثال‌هایی چند آورده‌ام. با در نظر گرفتن چهار نیرو در طبیعت: گرانش که بر ساختار بزرگ‌مقیاس عالم حاکم است، الکترومغناطیس که‌ اتم‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد، نیروی هسته‌ای ضعیف که مسئول واپاشی‌های ذرات است و نیروی هسته‌ای قوی که مسئول در کنار هم نگه‌داشتن ذرات در درون هسته‌ اتم‌هاست.

1- اگر قدرت نیروی قوی که هسته‌ اتم‌ها را به هم می‌چسباند (پروتون‌ها و نوترون‌ها) دو درصد قوی‌تر می‌بود، دو پروتون با یکدیگر ترکیب‌شده و هسته‌ سنگین بعد از هیدروژن با دو پروتون را می‌ساختند. در عالم کنونی این عنصر، عنصری بسیار ناپایدار است که به‌سرعت واپاشیده می‌شود. به‌هرحال یک نیروی هسته‌ای قوی‌تر آن را پایدار می‌ساخت، پس‌ازآن این عنصر زمان بیشتری باقی می‌ماند و به‌این‌ترتیب به هیدروژن که در آن زمان به‌وفور وجود داشت، اجازه‌ ترکیب‌شدن با خود را می‌داد و به‌این‌ترتیب تمامی هیدروژن عالم اولیه را مصرف کرده و به‌طورجدی سازوکارهای هسته‌ای در ستارگان و بنابراین تولید عناصر شیمیایی را تغییر داده و عالمی بسیار متفاوت ازآنچه اکنون هست، می‌ساخت.

2- قدرت نیروی الکترومغناطیس، طبق اندازه‌گیری با ثابت ساختار ظریف که در بالا توضیح داده شد، 10 به توان 36 برابر قوی‌تر از نیروی گرانش است. اگر این نیرو اندکی قوی‌تر بود، عالم کوچک‌تر و عمر کوتاه‌تری داشت و هیچ احتمالی برای رشد حیات باقی نمی‌ماند.

۳- دو پروتون و دو نوترون ترکیب‌شده تا هسته‌ اتم هلیم شکل بگیرد. هرچند جرم مجموع اینها تنها 99.3 درصد از جرم هسته اتم هلیم را تشکیل می‌دهد. ۰٫۷ درصد باقی‌مانده (۰٫۰۰۷ جرم کل) به‌صورت انرژی آزادشده و خورشید ما و دیگر ستاره‌ها را می‌سوزاند. این اتفاق به‌وسیله‌ نیروی قوی که هسته‌ اتم‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد، تنظیم ‌شده است. اگر این عدد اندکی کوچک‌تر بود (۰٫۰۰۶ به‌جای ۰٫۰۰۷) پروتون‌ها و نوترون‌ها به یکدیگر نمی‌چسبیدند و عالم تنها از هیدروژن تشکیل می‌شد و هیچ عنصر سنگینی تولید نمی‌شد و هیچ حیاتی در عالم شکل نمی‌گرفت. اگر این کسر اندکی بزرگ‌تر بود (۰٫۰۰۸ به‌جای ۰٫۰۰۷)، تمامی پروتون‌ها با نوترون‌ها ترکیب‌شده و هیچ هیدروژنی در عالم باقی نمی‌ماند و عالم به سمت بسیار متفاوتی پیش می‌رفت. مثال‌های متعددی وجود دارد که چگونه تغییر اندکی در مقادیر پارامترهای فیزیکی می‌توانست بر تحول عالم و حیات تأثیر بگذارد. در مقالات بعدی برخی از این «تنظیم ظریف»های شگفت‌انگیز را مطرح خواهم ساخت.

تعاریف، دستگاه‌های اندازه‌گیری و یکاها

گالیلئو گالیله در حدود ۴۰۰ سال پیش اظهار کرد که «آنچه را قابل‌اندازه‌گیری است، اندازه‌گیری کنید و آنچه را چنین نیست، قابل‌اندازه‌گیری سازید». اندازه‌گیری، سازوکاری است که مشاهدات علمی را مقدارسنجی می‌کند. برخی از اندازه‌گیری‌ها مستقل هستند درحالی‌که برخی دیگر می‌توانند برحسب دیگر اندازه‌گیری‌ها بیان شوند. به‌عنوان‌مثال طول، کمیتی است مستقل، درحالی‌که مساحت به کمک اندازه‌گیری دو طول و حجم به کمک اندازه‌گیری سه طول بیان می‌شوند (طول، پهنا و عمق). جرم و زمان، اندازه‌گیری‌های مستقل هستند که می‌توانند برای تعریف‌کردن نیرو، انرژی یا سرعت و شتاب استفاده شوند. اندازه‌گیری‌ها برحسب یکاها بیان می‌شوند. جدای از یکاهای طبیعی که در بالا اشاره شد، یکاها دارای هویت قراردادی هستند و کمیت‌های فیزیکی بسته به یکاهای انتخابی‌شان مقادیر متفاوتی دارند. در ابتدا زمانی که برای بیان اندازه‌گیری‌ها نیاز به یکاها را درک کردند، یکاهایی تعریف شدند که همگی وابسته به طرز تفکر شخص بودند؛ برای مثال یکاهای طول وابسته به اعضای بدن (اینچ و فوت)، یکاهای جرم که همگی بسته به جرم دانه‌ گندم (برای جرم‌های کوچک) یا سنگ (برای جرم‌های بزرگ‌تر) و یکاهای زمان که مبتنی بر تقسیم روز به ساعت‌ها، دقیقه‌ها و ثانیه‌ها بودند و توسط بابلی‌ها به وجود آمدند. در نتیجه برخی از یکاها که به شکل متداول تعدیل شدند، بدون هیچ معنای علمی واقعی فقط ارزش تاریخی دارند. اکنون با بهره‌گرفتن از تعاریف جدیدی از یکاها، اندازه‌ دستگاه‌های اندازه‌گیری‌شده (چه در ابعاد عالم و چه در ابعاد یک سلول) ارائه و مقیاس‌های مختلف تطابق داده می‌شوند. یکاهای مختلفی برای فواصل نجومی وجود دارد که به ابعاد سامانه مسئله بستگی دارد. در درون سامانه سیاره‌ای ما (سامانه‌ خورشیدی) یکای نجومی (AU) استفاده می‌شود که به‌عنوان فاصله‌ زمین تا خورشید که ۱۴۹۵۹۷۸۷۱ کیلومتر است، تعریف می‌شود. فواصل بزرگ‌تر در بیرون از سامانه‌ خورشیدی برحسب پارسِک (pc) اندازه‌گیری می‌شود که به‌صورت فاصله‌ای تعریف می‌شود که در آن یک یکای نجومی در مقابل یک زاویه از یک ثانیه‌ قوسی قرار داشته باشد. این فاصله معادل با ۳٫۲۶ سال نوری یا ۳۱۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ کیلومتر است. یکای دیگری برای فواصل نجومی سال نوری است که معادل فاصله‌ای است که نور در مدت یک سال طی می‌کند و معادل ۹٫۴۶ ضرب در ۱۰ به توان ۱۲ کیلومتر است. فواصل بزرگ‌تر با کیلوپارسِک (۱۰ به توان ۳ پارسِک=kpc) یا مگاپارسِک (۱۰به توان ۶ پارسِک=Mpc) اندازه‌گیری می‌شود. یکای متداول جرم در زندگی روزمره کیلوگرم (kg) است که جرم استوانه‌ای است که در اداره بین‌المللی اوزان و مقیاس‌ها در فرانسه نگهداری می‌شود. ازآنجایی‌که این تعریف به یک شئ بستگی داشته و هیچ مبنای قانونی یا معقولی ندارد، رضایت‌بخش نیست. تعریف فیزیکی دیگری برای جرم بر مبنای حرکت اجسام به این صورت وجود دارد که: اجسام تمایل دارند که وضعیت سکون یا حرکت یکنواخت بر روی خط راست خود را حفظ کنند. به این ویژگی ماده، لختی یا اینرسی گفته می‌شود. جرم یک جسم اندازه‌ لختی آن است. جرم نباید با وزن که نیروی جاذبه‌ انباشته‌شده بر روی یک جسم است، اشتباه گرفته شود. جرم یک جسم صرف‌نظر از موقعیت آن‌همه جا یکسان است؛ درحالی‌که وزن جسم بسته به موقعیت آن بر روی زمین یا هر سیاره‌ دیگری متفاوت است. جرم اجرام سماوی غالبا در یکایی اندازه‌گیری می‌شود که مبنای آن، جرم خورشید (بر حسب کیلوگرم یا گاهی گرم) است. یکای اصلی زمان ثانیه است که در ابتدا يك تقسیم بر ۸۶۴۰۰ از یک روز خورشیدی بود. هرچند ازآنجایی‌که یک روز خورشیدی در طول یک سال ثابت نیست، بنابراین یکای ثابت و بدون تغییری نبود. در نتیجه اکنون یک ثانیه به‌صورت ۹٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰ نوسان اتم سزیم تعریف می‌شود که تعریفی با دقت چندین میلیونم ثانیه برای یکاهای زمان فراهم می‌كند. زمان‌های نجومی یا زمین‌شناسی اغلب با میلیون‌ها یا میلیارد‌ها سال بیان می‌شوند. سرعت یک جسم به‌صورت تغییر مسافت آن بر یکای زمان تعریف‌شده و با یکای متر بر ثانیه بیان می‌شود. شتاب به صورت تغییر سرعت بر یکای زمان تعریف می‌شود. اگر سامانه‌ای سرعت خود را در بازه زمانی میان زمان اولیه و زمان ثانویه از سرعت اولیه به سرعت ثانویه تغییر دهد، شتاب آن به‌صورت تفاضل سرعت روی تفاضل زمان خواهد بود (در صورت منفی‌بودن به آن شتاب منفی می‌گویند). شتاب با یکای متر بر مجذور ثانیه بیان می‌شود. دما به‌صورت انرژی میانگین (سرعت) مولکول‌ها در یک جسم یا یک سامانه تعریف می‌شود. به‌بیان‌دیگر دما اندازه‌ انرژی داخلی یک جسم است که از میانگین سرعتی که مولکول‌های جسم با آن حرکت می‌کنند ناشی می‌شود. دما با گرما که با چگونگی انتقال انرژی از سامانه‌ای به سیستم دیگر تعریف می‌شود، متفاوت است. یکای دما که در متون علمی استفاده می‌شود کلوین است. صفر کلوین که به آن صفر مطلق گفته می‌شود، برابر با منهاي 273 درجه سلسیوس است. در صفر مطلق اتم‌ها و مولکول‌های جسم به‌هیچ‌عنوان حرکتی ندارند. در مقیاس دمایی کلوین عدد منفی وجود ندارد. برای تبدیل دمای کلوین به یکای سلسیوس، باید ۲۷۳ را از یکای کلوین تفریق کرد. برای مثال، ۳ درجه کلوین برابر با منهای ۲۷۰ درجه سلسیوس است. برای ذرات بنیادی جرم و انرژی، از طریق رابطه‌ معروف اینشتین که در آن E انرژی، m جرم و c سرعت نور است، هم‌ارزند. بر اساس این رابطه است که جرم و انرژی با یکدیگر مرتبط هستند. یکای انرژی، الکترون‌ولت است که به‌صورت انرژی دریافت‌شده توسط یک الکترون (یکای بار الکتریکی) زمانی که بین دو نقطه با اختلاف ‌پتانسیل یک ولت در حرکت است تعریف می‌شود و برحسب میلیون‌الکترون‌ولت (مگاالکترون‌ولت، Mev) یا میلیاردالکترون‌ولت (گیگاالکترون‌ولت، Gev) بیان می‌شود. به طریق مشابه، جرم ذرات بنیادی نیز برحسب همین یکاهای انرژی بیان می‌شوند. مفهومی که در این مقالات بسیار مورد استفاده قرار خواهد گرفت طول ‌موج است که به‌صورت فاصله‌ای که در طول آن، شکل موج تکرار می‌شود تعریف می‌شود و به ‌بیان ‌دیگر فاصله بین دو قله‌ متوالی یک موج است. طول ‌موج در یکاهای طول بیان و اغلب با حرف یونانی λ مشخص می‌شود. بسامد (فرکانس) به‌صورت تعداد دورهای کامل یک سامانه نوسانی در یک ثانیه تعریف می‌شود که با تعداد دفعاتی که در آن یک توالی خود را تکرار می‌کند، برابر است و با حرف f مشخص می‌شود. یکای فرکانس هرتز (HZ) است. یکاهای بزرگ‌تر فرکانس عبارت‌اند از: کیلوهرتز (KHZ)، مگاهرتز (MHZ)، گیگاهرتز (GHZ) و تراهرتز (THZ). برای موجی با بسامد معین و طول ‌موج λ که با سرعت v در حرکت است، این سه کمیت با معادله f=v/λ ‌به هم مرتبط می‌شوند. نور محدوده‌ای از طول ‌موج‌ها از بلند (امواج رادیویی) تا کوتاه (اشعه‌ ایکس و گاما) را پوشش می‌دهد. طول‌ موج‌های مرئی (نوری که چشمان ما بیشتر به آن حساس است) تنها محدوده‌ کوچکی را پوشش می‌دهد. همگی اینها امواج الکترومغناطیس بوده و بسته به طول ‌موجشان در یکاهای طول متفاوت بیان می‌شوند.

قوانین بنیادین طبیعت

طبیعت به‌وسیله‌ مجموعه‌ای از قوانین فیزیک اداره می‌شود که آن را وادار می‌كنند تا به این صورت کار کند. این بخش قوانینی را به بحث خواهد گذاشت که مسئول حرکت سیارات گرد خورشید و رفتار اتم‌ها و ذرات و همچنین عملکرد روزانه‌ جهان پیرامون ما هستند.

قانون جهانی گرانش

تمامی اجسام روی زمین به دلیل نیروی گرانش «پایین» نگه ‌داشته می‌شوند که نیروی جاذبه‌ای بین تمام اجرام عالم است. به همان طریقی که زمین ما را جذب می‌کند، ما نیز نیرویی برابر ولی در خلاف جهت به زمین اعمال می‌کنیم. نیروهای مشابهی بین اجرام سماوی عمل کرده و ماه را در مداری به دور زمین و زمین را در مداری به دور خورشید نگه می‌دارد. این همان قانون جهانی گرانش است که اولین بار توسط آیزاک نیوتن در سال ۱۶۷۸ در یکی از معروف‌ترین کتبی که تاکنون نوشته ‌شده است یعنی فلسفه‌ طبیعی اصول ریاضی که با عنوان «پرینسیپیا / پرینکیپیا» شناخته می‌شود، پیشنهاد شد. این قانون بیان می‌کند که جسمی به جرم m1 توسط جرم دیگری به جرم m2، توسط نیرویی که با عکس مجذور فاصله‌ دو جسم (r) متناسب است، جذب می‌شود.

قوانین حرکت

سه قانون حرکت نیوتن پایه‌ علم مکانیک را تشکیل می‌دهد که در زیر خلاصه ‌شده‌اند.

قانون اول حرکت: هر جسمی در حالت سکون یا حرکت با سرعت یکنواخت، روی خط راست باقی می‌ماند مگر اینکه نیرویی خارجی به آن اعمال شود. این قانونی است که معرف مفهوم لختی (اینرسی)، یعنی تمایل به مقاومت در برابر تغییر حرکت است که اولین بار توسط گالیله پیشنهاد شد.

قانون دوم حرکت: شتاب یک جسم در حال حرکت (a) با نیروی خالص اعمال‌شده به آن جسم (F) رابطه‌ مستقیم داشته و با جرم آن جسم (m) رابطه عکس دارد.

قانون سوم حرکت: زمانی که دو جسم با هم برهمکنش می‌کنند نیروی اعمال‌شده روی هر یک از این دو جسم، برابر ولی در خلاف جهت یکدیگر خواهد بود. به‌ بیان‌ دیگر برای هر عملی (کنشی)، عکس‌العملی (واکنشی) وجود دارد که دارای اندازه‌ برابر ولی در خلاف جهت خواهد بود.

قانون پایستگی حرکت

تکانه به شکل حاصل‌ضرب جرم جسم در سرعت آن تعریف‌شده و به‌صورت p=mv بیان می‌شود و یکای آن kgm/s است. زمانی که جسمی به دور خود می‌چرخد یا حرکت می‌کند؛ تکانه زاویه‌ای دارد که به‌صورت حاصل‌ضرب جرم (m)، سرعت (v) و اندازه‌اش (r) تعریف می‌شود: تكانه زاويه‌اي برابر است با m.v.r. قانون پایستگی تکانه بیان می‌کند که مجموع تکانه‌ اجسام برهمکنش کننده در غیاب نیروهای خارجی ثابت باقی می‌ماند.

قانون پایستگی انرژی

اجسام در حال حرکت نیرو دارند و زمانی که با جسم دیگری برخورد می‌کنند، سرعتشان کاهش‌ یافته و نیرو را به جسم دوم منتقل می‌کنند. انرژی حرکت به‌صورت انرژی جنبشی (KE) تعریف می‌شود و برای جسمی به جرم m که با سرعت v در حال حرکت است. انرژی جنبشی با یکای ژول اندازه‌گیری می‌شود. انرژی که یک جسم آن را به دلیل موقعیت خود داراست، انرژی پتانسیل (PE) نامیده می‌شود. به‌عنوان‌مثال، زمانی که مقداری ماده از طبقه اول به طبقه سوم ساختمانی منتقل می‌شود، انرژی پتانسیل ذخیره می‌کند. این نوع از انرژی پتانسیل، انرژی پتانسیل گرانشی نامیده می‌شود؛ زیرا ناشی از جاذبه‌ گرانشی است. برای جسمی به جرم m و در فاصله h از سطح زمین و تحت شتاب جاذبه گرانشی g، انرژی پتانسیل گرانشی به‌صورت زیر تعریف می‌شود: انرژي پتانسيل گرانشي برابر است با m.g.h که در آن mg برابر با وزن جسم است. انرژی پتانسیل با یکای نیوتن متر (Nm) اندازه‌گیری می‌شود. قانون پایستگی انرژی بیان می‌کند که انرژی هرگز نه به وجود می‌آید و نه نابود می‌شود بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود، به‌طوری‌که مجموع انرژی همواره ثابت باقی می‌ماند.

قانون پلانک و تابش جسم سیاه

قانون پلانک توزیع انرژی طیفیِ (بخشی از انرژی تابشی گسیل‌یافته از یک جسم در یک طول‌موج مشخص) مربوط به تابشی است که توسط یک جسم سیاه گسیل یافته است. منبع تابش، اتم‌های در حال نوسانی هستند که انرژی ارتعاشی آنها فقط‌و‌فقط دارای مقادیر گسسته‌اند (کوانتیده‌اند). زمانی که سطح انرژی یک نوسانگر از یک حالت اولیه‌ انرژی به حالت انرژی پایین‌تر تغییر می‌کند، مقدار انرژی آزادشده با حاصل‌ضرب بسامد تابشی در مقدار ثابت است که به آن ثابت پلانک گفته می‌شود. مقدار ثابت پلانک عددی از مقیاس 10 به توان منفی 34 ژول است. جسم سیاه، جسمی است فرضی که تمامی تابش‌های انرژی فرودآمده بر روی خود تا زمان رسیدنش به تعادل دمایی را جذب کرده و سپس انرژی جذب‌شده در تمامی طول‌موج‌ها را گسیل می‌کند.

جست‌وجو برای خاستگاه قوانین فیزیک

نظم مشاهده‌شده در عالم، طلوع و غروب خورشید در ۴٫۶ میلیارد سال گذشته، حرکت سیارات، شیمی حاکم بر فرایندهای زیست‌شناختی در موجودات زنده و هر چیز دیگری پیرامون ما، همه‌و‌همه جلوه‌ای از قوانین فیزیک هستند. این قوانین از راه‌های منطقی و قابل‌درک بیان می‌شوند. تصادفی یا غیرتصادفی بودن ظهور این قوانین روشن نیست. به طریق مشابه، هماهنگی موجود بین این قوانین، یعنی بدون آنکه یکدیگر را نقض کنند، به زیبایی مکمل یکدیگر باشند، از بنیادی‌ترین مشاهدات در علم است. مشابه آنچه در بالا درباره ثابت‌های فیزیکی موردبحث قرار داده‌ام، اگر قوانین فیزیک تنها اندکی از آنچه اکنون هستند، متفاوت می‌بودند، ما اکنون در اینجا نبودیم تا به مطالعه‌ آنها بپردازیم. توضیح سرراست این مقوله‌ها درنهایت از اصل آنتروپی می‌آید که شرح می‌دهد دلیل این‌گونه بودن عالم یا مقادیر کنونی ثابت‌های فیزیکی یا شکل این‌چنینی قوانین فیزیکی به دلیل مساعدت‌کردن و سازگاربودن با حیات هوشمند است تا بتواند آنها را مشاهده کند. برای کاوش خاستگاه قوانین فیزیکی، ابتدا نیازمندیم روی تعریفی برای این قوانین توافق داشته باشیم. تعریف مرسوم این است که یک قانون، الگوها را در طبیعت توضیح می‌دهد و اتفاقات تصادفی را از آنهایی که درهرصورت و بی‌اعتنا به شرایط وجود دارند، تفکیک می‌کند. یک قانون همچنین پیش‌بینی‌های معتبری را فراهم می‌آورد. نظم منطقی عالم در قوانین فیزیک جلوه‌گر شده است. وظیفه دانشمندان این است که این قوانین را چنان‌که هستند، پنداشته و با مستقل از زمان و مکان فرض کردنشان در عالم، آنها را برای توضیح‌دادن پدیده‌های طبیعی به کار گیرند. آیا قوانین فیزیک نتیجه تصادفات هستند یا حاصل یک‌رشته اتفاقات شگفت‌انگیز تا با انتخاب بهترین قوانین ممکن که با دقت زیادی تنظیم‌ شده‌اند بر عالم حکمرانی کنند؟ ما هرگز امکان دانستن پاسخ چنین سؤالی را نداریم. قوانین فیزیک مطلق، غیرقابل تغییر و مستقل از شرایط مکانی که در آنجا مورداستفاده قرار گرفته‌اند (در عالم آغازین، در مجاورت سامانه خورشیدی ما، یا در درون یک اتم) هستند. سازوکارهای فیزیکی هیچ اثری روی آنها نداشته و قوانین کاملا مستقل از این سازوکارها هستند. آیا قوانین فیزیکی هدفی را دنبال می‌کنند؟ به‌بیان‌دیگر آیا آنها به راهی که اکنون در آن هستند، ختم می‌شدند (جدای بسیاری از احتمالات) چون تنها راه حاکم‌شدن آنها و برپا نگه‌داشتن عالم بدون نقض یکدیگر بوده است؟ برای شرح‌دادن عالم با قوانین فیزیک، این قوانین باید قبل از به‌وجودآمدن جهان، حتی قبل از موجودیت فضا و زمان به وجود آمده باشند. اگر چنین چیزی درست باشد، عالم به‌صورت مقدر آغاز شده است، به‌طوری‌که تمامی رویدادها بر اساس این قوانین، قابل پیش‌بینی هستند. آیا هرگز ما قادر به اثبات چنین چیزی خواهیم بود؟ تلاش‌ها برای وحدت بخشیدن به نیروها در طبیعت این احتمال را به روی ما گشوده است که ممکن است روزی از کجا آمدن این نیروها و دلیل این‌گونه بودن آنها را بفهمیم. این توضیح می‌دهد که امروزه چگونه تمامی نیروها در طبیعت جلوه‌ای از یک نیروی مجرد وحدت‌یافته از آغازین لحظات تاریخ عالم، یعنی زمانی که چگالی و دما در حد نهایی بودند، هستند؛ بنابراین این احتمال وجود دارد که بنیادی‌ترین نیروها آنهایی باشند که در آغازین‌ترین زمان عالم بوده‌اند و پس از آن (احتمالا به‌صورت اتفاقی) به نیروهایی که امروزه تجربه می‌کنیم، منجر شده‌اند. اگر واقعیت چنین باشد، پس آن نیروها چگونه ایجاد شده‌اند؟ یک‌راه پاسخ‌دادن به این پرسش، استفاده از الگوی «چندجهانی» برای عالم است. در این طرح، فرض بر این است که تعداد زیادی عالم وجود دارند و عالم ما تنها یکی از آنهاست. قوانین فیزیک حاکم بر عالم ما در عالمی دیگر به وجود آمده (سرچشمه گرفته) و در این عالم ادامه یافته است. هرچند، این کار فقط مسئله را به «جهانی متفاوت» انتقال می‌دهد که نمی‌تواند تحت سلطه‌ آزمایش‌های تجربی باشد. آنچه روشن است این است که قوانین فیزیک تنها، تقریب‌هایی از حقیقت هستند. اینکه تا چه دقتی قادر به توضیح طبیعت یا پیش‌بینی اتفاقات آینده هستیم به ‌دقت اندازه‌گیری‌های ما محدود می‌شود.

تقارن در طبیعت

مفهوم تقارن نقش مهمی در زمینه قوانین طبیعت بازی می‌کند. توانایی تکرار یک آزمایش در زمان‌ها و مکان‌های متفاوت و ایجادشدن نتایج یکسان، نیازمند آن است که قوانین طبیعت تحت تحول فضا-زمان ناوردا باشند. این مشخصه به قوانین طبیعت نظمی ذاتی می‌دهد که بدون آن، کشف این قوانین غیرممکن بود. مثالی از این‌ دست در مشخصه‌های ذراتی که مسئول نیروها در طبیعت هستند آشکار است. با مشخص‌کردن آنها به‌وسیله معادلات میدان، پیش‌بینی می‌شود که ویژگی‌های آنها (برای مثال ذرات) در هر نقطه از میدان یکسان باشد. نظم و تقارن قابل‌انتظار در قوانین طبیعت گاهی‌اوقات به ‌وسیله شرایط اولیه‌ دلخواه و غیرقابل‌پیش‌بینی، پنهان یا شکسته می‌شود. زمانی که ما قوانین فیزیک را در انرژی‌های بالاتر و مقیاس‌های کوچک‌تر مطالعه می‌کنیم، تقارن‌های بیشتر و بیشتری را درمی‌یابیم که اغلب در انرژی‌های پایین‌تر، پنهان و شکسته شده‌اند؛ بنابراین، تقارن‌ها در انرژی‌های پایینِ عالم کنونی آشکار نمی‌شوند، درحالی‌که بلافاصله بعد از تولد عالم موجود بوده‌اند. عالم بسیار آغازین را تصور کنید، زمانی که دما بسیار بالا بود (از مرتبه ۱۰ به توان ۳۲ درجه کلوین یا ۱۰ به توان ۱۹ گیگاالکترون‌ولت- در اینجا می‌توانید انطباق بین دمای بیان‌شده در کلوین و Gev را مشاهده کنید). چهار نیروی بنیادی در طبیعت- الکترومغناطیس، قوی، ضعیف و گرانش- به همراه تمامی ذرات بدون جرم در آن زمان قابل‌تمییز نبودند. در نتیجه اگر شما در آن زمان چیزی را با چیز دیگری عوض می‌کردید کسی متوجه آن نمی‌شد، چراکه همه‌چیز همسان بود؛ بنابراین در آن زمان تقارنی بین نیروها و ذرات وجود داشت. زمانی که عالم سرد شد و دمای آن تا ۱۰ به توان ۲۲ درجه کلوین (۱۰ به توان ۱۴ گیگاالکترون‌ولت) افت پیدا کرد، بر اثر پاره‌ای از سازوکارهای فیزیکی که بعدا به بحث درباره آنها خواهیم پرداخت، تقارن‌ها شکسته شدند. شکست تقارن منجر به این شد که ذرات، جرمی را که امروزه دارند جذب کنند و چهار نیرو در طبیعت قابل‌تمییز شوند. با ادامه‌یافتن آن و در نتیجه‌ شکسته‌شدن تقارن‌ها (به دلیل کاهش دمایی) تمامی ویژگی‌های ذرات و نیروها که ما امروزه در طبیعت مشاهده می‌کنیم، آشکار شد.

خاستگاه قوانین پایستگی

قوانین پایستگی در طبیعت از بنیادی‌ترین قوانین هستند و در تمامی سازوکارهای فیزیکی باید از آنها پیروی شود. چرا کمیت‌های فیزیکی (انرژی، جرم و تکانه) باید پایستار بمانند؟ اولین تلاش در جهت توضیح‌دادن خاستگاه قوانین پایستگی توسط امی‌ نوتر که یک ریاضی‌دان بود، از طریق قضیه‌ای که اکنون به قضیه‌ نوتر معروف است، انجام شد. این قضیه بیان می‌کند که وجود کمیت‌های پایستار در طبیعت، پیامد تقارن قوانین طبیعت است؛ این حقیقت که قوانین طبیعت به زمان وابسته نیستند. آنها به‌ طور یکسان برای رویدادهای گذشته، حال و آینده قابل ‌استفاده هستند. ازآنجاکه قوانین طبیعت در همه‌جا یکسانند، تکانه (که با جرم و سرعت یک جسم اندازه‌گیری می‌شود) نیز پایستار است. این به آن معناست که اگر جسمی در حال سکون است، تکانه‌ آن صفر است و صفر باقی خواهد ماند، مگر آنکه یک نیروی خارجی به آن اعمال شود.

سؤالات ناتمام و حل‌نشده

هر چیزی پیرامون ما در طبیعت احتمالا خاستگاهی داشته است. مطالعه‌ علت و خاستگاه آنها ضروری است تا بفهمیم عالم، به همین صورتی که می‌بینیم، چگونه به شکل کنونی خود توسعه‌ یافته است. همچنین این اولین گام به سمت کشف‌کردن تغییرات با زمان در یک سازوکار مشاهده‌شده -یک تحول- را فراهم می‌آورد. چنین ماجراجویی‌ای نیازمند یک رهیافت چندرشته‌ای است تا به ورای مرزهای رشته‌های خاص دست یابد. هدف از این سری مقالات، مطالعه‌ علمی خاستگاه مشاهده‌پذیرها در طبیعت و تحقیق دلایل و عللی است که منجر به این‌گونه‌بودن عالم شده‌اند. در زمان‌های بسیار اولیه، زمانی که عمر عالم خیلی کمتر از کسری از ثانیه بود، فرایندهایی در ابعاد میکروسکوپی حکم‌فرما بودند. در آن زمان اثرات متقابل بین فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی منجر به تحول اولیه‌ عالم شد. بسیاری از پدیده‌هایی که ما در عالم امروزی مشاهده و اندازه‌گیری می‌کنیم، نتیجه‌ برهم‌کنش‌ها در آن زمان هستند. اگر اتفاقات، اندکی متفاوت پیش رفته بود، امروزه همه‌چیز به‌گونه‌ای دیگر بود. نخستین نسل از ستارگان و کهکشان‌ها شکل گرفتند و سپس با زمان کیهانی متحول شدند. پس از آن اتم‌ها از طریق قوانین فیزیک ترکیب‌ شده و مولکول‌ها را تشکیل دادند و به‌این‌ترتیب شیمی متولد شد. واکنش‌های پیچیده میان ترکیبات شیمیایی، محیطی مناسب فراهم آوردند تا مولکول‌های زیستی شکل بگیرند و به‌این‌ترتیب علم زیست‌شناسی متولد شد. این نشان می‌دهد که چگونه شاخه‌های به‌ظاهر متفاوت علم به یکدیگر مرتبط هستند. در مطالعه‌ خاستگاه‌ها، شخص، نیازمند فراگرفتن این رشته‌ها و پل‌زدن بین تمامی آنهاست. قوانین فیزیک متقارن هستند - آنها به ‌طور یکسان در گذشته، حال و آینده و همچنین در هر نقطه از فضا قابل‌استفاده هستند- این تقارن یک پیامد دارد؛ می‌تواند خاستگاه قوانین پایستگی را توضیح دهد؛ برای مثال، اینکه چرا جرم و انرژی در یک سیستم پایدار هستند؟ این به ‌وسیله‌ قضیه‌ نوتر و همین‌طور در نتیجه‌ مستقل از زمان‌بودن قوانین فیزیک توضیح داده می‌شود. این تقارن که در عالم بسیار اولیه موجب تمییزناپذیربودن ذرات و نیروها از هم شده بود، اکنون شکسته شده و به همین دلیل است که ما نیروهای متفاوت (با ویژگی‌های متفاوت) و ذرات را در طبیعت تجربه می‌کنیم. برای کشف خاستگاه عالَم فیزیکی شامل عالم، ستاره‌ها و کهکشان‌ها، شخص می‌بایست قوانین فیزیک را با بازگشت در زمان استنتاج کند. دانشمندان این کار را با این فرض که این قوانین در هر زمان و هر مکانی معتبر و قابل‌ استفاده‌اند، انجام می‌دهند. سؤالات ناتمام عبارتند از این سؤالات: خاستگاه قوانین فیزیک چیست؟ خاستگاه ثابت‌های بنیادی چیست؟ چرا قوانین پایستگی با این دقت کاربرد دارند؟ زمانی که ما یک چارچوب برای پیش‌بینی تمامی جزئیات درباره‌ آغاز عالم داشته باشیم، چگونه می‌توانیم آن را بازبینی کنیم؟ هر گوشه از علم می‌تواند سوژه‌ای برای کنجکاوی باشد. این همان چیزی است که الهام‌بخش ما به‌عنوان موجودات هوشمند است تا پاسخ‌های این سؤالات بنیادی را دریابیم.