هشت معمای بزرگ کیهان

پیشرفت های پدید آمده در مسیر کشفیات, در سده گذشته, افق های تازه ای را برای درک منشا و خاستگاه کیهان به روی ما گشوده است, لکن هنوز راز و رمزهای بزرگی باقی است و سالیانی خواهد گذشت تا ستاره شناسان این رموز را کشف کنند

پیشرفت های پدید آمده در مسیر کشفیات، در سده گذشته، افق های تازه ای را برای درک منشا و خاستگاه کیهان به روی ما گشوده است، لکن هنوز راز و رمزهای بزرگی باقی است و سالیانی خواهد گذشت تا ستاره شناسان این رموز را کشف کنند.

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

ریاضیدان گمنامی به نام الکساندر فریدمن که اهل روسیه بود دریافت که ایده های اینشتین در رابطه با گرانش می تواند بیانگر تفسیری کاملاً متفاوت باشد، یعنی عالم هستی به جای آن که پایداری و ثبات داشته باشد به سوی انبساط و گسترش پیش می رود.کیهان شناسی بلژیکی به نام جورج لومتر (Georges Lemaitre) که یک کشیش کاتولیک بود، نیز از فرضیه جهان در حال انبساط جانبداری می کرد.وی در سال ۱۹۲۷ بیان کرد که انتقال مشهور دوپلر در نوری که از سحابی ها (که البته امروزه آن سحابی ها را کهکشان می نامیم) به ما می رسد و به سوی طول موج های بلندتر میل می کند بیانگر این نکته است که سحابی ها از زمین دور می شوند.

بدین ترتیب نشان داد که عالم در حال انبساط است.لومتر فرضیه ای را بنیان نهاد که بر طبق آن عالم هستی، از اندازه ای کوچک آغاز شده و تا رسیدن به مقیاس ایده آل خود به پیش می رود. البته اینشتین این فرضیه را تایید نکرد.در هرحال در سال ۱۹۲۰ ادوین هابل با بهره گیری از میزان درخشندگی ستارگان متغیر، موفق به ایجاد معیاری برای محاسبه فاصله کهکشان ها شد.

هابل دریافت که هرچه یک کهکشان از زمین دورتر باشد، با سرعت بیشتری از ما فاصله می گیرد.امروزه معتقدیم که انبساط مذکور، در حقیقت انبساط و گسترش فضا است و نه حرکت کهکشان ها در فضا. (مفهومی که هابل هیچ گاه آن را به طور کامل 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 کردند.آنها مدعی شدند که انفجار کیهانی، موجب تشکیل ماده اولیه ای شده است که بی نهایت داغ بوده و در ضمن حاوی نوترون ها و پس مانده های حاصل از انهدام آنها بوده است.این ایده عجیب یک پیش بینی قابل آزمایش را در خود نهفته داشت که برای سالیانی از نظر دور مانده بود:«باقی مانده سرد مهبانگ در قالب تابش ریزموج از زمین قابل آشکارسازی است.» در سال ۱۹۶۴ و ۱۹۶۵ رابرت ویلسون و آرنو پنزیاس، دانشمندان لابراتوار ای تی اند تی بل (AT&Tbell) از یک رادیو تلسکوپ که برای دریافت اطلاعات از نخستین ماهواره ارتباطاتی طراحی شده بود، استفاده کردند تا علائم مربوط به تابش فراگیر ریزموج را آشکار سازند.

وجود این پارازیت ، کاملاً مستقل از جهت قرارگرفتن آنتن بود. آن دو مجدداً تلسکوپ را تنظیم و آن را تمیز کردند اما سیگنال مذکور همچنان وجود داشت.

این پارازیت رادیویی صرفنظر از این که پنزیاس و ویلسون تلسکوپ خود را به سوی خورشید و یا کهکشان راه شیری نشانه بروند به شکل سابق خود باقی می ماند و این مورد بیانگر این مطلب بود که تابش موردنظر، منشاء خورشیدی و یا کهکشانی ندارد. پنزیاس و ویلسون به زودی دریافتند که این پارازیت همان تابش مایکروویو است که گامو و آلفر پیش بینی کرده 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 که در آینده ارائه خواهند شد، بیش از آن که 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 که سرپرستی آنها برعهده برایان اشمیت (از رصدخانه های سایدینگ اسپرینگ و مونت استروملو، واقع در وسترن کریک استرالیا) و سول پرلماتر (آزمایشگاه ملی لورنس واقع در برکلی _ کالیفرنیا) بود به ثبت درخشندگی ابرنواخترهای دوردست پرداختند تا میزان کندشدن انبساط عالم را محاسبه کنند.هر دو گروه به یافته هایی نائل شدند که هر جزء آن به نوبه خود به اندازه یافته های پنزیاس و ویلسون، در رابطه با ریزموج پس زمینه کیهانی غیرمنتظره بود.

«کهکشان های دوردست که دربردارنده ابرنواختر هستند با سرعتی که با گذشت زمان کاهش پیدا کند از ما دور نمی شوند، بلکه این کهکشان ها با شتاب از ما دور می شوند.»این کشف مانند تمامی پیشرفت های غیرمنتظره علمی که در گذشته روی داده است، مجموعه ای از سئوالات را در رابطه با موضوع مورد بحث پدید آورد. معماهایی که در ذیل مورد بحث قرار خواهند گرفت نشانی از دستاوردهای سترگ قرن گذشته است و در عین حال ما را آگاه می سازد که 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 کس یک خرگوش را از یک کلاه خالی بیرون نمی آورد، برای ما که در جهانی سه بعدی زندگی می کنیم. مگر نه؟ ولی شاید هم این طور نباشد. فیزیکدان ها به طور سنتی عالم هستی را با بهره گیری از چهار بعد ترسیم و تفسیر می کنند: سه بعد فضایی آشنا و دیگری بعد زمان.مدل مذکور به ما کمک می کند تا برای همه چیز توضیح و تفسیری داشته باشیم، از خمیدگی نور ستارگان در هنگام عبور از کنار خورشید گرفته تا شکل گیری سیاهچاله ها. اکنون فیزیکدانان به این مطلب می اندیشند که احتمالاً باید چند بعد فضایی دیگر را به سیستم کنونی بیفزایند.مسئله سلسله مراتب موجبات تحریک فیزیکدانان را فراهم می سازد. به بیان ساده تر آنان نمی دانند که چرا نیروی جاذبه گرانشی به شدت از سه نیروی بنیادین دیگر یعنی الکترومغناطیس، نیروی قوی و نیروی ضعیف، ضعیف تر است. دو فیزیکدان به نام های لیزا راندال از موسسه فناوری ماساچوست در کمبریج و رامان ساندرام از دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور (مریلند) تفسیری ارائه کرده اند که بر طبق آن بعد دیگری به ابعاد کنونی اضافه می شود.در مدلی که آن دو ارائه دادند ما در دنیای چهار بعدی زندگی می کنیم و ذرات گراویتون که حامل نیروی گرانشی هستند، در بعدی دیگر واقع اند.اختلافی کوچک در بعد پنجم، میان این دو جهان، موجب کاهش چشمگیر نیروی گرانشی می شود.نظریه پردازان تئوری ریسمان حتی از این هم فراتر می روند. آنها چهار نیروی بنیادین فیزیک را در یک مدل یازده بعدی یکپارچه می سازند، که در آن، حلقه های بسیار کوچک و قطعات ریسمانی، بنیادی ترین ذرات هستند.اما حتی خوش بین ترین نظریه پردازان تئوری ریسمان نیز تردید دارند که در آینده نزدیک بتوانند این ریسمان ها را مشاهده کنند.نظریه مذکور پیش بینی می کند که این ریسمان ها ۱۰۰ میلیون میلیارد برابر کوچکتر از ریزترین ذرات زیراتمی هستند. (منظور ذراتی است که 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 کنند که شتابدهنده بزرگ هادرون، واقع در جنوا که قرار است در سال ۲۰۰۷ شروع به کار کند می تواند انرژی کافی را برای نفوذ یک گراویتون به دنیای ما فراهم سازد.

۲) جهان چگونه شکل گرفت

میان کیهان شناسان بر سر زمان شکل گیری عالم قابل رویت، این اجماع وجود دارد که جهانی که ما می توانیم ببینیم، زائیده رویدادی است که بین ۱۳ تا ۱۴ میلیارد سال پیش اتفاق افتاده است.در مدت یک میکرو ثانیه پس از واقعه مذکور، عالم آشامه ای (سوپی) بی اندازه داغ بوده که حاوی کوارک ها و دیگر ذرات عجیب بوده است.

در همان اثنا که این سوپ داغ در حال خنک تر شدن بود، کوارک ها متراکم شدند و موجبات تشکیل پروتون ها و نوترون ها و همین طور ذراتی از این دست منجمله هادرون ها و مزون ها را فراهم کردند.هنگامی که جهان هستی در زمانی معادل یک ثانیه به بلوغی خاص رسیده بود، دیگر به جز نوترون ها، پروتون ها، فوتون ها، الکترون ها و نوترینوها چیز دیگری وجود نداشت.مجموعه ای از واکنش های هسته ای در دویست ثانیه بعدی، موجبات تشکیل هسته سه عنصر اولیه را که کوچکترین عناصر هستند فراهم ساخت.

امواج صوتی حاصل از پژواک مهبانگ که در شرف محو شدن بود در درون سیال بی اندازه داغ و چگال جهان، که هنوز در نخستین دوره رشد خود بود، مانند موج درون یک دریاچه انتشار می یافت.یک گروه متراکم از الکترون های آزاد با بار منفی که توسط پروتون ها (که بار مثبت دارند) کشیده می شدند، با جزر و مد این سیال همراه می شدند، در این مسیر فوتون ها در برخورد با ذرات باردار مذکور، جمع آوری و محصور می شوند.در آن هنگام که جهان سیصد و هشتاد هزار سالگی خویش را پشت سر گذاشته بود به اندازه کافی سرد شده بود که اتم ها برای شکل گیری مجال پیدا کنند.این اتفاق موجب شد که 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 که از دوران های نخستین حیات عالم بر جای مانده است (که البته نخستین بار توسط پنزیاس و ویلسون مشاهده گردید)، عبارت ریزموج پس زمینه ای کیهانی اطلاق می کنند.

هنگامی که ستاره شناسان تلسکوپ های ریزموج مانند کاوشگر پس زمینه کیهانی و یا جایگزین آن (کاوشگر ناهمسانگردی موج) به نام ویلکینسون را به جهت خاصی نشانه رفتند و آنگاه دمای کهموج زمینه ای کیهانی را محاسبه کردند، تابشی را مشاهده کردند که دمایی در حدود ۷/۲ درجه سیلسیوس بالاتر از صفر مطلق داشت (یا به عبارتی ۷/۲ درجه کلوین).هنگامی که جهت مخالف را بررسی کردند مجدداً ۷/۲ درجه کلوین را به دست آوردند. البته نوساناتی هم وجود داشت که ناچیز بود و در حالت بیشنیه به حدود یک واحد در صدهزار می رسد.هر انفجاری که موجبات یکنواختی کنونی عالم را فراهم آورده باشد کیهان شناسان را شیفته خود می کند. حالتی که در آن گویی تمامی اجزای عالم نوپا به یکدیگر مرتبط و متصل بوده است.حال سئوال اینجاست که چنین امری چگونه امکان پذیر است؟آلن گات (۱۹۲۵ م) در حالی که در اواخر دهه ۷۰ میلادی بر روی مسئله فوق در حال تفکر و بررسی بود به درک حیرت انگیزی نائل شد که چنین بود: چه می شد اگر جهانی که امروز برای ما رویت پذیر است به شکل حباب بسیار کوچک و در عین حال فوق العاده یکنواختی پدیدار شده باشد و به ناگاه با چنان سرعتی منبسط شده که فرصتی برای تغییر و دگرگونی نیافته است.

نظریه تورم گات نه تنها یکنواختی موجود در تابش زمینه کیهانی به میزان یک واحد از صد هزار را توضیح می دهد بلکه این فرض را مطرح می کند که وضعیت توده ای مورد نظر خود برخاسته از نوسانات کوانتومی واقع شده در طول مدت تورم است.

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

در ضمن نظریه گات پیش بینی قابل آزمایشی را بیان می دارد که چنین است: جهانی که به صورت حبابی متورم شده است، در اصطلاح کیهان شناختی تخت به نظر می رسد. تخت به این معنی است که در یک فضای تخت هرگز دو خط موازی یکدیگر را قطع نمی کنند حتی اگر آن دو تمامی عالم را بپیمایند. در سال های اخیر ستاره شناسان با محاسبه اندازه های زاویه ای تغییرات تابش زمینه کیهانی که البته بسیار کم است، بارها (و اکنون 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 اخترفیزیکدان دانشگاه برکلی (کالیفرنیا) می گوید: مورد مذکور ساده ترین راه حلی است که می توان برای معادله اینشتین ارائه کرد لکن می تواند جهان را به طور دقیقی توضیح دهد.هیچکس بر این امر وقوف کامل ندارد که چه چیزی موجبات پیشروی این تورم را فراهم کرده است.فیزیکدان ها لیست طویلی از مدل ها را برای عالم در حال انبساط پیشنهاد کرده اند ولی اغلب این راه حل ها پایه و اساس کاملاً فیزیکی ندارند و برای سهولت کار از یک سری ملاحظات و حذفیات ریاضی نیز در آنها استفاده شده است.

ادوارد راکی کولب، اخترفیزیکدان شتابدهنده فرمی می گوید: «پس از بررسی تمامی تئوری های موجود درباره مبحث تورم و انبساط عالم به این نتیجه می رسیم که هنوز نظریه ای کامل در این مورد در اختیار نداریم.»

مارک سینسل

ترجمه: احمد آرین خو