چالش‌هایی به عمق کیهان

مسأله اندازه‌گیری در مکانیک‌کوانتومی
۲۴ اردیبهشت ۱۴۰۱

در سال 1915 که آلبرت انیشتین نظریه‌ی نسبیت عام خود را در مقاله معروف خود بیان کرد، گویی دنیای فیزیک وارد عصر جدیدی شد. نگاه هندسی انیشتین به گرانش و پایه های ریاضیاتی‌ای که او برای نظریه‌‌ی خود بنا کرد از همان آغاز موجب تحولات عظیمی در شاخه های مختلف فیزیک نظری شد.

از زمان کپلر و نیوتن، فیزیکدانان بدین حقیقت واقف بودند که نیرویی که موجب تحولات بزرگ مقیاس کیهان می باشد چیزی جز نیروی گرانش نیست. لذا نگاه انقلابی‌ای که انیشتین به گرانش داشت، باعث شد که کیهانشناسی وارد عصر جدیدی شود. بر این اساس مدل استاندارد کیهانشناسی بر روی اصل انیشتین بنا شد و آن فرض همگنی و همسانگردی کیهان بود. در نگاه اول شاید این فرض چندان واقعی به نظر نرسد؛ چگونه میتوان قبول کرد که آسمانی که هر شب به آن نگاه میکنیم همگن و همسانگرد باشد؟ اما این اصل بعدها با رصدهایی که در مقیاس های متفاوت انجام گرفت، به اثبات رسید. این فرض به فیزیکدانان کمک کرد تا هندسه‌ی عالم را توصیف کنند.

از آن زمان به بعد تحولات بسیاری گسترده‌ای در زمینه‌های نظری و رصدی در کیهانشناسی رخ داده است. از رصد 1929 هابل که نشان داد جهان در حال انبساط است و کشف امواج زمینه ی کیهانی(CMB) در سال 1964 توسط Arno Penzias و Robert Wilson  که بعدها در سال 1990 طیف جسم سیاه CMB توسط رادیومتر FIRAS در ماهواره CMB با دقت بالایی مشاهده شد تا رصد امواج گرانشی در سال 2016 در آزمایشگاه لایگو که عصر کیهانشناسی را وارد دوره جدیدی از کاوش‌ها کرد.

در کنار این موفقیت‌های بزرگ در زمینه کیهانشناسی رصدی، مدل استاندارد کیهانشاسی با مشکلات نظری متفاوتی روبه‌رو بوده است. مسئله‌ی افق و مشکل تختی، دو مسئله بسیار مهم بود که مدل استاندارد کیهاشناسی قادر به بیان پاسخی قابل قبول برای آن‌ها نبود. رصدها نشان می‌داد که وجود رابطه‌ی علی میان نقاط متفاوت سطح آخرین پراکندگی (زمانی که فوتون‌ها از ماده جدا شدند) به هیچ وجه با اطلاعاتی که از دوره‌های متفاوت کیهان شناختی داشتیم، قابل توضیح نبود . از طرف دیگر با رصدهای مختلفی که در سال های متمادی انجام شد، مشخص شد دنیای امروزی ما تخت است و همین موضوع کیهانشناسان را به فکر وا داشت تا علت این تختی را توضیح دهند.

از طرف دیگر با توجه به یافته‌های شگفت‌انگیزی که طی سال‌های متمادی در فیزیک ذرات و فیزیک هسته‌ای و اتمی انجام شده بود، تاریخچه‌ی کیهان از زمان ۱۰-۱۰ ثانیه به بعد با دقت بسیار بالایی مشخص شد. پس میان ما و حقیقت یک علامت سوال بزرگ بود که اسرار زیادی را از ما پنهان کرده بود. در اواخر دهه 80 میلادی Alexei Starobinsky، Alan Guth و Andrei Linde راه حلی برای مسائل مطرح در مدل استاندارد بیان کردند و آن یک دوره‌ی جدید در بازه ۳۴-۱۰ تا ۱۰-۱۰ ثانیه ابتدای عالم بود. این دوره‌ی جدید، یک دوره‌ی انبساط شتاب‌دار نمایی بود و به همین دلیل به این دوره تورم کیهانی می‌گویند. ویژگی های این دوره به گونه ای بود که برای مشکل افق و تختی توضیح قابل قبولی ارائه می‌داد، اما همچنان مدل های اولیه ارائه شده مشکلات فراوانی داشت .  در طی سالیان گذشته مدل‌های فراوانی برای تورم ارائه شده است . اما اهمیت دوره‌ی تورم زمانی مشخص شد که توانست توضیحی برای اختلالات موجود در امواج زمینه‌ی کیهانی ارائه دهد.

اما اختلالات کیهانی چیست؟

علی‌رغم فرض همگنی و همسانگردی که برای کیهان داریم، بسته به مقیاسی که به عالم نگاه می‌کنیم، اختلالاتی را مشاهده می‌کنیم. این اختلالات در مقیاس‌های متفاوت و با طول موج‌های متفاوتی مشاهده می‌شوند یا به بیان دیگر، اگر کیهان را یک خط راست تصور کنیم، این اختلالات به شکل ارتعاشاتی با مدهای متفاوت بر روی این خط به وجود می آیند. این اختلالات می‌توانند باعث ایجاد اختلالات دمایی و ایجاد قطبش در طیف CMB شوند.  به عنوان مثال، تمام ساختارهایی که در کیهان مشاهده می‌کنیم، حاصل رشد یا رمبش این اختلالات است که با گذشت زمان‌های زیاد و در طی مکانیزم‌های پیچیده، به شکل ساختارهای کیهانی درآمده‌اند. هر چه به کیهان اخیر نزدیک‌تر می‌شویم، این اختلالات از مرتبه‌ی خطی فاصله گرفته و همگنی و همسانگردی کیهان در مقیاس های بزرگتری قابل مشاهده می‌شود. اما سوال بزرگ این‌جاست که منشا این اختلالات چیست ؟!

به لطف نظریه‌ی تورم ما می‌توانیم برای سرچشمه این اختلالات یک توضیح فیزیکی ارائه دهیم. این اختلالات در حقیقت حاصل اختلالات کوانتومی میدان Infalton در زمان تورم است. مدهای متفاوت این اختلالات در زمان های متفاوتی در دوره تورم به فرا افق می‌روند؛ جایی که از تحولات کیهان در امان خواهند بود و به اصطلاح فریز می‌شوند. اما پس از پایان دوره‌ی تورم، این مدها متناسب با طول موجی که دارند، در زمان‌های متفاوتی وارد افق کیهان (افق هابلی) می‌شوند و از آن‌جا به بعد، تحولات آنها با معادلات انیشتین و معادلات بولتزمن توصیف می‌شود. بدین ترتیب نظریه‌ی تورم توانست جایگاه خود را در مدل استاندارد کیهانشناسی پیدا کند و خود را به عنوان یکی از پایه‌های اساسی کیهانشناسی معرفی کند.

در حال حاضر در کیهانشناسی با علامت سوال‌های بزرگی مواجه‌ایم. مسائلی که پاسخ هر کدام می‌تواند نگرش ما را به دنیا تغییر دهد. کیهانی که به هر طرف آن نگاه می‌کنیم، چیز تاریکی نهفته است. در طی دهه‌های اخیر به لطف سرمایه گذاری‌های بزرگی که در زمینه‌ی کیهاشناسی انجام شده است، داده‌های فراوانی از کیهان بدست می‌آوریم. داده‌هایی که هر کدام از آن‌ها می‌تواند مقدمه‌ی یک انقلاب دیگر را بچیند.

و اما کلام آخر

شاید کیهانشناسی امروزه با مشکلات عدیده‌ای مواجه باشد و جای جای آسمانی که به آن می‌نگریم، با پرده‌ای از تاریکی پوشیده شده باشد؛ اما باید این را دانست:«آنگاه که سوالی به عظمت کیهان می‌پرسیم، پاسخش راهی به درازای تاریخ می طلبد.

 

 

 

نویسنده: امیرحسین سمندر، دانشجوی کارشناسی فیزیک صنعتی شریف

0 0 رای ها
امتیاز این نوشته
اشتراک در
اطلاع از
guest
0 دیدگاه‌ها
بازخورد (Feedback) های اینلاین
View all comments