اول و آخر این کهنه کتاب افتاده است

تلاش کیهان شناسی برای شناخت آغاز و انجام جهانی

کیهان‌شناسی علمی است که جهان را در کلیت آن بررسی می‌کند و به موضوع‌هایی مثل تولد، رشد، شکل، اندازه و سرنوشت نهایی آن می‌پردازد. در دهه ۱۹۲۰ که «ادوین هابل» نشان داد «سحابی‌های مارپیچ» نیز در حقیقت کهکشان‌های دیگری مثل کهکشان خود ما هستند و میلیاردها سال نوری از ما دورند، ابعاد واقعی جهان ما مشخص شد.

«هابل» دریافت بیشتر کهکشان‌ها «جابه‌جایی» قرمز دارند، یعنی طیف نور آنها به سمت طول موج‌های بزرگ‌تر و قرمزتر می‌رود. این پدیده را می‌توان به عنوان جابه‌جایی داپلر در نظر گرفت که نشان می‌دهد کهکشان‌ها از ما دور می‌شوند. جالب‌تر آنکه هر چه کهکشانی از ما دورتر باشد، جابه‌جایی قرمزش بیشتر است، یعنی با سرعت بیشتری از ما دور می‌شود. رابطه بین فاصله و سرعت دور شدن را ثابت هابل مشخص می‌کند.

کشف این نکته که کل جهان در حال انبساط است، به ارائه نظریه «انفجار بزرگ» منجر شد. طبق این نظریه اگر همه اجزای جهان در حال دور شدن از یکدیگر هستند، احتمالاً روزگاری به یکدیگر بسیار نزدیک بودند و در وضعیتی بسیار داغ و چگال قرار داشتند. نظریه دیگری نیز در مقابل نظریه «انفجار بزرگ» مطرح بود که نظریه «حالت ایستا» نام داشت.

طبق این نظریه پیوسته ماده جدیدی تولید می‌شود تا فاصله‌ها و خلئی را که در اثر انبساط پدید می‌آید، پر کند اما در سال ۱۹۶۵، «آرنو پنزیاس» و «رابرت ویلسون»، «تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی» را کشف کردند و به این ترتیب نظریه انفجار بزرگ قاطعانه پیروز شد. تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی باقی مانده تابش حرارتی است که در اولین دوران‌های جهان، یعنی ۳۸۰ هزار سال پس از انفجار بزرگ از ماده داغ گسیل شده است.

● انحنای فضا- زمان

با استفاده از نظریه نسبیت عام «آلبرت اینشتین» می‌توان فرآیند رشد جهان را مدل‌سازی کرد. نظریه نسبیت عام چگونگی انحنای فضا- زمان در اثر ماده و انرژی را توصیف می‌کند. ما این انحنا را به صورت نیروی گرانش احساس می‌کنیم. نسبیت عام با در نظر گرفتن اصل کیهان‌شناختی (که می‌گوید جهان در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها، یکنواخت است) معادله‌های نسبتاً ساده‌ای ارائه می‌کند که مدل‌های فریدمن نام دارد. این مدل‌ها نشان می‌دهد فضا چگونه خمیده و منبسط می‌شود.

طبق این مدل‌ها، شکل جهان ممکن است شبیه سطح یک کره باشد یا همانند سطح یک زین اسب خمیده باشد. اما در حقیقت مشاهده‌ها بیانگر آن است که شکل جهان در وضعیتی بین این دو یعنی تقریباً تخت است. یکی از تفسیرهایی که ارائه می‌شود، نظریه «تورم» است. این نظریه بیان می‌کند طی اولین لحظه‌های پدید آمدن (در کسری از یک ثانیه) فضا با سرعتی بسیار زیاد منبسط شده است و در نتیجه همه انحناهای اولیه تخت شدند. در نتیجه جهان قابل مشاهده کنونی از یک گلوله آتشین بسیار کوچک اولیه تشکیل شده است. این موضوع می‌تواند «مساله افق» را نیز تشریح کند. در مساله افق این موضوع مطرح می‌شود که چرا چگالی و دمای یک طرف جهان برابر طرف دیگر آن است.

با این همه جهان کاملاً هموار و یکنواخت نیست. ماهواره «کوبی» در سال ۱۹۹۰ موج‌هایی را در تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی آشکار ساخت. این موج‌ها نشانه‌ای از افت و خیز در چگالی در جهان اولیه است. این موج‌های کوچک در جهان اولیه شاید در اثر نوسان‌های (افت و خیزهای) اتفاقی کوانتومی در میدان انرژی پدیدآورنده تورم، به وجود آمده باشد. نقص‌های توپولوژیک فضا نیز ممکن است این نوسان‌ها را پدید آورده باشد، اما این موضوع با طرح‌های موجود همخوانی ندارد.

این نوسان‌های (افت و خیزهای) چگالی، هسته‌های کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را پدید آورده است که در سراسر جهان پراکنده شده‌اند و در مقیاس‌های حدود یک میلیارد سال نوری، ساختار بزرگ مقیاس اسفنجی دارند. همه این ساختارها به این دلیل پدید آمده‌اند که گرانش، نوسان‌های اولیه را تشدید کرده است و بخش‌های چگال‌‌تر ماده را به سمت یکدیگر کشیده است.

● ماده تاریک

با این همه در شبیه‌سازی‌های انجام‌شده، ماده مرئی نمی‌تواند مقدار گرانش کافی را برای ایجاد ساختارهای مشاهده‌شده پدید آورد. به بیان دیگر چنین کاری باید با دخالت برخی از انواع «ماده تاریک» صورت گرفته باشد. دلیل دیگر بر وجود ماده تاریک آن است که برخی کهکشان‌ها آنچنان سریع می‌چرخند که اگر جاذبه گرانشی اضافه‌تری در کار نباشد، اجزای آن در کنار هم باقی نمی‌مانند.

ماده تاریک شبیه ماده معمولی نیست، چرا که در این صورت باید طی انفجار بزرگ، در فرآیند «nucleosynthesis» مقدار بسیار بیشتری دوتریم پدید آید. زمانی که عمر جهان کمتر از سه دقیقه بود، برخی پروتون‌ها و نوترون‌ها طی فرآیند همجوشی عنصرهای سبک را پدید آوردند. کیهان‌شناسان محاسبه کردند که اگر مقدار ماده معمولی از آنچه مشاهده می‌کنیم، بیشتر می‌بود، آن وقت طی فرآیند همجوشی، دوتریم بسیار بیشتری نسبت به آنچه امروزه می‌بینیم پدید می‌آمد.

در عوض به نظر می‌رسد ماده تاریک باید از چیز دیگری ساخته شده باشد. شاید در لحظه‌های اولیه انفجار بزرگ که بسیار داغ بود، پدید آمده باشد. برخی حدس می‌زنند ماده تاریک از ذراتی مثل WIMP (ذرات پرجرم با برهمکنش ضعیف) یا اکسیون‌های سبک‌تر یا به احتمال کمتر از سیاهچاله‌های اولیه پدید آمده باشد. یک احتمال دیگر برای توجیه منشاء ماده تاریک MOND یا دینامیک نیوتنی اصلاح شده است. این نظریه می‌گوید گرانش در فاصله‌های طولانی‌تر، قوی‌تر است.

● انرژی تاریک

راز و موضوع مبهم دیگر در دهه ۱۹۹۰ سر برآورد. اخترشناسان در آن هنگام دریافتند «ابرنواختر»های دوردست به طرزی بسیار شگفت‌آور ضعیف هستند. به همین دلیل اخترشناسان حدس زدند شتاب انبساط جهان، آن گونه که تا آن موقع فکر می‌کردند، کاهنده نیست بلکه با شتاب فزاینده صورت می‌گیرد. به نظر می‌رسد نوعی نیروی دافعه یا ضدگرانش در جهان وجود دارد که امروزه آن را «انرژی تاریک» می‌نامند. ماهیت این انرژی ممکن است «ثابت کیهان‌شناسی» یا انرژی خلأ باشد یا یک نوع میدان انرژی متغیر مانند «quintessence» باشد. ممکن است این نوع از انرژی، از خواص عجیب و ناشناخته نوترینوها پدید آمده باشد یا ممکن است حالت تغییریافته‌ای از گرانش باشد.

ماهواره WMAP با اندازه‌گیری دقیق طیف نوسان‌های تابش ریزموج پس‌زمینه پایه‌های تصویر استاندارد و کیهان‌شناسی را مستحکم‌تر کرد و نشان داد جهان ۷/۱۳ میلیارد سال عمر دارد و حاوی ۴۰ درصد ماده معمولی، ۲۲ درصد ماده تاریک و ۷۴ درصد انرژی تاریک است. تصویری که WMAP ارائه کرد، «نظریه تورم» را نیز تایید می‌کند. اما برای آزمون دقیق‌تر و کامل‌تر تورم باید منتظر آشکارسازی «امواج گرانشی کیهانی» بمانیم. امواج گرانشی، امواجی هستند که گمان می‌رود در اثر رشد سریع تورم پدید آمده باشد و نشانه‌های کوچکی از آنها در تابش ریزموج پس‌زمینه باقی مانده باشد.

چگالی انرژی تاریک از آنچه نظریه کوانتوم برای انرژی خلأ پیش‌بینی می‌کند، بسیار کمتر است. برخی‌ها این موضوع را به عنوان یک مثال خوب از «تنظیم دقیق» کیهان‌شناسی در نظر می‌گیرند. طبق این اصل، اگر مقدار چگالی کمی بیشتر بود، ابرهای گازی از یکدیگر دور می‌شدند و در نتیجه هیچ ستاره‌ای تشکیل نمی‌شد. همین موضوع برخی کیهان‌شناسان را به این نتیجه رسانده است که اصلی به نام «اصل آنتروپیک» یا «اصل انسان‌محوری» را بپذیرند. این اصل می‌گوید ویژگی‌های جهان ما به گونه‌ای تنظیم شده است که برای تشکیل حیات مناسب باشد، در غیر این صورت ما وجود نداشتیم و نمی‌توانستیم جهان را مشاهده کنیم.

● پرسش‌های بی‌پاسخ

با این همه هنوز مهم‌ترین پرسش‌های ما بی‌پاسخ مانده است. ما هنوز اندازه واقعی جهان را نمی‌دانیم، حتی نمی‌دانیم جهان محدود است یا نامحدود. ما از توپولوژی جهان بی‌خبریم. آیا جهان به دور خودش می‌پیچد یا تخت است. نمی‌دانیم چه عاملی باعث پدید آمدن تورم شده است یا آن طور که بسیاری از نظریه‌های تورم می‌گویند، این پدیده باعث شده است که تعداد زیادی جهان موازی در اطراف ما پدید آید.

هنوز مشخص نیست که چرا جهان، ماده را به ضدماده ترجیح می‌دهد. در لحظه‌های اولیه پدید آمدن جهان پس از انفجار بزرگ که ذره‌ها پدید آمدند، کفه ترازو به سمت تولید ماده بوده است. مدل استاندارد فیزیک ذرات هنوز نمی‌تواند دلیلی برای این رویداد ارائه کند. اگر مقدار ماده و ضدماده به اندازه هم تولید می‌شد، آنها همدیگر را نابود می‌کردند و هیچ چیزی به غیر از انرژی و تابش باقی نمی‌ماند.

سرنوشت نهایی جهان نیز به ماهیت ناشناخته انرژی تاریک و چگونگی رفتار آن در آینده بستگی دارد. ممکن است کهکشان‌ها در اثر شتاب گرفتن از همدیگر دور شوند یا آنکه همه مواد جهان در اثر «big rip» نابود شود یا آنکه در اثر «big crunch» رمبش کند یا آنکه دوباره منبسط شود و جهانی چرخه‌ای پدید آورد. حتی ممکن است یک کرمچاله بسیار بزرگ جهان را ببلعد.

در مورد آغاز جهان نیز باید گفت اگر جهان آغاز یگانه و منحصر به فردی داشته است، تاکنون ناشناخته مانده، زیرا در تکینگی اولیه، تمام نظریه‌های فیزیکی شناخته شده نقض می‌شود. برای درک منشاء جهان، احتمالاً به نسخه‌ای از نظریه «گرانش کوانتومی» نیاز داریم.

www.NewScientist.com

استفن باترزبی

ترجمه: رقیه علی‌نژاد