تورم در عالم

آيا مدل تورم پاسخ گوي همه ي پرسش ها در كيهان شناسي است؟ اگر اين طور نيست اين مدل چه چالش هايي پيش روي كيهان شناسان قرار مي دهد؟
شيريني علم در چالش هاي آن است. پس از اين كه مدلي پذيرفته شد، و اصطلاحاً مدل استاندارد اعلام شد، ديري نمي گذرد كه اشكال هاي آن مشخص مي شود و دانش پيشگان و دانش گران به دنبال رفع اشكال هاي آن برمي آيند. مدل تصحيح مي شود يا جاي خود را به مدل ديگري مي دهد. گاهي هم اتفاق مي افتد كه با آمدن مدل جديد بعضي اهل علم اعلام مي كنند ديگر علم به انتهاي خود رسيده است. زهي خيال باطل!
قبلاً‌ ديديم كه يكي از اشكال هاي مدل استاندارد كيهان شناسي اين است كه در لحظه هاي آغازين آفرينش، مثلاً حدود زمان پلانك، عالم بايد از تكّه هايي تشكيل شده باشد كه هيچ ارتباط علي،‌ يعني علت و معلولي، با يكديگر نداشته اند. اشكال هايي از اين نوع براي كيهان شناسان دردسر ايجاد مي كرد زيرا مدل استاندارد به نظر مي رسيد به خوبي جواب گوي داده هاي رصدي است و تصوير مناسبي از تحول عالم به دست مي دهد. اما اگر اين طور است، ‌كه بخش هايي از عالم هيچ ارتباطي با هم نداشته اند،‌ پس چطور است كه هم اكنون همان بخش هاي مجزا چگالي يكسان دارند و تفاوتي با هم ندارند؟ گويي از هم مطلع بوده اند،‌ بدون اين كه هيچ ارتباطي ميان آن ها ممكن بوده باشد. اين دردسرها در دهه ي 1350/ 1970 توجه كيهان شناسان را به سوي رفع آن ها جلب كرد. مدل استاندارد كيهان شناسي جواب گوي اين اشكال ها نبود.
در سال 1359/ 1980 يكي از ذره شناسان ام آي تي،‌ به نام آلن گوت، متوجه اين نكته شد كه اگر فرض كنيم انبساط عالم بي دَررو نبوده است - يعني به هنگام انبساط در يك دوره مقدار قابل توجهي آنتروپي ايجاد شده باشد - تمام اشكال هاي عمده ي مدل استاندارد برطرف مي شود. اين انبساط بايد بسيار سريع و در دوره هاي آغازين عالم روي داده باشد به گونه اي كه بخش هايي كه ارتباط علّي با يكديگر نداشته اند ارتباط علّي برقرار كنند و عالم به يك عالم تخت تبديل بشود به طوري كه ديگر نياز به تنظيم ظريف اُمگا نباشد. شرايط اوليه ي عالم به گونه اي است كه امكان چنين طرحي را مهيّا مي كند. به شورباي اوليه ي كيهان در لحظه هاي آغازين انبساط يا انفجار اوليه فكر كنيد؛ هنگامي كه برهم كنش هاي موجود در طبيعت با هم متحد بودند و ميداني واحد، شايد هم به انضمام گرانش، بر ديناميك عالم حاكم بود. بدون اين كه وارد جزئيات رفتار اين ميدان اوليه بشوم مي خواهم با تمثيلي ايده ي اين طرح تورم در عالم را بيان كنم.

تغيير و تحول شورباي اوليه به تورم
 

به جاي شورباي اوليه بخار را در نظر بگيريد؛ بخاري كه در حال سرد شدن است؛ همچون شورباي اوليه كه در اثر انبساط سرد مي شود. انبساط در اين تمثيل نقشي ندارد چون تأكيد ما بر پديده ي سرد شدن است و نتايج حاصل از آن براي قياس در كيهان شناسي. مي دانيم كه بخار، كه گاز است، در اثر سرد شدن به آب، كه مايع است، تبديل مي شود. اصطلاحاً مي گوييم كه با يك گذار فاز سروكار داريم. يعني فرايند سرد شدن ماده ي مورد بحث ما را از فاز بخار به فاز مايع تبديل مي كند. اين گذار فاز چگونه ايجاد مي شود؟ ابتدا قطره هاي ريز و درشت آب در داخل فاز بخار تشكيل مي شود يعني حباب هايي از فاز جديد داخل فاز قديم. قطره ها يا حباب هاي ريز نمي توانند رشد كنند و دوباره به بخار تبديل مي شوند،‌ اما قطره ها يا حباب هاي درشت كه از يك حدّ آستانه بزرگ تر باشند، بزرگ تر و بزرگ تر مي شوند. قطره هاي درشت مي توانند در هم بروند و حباب هاي بزرگ تر به وجود بياورند؛ همين طور تا همه ي حجم بخار به مجموعه اي از فاز جديد، يعني آب، تبديل شود. آنگاه مي گوييم كه گذار فاز تكميل شده است. شبيه همين فرايند بايد در عالم آغازين در شورباي اوليه روي داده باشد. بخاري كه در بالا از آن صحبت كردم، نقش شورباي اوليه را دارد. اين شورباي اوليه در فازي است كه در آن همه ي ميدان ها وحدت يافته اند. فاز جديد آن است كه وحدت نيروها، يا دو دسته از آن ها،‌ شكسته است؛ مثلاً‌ هنگامي كه برهم كنش وحدت يافته ي الكتروضعيف، يعني وحدت الكترومغناطيس و نيروي هسته اي ضعيف، بشكند و به دو برهم كنش الكترومغناطيسي و هسته اي ضعيف تبديل بشود، آنگاه مي گوييم عالم در اثر سرد شدن به فاز جديد درآمده است.
حالا تصور كنيد كه به هنگام سرد شدن اين شوربا حباب هايي از فاز جديد تشكيل بشوند؛ فازي كه در آن دو برهم كنش از هم تفكيك شده اند. خارج از اين حباب ها برهم كنش هنوز به صورت وحدت يافته،‌ يعني در فاز قديم است. توجه كنيد كه اين اتفاق در كلّ عالم مي افتد. از حباب هاي فاز جديد كه بگذريم ويژگي شورباي سردشده به گونه اي است كه گويي ماده ي عالم از نوعي است كه فشار آن منفي است. اصطلاحاً مي گويند خلأ (به معناي مكانيك كوانتومي ميدان ها) حاكم است.
اين فشار منفي باعث سرعت بخشيدن به انبساط مي شود،‌ به جاي آن كه آن را كُند كند. به اين ترتيب، معادلات انبساط عالم به شكلي درمي آيد كه به آن مي گويند مدل دوسيته. انبساط عالم در اين مدل به قدري سريع است كه به آن انبساط نمايي مي گويند؛‌ يعني در لحظات بسيار كوچك، بخش بسيار كوچكي از ثانيه، ابعاد عالم از مثلاً حدّ سانتي متر به ابعاد چندين ميليون يا ميليارد سال نوري مي رسد. به اين انبساطِ سريع مي گوييم تورم. بنابراين گذار فاز در شورباي اوليه همراه است با نوعي تورم در عالم. مدل هايي كه توجيهي از اين نوع را براي رفع مشكل مدل استاندارد مطرح مي كنند مدل هاي تورمي نام دارند.

نگرش تورمي
 

اين ايده ي اوليه ي تورم بود كه در مدلي خاص مطرح شد. پس از آن مدل هاي فراوان ديگري مطرح شده است كه ديگر ارتباطي هم با ايده ي اوليه ي شكست تقارن يا گذار فاز ندارد اما همگي حول محور انبساط بسيار سريع هستند و به همين علت گاهي از سناريوهاي تورمي صحبت مي شود. تورم حالا ديگر يك مدل نيست، بلكه نوعي نگرش است. به اين ترتيب راهي پيدا شده است براي رفع اشكال هاي مدل استاندارد. مثلاً‌ مي توان به آساني ديد كه در اثر تورم هرگونه ناهمگني و ناهمسانگردي،‌ كه احتمالاً در عالم آغازين وجود داشته است، از ميان مي رود. اما مدل اوليه ي گوت كه بر مبناي تصور بالا از گذار فاز است مشكلي جديد ايجاد مي كند. حباب هايي كه از فاز جديد پيدا مي شوند چگونه در هم مي روند؟ آيا در سطح برخورد حباب ها نوعي ناهمگني جديد ايجاد نمي شود؟ تأثير اين ناهمگني جديد در ايجاد شدن ساختارهاي بعدي را چگونه مي توان رفع كرد؟ درست است كه وقتي حباب ها در هم رفتند عالم پس از آن به صورت،‌ يعني فريدماني يا هابلي، منبسط مي شود و همه چيز شبيه مدل استاندارد است. اما اين ناهمگني ناشي از برخورد حباب ها پديده ي توجيه ناپذير جديدي است. پس از اين مدل اوليه ي گوت، مدل هاي فراوان ديگري مطرح شده اند. يكي از اين مدل ها، كه كمابيش با اصل وجود انسان هم خواني دارد،‌ پيش بيني مي كند كه حباب هاي گوناگوني در عالم تشكيل مي شوند و هر كدام شان شبيه به يك عالم هستند. انبساط هر كدام هم انبساط هابلي است. همه همگن و همسانگردند اما هر كدام با شرايط اوليه ي متفاوت. در اين ميان يكي شرايط لازم را براي به وجود آمدنِ به موقع ذرات بنيادي، ساختارها، و مولكول هاي لازم براي ايجاد حيات دارد. اين حباب همان است كه عالم ما از آن به وجود آمده است. به اين ترتيب تمام اشكال هاي مدل استاندارد و مسئله ي اصل وجود انسان به نظر مي رسد حل شده باشد. چون عالم ما تنها عالمي نيست كه به وجود آمده است. يكي از تعداد بي شمار عالم است. ببينيد كه تخيل فرهيخته ي انساني، نه تخيلي بي محتوا،‌ بلكه تخيلي همراه با محاسبات پيچيده و نتايجي قابل دفاع، تا به كجا پيش مي رود! مدل هاي پيشنهادي نتيجه ي تجربه هاي بسيار پيچيده ي آزمايشگاهي ذرات بنيادي، نظريه هاي پيچيده ي ميدان ها، نظريه ي گذار فاز براي ميدان ها در دماهاي غير صفر، رصدهاي پيچيده، پردازش پيچيده تر آن ها است.

كدام مدل تورم؟
 

هنوز بحث بر سر نظريه هاي تورمي بسيار داغ است و هنوز مسائل پيچيده اي در كيهان شناسي هست كه حل نشده اند؛ از جمله ماده ي تاريك و انرژي تاريك. اما مدل هاي گوناگون تورمي گسترش فراوان يافته اند. گرچه هيچ مدل تورمي هنوز پاسخگوي همه ي مشكلات كيهان شناسي نيست، و به اين ترتيب نمي توان نظريه اي را به صورت مدل استاندارد تورمي در كيهان شناسي پذيرفت، اما انديشه ي تورم جاي خود را در ميان كيهان شناسان باز كرده است، و امروز بايد از بينش يا انديشه ي تورم كيهان شناسي صحبت كرد. مدل هاي گوناگون تورمي، در چارچوب انديشه ي تورم، امروز مورد بحث اند: تورم جاودانه،‌ تورم آشوبناك، تورم جديد، و تورم گسترش يافته فقط چند نمونه از انواع مدل هايي هستند كه در نوشتارهاي پژوهشي كيهان شناسي از آن ها صحبت مي شود. بسياري مسئله ها هستند كه در هر كدام از اين مدل ها بايد بررسي شوند؛ از جمله چگونگي خروج از حالت تورم و رسيدن مجدد به انبساط هابلي، گرمايش مجدد عالم پس از سرمايش شديد تا پيش از تورم، ذره زايي،‌ ايجاد ساختار و ماده ي تاريك، و تابش زمينه ي كيهاني. هنوز نمي توان سرانجامِ اين بجث ها را ديد. به ويژه كه تورم در نظريه هاي ديگر گرانش نيز مورد بحث است.
شايد بايد منتظر نتايج نامنتظر رصدي بود،‌ از تلسكوپ هابل گرفته تا تلسكوپ كك، يا تلسكوپ هاي بزرگ اپتيكي ديگري كه در حال ساخت هستند. واقعيت اين است كه داده هاي رصدي و نظري فراواني در كيهان شناسي در حال انباشته شدن است. شايد اين تجمع داده ها گواهي از شروع انقلاب يا تحولي جديد در كيهان شناسي باشد. هنوز گرانش كوانتومي درك نشده و در هيچ يك از نظريه هاي كيهان شناسي به كار نرفته است. آيا عالم آغازين دوره ي گرانش كوانتومي است يا در اين امر هم بايد تجديدنظر كرد؟ آيا اصلاً مي توان در آن دوره از ميدان صحبت كرد؟ آيا اصلاً هندسه به معناي متعارفش وجود داشته است؟‌ آيا فضا زمان پيوستار بوده است؟ آيا چيزي به عنوان بعد فضا زمان وجود داشته است؟ آيا بُعد فضا سه بوده است؟ آيا زمان اصلاً‌ وجود داشته است؟ آيا فضا گسسته نبوده است؟ آيا زمان گسسته نبوده است؟
نسل ها لازم است تا بتوان همراه با عشق به كار سنگين علمي چه نظري، چه تجربي و رصدي به اين پرسش ها پاسخ داد و سرمايه هاي عظيم مادي بايد صرف پژوهش بشود تا اين غريزه ي شريف انساني ارضا شود. آيا ممكن است ما ايرانيان نيز آمادگي پيدا بكنيم و براي اين حركت شريف جهاني، سرمايه گزاري مادي بكنيم و به جمع خانواده ي جهاني براي كشف رازهاي طبيعت بپيونديم؟

آلن هاروي گوت ...
 

... فيزيك دان نظري و كيهان شناس كه در سال 1359 نخستين سمينار خود را درباره ي مدل تورمي عالم ارايه كرد. او اكنون پروفسور فيزيك در مؤسسه ي فناوري ماساچوست است. او در سال 1388/ 2009 از طرف مؤسسه ي فيزيك انگلستان نشان نيوتن را دريافت كرد.

مدل يا فضاي دوسيته
 

فضاي دوسيته فضايي متقارن و n بُعدي است. اين فضا راه حلي براي معادلات ميدان اينشتين در نسبيت عام است كه ويليام دوسيته آن را پيشنهاد داد. اگر ابعاد فضا را برابر با 4 در نظر بگيريم، فضاي دوسيته تبديل به مدلي كيهان شناختي براي عالم فيزيكي مي شود كه عالم را مسطح و خالي از ماده ي معمولي مي داند.
منبع : نشريه ي نجوم، شماره ي 209