مدل مهبانگ و مشكلات آن

زمان پلانك كوچك ترين واحد زمان است كه در فيزيك پذيرفته شده و برابر است با 10 45- ثانيه. نظريه ي مهبانگ مدعي است كه دست كم از اين زمان به بعد مدل مناسبي است براي آفرينش.

پس از جنگ جهاني دوم، كه كيهان شناسي دوباره رونق مي گرفت به ويژه به علت پيشرفت علم فيزيك در زمينه ي اتمي و هسته اي، نظريه ي مهبانگ يا انفجار بزرگ و نظريه ي حالت پايا كمابيش هر دو مطرح بودند. گاهي تحقيقات به نفع نظريه ي حالت پايا مي چربيد و گاهي به نفع نظريه ي مهبانگ. فرِد هويل، اخترشناس معروف انگليسي كه ارتباط نزديكي با وزارت دفاع داشت و هرمان بوندي، نسبيت دان معروف، از بانيان و طرفداران نظريه ي حالت پايا بودند. تصور آن ها اين بود كه شكل ظاهري عالم همواره همين طور بوده است و در پاسخ به اين پرسش، كه پس چطور در اثر انبساط چگالي ماده كم نمي شود، مجبور بودند ماده و اتم بيافرينند. يعني در معادلات خود جمله اي اضافه كردند كه باعث آفرينش دائم ماده مي شد. به اين ترتيب همه ي پديده هاي مربوط به كيهان شناسي را توجيه مي كردند. از آن پس در اين نظريه تغييراتي ايجاد شده اما اصول آن همان است كه گفتم. اين روزها تعداد طرفداران اين نظريه از انگشتان دست تجاوز نمي كند اما اين سنگرِ نظريه ي حالت پايا را بايد فرو ريخته تلقي كرد. استاد نارليكار، اخترفيزيكدان هندي و آخرين بازمانده از شاگردان هويل، يكي از اين سنگرداران است. گاموف و ديگران، طرفداران نظريه ي مهبانگ، كه علاوه بر تابش زمينه ي كيهاني توليد هليوم در عالم را نيز پيش بيني كرده بودند، نمي توانستند محملي پيدا بكنند بر عليه نظريه ي حالت پايا زيرا كه داده هاي رصدي هنوز گويا نبودند. كشف پنزياس و ويلسون هم زمان شد با كشف نظري ديگري در نسبيت عام كه اهميت بسياري يافت. هاوكينگ، فيزيكدان مشهور معلول انگليسي، وپِنروز، فيزيك دان و رياضي دان ديگر انگليسي، چند قضيه به نام قضيه هاي تكينگي در نظريه نسبيت عام اثبات كردند. منظور ما از تكينگي در فيزيك اين است كه كميت هاي مهم فيزيكي صفر يا بي نهايت مي شوند و فيزيك متعارف معني خود را از دست مي دهد. از جمله اين كه در ابتداي عالم يك تكينگي وجود داشته است كه چگالي عالم در آن بي نهايت بوده است. اين كشف هم تير خلاص ديگري بود براي نظريه ي حالت پايا. طرفداران نظريه ي حالت پايا در ابتداي كشف تابش زمينه ي كيهاني به علت هاي مختلف منكر توجيه كشف پنزياس و ويلسون به عنوان تابش زمينه مي شدند و چون هنوز اين كشف در تمام طول موج ها كامل نبود اين انكار را مي توانستند به آساني عنوان كنند.
مي دانيم كه جوّ زمين مانع عبور امواج الكترومغناطيسي در بعضي طول موج ها مي شود. پس لازم بود با پرواز بالن يا پرتاب ماهواره همه ي اين طيف اندازه گيري بشود كه كاري زمان بر و پرهزينه بود. از زمان كشف تابش زمينه تا دهه ي هفتاد با تكرار آزمايش روي زمين و نيز پرواز بالن هاي گوناگون سعي مي شد طيف كامل تري از تابش زمينه به دست آيد. اما مشكلات جوّ زمين اجازه ي نتيجه گيري قطعي نمي داد. گاهي حتي به نظر مي رسيد طيف تابش زمينه از طيف جسم سياه انحراف دارد. سرانجام در دهه ي هفتاد / نود ماهواره اي كوبي به خارج از جوّ زمين پرتاب شد، سپس ماهواره ي WMAP و سپس پلانك. هدف از اين پرتاب اين ماهواره ها اندازه گيري هاي ماهواره ي كوبي بسيار حيرت انگيز بود. طيفي كه كوبي براي تابش زمينه در تمام طول موج ها به دست آورد با آن چنان دقتي با طيف جسم سياه برابري مي كرد كه هويل و بوندي و بربيج، همگي از طرفداران نظريه ي حالت پايا، در مقاله اي بلافاصله ادعا كردند كه در فيزيك امكان ندارد هيچ آزمايشي با اين دقت با پيش گويي بخواند؛ پس حتماً نظريه ي مهبانگ اشتباه است. و براي رفع اين اشتباه آن ها در چارچوب نظريه ي حالت پايا پيشنهادهاي جديدي براي توجيه اين طيف عرضه كردند. اين پيشنهادها را اجتماع كيهان شناسان جدّي نگرفته است. تحليل اندازه گيري هاي ماهواره ي كوبي و رصدهاي ديگر نه تنها ويژگي تابش زمينه را به عنوان جسم سياه و طيف پلانك به وضوح نشان داده بلكه اطلاعات با ارزشي هم درباره اُفت و خيز ماده در دوران آغازين عالم به دست داده است، زيرا اين تابش تنها بازمانده ي آن زمان است و تحليل آن به كشف رازهايي از عالم اوليه منجر خواهد شد. هم اكنون بررسي تابش زمينه ي كيهاني و پردازش داده هاي رصدي مرتبط با آن از زمينه هاي بسيار مطرح مطالعات كيهان شناسي است. به اين ترتيب نظريه اي بر نظريه اي ديگر چيره مي شود. گرچه نظريه ي حالت پايا به تاريخ پيوسته است، من به عمد اين دو نظريه را در كنار هم مطرح و داستان و نقش اهميت هر كدام را با تفصيل بيشتري بيان كردم تا ببينيد علم چگونه پيش مي رود. تا چه حدّ برنامه ريزي و هزينه هاي هنگفت آزمايش ها نقش دارند و تا چه حدّ تصادف و به اصطلاح جديد «سرانديپ گرايي» در پيش بُرد علم، به ويژه علوم پايه، نقش بازي مي كند.
داستان ايراني سه شاهزاده و رفتن آن ها به سرانديپ را شنيده ايد؟ اين سه شاهزاده در گشت و گذار در جزيره ي سرانديپ به گنج ها دست يافتند. اين است كه گاهي فرايند كشف علمي را از نوع كشفيات اين سه شاهزاده مي دانند و به اصطلاح آن را سرانديپ گرايي مي نامند. قدر مسلّم اين است كه بخشي از كشفيات علمي تصادفي و به معناي مدرن سياستگذاري علم سرانديپي است كه در آن آزادي عمل محقق و گشت و گذار او در زمينه ي مورد علاقه اش بسيار كارساز است. درست در همين دوران، در دهه ي پنجاه / هفتاد كه نظريه ي مهبانگ اعتبار تجربي چشمگيري پيدا مي كند، نقاط ضعف آن هم روشن تر مي شود كه اين هم از خصوصيات پيشرفت علم است. هيچ نظريه اي، و هيچ مدلي، از طبيعت كامل نيست. تثبيت هر نظريه مانند تحكيم گام كوه نوردي است كه پس از آن بتواند گام ديگر را بردارد. هنگامي كه مهبانگ اعتبار كامل خود را به دست آورد موج جديدي از پژوهش هاي كيهان شناختي براي درك كامل آن برداشته شد، نقاط ضعف روشن تر بيان شدند و كيهان شناسان بر آن شدند كه اين اشكالات را برطرف كنند.
برگرديم به عالم اوليه؛ زماني كه ماده ي عالم بسيار منقبض بود، نه زميني وجود داشت و نه خورشيدي، نه كهكشاني و نه خوشه اي از كهكشان ها. اتم ها و هسته ها و حتي ذرات بنيادي هنوز ساخته نشده بودند و ماده ي عالم به قدري فشرده بود كه ذرات بنيادي و حتي كوارك ها، كه ذرات تشكيل دهنده ي پروتون و نوترون اند، نيز نمي توانستند به وجود بيايند. فقط ميدان گرانش وجود داشت و ميداني ناشي از اتحاد برهم كنش هاي الكترومغناطيسي، هسته اي ضعيف، و هسته اي قوي؛ به اين معني كه هنوز عالم آن قدر سرد و منبسط نشده بود كه اين نيروها - اين برهم كنش ها - بتوانند جداگانه در سرنوشت عالم سهيم باشند.
به گذشته تر كه برويم مي رسيم به زماني كه آن را در كيهان شناسي زمان پلانك مي ناميم. تصور اين زمان براي شما مشكل خواهد بود. صحبت سال، يا روز، يا ثانيه نيست. صحبت زمان هايي است كه ساعت هاي ما نمي توانند اندازه بگيرند. كوچك ترين واحد زمان، كه براي ما قابل اندازه گيري است، حدود يك ميليونيم ثانيه است و خود نانوثانيه يعني يك ميلياردم ثانيه. اما من از زمان هايي صحبت مي كنم كه بسيار كوچك تر از اين هاست. شايد از خود بپرسيد كه مگر چنين زمان هايي اصلاً معني دارد؟ بايد بگويم زمان، هرچقدر كوچك يا بزرگ، هنگامي معني دارد كه در آن بتوان كاري انجام داد يا انجام رويدادي را تعريف كرد. يك روز نوري، به عنوان واحد زمان يا واحد طول، براي كيهان شناسي فعلي كه با ابعاد ميليارد سال نوري سرو كار دارد بي اهميت است. اما يك ثانيه ي نوري در عالم اوليه، كه درون آن بسياري رويدادها را مي توان تعريف كرد، ديگر بي معني و بي اهميت نيست. زمان پلانگ، كوچك ترين واحد زمان است كه در فيزيك پذيرفته ايم و برابراست با 10 45- ثانيه! نظريه ي مهبانگ مدعي است كه دست كم از اين زمان به بعد مدل مناسبي است براي آفرينش. پيش از آن گرانش بايد كوانتومي باشد و نظريه هاي فعلي هنوز توانايي ساختن مدلي براي آن را ندارند. اما آيا اين ادعاي نظريه ي مهبانگ بي اشكال است؟

گيريم عالم در زمان صفر شروع به انبساط كرده است با بيشترين سرعت؛ يعني سرعت نور. به عبارت ديگر يك نقطه از عالم را در نظر مي گيريم ببينيم پس از 45- 10 ثانيه چه مسافتي را طي كرده است. اين مسافت شعاعي براي عالم به دست مي دهد. از طرف ديگر شعاع امروزه ي عالم را داريم و قانون انبساط آن را هم مي شناسيم. محاسبه به عقب مي كنيم ببينيم در زمان پلانك شعاع عالم چقدر بوده است به نتيجه حيرت آوري مي رسيم. مي بينيم اين شعاع كه در محاسبه به عقب حساب كرده ايم حدود 50 10 قسمت بوده است كه هر قسمت برابر شعاعي است كه از زمان صفر تا زمان پلانگ بر اثر انبساط حساب كرديم. اين قسمت ها نمي توانستند هيچ ارتباطي با يكديگر داشته باشند. زيرا از زمان صفر آفرينش نور نمي توانسته است از يك قسمت به قسمت ديگر برود كه اين بسيار عجيب است. اين نكته ما را مي رساند به مفهوم افق در كيهان شناسي. كهكشاني را در نظر بگيريد در سمت شرق آسمان به فاصله مثلا 13 ميليارد سال نوري از ما؛ يعني ما داريم وضعيت 13 ميليارد سال پيش از آن را مشاهده مي كنيم. كهكشاني ديگر را در سمت غرب در نظر بگيريد با همين فاصله. ما هر دو را هم زمان مي بينيم و از شرايط 13 ميليارد سال پيش آن ها هم زمان خبردار مي شويم. ولي اين دو كهكشان هنوز نمي توانند همديگر را ببينند چون فاصله ي آن ها بيش از سنّ جهان، يعني مثلاً 13/7 ميليارد سال است. بسته به ديناميك آن، شايد ده يا دوازده ميليارد سال ديگر بتوانند همديگر را رصد كنند. در اصطلاح علم كيهان شناسي مي گوييم اين دو كهكشان در افق هم نيستند يا خارج از افق يكديگر قرار گرفته اند. افق ما تعيين مي كند چه كهكشان هايي را مي توانيم حالا رصد كنيم و چه كهكشان هايي را در آينده.
اگر اين حرف درست باشد پس چگونه است كه امروز همه ي عالم را يك جور و همگن و همسانگرد مي بينيم، در صورتي كه در زمان پلانك تعداد بسيار زياد قسمت هايي از عالم وجود داشته است كه از يكديگر بي خبر بوده اند و هيچ ارتباط علّي، علت و معلولي، با هم نداشته اند. اما گويي به طريقي اسرارآميز همه چگالي معين و برابر هم داشته اند! چرا در همه جاي عالم امروزين چگالي ماده يكي است؟ چرا همه جا تعداد كهكشان ها يكي است؟ اين اشكال را در كيهان شناسي به نام مشكل افق مي شناسند. چند اشكال از اين نوع در مدل استاندارد و كيهان شناسي، كه همان مدل مهبانگ باشد، وجود دارد. حالا چگالي عالم را در نظر بگيريد. اين چگالي هندسه و نوع انبساط عالم را تعيين مي كند، به گونه اي مقدار كاملاً مشخصي تعيين كننده ي عالم با هندسه ي تخت است.
اگر به زمان پلانگ برگرديم اين مقدار آستانه، يا مقدار بحراني، بايد با دقتي بيش از اندازه ي تصور پذير در علم، يعني با دقت يك در 62 10 ، تعيين شده باشد. در علوم فيزيكي عددهاي كه اين گونه دقيق تعريف شده باشند مطلوب نيستند. اين واقعيت نامطلوب را فيزيك دان ها تنظيم ظريف مي نامند، گويي دستي آن ها را دقت تنظيم كرده است! در كيهان شناسي اين مسئله ي چگالي آستانه و تنظيم ظريف آن را مشكل تخت بودن عالم مي نامند. با اين مشكلاتِ مدل مهبانگ، و مشكلات مشابه ديگر، آيا بايد اين مدل را كنار گذاشت؟ بايد آن را غلط دانست؟
كيهان شناسان راه ديگري را انتخاب مي كنند، آن ها سعي مي كنند آن را تصحيح كنند. در دهه ي شصت / هشتاد راهي براي رفع اين معضل پيشنهاد شد به نام مدل تورمي عالم كه سعي مي كند اشكالات مدل مهبانگ را در آغاز آفرينش رفع كند. كيهان شناسي از آن پس هيجان انگيزتر هم شده است چون در پي رفع مشكلات و فهم بيشتر و عميق تر عالم با مشكلات جديدتري آشنا مي شويم. چالش هاي علمي بيشتر مي شود و هيجان بيشتر درگير شدن با آن هم بيشتر.
مشکل افق: دو کهکشان A و B يکي در شرق و يکي در غرب ما در فاصله 13 ميليارد سال نوري از ما رصد مي شوند. در 13 ميليارد سال پيش اين دو از هم خبر نداشتند، هنوز هم نمي توانند يکديگر را ببينند. تازه در نقطه C آينده A مي تواند B را ببيند و همين طور B کهکشان A را . پس چطور عالم در بخش هاي متفاوت يکسان است و چگالي يکساني دارد.
منبع: ماهنامه نجوم، شماره 206.