نگاهی به مهم ترین پرسش های كیهان شناسی

پیشرفت های پدید آمده در مسیر كشفیات, در سده گذشته, افق های تازه ای را برای درك منشا و خاستگاه كیهان به روی ما گشوده است, لكن هنوز راز و رمزهای بزرگی باقی است و سالیانی خواهد گذشت تا ستاره شناسان این رموز را كشف كنند

ممكن است از یاد برده باشیم كه در حدود یك قرن پیش، هیچ كس سیاره پلوتو را مشاهده نكرده بود و همین طور ستاره شناسان معتقد بودند كه جهان هستی محدود به سر حدات ناحیه درخشانی به نام راه شیری است.این تصویر از عالم در حالی كه ما به قرن ۲۱ پا گذاشته ایم به مراتب پیچیده تر شده است. نظریه نسبیت عام كه توسط آلبرت اینشتین ارائه شده است توضیح می دهد كه چگونه گرانش موجب خمیدگی فضا- زمان می شود و بدین وسیله بیان می دارد كه هر جرم مانند توپ بولینگی كه بر روی یك تشك قرار دارد، فرورفتگی اندكی را در سیستم فضا - زمان ایجاد می كند. در هر حال اینشتین به اشتباه معتقد بود كه عالم بدون تغییر است. برای این كه نظر خود را در معادلاتش لحاظ كند یك ساختار جدید ریاضی را فرض كرد (ثابت كیهان شناختی)، كه این مورد تامین كننده یك نیروی دافعه است كه از سقوط عالم در اثر نیروی گرانش خود پیشگیری می كند.

ریاضیدان گمنامی به نام الكساندر فریدمن كه اهل روسیه بود دریافت كه ایده های اینشتین در رابطه با گرانش می تواند بیانگر تفسیری كاملاً متفاوت باشد، یعنی عالم هستی به جای آن كه پایداری و ثبات داشته باشد به سوی انبساط و گسترش پیش می رود.كیهان شناسی بلژیكی به نام جورج لومتر (Georges Lemaitre) كه یك كشیش كاتولیك بود، نیز از فرضیه جهان در حال انبساط جانبداری می كرد.وی در سال ۱۹۲۷ بیان كرد كه انتقال مشهور دوپلر در نوری كه از سحابی ها (كه البته امروزه آن سحابی ها را كهكشان می نامیم) به ما می رسد و به سوی طول موج های بلندتر میل می كند بیانگر این نكته است كه سحابی ها از زمین دور می شوند. بدین ترتیب نشان داد كه عالم در حال انبساط است.لومتر فرضیه ای را بنیان نهاد كه بر طبق آن عالم هستی، از اندازه ای كوچك آغاز شده و تا رسیدن به مقیاس ایده آل خود به پیش می رود. البته اینشتین این فرضیه را تایید نكرد.در هرحال در سال ۱۹۲۰ ادوین هابل با بهره گیری از میزان درخشندگی ستارگان متغیر، موفق به ایجاد معیاری برای محاسبه فاصله كهكشان ها شد.

هابل دریافت كه هرچه یك كهكشان از زمین دورتر باشد، با سرعت بیشتری از ما فاصله می گیرد.امروزه معتقدیم كه انبساط مذكور، در حقیقت انبساط و گسترش فضا است و نه حركت كهكشان ها در فضا. (مفهومی كه هابل هیچ گاه آن را به طور كامل نپذیرفت)در سال ۱۹۴۸ جورج گاموف و رالف آلفر با بهره گیری از ایده لومتر و همچنین مشاهدات هابل، نظریه «انفجار بزرگ» خود را ارائه كردند.آنها مدعی شدند كه انفجار كیهانی، موجب تشكیل ماده اولیه ای شده است كه بی نهایت داغ بوده و در ضمن حاوی نوترون ها و پس مانده های حاصل از انهدام آنها بوده است.این ایده عجیب یك پیش بینی قابل آزمایش را در خود نهفته داشت كه برای سالیانی از نظر دور مانده بود:«باقی مانده سرد مهبانگ در قالب تابش ریزموج از زمین قابل آشكارسازی است.» در سال ۱۹۶۴ و ۱۹۶۵ رابرت ویلسون و آرنو پنزیاس، دانشمندان لابراتوار ای تی اند تی بل (AT&Tbell) از یك رادیو تلسكوپ كه برای دریافت اطلاعات از نخستین ماهواره ارتباطاتی طراحی شده بود، استفاده كردند تا علائم مربوط به تابش فراگیر ریزموج را آشكار سازند.

وجود این پارازیت ، كاملاً مستقل از جهت قرارگرفتن آنتن بود. آن دو مجدداً تلسكوپ را تنظیم و آن را تمیز كردند اما سیگنال مذكور همچنان وجود داشت.

این پارازیت رادیویی صرفنظر از این كه پنزیاس و ویلسون تلسكوپ خود را به سوی خورشید و یا كهكشان راه شیری نشانه بروند به شكل سابق خود باقی می ماند و این مورد بیانگر این مطلب بود كه تابش موردنظر، منشاء خورشیدی و یا كهكشانی ندارد. پنزیاس و ویلسون به زودی دریافتند كه این پارازیت همان تابش مایكروویو است كه گامو و آلفر پیش بینی كرده بودند.

با توجه به موارد فوق، دیگر انفجار بزرگ مطلبی دور از ذهن نبود.در هرحال نظریه انفجار بزرگ مانند تمامی نظریه های عظیم قرون گذشته و احتمالاً تمام نظریه های بزرگی كه در آینده ارائه خواهند شد، بیش از آن كه به ابهامات پاسخ روشنی بدهد، سئوالات تازه ای را بر سر راه دانشمندان قرار داد.

در سال ۱۹۹۸ گروه های جداگانه ای از ستاره شناسان كه سرپرستی آنها برعهده برایان اشمیت (از رصدخانه های سایدینگ اسپرینگ و مونت استروملو، واقع در وسترن كریك استرالیا) و سول پرلماتر (آزمایشگاه ملی لورنس واقع در بركلی _ كالیفرنیا) بود به ثبت درخشندگی ابرنواخترهای دوردست پرداختند تا میزان كندشدن انبساط عالم را محاسبه كنند.هر دو گروه به یافته هایی نائل شدند كه هر جزء آن به نوبه خود به اندازه یافته های پنزیاس و ویلسون، در رابطه با ریزموج پس زمینه كیهانی غیرمنتظره بود.«كهكشان های دوردست كه دربردارنده ابرنواختر هستند با سرعتی كه با گذشت زمان كاهش پیدا كند از ما دور نمی شوند، بلكه این كهكشان ها با شتاب از ما دور می شوند.»این كشف مانند تمامی پیشرفت های غیرمنتظره علمی كه در گذشته روی داده است، مجموعه ای از سئوالات را در رابطه با موضوع مورد بحث پدید آورد. معماهایی كه در ذیل مورد بحث قرار خواهند گرفت نشانی از دستاوردهای سترگ قرن گذشته است و در عین حال ما را آگاه می سازد كه هنوز راه درازی در پیش داریم.

۱- جهان هستی در چند بعد خلاصه می شود

فی الواقع به جز در نمایش های شعبده بازی هیچ كس یك خرگوش را از یك كلاه خالی بیرون نمی آورد، برای ما كه در جهانی سه بعدی زندگی می كنیم. مگر نه؟ ولی شاید هم این طور نباشد. فیزیكدان ها به طور سنتی عالم هستی را با بهره گیری از چهار بعد ترسیم و تفسیر می كنند: سه بعد فضایی آشنا و دیگری بعد زمان.مدل مذكور به ما كمك می كند تا برای همه چیز توضیح و تفسیری داشته باشیم، از خمیدگی نور ستارگان در هنگام عبور از كنار خورشید گرفته تا شكل گیری سیاهچاله ها. اكنون فیزیكدانان به این مطلب می اندیشند كه احتمالاً باید چند بعد فضایی دیگر را به سیستم كنونی بیفزایند.مسئله سلسله مراتب موجبات تحریك فیزیكدانان را فراهم می سازد. به بیان ساده تر آنان نمی دانند كه چرا نیروی جاذبه گرانشی به شدت از سه نیروی بنیادین دیگر یعنی الكترومغناطیس، نیروی قوی و نیروی ضعیف، ضعیف تر است. دو فیزیكدان به نام های لیزا راندال از موسسه فناوری ماساچوست در كمبریج و رامان ساندرام از دانشگاه جان هاپكینز در بالتیمور (مریلند) تفسیری ارائه كرده اند كه بر طبق آن بعد دیگری به ابعاد كنونی اضافه می شود.در مدلی كه آن دو ارائه دادند ما در دنیای چهار بعدی زندگی می كنیم و ذرات گراویتون كه حامل نیروی گرانشی هستند، در بعدی دیگر واقع اند.اختلافی كوچك در بعد پنجم، میان این دو جهان، موجب كاهش چشمگیر نیروی گرانشی می شود.نظریه پردازان تئوری ریسمان حتی از این هم فراتر می روند. آنها چهار نیروی بنیادین فیزیك را در یك مدل یازده بعدی یكپارچه می سازند، كه در آن، حلقه های بسیار كوچك و قطعات ریسمانی، بنیادی ترین ذرات هستند.اما حتی خوش بین ترین نظریه پردازان تئوری ریسمان نیز تردید دارند كه در آینده نزدیك بتوانند این ریسمان ها را مشاهده كنند.نظریه مذكور پیش بینی می كند كه این ریسمان ها ۱۰۰ میلیون میلیارد برابر كوچكتر از ریزترین ذرات زیراتمی هستند. (منظور ذراتی است كه توسط نیرومندترین شتاب دهنده های ذرات ایجاد شده اند.)اما در این بین شواهد دال بر بعد پنجم می تواند بسیار زودتر به دست ما برسد. راندال و ساندرام پیش بینی می كنند كه شتابدهنده بزرگ هادرون، واقع در جنوا كه قرار است در سال ۲۰۰۷ شروع به كار كند می تواند انرژی كافی را برای نفوذ یك گراویتون به دنیای ما فراهم سازد.

۲- جهان چگونه شكل گرفت

میان كیهان شناسان بر سر زمان شكل گیری عالم قابل رویت، این اجماع وجود دارد كه جهانی كه ما می توانیم ببینیم، زائیده رویدادی است كه بین ۱۳ تا ۱۴ میلیارد سال پیش اتفاق افتاده است.در مدت یك میكرو ثانیه پس از واقعه مذكور، عالم آشامه ای (سوپی) بی اندازه داغ بوده كه حاوی كوارك ها و دیگر ذرات عجیب بوده است.

در همان اثنا كه این سوپ داغ در حال خنك تر شدن بود، كوارك ها متراكم شدند و موجبات تشكیل پروتون ها و نوترون ها و همین طور ذراتی از این دست منجمله هادرون ها و مزون ها را فراهم كردند.هنگامی كه جهان هستی در زمانی معادل یك ثانیه به بلوغی خاص رسیده بود، دیگر به جز نوترون ها، پروتون ها، فوتون ها، الكترون ها و نوترینوها چیز دیگری وجود نداشت.مجموعه ای از واكنش های هسته ای در دویست ثانیه بعدی، موجبات تشكیل هسته سه عنصر اولیه را كه كوچكترین عناصر هستند فراهم ساخت.

امواج صوتی حاصل از پژواك مهبانگ كه در شرف محو شدن بود در درون سیال بی اندازه داغ و چگال جهان، كه هنوز در نخستین دوره رشد خود بود، مانند موج درون یك دریاچه انتشار می یافت.یك گروه متراكم از الكترون های آزاد با بار منفی كه توسط پروتون ها (كه بار مثبت دارند) كشیده می شدند، با جزر و مد این سیال همراه می شدند، در این مسیر فوتون ها در برخورد با ذرات باردار مذكور، جمع آوری و محصور می شوند.در آن هنگام كه جهان سیصد و هشتاد هزار سالگی خویش را پشت سر گذاشته بود به اندازه كافی سرد شده بود كه اتم ها برای شكل گیری مجال پیدا كنند.این اتفاق موجب شد كه فوتون های محصور، آزاد شوند و آنگاه روشنایی جهانی هستی را فرا گرفت.فوتون های رها شده حامل اطلاعات در رابطه با نوسانات چگالی و دما در عالم نوپا در قالب الگویی از تغییرات درخشندگی بودند.

ستاره شناسان به این تابش باستانی كه از دوران های نخستین حیات عالم بر جای مانده است (كه البته نخستین بار توسط پنزیاس و ویلسون مشاهده گردید)، عبارت ریزموج پس زمینه ای كیهانی اطلاق می كنند.

هنگامی كه ستاره شناسان تلسكوپ های ریزموج مانند كاوشگر پس زمینه كیهانی و یا جایگزین آن (كاوشگر ناهمسانگردی موج) به نام ویلكینسون را به جهت خاصی نشانه رفتند و آنگاه دمای كهموج زمینه ای كیهانی را محاسبه كردند، تابشی را مشاهده كردند كه دمایی در حدود ۷/۲ درجه سیلسیوس بالاتر از صفر مطلق داشت (یا به عبارتی ۷/۲ درجه كلوین).هنگامی كه جهت مخالف را بررسی كردند مجدداً ۷/۲ درجه كلوین را به دست آوردند. البته نوساناتی هم وجود داشت كه ناچیز بود و در حالت بیشنیه به حدود یك واحد در صدهزار می رسد.هر انفجاری كه موجبات یكنواختی كنونی عالم را فراهم آورده باشد كیهان شناسان را شیفته خود می كند. حالتی كه در آن گویی تمامی اجزای عالم نوپا به یكدیگر مرتبط و متصل بوده است.حال سئوال اینجاست كه چنین امری چگونه امكان پذیر است؟آلن گات (۱۹۲۵ م) در حالی كه در اواخر دهه ۷۰ میلادی بر روی مسئله فوق در حال تفكر و بررسی بود به درك حیرت انگیزی نائل شد كه چنین بود: چه می شد اگر جهانی كه امروز برای ما رویت پذیر است به شكل حباب بسیار كوچك و در عین حال فوق العاده یكنواختی پدیدار شده باشد و به ناگاه با چنان سرعتی منبسط شده كه فرصتی برای تغییر و دگرگونی نیافته است.

نظریه تورم گات نه تنها یكنواختی موجود در تابش زمینه كیهانی به میزان یك واحد از صد هزار را توضیح می دهد بلكه این فرض را مطرح می كند كه وضعیت توده ای مورد نظر خود برخاسته از نوسانات كوانتومی واقع شده در طول مدت تورم است.

كیهان شناسان بر این امر توافق دارند كه نوسانات بسیار كوچك در عالم نوپا به وسیله نیروی گرانشی تقویت شده است تا توده های بزرگی را كه امروزه مشاهده می كنیم تشكیل بدهد، البته هنوز لازم است كه تمامی جزئیات مورد بررسی و تحلیل قرار گیرد.

در ضمن نظریه گات پیش بینی قابل آزمایشی را بیان می دارد كه چنین است: جهانی كه به صورت حبابی متورم شده است، در اصطلاح كیهان شناختی تخت به نظر می رسد. تخت به این معنی است كه در یك فضای تخت هرگز دو خط موازی یكدیگر را قطع نمی كنند حتی اگر آن دو تمامی عالم را بپیمایند. در سال های اخیر ستاره شناسان با محاسبه اندازه های زاویه ای تغییرات تابش زمینه كیهانی كه البته بسیار كم است، بارها (و اكنون در موسسه فناوری ماساچوست) پیش بینی گات را مورد آزمایش قرار داده اند.در هر بار آزمایش، آنان، به نتیجه ای به جز تخت بودن عالم هستی دست نیافتند. مارتین وایت اخترفیزیكدان دانشگاه بركلی (كالیفرنیا) می گوید: مورد مذكور ساده ترین راه حلی است كه می توان برای معادله اینشتین ارائه كرد لكن می تواند جهان را به طور دقیقی توضیح دهد.هیچكس بر این امر وقوف كامل ندارد كه چه چیزی موجبات پیشروی این تورم را فراهم كرده است.فیزیكدان ها لیست طویلی از مدل ها را برای عالم در حال انبساط پیشنهاد كرده اند ولی اغلب این راه حل ها پایه و اساس كاملاً فیزیكی ندارند و برای سهولت كار از یك سری ملاحظات و حذفیات ریاضی نیز در آنها استفاده شده است.

ادوارد راكی كولب، اخترفیزیكدان شتابدهنده فرمی می گوید: «پس از بررسی تمامی تئوری های موجود درباره مبحث تورم و انبساط عالم به این نتیجه می رسیم كه هنوز نظریه ای كامل در این مورد در اختیار نداریم.»