آیا افق کیهانی ، پایان پهنه گیتی است؟ (قسمت دوم)

در قسمت قبل دیدیم که افق کیهانی و پهنه گیتی همچون یک اقیانوس، بسیار وسیع‌تر از محدوده دید مسافران کشتی کوچک ما، زمین است. هرچند احتمالا تا سالیان سال امکان عبور از مرزهای مشاهده برای انسان وجود ندارد، این موضوع دانشمندان را از حرکت بازنداشته، آن‌ها را برای رفتن به فراسوی مرزهای توانایی فعلی بشر مشتاق‌تر می‌کند. در بررسی تعدادی از این فرضیات جسورانه با دیپ ‌لوک همراه باشید…

تجربیات روزمره به ما می‌گوید که در فضا سه بعد وجود دارد: جلو و عقب، چپ و راست، بالا و پایین. در فیزیک، زمان نیز به عنوان بعد چهارم در نظر گرفته شده و با سه بعد فضایی، درهم تنیده و فضازمان را می‌سازد (شبیه به یک توری، ولی توری ۴ بعدی کیهانی). به عنوان یکی از اصول بنیادین نسبیت اینشتین، شکل‌پذیری فضازمان اجازه می‌دهد که فضا-زمان براثر جرم و حرکت اجسام، درون خود جمع شده یا کش بیاید. در واقع به همین دلیل است که عالم می‌تواند گسترده شده و این گسترش روی زمان تاثیر بگذارد (مشاهده حرکت آهسته پدیده‌های دورتر). همچنین همین مورد است که گذر کند زمان درون سفینه‌های پرسرعت و یا کنار سیاه‌چاله را سبب می‌شود.

با این وجود فیزیکدانان به دنبال پاسخ این پرسش‌اند که آیا این سه بعد مشهود در عالم، تنها ابعاد موجودند یا فقط بخش کوچکی از یک تصویر بزرگ‌ترند؟ در حقیقت وجود ابعاد فضایی بیش‌تر در جهت‌هایی که انسان توانایی مشاهده (و حتی درک) آن‌ها را ندارد، می‌تواند به حل مشکلاتی در حوزه فیزیک نظری و رفتار گرانش منجر شود. با اضافه کردن یک بعد فضایی به عالم می‌توان شاهد نشت گرانش به آن بعد بود که این موضوع می‌تواند توجیه خوبی برای علت ضعیف بودن اندازه نیروی گرانش در مقایسه با میزان پیش‌بینی شده در نظریه‌ها و همچنین در مقابل دیگر نیروهای حاکم بر عالم ذرات باشد.

ابعاد بالاتر فضایی (علاوه ‌بر توجیه گرانش) یکی از پیش‌نیازهای نظریه ریسمان نیز هستند. این نظریه فرض می‌کند که ذرات بنیادین تشکیل دهنده عالم، خود از ریسمان‌های انرژی تشکیل شده‌اند که دارای ارتعاش در ابعاد متعددی علاوه‌ بر سه بعد قابل مشاهده هستند. در چنین نظریاتی، ابعاد اضافی، «فشرده» ( یا به عبارتی به دور خود پیچیده) شده‌اند، به گونه‌ای که اگر فردی بتواند یکی از آن‌ مسیرهای جدید را پیدا کرده و شروع به حرکت بر آن کند، قادر نخواهد بود خیلی دور شود، مگر آنکه از همان جایی که شروع کرده به عقب برگردد.

اما سوال اینجاست که آیا یک بعد اضافی می‌تواند یک جهان کامل را در خود جای دهد؟

یک فرضیه پیرامون ساختار کیهان ما که در اوایل دهه ۲۰۰۰ میلادی شکل گرفت پیشنهاد می‌کند که دنیای ما احتمالا یک غشای (brane) سه بعدی بر لبه یک فضای بزرگ‌تر با چهار بعد فضایی است (که به همراه زمان تشکیل ۵ بعد را می‌دهند). درون این محیط با ابعاد بالاتر، امکان وجود یک غشای سه بعدی دیگر حاوی یک کیهان دیگر وجود دارد، کیهانی که می‌تواند گاه گاه به کیهان ما نزدیک شده و حتی با آن برخورد کند. خالقان این نظریه نام مدل «اکپیروتیک» (ekpyrotic) کیهانی را برآن گذاردند. این نام از یک واژه یونانی معادل «آتش سوزی عظیم» نشات گرفته و به این حقیقت اشاره دارد که هر بار برخورد این دنیاهای غشایی، سبب بروز شرایط آتشینی مانند انفجار بزرگ می‌شود. در حقیقت این نظریه در تلاش است تا ابتدا و انتهای کیهان را به وسیله چنین برخوردهایی توجیه و تفسیر کند. در این نظریه، غشاهای موجود به صورت دوره‌ای به سمت یک‌دیگر حرکت کرده، با هم برخورد می‌کنند و سپس از هم جدا می‌شوند و این چرخه بی پایان (که کل عمر کیهان ما را دربرمی‌گیرد) از انفجار بزرگ شروع شده، به صورت انبساط عالم ادامه یافته و به «رمبش بزرگ» (Big Crunch) می‌انجامد، و باز دوباره باعث انفجار بزرگ می‌شود. براساس این مدل، الگوی ساختاری که ما امروزه در کیهان مشاهده می‌کنیم (توزیع کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی) به دلیل برهمکنش بین دو غشا در حین برخورد آرام آن‌ها در شرایط قبل از انفجار می‌باشد.

با وجود این‌که ممکن است در اولین نگاه، ایده ابعاد بالاتر و دنیاهای جدید تنها برای توجیه انفجار بزرگ، زیاده‌روی به نظر برسد، اما حقیقت این است که فیزیکدانان دلایل جدی و مهمی برای قبول این ایده‌ها دارند. احتمالا تصویر استاندارد عالم در زمان شکل‌گیری بسیار پیچیده‌تر از چیزی است که تا به حال به آن باور داشته‌اید. اولین چیزی که از انفجار بزرگ به ذهن شما می‌رسد احتمالا یک تکینگی است. (یک نقطه بی‌اندازه کوچک با چگالی بی‌نهایت که حاوی تمام فضا و زمان بوده،  به صورت ناگهانی منفجر شده و کل کیهان را به وجور آورده است). این ایده به دلیل معادله گرانش اینشتین به شهرت رسید، چرا که در این معادله، گرانش می‌تواند ابتدای عالم و وجود تکینگی را توصیف کند، (و همینطور شرح دهد که عالم چگونه در نهایت به رمبش و جمع‌شدگی عظیم در یک نقطه تکین منتهی می‌شود)، اما این نظریه با مشاهدات ما سازگاری ندارد. نور پس زمینه قابل مشاهده در افق دید کیهان، که تابش باقی‌ مانده از انفجار بزرگ یا «پس‌فروزش» (afterglow) آن نام دارد، برای ما مشخص می کند که این تحول ساده از تکینگی تا کیهان زیبای موجود، که ما از آن لذت می‌بریم، به هیچ عنوان، مدل صحیحی نیست.

مشکل آن‌جایی ظاهر شده است که پس‌فروزش حاصل از انفجار بزرگ (که همان تابش ریزموج پس زمینه کیهانی است) در حالتی از توزیع ایده‌آل قرار دارد. این تابش به شکلی غیرمنطقی و با دقتی بالا (یک در ۱۰۰هزار) در تمام جهت‌ها با توزیعی یکسان مشاهده می‌شود. این تابش داری رنگ (یا همان فرکانس تابش چون در محدوده ریزموج قرار دارد)، طیف و شدتی یکسان در همه جهت‌ها است. اما مشکل از آن‌جایی ناشی می‌شود که ما هیچ توجیهی برای یکسان بودن این تابش در مثلا دو ناحیه واقع در دو سمت متفاوت از آسمان نداریم. حتی اگر همه چیز به صورت درهم‌پیچیده و از یک تکینگی شروع شده باشد، باز هم نحوه انبساط آن باید اختلافات قابل توجهی در مناطق مختلف کیهان اولیه ایجاد می‌کرد. مناطق مختلفی که پس از انفجار بزرگ و در فواصل دوری از هم قرار داشتند (به دلیل سرعت بالای انبساط) هرگز نمی‌توانستند به یک تعادل گرمایی برسند. تابش ریزموج پس ‌زمینه باید به شکل قابل توجهی در نقاط مختلف آسمان، متفاوت به نظر برسد.

توضیحی که فیزیکدانان در دهه ۱۹۸۰ میلادی ارائه دادند، آغازگر فصل جدیدی در داستان کیهانی ماست. آن‌ها بیان کردند که ممکن است در لحظه تولد عالم و پیش از شرایط داغ اولیه، دوره‌ای وجود داشته باشد که کیهان با سرعتی بسیار زیاد منبسط شده ‌است. احتمالا درست پس از تکینگی (اگر تکینگی را باور کنیم) کیهان در حالتی کاملا نامتوازن و بی‌نظم قرار داشته است (در جاهایی داغ و در جاهایی سرد همانگونه که انتظارش را داریم). اما ناگهان کیهان با سرعتی بسیار زیاد شروع به انبساط می‌کند و یکی از همین مناطق کوچک هم‌دما آنقدر کشیده و بزرگ می‌شود که تمام جهان قابل مشاهده امروز ما را بوجود می‌آورد . فیزیکدانان فرض می‌کنند که سپس این عامل عجیب و ناشناخته که سبب چنین ابرتورمی شده است (که به آن تورم کیهانی می‌گویند) ناگهان به صورت تابشی واپاشی کرد و سبب شد که گوی متورم و آتشین کیهان بدرخشد و در حالتی قابل مشاهده برای ما قرار گیرد.

براساس آن‌چه تاکنون مشاهده کرده‌ایم به نظر می‌رسد که تورم با شواهد ما منطبق بوده و تغییرات پایین تابش ریزموج پس زمینه (یک در ۱۰۰هزار) را توجیه می‌کند. اما مشکل اینجاست که اولا ما هیچ دلیل محکمی مبنی بر اثبات چنین تورمی نداریم و ثانیا علت و نحوه بروز و ادامه این پدیده فرضی بر ما پوشیده است. در هر حال حتی در فرضیه تورم کیهانی نیز احتمال برخورد کیهان ما با همسایگان احتمالیش به عنوان عاملی برای شروع تورم کنار گذاشته نشده است.

اگر تورم واقعا اتفاق افتاده باشد، زنجیره‌ی علت‌هایی که سبب خلق جهان قابل مشاهده برای ما شده است می‌تواند بارها و بارها در نقاط دیگری از یک فضای بسیار بزرگ‌تر (در مقایسه با جهان قابل مشاهده فعلی) اتفاق بیافتد. به این فرآیند «تورم درونی» می‌گویند. ایده اصلی این موضوع بیان می‌کند که فضای بزرگ پس‌زمینه همواره در حال تورم می‌باشد، اما هر از گاهی در برخی نقاط کوچک این تورم متوقف شده و این قسمت کوچک از کیهان شروع به گرم شدن می‌کند. در این بخش کوچک از جهان، انبساط شکل عادی خود (و نه صورت سریع تورمی) را دارد. این پدیده می‌تواند سبب خلق نوعی جهان چندگانه (multiverse) شود که در آن دنیاهای کوچک حبابی، که از مناطق پیش تورمی جدا از هم نشات می‌گیرند، به صورت مستمر از حالت تورم عظیم خارج شده و تبدیل به جهانی شبیه به آن چه ما می‌بینیم می‌شوند. هر کدام از این جهان‌های حبابی به وسیله فضای در حال تورم از یکدیگر جدا بوده و در بیش‌تر موارد به دلیل سرعت بالای تورم هیچ‌گونه برهمکنشی با هم ندارند.

البته هر از چندگاهی ممکن است دوتا از این دنیاهای حبابی به هم نزدیک شوند. اگر این دو به طرف هم حرکت کنند یا به سبب انبساط به هم نزدیک شوند، ممکن است در برخی نقاط به هم برخورد کرده و اثرات حبابی شکل (همانند جای زخم) بر نور پس‌زمینه یکدیگر باقی بگذارند. منجمان در حال جست و جو برای چنین اثراتی هستند و با وجود عدم توفیق همچنان به جست و جو ادامه می‌دهند. در همین حین تعدادی از ما گوشه‌ی چشمی نیز به اصول اولیه مدل تورمی داریم که هنوز محرکی ناشناخته دارد و نیازمند دنیاهای چندگانه بی‌انتهاست. بنابراین سعی داریم جایگزین‌های بهتری برای آن بیابیم.

به همین صورت در مدل اکپیروتیک نیز طی سالیان اخیر بازنگری‌هایی انجام شد و حاصل آن حذف کامل ابعاد بالاتر و برخوردهای کیهانی از این مدل است. این مدل از جهاتی شبیه به مدل تورمی است که نه به وسیله حرکت غشاها بلکه به وسیله تحولات یک میدان اسکالر ایجاد شده‌ است. میدان اسکالر در واقع گونه‌ای از میدان های انرژی انباشتی در فضا بوده و به همان عاملی شباهت دارد که فیزیکدانان معتقدند نیرومحرکه‌ی تورم کیهانی است. (البته تعدادی از مدل‌های تورمی، پای دنیاهای غشایی را نیز وسط می‌آورند تا مطالب را جذاب‌تر کنند). با وجود اینکه این مدل نیازی به برخوردهای بزرگ کیهانی ندارد، اما همچنان به وجود انتقال از یک دنیای رمبیده (collapsing universe) به سمت یک انفجار بزرگ برای توجیه پیدایش جهان نیازمند است. هر چند در این نسخه از مدل، رمبش به مراتب خفیف‌تر است، اما سبب بروز اندک فشرده‌سازی لازم برای ایجاد جرقه انفجار بزرگ و شروع چرخه جدید کیهانی می‌شود. حال اگر به جای وجود بی‌نهایت دنیای جیبی و کوچک، این چرخه به صورت مستمر و تا ابد ادامه یابد، فضای بزرگ‌تر ما یک کیهان بسیار عظیم و بی‌وقفه در حال رشد می‌باشد که در بازه‌های زمانی متناوب رشد می‌کند و متوقف می‌شود و سپس دوباره رشد می‌کند و متوقف می‌شود و این چرخه بارها و بارها تکرار می‌شود.

افق کیهانی که برای دنیای قابل مشاهده ما تعریف می‌شود، محدودیتی بسیار جدی و کلیدی است. ما نمی‌توانیم ورای آن را ببینیم مگر آن که واقعیت‌های شناخته شده از ساختار هستی به نحو معجزه‌آسایی تغییر کند (که هرگز چنین اتفاقی نمی‌افتد). انبساط کیهان، در حال افزایش سرعت است و در نتیجه هرچیزی که ورای افق دید ما قرار دارد با سرعت بیش‌تری از ما دور شده که این امر سبب می‌شود نور ساطع شده از این اجرام هرگز به ما نرسد. با وجود این که ما هرگز نمی‌توانیم ادعا کنیم دقیقا چه چیزی ورای این افق دید قرار گرفته ‌است، تمام نظریات ما متفقاً اذعان دارند که دنیای قابل مشاهده ما تنها بخش کوچکی از یک فضای به غایت بزرگ‌تر است.

این عالم چه به صورت دنیاهای چندگانه حبابی باشد که در هرکدام قوانین متفاوت فیزیکی حاکم است؛ چه به صورت کیهانی با انبساط بی‌وقفه باشد که تنها یک بخش از یکی از چرخه‌های بی‌شمارِ تورم و رمبش پیاپی است؛ و چه به شکل فضایی رو به رشد به سمت ابعادی غیرقابل تصور برای انسان، در حال حاضر علم ما از ارائه‌ی مدلی قطعی در توصیف آن ناتوان است. با این وجود ما همچنان به دنبال سرنخ از چنین مدلی می‌گردیم.

الگوی موجود در تابش ریزموج پس ‌زمینه کیهان، توزیع کهکشان ها در عالم و حتی آزمایش‌هایی که گرانش را مورد ارزیابی قرار داده و رفتار ذرات بنیادی را بررسی می‌کنند، به ما دید عمیقی می‌دهد تا بتوانیم جهان را از منظر ساختار پایه‌ای آن توصیف و به تحولات آن در لحظات ابتدایی شکل‌گیری پی ببریم. ما در حال نزدیک شدن به جایی هستیم که قادر خواهیم بود داستان عالم را به صورتی کامل روایت کنیم. ما در حال حاضر می‌توانیم به صورت مستقیم به آتش ابتدای عالم، که همچون کوره‌ای در حال شکل دادن به کیهان بود و درست لحظاتی پس از تولد آن به وجود آمد، بنگریم. با شواهدی که در حال جمع آوری آن‌ها هستیم ممکن است روزی بتوانیم سرگذشت عالم را از ابتدا تا انتها بازگو و توصیف کنیم.

ویدئوی هیجان‌انگیز زیر، با عنوان «تایم لپس آینده: سفری به پایان جهان» که توسط protocol labs تهیه شده، آنچه در آینده بر سر کائنات خواهد آمد را به نمایش می‌گذارد.