از تشکیل جهان تا پیدایش جهان‌های موازی

به قسمت هشتم مجموعه مقالات گذری بر فیزیک کوانتوم خوش آمدید. همان‌طور که در قسمت قبل وعده دادیم، در این قسمت مباحث مربوط‌به کیهان شناسی و جهان‌های موازی را مطالعه می‌کنیم. پیشنهاد می‌شود، پیش از شروع مطالعه‌ی این قسمت مروری هرچند گذرا، بر قسمت چهارم این مجموعه که به‌صورت مفصل مباحث مربوط‌به نسبیت را بررسی می‌کند، داشته باشید.

در این قسمت به بررسی جهان از زمان تشکیل شدن و تمامی اتفاقاتی که در طول چند میلیارد سال حیاتش افتاده است، می‌پردازیم و سپس موضوعاتی نظیر تورم و پیدایش نظریه جهان‌های موازی را مورد نقد و بررسی قرار می‌دهیم.

این مقاله نزدیک به ۱۸ هزار کلمه مطلب دارد و برای آن که راحت‌تر مطالعه شود به ۴ قسمت تقسیم شده است. بدیهی است که این جنس مقالات با اخبار روزانه تفات ساختاری فاحشی دارند و هدف آن‌ها افزایش دانش، بینش و سواد حقیقی شما است. بنابراین اگر تمایل به خواندن آن دارید، حتما آن را ذخیره کنید و در طول مدت زمان حداقل ۴ روز مطالعه کنید. به مانند قسمت‌های قبلی، تمامی سعی نگارنده بر این بوده است، که مطالب به زبانی ساده و گیرا بیان شود و با بررسی، جمع‌آوری و مطالعه‌ی چندین کتاب سعی شده است، تا بر این اصل مهم خود وفادار بمانیم. حال نوبت آن است، به سراغ جهان آفرینش برویم، و به جست و جو و کنکاش در آن بپردازیم.

آشنایی با کیهان شناسی!

کیهان شناسی عبارت است از مطالعه‌ی کامل کائنات، شامل تولد و سرنوشت احتمالی آن. تعجبی ندارد که سیر تکاملی کیهان شناسی، در سایه‌ی عقاید تعصب آمیز و باورهای خرافات گونه، دستخوش دگرگونی‌های بسیاری شده باشد.

اولین انقلاب در کیهان شناسی، با ظهور تلسکوپ در قرن شانزدهم پدید آمد. گالیلئو گالیله، پیرو تلاش‌های ستاره شناسان بزرگی چون نیکولاس کوپرنیک و یوهان کپلر، با کمک تلسکوپ توانست برای اولین‌بار شکوه و جلال افلاک را به محدوده‌ی تحقیقات علمی وارد کند. این مرحله از کیهان شناسی، در کار ایزاک نیوتون به نقطه اوج خود رسید؛ کسی که سرانجام قوانین بنیادی حاکم بر حرکت اجرام سماوی را مطرح کرد. به این ترتیب، قوانین حاکم بر اجرام آسمانی، به‌جای سحر، جادو، کشف و شهود، تابع نیروهایی قابل محاسبه و تکرارپذیر شدند!

دومین انقلاب در کیهان شناسی، با ظهور تلسکوپ‌های بزرگ قرن بیستم، مثل تلسکوپ مونت ویلسون (Mount Wilson) ، با آینه‌‌ی انعکاسی بزرگ ۲/۵ متری، به وقوع پیوست. در دهه‌ی ۱۹۲۰، ستاره شناسی به نام ادوین هابل، از این تلسکوپ عظیم الجثه برای براندازی قرن‌ها اعتقادات تعصب‌آمیز، مبنی بر اینکه جهان ساکن و فناناپذیر است، استفاده کرد. او نشان داد که کهکشان‌ها در آسمان با سرعت قابل توجهی در حال دور شدن از زمین هستند و این بدان معنا است، که جهان در حال انبساط است!

رصدخانه‌ی مونت ویلسون

این موضوع، نتایج نظریه‌ی نسبیت عام آلبرت اینشتین را تأیید می‌کرد، که در آن ساختار فضا-زمان، به‌جای اینکه تخت و خطی باشد، دینامیک و خمیده است. این یافته، اولین توصیف محتمل از منشاء کیهان را ارائه کرد؛ با این شرح که جهان با انفجار عظیمی به نام انفجار بزرگ (big bang) آغاز شده است، که طی آن ستارگان و کهکشان‌ها در فضا به سمت بیرون پرتاب شدند. تلاش‌های پیشگامانه‌ی جورج گاموف و همکارانش در مورد نظریه‌ی انفجار بزرگ و همچنین فرد هویل روی منشاء مواد، موجب شد طرح کلی فرایند تکاملی جهان پدیدار شود.(لازم به ذکر است که در بسیاری از متون علمی فارسی، از واژه‌ی مه‌بانگ به‌جای انفجار بزرگ استفاده شده است)

سومین انقلاب هم‌اکنون در حال انجام شدن است. در دهه‌های اخیر با پیشرفت چشمگیر بشریت و فرستادن ماهواره‌های متعددی به فضا، اطلاعات انسان درباره‌ی کیهان به‌طور محسوسی افزایش پیدا کرده است. امروزه ما اطلاعاتی نسبتا جامعی درباره‌ی ماهیت جهان؛ شامل عمر و اجزای سازنده‌ی جهان و شاید حتی آینده و مرگ احتمالی آن در دسترس داریم. ستاره شناسان دریافته‌اند، که جهان به‌طور فزاینده‌ای در حال گسترش است، به‌طور نامحدودی شتاب می‌گیرد و به مرور زمان سردتر و سردتر می‌شود. در صورت ادامه‌ی این روند در آینده شاهد انجماد بزرگ خواهیم بود. در آن صورت، جهان در تاریکی و سرما فرورفته و حیات هوشمند به‌طور کلی از بین خواهد رفت.

بشریت از همان زمان پیدایش در میان تمامی صحبت‌هایش و لا به‌ لای تمام باورهایش، بحث وجود جهانی دیگر جریان داشته و هستی یا نیستی عالمی دیگر همواره برایش یک پرسش بوده است. بسیاری از ادیان نیز به صراحت درباره‌ی وجود عالمی دیگر به غیر از جهان فعلی سخن گفته‌اند، اما آن چه که هم‌اکنون فکر فیزیکدانان و ستاره شناسان سراسر جهان را به خود مشغول کرده، این است که جهان‌های موازی چه شکلی دارند، از چه قوانینی تبعیت می‌کنند، چگونه زاده شده‌اند، و سرانجام چگونه می‌میرند؟

شاید این جهان‌های موازی، بدون وجود عناصر ابتدایی حیات، پذیرای دنیای زنده نباشند. از طرف دیگر، شاید جهان‌های دیگری باشند، که دقیقا به شکل جهان ما بوده و به وسیله یک رخداد کوانتومی از جهان ما جدا شده باشند؛ رخدادی که باعث دور شدن این جهان‌ها از جهان ما شده باشد!

تعداد معدودی از فیزیکدانان نیز بر این باورند، که شاید روزی اگر با گذر زمان، با سردتر شدن زمین، زندگی در جهان فعلی ما غیرممکن شود، ممکن است مجبور شویم آن را ترک کرده و به جهان دیگری فرار کنیم.

آن چه که باعث ظهور این نظریه‌های جدید شده است، سیل عظیم داده‌های دریافتی از ماهواره‌های فضایی است، که با عکس برداری از آثار بجامانده از فرایند آفرینش به دست می‌آیند. هم‌اکنون دانشمندان، تمرکز خود را روی آنچه که تنها ۳۸۰٫۰۰۰ سال پس از انفجار بزرگ رخ داده است، متمرکز کرده‌اند؛ زمانی‌که برای اولین‌بار پس تاب آفرینش جهان را فرا گرفت. شاید بتوان گفت که مهیج‌ترین و بهترین تصویر از انعکاس رخداد آفرینش، با کمک ابزار جدیدی به نام ماهواره WMAP، به دست آمده است.

ماهواره WMAP

این ماهواره مخفف نام Wilkinson Microwave Anisotropy Probe است، که در زبان فارسی آن را کاوشگر ناهمسان‌گرد ریزموجی ویلکینسون می‌نامیم. این ماهواره به وسیله‌ی راکت دلتا ۲ در ۳۰ ژوئن ۲۰۰۱ از ایستگاه نیروی هوایی کیپ کنورل در فلوریدا به فضا پرتاب شد و در سال ۲۰۱۰ به مأموریت خود پایان داد.

«باورنکردنی!»، «لحظه‌ای تاریخی!»، این‌ها برخی از کلماتی بودند که در فوریه سال ۲۰۰۳ از زبان متخصصان محتاط فیزیک نجومی، در توصیف داده‌های ارزشمند دریافتی از ماهواره WMAP، خارج شد. WMAP، که نام خود را از نام یکی از پیش‌گامان علم کیهان شناسی، دیوید ویلکینسون، وام دارد، در سال ۲۰۰۱ به فضا پرتاب شد. این فضاپیما موفق شد، با دقتی بی‌سابقه، تصویری از جهان ابتدایی را، تنها زمانی‌که ۳۸۰٫۰۰۰ سال عمر داشت، در اختیار دانشمندان قرار دهد. انرژی بسیار زیاد باقی مانده از گوی آتشین اولیه، که منشاء شکل گیری ستارگان و کهکشان‌ها محسوب می‌شود، میلیاردها سال پیرامون جهان ما چرخیده است. امروزه سرانجام با کمک ماهواره WMAP، تصاویر ضبط شده با جزییات دقیق، نقشه‌ای تهیه شده است که قبلا دیده نشده بود؛ تصویری از آسمان که با جزییات حیرت آوری، تابش ریزموج ایجاد شده از انفجار بزرگ را نشان می‌دهد؛ چیزی که مجله تایم آن را «انعکاس خلقت» نامید.

جان باکال، از انستیتوی مطالعات پیشرفته در پرینستون، اظهار می‌دارد که یافته‌های ماهواره WMAP ، بیانگر فرایند گذر کیهان شناسی از تفکر نظری به علوم دقیق است. سیل عظیم داده‌های به دست آمده از این دوره زمانی ابتدایی در تاریخ جهان، برای اولین‌بار کیهان شناسان را قادر ساخت، تا به دقت به کهن‌ترین سوالات بشر پاسخ دهند؛ سؤالاتی که با اولین نگاه‌های انسان به آسمان شب، در ذهن او شکل گرفت.

عمر جهان چقدر است؟ از چه ساخته شده است؟ پایان جهان چیست؟

در سال ۱۹۹۲، یکی از ماهواره‌های پیشین، با نام کوبه کاوشگر زمینه کیهان، توانست اولین تصاویر محو و نامشخص مربوط‌به تابش پس‌زمینه‌ای که آسمان را پر کرده است تهیه کند. اگرچه این نتایج در زمان خود انقلابی برپا کرد، ولی از طرفی ناامید کننده نیز بود، زیرا تصاویری از جهان ابتدایی به ما می‌داد که وضوح کافی نداشتند. بااین‌حال روزنامه‌ها، با هیجان فراوان این عکس را چهره خدا نامیدند. ولی عکسی از دوران کودکی جهان توصیف دقیق‌تری از تصاویر ناواضح و محو به دست آمده از COBE است. اگر دنیای امروز را به انسانی ۸۰ ساله تشبیه کنیم، تصاویر به دست آمده از COBE و بعدها از WMAP، او را به‌عنوان نوزادی یک روزه نشان می‌دهند. علت اینکه ماهواره WMAP می‌تواند تصویری از دوران کودکی جهان به ما بدهد، این است که آسمان شب همانند ماشین زمان عمل می‌کند.

از آنجا که نور با سرعت محدودی حرکت می‌کند، ستارگانی که در آسمان شب می‌بینیم، آن طور دیده می‌شوند که روزی در گذشته بوده‌اند، نه آنچه که در حال حاضر هستند!کمی بیشتر از یک ثانیه طول می‌کشد تا نور فاصله بین ماه تا زمین را طی کند. بنابراین وقتی ما به ماه می‌نگریم، در حقیقت آن را به‌گونه‌ای می‌بینیم که یک ثانیه پیش بوده است. تقریبا ۸ دقیقه طول می‌کشد، تا نور خورشید به زمین برسد. به همین ترتیب، خیلی از ستارگان آشنا که ما در آسمان می‌بینیم، آن قدر از ما دورند که ده‌ها تا صدها سال طول می‌کشد، تا نور آن‌ها به چشم ما برسد. (به بیان دیگر، آن‌ها ۱۰ تا ۱۰۰ سال نوری با زمین فاصله دارند. یک سال نوری برابر است با ۹/۴۶ تریلیون کیلومتر یا فاصله‌ای که نور در مدت یک سال طی می‌کند) کهکشان‌های دور، صدها میلیون تا میلیاردها سال نوری از ما فاصله دارند. در نتیجه؛ آن چه می‌بینیم نورهایی مربوط‌به گذشته هستند، که برخی از آن‌ها حتی قبل از ظهور دایناسورها منتشر شده‌اند.

کیهان شناسان گاهی برای توصیف جهان از ساختمان امپایر استیت که با بیش از صدها طبقه برفراز منهتن قرار دارد، استفاده می‌کنند. وقتی شما از بالا به پایین می‌نگرید، به سختی می‌توانید، سطح خیابان‌ها را ببینید. اگر زیرزمین ساختمان امپایر استیت را در موقعیت انفجار بزرگ تصور کنیم، آن گاه با نگریستن از بالا به پایین، کهکشان‌های دور در طبقه دهم واقع خواهند شد! اختروش‌های دوردست که با تلسکوپ‌های زمینی دیده می‌شوند، در طبقه هفتم خواهند بود. زمینه‌ی کیهانی ثبت شده به وسیله‌ی ماهواره WMAP ، تنها یک سانتی‌متر بالاتر از سطح خیابان خواهد بود. هم‌اکنون ماهواره WMAP، سن جهان را با دقت حیرت انگیز ۱ درصد، تا ۱۳٫۷ میلیارد سال تخمین زده است.

ماهواره WMAP

برای چشم غیرمسلح، نقشه WMAP از آسمان چندان جالب به نظر نمی‌رسد؛ این تصویر مجموعه‌ای است از نقاط تصادفی. هرچند که این مجموعه نقاط، برخی ستاره شناسان را حتی به گریه نیز انداخته است؛ زیرا که این نقاط بیانگر افت و خیزها و نوسانات یا بی‌نظمی‌های تحول آتشین انفجار بزرگ، در مدت زمان اندکی پس از پدید آمدن جهان هستند. این نوسانات کوچک، همانند دانه‌هایی هستند، که از آن زمان به‌طور گسترده‌ای در سراسر کیهان پخش شده‌اند. امروزه، این دانه‌های کوچک به خوشه‌های کیهانی و کهکشان‌هایی که ما در آسمان می‌بینیم، تبدیل شده‌اند. به بیان دیگر، خود کهکشان راه شیری ما و تمام خوشه‌های کیهانی که دور و بر خود می‌بینیم، روزی یکی از این نوسانات کوچک بوده‌اند. با مطالعه و اندازه‌گیری توزیع این نوسانات و افت و خیزها، که به مانند نقطه‌هایی رنگی بر پرده‌ی آسمان شب نقاشی شده‌اند، می‌توانیم منشاء خوشه‌های کیهانی را بیابیم!

عمر جهان

ستاره شناسان، به‌خصوص در مورد عمر جهان، همواره کنجکاو بوده‌اند. در طول قرن‌ها پژوهشگران، روحانیون و خداشناسان تلاش کرده‌اند، تا با استفاده از تنها روش موجود؛ یعنی شجره نامه انسان از زمان آدم و حوا، عمر جهان را تخمین بزنند. در قرن گذشته، زمین شناسان از تابش‌های ذخیره شده در سنگ‌ها، برای محاسبه‌ی عمر جهان استفاده کردند. در قرن حاضر، ماهواره WMAP توانسته است، با اندازه گیری تابش‌های منتشره از انفجار بزرگ، معتبرترین تخمین را برای عمر جهان در اختیار انسان‌ها قرار دهد. داده‌های WMAP آشکار می‌کنند، که جهان در انفجاری آتشین در حدود ۱۳/۷ میلیارد سال پیش، متولد شده است.

ماهواره WMAP نشان داد که ماده قابل مشاهده که ما در اطراف خود می‎بینیم، نظیر؛ کوه‌ها، سیارات، ستارگان و کهکشان‌ها یک بخش ناچیز ۴ درصدی از کل محتویات ماده و انرژی جهان را تشکیل می‌دهند.

بخش اعظم آن ۴ درصد، به شکل هلیم و هیدروژن و احتمالا تنها ۰۳/۰ درصد آن به شکل عناصر سنگین هستند. درواقع بخش عمده‌ی جهان از ماده‌ای مبهم و غیر قابل مشاهده با منشاء کاملا ناشناخته تشکیل شده است. عناصر آشنایی که دنیای ما را تشکیل می‌دهند، تنها ۰/۰۳ درصد جهان را پر کرده‌اند.

براساس یافته های WMAP بیست و سه درصد جهان از ماده‌ای عجیب و ناشناخته به نام ماده تاریک (dark matter) ساخته شده، که با وجود داشتن وزن و اینکه دورتادور کهکشان‌ها حلقه زده است، کاملا نامرئی است. ماده تاریک آن قدر زیاد است، که تنها در کهکشان راه شیری، وزن آن روی هم رفته بیش از ده برابر وزن مجموع ستارگان مرئی است. با وجود غیرقابل رؤیت بودن، دانشمندان می‌توانند این ماده تاریک عجیب را به‌طور غیرمستقیم مشاهده کنند، زیرا این ماده درست مانند ذره بین، نور ستارگان را منحرف می‌کند و بنابراین می‌توان مکان آن را ازطریق میزان انحرافی که در نور ستارگان زمینه ایجاد می‌شود، تعیین کرد.

بزرگ‌ترین اعجاب در داده‌های WMAP این بود که ۷۳ درصد جهان، یعنی بخش عمده آن، از نوعی انرژی کاملا ناشناخته و نامرئی به نام انرژی تاریک (dark energy) ساخته شده، که در ساختار فضای خالی پنهان است. انرژی تاریک، انرژی هیچ، یا انرژی فضای خالی، که به وسیله اینشتین در سال ۱۹۱۷ معرفی و سپس به وسیله خود او رد شد (او آن را بزرگ‌ترین اشتباه خود نامید)، هم‌اکنون به‌عنوان نیروی محرک کل جهان مجددا مطرح می‌شود. در حال حاضر، این عقیده وجود دارد؛ که انرژی تاریک میدان ضدگرانشی ایجاد می‌کند و باعث از هم راندن کهکشان‌ها می‌شود. سرنوشت نهایی جهان نیز به وسیله این انرژی تاریک تعیین می‌شود!

هیچ کس در حال حاضر نمی‌داند، که این انرژی از کجا می‌آید. کریگ هوگان، ستاره شناس دانشگاه واشنگتن در سیاتل می‌گوید؛

 صادقانه بگویم، ما این (انرژی تاریک) را نمی‌فهمیم. با اینکه می‌دانیم اثرات آن چه هستند، ولی سرنخی از این موضوع نداریم. هیچکس سر نخی ندارد!

باتوجه‌به نظریه اخیر ذرات زیراتمی، در محاسبه مقدار این انرژی تاریک، به عددی فراتر از  ۱۰۱۲۰ که در حقیقت برابر عدد ۱ با ۱۲۰ صفر در مقابلش، می‌رسیم.

چنین فاصله‌ای میان نتایج نظری و داده‌های تجربی در تاریخ علم بی سابقه است. این یکی از بزرگ‌ترین شرمساری‌های تاریخ علم است؛ اینکه بهترین نظریه‌ی ما نمی‌تواند، مقدار بزرگ‌ترین منبع انرژی در کل جهان هستی را محاسبه کند! مطمئنا، قفسه‌ای مملو از جوایز نوبل، در انتظار افراد مستعدی است، که پرده از راز ماده و انرژی تاریک بگشایند!

جهانی مرموز

در زمان قرون وسطی، جهان واقعا شبیه به یک صحنه نمایش به نظر می‌آمد و دنباله دارها نشانه‌هایی بودند که مرگ پادشاهان را پیشگویی می‌کردند. زمانی‌که دنباله دار بزرگ سال ۱۰۶۶ برفراز انگلستان دیده شد، باعث ترس و وحشت سربازان انگلوساکسون در سپاه پادشاه هارولد گردید. پادشاهی که در مقابل نیروهای مهاجم و سرافراز ویلیام فاتح به سرعت مغلوب شد و به این ترتیب ویلیام، پایه‌های ایجاد انگلستان جدید را بنا کرد.

دنباله دار مشابهی، در سال ۱۶۸۲ برفراز انگلستان دیده شد و بار دیگر در سراسر اروپا ترس و وحشن حاکم شد. به نظر می‌آمد همه‌ی مردم اعم از دهقان تا پادشاه، با مشاهده این میهمان ناخوانده‌ی آسمانی مسخ شده بودند. سؤال این بود؛ این دنباله دار از کجا می‌آمد؟ به کجا می‌رفت؟ و چه پیامی با خود داشت؟

ستاره شناس آماتور و ثروتمندی به نام ادموند هالی، چنان شیفته‌ی این دنباله دار شد، که با مشاهده‌ی آن به کاوش در نظریات یکی از بزرگ‌ترین دانشمندان زمان، ایزاک نیوتون پرداخت. زمانی‌که از نیوتون پرسید که چه نیرویی می‌تواند مسیر حرکت دنباله دار را کنترل کند، نیوتون با خونسردی پاسخ داد؛ که دنباله دار بر طبق قانون عکس مجذور فاصله، که بیان می‌کند نیروی وارده بر دنباله دار با مجذور فاصله آن از خورشید کاهش می‌یابد، در یک مسیر بیضوی حرکت می‌کند. درواقع نیوتون بیان کرد که پس از بررسی دنباله دار با تلسکوپ اختراعی خودش (همان تلسکوپ انعکاسی، که امروزه به وسیله ستاره شناسان در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد)، دریافته است که مسیر آن از قانون گرانشی که خودش بیست سال پیش‌تر ارائه کرده بود، تبعیت می‌کند. هالی متحیر شده بود، او حتی انتظارش را هم نداشت که در خواب بشنود؛ راز اجرام آسمانی، آن چه انسان‌ها را از زمان اولین نگاه‌ها به آسمان گیج کرده بود، به وسیله یک قانون جدید با نام گرانش قابل توضیح باشد.

در سال ۱۶۸۷، با تشویق و سرمایه‌گذاری هالی، نیوتون اثر حماسی خود را با نام اصول ریاضی فلسفه طبیعی (Principia) منتشر کرد. این کتاب، به‌عنوان یکی از مهم‌ترین آثار منتشر شده بشریت تاکنون، به شمار می‌رود. تنها با یک گام، دانشمندانی که پیش از این از قوانین اجرام بزرگ منظومه شمسی بی اطلاع بودند، ناگهان قادر شدند حرکت اجرام آسمانی را به دقت پیش‌بینی کنند.

تاثیر این کتاب در محافل و مجامع اروپایی چنان عمیق بود که شاعری به نام الکساندر پوپ، نوشت:

قانون طبیعت با خودش پنهان بود در شب، خداوند گفت بگذار نیوتون باشد و آنگاه همه جا نور بود!

نیوتون، قانون جهانی گرانش را بیست سال پیش‌تر کشف کرده بود؛ زمانی‌که شیوع طاعون منجر به تعطیلی دانشگاه کمبریج گشته و او مجبور شد به گوشه‌ای در خانه‌ی روستایی خود، در وولزتورپ ، پناه ببرد. وی مشتاقانه به یاد می‌آورد هنگام قدم زدن در باغ، شاهد افتادن سیبی از درخت بوده است. سپس سوالی از خود می پرسد، که درنهایت مسیر تاریخ انسان را تغییر داد!

 اگر یک سیب بیفتد، آیا ماه هم می افتد؟

 در درخششی از نبوغ، نیوتون دریافت که سیب‌ها، ماه و سیاره‌ها همه از قانون گرانش مشابهی تبعیت می‌کنند؛ یعنی تمام آن‌ها بر طبق قانون عکس مجذور فاصله سقوط می‌کنند. زمانی‌که نیوتون فهمید، ریاضیات قرن هفدهم برای حل این قانون بسیار ابتدایی است، شاخه‌ی جدیدی از ریاضیات را با نام حساب دیفرانسیل اختراع کرد، تا بتواند حرکت سیب‌ها و اقمار در حال سقوط را تعیین کند.

در کتاب اصول ریاضی فلسفی طبیعی، نیوتون قوانین مکانیک را نیز نگاشت. قوانین مربوط‌به حرکت، که خط سیر تمام اجرام آسمانی و زمینی را تعیین می‌کنند. (برای مطالعه‌ی بیشتر در مورد این قوانین به قسمت شماره ۱ مراجعه کنید) این قوانین، اساس طراحی ماشین‌ها، استفاده از ماشین‌های بخار و اختراع لکوموتیوها را پی ریزی کردند، که به نوبه‌ی خود راه را برای وقوع انقلاب صنعتی و تمدن مدرن هموار ساختند. امروزه هر آسمان خراش بلند، هر پل و هر موشکی که می‌بینیم، با استفاده از قوانین حرکت نیوتون ساخته شده است.

نیوتون نه‌تنها قوانین جاودانه حرکت را بیان کرد، بلکه با ارائه‌ی تصویری جدید از جهانی که در آن قوانین مرموز حاکم بر اجرام آسمانی همان قوانین حاکم بر زمین بودند، جهان‌بینی ما را تغییر داد! به این ترتیب، مقدرات وحشت‌زای آسمانی دیگر صحنه نمایش زندگی را احاطه نمی‌کردند، بلکه همان قوانینی که بر بازیگران حاکم بودند، در مورد کل مجموعه‌ی نمایش نیز صدق می‌کردند!

پارادوکس بنتلی

نظریه‌ی نیوتون در اصل، پارادوکس‌های ذاتی هر نوع نظریه مربوط‌به جهان کران دار یا بی‌کران را آشکار کرد. ساده‌ترین سؤال ها به باتلاقی از تناقضات منتهی می‌شد. در سال ۱۶۹۲، کشیشی به نام ریچارد بنتلی، نامه‌ای ملایمت آمیز و در عین حال نگران کننده به نیوتون نوشت. بنتلی نوشت؛ از آنجایی که گرانش همواره نیرویی جذب کننده بوده و نه دفع کننده، پس هر مجموعه‌ای از ستارگان به‌طور طبیعی سرانجام به درون خود فرو خواهد ریخت. اگر جهان متناهی می‌بود، آن گاه آسمان شب به‌جای آنکه جاودان و ایستا باشد، باید به منظره‌ای حیرت انگیز تبدیل می‌شد، که در آن ستارگان به درون هم فروریخته و به‌صورت یک ابرستاره آتشین در هم بیامیزند. بنتلی همچنین اشاره کرد که اگر جهان نامتناهی باشد، آن گاه نیروی وارد بر هر شی که آن را به راست و چپ می‌کشد، نیز بی نهایت خواهد بود و بنابراین ستارگان باید طی طوفان‌آتشینی به گرد و غبار تبدیل شوند.

در ابتدا این‌گونه به نظر می‌رسید که بنتلی، نیوتون را در صفحه‌ی شطرنج مات کرده است. چه جهان متناهی باشد (که در این صورت باید در خود فرو بپاشد و به توپ آتشینی تبدیل شود و چه نامتناهی (که در این صورت تمام ستارگان از هم می‌پاشند)، هر کدام از این حالات برای نظریه‌ی جوانی که نیوتون ارائه کرده بود، مبین یک فاجعه بود! به این ترتیب، برای اولین‌بار در تاریخ، پارادوکس‌های دقیقی مطرح شدند، که با اعمال هر نوع نظریه گرانش به کل جهان ظاهر می‌شدند.

نیوتون درواقع توانسته بود، راه حلی برای ادعای بنتلی بیابد. ولی در عین حال نیوتون آن قدر باهوش بود، که ضعف پاسخ خود را درک کند و در نامه‌ای اقرار کرد؛ که راه‌حل او اگرچه از نظر فنی صحیح است، ولی ذاتا ناپایدار و متزلزل است. جهان یکنواخت و در عین حال نامتناهی نیوتون به خانه‌ای شبیه بود، که از کارت‌های بازی ساخته شده باشد، در ظاهر پایدار ولی با کوچک‌ترین اختلالی محکوم به فروپاشی است!

می‌توان محاسبه کرد، که اگر تنها یک ستاره به مقدار ناچیزی تلنگری بخورد، منجر به واکنشی زنجیره‌ای خواهد شد و خوشه‌های ستاره‌ای درجا شروع به فروپاشی خواهند کرد. توجیه ضعیف نیوتون نیازمند قدرتی الهی بود، تا خانه‌ی ناپایدار او را از فروپاشی حفظ کند. او چنین نوشت؛

معجزه‌ای مداوم نیاز است، تا از هجوم خورشید و ستارگان ثابت به سمت یکدیگر به واسطه‌ی گرانش، جلوگیری کند.

از نظر نیوتون، جهان به منزله‌ی یک ساعت غول پیکر بود، که در ابتدای زمان به وسیله خدا کوک شده و از آن به بعد براساس سه قانون حرکت نیوتون، بدون دخالت الهی کار کرده است! ولی در همین زمان، حتی خود خدا باید کمی در جهان دخالت کند، تا از فروپاشی آن جلوگیری کند. به بیان دیگر، خداوند هر از گاهی باید با دخالت خود، از فروریختن صحنه‌ی نمایش زندگی روی سر بازیگران جلوگیری کند.

پارادوکس اولبرس

 در مورد هر جهان نامتناهی، علاوه‌بر پارادوکس بنتلی، پارادوکس مهم‌تری نیز وجود دارد. پارادوکس اولبرس این سؤال بنیادی را مطرح می‌کند؛ که چرا آسمان شب سیاه است؟

ستاره شناسان قدیمی، از جمله یوهان کپلر، دریافتند که اگر جهان یکنواخت و نامتناهی باشد، آن گاه به هر طرف که نگاه کنید، نور ناشی از بی‌نهایت ستاره به چشم شما می‌رسد. با خیره شدن به هر نقطه در آسمان شب، خط دید ما حتما با تعداد غیرقابل شمارشی ستاره تقاطع پیدا کرده و بنابراین مقدار نامحدودی نور ستاره دریافت می‌کند. بنابراین آسمان شب باید مملو از نور باشد! این حقیقت که آسمان شب سیاه است و نه سفید، پارادوکس کیهانی پیچیده و مهمی را ایجاد می‌کند.

پارادوکس اولبرس در ظاهر ساده است؛ بااین‌حال همانند پارادوکس بنتلی، نسل‌های متعددی از فیلسوفان و ستاره شناسان را درگیر خود کرده است. هر دو پارادوکس براساس این مشاهده استوار شده‌اند؛ که در جهانی نامتناهی، نیروهای گرانشی و پرتوهای نوری می‌توانند هم افزایی کنند، تا حدی که به نتایج نامحدود و بی‌معنی منجر شوند. در طول قرن‌ها، پاسخ‌های نادرست بی‌شماری ارائه شدند. کپلر پس از تلاش‌های زیاد نتیجه گرفت؛ که چاره‌ای نیست جز اینکه جهان متناهی بوده و درون پوسته‌ای محدود شده باشد. به این ترتیب، تنها مقدار محدودی از نور ستارگان می‌توانست به چشم ما برسد.

تلاش‌ها برای حل این پارادوکس چنان گیج کننده بود، که طبق مطالعه‌ای در سال ۱۹۸۷، هفتاد درصد کتب درسی رشته ستاره شناسی، پاسخ نادرستی به آن داده‌اند.

می‌توان ادعا کرد که هرچه ستاره‌ای دورتر باشد، کم نورتر است. این درست است، ولی نمی‌تواند پاسخ صحیح باشد. اگر به بخشی از آسمان شب بنگریم، ستارگان بسیار دور، واقعا کم نور دیده می‌شوند، ولی هرچه دقیق‌تر و عمیق‌تر به آسمان نگاه کنیم، باز هم ستارگان بیشتری خواهیم دید. اگر شدت نور ستارگان با مجذور فاصله کاهش می‌یابد، در عوض تعداد ستارگان با مجذور فاصله افزایش پیدا می‌کند. در یک جهان یکنواخت، این دو اثر دقیقا یکدیگر را خنثی می‌کنند و آسمان شب باید همچنان روشن دیده شود!

باعث شگفتی است، که نویسنده‌ی آمریکایی داستان‌های معمایی، ادگار آلن‌پو، نخستین کسی بود که این پارادوکس را حل کرد. او که علاقه‌ی وافری به ستاره شناسی داشت، قبل از مرگ بسیاری از مشاهداتش را در شعر فیلسوفانه‌ی خود با نام اورکا در نثری موزون منتشر کرد. در فرازی از آن می‌نویسد:

ستارگان بی‌پایان، یعنی فروغ یکنواخت زمینه آسمان، مانند روشنی کهکشان، نیست نقطه‌ای که نباشد، ستاره‌ای در آن. پس چرا در آسمان، می‌بینیم فضای تهی در جهات فراوان، دهد این پاسخ را ژرفای جهان، نرسیده است هنوز نوری به ما از آن!

او خاطرنشان کرد که؛

زیبایی فوق‌العاده این ایده، نه به سبب درستی، که به‌دلیل ضرورت وجودی آن است!

این سخن کلید پاسخ صحیح است! عمر عالم نامحدود نیست. جهان آغاز و پیدایشی دارد. برای نوری که به چشم ما می‌رسد، مرزی وجود دارد. نور دورترین ستارگان، هنوز وقت کافی برای رسیدن به چشمان ما نیافته است.

کیهان شناسی به نام ادوارد هریسون، کسی که برای اولین‌بار دریافت که آلن‌پو پارادوکس اولبرس را حل کرده است، می نویسد؛

زمانی‌که من برای اولین‌بار شعر پو را خواندم، متحیر شدم. چگونه یک شاعر که در بهترین حالت می‌تواند یک دانشمند آماتور باشد، توانسته بود ۱۴۰ سال پیش، به توضیح صحیح این پارادوکس دست یابد، درست زمانی‌که در دانشگاه‌های ما، توضیحات نادرست همچنان تدریس می‌شود.

در سال ۱۹۰۱، فیزیکدان اسکاتلندی لُرد کلوین، نیز موفق به یافتن پاسخ صحیح گردید. او دریافت زمانی‌که شما به آسمان شب می‌نگرید، شاهد چیزی هستید که در گذشته اتفاق افتاده است و نه آنچه هم‌اکنون هست!

چرا که سرعت نور، اگرچه در مقیاس زمینی بسیار زیاد است (۳۰۰/۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه)، اما به هرحال محدود است و برای رسیدن نور از ستارگان دوردست به زمین، زمان لازم است. کلوین محاسبه کرد، برای اینکه آسمان شب درخشان باشد، جهان باید صدها تریلیون سال نوری گستردگی داشته باشد. ولی از آنجا که جهان تریلیون‌ها سال عمر ندارد، بنابراین آسمان ضرورتا سیاه خواهد بود. (دلیل دیگری نیز برای سیاه بودن آسمان شب وجود دارد و آن مدت عمر محدود ستارگان است که در مقیاس چند میلیارد سال است)

امروزه با استفاده از ماهواره‌هایی مانند تلسکوپ فضایی هابل (Hubble Space Telescope) تعیین صحت پاسخ پو، ازطریق تجربی امکان‌پذیر شده است. این تلسکوپ‌های قدرتمند به ما امکان می‌دهند به سوالاتی پاسخ دهیم، که حتی گاهی کودکان نیز می‌پرسند؛ دورترین ستاره‌ها کجا هستند؟ چه چیزی فراتر از دورترین ستاره قرار دارد؟ برای پاسخ دادن به این سوالات، ستاره شناسان تلسکوپ فضایی هابل را به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی کرده‌اند، تا وظیفه‌ای تاریخی را به انجام رساند، یعنی تهیه عکسی از دورترین نقاط جهان!

تلسکوپ فضایی هابل

این تلسکوپ، برای جمع آوری تابش فوق‌العاده ضعیف از دورترین گوشه جهان، باید عملیاتی بی‌سابقه انجام می‌داد؛ نشانه گیری دقیق یک نقطه در صورت فلکی جبار، به مدت مجموعا صدها ساعت، که لازمه‌ی آن حفظ تنظیم تلسکوپ در طول چهارصد بار گردش به دور زمین بود. این پروژه به قدری پیچیده بود که انجام آن چهار ماه به طول انجامید.

در سال ۲۰۰۴، انتشار عکس حیرت آوری که هابل تهیه کرده بود، سرخط اخبار روز دنیا را به خود اختصاص داد. این عکس، مجموعه‌ای از ده هزار کهکشان نوزاد را نشان می‌دهد، که هنگام فروکش کردن آشفتگی پس از انفجار بزرگ یا همان مه‌بانگ، شکل گرفته‌اند. آنتون کوکمور از انستیتوی علمی تلسکوپ فضایی، اظهار کرد:

ما احتمالا پایان آغاز را دیده‌ایم!

 این عکس توده‌ی درهمی از کهکشان‌های نوزاد را نشان می‌دهد، که بیش از ۱۳ میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارند، یعنی ۱۳ میلیارد سال طول کشیده تا نورشان به زمین برسد. از آن جایی که عمر جهان تنها ۱۳/۷ میلیارد سال است، این بدان معنا است که آن‌ها تنها در حدود نیم میلیارد سال پس از خلقت شکل گرفته‌اند، یعنی زمانی‌که اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها با شروع تراکم در مخلوطی از گازهای باقی مانده از انفجار بزرگ ایجاد شدند. ماسیمو استیواولی، ستاره شناس انستیتوی تلسکوپ فضایی گفته است؛

هابل ما را به نزدیکی خود انفجار بزرگ برده است!

حال ممکن است چنین سوالی مطرح شود؛ چه چیزی در ورای دورترین کهکشان‌ها وجود دارد؟

 با دقت در عکس‌های گرفته شده توسط هابل، آن چیزی که به وضوح دیده می‌شود این است، که میان این کهکشان‌ها را تنها تاریکی پر کرده است. این سیاهی، همان چیزی است که باعث می‌شود، آسمان شب سیاه به نظر برسد. به عبارت دیگر، همان نقطه نهایی برای رسیدن نور ستارگان دوردست به ماست. به هر حال این سیاهی به نوبه‌ی خود، در حقیقت تابش ریزموج زمینه است. بنابراین پاسخ نهایی به این سؤال که چرا آسمان شب سیاه است، این است که آسمان شب درواقع اصلا سیاه نیست!

اگر ما چشمانی داشتیم، که قادر به دیدن ریزموج‌ها بود، می‌توانستیم فراتر از دورترین ستاره، شاهد لحظه‌ی پیدایش جهان باشیم!

پایان قسمت اول

پیشنهاد می‌کنیم پس از گذشت ۲۴ ساعت از مطالعه‌ی این بخش، بخش دوم این مقاله را مطالعه کنید.

اینشتین و پارادوکس‌های نسبیت

در قسمت شماره ۴ به‌طور جامع موضوع نسبیت را مطرح و آن را بررسی کرده‌ایم. همان‌طور که در ابتدای متن نیز اشاره شد، نگاهی هرچند گذرا به محتوای مقاله نسبیت داشته باشید، تا درک مباحثی که در این قسمت بیان می‌شود، برایتان ساده‌تر باشد.

قوانین نیوتون چنان موفق بودند، که بیش از دویست سال طول کشید، تا با تلاش‌های آلبرت اینشتین، علم قدم‌های مهم بعدی خود را به جلو بردارد. اینکه بزرگ‌ترین انقلاب در فیزیک، از زمان نیوتون تا به حال، از جایی مثل اداره ثبت اختراعات آغاز شود، بسیار نامحتمل به نظر می‌رسد. ولی بااین‌حال، کار در چنین موقعیتی از برخی جهات مؤثر بود. اینشتین به سرعت به کارهای ثبتی انباشته شده روی میز، رسیدگی می‌کرد. سپس روی صندلی می‌نشست و به رویای دوران کودکی خود باز می‌گشت. او در دوران جوانی کتابی خوانده بود، با نام کتاب عوام در علم طبیعی از آرون برنشتاین.

 او بعدها در مورد کتاب چنین گفت:

آن کتابی بود، که من با شوقی نفس‌گیر مطالعه کردم.

 برنشتاین از خواننده می‌خواست تصور کند؛ که همراه الکتریسیته در طول سیم تلگراف حرکت می‌کند. زمانی‌که اینشتین ۱۶ ساله بود سؤال مشابهی را از خود پرسید.

 اگر بتوانیم همراه نور حرکت کنیم، این پرتو نوری چگونه به نظر خواهد رسید؟ و سپس این‌گونه پاسخ می‌دهد؛

این مفهوم از پارادوکسی که من در سن ۱۶ سالگی با آن برخورد کردم، سرچشمه گرفت. اگر من پرتو نوری را با سرعت c (سرعت نور در خلا) دنبال کنم، باید این پرتو نور را به‌عنوان یک میدان الکترومغناطیسی نوسانگر در فضا، در حال سکون ببینم. به هرحال به نظر می‌آید، چه از نظر تجربی و چه براساس قوانین ماکسول، چنین چیزی صحت ندارد.

 اینشتین، به‌عنوان یک کودک اندیشید، که اگر می‌توانست درکنار یک پرتو نوری حرکت کند، نور باید بی‌حرکت دیده شود، مثل یک موج ایستا. ولی هیچ کس تاکنون نور ایستا را ندیده است، بنابراین متوجه شد که یک جای کار ایراد دارد!

هنگام تغییر قرن، همه چیز در فیزیک بر دو ستون بزرگ استوار بود؛ نظریه‌ی مکانیک و گرانش نیوتون و نظریه نور ماکسول. در دهه‌ی ۱۸۶۰، فیزیکدان اسکاتلندی، جیمز کلارک ماکسول نشان داد؛ که نور از میدان‌های نوسانگر الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده، که به‌طور مداوم در حال تبدیل به یکدیگر هستند. اینشتین در کمال تعجب دریافت، که این دو ستون با یکدیگر در تناقض هستند و یکی از آن‌ها محکوم به فناست!

او با کنکاش در معادلات ماکسول، پاسخ معمایی را یافت که او را ده سال به خود مشغول کرده بود. اینشتین چیزی را یافت؛ که خود ماکسول فراموش کرده بود!

 معادلات ماکسول نشان می‌دادند، که نور با سرعتی ثابت حرکت می‌کند، بدون توجه به اینکه سرعت شما چقدر است. سرعت نور c در تمام چارچوب‌های لخت یکسان است. (منظور چارچوب‌هایی هستند که با سرعت ثابت حرکت می‌کنند) اگر شما ایستا باشید یا در قطاری حرکت کنید یا روی دنباله داری پرسرعت نشسته باشید، در هر حالت پرتو نوری را خواهید دید که جلوی شما با همان سرعت نور در حرکت است. با هر سرعتی حرکت کنید، هیچ‌گاه نمی‌توانید از نور سبقت بگیرید!

این مسئله، فورا انبوهی از پارادوکس‌ها را ایجاد کرد. برای لحظه‌ای تصور کنید، فضانوردی سعی دارد به یک پرتو نور برسد. فضانورد در فضاپیمای خود شروع به حرکت می‌کند، تا اینکه شانه به شانه با پرتو نور قرار می‌گیرد. ناظری که روی زمین به این تعقیب فرضی می‌نگرد، خواهد گفت؛ که فضانورد و پرتو نور درکنار هم حرکت می‌کنند، ولی فضانورد چیزی کاملا متفاوت خواهد گفت. او می‌گوید؛ که پرتو نور با سرعت از او دور می‌شود، درست مشابه حالتی که فضاپیمای او ساکن باشد!

طوفانی در ذهن من به پا شد.

 سرانجام او ناگهان پاسخ را یافت؛ سرعت گذشت زمان متغیر است و به سرعت شما بستگی دارد. درواقع، هرچه سریع‌تر حرکت کنید، زمان کندتر می‌گذرد. زمان، آن طور که نیوتون فکر می‌کرد، مطلق نیست. از نظر نیوتون، گذشت زمان در سراسر جهان یکنواخت است. یک ثانیه روی زمین با یک ثانیه روی مشتری یا مریخ برابر است و ساعت‌ها مطلقا در سراسر جهان هم زمانند. اما از نظر اینشتین ساعت‌های مختلف در جهان ضرب آهنگ متفاوت دارند. اینشتین همچنین دریافت که اگر زمان بسته به سرعت شما تغییر می‌کند، آن گاه کمیت‌های دیگری مثل طول، جرم و انرژی نیز باید تغییر کنند. او دریافت که با افزایش سرعت شما، طول‌ها در نظر شما منقبض می‌شوند. (که گاهی انقباض لورنتس-فیتزجرالد نامیده می‌شود) به‌طور مشابه هرچه سریع‌تر حرکت کنید، جرم شما نیز بیشتر می‌شود. در حقیقت با نزدیک شدن شما به سرعت نور، زمان تا توقف کامل کند می‌شود، طول‌ها تا هیچ منقبض می‌شوند و جرم شما بی‌نهایت خواهد شد، که همه‌ی آن‌ها نامعقول هستند. به همین دلیل شما نمی‌توانید به سرعت نور که حد نهایی سرعت در جهان است، دست یابید.

طرح مبالغه شده از تفاوت زمان اندازه‌گیری شده میان ناظر متحرک و ساکن

همان‌طور که یافته‌های نیوتون، فیزیک زمین و آسمان‌ها را یکپارچه کرد، اینشتین نیز زمان را با فضا یکپارچه کرد. به‌علاوه او نشان داد؛ که جرم و انرژی معادل‌اند و بنابراین می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. اگر جرم شی با افزایش سرعت زیاد شود، پس انرژی جنبشی به جرم تبدیل می‌شود. عکس این ماجرا نیز درست است؛ جرم نیز می‌تواند به انرژی تبدیل شود. اینشتین رابطه دقیق تبدیل جرم و انرژی را به‌صورت () محاسبه کرد، که به موجب آن حتی مقدار ناچیزی از جرم m، زمانی‌که به انرژی تبدیل گردد، در عدد بزرگی (مجذور سرعت نور) ضرب می‌شود. به این ترتیب منبع انرژی مخفی ستارگان آشکار شد!

 تبدیل ماده به انرژی، برطبق همین فرمول، باعث درخشندگی جهان شده است. معمای ستارگان با این عبارت ساده توجیه می‌شود، که سرعت نور در تمام چارچوب‌های لخت یکسان است.

مشابه آن چه نیوتون در زمان خود انجام داد، اینشتین نیز دید ما را نسبت به صحنه نمایش زندگی تغییر داد. در دنیای نیوتون، تمام بازیگران دقیقا می‌دانستند، که در چه زمانی قرار دارند و چگونه فواصل اندازه گیری می‌شوند و ضرب آهنگ زمان و ابعاد صحنه هیچ‌گاه تغییر نمی‌کرد، ولی نسبیت تفسیری عجیب از مفهوم فضا و زمان به ما ارائه کرد. در دنیای اینشتین، ساعت‌های مچی هرکدام از بازیگران، زمان‌های متفاوتی را نشان می‌دهند، یعنی هم‌زمان کردن تمام ساعت‌های روی صحنه غیرممکن است. توافق برای ساعت تمرین بعداز ظهر، برای هریک از بازیگران، معنای متفاوتی دارد. در حقیقت زمانی‌که بازیگران در طول صحنه حرکت می‌کنند، اتفاقات عجیبی می‌افتد. هرچه سریع‌تر حرکت می‌کنند، ساعت‌هایشان زمان را کندتر ثبت می‌کنند و به‌علاوه وزنشان نیز سنگین‌تر می‌شود.

سال‌ها زمان لازم بود، تا نوع نگرش اینشتین به وسیله‌ی جوامع علمی به رسمیت شناخته شود. ولی اینشتین منتظر نماند. او می‌خواست نظریه جدید نسبیت خود را که نسبیت خاص نام داشت، به گرانش نیز تعمیم دهد. مرد آلمانی دریافت که نظریه‌ی جدید نسبیت او، در نظریه گرانش نیوتون ایجاد اختلال می‌کند. بر طبق نظریه نیوتون، گرانش به‌طور آنی در سراسر جهان منتقل می‌شود. این مسئله منجر به برانگیختن سوالی می‌شد، که حتی کودکان نیز گاهی می پرسند؛

اگر خورشید ناپدید شود، چه اتفاقی می افتد؟

 از نظر نیوتون، کل کیهان به‌طور آنی و هم زمان، از ناپدید شدن خورشید آگاه می‌شوند. ولی براساس نسبیت خاص، این غیرممکن است، چرا که سرعت انتشار تاثیر ناپدید شدن یک ستاره، به سرعت نور محدود می‌شود. براساس نسبیت، ناپدید شدن ناگهانی خورشید باید یک موج ناگهانی کروی از نوع گرانش ایجاد کند، که با سرعت نور منتشر می‌شود، بیرون از دایره رو به گسترش این موج، ناظران خواهند گفت؛ که خورشید هنوز در حال درخشش است، زیرا که موج گرانشی هنوز زمان کافی برای رسیدن به آن‌ها نیافته است. ولی درون موج، یک ناظر خواهد گفت؛ که خورشید ناپدید شده است. برای حل این مشکل، اینشتین تصویر کاملا متفاوتی از فضا و زمان ارائه کرد.

تعبیر نیرو به‌عنوان انحنای فضا-زمان

 نیوتون، فضا و زمان را به‌عنوان عرصه‌ای وسیع درنظر گرفت، که درون آن رخدادها براساس قوانین حرکت او به وقوع می‌پیوستند. این عرصه، با وجود اینکه مملو از ناشناخته‌ها و رموز بود، ولی ضرورتا لخت و بی‌حرکت بود، به مانند شاهدی بی‌اراده، که تنها ناظر رقص طبیعت است. ولی اینشتین این ایده را متحول کرد. از نظر اینشتین، خود صحنه بخش مهمی از زندگی به شمار می‌رفت. در جهان اینشتین، فضا و زمان، آن طور که نیوتون فرض کرده بود، صحنه‌ای بی‌حرکت نبود، بلکه پویا بوده و به فرم‌های عجیبی خم شده و انحنا می‌یافت. صحنه‌ی زندگی را به‌صورت تور آکروبات در نظر بگیرید، به نحوی که بازیگران در اثر وزن خود، به پایین فرو می‌روند. در چنین عرصه‌ای خواهیم دید که خود صحنه نیز به اندازه بازیگران اهمیت خواهد داشت.

توپ بولینگی را تصور کنید؛ که روی یک تخت خواب قرار دارد و به آرامی درون تشک فرو رفته است. حال گلوله‌ای شیشه‌ای را به درون سطح خمیده تشک پرتاب کنید. این گوی، در مسیری منحنی، به دور توپ بولینگ حرکت خواهد کرد. ناظری نیوتونی که شاهد چرخش گوی شیشه‌ای به دور توپ بولینگ است، نتیجه می‌گیرد، که توپ بولینگ نیروی مرموزی را به گوی اعمال می‌کند. به عبارت دیگر، توپ بولینگ کششی آنی دارد، که گوی را به سمت خود می‌کشد!

از نظر ناظری نسبیتی، واضح است که اصلا نیرویی وجود ندارد. تنها انحنای تخت است، که گوی را به حرکت در مسیری منحنی وا می‌دارد. از نظر او کششی وجود ندارد، تنها رانشی است که به وسیله‌ی ملحفه انحنا یافته به گوی اعمال می‌شود.

گوی را با زمین، توپ بولینگ را با خورشید و تخت خواب را با فضا-زمان تهی معادل‌سازی کنید. در این حالت خواهید دید، که زمین به دور خورشید می‌گردد، نه به‌دلیل کشش گرانش، بلکه به‌دلیل اینکه خورشید فضای اطراف زمین را انحنا می‌دهد و بنابراین فشاری را ایجاد می‌کند، که سبب آن می‌شود، تا زمین به چرخش در یک دایره واداشته شود.

بنابراین اینشتین به این باور رسید، که گرانش بیشتر شبیه به یک ساختار است، تا یک نیروی غیرقابل رویت که به‌طور آنی بر سراسر جهان اثر می‌گذارد. اگر کسی به سرعت این ساختار را تکان دهد، امواجی شکل می‌گیرند، که با سرعت محدودی پیش می‌روند. این توضیحی برای پارادوکس ناپدید شدن خورشید بود.

اگر گرانش، محصول ثانویه‌ی انحنای ساختار فضا-زمان است، پس ناپدید شدن خورشید را می‌توان با برداشتن ناگهانی توپ بولینگ از روی تخت مقایسه کرد. وقتی فرو رفتگی روی تشک بالا می‌جهد، موجی در طول تشک، با سرعت محدود، به حرکت در می‌آید. بنابراین با وارد شدن گرانش به مسئله‌ی انحنای فضا-زمان، اینشتین قادر شد که گرانش را با نسبیت آشتی دهد!

مورچه‌ای را تصور کنید که از روی کاغذی ناصاف و پرچین و چروک عبور می‌کند. چون سطح کاغذ ناهموار است، مورچه، مانند ملوانان گیج شده به چپ و راست تلو تلو می‌خورد، اما مورچه ادعا می‌کند؛ که من هوشیارم و نیرویی مرموز مرا به زحمت می‌اندازد و به چپ و راست تکان می‌دهد. از نظر مورچه، فضای تهی پر است از نیروهای مرموز، که او را از قدم برداشتن در مسیر مستقیم باز می‌دارند. با نگریستن به مورچه از فاصله‌ی نزدیک می‌بینیم، که اصلا نیرویی وجود ندارد که او را بکشاند، بلکه تاشدگی‌های کاغذ مچاله شده، او را می‌راند. نیروهایی که بر مورچه عمل می‌کنند، توهمی ناشی از انحنای خود فضا هستند. نیروی به ظاهر کششی، در حقیقت رانشی است، که با قدم گذاشتن روی تاشدگی کاغذ ایجاد می‌شود. به بیان دیگر این گرانش نیست، که مورچه را به سمت خود می‌کشد، بلکه این فضاست که او را می‌راند!

تولد علم کیهان شناسی

 اینشتین تلاش کرد تا از این تصویر جدید، برای توصیف جهان به‌صورت یک مجموعه‌ی کامل، استفاده کند. او ناگزیر بود بالاخره با پارادوکس بنتلی، که قرن‌ها پیش ارائه شده بود، مواجه شود. در دهه‌ی ۱۹۲۰، اغلب ستاره شناسان عقیده داشتند، که جهان یکپارچه و ایستا است. بنابراین اینشتین با این فرض شروع کرد، که جهان به‌طور یکنواخت از غبار و ستارگان پر شده است. به‌عنوان یک مدل، جهان را می‌توان به بادکنک یا حبابی بزرگ تشبیه کرد. ما روی پوسته‌ی حباب زندگی می‌کنیم. ستارگان و کهکشان‌هایی را که اطراف خود می‌بینیم، می‌توان به لکه‌هایی که بر سطح بادکنک نقاشی شده‌اند، تشبیه کرد.

هربار اینشتین سعی کرد معادله‌اش را حل کند، با تعجب دریافت جواب، جهانی غیر ایستا است. اینشتین نیز با همان مشکلی که بنتلی در حدود ۲۰۰ سال پیش مطرح کرده بود مواجه شد. از آنجا که گرانش همواره جذب کننده است و هرگز دفع کننده نیست، هر مجموعه‌ی متناهی از ستارگان باید در فاجعه‌ای آتشبار، به درون هم فرو بپاشند. این مسئله، با دانش متداول در اوایل قرن بیستم، که بیان می‌داشت جهان ایستا و یکنواخت است، در تناقض بود!

اینشتین، با وجود روحیه انقلابی اش، نمی توانست باور کند، که جهان در حرکت باشد. همانند نیوتون و بسیاری دیگر، اینشتین به جهانی ایستا باور داشت. بنابراین در سال ۱۹۱۷، مجبور شد که بخش جدیدی را به معادله خود اضافه کند.

 یک عامل تصحیح، که نیروی جدیدی را به نظریه‌اش اضافه می‌کرد. نیرویی ضدگرانشی که ستارگان را از هم دور می‌ساخت. اینشتین این عامل را ثابت کیهان شناسی نامید.

او سپس این ضد گرانش را به شکل دلخواه طوری انتخاب کرد، که اثر جاذبه را دقیقا خنثی کرده و جهانی ایستا ایجاد کند. به بیان دیگر، جهان به شکلی فرمایشی ایستا شد و انقباض جهان به سمت درون ناشی از گرانش، با نیروی انرژی تاریک که به سمت بیرون عمل می‌کند، خنثی شد!

در سال ۱۹۱۷، فیزیکدان هلندی با نام ویلم دسیتر، جواب دیگری برای معادلات اینشتین ارائه کرد، که در آن، جهان نامتناهی ولی کاملا خالی از ماده است و در اصل تنها شامل انرژی خلا یا ثابت کیهان شناسی است. این نیروی ضدگرانش، به‌تنهایی کافی است، تا چنین جهانی را سریعا و به‌طور تصاعدی منبسط کند. حتی بدون وجود جرم نیز این انرژی تاریک می‌توانست جهانی در حال انبساط ایجاد کند.

حال فیزیکدانان با معمایی پیچیده رو‌به‌رو بودند. جهان اینشتین دارای جرم بود، ولی حرکت نداشت. از طرف دیگر، جهان دسیتر حرکت داشت ولی جرم نداشت!

در دنیای اینشتین، ثابت کیهان شناسی، برای خنثی کردن جاذبه گرانش و ایجاد جهان ایستا لازم بود. در جهان دسیتر، ثابت کیهان شناسی به‌تنهایی برای ایجاد یک جهان در حال انبساط کافی بود.

در سال ۱۹۱۹ چندین تیم از ستاره شناسان به سراسر جهان اعزام شدند، تا نظریه اینشتین را مورد آزمایش قرار دهند. اینشتین قبلا پیش‌بینی کرده بود، که انحنای فضا-زمان ناشی از حضور خورشید، برای خم کردن نور ستارگانی که از مجاورت آن می‌گذرند، کافی خواهد بود. مقدار انحنای نور ستارگان در اطراف خورشید، مانند انحنای نور در یک عدسی، معین و قابل محاسبه است. ولی از آنجا که نور خورشید در طول روز دیگر ستارگان را محو می‌کند، دانشمندان برای انجام آزمایش‌های دقیق ناچار هستند در انتظار رخ دادن خورشید گرفتگی باشند.

با استفاده از داده‌های جمع آوری شده، مقدار میانگین انحراف برای نور ستارگان برای ۱/۷۹ ثانیه قوسی اندازه‌گیری شد. این اندازه‌گیری پیشگویی اینشتین برابر ۱/۷۴ ثانیه قوسی را تأیید می‌کرد. (با احتساب خطاهای تجربی)

به بیان دیگر، نور در نزدیکی خورشید خم می‌شود. ادینگتون، اخترفیزیکدان انگلیسی، بعدها عنوان کرد؛ که تأیید صحت نظریه‌ی اینشتین، بزرگ‌ترین لحظه زندگی او بوده است!

آینده جهان

 اگرچه نظریه اینشتین در توضیح پدیده‌های نجومی، مثل انحنای نور ستارگان در اطراف خورشید و انحراف خفیف در مدار سیاره تیر (عطارد) موفق بود، بااین‌حال پیشگویی‌های کیهان شناسی آن هنوز گیج‌کننده به نظر می‌آمد.

درنهایت با جمع‌بندی تمامی این نظریات، کیهان شناسان جهان را براساس سه پارامتر H، امگا (Ω) و لاندا (λ) بررسی می‌کنند.

H در حقیقت سرعت انبساط جهان را نشان می‌دهد و به ثابت هابل معروف است.

امگا (Ω)، که به چگالی متوسط در جهان مربوط است.

لاندا (λ)، که همان انرژی فضای خالی یا انرژی تاریک است.

بسیاری از کیهان‌شناسان تمام عمر حرفه‌ای خود را صرف تعیین دقیق این سه پارامتر کرده‌اند. اثر متقابل بین این سه ثابت، سیر تکاملی آینده جهان را تعیین می‌کند. به‌عنوان مثال از آن جایی که گرانش یک نیروی جذب کننده است، چگالی جهان (امگا) همانند ترمزی عمل می‌کند، تا فرایند انبساط جهان را که پس از انفجار بزرگ آغاز شده است، کند کند. فرض کنید که سنگی را به هوا پرتاب می‌کنید. در حالت عادی، قدرت جاذبه‌ی زمین به اندازه‌ای است که می‌تواند جهت سنگ را تغییر داده و باعث سقوط آن روی زمین شود. ولی اگر فردی سنگ را به اندازه‌ی کافی سریع پرتاب کند، سنگ خواهد توانست از جاذبه زمین بگریزد و به فضای بیرون برود. همانند سنگ، جهان نیز در اصل به‌دلیل انفجار بزرگ همواره در حال انبساط بوده است، ولی ماده یا همان امگا، در مقابل انبساط جهان مثل ترمز عمل می‌کند، همان گونه که گرانش زمین برای سنگ به‌صورت ترمز عمل می‌کند!

سردرگمی بزرگ

روز ششم مارس سال ۱۹۹۵، نشریه‌ی تایمز تصویر کهکشان مارپیچی غول آسای M100 را روی جلد چاپ کرد و نوشت؛ «سردرگمی کیهان‌شناسی»

آخرین داده‌های تلسکوپ فضایی هابل، نشان می داد، که جهان از پیرترین ستاره آن جوان‌تر است. مطابق این داده‌ها، دانشمندان عمر جهان را بین ۸ تا ۱۲ میلیارد سال محاسبه کردند، درحالی که می‌دانستند پیرترین ستاره‌ها، ۱۴ میلیارد سال عمر دارند. کریستوفر ایمپی از دانشگاه آریزونا در این‌باره گفته بود؛

فرزند نمی‌تواند از مادر خود پیرتر باشد.

ولی با مطالعه‌ی دقیق مطلب، همچنان در می‌یابید که نظریه‌ی انفجار بزرگ هنوز به قوت خود باقی است. رد نظریه انفجار بزرگ با مشاهده تنها یک کهکشان M100 روشی علمی نیست. حتی خود مقاله نیز بیان می‌کرد که برای توجیه دوگانگی موجود، راه‌های متعددی وجود دارد. یکی از روش‌های موجود برای توجیه این تناقض، این حقیقت بود؛ که با استفاده از داده‌های تلسکوپ فضایی هابل، محاسبه‌ی عمر جهان با دقتی بیشتر از ۱۰ الی ۲۰ درصد، امکان‌پذیر نبود.

لازم به ذکر است که نظریه‌ی انفجار بزرگ حاصل تفکری نظری نیست، بلکه با استناد به صدها داده تجربی مختلف از منابع متعدد شکل گرفته است. برای نظریه انفجار بزرگ، سه مدرک مهم وجود دارد، که حاصل تلاش‌های سه دانشمند برجسته هستند؛ ادوین هابل، جورج گاموف و فرد هویل.

ادوین هابل، اخترشناس شریف

درست هنگامی که پایه‌های نظری علم کیهان‌شناسی به وسیله‌ی اینشتین در حال شکل گیری بود، ادوین هابل، به‌تنهایی کیهان‌شناسی رصدی مدرن را پیش می‌برد. شاید بتوان گفت؛ او بزرگ‌ترین ستاره شناس قرن بیستم بود!

اندازه‌گیری فواصل ستارگان یکی از مشکل‌ترین کارها در علم ستاره‌شناسی بوده و هنوز هم هست. ستاره‌ی درخشانی که در فاصله بسیار دوری قرار دارد، می‌تواند با یک ستاره کم نور نزدیک اشتباه گرفته شود. این مسئله منشاء بسیاری از مجادلات در ستاره‌شناسی بوده است. هابل برای حل این مشکل نیاز به یک شمع استاندارد ۲۰ داشت، در حقیقت نیاز به وجود جسمی بود، که مقدار نور یکسانی را، در هرکجای جهان، ساطع کند. اگر ستاره‌ای شبیه شمع استاندارد داشته باشیم که در سراسر جهان با شدت یکسان و به‌صورت یکنواخت نور بدهد، در این صورت به‌راحتی می‌توان گفت، چنین ستاره‌ای اگر در آسمان چهار برابر ضعیف‌تر بدرخشد، پس دو برابر دورتر از زمین قرار دارد.

هابل می‌دانست که ساده‌ترین راه محاسبه سرعت اجرام دوردست، مطالعه‌ی تغییرات صدا یا نوری است، که از خود منتشر می‌کنند. این روش به اثر دوپلر معروف است. زمانی‌که ماشین‌ها در بزرگراه از کنار ما می‌گذرند، این اثر را تولید می‌کنند. پلیس از اثر دوپلر برای اندازه‌گیری سرعت ماشین‌ها استفاده می‌کند. آن‌ها پرتو لیزر را به ماشین در حال حرکت می‌تابانند. این پرتو پس از برخورد، به ماشین پلیس باز می‌گردد. با تحلیل و بررسی تغییر در بسامد نور لیزر، پلیس می‌تواند سرعت ماشین را محاسبه کند.

اگر ستاره‌ای در حال حرکت به سمت زمین باشد، امواج نوری که منتشر می‌کند، مانند یک آکاردئون فشرده می‌شوند. در نتیجه طول موج آن کوتاه‌تر می‌شود. به این ترتیب ستاره‌ی زرد اندکی آبی به نظر می‌رسد. (زیرا رنگ آبی طول موج کوتاه‌تری نسبت به رنگ زرد دارد)

به‌طور مشابه اگر ستاره‌ای در حال دور شدن از زمین باشد، امواج نوری آن کشیده می‌شوند و در نتیجه طول موج‌های بلندتری ایجاد می‌کنند. بنابراین، ستاره‌ی زرد اندکی قرمز به نظر می‌آید. هرچه این تغییر بیشتر باشد، سرعت ستاره نیز بیشتر است. بنابراین اگر تغییرات بسامد نور ستاره را بدانیم، می‌توانیم سرعت آن را تعیین کنیم.

در سال ۱۹۱۲، ستاره‌شناسی با نام وستو اسلیفر دریافت که کهکشان‌ها با سرعت بسیار زیادی در حال دور شدن از زمین هستند. جهان نه فقط بسیار بزرگ‌تر از آن چیزی بود که تصور می‌شد، بلکه با سرعت باورنکردنی در حال انبساط بود. کشف اسلیفر نشان داد، که جهان، برخلاف تصور نیوتون و اینشتین، دینامیک است.

در تمام سال‌هایی که دانشمندان پارادوکس‌های بنتلی و اولبرس را مورد مطالعه قرار می‌دادند، هیچ‌کس به‌طور جدی، این احتمال که جهان در حال انبساط باشد، را در نظر نگرفت. در سال ۱۹۲۸، هابل طی سفر مهمی به هلند با ویلهم دسیتر ملاقات کرد.

هابل به پیشنهاد دسیتر، پس از بررسی ۲۴ کهکشان، مشاهده کرد؛ همان‌طور که معادلات اینشتین پیشگویی کرده بودند، هرچه کهکشان‌ها دورتر باشند، با سرعت بیشتری از زمین دور می‌شوند. نسبت بین این دو یعنی سرعت تقسیم بر فاصله، تقریبا عددی ثابت است. این عدد به ثابت هابل (H) معروف شد. H مهم‌ترین ثابت در علم کیهان‌شناسی محسوب می‌شود، زیرا ثابت هابل نشان می‌دهد، که جهان با چه سرعتی در حال انبساط است.

دانشمندان به این فکر افتادند، که اگر جهان در حال انبساط باشد، پس احتمالا آغازی دارد. در حقیقت عکس ثابت هابل، می‌تواند به‌طور تقریبی در محاسبه‌ی عمر جهان به ما کمک کند. از آن جایی که سرعت انبساط را از قبل می‌دانیم، می‌توانیم به عقب بازگشته و زمانی را که در آن انفجار رخ داده است محاسبه کنیم.

جورج گاموف، کیهان‌شناس شوخ طبع

 تلاش‌های هابل، ازطریق چهره‌ی شاخص دیگری به نام جورج گاموف ادامه یافت. هنگامی که ظهور نظریه‌های نسبیت و کوانتوم، انقلابی را در جامعه علمی به پا کردند، کتاب‌های او در این تلاطم کاملا مستقل بودند. در آن زمان، تالیفات او تنها کتاب‌های معتبر موجود در زمینه‌ی علم پیشرفته برای نوجوانان بودند.

گاموف در دانشگاه لنینگراد در محضر فیزیکدانانی مانند الکساندر فریدمن به تحصیل پرداخت و بعدها در دانشگاه کپنهاگ، افتخار آشنایی با بسیاری از بزرگان فیزیک، نظیر نیلز بور را پیدا کرد.

در دهه‌ی ۱۹۲۰ در روسیه، گاموف با حل معمای چگونگی واپاشی پرتوزا، به اولین موفقیت بزرگ خود نائل آمد. در نتیجه‌ی تلاش‌های مادام کوری و دیگران، دانشمندان می‌دانستند که اتم اورانیم ناپایدار است و پرتوهایی را به‌صورت پرتو آلفا (متشکل از هسته‌ی اتم هلیم) منتشر می‌کند. اما براساس مکانیک نیوتونی، انتظار می‌رود نیروی هسته‌ای مرموزی که هسته را متمرکز نگه می‌دارد، از این انتشار جلوگیری به عمل آورد. سؤال این بود، که این واپاشی چگونه امکان‌پذیر است؟

گاموف دریافت که دلیل امکان‌پذیر بودن واپاشی پرتوزا، این است که در نظریه‌ی کوانتوم، مطابق اصل عدم قطعیت، هرگز نمی‌توان مکان و سرعت یک ذره را به دقت تعیین کرد؛ بنابراین احتمال کمی وجود دارد، که ذره با تونل زدن از درون یک سد به بیرون نفوذ کند. امروزه ایده‌ی تونل زنی در فیزیک بسیار اهمیت داشته و در تشریح ویژگی‌های وسایل الکترونیکی، سیاهچاله‌ها و انفجار بزرگ به کار می‌رود. این احتمال می‌رود، که خود جهان نیز ازطریق تونل زنی ایجاد شده باشد.

در دهه‌ی ۱۹۴۰، توجه گاموف از نسبیت به کیهان‌شناسی معطوف شد. از نظر او علم کیهان‌شناسی، تا به آن روز اقلیمی قدرتمند و کشف نشده به شمار می‌رفت. تمام آن چه که در آن زمان در مورد جهان می‌دانستند، این بود که آسمان تاریک است و جهان در حال انبساط!

 گاموف با این ایده کار خود را آغاز کرد؛ پیداکردن هر مدرک یا فسیلی که نشان‌دهنده‌ی وقوع انفجار بزرگ در میلیاردها سال پیش باشد. از آنجا که کیهان‌شناسی به معنای واقعی کلمه، یک علم تجربی نیست، این ایده مایوس کننده به نظر می‌رسید. هیچ آزمایشی را نمی‌توان برای تأیید صحت انفجار بزرگ ترتیب داد.

کار بعدی گاموف، کشف بزرگ او در مورد واکنش‌های هسته‌ای بود. واکنش‌هایی که منشا تولد سبک‌ترین عناصر موجود در جهان هستند. گاموف این یافته را آشپزخانه تاریخی جهان نامید. جایی که در آن تمام عناصر جهان، در ابتدا با کمک گرمای شدید ناشی از انفجار بزرگ تولید شده‌اند. امروزه این فرایند سنتز یا با محاسبه‌ی فراوانی نسبی عناصر در جهان نامیده می‌شود. گاموف عقیده داشت، که زنجیره‌ای پیوسته وجود دارد، که با عنصر هیدروژن آغاز می‌شود. حلقه‌های دیگر آن را می‌توان تنها با افزودن پی در پی ذرات بیشتر به اتم هیدروژن ایجاد کرد. او عقیده داشت، تمام عناصر شیمیایی جدول تناوبی مندلیف، می‌توانند در دمای انفجار بزرگ ایجاد شوند!

گاموف و دانشجویانش معتقد بودند، جهان در لحظه‌ی آفرینش مجموعه‌ی فوق‌العاده داغی از پروتون‌ها و نوترون‌ها بوده است، بنابراین ممکن است با وقوع همجوشی هسته‌ای، اتم‌های هیدروژن با هم ترکیب شده و اتم هلیم را ساخته باشند. در ستارگان، یا به‌عنوان مثال در یک بمب هیدروژنی، دما آن قدر زیاد است، که پروتون‌های اتم هیدروژن با شدت به هم برخورد کرده و پس از ترکیب، هسته‌ی اتم هلیم را می‌سازند. به همین ترتیب، برخوردهای بعدی میان هیدروژن و هلیم، عناصر بعدی را شامل لیتیم و برلیم را تولید می‌کنند. گاموف این‌گونه تصور کرد، که عناصر بالاتر، با افزودن پی در پی ذرات زیر اتمی به هسته ایجاد می‌شوند. به بیان دیگر، تمام عناصر موجود و هر آنچه که جهان مرئی را تشکیل می‌دهد، در گرمای غیرقابل تصور گوی آتشین اولیه شکل گرفته‌اند.

کشف گاموف بیانگر این موضوع بود؛ که انفجار بزرگ برای ایجاد هلیم، که حدود ۲۵ درصد جرم جهان را تشکیل می‌دهد، به اندازه‌ی کافی داغ بوده است. اگر در جهت عکس نگاه کنیم، یکی از دلایل بزرگ در تائید وجود انفجار بزرگ می‌تواند، همین مسئله باشد. با نگریستن به بسیاری از ستارگان و کهکشان‌ها در می‌یابیم، که آن‌ها از حدود ۷۵ درصد هیدروژن و ۲۵ درصد هلیم و مقادیر ناچیزی از عناصر دیگر تشکیل شده‌اند.

اما گاموف در محاسبات خود با مشکلاتی مواجه شد. نظریه‌ی او برای عناصر سبک به خوبی عمل می‌کرد. ولی عناصری با ۵ و ۸ نوترون و پروتون، شدیدا ناپایدار بودند و در نتیجه نمی‌توانستند، برای ایجاد عناصری با تعداد بیشتری نوترون و پروتون به‌عنوان واسطه عمل کنند. به این ترتیب این زنجیره، در اجرام ۵ و ۸ گسسته می‌شد. از آن جایی که جهان از عناصر سنگین، با نوترون‌ها و پروتون‌های بسیار بیشتر از ۵ یا ۸ تشکیل شده است، این مسئله به معمایی کیهانی بدل شد. شکست نظریه‌ی گاموف در تعمیم به اجرام فراتر از ۵ و ۸ سال‌ها با سرسختی تمام، تصور او را مبنی بر اینکه تمامی عناصر جهان، در لحظه‌ی انفجار بزرگ ایجاد شده‌اند در هم ریخت!

تابش ریز موج زمینه

 در همان زمان، ایده‌ی دیگری توجه گاموف را به خود جلب کرد.

 اگر انفجار بزرگ چنان داغ بوده، شاید هنوز مقداری از گرمای باقی مانده از آن، امروز در جهان موجود باشد. انفجار بزرگ شاید آن قدر بزرگ بوده که پس لرزه‌ی آن هنوز جهان را با تابشی یکنواخت پر کرده است.

در سال ۱۹۴۶ گاموف فرض کرد که انفجار بزرگ از گلوله‌ای فوق‌العاده داغ حاوی ذرات هسته‌ای آغاز شده است. از آنجا که در آن زمان در مورد ذرات زیراتمی، غیر از الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها، اطلاعات زیادی موجود نبود، فرضی که گاموف در نظر گرفت منطقی به نظر می‌رسید. او دریافت که با محاسبه‌ی دمای این توپ هسته‌ای، می‌توان کمیت و کیفیت پرتوافشانی آن را نیز محاسبه کرد. دو سال بعد گاموف نشان داد، که تابش گسیل شده از این هسته اّبر داغ، درست شبیه به تابش جسم سیاه است.

 تابش جسم سیاه، نوع خاصی از پرتو افشانی است، که از یک جسم داغ منتشر می‌شود؛ این جسم تمام نور برخوردکننده با خود را جذب کرده و طبق الگویی مشخص آن‌ها را باز می‌تاباند. به‌عنوان مثال، خورشید، گدازه‌های آتشفشان، زغال‌های داغ در آتش یا سرامیک‌های داغ درون کوره همه به رنگ زرد-قرمز گداخته می‌شوند، دارای تابش جسم سیاه هستند. (تابش جسم سیاه، اولین‌بار در سال ۱۷۹۲، به وسیله‌ی سازنده مشهور ظروف چینی، توماس وجوود کشف شد. او مشاهده کرد؛ زمانی‌که مواد خام در کوره پخته می‌شوند، با افزایش دما، رنگ آن‌ها از سرخ به زرد و سپس به سفید تغییر می‌کند)

این موضوع از این نظر اهمیت دارد، که با اندازه‌گیری طیف رنگی جسم داغ، می‌توان به‌طور تقریبی دمای آن را نیز به دست آورد و برعکس!

 فرمول دقیقی که بیانگر رابطه‌ی میان دمای جسم داغ با طیف تابش آن است، اولین‌بار به وسیله‌ی ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ ارائه شد و به تولد نظریه کوانتوم منجر گردید. در حقیقت این یکی از روش‌هایی است، که دانشمندان به کمک آن دمای خورشید را تعیین می‌کنند. خورشید اساسا نور زرد می‌تاباند. رنگ زرد با دمای حدودا ۶۰۰۰ درجه کلوین متناظر است. به این ترتیب دمای اتمسفر خارجی خورشید را تعیین می‌کنیم.

گاموف، در سال ۱۹۴۸، در مقاله‌ای برای اولین‌بار این فرضیه را مطرح کرد، که تابش ناشی از انفجار بزرگ دارای مشخصاتی ویژه، شبیه تابش جسم سیاه است. مهم‌ترین ویژگی تابش جسم سیاه دمای آن است. در مرحله‌ی بعدی، گاموف باید دمای فعلی تابش جسم سیاه را محاسبه می‌کرد.

در سال ۱۹۴۸، آلفر و هرمن مقاله‌ای منتشر کردند که در آن با جزییات به دلایلی پرداختند، که نشان می‌داد چرا دمای پس تاب ناشی از انفجار بزرگ باید در زمان حال ۵ درجه بالای صفر مطلق باشد. تخمین آن‌ها به‌طور قابل توجهی نزدیک به آن چیزی است که امروزه می‌دانیم. دمای صحیح ۲۸ درجه بالای صفر مطلق است. بر طبق ادعای آن‌ها، در زمان حال نیز این تابش ریزموج باید هنوز در سراسر جهان موجود باشد و کیهان را با پس تابشی یکنواخت پر کند.

دلیل این امر این است، که تا سال‌ها پس از انفجار بزرگ، دمای جهان آن قدر زیاد بوده، که یک اتم به محض ایجاد، به ناچار از هم متلاشی شده است. بنابراین در این دوره، الکترون‌های آزاد زیادی وجود داشتند، که می‌توانستند نور را متفرق سازند. به این ترتیب جهان باید مات باشد و نه شفاف!

هر پرتوی نوری که در این جهان اَبرداغ حرکت کند، پس از طی مسیر کوتاهی جذب خواهد شد و بنابراین جهان به‌صورت مات و مه آلود دیده می‌شود. بعد از ۳۸۰٫۰۰۰ سال، دما به ۳۰۰۰ درجه افت کرد. در دمای پایین‌تر از این، اتم‌ها دیگر به‌دلیل برخورد با یکدیگر متلاشی نمی‌شدند. در نتیجه اتم‌های پایدار توانستند شکل بگیرند و پرتوهای نوری حالا می‌توانستند بدون اینکه توسط الکترون‌ها جذب شوند، برای سال‌ها در طول کیهان سفر کنند. به این ترتیب برای اولین‌بار، فضای خالی شفاف شد. در نتیجه‌ این تابش که دیگر بی‌درنگ پس از انتشار جذب نمی‌شد، هم‌اکنون سراسر جهان را می‌پیماید!

زمانی‌که آلفر و هرمن محاسبات نهایی خود را در مورد دمای جهان به گاموف نشان دادند، او شدیدا مایوس شد. دمای محاسبه شده به اندازه‌ای کوچک بود، که اندازه‌گیری آن بسیار مشکل به نظر می‌رسید. یک سال طول کشید، تا گاموف بالاخره صحت جزییات محاسبات آن دو را پذیرفت. ولی در عین حال گاموف، از اینکه روزی بتواند، چنین تابش ضعیفی را اندازه گیری کند، کاملا مایوس شد. تجهیزات موجود در دهه‌ی ۱۹۴۰ برای اندازه‌گیری این پس‌تاب ضعیف، ناکافی بودند.

پایان قسمت دوم

پیشنهاد می‌شود که پس از گذشت ۲۴ ساعت از مطالعه این بخش، اقدام به مطالعه‌ی بخش سوم این مقاله کنید.

فِرد هویل و نظریه حالت پایدار

 تابش پس‌زمینه ریزموج، دومین دلیل برای تأیید صحت نظریه‌ی انفجار بزرگ محسوب می‌شود. کسی که برخلاف انتظار و ازطریق تشریح سنتز هسته‌ای، سومین دلیل قانع‌کننده را برای وجود انفجار بزرگ ارائه کرد، فرد هویل بود. این درحالی بود، که او تمام زندگی تخصصی خود را در تلاش برای رد کردن نظریه‌ی انفجار بزرگ سپری کرد!

در دهه‌ی ۱۹۴۰، نظریه‌ی انفجار بزرگ چیزی نبود، که بتواند هویل را قانع کند. یکی از ضعف‌های این نظریه آن بود، که هابل به‌دلیل خطا در اندازه‌گیری نور کهکشان‌های دوردست، عمر جهان را به اشتباه ۱/۸ میلیارد سال اندازه گرفته بود. زمین شناسان ادعا کردند، که زمین و منظومه شمسی احتمالا میلیاردها سال عمر دارند.

چگونه جهان می‌توانست جوان‌تر از سیارگانش باشد؟

هویل مصمم شد، به همراه توماس گولد و هرمان بوندی، رقیبی برای این نظریه بیابد. در مدلی که این سه نفر از جهان ارائه کردند، بخش‌هایی از جهان در حال انبساط است. بااین‌حال ماده جدید به‌طور مداوم از هیچ تولید می‌شود. بنابراین چگالی جهان ثابت باقی می‌ماند. اگرچه این نظریه نمی‌توانست، جزییاتی از نحوه‌ ظاهر شدن رمز آلود ماده را از هیچ ارائه کند، بااین‌حال به سرعت نظر گروهی از سلطنت طلبان را که با نظریه‌ی انفجار بزرگ مخالف بودند، به خود جلب کرد.

 از نظر هویل غیرمنطقی به نظر می‌رسید، که یک انفجار آتشین بتواند از «هیچ» ظاهر شود و کهکشان‌ها را به تمام جهات پرتاب کند؛ او پیدایش نرم و آرام جرم را از «هیچ» ترجیح می‌داد. جهان او مستقل از زمان بود، نه آغازی داشت نه پایانی، بلکه فقط وجود داشت!

در سال ۱۹۴۹، هویل و گاموف از طرف بی بی سی دعوت شدند، تا در مورد منشاء جهان به مناظره بنشینند. در طول برنامه، هویل ضربه‌ای عمیق به نظریه‌ی رقیب وارد کرد که تاریخ ساز شد. او صادقانه گفت:

تمام این نظریه‌ها براساس این فرض بنا شده‌اند، که تمام مواد در زمان مشخصی در گذشته‌ی دور، در یک انفجار بزرگ ایجاد شده‌اند.

نظریه‌ی رقیب به وسیله بزرگ‌ترین دشمن آن رسما «انفجار بزرگ» نام گرفته بود. در طول سال‌ها طرفداران انفجار بزرگ تلاش کردند، تا نام آن را تغییر دهند. آن‌ها از معنای عامیانه نام انفجار بزرگ و این حقیقت که به وسیله‌ی بزرگ‌ترین دشمنش (فرد هویل) نام نهاده شده بود، ناراضی بودند. نخست اینکه انفجار بزرگ اصلا بزرگ نبود، چون از یک تکینگی (singularity) فوق‌العاده کوچک، بسیار کوچک‌تر از یک اتم، نشات می‌گرفت و دوم اینکه انفجاری نیز در کار نبود، زیرا که هوایی در فضا وجود نداشت! با وجود برگزاری مسابقه‌ای عظیم برای تغییر نام «انفجار بزرگ» اما درنهایت نام آن تغییری نکرد و با همان انفجار بزرگ یا مه‌بانگ خوانده شد!

شاهدی علیه حالت پایدار

 در طول چندین دهه، آرام آرام شواهد متعددی در مقابل جهان حالت پایدار قد علم کردند. هویل محکوم به شکست بود! در نظریه‌ی او جهان تکامل نمی‌یابد، بلکه به‌طور پیوسته ماده جدید ایجاد می‌کند. بنابراین به نظر می‌رسد، که جهان اولیه باید بسیار شبیه به جهان امروز باشد. کهکشان‌هایی که امروزه می‌بینیم، باید بسیار شبیه به کهکشان‌های میلیاردها سال پیش باشند. به این ترتیب اگر نشانه‌هایی از تحولات چشمگیر در مسیر این میلیاردها سال وجود داشته باشد، می‌توان نظریه حالت پایدار را رد کرد!

در دهه ۱۹۶۰، منابعی ناشناخته از نیرویی عظیم در فضا کشف شدند، که به اختروش‌ها یا اجرام شبه ستاره‌ای معروف شدند. اختروش‌ها مقادیر فوق‌العاده زیادی انرژی تولید کرده و انتقال به سرخ زیادی داشتند، که نشان می‌داد آن‌ها در فواصل میلیاردها سال نوری از ما قرار دارند و زمانی‌که جهان هنوز خیلی جوان بوده است، آسمان را روشن کرده‌اند. ما امروزه هیچ مدرکی دال بر وجود اختروش‌ها نمی‌بینیم؛ درحالی که بر طبق نظریه‌ی حالت پایدار آن‌ها باید وجود داشته باشند. این نشان می‌دهد که آن‌ها، در طول میلیاردها سال، از بین رفته‌اند!

مشکل دیگری نیز در مورد نظریه هویل وجود داشت؛ دانشمندان دریافتند، که مقدار هلیم موجود در جهان، بیشتر از آن چیزی است که نظریه‌ی حالت پایدار پیش‌بینی می‌کند. هلیم، گاز آشنای موجود در بادکنک بچه‌ها و بالن‌ها، در حقیقت در زمین کمیاب است. این در حالی است، که بعد از هیدروژن دومین عنصر فراوان در جهان محسوب می‌شود. در حقیقت هلیم آن قدر نادر است، که اولین‌بار در خورشید یافت شد و نه در زمین!

اگر هلیم، آن‌گونه که هویل عقیده داشت، بیشتر در ستارگان ساخته می‌شد، باید به کلی نایاب می‌بود و تنها در نزدیکی مرکز ستارگان یافت می‌شد. ولی تمام داده‌های ستاره‌شناسی نشان دادند، که هلیم واقعا فراوان است و ۲۵ درصد جرم جهان را تشکیل می‌دهد. به‌علاوه دیده شده که هلیم به‌صورت یکنواخت در سرتاسر کیهان توزیع شده است.

امروزه، می‌دانیم که گاموف و هویل هردو به بخش‌های مختلفی از حقیقت سنتز هسته‌ای دست یافتند. گاموف تصور می‌کرد که تمام عناصر شیمیایی، گرد و غبار و خاکسترهای ناشی از انفجار بزرگ هستند. ولی نظریه او قربانی شکاف موجود میان ذره ۵ و ذره ۸ گردید. هویل تصور کرد؛ تنها با نشان دادن این موضوع که ستارگان، خود تمام عناصر را بدون نیاز به هیچ انفجار بزرگی می‌سازند، می‌تواند نظریه انفجار بزرگ را از صحنه خارج کند. اما نظریه او نیز پس از مشاهده فراوانی قابل‌توجه هلیم منتفی شد.

ستارگان چگونه زاده می‌شوند

یکی از نتایج فرعی مجادله بر سر سنتز هسته‌ای، توصیف تقریبا کاملی است، که برای دوره‌ی زندگی ستارگان به دست می‌آید. یک ستاره‌ی معمولی، مانند خورشیدی که می‌شناسیم، زندگی خود را به‌صورت توپ بزرگی از هیدروژن پراکنده، با نام پیش ستاره آغاز می‌کند و به مرور زمان تحت تاثیر نیروی گرانش به درون کشیده می‌شود. با شروع به فروریزش، ستاره‌ی آغازین به سرعت شروع به چرخش می‌کند. دمای هسته ستاره نیز به سرعت بالا می‌رود و تقریبا به ۱۰ میلیون درجه یا بیشتر می‌رسد. این همان نقطه‌ای است، که در آن همجوشی هسته‌های هیدروژن و تبدیل آن‌ها به هلیم اتفاق می‌افتد.

از این پس ستاره مشتعل، ستاره‌ی اصلی نامیده می‌شود و ممکن است در حدود ده میلیارد سال بسوزد، تا طی این فرایند به آرامی هسته‌اش از هیدروژن به هلیم تبدیل شود. خورشید ما در حال حاضر در میانه‌ی این فرایند قرار دارد. پس از اینکه دوره‌ی سوختن هیدروژن به پایان برسد، خورشید شروع به سوزاندن هلیم می‌کند، که در نتیجه‌ی آن بسیار بزرگ شده و ابعاد آن به مدار مریخ می‌رسد. خورشید در این مرحله به یک غول سرخ تبدیل می‌شود. پس از اینکه سوخت هلیم در هسته به پایان رسید، لایه‌های بیرونی خورشید از هم پاشیده می‌شود و هسته‌ی ستاره به‌صورت کوتوله سفید در ابعاد حدود کره زمین باقی می‌ماند. ستاره‌های کوچک‌تر مانند خورشید، در فضا به‌صورت توده‌ای از مواد هسته‌ای مرده، به شکل ستاره‌ی کوتوله سفید، به حیات خود پایان می‌دهند.

اما در ستاره هایی که شاید ده تا چهل برابر خورشید جرم دارند، فرایند همجوشی بسیار سریع‌تر پیش می‌رود. زمانی‌که ستاره به یک اَبرغول سرخ تبدیل می‌شود، هسته‌ی آن به سرعت عناصر سبک‌تر را ایجاد می‌کند و بنابراین به‌صورت یک ستاره مرکب به نظر می‌آید؛ گویا کوتوله‌ای سفید درون غولی سرخ قرار گرفته است.

 در این کوتوله سفید، عناصر سبک‌تر از آهن، در جدول تناوبی عناصر تولید می‌شوند. زمانی‌که فرایند همجوشی به مرحله‌ای می‌رسد، که عنصر آهن تولید شود، دیگر انرژی بیشتری از فرایند همجوشی حاصل نمی‌شود. بدین ترتیب این کوره هسته‌ای پس از میلیاردها سال، بالاخره خاموش می‌شود.

در این لحظه ستاره ناگهان فرو می‌پاشد و با ایجاد فشار عظیمی، الکترون‌ها را به درون هسته‌ها می‌راند.

این امر باعث ایجاد دماهایی بالغ بر میلیاردها درجه می‌گردد. انرژی گرانشی فشرده شده در این جسم کوچک، سبب انفجار و ایجاد یک ابرنواختر می‌شود. گرمای فوق‌العاده شدید این فرایند، باعث می‌شود که همجوشی بار دیگر آغاز شده و عناصر بعد از آهن در جدول تناوبی شکل گیرند!

به‌عنوان مثال ستاره آلفای جبار، یک اَبرغول سرخ است، که آن را به‌راحتی می‌توان در صورت فلکی شکارچی مشاهده کرد. این ستاره ناپایدار است؛ هر لحظه امکان دارد، به‌صورت یک ابرنواختر متلاشی شده و مقادیر زیادی از پرتوهای گاما و ایکس را به اطراف خود گسیل کند.

 زمانی‌که این اتفاق بیفتد، این ابرنواختر در طول روز نیز قابل رویت خواهد بود و در شب شاید درخشان‌تر از ماه دیده شود. بد نیست بدانید، فرضیه‌ای وجود دارد که ۶۵ میلیون سال پیش، انرژی عظیم ناشی از یک ابرنواختر، باعث از بین رفتن دایناسورها شده است.

در حقیقت یک ابرنواختر، با فاصله‌ی حدود ده سال نوری از ما، می‌تواند به تمام حیات موجود در کره زمین خاتمه دهد. خوشبختانه ستاره‌های غول پیکری مثل سماک اعزل  و منکب الجبار، به ترتیب در فاصله‌های ۲۶۰ و ۴۳۰ سال نوری از ما قرار دارند و به اندازه‌ی کافی دور هستند، تا در هنگام انفجارشان زمین آسیب جدی نبیند.

با این اوصاف؛ خورشید در حقیقت مادر واقعی زمین نیست!

بسیاری از مردم سال‌ها خورشید را به‌عنوان خدا پرستیده‌اند، چون زمین زاده‌ی اوست. اما فقط بخشی از این امر صحیح است. اگرچه زمین در اصل از خورشید و از ذرات گرد و غباری که ۴/۵ میلیارد سال پیش به‌عنوان بخشی از صفحه‌ی دایره البروج که به دور خورشید می چرخیدند، ایجاد شده است، اما دمای خورشید به‌تنهایی، برای همجوشی هیدروژن به هلیم کافی نیست!

 این امر بدان معنا است که مادر حقیقی ما، درواقع ستاره‌ای نامشخص یا مجموعه‌ای از ستارگان بوده است، که میلیاردها سال پیش در یک انفجار ابرنواختری سحابی‌های اطراف را با عناصر پس از آهن که بدن ما را ایجاد می‌کنند، بنیان گذاشته است. به تعبیری؛ بدن ما از گرد و غبار باقی مانده از ستارگان درست شده است، ستارگانی که میلیاردها سال پیش از بین رفته‌اند!

آنچه از یک انفجار ابرنواختری بر جای می ماند، بازمانده‌ی کوچکی به نام ستاره نوترونی است. ستاره‌ی نوترونی از مواد هسته‌ای جامدی تشکیل شده که در ابعاد تقریبا۳۰ کیلومتر فشرده شده‌اند. وجود ستاره‌های نوترونی اولین‌بار در سال ۱۹۳۳، به وسیله‌ی ستاره شناس سویسی، فریتس تسوئیکی، پیش‌بینی شدند. اما این ادعا آن چنان خیالی به نظر می‌رسید، که تا ده‌ها سال به وسیله‌ی دانشمندان نادیده گرفته شد. از آنجا که ستاره‌های نوترونی تابش‌های نامنظمی منتشر می‌کنند و همچنین سریعا به دور خود می‌چرخند، شبیه فانوس دریایی هستند، که حین چرخش، به اطراف پرتو گسیل می‌کنند.

زمانی‌که ستاره‌های فوق‌العاده بزرگ، شاید بزرگ‌تر از ۴۰ برابر جرم خورشید، سرانجام به‌صورت یک ابرنواختر منفجر می‌شوند، ستاره‌ای نوترونی با سه برابر جرم خورشید باقی می‌گذارند. نیروی گرانش چنین ستاره نوترونی آن قدر قوی است، که می‌تواند بر نیروی دافعه میان نوترون‌ها غلبه کرده و موجب فروپاشی نهایی ستاره و ایجاد سیاه چاله شود.

پیدایش ماده تاریک

داستان ماده‌ی تاریک، شاید یکی از عجیب‌ترین بخش‌های علم کیهان شناسی باشد. در دهه ۱۹۳۰، ستاره شناس مستقل سویسی، فریتس تسوئیکی از کلتک، مشاهده کرد، که حرکت کهکشان‌های موجود در خوشه کهکشانی گیسو، به درستی بر قانون گرانش نیوتون منطبق نیست. او دریافت که این کهکشان‌ها چنان سریع حرکت می‌کنند، که بر طبق قوانین حرکت نیوتون، اعضای این مجموعه باید به بیرون پرتاب شده و کل مجموعه از هم بپاشد. او اندیشید که تنها راه حفظ اعضای این خوشه کهکشانی درکنار هم و جلوگیری از واپاشی آن، این است که ماده‌ی موجود در این خوشه صدها برابر از آن چه با تلسکوپ دیده می‌شود، بیشتر باشد!

بدین ترتیب، یا قوانین نیوتون در فواصل کهکشانی نادرست بودند، یا اینکه مقادیر عظیمی از ماده‌ای گم شده و نامرئی در خوشه گیسو وجود داشت، که اجرام را درکنار هم نگه می‌داشت.

این اولین‌بار در تاریخ بود که مشاهدات، بیانگر توزیع نادرست ماده در جهان بودند. متاسفانه ستاره‌ شناسان در سراسر جهان، کار پیشتازانه زوئیکی را به دلایل متعددی رد کرده یا نادیده گرفتند.

در سال ۱۹۶۲، ستاره شناس دیگری به نام ورا روبین، با مشکل عجیب حرکت کهکشانی مواجه شد. او حرکت وضعی کهکشان راه شیری را مورد مطالعه قرار داد و به همان مشکل تسوئیکی برخورد کرد. او نیز با برخورد سرد جامعه ستاره شناسان مواجه شد. به‌طور معمول، هرچه سیاره از خورشید دورتر باشد، کندتر حرکت می‌کند و هرچه نزدیک‌تر باشد، حرکتش سریع‌تر خواهد بود.

زمانی‌که ورا روبین ستاره‌های آبی رنگ را در کهکشان ما بررسی کرد، مشاهده کرد که ستارگان دور تا دور کهکشان، مستقل از فاصله‌شان تا مرکز کهکشانی، با یک سرعت می‌چرخند. به موجب این مشاهده قوانین مکانیک نیوتون به هم می‌ریزد. در حقیقت او دریافت، که کهکشان راه شیری آن چنان سریع می‌چرخد، که چاره‌ای ندارد جز اینکه اجزایش به بیرون پرتاب شوند. اما این کهکشان در مدت زمان حدود ۱۰ میلیارد سال کاملا پایدار بوده است.

 این یک معما بود، که چرا منحنی چرخش، تخت است. برای اینکه کهکشان در این حالت از هم پاشیده نشود، جرم آن باید ده برابر سنگین‌تر از چیزی باشد، که دانشمندان تصور می‌کردند. واضح بود که ۹۰ درصد جرم کهکشان راه شیری در جایی گم شده بود!

باوجود تمام نامهربانی‌های جامعه علمی و برخورد سرد و گاها ناراحت کننده با او، کار دقیق و ارزشمند روبین و دیگران، به مرور جامعه‌ی ستاره شناسان را در مورد معمای جرم گم شده متقاعد کرد. تا سال ۱۹۷۸، روبین و همکارانش یازده کهکشان مارپیچی را مورد بررسی قرار داده بودند و تمامی آن‌ها سریع‌تر از آن می‌چرخیدند، که بتوانند بر طبق قوانین نیوتون درکنار هم باقی بمانند. درنهایت او با بررسی و تحقیق روی جرم بیش از ۲۰۰ کهکشان، توانست وجود ماده تاریک را اثبات کند!

هم‌اکنون جدال سختی بر سر اینکه ماده‌ی تاریک از چه ساخته شده در جریان است. برخی دانشمندان گمان می‌کنند، که ماده‌ی تاریک ممکن است، از مواد معمولی تشکیل شده باشد، با این تفاوت که این ماده بسیار تیره و تار است. (به‌عنوان مثال از ستاره‌های کوتوله قهوه‌ای، ستاره‌های نوترونی سیاهچاله‌ها و مانند آن‌ها، که همه تقریبا نامرئی هستند)

چنین اجرامی به‌صورت ماده باریونیک در یک جا جمع می‌شوند، یعنی از باریون‌ها، مانند نوترون‌ها و پروتون‌ها ساخته می‌شوند. در مجموع آن‌ها اجرام پر جرم و فشرده هاله می‌نامند. گروهی دیگر عقیده دارند؛ که ماده‌ی تاریک ممکن است، از مواد خیلی داغ غیرباریونیک تشکیل شده باشد. مثل نوترینوها. (به نام ماده تاریک داغ) بااین‌حال نوترینوها چنان سریع حرکت می‌کنند، که نمی‌توانند دلیل قانع‌کننده‌ای برای بیشتر توده‌های ماده تاریک و کهکشان‌هایی که ما در طبیعت می‌بینیم، باشند.

پیدایش تورم

آلن گوث، موفق شد پس از پنجاه سال، تنها با کمک یک رصد معمولی، اولین بازبینی اساسی را در نظریه‌ی انفجار بزرگ ارائه کند. گوث این‌گونه فرض کرد، که جهان درست در لحظه‌ی تولد دچار افزایش حجم با تورم شدید شده است. این تورم، از نظر ستاره‌ شناسی بسیار سریع‌تر از آن چه که اغلب فیزیکدانان تصور می‌کردند رخ داده است. با این فرض، او توانست پاسخی برای برخی از عمیق‌ترین معماهای کیهان‌شناسی بیابد. او دریافت که در صورت پذیرفتن وجود چنین انبساط شدیدی، می‌توان به‌راحتی به مجموعه‌ای از سوالات عمیق کیهان شناسی پاسخ داد. این همان ایده‌ای بود، که کیهان‌شناسی را متحول کرد. داده‌های اخیر کیهان‌شناسی، شامل یافته‌های ماهواره WMAP، با پیش‌بینی‌های نظریه‌ی تورم سازگارند. با اینکه تورم تنها نظریه‌ی کیهان‌شناسی موجود نیست، ولی در عین حال می‌توان گفت ساده‌ترین و معتبرترین آن‌ها است!

مسئله‌ی قابل‌توجه این است، که چنین ایده‌ی ساده‌ای می‌تواند به بسیاری از سوالات پیچیده کیهان‌شناسی پاسخ دهد. یکی از سوالاتی که نظریه‌ی تورم توانست با ظرافت به آن پاسخ دهد، معمای تخت بودن جهان است. داده‌های ستاره شناسی نشان می‌دادند که انحنای جهان بسیار نزدیک به صفر است.

این امر را این‌گونه می‌توان توضیح داد؛ اگر فرض کنیم که جهان، مثل سطح بادکنکی که به سرعت باد می‌شود، در طول مدت تورم تخت شود، در این صورت این معما حل می‌شود. ما به مانند مورچه‌هایی که روی سطح بادکنک حرکت می‌کنند، برای مشاهده‌ی انحنای کم بادکنک، زیادی کوچک هستیم. تورم، فضا-زمان را چنان کشیده است، که تخت به نظر می‌رسد.

چیزی که کشف گوث را به کشفی تاریخی بدل کرد، آن بود که این کشف، نمایانگر کاربرد فیزیک ذرات بنیادین، که به تجزیه و تحلیل کوچک‌ترین ذرات یافت شده در طبیعت می‌پردازد، در علم کیهان شناسی است، که به مطالعه‌ی کامل جهان شامل منشاء آن می پردازد. هم‌اکنون می‌دانیم که بدون وجود فیزیک ابعاد بسیار کوچک، یعنی نظریه‌ی کوانتوم و فیزیک ذرات بنیادین، نمی‌توان به عمیق‌ترین اسرار جهان پی برد!

این بسیار زیبا است، چرا که ما با فهم و درک یک جز کوچک به راز یک کل بزرگ پی برده‌ایم!

پایان قسمت سوم

پیشنهاد می‌شود که پس از گذشت ۲۴ ساعت از مطالعه این بخش، اقدام به مطالعه‌ی بخش چهارم و پایانی این مقاله کنید.

در جستجوی یکپارچگی

از دوران یونانی‌ها، دانشمندان عقیده داشتند، جهانی که ما امروز می‌بینیم، تکه پاره‌های باقی مانده از یک مفهوم ساده بزرگ‌تر است و هدف ما یافتن این یکپارچگی است. فیزیکدانان پس از دو هزار سال جست‌وجو در طبیعت ماده و انرژی، بیان کردند که جهان به کمک تنها چهار نیروی بنیادی به پیش رانده می‌شود. تلاش دانشمندان برای یافتن نیروی پنجم تا به امروز بی نتیجه بوده است.

نخست نیروی گرانش است؛ نیرویی که خورشید را در خود متراکم نگاه داشته و گردش سیارگان را در مدارهای خود هدایت می‌کند. اگر گرانش ناگهان از بین برود، ستارگان در آسمان منفجر شده، زمین از هم می پاشد و ما همه با سرعت هزاران کیلومتر بر ساعت به فضا پرتاب می شویم.

دومین نیروی عظیم، نیروی الکترومغناطیسی است؛ نیرویی که شهرها را روشن می‌کند و دنیای ما را از تلویزیون، تلفن های ماهواره‌ای، رادیو، پرتو لیزر و اینترنت پُر کرده است. اگر نیروی الکترومغناطیسی ناگهان از بین برود، تمدن ناگاه به یک یا دو قرن پیش، به تاریکی و سکوت باز می‌گردد. خاموشی بزرگ سال ۲۰۰۳، که منجر به توقف کل فعالیت‌ها در سراسر شمال شرق ایالات متحده گردید، این مفهوم را به خوبی نمایان ساخت! اگر ما نیروی الکترومغناطیسی را به‌صورت میکروسکوپی بررسی کنیم، خواهیم دید که درواقع از ذرات ریز کوانتومی به نام فوتون تشکیل شده است.

نیروی سوم، نیروی هسته‌ای ضعیف است؛ که علت اصلی واپاشی پرتوزا است. از آن جایی که این نیروی ضعیف آن قدر قوی نیست، که هسته‌های اتم را درکنار هم نگه دارد، به هسته اجازه می‌دهد، که تجزیه شده یا از هم بپاشد. پزشکی هسته‌ای در بیمارستان‌ها شدیدا متکی بر نیروی هسته‌ای ضعیف است. این نیرو همچنین کمک می‌کند، تا ازطریق واپاشی مواد رادیواکتیو، مرکز کره زمین گرم شده و مواد مذاب با نیروهای سهمگین ایجاد شوند. نیروی ضعیف به نوبه‌ی خود بر این اساس قرار دارد. برهم کنش الکترون‌ها و نوترینوها (ذرات شبح مانندی که تقریبا بدون جرم هستند و می‌توانند بدون هیچ اثر متقابلی با ماده، از درون تریلیون‌ها کیلومتر سرب جامد عبور کنند) برهمکنش الکترون‌ها و نوترینوها ازطریق مبادله‌ی ذرات دیگری به نام بوزون‌های w و z صورت می‌پذیرد.

چهارمین نیرو، نیروی هسته‌ای قوی است، که هسته‌های اتم‌ها را درکنار هم به‌صورت متمرکز نگه می‌دارد. بدون نیروی هسته‌ای، هسته‌ها همگی متلاشی شده، اتم‌ها از هم می‌پاشند و جسمانیت واقعیت اطراف ما از بین می‌رود. نیروی هسته‌ای قوی، عامل وجود عناصری است، که در جهان می‌بینیم. منشاء اصلی نور گسیل شده از ستارگان، بر طبق معادله اینشتین، نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف هستند. بدون وجود نیروی هسته‌ای، تمام جهان تاریک می‌شود؛ در نتیجه دمای کره زمین پایین آمده و اقیانوس‌ها همه یخ می‌زنند!

ویژگی حیرت‌انگیز این چهار نیرو این است، که آن‌ها کاملا از نظر قدرت و سایر ویژگی‌ها با یکدیگر تفاوت دارند. به‌عنوان مثال، گرانش به مراتب از همه این چهار نیرو ضعیف‌تر است؛ ۱۰۲۶  برابر ضعیف‌تر از نیروی الکترومغناطیسی!

یکپارچگی در انفجار بزرگ

 یکی از سوالات اساسی که فیزیک با آن مواجه است، این است که چرا جهان باید ازطریق چهار نیروی مجزا و متمایز اداره شود؟ و سؤال دیگر آن که چرا باید این چهار نیرو، تا به این اندازه نامتشابه باشند؛ قدرت‌های متفاوت، برهمکنش‌های متفاوت و فیزیک متفاوت، دلیل این همه تفاوت چیست؟

اینشتین اولین کسی بود، که تلاش کرد تا این نیروها را در یک نظریه جامع، با هم یکپارچه کند. او این کار را با یکپارچه کردن نیروی گرانش و نیروی الکترومغناطیسی شروع کرد. البته اینشتین موفق نشد، زیرا بسیار جلوتر از زمان خود گام برداشته بود. در آن زمان برای اینکه بتوان یک نظریه میدان یکپارچه ارائه کرد، داده‌ها در مورد نیروی هسته‌ای قوی بسیار کم و ناکافی بودند. اما بااین‌حال، تلاش پیشگامانه اینشتین توجه دنیای فیزیک را به امکان ارائه یک «نظریه‌ی همه چیز» معطوف کرد.

در دهه ۱۹۵۰، دستیابی به یک نظریه میدان یکپارچه کاملا نومیدانه به نظر می رسید، به‌خصوص که در آن هنگام فیزیک ذرات بنیادی دوران آشفته‌ای را می‌گذراند.

موری ژلمن و جورج زوییگ از کلتک، در سال‌های اولیه دهه ۱۹۶۰، با مطرح کردن ایده‌ی کوارک‌ها، همان ذرات تشکیل‌دهنده پروتون‌ها و نوترون‌ها، این پریشانی دیوانه‌وار را به‌نوعی آرام کردند. بر طبق این نظریه، یک پروتون یا نوترون از سه کوارک تشکیل شده است و یک کوارک و آنتی کوارک، یک مزون (ذره‌ای که اجزای هسته را کنار هم نگه می‌دارد) را می‌سازند. با اینکه راه‌حل ارائه شده جزئی و ناکامل بود، اما بااین‌حال این ایده، با تزریق انرژی جدید به حوزه‌ای که زمانی در حال سکون بود، کمک بزرگی انجام داد.

برنامه‌ی دستیابی به یکپارچگی، به نوبه‌ی خود، الگوی جدیدی را پیش روی علم کیهان‌شناسی قرار داد. ایده بسیار ساده و ظریف بود!

درست در لحظه‌ی انفجار بزرگ، تمام چهار نیروی بنیادی در یک نیروی مجرد ذاتی با هم متحد می‌شوند؛ یک اَبر نیروی مرموز! تمام چهار نیرو قدرت یکسانی داشتند و بخشی از یک کل منسجم و بزرگ‌تر بودند. به این ترتیب، جهان در وضعیتی یکپارچه کار خود را آغاز کرد. بااین‌حال زمانی‌که جهان به سرعت شروع به انبساط و خنک شدن کرد، اَبر نیروی اصلی شکسته و نیروهای مختلف، یکی پس از دیگری از هم جدا شدند!

بر طبق این نظریه، فرایند خنک شدن جهان بعد از انفجار بزرگ، شبیه به منجمد شدن آب است. آب به‌صورت مایع، کاملا یکپارچه و یکنواخت است. ولی هنگامی که منجمد می‌شود، میلیون‌ها کریستال کوچک یخ، درون آن ایجاد می‌شوند. وقتی مایع آب به‌طور کامل منجمد می‌شود، شکاف‌ها، حباب‌ها و کریستال‌های موجود در یخ یکپارچگی آن را بر هم می‌زنند!

به بیان دیگر، امروزه شاهد آن هستیم که یکپارچگی جهان به‌طور ناخوشایندی از هم گسسته است. جهانی که ما می‌بینیم به هیچ وجه یکپارچه و متقارن نیست، بلکه مملو از رشته کوه‌های ناهموار، آتش فشان‌ها، طوفان‌ها، شهاب سنگ‌ها و ستاره‌های در حال انفجار است. علاوه‌بر این، شاهد حضور چهار نیروی بنیادی، بدون هیچ‌گونه ارتباطی با یکدیگر هستیم. دلیل اینکه چرا امروز جهان را چنین شکسته می‌بینیم، این است که جهان امروز، کاملا پیر و سرد شده است!

خلا کاذب

فرایند جدا شدن یک نیرو از نیروهای دیگر را می‌توان به شکسته شدن یک سد تشبیه کرد. رودخانه به سمت پایین کوه حرکت می‌کند، زیرا آب در جهت رسیدن به کم ترین سطح انرژی، یعنی سطح دریا، جریان می‌یابد. کم‌ترین حالت انرژی، خلا نامیده می‌شود. به‌علاوه حالتی غیرعادی نیز وجود دارد، که به آن خلا کاذب می‌گویند. به‌طور مثال، اگر جلوی یک رودخانه سدی بنا کنیم، این‌گونه به نظر می‌رسد، که سد در وضعیتی پایدار به سر می‌برد، ولی درواقع اینطور نبوده و سد تحت فشار زیادی قرار دارد. اگر شکاف کوچکی در سد پدید آید، ناگهان این فشار زیاد باعث درهم شکستن سد می‌شود و سیلابی از انرژی را از خلا کاذب (رودخانه پشت سد) آزاد می‌کند و در نتیجه سیل عظیمی به سمت خلا واقعی (سطح دریا) جاری می‌شود. به این ترتیب، اگر سد دچار شکست خود به خودی شود و گذری ناگهانی به خلا واقعی داشته باشیم، روستاها کاملا در آب غرق می‌شوند.

به‌طور مشابه، در نظریه گات یا نظریه وحدت بزرگ، آغاز جهان در حالت خلا کاذب آغاز شد، که در آن، سه تا از نیروها به‌صورت یک نیروی یکپارچه بوده‌اند. این نظریه بیان می‌کند؛ که وضعیت یاد شده ناپایدار بود و به همین دلیل فورا شکسته شد؛ به طوری که نظریه از خلا کاذب، یعنی جایی که نیروها همه با هم یکپارچه بودند، به خلا واقعی، جایی که نیروها شکسته شدند، تغییر حالت داد!

این مسئله قبل از اینکه گوث شروع به تحلیل و بررسی نظریه گات کند، شناخته شده بود. اما گوت چیزی را مشاهده کرد، که از نگاه دیگران پنهان مانده بود، در حالت خلا کاذب، جهان به‌صورت نمایی، همان گونه که دسیتر در سال ۱۹۱۷ پیش‌بینی کرده بود، منبسط می‌شود. درواقع این همان ثابت کیهان شناسی یا همان انرژی خلا کاذب است، که جهان را به انبساط با چنین سرعت عظیمی وا می‌دارد.

مسئله تک قطبی‌ها

 یکی از پیشگویی‌های نظریه‌های متعدد گات، تولید تعداد زیادی تک قطبی در آغاز زمان بوده است. یک تک قطبی، عبارت است از یک تک قطب مغناطیسی شمال یا جنوب. در طبیعت این قطب‌ها همواره به‌صورت جفت یافت می‌شوند. اگر آهن‌ربایی را در دست بگیرید، همواره یک قطب شمال و یک قطب جنوب چسبیده به هم خواهید داشت. اگر چکشی بردارید و آهن‌ربا را به دو نیم تقسیم کنید، در این صورت به‌جای داشتن دو تک قطبی، دو آهن‌ربای کوچک‌تر خواهید داشت، که هرکدام قطب شمال و جنوب خود را دارند!

مشکل آنجا بود، که دانشمندان پس از قرن‌ها آزمایش و تجربه، هیچ مدرک قاطعی مبنی بر وجود تک قطبی‌ها نیافته بودند. از آنجا که هیچکس تا به حال یک تک قطبی ندیده بود، گوث گیج شده بود؛ چرا که نظریه‌ی وحدت، وجود آن‌ها را به مقدار زیاد پیش‌بینی می‌کرد. گوث گفته است؛

با وجود اینکه هیچ نوع مشاهده تأیید شده‌ای وجود نداشت، تک قطبی‌ها، درست همانند اسب‌های تک شاخ، ذهن انسان‌ها را به خود مشغول می‌کردند.

گوث ناگهان متوجه راه‌حل مسئله شد. او دریافت که اگر جهان در حالتی از خلا کاذب آغاز شود، می‎‌تواند به‌صورت نمایی منبسط شود، همان‌طور که دسیتر ده‌ها سال قبل گفته بود. در حالت خلا کاذب، جهان می‌تواند ناگهان به مقدار غیرقابل تصوری متورم شود، که به موجب آن چگالی تک قطبی‌ها رقیق می‌شود. اگر دانشمندان تاکنون هیچ تک قطبی ندیده‌اند، تنها به این دلیل است که تک قطبی‌ها در سرتاسر جهانی پخش شده‌اند، که از آن چه قبلا تصور می‌شد، بسیار بزرگ‌تر است.

از نظر گوث، این کشف شگفت‌آور و لذت بخش بود. چنین مشاهده‌ی ساده‌ای می‌توانست معمای تک قطبی‌ها را به‌سادگی حل کند. اما گوث دریافت که تعابیر کیهان شناسانه این پیشگویی، بسیار فراتر از ایده‌ی اولیه او هستند!

معمای افق

 تورم، نه‌تنها مسئله‌ی تخت بودن جهان را توضیح می‌دهد، بلکه این نظریه، گره دیگری به نام معمای افق را می‌گشاید. معمای افق بر این مفهوم ساده استوار است، که از هر طرف که به آسمان شب بنگرید، تصویر نسبتا یکنواختی را مشاهده خواهید کرد. کافی است سر خود را ۱۸۰ درجه بچرخانید. خواهید دید که جهان از این منظر نیز به همان شکل قبلی است؛ این در حالی است که دو بخش متفاوت از جهان ده‌ها میلیارد سال نوری از هم فاصله دارند. حتی تلسکوپ‌های قدرتمندی که از قسمت‌های بزرگی از آسمان تصویربرداری کرده‌اند، نتوانستند انحراف محسوسی از این یکنواختی و همسانی مشاهده کنند. ماهواره‌های فضایی نشان داده‌اند، که تابش ریزموج پس‌زمینه نیز به‌شدت یکنواخت است. به هر طرف که در فضا نگاه کنیم، دمای تابش پس‌زمینه بیشتر از یک هزارم درجه تغییرات ندارد، اما این یک مشکل است. چرا که می‌دانیم سرعت نور، حد نهایی سرعت در جهان است. واضح است که در مدت زمان عمر جهان، نور یا اطلاعات از قسمتی به قسمت دیگر آسمان شب سفر کرده‌اند. به‌طور مثال، اگر در یک جهت خاص به تابش ریزموج نگاه کنیم، متوجه می‌شویم امواج دریافتی بیش از سیزده میلیارد سال است، که از زمان انفجار بزرگ در حال حرکتند. اگر سر خود را بچرخانیم و در جهت مخالف نگاه کنیم، این بار هم با همان تابش ریزموج که بیش از ۱۳ میلیارد سال در حال حرکت بوده است، مواجه خواهیم شد. از آنجا که هر دو دمای یکسانی دارند، حتما در آغاز زمان از نظر دما با هم در تماس بوده‌اند. در این صورت باید اطلاعات از نقاط مقابل هم در آسمان شب، که بیش از ۲۶ میلیارد سال نوری از هم فاصله دارند، از زمان انفجار بزرگ به این سو، مبادله شده باشند.

این وضعیت، در ۳۸۰/۰۰۰ سال بعد از انفجار بزرگ، زمانی‌که تابش پس‌زمینه برای اولین‌بار شکل گرفت، وخیم‌تر نیز می‌شود. اگر به نقاط مقابل هم، در ۳۸۰/۰۰۰ سال پس از انفجار بزرگ در آسمان نگاه کنیم، می‌بینیم که تابش پس‌زمینه تقریبا یکنواخت است. ولی برطبق محاسبات نظریه انفجار بزرگ، نقاط مقابل هم به اندازه ۹۰ میلیون سال نوری از هم فاصله دارند و چاره‌ای نیست، جز اینکه نور باید ۹۰ میلیون سال نوری را در عرض تنها ۳۸۰/۰۰۰ سال پیموده باشد. و این سخن دقیقا بدین معنا است، که اطلاعات باید بسیار سریع‌تر از سرعت نور حرکت کرده باشند، که این امر امکان‌پذیر نیست!

گوث دریافت که در این مورد نیز تورم می‌تواند، کلیدی برای حل این معما باشد. او بیان کرد؛ جهان مرئی ما احتمالا قطعه‌ی کوچکی در گوی آتشین اولیه بوده است. خود این قطعه، از نظر چگالی و دما یکنواخت بوده است. اما تورم، ناگهان این قطعه کوچک از ماده یکنواخت را با ضریبی، بسیار سریع‌تر از سرعت نور، منبسط کرده است. بدین ترتیب جهان مرئی امروزی، به‌شدت یکنواخت به نظر می‌رسد. بنابراین دلیل اینکه چرا آسمان شب و تابش ریزموج تا به این حد یکنواخت هستند، این است که جهان مرئی، زمانی قطعه‌ای کوچک ولی یکنواختی از گوی آتشین اولیه بوده است، که ناگهان متورم شده و به جهان فعلی تبدیل شده است!

تورم آشفته و جهان‌های موازی

لیند نسخه‌ی جدیدی از نظریه تورم را ارائه کرد؛ او جهانی را به تصویر کشید که در آن، در نقاط تصادفی در فضا و زمان، شکست خود به خودی رخ می‌دهد. در هر نقطه‌ای که شکستی رخ می‌دهد، جهانی ایجاد می‌شود که کمی متورم می‌گردد. در اغلب موارد، مقدار تورم کم است. اما از آنجا که این فرایند تصادفی است، درنهایت حتما حبابی وجود خواهد داشت، که در آن تورم به اندازه‌ی کافی طولانی می‌شود، تا بتواند جهان ما را ایجاد کند!

 با استناد به نتایج منطقی چنین ادعایی می‌توان گفت تورم، دائمی و ابدی بوده و انفجار بزرگ همواره در حال رخ دادن است. بنابراین همواره جهان‌های جدیدی از درون دیگر جهان‌ها جوانه می‌زنند. در این تصویر ارائه شده، جهان‌ها می‌توانند از درون جهان‌های دیگر جوانه زده و در نتیجه جهان‌های چندگانه را بسازند.

در این نظریه، شکست‌های خود به خودی ممکن است در هر کجای جهان ما رخ دهند و بنابراین ممکن است که جهان کاملی از درون جهان ما جوانه بزند. حتی خود جهان ما نیز ممکن است از درون جهان قبلی جوانه زده باشد. در مدل تورمی آشفته، وجود جهان‌های چندگانه دائمی و ابدی است؛ حتی اگر تک تک جهان‌ها دائمی و ابدی نباشند.

در نگاه به گذشته، در می‌یابیم که ایده‌ی جهان‌های موازی همواره بر ما تحمیل شده است. در حقیقت می‌توان گفت؛ تورم به‌نوعی ادغام کیهان شناسی مرسوم با پیشرفت‌های اخیر فیزیک ذرات است!

 فیزیک ذرات، به‌عنوان یک نظریه‌ی کوانتومی بیان می‌کند، که احتمال محدود و مشخصی برای وقوع رخدادهای غیرمحتمل وجود دارد؛ درست مانند ایجاد جهان‌های موازی. بنابراین به محض اینکه ما احتمال پیدایش یک جهان را بپذیریم، با این کار در را به روی امکان پیدایش بی‌نهایت جهان موازی گشوده‌ایم. به‌طور مثال، چگونگی توصیف الکترون در نظریه‌ی کوانتوم را نگاه کنید؛ به‌دلیل اصل عدم قطعیت، الکترون نمی‌تواند در هیچ نقطه‌ی مشخصی وجود داشته باشد، اما می‌توان گفت؛ در تمام نقاط محتمل دور هسته وجود دارد. این ابر الکترونی که هسته را احاطه می‌کند، بیانگر حضور الکترون در مکان‌های متعددی در یک زمان است. این مسئله، اصل اساسی علم شیمی محسوب می‌شود که به الکترون‌ها امکان می‌دهد، تا مولکول‌ها را به یکدیگر پیوند دهند. دلیل اینکه چرا مولکول‌ها از هم پاشیده نمی‌شوند، این است که الکترون‌های موازی در اطراف آن‌ها می‌چرخند و آن‌ها را درکنار یکدیگر نگاه می‌دارند. به همین ترتیب، جهان روزی کوچک‌تر از یک الکترون بوده است. زمانی‌که نظریه کوانتوم را در مورد جهان نیز اعمال کنیم، ناچاریم بپذیریم این احتمال وجود دارد که جهان به‌طور همزمان در حالت‌های متعددی وجود داشته باشد. به بیان دیگر، وقتی اعمال تغییرات کوانتومی به جهان را بپذیریم، ناچار مجبور خواهیم شد امکان وجود جهان‌های موازی را نیز بپذیریم، به نظر می‌رسد چاره دیگری نداریم!

جهانی برخاسته از هیچ

ممکن است در نگاه اول، با نظریه جهان‌های چندگانه مخالفت کنیم، زیرا به نظر می‌رسد این نظریه قوانین شناخته شده‌ای مثل قانون بقای ماده و انرژی را به هم می‌ریزد. درواقع، مجموع کل ماده به‌علاوه انرژی در جهان احتمالا خیلی کوچک است. درست است که مقدار ماده موجود در جهان شامل تمام ستارگان، سیارات و کهکشان‌ها مقداری مثبت و بزرگ است، بااین‌حال انرژی ذخیره شده در گرانش، ممکن است منفی باشد. اگر انرژی مثبت ماده را با انرژی منفی گرانش جمع کنیم، نتیجه عددی نزدیک به صفر خواهد بود!

از بعضی جهات می‌توان گفت، چنین جهان‌هایی آزاد هستند. آن‌ها می‌توانند از درون خلا، تقریبا بدون هیچ تلاشی، بیرون بجهند. چرا که اگر کیهان بسته باشد، مقدار انرژی کل آن باید دقیقا برابر صفر باشد! در حقیقت، برای ایجاد جهانی شبیه آن چه که ما درون آن هستیم، ممکن است به مقدار واقعا کمی ماده، شاید به اندازه چند گرم نیاز داشته باشیم. آن طور که گوث می گوید؛

جهان شاید یک نهار مجانی باشد!

 ایده‌ی ایجاد جهان از هیچ، اولین‌بار در سال ۱۹۷۳، طی مقاله‌ای در ژورنال نیچر، توسط ادوارد ترایون، از کالج هانتر دانشگاه سیتی شهر نیویورک مطرح شد. او تصور کرد که جهان چیزی است که به‌دلیل یک تحول کوانتومی در خلا، هرچند وقت یکبار رخ می‌دهد.

دلیل اینکه چرا جهان ما نمی‌چرخد، می‌تواند این باشد که جهان ما از هیچ به وجود آمده است. از آنجا که خلا نمی‌چرخد، انتظار نداریم که هیچ چرخش خالصی در جهان ما به وجود آید. در حقیقت تمام جهان‌های حبابی درون جهان چندگانه، چرخش خالصی برابر صفر دارند!

جهان بیشتر از ماده تشکیل شده است تا ضد ماده. از آنجا که ماده و ضد ماده مخالف هم هستند، ممکن است تصور کنیم که انفجار بزرگ مقادیر برابری ماده و ضد ماده ایجاد کرده باشد. مشکل این است که ماده و ضد ماده در برخورد با هم، یکدیگر را از بین می‌برند و انفجاری از پرتوهای گاما ایجاد می‌کنند. بنابراین ما نمی‌بایست وجود داشته باشیم!

جهان های دیگر چه شکلی دارند؟

ایده‌ی جهان‌های چندگانه جذاب است، زیرا تنها کافی است فرض کنیم شکست‌های خود به خودی، به‌صورت تصادفی رخ می‌دهند و نیاز به هیچ فرض دیگری نیست. هر بار که جهانی، از درون جهان دیگری جوانه می‌زند، ثوابت فیزیکی با اصل خود فرق خواهند کرد و بدین ترتیب قوانین جدید فیزیکی ایجاد می‌شوند. اگر این سخن درست باشد، درون هر جهانی می‌تواند جهان کاملا جدیدی پدیدار شود.

 اکنون سؤال جالبی مطرح می‌شود؛ این جهان‌های دیگر چه شکلی هستند؟

 کلید فهمیدن فیزیک جهان‌های موازی، فهمیدن این موضوع است، که چگونه این جهان‌ها ایجاد می‌شوند، یا به عبارتی فهمیدن دقیق اینکه چگونه شکست‌های خود به خودی رخ می‌دهند.

هنگامی که جهانی زاده می‌شود و شکست خود به خودی رخ می‌دهد، تقارن نظریه اصلی نیز در هم می‌شکند. از نظر یک فیزیکدان، زیبایی یعنی تقارن و سادگی!

 اگر یک نظریه زیبا باشد، بدین معنی است که تقارن نیرومندی دارد، که می‌تواند مقدار زیادی داده را به خلاصه‌ترین روش توضیح دهد. به بیان بهتر، یک معادله زمانی زیبا فرض می‌شود که اگر جای اجزایش را با یکدیگر تعویض کنیم، به همان شکل باقی بماند. یکی از فواید مهم کشف تقارن‌های مخفی طبیعت این است، که می‌توانیم نشان دهیم که پدیده‌هایی که مجزا به نظر می‌رسند، در حقیقت جلوه‌های مختلف از یک چیز هستند، که ازطریق تقارن به هم پیوند خورده‌اند. به‌عنوان مثال، می‌توان نشان داد که الکتریسیته و مغناطیس در حقیقت دو وجه از یک چیز هستند، زیرا تقارنی وجود دارد، که امکان جابه‌جایی آن‌ها را در معادلات مکسول فراهم می‌آورد. به‌طور مشابه، اینشتین نشان داد، که نسبیت می‌تواند فضا را به زمان تبدیل کند و برعکس، زیرا آن‌ها هردو بخشی از یک چیز هستند، یعنی کالبد فضا-زمان!

دانه برفی را در نظر بگیرید که تقارنی زیبا و شش وجهی دارد. زیبایی آن در این است که اگر این دانه برف را ۶۰ درجه بچرخانیم، به همان شکل اول خواهد بود. یعنی هر معادله‌ای که برای توصیف دانه برف می‌نویسیم، با چرخشی برابر با ضرایب ۶۰ درجه، باید بدون تغییر باقی بماند. از نظر ریاضی، می‌گوییم که دانه برف دارای تقارن است!

بنابراین تقارن‌ها زیبایی نهفته طبیعت را رمزگذاری می‌کنند. اما در دنیای واقعی، امروزه این تقارن‌ها به‌شدت شکسته شده‌اند. چهار نیروی عظیم جهان، به هیچ وجه شبیه به هم نیستند. در حقیقت جهان پر از بی نظمی‌ها و نقص هاست. اطراف ما باقی‌مانده‌ها و خرده ریزهایی از تقارن اصلی نخستین وجود دارد، که از انفجار بزرگ ناشی شده‌اند. بنابراین کلید درک مفهوم محتمل جهان‌های موازی، فهم شکست تقارن است، به این معنی که چگونه ممکن است، این تقارن‌ها پس از انفجار بزرگ شکسته شده باشند. آن طور که فیزیکدانی به نام دیوید گراس گفته است؛

با اینکه راز طبیعت، تقارن آن است، ولی آن چه امروزه از بافت و ترکیب فعلی جهان می‌بینیم، همه از شکست تقارن ناشی شده‌اند!

چشمان خود را ببندید و تصور کنید؛ که چگونه یک آینه‌ی زیبا به هزاران قطعه شکسته می‌شود. آینه‌ی اصلی دارای تقارن بزرگی است، اما پس از اینکه قطعه قطعه شد، تقارن اصلی به هم می‌ریزد. تعیین دقیق اینکه تقارن چگونه به هم ریخته است، تعیین می‌کند که آینه چگونه شکسته است!

شکست تقارن

مراحل رشد یک جنین را در نظر بگیرید. در مراحل اولیه، درست چند روز پس از لقاح، جنین به‌صورت کره‌ی کاملی از سلول ها است. سلول‌ها تفاوتی با هم ندارند. از هر طرف که کره را بچرخانیم، به یک شکل دیده می‌شود. فیزیکدانان عقیده دارند، که جنین در این مرحله دارای تقارن است، یعنی آن را حول هر محوری بچرخانیم، یکسان باقی می‌ماند.

گرچه در این مرحله جنین زیبا و ظریف است، ولی تقریبا بلااستفاده است! یک کره‌ی کامل، نمی‌تواند کار مفیدی انجام دهد یا با محیط برهمکنش داشته باشد. به هرحال با گذشت زمان، جنین این تقارن را برهم زده، سر و پیکره‌ی کوچکی می‌سازد.

اگرچه تقارن کروی اولیه، در هم می‌ریزد، اما جنین هنوز دارای تقارن است و اگر آن را دور محور خود بچرخانیم، شکل آن تغییر نخواهد کرد. بنابراین در این مرحله دارای تقارن استوانه‌ای است. از نظر ریاضی می‌گوییم؛ که تقارن اصلی کره، هم‌اکنون به تقارن استوانه‌ای شکسته شده است.

به‌طور مشابه دانشمندان عقیده دارند، که جهان در حالتی از تقارن کامل آغاز شده است و تمام نیروها به یک نیرو منتج شده‌اند. جهان در آن زمان، زیبا و متقارن ولی تا حدودی بلااستفاده بوده است. همان‌طور که می‌دانیم، حیات در این وضعیت بی‌عیب و نقص نمی‌توانست وجود داشته باشد. برای اینکه امکان حیات به وجود آید، زمین باید خنک می‌شد و این دقیقا یعنی تقارن باید شکسته شود!

پیش‌بینی‌های قابل آزمایش

 متأسفانه، در حال حاضر امکان آزمودن نظریه جهان‌های چندگانه، یعنی جهان‌های متعدد با مجموعه‌ی متفاوتی از قوانین فیزیکی، غیرممکن است!

 برای دسترسی به این جهان‌ها، باید بتوان با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کرد. اما یکی از فواید نظریه تورم این است، که پیش‌بینی‌های آن در مورد طبیعت کیهان ما، قابل آزمایش هستند.

از آنجا که نظریه تورم یک نظریه‌ی کوانتومی است، براساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ یعنی اساس نظریه کوانتوم، عمل می‌کند. اگر این مسئله را به گوی آتشین ابتدایی که منشاء انفجار بزرگ بوده است، اعمال کنیم خواهیم دید که انفجار کیهانی اصلی باید افت و خیز کوانتومی داشته باشد، چرا که اگر کاملا بدون افت و خیز بود، آن وقت به دقت می‌توانستیم خط سیر ذرات زیراتمی منتشر شده از انفجار بزرگ را تعیین کنیم، که با اصل عدم قطعیت در تناقض است!

نظریه‌ی کوانتوم، ما را قادر می‌سازد، تا اندازه‌ی این افت و خیزها در گوی آتشین اولیه را محاسبه کنیم. با اعمال تورم به این افت و خیزهای کوچک کوانتومی، می‌توان مقدار کمینه افت خیزهایی را که باید ۳۸۰/۰۰۰ سال بعد از انفجار بزرگ مشاهده شود، محاسبه کرد و اگر ما این افت و خیزها را تا امروز دنبال کنیم، باید به توزیع خوشه‌های کهکشانی برسیم. کهکشان ما، خود در یکی از این افت و خیزهای کوچک ایجاد شده است.

با نگاهی اجمالی به داده‌های ماهواره COBE می‌بینیم؛ که در ابتدا هیچ انحراف یا تحولی در تابش پس‌زمینه ریزموج مشاهده نشد، که این مسئله در میان فیزیکدانان ایجاد نگرانی کرد، زیرا عدم افت و خیز در تابش پس‌زمینه ریزموج، نه‌تنها تورم بلکه اصل عدم قطعیت و در نتیجه کل نظریه‌ی کوانتوم را به هم می‌ریخت و همچنین پایه فیزیک را تا سطوح بنیادی آن تکان می‌داد. بنابراین کل فیزیک کوانتوم قرن بیستم، باید دور ریخته می‌شد!

با نگاهی دقیق‌تر به داده‌های رایانه‌ای ماهواره COBE، مجموعه‌ی نامشخصی از تحولات و افت و خیزها یافت شدند؛ تغییرات دمایی یک در صدهزار، یعنی حداقل مقدار افت و خیزی که نظریه کوانتوم می‌تواند تحمل کند. این افت و خیزهای بی‌نهایت کوچک، با نظریه تورم سازگار بودند!

مراحل تحول جهان

 یافته‌های ماهواره WMAP ، به دانشمندان اطمینان داد که آنان به سمت یک مدل استاندارد کیهان شناسی، پیش می‌روند. اگرچه هنوز شکاف‌های زیادی وجود دارد، بااین‌حال اخترفیزیکدانان با استفاده از داده‌های دریافتی، در حال ترسیم نمای کلی یک نظریه استاندارد هستند. با استفاده از تصاویری که ما امروز درکنار هم قرار می‌دهیم، می‌بینیم که سیر تکاملی جهان، با خنک شدن آن مراحل متفاوت و مستقلی را پیموده است. گذار از این مراحل مختلف، بیانگر به هم ریختن تقارن و تجزیه‌ی یک نیروی واحد طبیعت است. در ادامه، مراحلی که تا به امروز شناخته شده‌اند، از این قرارند:

۱. قبل از (43-) 10 ثانیه، عصر پلانک

 تقریبا هیچ چیز در مورد عصر پلانک مشخص نیست. در انرژی پلانک، نیروی گرانش به اندازه‌ی دیگر نیروهای کوانتومی قوی بوده است. در نتیجه، چهار نیروی جهان احتمالا در یک ابرنیرو متحد بوده‌اند. شاید جهان در فاز کاملی از «هیچ» یا فضای خالی با ابعاد بیشتر، وجود داشته است. تقارن مرموزی که تمام این چهار نیرو را با هم ترکیب می‌کند و باعث تغییرناپذیری معادلات می‌گردد، بیشتر شبیه ابرتقارن است. به دلایل ناشناخته، تقارن مرموزی که تمام چهار نیرو را متحد ساخته، شکسته شده و حباب کوچکی شکل گرفته است. این حباب کوچک همان جهان جنینی ما است، که شاید در نتیجه‌ی یک افت و خیز کوانتومی تصادفی ایجاد شده باشد. اندازه این حباب برابر طول پلانک، یعنی ۱۰ به توان منفی ۳۳ سانتی‌متر بوده است.

 ۲. (34-) 10 ثانیه، عصرگات

 شکست تقارن حبابی به وجود آورد، که به سرعت انبساط یافت. با متورم شدن حباب، چهار نیروی بنیادی به سرعت از یکدیگر جدا شدند. گرانش، اولین نیرویی بود، که از سه نیروی دیگر جدا شد و به این ترتیب موج ضربه‌ای را در سراسر جهان آزاد کرد و تقارن اصلی یا همان ابرنیرو به تقارن کوچک‌تری شکسته شد. برهم‌کنش‌های قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی باقی‌مانده، هنوز ازطریق تقارن گات با هم متحد بودند. جهان در طی این مرحله، به دلایلی که هنوز مشخص نیست، با ضریب بسیار بزرگی، حدود ۱۰ به توان ۵۰ متورم و باعث شد، فضا سریع‌تر از سرعت نور منبسط شود. دما در این حالت برابر ۱۰ به توان ۳۲ درجه بوده است.

۳. (24-) 10 ثانیه، پایان تورم

با جدا شدن نیروی قوی از دو نیروی دیگر، دما به ۱۰ به توان ۲۷ درجه کاهش یافت. دوره‌ی تورم پایان یافت، جهان آرام گرفت و از آن پس با انبساط استاندارد فریدمن به کار خود ادامه داد. در این حالت، جهان مانند سوپ پلاسمای داغ شامل کوارک‌ها، گلئون‌ها و لپتون‌های آزاد بود. کوارک‌های آزاد پس از تراکم به پروتون‌ها و نوترون‌های امروزی تبدیل شدند. جهان ما در این مرحله هنوز بسیار کوچک بود و ابعاد آن تنها به ابعاد فعلی منظومه شمسی می‌رسید. ماده و ضدماده یکدیگر را خنثی کردند، اما مقدار ماده نسبت به ضد ماده کمی بیشتر بود و باعث به وجود آمدن ماده‌ای شد، که امروزه در اطراف خود می‌بینیم.

 ۴. سه دقیقه، شکل گیری هسته‌ها

 دما به اندازه‌ی کافی برای شکل گرفتن هسته‌ها کاهش پیدا کرد. طی فرایند همجوشی، هیدروژن به هلیم تبدیل شد، که نسبت ۷۵ درصد هیدروژن به ۲۵ درصد هلیم را در جهان ایجاد کرد. مقادیر ناچیزی لیتیم شکل گرفت، ولی فرایند همجوشی عناصر بالاتر، به‌دلیل اینکه هسته‌های دارای ۵ ذره خیلی ناپایدار بودند، متوقف شد. جهان به‌دلیل تفرق نور به وسیله الکترون‌های آزاد، غیرشفاف بود. این مرحله، پایان عمر گوی آتشین اولیه محسوب می‌شود.

 ۵.  ۳۸۰/۰۰۰ سال بعد، اتم‌ها متولد می‌شوند!

 دما به ۳۰۰۰ درجه کلوین کاهش یافت. با جای‌گیری الکترون‌ها در اطراف هسته‌ها، اتم‌ها شکل گرفتند؛ بدون اینکه به‌دلیل گرما از هم پاشیده شوند. فوتون‌ها هم‌اکنون می‌توانستند، بدون آن که جذب شوند، آزادانه حرکت کنند. این همان تابشی است که به وسیله COBE و WMAP اندازه‌گیری شده است. جهانی که زمانی مات و مملو از پلاسما بود، حالا شفاف شد. آسمان به‌جای سفید، اکنون سیاه بود!

 ۶. یک میلیارد سال بعد، ستارگان متراکم می‌شوند

 دما به ۱۸ درجه کلوین کاهش یافت. اختروش‌ها، کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی، عمدتا به‌عنوان نتایج فرعی افت و خیزهای کوچک کوانتومی در گوی آتشین اولیه، شروع به تراکم کردند. عناصر سبک، مثل کربن، اکسیژن و نیتروژن در ستارگان ساخته شدند. ستارگان در حال انفجار، عناصر بعد از آهن را در آسمان‌ها پراکندند. این دوره، دورترین دوره‌ای است، که به وسیله‌ی تلسکوپ فضایی هابل تصویربرداری شده و قابل تجسس و بررسی است!

 ۷.  ۶/۵ میلیارد سال، انبساط دسیتر

 انبساط فریدمن به تدریج پایان یافت و سرعت انبساط جهان رو به افزایش گذاشت. به این ترتیب، جهان وارد مرحله‌ای به نام انبساط دسیتر شد. در این مرحله، نیروی مرموز ضدگرانشی که هنوز شناسایی نشده، جهان را به پیش می‌راند.

 ۸. ۱۳/۷ میلیارد سال، امروز!

اکنون دما به ۷/۲ درجه‌ی کلوین کاهش یافته است. ما شاهد جهان امروزی، شامل کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیارات هستیم و سرعت جهان، در یک حالت گریز، رو به افزایش است!

آینده

گرچه امروزه نظریه‌ی تورم قدرت پاسخگویی به چنین محدوده وسیعی از معماهای جهان را دارد، بااین‌حال ثابت نمی‌شود که این نظریه صحیح است.

نتیجه‌ی حاصل از بررسی ابرنواختران، باید بارها و بارها، با درنظر گرفتن پارامترهایی مثل غبار و دیگر ناهنجاری‌ها در تولید ابرنواخترها، بازبینی شود. شواهد قطعی و مسلمی که درنهایت سناریوی تورم را تأیید یا رد می‌کنند، امواج گرانش هستند، که در لحظه‌ی انفجار بزرگ تولید شده‌اند. این امواج گرانش، مانند پس‌زمینه ریزموج، باید همچنان در حال چرخش در کل جهان باشند و ممکن است، ازطریق آشکارسازهای امواج گرانش یافت و شناسایی شوند. تورم، پیش‌بینی‌های مشخصی در مورد این امواج گرانش انجام داده و طبیعتا آشکارسازهای امواج گرانش باید آن‌ها را بیابند.

اما یکی از جذاب‌ترین پیش‌بینی‌های تورم، که نمی‌توان مستقیما آن را مورد آزمایش قرار داد، وجود جهان‌های نوزاد است، که در جهان‌های چندگانه وجود دارند و هر کدام از آن‌ها از مجموعه قوانین فیزیکی کمی متفاوت تبعیت می‌کنند.

اکنون می‌توان بگوییم ما جهان را از پیدایش بررسی و بخش بزرگی از اتفاقاتی که در طول این ۱۳/۷ میلیارد درونش رخ داده است را مطالعه کرده‌ایم.

در قسمت آینده به‌طور مفصل بحث جهان‌های موازی را ادامه می‌دهیم و به مباحث جذابی نظیر سفر در زمان، جهان‌های کوانتومی موازی، نظریه ریسمان و ... خواهیم پرداخت. قسمت بعدی را از دست ندهید!