الکساندر فریدمن، یک قرن پیش انبساط جهان را پیش‌بینی کرد

به‌مدت هزاران سال، جهان رازهای خود را از علم مخفی کرده بود. یونانیان باستان تصور می‌کردند جهان کره‌ای متشکل از ستاره‌های ثابت است که کره‌های کوچک‌تر حامل سیاره‌ها را احاطه کرده‌اند و در مرکز آن‌ها زمین قرار دارد. حتی کوپرنیک که در قرن شانزدهم میلادی زمین را با خورشید جایگزین کرد، جهان را منظومه‌ی خورشیدی واحدی می‌پنداشت که با کره‌ای خارجی انباشته از ستاره احاطه شده است.

در قرن‌های بعد، جهان بخشی از گستردگی خود را آشکار کرد؛ ولی بعدها مشخص شد جهان حاوی بی‌شمار ستاره است که به‌شکل خوشه‌های ستاره‌ای بزرگ یا کهکشان‌های کنونی گردهم آمده‌اند. سپس در اواخر دهه‌ی ۱۹۲۰، یکی از رازهای مهم کیهانی آشکار شد: انبساط کیهانی. در‌واقع، جهان نه‌تنها موجودیتی ایستا و ثابت و ابدی نیست؛ بلکه به‌صورت پیوسته در حال انبساط است.

رصد کهکشان‌های دوردست نشان داد این اجرام در حال فاصله‌گرفتن از یکدیگر هستند؛ درنتیجه، کیهان فعلی وارد فاز بالغی از جهان اولیه‌ای شده است که میلیاردها سال پیش از نقطه‌ی کوچک و متراکمی از انرژی متولد شد. انبساط جهان شگفتی‌ای بود که پایه‌های علم را لرزاند و پنداشت‌های فلسفی مربوط به وجود را رد کرد و دوره‌ای جدید را در کیهان‌شناسی رقم زد که همان مطالعه‌ی جهان بود. دراین‌میان، شگفتی بزرگ‌تر این بود که این گمانه‌زنی‌ها را ریاضی‌دانی مطرح کرد که تخصصش پیش‌بینی وضعیت آب‌وهوا بود.

در سال ۱۹۲۲، الکساندر فریدمن چند تاریخچه‌ی محتمل از جهان را ارائه کرد. انبساط کیهان یکی از آن‌ها بود.

یک قرن پیش در می ۱۹۲۲، الکساندر فریدمن، ریاضی‌دان و کارشناس هواشناسی، مقاله‌ای را براساس نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین نوشت که در آن، چند تاریخچه‌ی محتمل از جهان را پیش‌بینی کرده بود. یکی از این احتمالات، انبساط کیهان بود که از نقطه‌ای واحد آغاز می‌شود. بدین‌ترتیب، فریدمن حتی بدون درنظرگرفتن شواهد نجومی، نظریه‌ی مدرن بیگ‌بنگ را درباره‌ی تولد و تکامل جهان پیش‌بینی کرد. ولادیمیر سولویو، فیزیک‌دان روسی، در مقاله‌ای جدید اعلام کرد:

چشم‌انداز جدید جهان را فریدمن آشکار و به مبنای کیهان‌شناسی مدرن تبدیل کرد.

فریدمن در آن زمان شناخته‌شده نبود. در سال ۱۹۱۰، او از دانشگاه سن‌پترزبورگ روسیه در رشته‌‌های ریاضی و فیزیک فارغ‌التحصیل شد و در همان دانشگاه، کاربرد ریاضی در هواشناسی و متغیرهای جوّی را بررسی کرد. همچنین، از تخصص خود برای کمک به نیروی هوایی روسیه در جنگ جهانی اول استفاده و با بهره‌گیری از ریاضیات، نقطه‌ی بهینه‌ی آزادسازی بمب‌ها بر سر اهداف دشمن را پیش‌بینی کرد.

فریدمن پس از جنگ، مشغول یادگیری نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین شد که گرانش را ابزاری برای توصیف هندسه‌ی فضا یا به‌طور دقیق‌تر فضا‌زمان می‌داند. در نظریه‌ی اینشتین، جرم به خمیده‌شدن فضازمان منجر می‌شود و خمیدگی فضا زمانی را ایجاد می‌کند که عامل جذب اجرام به‌سمت یکدیگر است.

همچنین، فریدمن تحت‌تأثیر مقاله‌ی ۱۹۱۷ اینشتین و مقاله‌ی مشابهی از ویلم دی‌سیتر قرار گرفت که نظریه‌ی نسبیت عام را بر کل جهان پیاده‌سازی کرده‌ بود. اینشتین متوجه شد که معادله‌های اصلی او در شرایط انقباض یا رشد جهان صدق می‌کنند؛ اما این مسئله را غیرمنطقی می‌دانست؛ درنتیجه، اصطلاحی موسوم به نیروی دافعه را ارائه کرد که به‌عقیده‌ی او، اندازه‌ی کیهان را ثابت نگه می‌دارد. اینشتین به این نتیجه رسید که فضا منحنی فضایی مثبتی (مثل سطح یک توپ) است؛ ازاین‌رو، نشان می‌دهد جهان موجودیتی محصور یا متناهی است.

فریدمن اصطلاح جدید موسوم به ثابت کیهانی را پذیرفت؛ اما به این مسئله اشاره کرد که برای مقادیر مختلف این ثابت و فرض‌های دیگر، جهان می‌تواند رفتارهای متفاوتی را نشان دهد. جهان ایستای اینشتین نمونه‌ای خاص بود؛ زیرا جهان می‌تواند برای همیشه منبسط یا برای مدتی منبسط شود. سپس تا نقطه‌ای منقبض شود و دوباره انبساط را از سر بگیرد.

مقاله‌ی فریدمن با عنوان «روی خمیدگی فضا» جهان‌های متغیر را توصیف می‌‌کند. این مقاله در ۲۹ ژوئن ۱۹۲۲ برای انتشار در مجله‌ی معتبر Zeitschrift fur Physik پذیرفته شد. اینشتین با این نظریه مخالفت کرد. او یادداشتی را در مخالفت با این نظریه به مجله‌ی یادشده فرستاد و مدعی شد که فریدمن مرتکب خطای ریاضی شده است؛ اما منشأ این خطا خودِ اینشتین بود. او بعدها تأیید کرد که ریاضیات فریدمن صحیح بوده است؛ اما در‌عین‌حال معتقد بود این نظریه فاقد اعتبار فیزیکی است.

در‌هر‌صورت فریدمن بر نظریه‌ی خود پافشاری کرد. او فقط ریاضیدانی نبود که به مفاهیم فیزیکی مقاله‌ی خود بی‌توجه باشد؛ بلکه درک عمیقش از رابطه‌ی بین معادله‌ها و جوّ او را به این نتیجه رساند که ریاضیات مفهومی فیزیکی دارد. او حتی کتابی با عنوان «جهان به‌مثابه فضا و زمان» نوشت که در آن، به‌صورت عمیق به رابطه‌ی بین ریاضیات هندسه‌ی فضایی و حرکت بدنه‌های فیزیکی اشاره کرده بود.

به‌گفته‌ی فریدمن، منظور از بدنه‌های فیزیکی جهان هندسی است که دانشمندان براساس آن دنیاهای هندسی مختلفی را بررسی می‌کنند که قابلیت سکونت‌پذیری دارند. همچنین به‌دلیل رابطه‌ی ریاضی فیزیک، می‌توان ازطریق بررسی تجربی دنیای فیزیکی به هندسه‌ی جهان هندسی پی برد. درنتیجه، وقتی فریدمن به راه‌‌حل‌هایی برای معادله‌های اینشتین رسید، آن‌ها را به مفاهیم فیزیکی محتمل برای جهان تبدیل کرد.

جهان براساس معیارهای مختلف از یک نقطه یا احتمالاً از یک وضعیت اولیه‌ی متناهی و کوچک منبسط شده است. طبق یکی از فرضیه‌های فریدمن، جهان با سرعتی کندشونده انبساط خود را آغاز کرده؛ اما سپس به نقطه‌ی عطف رسیده است. در این نقطه، انبساط با سرعت بیشتری ادامه پیدا کرده است. ستاره‌شناسان در انتهای قرن بیستم با اندازه‌گیری درخشش ابرنواخترهای دوردست به نیروی دفع کننده پی بردند. این یافته به‌اندازه‌ی کشف انبساط کیهانی شوک برانگیز بود؛ اما فریدمن آن‌ را سال‌ها قبل پیش‌بینی کرده بود.

در سال ۱۹۲۹، ادوین هابل گزارش داد که کهکشان‌های دوردست با سرعت بیشتری درمقایسه‌با کهکشان‌های نزدیک از یکدیگر دور می‌شوند. این یافته‌ی مهم نشان داد که جهان در حال انبساط است.

بی‌شک درک عمیق فریدمن از مسئله‌ی سینرژی ریاضیات و فیزیک ذهن او را برای فرضیه‌ی انبساط جهان آماده کرد. گرچه او اولین دانشمندی بود که به‌صورت جدی فرضیه‌ی جهان در حال انبساط را ارائه کرد، اولین نفر نبود. تقریباً ۷۵ سال قبل از مقاله‌ی فریدمن، ادگار آلن پوِ شاعر رساله‌ای به نام یورکا (Eureka) منتشر کرد. در این رساله، پو به تاریخچه‌ی جهان در حال انبساط از انفجار ذره‌ای آغازین اشاره کرده بود. پو حتی جهان در حال رشد و انقباض مجدد آن به یک نقطه را شرح داده بود که مشابه یکی از سناریوهای فریدمن بود.

معادلات بنیادی فریدمن مبنایی برای نظریه‌های کیهان‌شناسی فعلی درباره‌ی بیگ‌بنگ و جهانی با انبساط سریع است. او ایده‌ی بنیادی کیهان‌شناسی مدرن را معرفی کرد؛ جهانی متغیر که به صورت‌های مختلف به تکامل می‌رسد.

افزون‌براین، فریدمن تأکید می‌کرد که دانش نجومی عصر او برای آشکارکردن تاریخ‌های ریاضی احتمالی جهان ناکافی است. امروزه، دانشمندان داده‌های بیشتری دراختیار دارند و احتمالات را به‌گونه‌ای محدود کردند که ریاضیات فریدمن را تأیید می‌کنند. فریدمن آن‌قدر زنده نماند که بتواند ثمره‌ی کارهایش و حتی اولین شواهد انبساط جهان را ببیند. در سال ۱۹۲۵، او بر‌اثر تب حصبه در ۳۷ سالگی درگذشت. به‌گفته‌ی همسرش، او این نقل‌قول دانته را دوست می‌داشت: «آب‌هایی که در حال ورود به آن‌ها هستم، هنوز کسی از میانشان عبور نکرده است.»