از مهبانگ (انفجار عظیم) چه می دانید؟ - مجله سرگرمی

سیدامین مهناپور- بهار اسفندیاری| آگوستین قدیس در پاسخ به این پرسش که خدا قبل از خلقت گیتی به چه کاری مشغول بوده است، می گفت: او در حال آماده کردن هیزم جهنم برای کسانی بود که در اسرار الهی فضولی می نمایند. اما ایده جهنم ظاهرا دانشمندان امروزی را نمی ترساند. بسیاری از ما دانشمندان در کوشش هستیم که بفهمیم گیتی واقعا چگونه به وجود آمده است.

ممکن است فکر کنید که گیتی با مهبانگ شروع شده است. 10 سال قبل، من هم این طور فکر می کردم. اما از زمانی که فهمیدم این موضوع به هیچ وجه حل وفصل نشده است، انگیزه ای شد که در شغلم تغییر رویه داده و کیهان شناس شوم، گرچه در همان زمان داشتم دکترایم را در فلسفه فیزیک کوانتومی تمام می کردم.

آنچه از آن موقع کشف نموده ام پشتوانه پاسخ رادیکال جدید به پرسشی بود که آگوستین قدیس را آزار می داد: چه چیزی پیش از مهبانگ وجود داشت؟ پاسخ مهیج به این پرسش ممکن است این باشد که هیچ مهبانگی در کار نبوده است، بلکه گیتی بدون شروع و انتها، به طور مکرر از یک دوره انقباضی به انبساط جهش نموده و دوباره برمی گردد.

در دهه 1920، فیزیک دان روسی الکساندر فریدمان و کشیش و ستاره شناس بلژیکی جورج لومیتر، به طور مستقل پیشنهاد کردند که گیتی در حال انبساط است. لومیتر با استدلالی استقرائی مطرح کرد که با عقب رفتن در زمان، بایستی گیتی از یک اتم اولیه کوچک شروع شده باشد.

هنگامی که ادوین هابل شواهد تجربی قانع نماینده ای به نفع انبساط کیهانی بر اساس مشاهداتش از حرکات کهکشان های دوردست تهیه کرد، این قضیه جا افتاد. تئوری انبساط تلویحا می گوید که گیتی سرد و پهناوری که امروزه می بینیم، در گذشته یک تکه داغ و بسیار کوچک از فضا بوده است.

با فرض استدلالی مشابه، با عقب رفتن بیشتر در زمان، تکه داغ در نقطه ای کوچک و فوق چگال از انرژی جمع می گردد. این حالت فرضی به مهبانگ ترجمه شده است. اما هیچ مدرکی در دست نیست که این استدلال ساده معتبر است یا اینکه گیتی از این طریق شروع شده باشد.

بااین وجود، شروع گیتی با مهبانگ، دیدگاهی است که استاندارد شده و چنان ریشه دوانده که بسیاری از ما آن را مانند چیز هایی که بچه ها یاد می گیرند می پذیریم، همان طور که من هم چنین نموده بودم.

یک دلیل خیلی خوب برای بدگمانی به این استدلال استقرائی وجود دارد که به تئوری کوانتومی مربوط می گردد. هنگامی که مهبانگ در فرهنگ عامه وارد شد، قوانین حاکم بر قلمرو زیراتمی به خوبی آشکار شده بودند؛ اگرچه این قوانین عجیب وغریب بودند. قوانین مکانیک کوانتومی می گفتند که ذرات می توانند همواره در درون و برون هستی ظاهر شوند، تا زمانی که به مدت طولانی به هم چسبیده نباشند.

این جست وخیز های همیشگی در مقیاس های کوچکی مانند مهبانگ یعنی زمانی که گیتی به اندازه یک سر سوزن بود، حائز اهمیت است. هرچه در این نقطه وجود داشت بایستی همواره دارای نوساناتی تصادفی در انرژی بوده باشد به طوری که، همچنان که فضا منبسط می شد، آن اختلاف ها نیز باید گسترش می یافتند و سبب عدم تعادل در مقدار انرژی در بخش های مختلف گیتی می شدند. اما نکته ای که وجود دارد این است که: ما چنین عدم تعادلی را نمی بینیم.

اگرچه ماده در گیتی امروز به صورت تصادفی در دسته هایی که آن ها را کهکشان می نامیم توده شده است، اما وقتی که در عظیم ترین مقیاس به گیتی می نگریم، توزیع همه اَشکال ماده در سراسر فضا به صورت فراوانی هموار است. این یکنواختی احتیاجمند یک شرح است.

علاوه بر این، به طور مشابه، همان نوسانات کوانتومی موجود در مهبانگ، می بایست باعث پیچش، انحنا و تاب برداشتن فضا بوده باشند. همچنان که گیتی منبسط می گردد، این تغییر شکل ها نیز باید منبسط شده و در جهت حرکت نور از میان کیهان، انحرافات شدیدی ایجاد کند. بااین حال ستاره شناسان هیچ اثری از چنین انحرافاتی نمی بینند.

در اوایل دهه 1980 میلادی، فیزیک دانان نظری یعنی آلن گوث، آندره لینده، آندریاس آلبرشت و پائول اشتاین هارت، ایده ای را معرفی کردند که جهت رفع کردن مسائل مربوط به تئوری مهبانگ طراحی شده بود.

آن ها پیشنهاد کردند که فقط لحظاتی پس از مهبانگ، گیتی دستخوش یک دوره کوتاه از انبساط سریع معروف به تورم شد. بدان معنا که تورم، گیتی را چنان سریع منبسط نموده که هر پیچش، خمیدگی و تاب خوردگی را در بافتار فضا-زمان اتو نموده و توزیع همه مواد را در فضا یکنواخت نموده است.

اما تورم نیز مسائل خاص خودش را ایجاد می نماید. به عنوان مثال، تورم به میدان فرضی به نام اینفلَتون احتیاج دارد. این میدان نیز به کلیدی احتیاج دارد که در زمان مناسب بسته شده و نیرویی مناسب برای هموار کردن گیتی لازم دارد که تقریبا همواره ثابت بماند.

در سناریویِ مهبانگ، بعید است که تورمی اتفاق افتاده باشد، زیرا به علت نوسانات کوانتومیِ زیاد، نیروی میدان اینفلَتون در مناطق مختلف فضا متفاوت خواهد بود نه ثابت. در نتیجه، بیشتر محتمل است که اصلا تورمی رخ نداده یا اگر اتفاق افتاده، جهت هموار کردن گیتی کافی نبوده و یا منجر به گیتی متفاوت از آنچه ما می بینیم می شد.

علاوه بر این، در جا هایی که تورمِ قابل توجهی وجود دارد، آن نوسانات کوانتومیِ مشکل ساز، حاکم شده و از پایان یافتن تورم جز در تکه های نادری از فضا جلوگیری می نمایند. در آن مناطق، ویژگی های کیهان شناختی به صورت تصادفی متفاوت و غیرقابل پیش بینی است.

به جای گیتی یکنواختی که ما می بینیم، حاصل تورم این است که فضا در نهایت به تکه هایی نامحدود با خواص مختلف تقسیم می گردد. این تنوع غیرقابل کنترل، دنیا های چندگانه تورمی نامیده می شوند. مجموعه ای که در آن هر تعداد از گیتی های متفاوت ممکن بوده، ولی باورکردنی نیستند.

بیشتر کیهان شناسان و ستاره شناسانِ امروزی تمایل دارند این موارد را نادیده بگیرند. اما از زمانی که برای اولین بار این مسائل را شنیدم، نتوانستم از آن ها چشم پوشی کنم. برنامه اصلی ام کشف روش های تثبیت تورم بود، اما بعد ها چیز دیگری رخ داد که ذهنم را دگرگون کرد.

یکی دیگر از ویژگی های کلی تورم که به دلیل نوسانات کوانتومی روی می دهد این است که هر جا تورم پایان یافت، باید موج های کوچکی در بافتار فضا-زمان به وجود آید. این پدیده به امواج گرانشی اولیه مشهور است. این امواج شبیه به امواج کشف شده توسط لایگو در سال 2015 نیستند که معمولا با برخورد سیاهچاله ها در فضا-زمان به وجود می آیند.

امواج گرانشی اولیه دارای طول موج هایی بسیار عظیم تر بوده چنان که تنها راه آشکارسازی آن ها از طریق اثری است که بر تابش ریزموج پس زمینه کیهانی می گذارند. این الگوی تابشی گاهی اوقات تصویر کودکیِ گیتی نامیده می گردد، زیرا تصویری از گیتی، هنگامی که 400هزار سال سن داشت، ارائه می نماید.

این تصویر ممکن است قدیمی به نظر برسد، اما در قیاس با زندگی یک انسان، مثل تصویر گرفته شده از روز های کودکی اش خواهد بود.

ماهواره پلانک متعلق به آژانس فضایی اروپا مدت ها بود که نقشه برداری از این تابش را با جزئیات کامل به منظور یافتن شواهدی از امواج گرانشی اولیه انجام می داد. اما در سال 2013، محققان این پروژه اعلام کردند که آن ها در یافتن چنین امواجی در سطح مورد انتظارشان شکست خوردند. هنگامی که این خبر را شنیدم، فهمیدم که این به معنی حذف ساده ترین نسخه از تئوری تورم است.

احساس کردم که تورم، جذابیت خود را به عنوان شرحی ساده از آنچه پس از مهبانگ اتفاق افتاده، از دست داده است. بنابراین تصمیم گرفتم که طرح اولیه ام را رها نموده و به کاوش در رهیافتی متفاوت نسبت به کیها ن شناسی بپردازم. ایده ای را که تصمیم گرفتم دنبال کنم، همان بود که اولین بار توسط اشتاین هارد یعنی همان کسی که تورم را پیشنهاد نموده بود، ارائه شد.

او نشان داد که تورم یک جایگزین منطقی برای مهبانگ دارد. ممکن است گیتی ما با فروپاشیدن از هیچ شروع نشده باشد. بلکه پس از اینکه گیتی پیشین به آرامی در تکه کوچکی از فضا منقبض شد و سپس جهش یافت شروع به انبساط کرد، همان طوری که ما امروزه مشاهده می کنیم.

جذابیت اصلی این سناریو، فاز طولانی انقباض فوق العاده کُند قبل از جهش است. درست همان طوری که تورم برای انبساط سریع به فرم خاصی از انرژی (میدان اینفلتون) احتیاج داشت، انقباض فوق العاده کُند نیز به فرم خاصی از انرژی احتیاج دارد که فشار فوق العاده زیادی را اِعمال کند.

فشار بالا از طریق مقاومتِ فشردگی، انقباض را کند نموده و درعین حال تمایل دارد که هرگونه بی نظمی در توزیع انرژی در بافتار فضا-زمان را رفع کند. اما برخلاف فاز تورمی، فاز انقباضِ آرام به شرایط شروعین ویژه ای احتیاج ندارد. این فاز می تواند با روش های مختلفی به عنوان مثال از طریق فروپاشی انرژی تاریک شروع گردد.

در اینجا مزیت جانبی دیگری نیز وجود دارد: در انقباض آرام گیتی سرد، نوسانات کوانتومی در همه زمان ها کوچک باقی می مانند. بدان معنا که خروجیِ سناریوی جهش برخلاف آشفته بازارِ دنیا های چندگانه فراوریشده توسط نوسانات کوانتومیِ رام نشدنی در خلال تورم، تعیین است.

ناکامی از سناریو های پیشین مدرکی بود مبنی بر اینکه جهش با این خصوصیات واقعا امکان پذیر است. اولین گزارش تئوری را در خصوص اینکه جهش چگونه می تواند روی دهد، سال گذشته منتشر کردم. به طور ساده، یک منبع انرژی مفروض را توصیف کردم که انقباض آرامِ گیتی را قبل از جمع شدن در یک نقطه، جایی که در آن اثرات گرانش کوانتومی برجسته می گردد، به انبساط طولانی مدت تبدیل می کرد.

گیتی که از چنین جهشی بیرون می زد دقیقا دارای توزیع یکنواخت انرژی و هندسه تخت فضا-زمان بود، همان طوری که امروزه مشاهده می کنیم. اکنون به همراه اشتاینهارد و فرانس پرتوریوس از دانشگاه پرینستون، تکامل گیتی را برای کاوش در آثار برجسته فرایند انقباض و جهش مدل سازی کردم.

یکی از پیش بینی ها این است که انقباضِ فوق العاده کُند، امواج گرانشی اولیه قابل تشخیصی فراوری نمی نماید. این مسئله با داده های پلانک و مشاهدات بعدی همخوانی دارد.

آزمایش های حساس تری در حال راه اندازی هستند. مانند رصدخانه سیمونز در صحرای آتاکای شیلی و ماهواره پرنده روشن که از طریق آژانس فضایی ژاپن در خلال یک دهه پرتاب می گردد. اگر آن ها امواج گرانشی اولیه را نمایان سازند، ایده انقباض آرام باید اشتباه باشد.

اغلب مورد پرسش قرار می گیرم که آیا نگران نیستم وقتی که ایده ام می تواند توسط یک آزمایش از بین برود. اما برای من این مسئله مهم است که علم واقعی همه چیز را در خصوص ایده ام معین کند، من هیچ راه دیگری را قبول ندارم.

اگر ما اثری از جهش ببینیم، پیامد های عمیقی به همراه خواهد داشت. گسترش طبیعی بدین معنی است که ما در یک گیتی چرخه ای با جهش هایی که هر 100میلیارد سال یا بیشتر روی می دهند، زندگی می کنیم. حتی می توان یک گیتی بدون شروع و انتها را متصور شد. هر دوره ای از انقباض فوق العاده کُند، هرگونه جزئیات ریز از چرخه های قبلی را پاک نموده و گیتی را به نقطه جهش با همان شرایطی که چرخه قبل از آن داشته می رساند.

در نتیجه، همه ویژگی های گیتی از جمله دما، تراکم ماده تاریک، ماده معمولی و انرژی تاریک و تعداد ستارگان و کهکشان های قابل مشاهده به طور میانگین در خلال هر چرخه یکسان خواهند بود. به عبارت دیگر، اگر در چرخه قبل در سیاره ای مانند زمین زندگی نموده باشید، تقریبا همان خصوصیات اساسی گیتی ما را خواهید دید.

این به نوبه خود به یک پیش بینی شگرف منجر می گردد: فاز کنونی گیتی که در آن آهنگ انبساط به آرامی شتاب می گیرد، به انتها خواهد رسید و گیتی وارد فاز جدید انقباضی خواهد شد. گیتی بعد از آن به سمت یک جهش جدید و فاز انبساطی تازه خواهد رفت.

در نتیجه، انرژی تاریک که محرک انبساط شتابدار کنونی است باید تنزل یابد، که ممکن است این مسئله در آزمایش های آینده قابل ردیابی باشد. این امر، به همراه جست وجوی امواج گرانشی اولیه، بدان معناست که ممکن است به زودی این امکان برای ما فراهم گردد که بدانیم آیا گیتی واقعا با یک انفجار شروع شده است یا نه. حدس من این است که داستان بیشتر مدور است.

نه انفجار و نه جهش؟

از مشاهداتمان می دانیم فکر می کنید که گیتی باید شروعی داشته باشد؟ فیزیک دانان ابایی ندارند که به سراغ ایده های دست نیافتنی بفرایند.

حالت یکنواخت: بر اساس این ایده گیتی در حال گسترش است، بنابراین ممکن است این نتیجه گیری منطقی به نظر برسد که از یک نقطه تکین گسترش یافته است. اما روش دیگری برای فکر کردن به آن همان طور که از طریق کیهان شناسی به نام فرد هویل در سال 1948 پیشنهاد شد، وجود دارد.

اگر همان طوری که فضا گسترش می یابد ماده جدید به طور مداوم خلق گردد، هر منطقه جدیدی از فضا مانند هم به نظر خواهد رسید. بر اساس این دیدگاه، برای گیتی شروع و انتهای احتیاج نیست. هویل عبارت مهبانگ را جهت تمسخر ایده ستاره شناسی به نام جورج لومیتر ابداع کرد، اما این عبارت تمسخرآمیز روی این ایده ماند.

پیشنهاد بدون مرز: استیون هاوکینگ و جمیز هولت نسبتا به طور متفاوتی فکر کردند. آن ها پیشنهاد کردند همان طور که در زمان به سمت مهبانگ به عقب می روید و چیز ها کوچک و کوچک تر می شوند، سه بُعد فضا و یک بُعد زمان ضرورتا به چهار بُعد فضایی تبدیل می شوند. این بدان معناست که گیتی در آنجا هیچ مرزی نداشته و پرسش از شروع مهبانگ و پیش از آن بی معنی است.

گیتیِ پادماده: لاتام و نیل تاروک از انستیتوی فیزیک نظری پریمیتر در کانادا عقیده دارند که پیشنهاد بی مرزی ناقص بوده و با یک جایگزین با استفاده از ابزار ریاضیاتی مشابه به دست می آید. آن ها پیشنهاد کردند که گیتی ما می تواند تصویر آینه ای یک گیتی دیگر باشد. این پاد گیتی در زمانِ قبل از مهبانگ رو به عقب گسترش می یابد و همان طور که عظیم تر می گردد تحت سیطره پادماده است.

کیهان شناسی گاز ریسمانی: با الهام دریافت از تئوری ریسمان، کامران وفا از دانشگاه هاروارد و روبرت برندن برگر از دانشگاه مک گیل کانادا پیشنهاد کردند که گیتی کنونی از یک گاز ابرریسمانیِ برانگیخته شده داغ و چگال بیرون زده که گمان می رود این گاز اجزای اساسی ماده باشد.

تغییر فاز: برخی از فیزیک دانان معتقدند که خود فضا-زمان باید از ذرات ریزی شبیه به اتم تشکیل شده باشد. پیامد آن به عقیده دانیل اُریتی که فیزیک دانی در انستیتوی فیزیک گرانشی ماکس پلانک در آلمان است، این است که همان طوری که اتم ها می توانند در فرم های جامد، مایع یا گاز خودشان را سازمان دهی نمایند، ذرات فضا-زمان نیز می توانند در فاز های مختلفی یکپارچه شوند.

شاید شروع گیتی نقطه ای بود که این ذرات در آن فشرده شده بودند. راجع به اینکه چه چیز هایی قبل از این نقطه به هم شباهت داشته اند کسی نمی تواند اظهارنظر کند.

cruisero.ir: کشتی کروز: سفری لوکس و در عین حال مقرون به صرفه به اقیانوس ها

ecods.ir: کد الکترونیک: مجله فناوری و گجت های هوشمند