آیا جهان بی‌پایان است؟

به گزارش اقتصاد نیوز به نقل از زومیت،  طبق روایت رایج، جهان دارای یک آغاز، میانه و یک پایان است. آغاز جهان با رویداد بیگ‌بنگ در حدود ۱۳/۸ میلیارد سال پیش آغاز می‌شود. جهان در آن زمان، توده‌ای کوچک، داغ و متراکم بود. در کمتر از یک میلیاردم میلیاردم ثانیه، در فرآیندی به‌نام «تورم کیهانی»، اندازه‌ی جهان میلیاردها برابر افزایش یافت.

پس از توقف تقریبی تورم، فرایند «خروج مطلوب» آغاز شد. سرد شدن و انبساط جهان با کسری از سرعت اولیه، ادامه یافت. پس از ۳۸۰ هزار سال، جهان به‌قدری متراکم بود که حتی نور قادر به حرکت در آن نبود. کیهان از پلاسمای مات و بسیار داغی ذرات پراکنده تشکیل شده بود. پس از سرد شدن تدریجی مواد و تشکیل اتم‌های هیدروژن، شفافیت جهان افزایش یافت. انفجار تشعشعات در هر جهتی رخ می‌داد و جهان در آغاز راه تبدیل به موجودیت کنونی خود بود؛ جهانی با نوارهای وسیع خالی که با توده‌‌ی ذرات، غبار، ستاره‌ها، سیاهچاله‌ها، کهکشان‌ها، پرتوها و دیگر اشکال انرژی و ماده پر شده بود.

سرانجام، توده‌های ماده به‌قدری از یکدیگر فاصله می‌گیرند که رفته رفته ناپدید می‌شوند و جهان به سوپی سرد و یکپارچه از فوتون‌های مجزا تبدیل خواهد شد. چنین پایانی زیاد هم دراماتیک نیست، بلکه حتی می‌تواند پایانی خوشایند تلقی شود.

جهان کنونی

اما اگر بیگ بنگ نقطه‌ی آغاز جهان نباشد، چه جایگزینی برای آن وجود دارد؟ شاید بیگ‌بنگ صرفا «جهشی بزرگ» (Big Bounce) در چرخه‌ی پیوسته‌ی انبساط و انقباض بوده است. یا می‌تواند نقطه‌ی انعکاسی باشد که تصویر بازتاب آن از جهان در حال انبساط در سمت دیگری شکل گرفته است. در این تصویر ضدماده جایگزین ماده شده است و زمان به عقب حرکت کرده است (شاید هم آینه‌ای به سمت زندگی در این سوی جهان وجود داشته باشد).

شاید هم بیگ‌بنگ صرفا، نقطه‌ی گذاری در جهانی باشد که همیشه در حال انبساط است. تمام این نظریه‌ها خارج از کیهان‌شناسی رایج قرار دارند اما مورد حمایت بسیاری از دانشمندان تأثیرگذار قرار دارند. تعداد فزاینده‌ی نظریه‌های رقابتی نشان می‌دهد زمان فرا رفتن از ایده‌ی بیگ‌بنگ به‌عنوان نقطه‌ی آغاز فضا زمان فرا رسیده است؛ و ممکن است جهان پایانی هم داشته باشد. ریشه‌ی بسیاری از جایگزین‌های رقیب نظریه‌ی بیگ‌بنگ، نارضایتی عمیق برخی دانشمندان از نظریه‌ی تورم کیهانی است.

خراش های بیگ بنگ

خراش‌های به‌جامانده از بیگ بنگ در پرتوی ضعیف ماکروویو که در کل کیهان گسترش یافته‌اند، نشان‌دهنده‌ی سرنخ‌هایی در رابطه با ظاهر اولیه‌ی جهان است.

نیل توروک، رئیس سابق مؤسسه‌ی فیزیک نظری پریمیتر در واترلوی کانادا می‌گوید: «باید اعتراف کنم از همان ابتدا هم حس خوبی نسبت به نظریه‌ی تورم کیهانی نداشتم». به‌گفته‌ی پاول استین هاردت، استاد دانشگاه پرینستون و یکی از حامیان نظریه‌ی «جهش بزرگ»: «الگوی انبساط شکست خورده است.» همچنین روجر پنروس، استاد ریاضی دانشگاه آکسفورد می‌گوید:

من همیشه انبساط را نظریه‌ای جعلی می‌دانستم. دلیل اصلی پایداری این نظریه تا امروز، تصور افراد نسبت به تغییرناپذیری مقیاس نوسان‌های دما در پس‌زمینه‌ی تابش ماکرویوی کیهانی است.

پس‌زمینه‌ی ماکروویوی کیهانی یا CMB، یکی از معیارهای اولیه‌ی تمام مدل‌های جهان است که برای اولین‌بار در سال ۱۹۶۵ دیده شد. CMB، پرتویی ضعیف و محیطی است که تقریبا همه جای دنیای مرئی پیدا می‌شود و قدمت آن به لحظه‌ای بازمی‌گردد که جهان در حال شفاف شدن بود. CMB، منبع اصلی و اسرارآمیزی برای پی‌بردن به ظاهر اولیه‌ی جهان است که فیزیک‌دان‌ها هنوز به راز آن پی نبرده‌اند. CMB از تمام جهت‌ها و از دید تمام رادیوتلسکوپ‌ها یکسان به‌نظر می‌رسد. حتی در نقاطی که ظاهرا در کل تاریخ ۱۳.۸ میلیارد ساله‌ی جهان با یکدیگر ارتباطی نداشته‌اند، چنین شباهتی دیده می‌شود. به‌گفته‌ی کتی مک، کیهان‌شناس دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی:

دمای CMB در هردو سمت آسمان یکسان است؛ درحالی‌که برخی نقاط هیچ تماسی با یکدیگر نداشته‌اند. در گذشته، شاید چیزی این دو بخش را به یکدیگر وصل کرده است. اتصالی که عامل دمای یکسان در هردو بخش است.

اگر مکانیزم متعادل‌سازی دما در جهان مرئی وجود نداشته باشد، باید تغییرات و بی‌نظمی در بخش‌های مختلف جهان افزایش پیدا کنند انبساط، راه حلی برای «مسئله‌ی همگونی» است. باتوجه به بازه‌ی انبساط دیوانه‌وار و سریع جهان، همه چیز از دسترس و دید مرئی دور شده است. جهان مرئی از بخشی کوچک و همگون در جرم داغ اولیه توسعه یافت و منجر به تولید CMB یکپارچه شد. شاید هم انسان فقط قادر به دیدن جهان منظم باشد و بخش‌های دیگر بی‌نظم باشند.

تورم کیهانی

به‌گفته‌ی مک:به‌نظر می‌رسد نظریه‌ی تورم از داده‌های پیش‌فرض کافی برخوردار باشد. من این نظریه را در کلاس‌هایم تدریس کردم؛ اما نمی‌توان با قطعیت درباره‌ی تورم کیهانی سخن گفت. از طرفی، داده‌ها شواهد محکمی را در این باره نشان می‌دهند و اغلب افراد هم به همین داده‌ها استناد می‌کنند.

نظریه‌ی تورم کیهانی، نواقصی دارد. مهم‌تر از هرچیز، هیچ مکانیزم قابل تعریفی برای آغاز تورم یا هیچ توضیح قابل تستی برای پایان مطلوب آن وجود ندارد. یکی از ایده‌های طرفداران تورم، تشکیل «میدان تورم» توسط ذرات است که زمینه‌ی آغاز تورم را فراهم کرده است و سپس فروپاشی ذرات و تبدیل جهان به شکل کنونی رخ داده است.

اما حتی با وجود فرضیه‌های یادشده، تورم کیهانی منجر به پیش‌بینی‌هایی می‌شود که تاکنون اثبات نشده‌اند. براساس این نظریه، امواج گرانشی آغازین، باعث پیچ خوردن فضا، زمان شده‌اند. امواج گرانشی با بیگ بنگ در کل جهان توسعه یافته‌اند؛ اما با وجود کشف انواع امواج گرانشی، هیچ‌کدام از آن‌ها به اثبات نظریه‌ی تورم کیهانی کمک نمی‌کنند.

طبق نظریه‌ی جهش بزرگ، بیگ‌بنگ نقطه‌ی آغاز جهان نیست

فیزیک کوانتومی هم نظریه‌های تورم را وارد قلمرویی بی‌نظم می‌کند. طبق پیش‌بینی‌ها، نوسان‌های کوانتومی نادر منجر به تورم و تجزیه‌ی فضا به تعداد متناهی از بخش‌ها با خواص کاملا متفاوت می‌شوند. جهانی که در آن هر احتمالی وجود دارد. استین هاردت می‌گوید: «نظریه‌ی تورم کیهانی، کاملا غیرقطعی است. تنها می‌تواند براساس محل قرارگیری در هر کدام از بخش‌های جهان، احتمالاتی را درباره‌ی آن بگوید. از طرفی، از دیدگاه فیزیکی، حرف جدیدی برای گفتن ندارد.» استین‌هاردت که یکی از معمارهای اصلی نظریه‌ی تورم کیهانی بوده است اما امروزه، به دلیل عدم قابلیت پیش‌بینی و تست این نظریه، از آن ناامید شده است. او می‌گوید:آیا واقعا باید تصور کنیم، تعدادی نامتناهی جهان بی‌نظم وجود دارد که تاکنون هرگز آن‌ها را ندیده‌ایم و توضیحی برایشان نداریم و جهان یک دست مرئی را نادیده بگیریم؟ پاسخ من خیر است. باید به‌دنبال ایده‌های بهتری باشیم.

جهش بزرگ

بیگ بنگ شاید صرفا نقطه‌ی گذاری از یک دوره‌ی فضا زمان به دوره‌ای دیگر بوده است. شاید بیگ‌بنگ صرفا یک جهش بوده نه نقطه‌ی آغاز جهان.

طبق نظریه‌ی بیگ بنگ، فضا و زمان از نقطه‌ای آغاز شده‌اند. نظریه‌ی «جهش بزرگ» یا بیگ باونس، چشم‌انداز بیگ بنگ از جهان داغ و متراکم در ۱۳.۸ میلیارد سال پیش و انبساط و سرد شدن تدریجی آن را رد نمی‌کند؛ اما این نظریه، بیگ بنگ را صرفا لحظه‌ی گذار از فاز قبلی جهان می‌داند که در حال انقباض بوده است و آن را نقطه‌ی آغاز جهان نمی‌داند.

به‌گفته‌ی استین هاردت، در جهش بزرگ، بخش‌های دوردست جهان با یکدیگر به تعامل پرداخته و جهان یکدستی را پدید آوردند که عامل این یکدستی، منابع یکسان CMB است. درواقع شاید زمان همیشه وجود داشته است. استین هاردت می‌گوید:اگر در گذشته‌ی ما جهشی رخ داده باشد، چرا تعداد زیادی از این جهش‌ها را نمی‌بینیم؟ شاید در آینده، جهشی دیگر رخ دهد. جهان رو به انبساط می‌تواند منقبض شود و مجددا به وضعیت متراکم خود در آغاز چرخه‌ی جهش باز گردد.

استین هاردت و توروک برای تولید مدل اولیه‌ی جهش بزرگ با یکدیگر همکاری می‌کنند. طبق این مدل، جهان به‌قدری کوچک می‌شود که فیزیک کوانتوم از فیزیک کلاسیک سبقت می‌گیرد و پیش‌بینی‌ها مبهم و دشوار می‌شوند؛ اما اخیرا، آنا ایجاس، همکار دیگر استینهاردت، مدلی را توسعه داده است که طبق آن جهان هرگز به‌قدری کوچک نخواهد شد که فیزیک کوانتوم در آن غالب شود. استینهاردت می‌گوید:تورم کیهانی، فرضیه‌ای کسل‌کننده و محافظه‌کارانه است که صرفا براساس معادلات کلاسیک توصیف می‌شود. تورم کیهانی می‌گوید جهان چندبخشی است و احتمال‌هایی نامتناهی برای پایان آن وجود دارد و ما در بخش یکدست و مسطح جهان زندگی می‌کنیم. طبق مدل جهش بزرگ، جهانی که در آن زندگی می‌کنیم همان جهان یکسان و مسطحی است که باید باشد.

نیل توروک، نظریه‌ی «جهان آینه‌ای» را به‌عنوان جایگزین ساده‌تر نظریه‌ی تورم کیهانی پیشنهاد می‌دهد. طبق این نظریه، جهان دیگری در آن‌سوی بیگ‌بنگ وجود دارد که مانند جهان ما در حال انبساط است، ضد ماده در آن غالب است و قوانین فیزیکی آن مشابه قوانین فیزیک این جهان است. به این جهان ضد جهان هم گفته می‌شود. توروک می‌گوید: «براساس مشاهدات سی سال گذشته، متوجه شدم جهان به طرز غیرقابل باوری ساده است. در مقیاس‌های بزرگ، بی‌نظم و تصادفی نیست. بلکه به طرز شگفت‌انگیزی منظم و قانون‌مند است و تنها با معیارهای محدودی می‌توان به توصیف آن پرداخت.»

انعکاس جهان

توروک هیچ جایگاهی برای جهان چندبخشی، ابعاد بیشتر یا ذره‌های جدید قائل نیست. جهان آینه‌ای می‌تواند راه‌حلی برای یکی از بزرگ‌ترین رازهای جهان باشد. حتی اگر کل جرم شناخته‌شده‌ی جهان با یکدیگر جمع شود (شامل ستاره‌ها، سحابی‌ها، سیاهچاله‌ها و ...)، نمی‌تواند جاذبه‌ی کافی را برای حرکت داخل و بین کهکشان‌ها فراهم کند. بخش زیادی از کهکشان را ماده‌‌ی نامرئی تاریک تشکیل می‌دهد. این ماده‌ی اسرارآمیز تقریبا ۸۵ درصد از کل ماده‌ی موجود در جهان را تشکیل می‌دهد.

جهان ما می‌تواند انعکاسی از جهانی در آن‌سوی بیگ‌بنگ باشد

طبق پیش‌بینی مدل جهان آینه‌ای، بیگ بنگ منجر به تولید ذره‌ای به‌نام «نوترینوی راست دست» با فراوانی بالا شده است. با اینکه فیزیکدان‌های ذرات هنوز موفق به مشاهده‌ی مستقیم این ذرات نشده‌اند، از وجود آن‌ها اطمینان دارند. به اعتقاد طرفداران نظریه‌ی جهان آینه‌ای، ممکن است نوترینوهای راست دست، تشکیل‌دهنده‌ی ماده‌ی تاریک باشند. به‌گفته‌ی لاتام بویل، یکی از دیگر هواداران نظریه‌ی جهان آینه‌ای و همکار توروک در مؤسسه‌ی پریمیتر: «نوترینو تنها ذره‌‌ی موجود در لیست (از میان ذرات مدل استاندارد) با دو ویژگی ضروری است که هنوز به‌طور مستقیم موفق به مشاهده‌ی آن نشده‌ایم. این ذره می‌تواند ثابت باشد.»

شاید، چالش‌برانگیز‌ترین جایگزین بیگ بنگ و تورم کیهانی، نظریه‌ی «کیهان شناسی حلقوی ساختاری» (CCC) از راجر پن روس است. این مدل هم مانند جهش بزرگ، جهانی را توصیف می‌کند که همیشه وجود داشته است؛ اما در CCC، جهان هرگز دچار انقباض نمی‌شود، بلکه همیشه منبسط می‌شود. پنروس می‌گوید:من همیشه معتقد بودم، بیگ‌بنگ نقطه‌ی آغاز نیست. چشم‌انداز کنونی جهان و کل تاریخ جهان را ابدیتی در یک توالی از ابدیت‌ها تصور می‌کنم.

طبق مدل پنروس، بخش زیادی از مواد موجود در جهان، جذب سیاهچاله‌های ابرغول‌آسا می‌شوند. با انبساط و سرد شدن جهان نزدیک به صرف مطلق، سیاهچاله‌ها از طریق پدیده‌ای به‌نام تابش هاوکینگ، تبخیر می‌شوند. پنروس می‌گوید: «برای تصور ابدیت، باید رقمی مثل سال‌های گوگل را در نظر بگیرید که به‌معنی عدد یک با ۱۰۰ صفر است. در این سال‌ها حتی بزرگ‌ترین اجرام هم محو می‌شوند؛ و نتیجه‌ی نهایی، جهانی مملو از فوتون‌ها است.» در این نقطه جهان به شکل آغازین خود نزدیک می‌شود و زمینه را برای ابدیتی دیگر فراهم می‌کند.

کیهانشناسی حلقوی

یکی از پیش‌بینی‌هایی CCC این است که ممکن است مجموعه‌ای از ابدیت‌ها در تابش پس‌زمینه‌ی ماکرویوی کیهانی، زمینه‌سازی مدل تورم کیهانی شده باشند. هنگامی ‌که سیاهچاله‌های غول‌آسا به یکدیگر برخورد می‌کنند، بر اثر برخورد انرژی زیادی به شکل امواج گرانشی آزاد می‌شود. با تبخیر سیاهچاله‌های غول‌آسا، مقادیر زیادی از انرژی به شکل فوتون‌های کم فرکانس منتشر می‌شوند. هر دو پدیده به‌قدری قدرتمند هستند که به‌گفته‌ی پنروس می‌توانند تا سمت دیگر گذار توسعه پیدا کنند و هر کدام سیگنالی مشابه بازتابی از گذشته را در CMB به‌جای بگذارند.

پنروس، الگوهای به جا مانده از تبخیر سیاهچاله را «نقاط هاوکینگ» می‌نامد. در ۳۸۰ هزار سال اولیه‌ی ابدیت فعلی، این نقاط صرفا نقاط کوچکی در کیهان بودند اما با انبساط جهان، به شکل لکه‌هایی در کل آسمان ظاهر شدند. پنروس برای بررسی الگوها و جستجوی واقعی آن‌ها با تیمی از کیهان‌شناسان لهستانی، کره‌ای و ارمنی به مقایسه‌ی اندازه‌گیری‌های CMB با هزاران الگوی تصادفی می‌پردازد. او می‌گوید: «ما با اطمینان ۹۹.۹۸ درصد به لکه‌های موجود در آسمان پی بردیم.» البته دنیای فیزیک هنوز نسبت به این نتایج مشکوک است و کیهان‌شناسان تمایل زیادی به تحلیل نتایج پنروس ندارند.»

بعید است که بتوان به‌صورت مستقیم اتفاقات اولین لحظه پس از بیگ بنگ را رصد کرد. پلاسمای بسیار داغ مات در لحظات اولیه ممکن است تا ابد از نگاه انسان مخفی بماند؛ اما پدیده‌های قابل مشاهده‌ی دیگری مثل امواج گرانشی آغازین، سیاهچاله‌های آغازین، نوترینوهای راست دست می‌توانند سرنخ‌هایی درباره‌ی صحت نظریه‌های کیهانی ارائه کنند. مک می‌گوید:با توسعه‌ی نظریه‌ها و مدل‌های جدید کیهان‌شناسی، می‌توان به جستجوی پیشگویی‌های جذاب دیگری پرداخت. امیدواریم بتوانیم به‌صورت مستقیم آغاز جهان را ببینیم، اما شاید از طریق اتفاقات نزدیک به آغاز جهان هم بتوانیم به ساختار فیزیکی آن پی ببریم.

تا زمان به نتیجه رسیدن پژوهش‌ها، داستان آغاز و پایان جهان همچنان موضوع بحث و جدل باقی خواهد ماند.