گزارشى در مورد مدل هاى كيهان شناسى خاستگاه و تحول جهان

نظريه انفجار بزرگ بهترين مدلى است كه عالم شناسان از خاستگاه و تحول جهان در اختيار دارند. ولى آيا واقعاً اين تمام داستان است؟ و پيش از آن واقعه عظيم چه اتفاقى افتاد؟
اين بار كه در پى پيدا كردن كانال دلخواهتان در تلويزيون به دكمه كانال ياب تلويزيون تان ور مى رويد، آن قدر آن را فشار دهيد كه در فاصله بين كانال ياب قرار گيريد. خوب به برفكى كه صفحه تلويزيون را مى پوشاند نگاه كنيد. حدود يك درصد آن انرژى ريز موج (microwave energy) است، كه حدود ۱۴ ميليارد سال پيش به صورت حرارت از انفجار بزرگ حاصل شد.
•... در آغاز
از ميان تمام پيشرفت هاى علمى سده اخير، هيچ يك هيبت انگيزتر _ يا مبهوت كننده تر _ از كشف اين مطلب نبود كه جهان ما با انفجار عظيمى آغاز شد و از آن زمان تا كنون همواره در حال گسترش است. اين نتيجه گيرى آنچنان ژرف و اساسى است كه حتى اينشتين، راديكال ترين دانشمند دوران نوين، به زور آن را پذيرفت چگونه عالم مى توانست از هيچ كجا پديد آيد؟ چه كسى ماشه آن را كشيد _ و ماده اى كه هم اكنون شاهدش هستيم از كجا آمد؟
اكنون پس از ده ها سال تلاش اخترشناسان نظرى و رصدى، تازه پاسخ ها براساس مشاهدات عينى و محكم و نه صرفاً انديشه پردازى دارند ظاهر مى شوند. آنها جهانى را ترسيم مى كنند ساخته شده از نيروهايى كه خاستگاه شان چندان معجزه آساتر از گزارش انجيل درباره خلقت به نظر نمى رسد.
كافى است دلتان براى نگاه ساده فيلسوف يونانى ارسطو و سايرين در بيش از دو هزار سال پيش، كه براساس آن عالم بى انتها، ازلى و بلاتغيير است، تنگ شود. قطعاً آلبرت اينشتين زمانى كه گزارشى را پيرامون مفاهيم و نتايج حاصل از نظريه جديد جاذبه يعنى «نسبيت عام» در سال ۱۹۱۷ مى نگاشت، دليلى براى مخالفت با اين پذيرفته ها نداشت. براساس نسبيت عام ماده بافت مكان و زمان اطراف آن را كمانى مى سازد، آثارى را موجب مى شود كه ما آنها را «نيرو»ى جاذبه تعبير مى كنيم. اين فاصله گرفتن حسابى از نظريه نسبتاً مبهم جاذبه بود كه نيوتن ارائه داد و براساس آن نيروى مذكور مثل نوعى كنش نامرئى عمل مى كرد. اينشتين نشان داد كه «نسبيت عام» گزارش دقيق ترى از واقعيت نسبت به مفهوم جاذبه نيوتن لااقل در منظومه شمسى به دست مى دهد و كاملاً از موفقيت آن به هنگام كاربرد در عالم در مجموع اطمينان داشت.
•نظريه هاى جنجالى
وى به سرعت با مشكل بزرگى مواجه شد. اخترشناسان بر اين باور بودند كه عالم ايستا و بلاتغيير است، ليكن معادلات «نسبيت عام» در خالص ترين و شكوهمندترين شكل شان اشاره بدان داشتند كه عالم همه چيز ممكن است باشد مگر ايستا. به نظر آنها برعكس ،عالم بايد در حال گسترش باشد. اينشتين كه از اين نتيجه گيرى به ظاهر مسخره گيج شده بود، واژه ديگرى را وارد معادلاتش كرد، فاكتورى من درآوردى كه بعدها آن را «ثابت جهان شناسى» خواند تا بتواند به كمك «نسبيت عام» جهانى ايستا به وجود آورد. اين نخستين نشانه از مشكلاتى بود كه اينشتين ناچار به دست و پنجه نرم كردن با آنها در رابطه با پرسش هاى پيرامون جهان شناسى بود.
در سال ۱۹۲۲ يك هواشناس روس به نام الكساندر فريدمن كار را تمام كرد و نشان داد كه «نسبيت عام» امكان وجود مجموعه كاملى از جهان هايى را فراهم مى آورد كه نه ايستا و نه بلاتغييرند. اينشتين انتظار آن را داشت كه اين صرفاً يك اشتباه لپى باشد، ولى نتوانست مشكلى در محاسبات فريدمن بيابد و نهايتاً پذيرفت كه «نسبيت عام» امكان وجود جهانى در حال گسترش را مى دهد.
بزرگترين ضربه در سال ۱۹۲۷و زمانى اتفاق افتاد كه عالم شناس و كشيش بلژيكى ژرژ لامتر به همان نتايج نظرى فريدمن رسيد و اشاره كرد كه شواهد محكمى وجود دارند حاكى از آن كه عالم واقعاً در حال گسترش است. اخترشناس وستو اسليفر (Vesto Slipher) از رصدخانه لاول در آريزونا دريافت كه نور «سحابى ها»ى قطره اى در آسمان شب اغلب جابه جايى غريبى به سمت انتهاى سرخ تر _ يا نور با طول موج بيشتر _ طيف نشان مى دهند. اسليفر به اين فكر افتاد كه در واقع شاهد به اصطلاح اثر داپلر است، اثرى كه همگى ما با آن آشنا هستيم و زمانى كه طول موج امواج صوتى سوت پليس به هنگام دور شدن از ما افزايش مى يابد متوجه آن مى شويم. در واقع، او شاهد پديده اى بس ژرف تر از اين بود: كش آمدن نور به خاطر انبساط كل عالم.
•شواهد انبساط
نخستين اشارات در سال ۱۹۲۴ آشكار شدند و آن زمانى بود كه ادوين هابل از رصدخانه ماونت ويلسون در كاليفرنيا نشان داد كه سحابى ها در واقع كهكشان هاى وسيعى بسيار دور از كهكشان ما هستند. پنج سال بعد هابل اقدام به انتشار يكى از مهم ترين نتايج دانش امروز كرد: تصاويرى كه نشان مى داد «جابه جايى هاى قرمز» اين كهكشان هاى دوردست همراه با فاصله آنها از ما به طور ثابت در حال افزايش است. اين فرمول كه امروز آن را تحت قانون هابل مى شناسيم، دقيقاً بيانگر همان رفتارى است كه «نسبيت عام» براى عالم در حال گسترش پيش بينى مى كند.
در اين مباحثه و اختلاف نظر علمى حق با فريدمن و لامتر بود و اينشتين مى دانست كه با سازگار كردن زوركى معادلاتش با باورهاى قديمى در واقع توانايى شگفت انگيزترين پيش بينى در تاريخ علم را از خود سلب مى كرد. اين لامتر بود كه به مفهومى كه كمتر از اين شگفتى آور نبود اشاره كرد: اين كه عالم بايد زمانى با انفجارى بسيار عظيم موجوديت پيدا كرده باشد. وى بعدها به عنوان پدر نظريه «انفجار بزرگ» مورد تحسين قرار گرفت. در اين ميان، اينشتين اين از دست دادن فرصت را احمقانه ترين اشتباه زندگى خويش خواند.
به زودى آشكار شد كه عالم مى تواند با اخترشناسان و نيز نظريه پردازان بازى كند. نخستين اندازه گيرى هاى سرعت انبساط عالم اين معنا را مى رساند كه جهان تنها چند ميليارد سال قبل به وجود آمده كه بدين ترتيب حتى از كره زمين هم جوان تر مى نمود. در سال ،۱۹۴۸ سه نظريه پرداز دانشگاه كمبريج به نام هاى هرمان بوندى، تاماس گولد و فرد هويل راه حل ابتكارى مناسبى براى خارج شدن از اين وضعيت دشوار و معماگونه يافتند. آنها نشان دادند كه قانون هابل با جهانى سازگار است كه در «وضعيت ايستا» قرار دارد و سرعت توسعه و چگالى اش هيچ گاه تغيير نمى كند (كه آن تحت عنوان «نظريه وضعيت ايستا»ى عالم شناسى خوانده مى شود.) از نقطه نظر رياضى، اين گفته بدان معناست كه عالم به رغم آنچه كه از ظواهر امر بر مى آيد در واقع در زمانى بى نهايت دور متولد شده است. لذا مدل «وضعيت ايستا» با زرنگى تمام مشكل سن عالم را مرتفع كرد و بدين ترتيب بسيارى از ظرافت نهفته در آن به حيرت آمدند. با اين حال براى آن كه چگالى ماده ثابت باقى بماند، لازم بود ماده از جايى چون هيچ كجا به داخل عالم نشت كند. مطرح كنندگان اوليه اين نظريه به اين نكته اشاره داشتند كه اين موضوع كمتر از اين كه بگوييم عالم به يك باره در حادثه اى كه هويل به طعنه آن را «انفجار بزرگ» خواند پديد آمد غيرقابل قبول نيست. تا اواخر دهه ،۱۹۵۰ اندازه گيرى هاى جديد نشان دادند كه سن عالم بهتر است بالاتر از سن زمين باشد، كه در واقع به نوعى خالى كردن زير پاى مدل «وضعيت ثابت» بود. ولى ضربه واقعى خردكننده در سال ۱۹۶۴ با مهم ترين كشف در عالم شناسى از زمان قانون هابل وارد شد. دو مهندس آمريكايى در حال يافتن منبع نوعى «هيس» ريزموج بودند كه نوعى آنتن راديويى شيپورى شكل در آزمايشگاه بل در نيوجرسى آن را يافته بود. چنين به نظر مى رسد كه اين موج از ماوراى كره زمين آمده بود، ولى اهميت آن تنها پس از آن كه مهندسين با اختر _ فيزيكدانان در دانشگاه پرينستون گفت وگو كردند، مشخص شد. اختر _ فيزيكدانان به مهندسين گفتند كه هيس مذكور دقيقاً از تابش حرارتى انتقال يافته به قرمز كه پس از انفجار بزرگ باقى مانده انتظار مى رفت.
•شواهد نهايى و تعيين كننده
كشف اين پس زمينه ريز موجى عالم را امروز بهترين شاهد بر اين كه جهان به صورت يك گلوله آتشين عظيم آغاز شد، تلقى مى كنند. ليكن اين تنها قرينه و شاهد نيست. بيش از ۵۰ سال قبل، اختر _ فيزيكدان روسى _ آمريكايى جورج گاموف و همكارانش دريافتند كه حرارت حاصل از انفجار بزرگ آغاز واكنش هاى هسته اى بود كه مى توانستند عناصر شيميايى را به وجود آورند. آنها حساب كردند كه جهان بايد از حدود سه قسمت هيدروژن در برابر يك قسمت هليوم تشكيل شده باشد _ چيزى كه بعدها اخترشناسان آن را تائيد كردند.
در سال هاى دهه ،۱۹۷۰ نظريه پردازان شروع كردند به دست و پنجه نرم كردن با آثار كوانتومى كه احتمالاً در عالم كوچك و به شدت گرم اوليه وجود داشت. توجه ها معطوف به به اصطلاح ميدان هاى اسكالر شد، كه عالم شناسان در اتحاد جماهير شوروى و ايالات متحده نشان دادند مى توانستند موجب آغاز انبساط عالم با سرعتى باورنكردنى تحت عنوان بادكردگى شوند. از اين هم بهتر، اين ميدان هاى ضد جاذبه مى توانستند انرژى خويش به درون عالم تازه متولد شده را خالى كنند و بدين ترتيب نوعى از حرارت و ماده را توليد كنند كه مورد نياز انفجار بزرگ بود.
اين تنها يك نظريه بود، دلايل و شواهد به نفع آن در سال ۱۹۹۲ يعنى با شروع دوران جديد جهان شناسى ظاهر شدند. ماهواره «كاوشگر پس زمينه جهان» كه در نوامبر ۱۹۸۹ به فضا پرتاب شد، تابش ريزموجى را كه عالم را با دقتى بى سابقه پر كرده بود مورد توجه و بررسى قرار داد و بدين ترتيب نگرش هايى كه زمانى تنها مى شد خواب آنها را ديد به عالم شناسان داد. «كاوشگر پس زمينه جهان» نشان داد كه گلوله آتشين اوليه اكنون با دماى درست ۷۳/۲ درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شده است. همچنين نشان داده شد كه پس زمينه ريزموجى جهان داراى ويژگى هاى فنى است كه به طور گسترده در راستاى نظريه بادكردگى (inflation) است.
•رازگشايى هاى جديدتر
از آن زمان تاكنون، رصدها از زمين و نتايج حاصل از ماهواره ناسا به نام Wilkinson Microwave Anisotropy Prohe كه دماى تابش پس زمينه اى جهان را بر پهنه آسمان اندازه مى گيرد جزئيات بيشترى به دست داده اند، انتظار مى رود كه ماهواره «آژانس فضايى اروپا» تحت عنوان پلانك كه قرار است سال ۲۰۰۷ به فضا پرتاب شود، شواهد بيشتر و نگرش گسترده ترى پيرامون بادكردگى فراهم شود. اگر هم اطلاعاتى را كه تاكنون جمع آورى شده روى هم بگذاريم تصويرى از يك عالم نوزاد به دست مى آيد كه حدود ۱۳۷۰۰ ميليون سال پيش به ناگهان و گويى از هيچ كجا دچار تورم و بادكردگى شد. سپس در حالى كه آكنده از ميدان هاى اسكالر بود به ناگهان دچار تورم شد و ظرف حدود ۱۲ _ ۱۰ ثانيه از چيزى در حدود يك ميليارد بار كوچكتر از پروتون به اندازه يك گريپ فروت رسيد، سپس بازهم به ناگهان، ميدان اسكالر فرو ريخت و انرژى به شكل تابش ماده آزاد كرد كه آن را ما انفجار بزرگ مى خوانيم.
لذا به نظر مى رسد كه انفجار بزرگ روى هم رفته آغاز همه چيز نبود، بلكه تنها حاصل آثارى بود كه پيش از آن در جهان تازه متولد دست اندركار بودند. درك اين آثار مستلزم نه چيزى كمتر از «نظريه همه چيز» كه قادر به توضيح تمام نيروهاى طبيعت و ذراتى كه اين نيروها بر آنها عمل مى كنند - و حتى منشاء مكان و زمان _ است.اين چشم اندازى ترس آور است، ولى نظريه پردازان اميدوارند كه بتوانند منبع توانمند جديدى براى ديدگاه هايمان فراهم آورند: امواج جاذبه.
تصور مى شود اين خيزابچه ها (ripples) در خود بافت مكان و زمان، كه در سال ۱۹۱۶ اينشتين وجود آنها را پيش بينى كرده بود، با شديدترين و قوى ترين رويدادهاى عالم مثل انفجار سوپرنوواها و تصادم چاله هاى سياه آغاز شدند. اخترشناسان هم اكنون به فكر ساخت رصدخانه هاى عظيم فضايى كه قادر به كشف امواج جاذبه اى كه در جريان انفجار بزرگ، بادكردگى و شايد حتى عملاً خود لحظه خلقت به وجود آمده اند باشند.
تا اين لحظه كسى نتوانسته امواج جاذبه را كشف كند؛ حضور آنها در واقع پيش گويى بزرگ اينشتين است كه هنوز در انتظار تائيد و تصديق است. اگر آن طور كه بيشتر دانشمندان عقيده دارند اينشتين حق داشته و امواج جاذبه واقعاً وجود داشته باشند، آنها همان كليدى خواهند بود كه قفل راز نهايى عالمى را كه خود وى بسيار براى حل آن تلاش كرد، خواهند گشود.
Focus,Dec.2004
رابرت ماتيو
ترجمه: ع. فخرياسرى
روزنامه شرق