در عالم اولیه چه رخ داده است؟ — آنچه باید بدانید

در این مطلب قصد داریم هفتمین سوال بی جواب کیهان شناسی را بر اساس مدل استاندارد بررسی کنیم. این سوال به چگونگی عالم اولیه یا عالم در $$t=0$$ می‌پردازد. بررسی‌ها نشان داده‌اند که تعمیم مدل انفجار بزرگ به قبل‌تر از آن باعث بی‌نهایت شدن چگالی، فشار، حرارت و خمیدگی فضا می‌شود که جواب قابل قبولی نیست. حال سوال این است که عالم اولیه را چگونه می‌توان توضیح داد. اگر این سوال و بررسی‌های آن برای شما نیز جالب است خواندن این مطلب را از دست ندهید.

عالم در $$t=0$$ یا عالم اولیه

براساس مدل‌های کلاسیک فریدمن-رابرتسون-واکر یا FRW عالم انبساط خود را از حالتی آغاز کرده که در آن ضریب مقیاس صفر و چگالی نامحدود بوده است این موقعیت را تکینگی اولیه عالم می‌نامیم. سوال اصلی این است که چگونه می‌توان در این موقعیت در مورد فیزیک اشیا سخن گفت؟ در $$t=0$$ یا عالم اولیه واقعاً چه رخ داده است؟

این سوال هفتمین سوال لیست سوالات بی‌جواب کیهان شناسی بر حسب مدل استاندارد است. اگر به سادگی مدل انفجار بزرگ را به پیش از $$t=0$$ تعمیم دهیم، بسیاری از خصوصیات فیزیکی آن (چگالی انرژی ماده و تابش، فشار و درجه حرارت و خمیدگی فضا-زمان) به بی نهایت میل می‌کنند. در فیزیک هنگامی که یک مدل مقادیر بی‌نهایت را پیش‌بینی می‌کند می‌توان آن را به شکل هشدار در نظر گرفت، به اين معنی كه ما احتمالاً مدل را فراتر از محدوده اعتبار آن توسعه داده‌ایم و در زمان‌های پیش از $$t=0$$ نمی‌توانیم مدل انفجار بزرگ را بسط دهیم.

فیلم آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی در فرادرس

کلیک کنید

این موضوع چندان هم تعجب آور نیست زیرا همان طور که می‌دانید در فیزیک کوانتوم یک حد طبیعی یعنی زمان پلانک که مقداری برابر با $$10^{-43}$$ ثانیه دارد معرفی می‌شود که کوچکترین زمانی است که مدل استاندارد در آن مقدار و مقادیر بالاتر از آن قابل اعتماد است.

با رسیدن به زمان پلانک تاثیرات کوانتومی به اندازه تاثیرات نسبيت عام اهمیت می‌یابند و رفتار پدیده‌ها را نمی‌توان در چارچوب تئوری‌های فیزیکی موجود درک کرد و در این زمان است که نه نسبيت عام و نه فیزیک کوانتوم قراردادی چندان کمکی به ما نخواهد کرد.

بنابراین پیش از آنکه به پیش از زمان $$t=0$$ بیندیشیم به نظریه و مدلی احتیاج داریم که رفتار پدیده‌ها را در مقادیری کمتر از مقدار زمان پلانک توضیح دهد. به این دلیل در ابتدا منشاء احتمالی نظریه تورم را توضیح خواهیم داد.

عالم اولیه و منشاء تورم

در ابتدا می‌خواهیم بدانیم که تورم چگونه آغاز شده است. برخلاف مدل انفجار بزرگ که بر اساس نسبیت عام بنیان نهاده شده است، در مورد فیزیک بنیادینی که پایه فرضیه تورمی است توافقی وجود ندارد. تورم دربرگیرنده ویژگی‌هایی از فیزیک است که فراتر از فهم امروزی ما است. یکی از عمده‌ترین اهداف تحقیقات اخیر تلاش برای ارتباط تورم با فیزیک شناخته شده ذرات است.

بدون یك نظریه بنیادی این پرسش که چگونه ممکن است یک دوره تورمی در هستی رخ داده باشد، بی‌جواب باقی خواهد ماند. حتی تورم یک بخش کوچک اولیه برای شکل دادن به هستی قابل رویت امروز، محدودیت‌هایی بر آنچه پیش از این ذکر شد اعمال خواهد کرد.

برای مثال هربخش اولیه برای آنکه بتواند متورم شود باید به اندازه کافی یکنواخت باشد، این یکنواختی از کجا ناشی می‌شود؟ آیا این شرایط از پیش تعیین شده یا صرفاً بر اساس اتفاق و تصادف رخ داده است؟

به عنوان یک راه حل احتمالی، کیهان‌شناسی به نام «آندره لیده» (Andrei Linde)، مدلی با نام تورم بی نظم ارائه کرده که در آن شرایط اولیه هستی تصادفی است. در این مدل، هستی بسیار بزرگتر از آن چیزی است که ما می‌توانیم مشاهده کنیم و به حوزه‌هایی با قوانین فیزیکی متفاوت تقسیم شده است (تصویر 1 را ببینید). ما در ناحیه‌ای زندگی می‌کنیم که در آن شرایط مناسب برای تورم به واسطه تصادف فراهم شده است. در نتیجه این ناحیه متورم شده و شرایط مناسب برای زندگی را فراهم کرده است اما سایر حوزه‌ها احتمالاً قادر به انجام چنین کاری نبوده‌اند.

یک مشکل مدل آندره لیده یعنی مدل تورم بی نظم این است که ما نمی‌توانیم حوزه‌های دیگر را کاوش کنیم مگر آن که آن حوزه با حوزه ما برخورد کند و به همین دلیل این مدل قابل آزمودن نیست. ممکن است روزی تورم جزئی از یک تئوری قابل آزمایش شود و بتوان توضیح داد شرایط درست چگونه به وجود آمده است اما در حال حاضر چنین نیست.

تئوری تورمی بحث غالب در مورد شرایط هستی اولیه از دهه 80 میلادی است. توانایی این تئوری در توضیح دامنه‌ای از خصوصیات متضاد هستی با فرضیه‌های کم آن را بسیار جذاب کرده است.

پیش‌بینی‌های اصلی تئوری تورمی یعنی عالمی که از جهت فضایی تخت و به میزان بالایی (هرچند نه کاملاً) یکنواخت است و نیز طیف مخصوص نوسانات چگالی، توسط رصدهای انجام شده به تائید رسیده است. این موفقیت باعث شده کیهان‌شناسان عناصر کلیدی نظریه تورمی را جدی بگیرند اما در عین حال به دنبال تئوری‌های جایگزین قابل آزمایشی باشند که به همین اندازه موفق نیز باشد. در قسمت بعدی این بخش به شکل خلاصه دو مورد از این تئوری‌های جايگزين را شرح می‌دهيم.

عالم اولیه و کیهان شناسی کوانتومی

کیهان شناسی کوانتومی یکی از جایگزین‌هایی است که برای شرح آنچه پیش از زمان پلانک در هستی اتفاق افتاده استفاده می‌‏شود. این فرضیه از دیدگاه ویژه و بسیار نظری یعنی وحدت فیزیک کوانتوم و نسبيت عام بهره می‌برد که در ابتدا توسط «جان ویلر» (John Wheeler) و «بریس دویت» (Bryce DeWitt) در دهه 60 میلادی طرح شده بود.

متاسفانه تفسير تئوری نظریه این دو نفر به دلیل آن که مستقیماً به تکامل در زمان اشاره‌ای ندارد و در عوض به سایر خصوصیات هستی مانند اندازه آن پرداخته دشوار است.

نکته قابل توجه آن است که از نظریه ویلر-دویت می‌توان برای محاسبه احتمال اینکه هستی از هیچ به وجود آمده است یا خیر بهره برد هر چند برای انجام این کار چندین فرضیه لازم است.

«جیمز هارتل» (James Hartle) و «استفان هاپکینز» (Stephen Hawking) در سال 1983 میلادی بر مبنای این فرضیه که هستی نباید مرزی در زمان یا فضا داشته باشد به انجام محاسبات پرداختند.

دیگر فیزیکدانان نیز بر مبنای فرضیه‌های متفاوت پاسخ‌های متفاوتی یافتند و هنوز مشخص نیست کدام یک از این پاسخ‌ها، با فرض این که یکی از آن‌ها صحیح باشد، درست است.

نکته جالب این است که یک نفر بتواند با استفاده از قوانین فیزیک كه به گونه‌ای فراتر از خود عالم هستند خلقت آن را شرح دهد. اين نظریه در تناقض آشکار با فلسفه تورم بی نظم است که در آن فرض بر این است که قوانین فیزیک درون هستی جای دارند و ممکن است از نقطه‌ای به نقطه دیگر متفاوت باشند.

عالم اولیه و تئوری M

در طول چند سال گذشته شاخه جدیدی از تحقیقات در کیهان شناسی باز شده است. تئوری M که شامل نظریات تئوری قدیمی ابررشته‌ای است، تلاش دارد علاوه بر وحدت نسبیت عام و تئوری کوانتوم تمام نیروهای شناخته شده در طبیعت را نیز به این دو اضافه کند.

در حقیقت این نظریه می‌خواهد بین تمام نظریات عالم وحدت ایجاد کند. این تئوری تاکنون به عنوان بهترین کاندید برای «تئوری همه چیز» (theory of everything) معرفی شده است. در تئوری M بخش‌های بنیادین عالم ذرات نیستند بلکه رشته‌ها یا حتی صفحات هستند. این رشته‌ها می‌توانند نوسان كنند و حرکت داشته باشند و حرکات متفاوت آن‌ها معرف ذرات متفاوت و جرم‌های متفاوت خواهد بود.

فیلم آموزش مقدماتی کیهان شناسی و نجوم در فرادرس

کلیک کنید

یکی از خصوصیات جذاب این مدل‌ها آن است که آن‌ها ذره‌ای بدون جرم که شبیه به گراویتون است را به عنوان ذره کوانتوم میدان گرانش در نظر می‌گیرند. بنابراین تئوری M، گرانش و تمام نتایج نسبیت عام را پیش‌بینی می‌کند.

یکی از ویژگی‌های عجیب‌تر تئوری M پیش‌بینی بيش از چهار بعد برای فضا است. در واقع در این نظریه 11 بعد برای فضا-زمان در نظر گرفته می‌شود. معمولاً چنین فرض می‌شود که ابعاد اضافی روی یکدیگر تاخورده و مخفی هستند و تنها در انرژی‌های بسیار بالا ظاهر می‌شوند.

به نظر می‌رسد برخی از این ابعاد اضافی نیازی به تا خوردن و مخفی بودن ندارند و 4 بعد قابل مشاهده فضا-زمان را می‌سازند. در این نظریه در برخی حالت‌ها هستی را روی یک صفحه در نظر می‌گیرند (این صفحه را «برِین» (brane) نامگذاری کرده‌اند چرا که از واژه غشاء برداشت شده است) که خود این صفحه در یک فضای پنج بعدی که توده یا بالک نامیده می‌شود قرار گرفته است.

این مدل به کیهان شناسان امکان داده تا مدل‌های جدیدی برای عالم اولیه از جمله مدل‌هایی که در آن‌ها به تورم نیز نیازی نیست ارائه دهند. بر اساس این نظریه «مدل اکپیروتیک» (ekpyrotic model) (به معنای خارج از آتش) رویداد کلیدی و اولیه عالم تعریف می‌شود و در تاریخ کیهانی به معنای برخورد بین صفحه‌ای که هستی ما در آن قرار دارد با برخی صفحات موازی دیگر است (تصویر 2).

این برخورد منشاء نوساناتی بوده که در نهایت منجر به شکل‌گیری ساختارهای مقیاس بزرگ شده است. در یک مدل تکامل یافته‌تر از این مدل، صفحات به شکل مداوم با یکدیگر برخورد می‌کنند و این امکان را فراهم می‌کنند تا تعداد نامحدودی انفجار بزرگ در یک هستی رخ دهد.

درست پیش از برخورد نیروهای روی صفحه باعث شتاب‌گیری انبساط می‌شوند که این انبساط احتمالاً مشابه شتابی است که ما امروزه در هستی رصد می‌کنیم. این ویژگی سبب می‌شود عالم تخت و هموار باشد و لذا مشکل افق و تخت بودن عالم دیگر وجود نخواهد داشت.

در این تئوری انرژی تاریک در واقع انرژی است که جدایی بین صفحات برخورد کننده را کنترل می‌کند و به همین دلیل به جای آن که تنها یک مهمان ناخوانده باشد نقشی حیاتی در تکامل کیهان بازی می‌کند.

به نظر نمی‌رسد کسی بداند حرف M در تئوری M نشانه چیست، هرچند یکی از پیشگامان این تئوری یعنی «ادوارد ويتن» (Edward Witten) آن را «جادوئی، رمزآلود یا غشاء» (Magic, Mystry and Membrane) معرفی کرده است.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد اینکه در عالم اولیه چه رخ داده است صحبت کردیم. همان طور که می‌دانید در کیهان شناسی هشت سوال بی پاسخ وجود دارد که عبارتند از :

1. ماهیت ماده تاریک چیست؟
2. ماهیت انرژی تاریک چیست؟
3. چرا عالم یکنواخت است؟
4. چرا عالم هندسه تخت (k=0) دارد؟
5. منشا ساختار عالم چیست؟
6. چرا در عالم مقدار ماده از آنتی ماده بیشتر است؟
7. در زمان عالم اولیه و در زمان $$t=0$$ چه رخ داده است؟
8. چرا هستی به شکل فعلی آن است؟

در این مطلب در مورد سوال هفتم که در مورد عالم اولیه و عالم در زمان $$t=0$$ است صحبت کردیم و نشان دادیم با توجه به اینکه نمی‌توان این زمان را با مدل انفجار بزرگ توضیح داد باید از نظریات جایگزین برای توضیح این زمان از عالم استفاده کنیم. به این ترتیب و برای توضیح عالم اولیه منشاء نظریه تورم، نظریه کیهان شناسی کوانتومی و مدل M را معرفی و ویژگی‌ها و نقاط ضعف و قوت هر یک را بررسی کردیم.