نگاهى به مهم ترین پرسش هاى کیهان شناسى

پیشرفت هاى پدید آمده در مسیر کشفیات، در سده گذشته، افق هاى تازه اى را براى درک منشا و خاستگاه کیهان به روى ما گشوده است، لکن هنوز راز و رمزهاى بزرگى باقى است و سالیانى خواهد گذشت تا ستاره شناسان این رموز را کشف کنند.
ممکن است از یاد برده باشیم که در حدود یک قرن پیش، هیچ کس سیاره پلوتو را مشاهده نکرده بود و همین طور ستاره شناسان معتقد بودند که جهان هستى محدود به سر حدات ناحیه درخشانى به نام راه شیرى است.این تصویر از عالم در حالى که ما به قرن ۲۱ پا گذاشته ایم به مراتب پیچیده تر شده است. نظریه نسبیت عام که توسط آلبرت اینشتین ارائه شده است توضیح مى دهد که چگونه گرانش موجب خمیدگى فضا- زمان مى شود و بدین وسیله بیان مى دارد که هر جرم مانند توپ بولینگى که بر روى یک تشک قرار دارد، فرورفتگى اندکى را در سیستم فضا – زمان ایجاد مى کند. در هر حال اینشتین به اشتباه معتقد بود که عالم بدون تغییر است. براى این که نظر خود را در معادلاتش لحاظ کند یک ساختار جدید ریاضى را فرض کرد (ثابت کیهان شناختى)، که این مورد تامین کننده یک نیروى دافعه است که از سقوط عالم در اثر نیروى گرانش خود پیشگیرى مى کند.
ریاضیدان گمنامى به نام الکساندر فریدمن که اهل روسیه بود دریافت که ایده هاى اینشتین در رابطه با گرانش مى تواند بیانگر تفسیرى کاملاً متفاوت باشد، یعنى عالم هستى به جاى آن که پایدارى و ثبات داشته باشد به سوى انبساط و گسترش پیش مى رود.کیهان شناسى بلژیکى به نام جورج لومتر (Georges Lemaitre) که یک کشیش کاتولیک بود، نیز از فرضیه جهان در حال انبساط جانبدارى مى کرد.وى در سال ۱۹۲۷ بیان کرد که انتقال مشهور دوپلر در نورى که از سحابى ها (که البته امروزه آن سحابى ها را کهکشان مى نامیم) به ما مى رسد و به سوى طول موج هاى بلندتر میل مى کند بیانگر این نکته است که سحابى ها از زمین دور مى شوند. بدین ترتیب نشان داد که عالم در حال انبساط است.لومتر فرضیه اى را بنیان نهاد که بر طبق آن عالم هستى، از اندازه اى کوچک آغاز شده و تا رسیدن به مقیاس ایده آل خود به پیش مى رود. البته اینشتین این فرضیه را تایید نکرد.در هرحال در سال ۱۹۲۰ ادوین هابل با بهره گیرى از میزان درخشندگى ستارگان متغیر، موفق به ایجاد معیارى براى محاسبه فاصله کهکشان ها شد.
هابل دریافت که هرچه یک کهکشان از زمین دورتر باشد، با سرعت بیشترى از ما فاصله مى گیرد.امروزه معتقدیم که انبساط مذکور، در حقیقت انبساط و گسترش فضا است و نه حرکت کهکشان ها در فضا. (مفهومى که هابل هیچ گاه آن را به طور کامل نپذیرفت)در سال ۱۹۴۸ جورج گاموف و رالف آلفر با بهره گیرى از ایده لومتر و همچنین مشاهدات هابل، نظریه «انفجار بزرگ» خود را ارائه کردند.آنها مدعى شدند که انفجار کیهانى، موجب تشکیل ماده اولیه اى شده است که بى نهایت داغ بوده و در ضمن حاوى نوترون ها و پس مانده هاى حاصل از انهدام آنها بوده است.این ایده عجیب یک پیش بینى قابل آزمایش را در خود نهفته داشت که براى سالیانى از نظر دور مانده بود:«باقى مانده سرد مهبانگ در قالب تابش ریزموج از زمین قابل آشکارسازى است.» در سال ۱۹۶۴ و ۱۹۶۵ رابرت ویلسون و آرنو پنزیاس، دانشمندان لابراتوار اى تى اند تى بل (AT&Tbell) از یک رادیو تلسکوپ که براى دریافت اطلاعات از نخستین ماهواره ارتباطاتى طراحى شده بود، استفاده کردند تا علائم مربوط به تابش فراگیر ریزموج را آشکار سازند.
وجود این پارازیت ، کاملاً مستقل از جهت قرارگرفتن آنتن بود. آن دو مجدداً تلسکوپ را تنظیم و آن را تمیز کردند اما سیگنال مذکور همچنان وجود داشت.
این پارازیت رادیویى صرفنظر از این که پنزیاس و ویلسون تلسکوپ خود را به سوى خورشید و یا کهکشان راه شیرى نشانه بروند به شکل سابق خود باقى مى ماند و این مورد بیانگر این مطلب بود که تابش موردنظر، منشاء خورشیدى و یا کهکشانى ندارد. پنزیاس و ویلسون به زودى دریافتند که این پارازیت همان تابش مایکروویو است که گامو و آلفر پیش بینى کرده بودند.
با توجه به موارد فوق، دیگر انفجار بزرگ مطلبى دور از ذهن نبود.در هرحال نظریه انفجار بزرگ مانند تمامى نظریه هاى عظیم قرون گذشته و احتمالاً تمام نظریه هاى بزرگى که در آینده ارائه خواهند شد، بیش از آن که به ابهامات پاسخ روشنى بدهد، سئوالات تازه اى را بر سر راه دانشمندان قرار داد.
در سال ۱۹۹۸ گروه هاى جداگانه اى از ستاره شناسان که سرپرستى آنها برعهده برایان اشمیت (از رصدخانه هاى سایدینگ اسپرینگ و مونت استروملو، واقع در وسترن کریک استرالیا) و سول پرلماتر (آزمایشگاه ملى لورنس واقع در برکلى _ کالیفرنیا) بود به ثبت درخشندگى ابرنواخترهاى دوردست پرداختند تا میزان کندشدن انبساط عالم را محاسبه کنند.هر دو گروه به یافته هایى نائل شدند که هر جزء آن به نوبه خود به اندازه یافته هاى پنزیاس و ویلسون، در رابطه با ریزموج پس زمینه کیهانى غیرمنتظره بود.«کهکشان هاى دوردست که دربردارنده ابرنواختر هستند با سرعتى که با گذشت زمان کاهش پیدا کند از ما دور نمى شوند، بلکه این کهکشان ها با شتاب از ما دور مى شوند.»این کشف مانند تمامى پیشرفت هاى غیرمنتظره علمى که در گذشته روى داده است، مجموعه اى از سئوالات را در رابطه با موضوع مورد بحث پدید آورد. معماهایى که در ذیل مورد بحث قرار خواهند گرفت نشانى از دستاوردهاى سترگ قرن گذشته است و در عین حال ما را آگاه مى سازد که هنوز راه درازى در پیش داریم.
۱- جهان هستى در چند بعد خلاصه مى شود
فى الواقع به جز در نمایش هاى شعبده بازى هیچ کس یک خرگوش را از یک کلاه خالى بیرون نمى آورد، براى ما که در جهانى سه بعدى زندگى مى کنیم. مگر نه؟ ولى شاید هم این طور نباشد. فیزیکدان ها به طور سنتى عالم هستى را با بهره گیرى از چهار بعد ترسیم و تفسیر مى کنند: سه بعد فضایى آشنا و دیگرى بعد زمان.مدل مذکور به ما کمک مى کند تا براى همه چیز توضیح و تفسیرى داشته باشیم، از خمیدگى نور ستارگان در هنگام عبور از کنار خورشید گرفته تا شکل گیرى سیاهچاله ها. اکنون فیزیکدانان به این مطلب مى اندیشند که احتمالاً باید چند بعد فضایى دیگر را به سیستم کنونى بیفزایند.مسئله سلسله مراتب موجبات تحریک فیزیکدانان را فراهم مى سازد. به بیان ساده تر آنان نمى دانند که چرا نیروى جاذبه گرانشى به شدت از سه نیروى بنیادین دیگر یعنى الکترومغناطیس، نیروى قوى و نیروى ضعیف، ضعیف تر است. دو فیزیکدان به نام هاى لیزا راندال از موسسه فناورى ماساچوست در کمبریج و رامان ساندرام از دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور (مریلند) تفسیرى ارائه کرده اند که بر طبق آن بعد دیگرى به ابعاد کنونى اضافه مى شود.در مدلى که آن دو ارائه دادند ما در دنیاى چهار بعدى زندگى مى کنیم و ذرات گراویتون که حامل نیروى گرانشى هستند، در بعدى دیگر واقع اند.اختلافى کوچک در بعد پنجم، میان این دو جهان، موجب کاهش چشمگیر نیروى گرانشى مى شود.نظریه پردازان تئورى ریسمان حتى از این هم فراتر مى روند. آنها چهار نیروى بنیادین فیزیک را در یک مدل یازده بعدى یکپارچه مى سازند، که در آن، حلقه هاى بسیار کوچک و قطعات ریسمانى، بنیادى ترین ذرات هستند.اما حتى خوش بین ترین نظریه پردازان تئورى ریسمان نیز تردید دارند که در آینده نزدیک بتوانند این ریسمان ها را مشاهده کنند.نظریه مذکور پیش بینى مى کند که این ریسمان ها ۱۰۰ میلیون میلیارد برابر کوچکتر از ریزترین ذرات زیراتمى هستند. (منظور ذراتى است که توسط نیرومندترین شتاب دهنده هاى ذرات ایجاد شده اند.)اما در این بین شواهد دال بر بعد پنجم مى تواند بسیار زودتر به دست ما برسد. راندال و ساندرام پیش بینى مى کنند که شتابدهنده بزرگ هادرون، واقع در جنوا که قرار است در سال ۲۰۰۷ شروع به کار کند مى تواند انرژى کافى را براى نفوذ یک گراویتون به دنیاى ما فراهم سازد.

۲- جهان چگونه شکل گرفت
میان کیهان شناسان بر سر زمان شکل گیرى عالم قابل رویت، این اجماع وجود دارد که جهانى که ما مى توانیم ببینیم، زائیده رویدادى است که بین ۱۳ تا ۱۴ میلیارد سال پیش اتفاق افتاده است.در مدت یک میکرو ثانیه پس از واقعه مذکور، عالم آشامه اى (سوپى) بى اندازه داغ بوده که حاوى کوارک ها و دیگر ذرات عجیب بوده است.
در همان اثنا که این سوپ داغ در حال خنک تر شدن بود، کوارک ها متراکم شدند و موجبات تشکیل پروتون ها و نوترون ها و همین طور ذراتى از این دست منجمله هادرون ها و مزون ها را فراهم کردند.هنگامى که جهان هستى در زمانى معادل یک ثانیه به بلوغى خاص رسیده بود، دیگر به جز نوترون ها، پروتون ها، فوتون ها، الکترون ها و نوترینوها چیز دیگرى وجود نداشت.مجموعه اى از واکنش هاى هسته اى در دویست ثانیه بعدى، موجبات تشکیل هسته سه عنصر اولیه را که کوچکترین عناصر هستند فراهم ساخت.
امواج صوتى حاصل از پژواک مهبانگ که در شرف محو شدن بود در درون سیال بى اندازه داغ و چگال جهان، که هنوز در نخستین دوره رشد خود بود، مانند موج درون یک دریاچه انتشار مى یافت.یک گروه متراکم از الکترون هاى آزاد با بار منفى که توسط پروتون ها (که بار مثبت دارند) کشیده مى شدند، با جزر و مد این سیال همراه مى شدند، در این مسیر فوتون ها در برخورد با ذرات باردار مذکور، جمع آورى و محصور مى شوند.در آن هنگام که جهان سیصد و هشتاد هزار سالگى خویش را پشت سر گذاشته بود به اندازه کافى سرد شده بود که اتم ها براى شکل گیرى مجال پیدا کنند.این اتفاق موجب شد که فوتون هاى محصور، آزاد شوند و آنگاه روشنایى جهانى هستى را فرا گرفت.فوتون هاى رها شده حامل اطلاعات در رابطه با نوسانات چگالى و دما در عالم نوپا در قالب الگویى از تغییرات درخشندگى بودند.
ستاره شناسان به این تابش باستانى که از دوران هاى نخستین حیات عالم بر جاى مانده است (که البته نخستین بار توسط پنزیاس و ویلسون مشاهده گردید)، عبارت ریزموج پس زمینه اى کیهانى اطلاق مى کنند.
هنگامى که ستاره شناسان تلسکوپ هاى ریزموج مانند کاوشگر پس زمینه کیهانى و یا جایگزین آن (کاوشگر ناهمسانگردى موج) به نام ویلکینسون را به جهت خاصى نشانه رفتند و آنگاه دماى کهموج زمینه اى کیهانى را محاسبه کردند، تابشى را مشاهده کردند که دمایى در حدود ۷/۲ درجه سیلسیوس بالاتر از صفر مطلق داشت (یا به عبارتى ۷/۲ درجه کلوین).هنگامى که جهت مخالف را بررسى کردند مجدداً ۷/۲ درجه کلوین را به دست آوردند. البته نوساناتى هم وجود داشت که ناچیز بود و در حالت بیشنیه به حدود یک واحد در صدهزار مى رسد.هر انفجارى که موجبات یکنواختى کنونى عالم را فراهم آورده باشد کیهان شناسان را شیفته خود مى کند. حالتى که در آن گویى تمامى اجزاى عالم نوپا به یکدیگر مرتبط و متصل بوده است.حال سئوال اینجاست که چنین امرى چگونه امکان پذیر است؟آلن گات (۱۹۲۵ م) در حالى که در اواخر دهه ۷۰ میلادى بر روى مسئله فوق در حال تفکر و بررسى بود به درک حیرت انگیزى نائل شد که چنین بود: چه مى شد اگر جهانى که امروز براى ما رویت پذیر است به شکل حباب بسیار کوچک و در عین حال فوق العاده یکنواختى پدیدار شده باشد و به ناگاه با چنان سرعتى منبسط شده که فرصتى براى تغییر و دگرگونى نیافته است.
نظریه تورم گات نه تنها یکنواختى موجود در تابش زمینه کیهانى به میزان یک واحد از صد هزار را توضیح مى دهد بلکه این فرض را مطرح مى کند که وضعیت توده اى مورد نظر خود برخاسته از نوسانات کوانتومى واقع شده در طول مدت تورم است.
کیهان شناسان بر این امر توافق دارند که نوسانات بسیار کوچک در عالم نوپا به وسیله نیروى گرانشى تقویت شده است تا توده هاى بزرگى را که امروزه مشاهده مى کنیم تشکیل بدهد، البته هنوز لازم است که تمامى جزئیات مورد بررسى و تحلیل قرار گیرد.
در ضمن نظریه گات پیش بینى قابل آزمایشى را بیان مى دارد که چنین است: جهانى که به صورت حبابى متورم شده است، در اصطلاح کیهان شناختى تخت به نظر مى رسد. تخت به این معنى است که در یک فضاى تخت هرگز دو خط موازى یکدیگر را قطع نمى کنند حتى اگر آن دو تمامى عالم را بپیمایند. در سال هاى اخیر ستاره شناسان با محاسبه اندازه هاى زاویه اى تغییرات تابش زمینه کیهانى که البته بسیار کم است، بارها (و اکنون در موسسه فناورى ماساچوست) پیش بینى گات را مورد آزمایش قرار داده اند.در هر بار آزمایش، آنان، به نتیجه اى به جز تخت بودن عالم هستى دست نیافتند. مارتین وایت اخترفیزیکدان دانشگاه برکلى (کالیفرنیا) مى گوید: مورد مذکور ساده ترین راه حلى است که مى توان براى معادله اینشتین ارائه کرد لکن مى تواند جهان را به طور دقیقى توضیح دهد.هیچکس بر این امر وقوف کامل ندارد که چه چیزى موجبات پیشروى این تورم را فراهم کرده است.فیزیکدان ها لیست طویلى از مدل ها را براى عالم در حال انبساط پیشنهاد کرده اند ولى اغلب این راه حل ها پایه و اساس کاملاً فیزیکى ندارند و براى سهولت کار از یک سرى ملاحظات و حذفیات ریاضى نیز در آنها استفاده شده است.
ادوارد راکى کولب، اخترفیزیکدان شتابدهنده فرمى مى گوید: «پس از بررسى تمامى تئورى هاى موجود درباره مبحث تورم و انبساط عالم به این نتیجه مى رسیم که هنوز نظریه اى کامل در این مورد در اختیار نداریم