نخستین لحظات تولد جهان هستی چگونه گذشته است؟

به گزارش ایران اکونومیست، در مورد نحوه تولد جهان هستی فرضیه‌هایی وجود دارد که میان آنها این نظریه مه‌بانگ است که تقریباً همه کیهان شناسان و فیزیکدانان نظری روی آن صحه می‌گذارند. شواهد حمایت کننده از این نظریه، گسترده و قانع کننده است. به عنوان مثال ما می‌دانیم که جهان حتی در حال حاضر نیز با سرعتی فزاینده در حال انبساط است.

دانشمندان همچنین یک اثر حرارتی پیش‌بینی‌شده از این انفجار بزرگ موسوم به تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی را کشف کرده‌اند و همچنین ما هیچ جرمی با قدمت بیش از ۱۳.۷ میلیارد سال در جهان نمی‌بینیم که نشان می‌دهد جهان ما در همین محدوده زمانی تخمین زده شده به وجود آمده است.

الکس فیلیپنکو(Alex Filippenko) اخترفیزیکدان از دانشگاه کالیفرنیا برکلی می‌گوید: همه این دلایل، مه‌بانگ را بر پایه‌ای بسیار استوار قرار می‌دهد. مه‌بانگ یک نظریه بسیار موفق است.

اما این نظریه به ما چه می‌آموزد؟ واقعاً در بدو تولد جهان ما چه اتفاقی افتاده و چگونه شکلی را که امروزه مشاهده می‌کنیم به خود گرفته است؟

آغاز

نظریه مه‌بانگ سنتی معتقد است که جهان ما با یک تکینگی آغاز شده است که به نقطه‌ای با چگالی و دمای بی‌نهایت گفته می‌شود که درک ماهیت آن برای ذهن ما دشوار است. با این حال، پژوهشگران می‌گویند ممکن است این به طور دقیق واقعیت را منعکس نکند، زیرا ایده تکینگی بر اساس نظریه نسبیت عام اینشتین بنا شده است.

شان کارول(Sean Carroll) فیزیکدان نظری در موسسه فناوری کالیفرنیا(Caltech) می‌گوید: مشکل این است که هیچ دلیلی برای باور تنها به نسبیت عام وجود ندارد. این اشتباه خواهد بود، زیرا این نظریه مکانیک کوانتومی را در نظر نمی‌گیرد و مکانیک کوانتومی مطمئناً در این موضوع و زمانی که در مورد آن نقطه از تاریخ کیهان حرف می‌زنید، مهم خواهد بود.

بنابراین نقطه آغاز جهان تاریک و مبهم باقی مانده است. دانشمندان فکر می‌کنند که می‌توانند داستان را از حدود ۱۰ به توان منفی ۳۶ ثانیه - یک تریلیونم تریلیونم تریلیونم ثانیه - پس از مه‌بانگ ببینند.دانشمندان بر این باورند که در آن نقطه، جهان یک دوره تورم کیهانی بسیار کوتاه و چشمگیر را پشت سر گذاشته که با سرعت بیشتر از سرعت نور منبسط شده است.

آنها بر این باورند که در آن نقطه، جهان یک دوره تورم کیهانی بسیار کوتاه و چشمگیر را پشت سر گذاشته که با سرعت بیشتر از سرعت نور منبسط شده است. اندازه آن شاید ۱۰۰ برابر یا بیشتر شده و همه اینها در عرض کسری از ثانیه رخ داده است.

در کیهان‌شناسی فیزیکی، تورم کیهانی یا تورم، به انبساط جهان اولیه با سرعتی بسیار بیشتر از سرعت نور اشاره دارد. دوره تورمی جهان از ۱۰ به توان منفی ۳۶ ثانیه پس از مه‌بانگ تا ۱۰ به توان منفی ۳۳ یا ۱۰ به توان منفی ۳۲ ثانیه پس از آن به طول انجامید و پس از پایان این دوره تورمی نیز جهان به انبساط خود با سرعتی کمتر ادامه داد.

فرضیه تورمی توسط فیزیکدان آمریکایی به نام الن گوث در سال ۱۹۸۰ پیشنهاد شد. در هفدهم مارس ۲۰۱۴ اخترفیزیکدانان اعلام کردند که موفق به آشکارسازی امواج گرانشی تورمی شده‌اند که این به ‌منزله تأیید محکمی بر نظریه گوث بود.

تورم، ساختار بزرگ‌مقیاس جهان را توضیح می‌دهد. اغتشاشات کوانتومی در منطقه میکروسکوپیِ تورمی به ‌اندازه کیهان بزرگ شده و به دانه‌هایی برای شکل‌گیری ساختار در جهان تبدیل شدند. همچنین بسیاری از فیزیکدانان بر این باور هستند که نظریه تورمی می‌تواند توضیح دهد که چرا جهان از همه جهات یکسان به ‌نظر می‌رسد و چرا تابش زمینه کیهانی توزیع یکنواختی در همه‌جا دارد، چرا جهان تخت است و همچنین چرا تاکنون هیچ تک‌قطبی مغناطیسی مشاهده نشده‌ است.

با این که هنوز سازوکار تورم از دیدگاه فیزیک ذرات شناخته شده نیست، اما براساس تصویر ساده‌ای که در دست است، پیش‌بینی‌هایی انجام شده که توسط آزمایش‌ها نیز تأیید شده‌اند. هم‌اکنون تورم جزئی از مدل استاندارد مه‌بانگ در کیهان‌شناسی است. 

به نظر می‌رسد این انبساط و تورم، نظریه نسبیت خاص اینشتین را نقض می‌کند، اما دانشمندان می‌گویند اینطور نیست، چرا که نسبیت خاص معتقد است که هیچ اطلاعات یا ماده‌ای را نمی‌توان بین دو نقطه در فضا با سرعتی بیشتر از سرعت نور حمل کرد، اما تورم و انبساط در مه‌بانگ، گسترشِ خودِ فضا بوده است.

فیلیپنکو می‌گوید: تورم در واقع همان بانگ در مه‌بانگ بوده است. قبل از تورم، چیزهای کمی وجود داشته که احتمالاً کمی منبسط می‌شده و به چیزی مانند تورم نیاز بوده تا جهان را گسترده کند.

این نظریه می‌گوید که این جهانِ به سرعت در حال انبساط تقریباً خالی از ماده بوده، اما مقادیر عظیمی از انرژی تاریک را در خود جای داده بوده است. انرژی تاریک نیروی اسرارآمیزی است که دانشمندان فکر می‌کنند شتاب فعلیِ انبساط جهان را هدایت می‌کند.

در طول تورم، انرژی تاریک جهان را گسترد و شتاب داد، اما مدت زیادی پابرجا نماند.

کارول می‌گوید: این انرژی تاریک موقتی بوده است. جهان از طریق فرآیندی به نام گرم شدن مجدد(reheating) به ماده معمولی و تشعشع تبدیل شد. در واقع، جهان زمانی که تمام انرژی تاریک از بین رفت، از سردی در زمان تورم به گرمای مجدد رسید.

دانشمندان نمی‌دانند چه چیزی ممکن است تورم را تحریک کند. فیلیپنکو می‌گوید این یکی از سوالات کلیدی در کیهان شناسی و در مورد مه‌بانگ است.

جهش بزرگ

اغلب کیهان‌شناسان تورم را به ‌عنوان نظریه‌ای پیشرو برای توضیح ویژگی‌های کیهان می‌دانند. به ‌ویژه این که چرا نسبتاً مسطح و همگن است و تقریباً مواد به یک اندازه در همه جهات به ‌طور مساوی پخش شده‌ است.

اندی آلبرشت(Andy Albrecht) فیزیکدان نظری از دانشگاه کالیفرنیا دیویس می‌گوید که شواهد مختلف نشان می‌دهد تورم یک واقعیت است.

آلبرشت یکی از معماران نظریه تورم است. وی می‌گوید: همه اینها به خوبی با تصویر تورم همراه هستند. نظریه تورم فوق‌العاده خوب عمل کرده است.

با این حال، تورم کیهانی تنها ایده‌ای نیست که می‌کوشد ساختار جهان را توضیح دهد. نظریه پردازان مدل دیگری به نام مدل چرخه‌ای(cyclic model) ارائه کرده‌اند که مبتنی بر یک مفهوم قدیمی به نام جهان اکپیروتیک(ekpyrotic universe) است.

این نظریه معتقد است که جهان ما از یک نقطه یا چیزی شبیه به آن پدید نیامده است، بلکه در عوض، از یک جهانِ از پیش موجود که در حال انقباض بوده به انبساط - با سرعتی بسیار آرام‌تر از آنچه که نظریه تورم پیش‌بینی می‌کند - جهش کرده است.جهان ما از یک نقطه یا چیزی شبیه به آن پدید نیامده است، بلکه در عوض، از یک جهانِ از پیش موجود که در حال انقباض بوده به انبساط - با سرعتی بسیار آرام‌تر از آنچه که نظریه تورم پیش‌بینی می‌کند - جهش کرده است.

در توضیحی تخصصی‌تر، جهان اکپیروتیک یک مدل کیهان‌شناسی از سرآغاز و شکل جهان است که نام آن برگرفته از واژه «رواقی»(ekpyrosis) به یونانی باستان به معنی «آتش‌سوزی بزرگ» یا «تبدیل به آتش» است. مدل اکپیروتیک به عنوان مدل جایگزینی برای مدل استاندارد تورم کیهانی در ارتباط با نخستین لحظات جهان به‌ شمار می‌رود. این مدل به عنوان پیش‌درآمد و قسمتی از برخی مدل‌های چرخه‌ای استفاده شده‌ است.

مدل اکپیروتیک حاصل کار نیل توروک و پل اشتینهارت است و چنین فرض می‌کند که جهان از نقطه تکینگی به‌وجود نیامده‌، بلکه بر اثر برخورد دو غشاء پدید آمده ‌است. با پذیرفتن فرضیه برخورد غشاها می‌توانیم از تکینگی آغازین اجتناب کنیم و در عین حال نوسانات چگالی تقریباً مستقل از مقیاس، جهان و دیگر ویژگی‌های جهان مشاهده‌ شده را حفظ می‌کند.

مشاهداتی که مدل اکپیروتیک را از مدل تورمی متمایز می‌کند، شامل قطبش تابش زمینه کیهانی و توزیع بسامد طیف موج گرانشی است.

اگر این نظریه درست باشد، جهان ما احتمالاً متحمل یک توالی بی‌پایان انفجار و فشرده شدن است.

مدل چرخه‌ای فرض می‌کند که جهان ما از ۱۱ بُعد تشکیل شده است که ما فقط چهار بُعد از آن را می‌توانیم مشاهده کنیم(۳ بعد فضا و یک بعد زمان) و بخش چهار بُعدی ما از جهان، بِرِین(brane)- مخفف غشاء - نامیده می‌شود.

این نظریه ادامه می‌دهد که ممکن است غشاهای دیگری در فضای ۱۱ بعدی پنهان باشند. برخورد بین دو غشا ممکن است جهان را از انقباض به انبساط تکان دهد و انفجار بزرگی(مه‌بانگ) را که شواهد آن را می‌بینیم، تحریک کند.

شکل‌گیری کیهانی که ما می‌شناسیم

جهان ما چگونه از هیچ پدید آمد؟ کیهان‌شناسان گمان می‌کنند که چهار نیروی حاکم بر جهان شامل گرانش، الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای ضعیف و قوی در زمان تولد کیهان در یک نیروی واحد متحد شده‌اند که به دلیل دماها و چگالی‌های شدید درگیر با هم خمیر شده‌اند.

اما همه چیز با گسترش و سرد شدن جهان تغییر کرد. در حوالی زمان تورم، نیروی هسته‌ای قوی احتمالاً از بقیه جدا شده و در حدود ۱۰ تریلیونم ثانیه پس از انفجار بزرگ، نیروهای الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیف نیز جدا شده‌اند.

درست پس از تورم، جهان احتمالاً با پلاسمای داغ و متراکم پر شده است، اما محققان فکر می‌کنند که جهان حدود یک میکروثانیه(۱۰ به توان منفی ۶ ثانیه) یا بیشتر به اندازه کافی سرد شده تا اولین پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شوند.

در سه دقیقه اول پس از مه‌بانگ، این پروتون‌ها و نوترون‌ها شروع به همجوشی با یکدیگر کردند و دوتریوم که به عنوان هیدروژن سنگین نیز شناخته می‌شود را تشکیل دادند. سپس اتم‌های دوتریوم به یکدیگر پیوستند و هلیوم-۴ را تشکیل دادند.

بازترکیب: جهان شفاف می‌شود

این اتم‌های تازه ایجاد شده همگی دارای بار مثبت بودند، زیرا جهان هنوز آنقدر داغ بود که نمی‌توانست الکترون‌ها را جذب کند. اما این وضعیت حدود ۳۸۰ هزار سال پس از مه‌بانگ تغییر کرد.

در عصری که به عنوان نوترکیبی یا بازترکیبی شناخته می‌شود، یون‌های هیدروژن و هلیوم شروع به گیر انداختن الکترون‌ها کردند و اتم‌های خنثی الکتریکی را تشکیل دادند.

نور به طور قابل توجهی از الکترون‌ها و پروتون‌های آزاد پراکنده می‌شود، اما از اتم‌های خنثی بسیار کمتر پراکنده می‌شود. بنابراین فوتون‌ها اکنون برای عبور در جهان آزادتر بودند.

عصر نوترکیب به طرز چشمگیری ظاهر جهان را تغییر داد. جهان پیش از آن به شکل یک مِه مات بود و حالا شفاف شده بود. تشعشعات پس‌زمینه مایکروویو کیهانی که امروزه مشاهده می‌کنیم مربوط به این دوران است.جهان برای مدتی طولانی پس از نوترکیب، بسیار تاریک بود و در زمانی که اولین ستاره‌ها حدود ۳۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ شروع به درخشش کردند، واقعاً روشن شد.

اما با این حال، جهان برای مدتی طولانی پس از نوترکیب، بسیار تاریک بود و در زمانی که اولین ستاره‌ها حدود ۳۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ شروع به درخشش کردند، واقعاً روشن شد. ستارگان به خنثی سازی بسیاری از کارهایی که عصر نوترکیبی انجام داده بود، کمک کردند.

این ستارگان اولیه و شاید برخی منابع اسرارآمیز دیگر به اندازه کافی تابش ایجاد کردند تا بیشتر هیدروژن کیهان را دوباره به پروتون‌ها و الکترون‌های سازنده خود تجزیه کند.

به نظر می‌رسد این فرآیند که به نام «باز یونیزه شدن» شناخته می‌شود، حدود یک میلیارد سال پس از مه‌بانگ سیر خود را طی کرده است. جهانِ امروز مانند قبل از عصر نوترکیبی مات نیست، زیرا بسیار منبسط شده است. دانشمندان می‌گویند که ماده‌ی جهان بسیار رقیق است و بنابراین فعل و انفعالات پراکندگی فوتون نسبتاً نادر است.

با گذشت زمان، ستارگان به سوی هم کشیده و جذب شدند و کهکشان‌هایی را تشکیل دادند که منجر به ساختارهای بزرگتر و بیشتر در جهان شد.

سپس سیاره‌ها در اطراف برخی از ستارگان تازه شکل گرفته از جمله خورشید خودمان تشکیل شدند و ۳.۸ میلیارد سال پیش بود که حیات روی زمین ریشه دوانید.

قبل از مه‌بانگ چه خبر بود؟

در حالی که بسیاری از وقایع در مورد لحظات اولیه جهان در حد حدس و گمان باقی مانده است، این سوال که چه چیزی قبل از مه‌بانگ یا همان انفجار بزرگ رخ داده است، پرسشی مرموزتر و پاسخ به آن دشوارتر است.

ابتدا باید گفت که خودِ این سوال ممکن است بی‌معنی باشد. همانطور که برخی از نظریه پردازان معتقدند، اگر جهان از هیچ به وجود آمده باشد، مه‌بانگ لحظه‌ای را نشان می‌دهد که خودِ زمان آغاز شده است و در آن صورت چیزی به نام «قبل» وجود نخواهد داشت.

اما برخی تصورات از تولد کیهان می‌توانند پاسخ‌های احتمالی را ارائه دهند. به عنوان مثال، مدل چرخه‌ای نشان می‌دهد که یک جهان در حال انقباض قبل از جهان در حال انبساط ما بوده است.

شان کارول(Sean Carroll) فیزیکدان نظری در موسسه فناوری کالیفرنیا(Caltech) می‌گوید: می‌تواند فقط فضای خالی باشد که قبل از وقوع انفجار بزرگ ما وجود داشته است، سپس برخی نوسانات کوانتومی موجب به وجود آمدن جهانی مانند جهان ما شده است. می‌توانید تصور کنید که حباب کوچکی از فضا در اثر بی‌ثباتی از بین می‌رود و فقط با کمی انرژی کوچک پر می‌شود که سپس می‌تواند به کیهانی تبدیل شود که ما از طریق تورم می‌بینیم.

الکس فیلیپنکو(Alex Filippenko) اخترفیزیکدان از دانشگاه کالیفرنیا برکلی نیز می‌گوید: فکر می‌کنم زمان در جهان ما با مه‌بانگ آغاز شده، اما فکر می‌کنم که ما نوساناتی نسبت به یک دوره پیشین، یعنی یک جهان مادر هستیم.

آیا ما هرگز خواهیم فهمید داستان از چه قرار است؟

ماموریت پلانک(Planck) متعلق به آژانس فضایی اروپا(ESA) که از سال ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۳ به دور زمین می‌چرخید، به کیهان شناسان کمک کرد تا ایده‌های خود را در مورد ماهیت جهان هستی و منشاء آن تنظیم کنند.

دیو کلمنتز(Dave Clements) اخترفیزیکدان امپریال کالج لندن می‌گوید:‌ نقشه دقیق پس‌زمینه مایکروویو کیهانی که این فضاپیما ایجاد کرد، نشان داد که جهان ما حتی اگر ممکن است از یک وجود پیشین نشات گرفته باشد، در آینده دوباره منقبض نخواهد شد.

وی افزود: پلانک نمی‌تواند مفهوم پرش جهان را به طور کلی رد کند، اما با توجه به مقادیر فعلی پارامترهای کیهانی، جهان ما دوباره فرونمی‌پاشد. مؤلفه انرژی تاریک که در حال حاضر انبساط کیهان را تسریع می‌کند، باید برای معکوس کردن این انبساط و ایجاد یک بحران بزرگ تغییر کند.

دانشمندان با استفاده از داده‌های پلانک توانستند تخمین‌های خود را از سن کیهان و همچنین میزان ماده مرئی، ماده تاریک و انرژی تاریک موجود در آن تعدیل کنند. کلمنتز می‌گوید این ماموریت هیچ چیز غافلگیر کننده‌ای نداشت و بیشتر، نظریه‌های موجود را تایید کرد.ثابت هابل که سرعت انبساط کیهان را توصیف می‌کند، در مقایسه با مقداری که توسط تلسکوپ فضایی هابل بر اساس اندازه‌گیری‌های جهان نزدیک انجام شده است، با اندازه‌گیری پلانک در جهان دور کمی متفاوت است.

با این حال چند سوال جدید از نتایج داده‌های جمع آوری شده توسط پلانک پدیدار شد. برای مثال، ثابت هابل که سرعت انبساط کیهان را توصیف می‌کند، در مقایسه با مقداری که توسط تلسکوپ فضایی هابل بر اساس اندازه‌گیری‌های جهان نزدیک انجام شده است، با اندازه‌گیری پلانک در جهان دور کمی متفاوت است.

همه این اطلاعات به کیهان‌شناسان کمک می‌کند تا تکامل جهان را بهتر مدل‌سازی کنند و به پرسش‌های بزرگ درباره منشأ همه چیز نزدیک‌تر شوند.

به عنوان مثال ماموریت آتی آژانس فضایی اروپا به نام «اُقلیدس»(Euclid) که برای پرتاب در سال ۲۰۲۳ برنامه‌ریزی شده است، انتظار می‌رود گام‌های بیشتری در این راستا بردارد.

از آینده چه خبر؟

ماموریت «اُقلیدس» به چگونگی پراکندگی خوشه‌های کهکشانی و کهکشان‌ها در جهان در مقیاس بزرگ می‌پردازد تا به اخترشناسان کمک کند تا اثرات انرژی تاریک را بهتر درک کنند.

همچنین آنچه را که اخترشناسان همگرایی گرانشی یا عدسی گرانشی ضعیف می‌نامند، یعنی خمش نور ناشی از کشش گرانشی اجرام بسیار بزرگ مطالعه خواهد کرد. از آنجایی که بیش از ۸۰ درصد ماده در کیهان نامرئی است، قدرت همگرایی گرانشی می‌تواند به ستاره‌شناسان نکاتی در مورد توزیع ماده تاریک بدهد.

همگرایی گرانشی هنگامی روی می‌دهد که نور یک چشمه درخشان بسیار دور(مانند یک اختروش) در مسیرش تا رصدگر از کنار جسم پرجرم دیگری(مانند یک خوشهٔ کهکشانی) بگذرد و مسیرش خمیده شود. جسم میانی همگرایی یا عدسی گرانشی نامیده می‌شود. این پدیده یکی از پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام اینشتین است.

براساس نسبیت عام، جرم می‌تواند فضا-زمان را خمیده کند و در نتیجه یک میدان گرانشی‌ بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند. این پدیده را نخستین بار آرتور ادینگتون در سال ۱۹۱۹ در جریان یک خورشیدگرفتگی آزمود که در آن نور ستاره‌ای که از نزدیک خورشید می‌گذشت کمی خم شد و در نتیجه مکان ظاهری ستاره کمی جابه‌جا شد.

کلمنتز می‌گوید: آنچه اقلیدس قادر به انجام آن خواهد بود، این است که این را در مقیاس‌های بسیار بسیار بزرگ‌تر، شاید نزدیک به نیمی از آسمان فرا کهکشانی یا بیشتر اندازه‌گیری کند.

تکه‌های بیشتری از این پازل کیهانی ممکن است از مطالعه امواج گرانشی که امواجی در فضا-زمان ناشی از برخورد اجرام پرجرم مانند سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی هستند، کامل شود.

به گفته کلمنتز، امواج گرانشی باید در طول تورم، یعنی دوره انبساط سریع در اولین لحظات ایجاد جهان تولید شده باشند. بنابراین شناسایی آن امواج گرانشی اولیه و رمزگشایی ویژگی‌های آنها ممکن است بینش‌های بی‌سابقه‌ای در مورد تولد کیهان ارائه دهد.

کلمنتز می‌گوید: این به ما چیزی در مورد فیزیک که منجر به انبساط اولیه و بسیار سریع جهان شد، می‌گوید. ما واقعاً در حال بازگشت به لحظات اولیه جهان هستیم و اگر تورم کیهانی را بیشتر بشناسیم، امیدواریم بتوانیم بهتر درک کنیم که آیا مه‌بانگ یک رویداد منحصر به فرد بوده است یا اینکه نظریه جهش جهان می‌تواند درست باشد.