سلیمان فرهادیان

کمتر پدیده‌ای در جهان، به اندازه خود جهان موجب شگفتی بشر شده است. بشر تاکنون تلاش‌های بسیاری برای شناخت گستردگی فضایی و زمانی کیهان صورت داده که البته دستاوردهای خیره‌کننده‌ای هم داشته است. در قسمت قبلی به بررسی سن جهان، اندازه جهان و سرعت گسترش آن پرداختیم و هم‌اکنون جنبه‌های دیگری از آن را بررسی می‌کنیم.

***

* جرم کیهان چقدر است؟

مدت‌هاست که محاسبه میزان مواد موجود در جهان، فکر کیهان‌شناسان را به خود مشغول کرده، دلیل اصلی این اشتغال ذهنی، این است که به نظر می‌رسد‌ بخش زیادی از ماده موجود در جهان، غیرقابل مشاهده است.

ماده تاریک را در نظر بگیرید. این ماده را «ماده تاریک» می‌نامند چون با نور برهم‌کنش ندارد. زمانی که دریافتیم جاذبه گرانشی ماده مرئی معمولی به تنهایی برای توضیح چگونگی به هم‌پیوستن کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی کافی نیست، دانستیم این منبع مرموز جرم برای توضیح این پدیده بکار رفته است. از آن زمان، این پدیده به‌بخش بسیار مهمی از مدل استاندارد تبدیل شده، یعنی آن دست پنهان گرانش که به ساختار کیهان شکل می‌دهد.

ما تاکنون ماده تاریک را آشکارسازی نکرده‌ایم. با این همه، فیزیک‌دانان با مشاهده الگوی نوسان دما در زمینه ریزموج کیهانی (که نشان‌دهنده تأثیر متقابل ماده و انرژی در جهان اولیه است)، می‌توانند فراوانی آن را در مقایسه با ماده معمولی تخمین بزنند. نتیجه این تخمین، آن است که نسبت ماده تاریک به ماده معمولی، بیش از نسبت 5 به 1 است. کیهان تقریباً از 5 درصد ماده معمولی، 27 درصد ماده تاریک و 68 درصد انرژی تاریک (شکل مرموز دیگری از جرم/انرژی) تشکیل شده است. اینها، مقدار پذیرفته شده اجزای جهان(البته تاکنون) است.

با این حال، به تازگی معمایی درباره اندازه‌گیری میزان تجمع‎ کهکشان‌ها در مقیاس 8 کیلوپارسک پدید آمده است. (پارسِک، یکی از واحدهای سنجش مسافت در ستاره‌شناسی و برابر 26/3سال نوری است). مقدار این کمیت (که به سیگما-8 معروف است)، به میزان جرم موجود در جهان بستگی دارد زیرا گرانش حاصل از این جرم است که خوشه‌ها را جذب یکدیگر می‌کند. می‌توان این مقدار را براساس مشاهده‌ها، اندازه‌گیری یا براساس مدل استاندارد، پیش‌بینی کرد. در اینجا هم، اندازه‌گیری‌های دقیق، اختلاف دردسرسازی ایجاد می‌کند.

مدل استاندارد با استفاده از نسبت‌های پذیرفته‌شده از انواع مختلف ماده و بررسی رفتار گرانش (که نسبیت عام آن را توصیف می‌کند)، پیش‌بینی می‌کند که مقدار سیگما-8 باید 81/0 باشد. اما وقتی هندریک هیلدبرانت از دانشگاه رور در بوخوم آلمان و همکارانش در سال 2017 این مقدار را اندازه‌گیری کردند، به نتیجه متفاوتی رسیدند. او و گروهش از تکنیکی به نام عدسی گرانشی ضعیف استفاده کردند. در این روش، مقدار اعوجاج نور کهکشان‌های دوردست توسط اشیای پرجرم بین ما و آنها اندازه‌گیری می‌شود. مقداری که آنها برای سیگما-8 به دست آوردند، 74/0 است که نشان می‌دهد نسبت به آنچه ما در هنگام استفاده از مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کنیم، ماده کمتری در جهان وجود دارد.

رصدخانه‌های آینده مانند رصدخانه زمینی ورا روبین و تلسکوپ فضایی اقلیدس سازمان فضایی اروپا (ESA) به اندازه‌گیری دقیق‌تر این کمیت می‌پردازند. اگر این اختلاف، همچنان باقی بماند، به توضیح بیشتری نیاز است. اگر نتوان این اختلاف را تفسیر کرد، دلیل دیگری است که فکر کنیم کیهان‌شناسی استاندارد ما نیازمند یک بازنگری اساسی است.

* شکل کیهان چگونه است؟

وقتی کیهان‌شناسان درباره هندسه جهان صحبت می‌کنند، منظورشان شکل کلی فضا-زمان است. در جهان در حال گسترش ما، اساساً دو احتمال وجود دارد. اگر گرانشی که همه مواد موجود در عالم پدید می‌آورند، قوی‌تر از انبساط باشد، در نهایت همه چیز را گرد هم می‌آورد. در این صورت، ما در جهان «بسته» یا کروی زندگی می‌کنیم. اگر هر چیزی که عامل انبساط است بر گرانش غلبه کند، جهان ما، جهان در حال انبساط پیوسته یا «باز» است که به زین شباهت دارد.

به هر روی نکته جالب آنکه، به نظر می‌رسد تعادل جهان بین این دو گزینه، کاملاً بی‌ثبات است. تئوری تورم کیهانی با حذف هرگونه انحنای کلی، در توضیح این وضعیت به ما کمک می‌کند. اکنون این ایده که ما در جهانی تخت زندگی می‌کنیم، به بخشی از مدل استاندارد کیهان‌شناسی تبدیل شده است. حتی در این صورت هم، شک و تردیدهایی وجود دارد.

«الساندرو ملچیوری» از دانشگاه ساپینزا در رم ایتالیا، عضوی از گروهی است که آخرین داده‌های مأموریت پلانک را تجزیه و تحلیل کرده است. آنها نوسان‌های دما در پس‌زمینه ریزموج کیهانی را به دقت اندازه‌ گرفتند. یکی از موضوعاتی که این پژوهشگران، بررسی کردند میزان اعوجاج نور پس‌زمینه ریزموج کیهانی در پدیده عدسی گرانشی ضعیف هنگام حرکت به سمت ما بود. آنها همگرایی گرانشی بیشتری را نسبت به مدل استاندارد کیهان‌شناسی یافتند، مگر حالتی که فرض جهان تخت را در نظر نگرفت. ملچیوری می‌گوید: «اگر مدل را متناسب کنید و اجازه دهید که انحنا تغییر کند، می‌بینید که بهترین راه‌حل، جهانی بسته با ماده تاریک بیشتر است».

اما همان‌طور که ملچیوری و همکارانش در یک پژوهش دیگر نشان دادند، جهان بسته ناهماهنگی‌هایی را که کیهان‌شناسان در مدل استاندارد مشاهده می‌کنند، بیشتر می‌کند، به ویژه با در نظر گرفتن این واقعیت که به نظر می‌رسد جهان با سرعتی بیش از آنچه که باید، در حال گسترش است. اگر جهان کروی باشد، نه مسطح، توضیح وضعیت، باز هم سخت‌تر می‌شود.

تقریباً همه اندازه‌گیری‌های دیگر بیانگر آن است که جهان مسطح است. البته ممکن است که مشاهده‌های اخیر صرفا یک خوش‌اقبالی آماری باشد که به عنوان مثال با بررسی‌های جدید کیهانی تلسکوپ «ورا روبین» یا ماهواره اقلیدس از بین برود.

اما اگر چنین نباشد، بهترین راه پیش‌ رو، استخراج داده‌های بهتر درباره ماهیت واقعی انفجار بزرگ و تورم کیهانی است. اینجاست که امواج گرانشی اهمیت می‌یابند. این امواج در فضا-زمان (که معمولاً به عنوان نتیجه برخورد بین سیاه‌چاله‌های دور شناخته می‌شود)، همچنین می‌تواند دریچه‌ای رو به ما باز کند برای مشاهده دنیای اولیه، البته در صورتی که بتوانیم این امواج را که از دورترین نقاط کیهان به سمت ما آمده‌اند، آشکارسازی کنیم. ون دن بروك مي‌گويد: «تعداد زیادي مكانيسم (كيهان‌شناختي) وجود دارد كه مي‌توان تصور کرد در کسري از ثانيه پس از انفجار بزرگ روی داده و آبشاری از تابش گرانشي پدید آورده باشد».

امروزه امواج گرانشی اولیه، به صورت پس‌زمینه‌ای از امواج که از همه جهات می‌آیند، قابل مشاهده است. این امواج اولیه متفاوت‌اند، از این نظر که طول موج آنها بسیار طولانی‌تر از آ‌نهایی است که ما به دلیل انبساط جهان، از برخورد سیاه‌چاله‌ها شناسایی کرده‌ایم. بهترین ردیاب‌های موج گرانشی زمینی ما با فرکانس خیلی بالا کار می‌کنند و به همین دلیل دیدن آنها مشکل است. اما آشکارساز فضایی اسا (سازمان فضایی اروپا)، به نام آنتن فضایی تداخل لیزری (LISA) برای این کار مناسب است.

پادیلا می‌گوید: «اگر می‌توانستیم امواج گرانشی اولیه را نیز ببینیم، ماجرا بسیار هیجان‌انگیز می‌شد. آن وقت واقعاً می‌توانستیم چیزهای زیادی در مورد جهان بیاموزیم». شاید از همه مهم‌تر اینکه در می‌یافتیم آیا تورم واقعاً روی داده است یا نه و آیا جهان کاملاً تخت است یا نه؟

* چند جهان وجود دارد؟

همان‌طور که قبلاً ذکر شد، وقتی کیهان‌شناسان با تورم کیهانی روبه‌رو شدند، (یعنی این ایده که جهان اولیه در یک لحظه به سرعت رشد کرده است)، دریافتند که ممکن است بیش از آنچه انتظار داشتند، به دست آورده باشند. پادیلا می‌گوید: «تورم ممکن است در هر مکانی در فضا و زمان روی دهد. این اتفاق مدت‌ها پیش در قسمت ما در جهان رخ داده است و باعث شد گوشه ما از جهان، بسیار بزرگ شود اما ممکن است در قسمت‌های دیگر جهان همچنان ادامه داشته باشد».

این سناریو، که به تورم ابدی معروف است، دسته‌ای از جهان‌های مختلف «حبابی» تولید می‌کند که همه آنها دور هم جمع شده‌اند و مرتب هم جوانه‌های تازه‌ای از جهان‌های دیگر شکل می‌گیرد. به بس‌گیتی یا چندجهانی تورمی (Inflationary Multiverse) خوش آمدید. البته راهی برای مشاهده یا اندازه‌گیری آنها وجود ندارد زیرا تمام جهان‌های حبابی موجود در آن، فراتر از مرزهای جهان قابل مشاهده ما قرار دارد. با این همه، بسیاری از کیهان‌شناسان پذیرفته‌اند که چنین جهان‌هایی وجود دارد زیرا نتیجه منطقی دو نظریه تورم و مکانیک کوانتوم است که ثابت شده تا حدود زیادی معتبرند.

ناتوانی ما برای دیدن آنها مانع از حدس و گمان در مورد تعداد این جهان‌ها و محتویات احتمالی آنها نشده است.

با توجه به بس‌گیتی تورمی استاندارد،  بی‌شمار جهان وجود دارد. آنچه در هرکدام از آنها می‌یابیم ممکن است کاملا متفاوت از جهانی باشد که می‌شناسیم. این ایده ناشی از تلاش برای توضیح گرانش به همان شیوه سه نیروی دیگر طبیعت، به عنوان یک نیروی کوانتومی است. در نظریه ریسمان (String Theory)، ذرات نقطه‌مانند، جای‌شان را به رشته‌های لرزان کوچکی می‌دهند که در ابعاد مختلف وجود دارند. (به طور معمول در 10 یا 11 بعد، بسته به مورد مد نظر شما). این تئوری چشم‌اندازی بسیار گسترده را پیش‌بینی می‌کند که شامل دست‌کم 10500 امکان مختلف برای وضعیت‌های متفاوت فیزیک در بی‌شمار حباب‌های بس‌گیتی تورمی است. هر یک از این جهان‌ها، قوانین فیزیکی خاص خود و مقدارهای مختلفی برای ثابت‌های فیزیکی دارند.

یا شاید هم فقط یک جهان دیگر وجود داشته باشد و ما پیش از این، شواهد ملموسی از وجود آن دیده باشیم. در سال 2016، آنتن گذرای تکانشی قطب جنوب (ANITA) ذره‌ای با انرژی بالا را شناسایی کرد که به نظر می‌رسد به جای آنکه از فضا آمده باشد، از زمین سربرآورده است. دو سال بعد هم، چنین کشفی دوباره صورت گرفت. یک توضیح این است که این ذره ممکن است از یک جهان موازی به وجود آمده باشد که هم‌زمان با جهان ما ایجاد شده است، اما در زمان رو به عقب سفر می‌کند.

* جهان کی به پایان می‌رسد؟

قبل از کشف انرژی تاریک، (همان نیروی مرموزی که تصور می‌شد، فضا-زمان را از یکدیگر دور می‌کند)، آینده جهان به هندسه بستگی داشت. یا کیهان بسته بود و در یک «مه‌رمب» (Big Crunch) در خود آوار می‌شد و فرو می‌ریخت یا اینکه باز بود و برای همیشه گسترش می‌یافت. با این حال اکنون مدل استاندارد کیهان‌شناسی می‌پندارد که ما در جهانی تخت زندگی می‎‌کنیم که به دلیل انرژی تاریک، تا همیشه گسترش خواهد یافت.

اگر انرژی تاریک همانند یک ثابت کیهان‌شناختی باشد، به این معنی که با گذشت زمان نوسان نکند، انبساط جهان نیز به مرور تبدیل به یک ثابت می‌شود و خوشه‌های کهکشانی را باز هم از یکدیگر دور می‌کند. بیکر می‌گوید: «ما در جهان کاملا تنها خواهیم ماند». در این سناریو که گاهی اوقات مرگ گرمایی جهان یا انجماد بزرگ نامیده می‌شود، در نهایت تمام ستاره‌ها می‌میرند، سیاه‌چاله‌ها بزرگ‌تر می‌شوند و دمای ماده باقی‌مانده در جهان، کم‌کم برابر می‌شود. وقتی تفاوت دمایی نباشد، جریان انرژی به پایان می‌رسد و جهان به تدریج وارد نوعی مرحله پیری کیهانی می‌شود که طی آن اتفاق زیادی روی نمی‌دهد.

یک گزینه دیگر، گسست بزرگ (Big Rip) است. در این حالت، انرژی تاریک مدام قوی‌تر شده و انبساط جهان شتاب می‌گیرد. بیکر می‌گوید: «این وضعیت، هیجان‌انگیزتر است. در این حالت حتی اجرام با پیوندهای گرانشی مانند كهكشان‌ها نیز ممکن است سرانجام از هم جدا شوند». زیرا انرژی تاریك بر نیروی گرانشی‌ای كه اجرام کیهانی را به هم پیوند داده است، غلبه می‌كند.

اینکه کدام یک از این سناریوها صحیح است، فقط زمانی مشخص می‌شود که ماهیت انرژی تاریک را بدانیم. اما برای آنها که خیال‌شان راحت است و بر این باورند که همه این موارد در آینده خیلی دوری روی می‌دهد و نیازی نیست، نگران آن باشند، باید بگویم که راهی وجود دارد که جهان همین فردا به پایان برسد. این ایده مبتنی بر تئوری ریسمان است که می‌گوید جهان‌های بسیاری با قوانین فیزیکی متفاوت وجود دارد. در این صورت، جهان ما ممکن است طی پدیده‌ای کوانتومی به نام تونل‌‌زنی، ناگهان به جهانی با خصوصیات دیگری تبدیل شود. در این حالت، ممکن است ثابت‌های طبیعت و شاید حتی قوانین فیزیک چیزی شبیه به مواردی که ما می‌شناسیم، نباشد.

یا دست‌کم اینکه، این وضعیت ایده‌آل نیست، زیرا ساختار اتم‌ها به تعادل ظریف بین نیروهای طبیعت متکی است. کافی است وضعیت کمی تغییر کند تا اتم‌ها (که سازنده همه‌چیز هستند)، در چشم برهم‌زدنی متلاشی شوند. بیکر می‌گوید: «اگر فردا، هنگام صرف چای عصرانه، یکی از این انتقال‌های فازی روی دهد، بعید است که کسی متوجه آن شود. درچشم برهم‌زدنی، همه‌چیز به پایان می‌رسد».

بنابراین ممکن است پرسش نهایی کیهان‌شناسان این باشد که آیا آنها می‌توانند دریابند که مدل استاندارد محبوب‌شان درست است یا خیر؟

*****

انتهای پیام/