آیا فضا دارای شکل است؟

قرن ها پیش بشر به آسمان شب نگاه کرد وتصور کرد که یک گوی سیاه زمین را محاصره کرده است. آنها معتقد بودند که ستارگان در واقع سرسوزن های نور هستند. خورشید، ماه و دیگر سیاره ها به دور زمین با یک الگوی منظم و کامل می گردند. در ذهن آن ها جهان کوچک بود ومرکز آن زمین بود. و به صورت یک گوی کامل سازمان دهی شده بود.
دانشمندانی هم چون کوپرنیک و گالیله نقص هایی در این فلسفه کشف کردند. بیشتر از یک قرن پس از کشف های گالیله طول کشید تا دنیا قبول کند که زمین مرکز جهان نیست. همان طور که زمان می گذشت ما شروع کردیم تا چیزهای بیشتری درمورد جهان یاد بگیریم. امروزه ما به مطالعه ی کیهان از طریق تلسکوپ ها ، ماهواره ها و کاوشگرهای پیشرفته می پردازیم.
هم اکنون ما تصویرهایی از کهکشان هایی داریم که میلیون ها سال نوری از زمین دور هستند. دانشمندان ستاره های دور دست را بر اساس یک قاعده ی منظم مطالعه می کنند. آن ها حتی سیاره هایی در منظومه های شمسی فراتر از منظومه ی شمسی خودتان کشف کرده اند.
تصویر شماره 1: نموداری از کارهای کوپرنیک که نشان می دهد سیاره ها چگونه در منظومه ی شمسی ما نسبت به خورشید حرکت می کنند.
اما درباره ی تصویر بزرگ چطور؟ ما درباره ی کل جهان چه می دانیم؟ آیا در حال انبساط است؟ آیا بی کران است ؟ اگر بی کران است چه چیزی فراتر از مرزهای فضا واقع شده است؟ و فضا دقیقاً به چیزی شبیه است؟
این سؤالات در زیر مجموعه ی گروه کیهان شناسی قرار گرفته است. کیهان شناسی یعنی مطالعه ی جهان. مردم راه های مختلف زیادی را برای مطالعه ی جهان امتحان کرده اند. برخی از آن ها بر پایه ی ریاضیات متمرکز بودند. دیگران ترجیح دادند از فیزیک استفاده کنند و تعداد بسیار کمی هم از روش فلسفی استفاده کردند.
هیچ اجماعی بین کیهان شناسان درباره ی این که فضا به چه چیز شبیه است وجود ندارد، اما تعداد زیادی تئوری وجود دارد. یکی از چالش های توصیف فضا این است که تجسم کردن آن بسیار سخت است. ما عادت کرده ایم که درباره ی مکان ها در قالب دو بعد فکر کنیم. به طور مثال شما می توانید محل خود را بر روی یک نقشه بوسیله ی طول وعرض جغرافیایی مشخص کنید اما فضا دارای چهار بعد است. نه تنها شما باید عمق را به ابعاد طول وعرض را اضافه کنید بلکه شما حتماً باید زمان نیز اضافه کنید. در واقع بسیاری از کیهان شناسان به مجموعه ی این ابعاد فضا- زمان ( Space - Time) می گویند.

قبل از انفجار بزرگ

چه چیزی قبل از انفجار بزرگ (The Big Bang) اتفاق افتاد؟ سخت می توان گفت. دانشمندان این گونه نظریه می دهند، هنگامی که شما همه ی ماده ی جهان را در یک تکینی (نقطه ای با حجم صفر ولی چگالی بی نهایت) فشرده می کنید قوانین علمی دیگر قابلیت کاربرد ندارند. چون قوانین نیز یک قابل بحث هستند هیچ راهی وجود ندارد که بگوییم چه چیزی (البته اگر موجود بوده باشد) قبل از انفجار بزرگ بوده است. علم پاسخ این سؤال را ندارد.

انفجار بزرگ، گرانش و نسبیت عمومی

سه نظریه که در فهم شکل کل جهان سودمند هستند، عبارتند از: نظریه ی انفجار بزرگ، نظریه ی گرانش و نظریه ی نسبیت عمومی انیشتین. کیهان شناسان هنگامی که به فرضیه سازی درباره ی شکل فضا می پردازند همه ی این سه تئوری را مدنظر قرار می دهند. اما این سه تئوری دقیقاً تلاش می کنند که چه چیزی را توضیح دهند.؟
نظریه ی انفجار بزرگ تلاشی برای توصیف آغاز جهان است. از طریق مشاهدات و تحلیل ها ستاره شناسان تشخیص دادند که جهان در حال انبساط است. هم چنین آن ها نوری که از میلیاردها سال قبل یعنی زمانی که جهان بسیار جوان بوده است را کشف و مورد مطالعه قرار دادند. آن ها این گونه نظریه پردازی کردند که در زمانی همه ی ماده و انرژی موجود در جهان در یک نقطه ی بی نهایت کوچک جمع شده بود. ناگهان جهان منبسط شد. ماده و انرژی منفجر شدند و در هر کسر ثانیه میلیون ها سال نوری را طی کردند. آن طور که ما می دانیم این وقایع سنگ بنای جهان شد. نظریه ی گرانش بیان می کند که هر ذره از ماده نسبت به هر ذره ی دیگر از مواد نیروی جذب کننده دارد. به خصوص که این ذرات دیگر ذره ها را با نیرویی که متناسب با جرم آن و متناسب با معکوس مربع فاصله ی بین آن هاست جذب می کند معادله ی آن بدین شکل است:
F نیروی جذب گرانشی است. M و m بیان کننده ی جرم دو جسم موجود است. r^2مربع فاصله ی بین دو جسم است. بنابراین G چیست؟ G ثابت گرانش است. نماد G بیان کننده تناسب ثابت بین هر دو جسم است بدون اینکه ربطی به جرم آن ها داشته باشد.ثابت گرانش برابر است با
. این عدد بسیار کوچکی است و نشان می دهد که چرا اجسام درهمه ی مواقع به یکدیگر نمی چسبند. این موجب می شود که اجسام دارای جرم های بسیار زیاد چیزی فراتر از اثر گرانشی قابل چشم پوشی، بر دیگر اجسام داشته باشد.
اگر نظریه ی انفجار بزرگ صحت داشته باشد. بنابراین هنگامی که جهان آغاز شده است باید انفجار عظیمی ازانرژی رخ می داد تا مواد را چنین سریع و چنین دوردست بفرستد. این انفجار باید بر جذب گرانشی بین همه ی مواد در جهان غلبه می کرد. چیزی که هم اکنون کیهان شناسان در حال تشخیص آن هستند. این است که چه مقدار ماده در جهان وجود دارد. و سپس آن را معکوس می کند. سرانجام جهان می تواند به یک تکینی دیگر منقبض شود. چنین چیزی Big Crunch نامیده می شود. اما اگر ماده به اندازه کافی وجود نداشته باشد، جذب گرانشی آن قدر قوی نخواهد بود که انبساط جهان را متوقف کند و جهان به صورت نامحدود رشد خواهد کرد.
اما درباره ی نظریه ی نسبیت چه طور؟ در کنار توضیح درباره ی رابطه ی بین انرژی و ماده این تئوری هم چنین ما را به سمت این نتیجه می برد که فضا دارای شکل منحنی است. اجسام در فضا در مدارهای بیضوی شکل حرکت می کنند نه به دلیل گرانش بلکه به علت اینکه فضا خود منحنی است و بنابراین یک خط مستقیم در واقع یک حلقه است. درهندسه یک خط مستقیم بر روی یک سطح منحنی یک Geodesic می باشد (Geodesic به معنی کوتاهترین خط ترسیم شده بین دونقطه در روی سطح می باشد.»
این سه نظریه درباره ی شکل دهی مبانی نظریه های مختلف درباره ی شکل واقعی فضا توضیح داده اند. اما اجماع واقعی بر روی شکل صحیح فضا وجود ندارد.

تکینی (Singularity)

نسبیت عمومی می گویند که دقیقاً قبل از انفجار بزرگ یک نقطه ای با حجم صفر و چگالی بی نهایت وجود داشته که همه ی ماده ی جهان در آن قرار داشته است. این پدیده با نام تکینی شناخته می شود. ماده ای که وارد یک سیاه چاله می شود نیز حجم آن به سمت صفر کاهش می یابد و چگالی آن به سمت بی نهایت می رود، به این ترتیب آن ماده نیز وارد یک تکینی شده است.

شکل های فضا

سه مدل اصلی جهان بر مبنای انحنا سوار است: انحنای صفر، انحنای مثبت و انحنای منفی.
یک انحنای صفر بدین معنی است که جهان مسطح است یا جهان اقلیدسی است (هندسه ی اقلیدسی با سطوح غیر منحنی سروکار دارد). فرض کنید فضا همانند یک ساختار دو بعدی است. یک جهان اقلیدسی شبیه یک صفحه ی مسطح می باشد. خطوط موازی فقط بر روی یک صفحه ی مسطح ممکن هستند. در یک جهان مسطح ماده ی کافی وجود دارد به طوری که بدون اینکه جهان به سمت فروپاشی برگردد به طور نامحدود منبسط می شود. اگر چه نرخ انبساط بر اثر گذشت زمان افزایش می یابد.
اگر جهان دارای یک انحنای مثبت باشد، یک جهان بسته است. یک مدل دو بعدی از چنین جهاتی شبیه یک کره به چشم می آید. داشتن خطوط. Geodesic های موازی (خطوط مستقیم بر روی یک سطح منحنی) غیر ممکن است. دو خط در یک نقطه با هم دیگر برخورد خواهند کرد. در یک جهان بسته ماده ی کافی برای معکوس شدن انبساط وجود دارد. سرانجام چنین جهانی در خود متلاشی شود تنها تا یک اندازه ی مشخصی منبسط خواهد شد.
تصور انحنای منفی نیازمند دقت بیشتری است. معمول ترین توصیف برای آن یک زین است. در یک مدل انحنای منفی دو خط موازی بر روی یک سطح مسطح در حال دور شدن از یک دیگر امتداد پیدا می کنند. کیهان شناسان بر مدل های انحنای منفی، مدل های جهان باز می گویند. در چنین جهان هایی ماده ی کافی برای معکوس کردن یا کند کردن انبساط وجود ندارد و بنابراین جهان به انبساط نامتناهی ادامه می دهد.
آیا چنین چیزی بدین معناست که فضا دارای شکلی شبیه یک صفحه ی تخت، یک کره یا یک زین است، الزاماً نه. به خاطر بیاورید که فضا – زمان با چهار بعد اندازه گیری می شود که سودمندی نمونه های دو بعدی را کاهش می دهد. و نظریه های رقیب بسیاری درباره ی شکل نهایی واقعی جهان وجود دارد.
یک شکل امکان پذیر حلقه ی سه گانه است. در اولین نگاه حلقه ی سه گانه همانند یک مکعب معمولی به چشم می آید. اما هر وجه از مکعب به وجه طرف مقابل چسبانده شده است. تصور کنید که در یک فضا پیمایی هستید. که درون یک مکعب بزرگ در حال پرواز است. شما به قسمت بالای معکب می روید. هنگامی که شما با سطح بالا تماس پیدا می کنید تصادف نمی کنید. بلکه در عوض در نقطه ی نظیر در قسمت قاعده مکعب ظاهر می شوید. به عبارت دیگر شما به سمت بالا رفته اید و سر از قسمت پایین در آورده اید. اگر به اندازه ی کافی در هر جهتی حرکت کنید سرانجام به نقطه ای که از آن آغاز کرده اید، خواهید رسید. چنین چیزی چندان با ذهن مغایرت ندارد، چرا که بر روی زمین هنگامی که شما روی یک خط مستقیم سفرمی کنید سرانجام به نقطه ی آغازین می رسید، تنها خیلی خسته می شوید.
چیزی که گیج کننده است. این است که اندازه ی که در این جهان در نظر گرفته شده است. کوچکتر از چیزی است که ما واقعاً مشاهده کرده ایم. به عبارت دیگر میدان دید ما فراتر از مرزهای جهان است. کیهان شناسان می گویند که این مشکلی را ایجاد نمی کند. هنگامی که شما به یک کهکشان دور دست نگاه می کنید که فراتر از مرزهای فضا به نظر می آید در واقع شما در حال تماشا کردن اثری هستید که در بالا توضیح داده شد. کهکشان مورد بحث ممکن است واقعاً پشت سر شما قرار داشته باشید. اما شما در حال نگاه کردن از طریق یک وجه از دوازده وجهی هستید که مانند یک پنجره به نظر می آید اگر شما بتوانید به اندازه ی کافی دور را ببینید، شما می توانید پشت سر خود را ببینید.
گیج شده اید؟ شکل های تئوری بسیار دیگری وجود دارند که جهان می تواند به شکل آنها باشد، اما بسیاری از آن ها با مدارکی که ما تاکنون داشته ایم تطابق ندارد. مدارک چیست و ما چگونه آن ها را جمع آوری کرده ایم؟ ادامه ی مطلب را بخوانید.

چگونه فضا را اندازه بگیریم؟

تلسکوپ های نوری به ما اجازه می دهند که به مطالعه ی اجسامی که در حیطه ی طیف نور مرئی هستند بپردازیم، اما آنها ابزار نسبتاً ضعیفی محسوب می شوند. این بدان دلیل است که نوری که از کهکشان های دور دست می آید می توانند با ابرها، ذرات و دیگر اجسام قبل از آن که به زمین برسد برخورد کند. ابزارهای دیگری هستند که می توانند طول موج هایی که خارج از طیف مرئی هستند را اندازه بگیرند. بسیاری از تحقیقات اخیر در کیهان شناسی بر روی زمینه ی ریز موج های کیهانی ( CMB) متمرکز شده است. CMB تشعشعی است که جهان هنگامی که فقط 380 هزار سال عمر داشته است ایجاد کرده است با مطالعه ی این تشعشع کیهان شناسان می توانند نتایجی در مورد این که جهان کمی پس از آنکه آغاز شد، چه شکلی داشته است بدست بیاورند.
با استفاده از کاوشگر ناهمسان گردی ریز موج های ویل کین سون ( WMAP) دانشمندان کشف جالبی درباره ی CMB داشتند. آنها فهمیدند که تغییر در طول موج های تشعشع CMB در یک نقطه ی مشخص قطع می شود. در یک جهان بی کران بدون مرز نباید محدودیتی برای اندازه ی طول موج وجود داشته باشد. ما انتظار داریم که واریاسیون و فرکانس هایی با همه ی اندازه ها ببینیم. این تنها فقط در یک جهان محدود یا یک جهان نامحدود بسیار خاص ما می توانیم انتظار داشته باشیم. که محدودیتی بر روی طول موج ها ببینیم.
با توجه به انبساط، کیهان شناسان آهنگ میزان ماده ی موجود در جهان و میزان ماده ی لازم برای انبساط را پارامتر چگالی می نامند. اگر پارامتر چگالی بالاتر از یک باشد، نشان می دهد که جهان، یک جهان بسته است.(یعنی ماده بیش از آن چیزی است که جهان برای معکوس کردن انبساط به آن نیاز دارد) اگر پارامتر چگالی یک باشد نشان می دهد که جهان، یک جهان مسطح است که در آن انبساط کند می شود ولی هرگز متوقف نمی شود. و اگر پارامتر چگالی بین صفر تا یک باشد بدین معنی است که جهان یک جهان باز است که تا ابد به انبساط ادامه می دهد.
اما ما نمی دانیم که چه میزان مواد واقعاً در جهان وجود دارد. میزانی که ما می توانیم کشف کنیم، نسبتاً کوچک است ( 5 % ماده ی مورد نیاز برای معکوس کردن انبساط) اما به نظر می آید موادی وجود دارند. که ما هرگز نمی توانیم آن ها را ببینیم. کیهان شناسان متوجه شده اند که ستارگان به طرز عجیبی حرکت می کنند. آن ها طوری رفتارمی کنند که گویا ماده ای بیش از آن چیزی که ما انتظار داریم برای اثر گرانش بر آن ها لازم است، وجود دارد. برخی از کیهان شناسان این طور نظریه می دهند که این بدان معناست که نوعی ماده وجود دارد که ما هرگز نمی توانیم آن را ببینیم. این ماده، ماده ی سیاه نام دارد.
اما آیا ماده ی سیاه به اندازه کافی وجود دارد که موجب یک فشار بزرگ شود؟ به عبارتی دیگر آیا ماده ی کافی وجود دارد که توازن را تکمیل کند و نرخ پارامتر چگالی را به یک یا بالاتر از آن برساند؟ با این که کیهان شناسان معتقدند ماده ی سیاه در جهان بسیار بیشتر از ماده ی قابل مشاهده است. اما تخمین می زنند که ترکیب ماده ی سیاه و ماده ی مرئی فقط 30 % از ماده ی لازم برای معکوس کردن انبساط را تشکیل می دهد.
از آنجایی که ما نمی دانیم. شکل محدود فضا هم اکنون دقیقاً چگونه است، هر روزه تحقیقاتی برای بدست آوردن اطلاعات جدید ادامه دارد واگر فضا دارای مرزهایی باشد چه چیزی فراتر از آن قرار دارد، ما نمی دانیم و شاید قادر به دانستن هم نباشیم.
منبع: Howstuffworks.com