شکل هندسی کیهان چیست؟

حدود ۲۵۰۰ سال پیش انسان‌ها متوجه شدند سیاره زمین گرد است، اگرچه، برخی از زمین تخت‌گرایان هنوز این موضوع را انکار می‌کنند. با‌این‌حال، شکل کیهان هنوز مشخص نیست.

مطالعات گذشته نشان داده‌اند کیهان احتمالا شکل نسبتا ساده‌ای دارد و مثلا شبیه سطح کروی سه‌بعدی یا صفحه‌ای سه‌بعدی است. اما به‌گفته‌ی کیهان‌شناسان گروه «همکاری برای رصدها، مدل‌ها و پیش‌بینی‌های ناهنجاری‌ها و توپولوژی کیهانی» یا به اختصار کامپکت، این دیدگاه ممکن است اشتباه باشد. آن‌ها در مقاله‌ای که آوریل ۲۰۲۴ منتشر شد، نشان دادند شکل کیهان ممکن است به‌طرز چشمگیر پیچیده‌تر از چیزی باشد که قبلا تصور می‌شد.

زمین هم در نگاه اول صاف به‌نظر می‌رسد. علت آن است که شعاع زمین به حدی بزرگ است که به سختی می‌توان انحنای آن را درک کرد. برای اثبات این موضوع که زمین کروی است، باید شروع به قدم زدن کنید. اگر به‌طور مستقیم به پیش حرکت کنید و از روی کوه‌ها و اقیانوس‌های سر راه خود عبور کنید، به نقطه شروع باز خواهید گشت.

کیهان‌شناسان سرنخ‌های مشابهی را برای تعیین شکل گیتی جمع‌آوری می‌کنند. آن‌ها می‌توانند سفینه فضایی را به فضا بفرستند تا با عبور از کیهان شکل آن را شناسایی کند یا اینکه می‌توانند به آسمان شب نگاه بیندازند و آثار قدیمی‌ترین نوری را که از اعماق کیهان به ما می‌رسد، بررسی کنند.

این نور قدیمی که به «تابش زمینه کیهانی» معروف است،  حدود ۳۰۰ هزار سال پس از بیگ‌بنگ (مِه‌بانگ) ایجاد شد. اگرچه فوتون‌ها پیش از آن وجود داشتند، ماده سازنده جهان اولیه به‌حدی متراکم بود که ذرات نور نمی‌توانستند آزادانه حرکت کنند. اما پس از انبساط اولیه جهان به اندازه کافی سرد شد و فوتون‌های نور توانستند آزادانه در آن حرکت کنند.

فوتون‌های دوران اولیه کیهان به‌شکل تابش پس‌زمینه کیهانی به ما می‌رسند و تقریبا الگوی نور قدیمی یکسانی از هر گوشه کیهان به سمت ما می‌آید. این تابش‌ها سرنخ‌هایی از شکل کیهان به ما می‌دهند. برای مثال، اگر انحنای کیهان در نقطه‌ای تغییر کند، تابش زمینه کیهانی به شکلی که می‌بینیم، همگن نخواهد بود. بنابراین، کارشناسان فرض می‌کنند کیهان یا به شکل یکدست منحنی یا کاملا مسطح است.

تصور اینکه کیهان هیچ انحنایی نداشته باشد، دشوار است. به همین دلیل است که استفاده از مثال‌های دوبعدی در این زمینه مفید است.

شکل کیهان برای اینکه با الگوهای همگن تابش زمینه کیهانی سازگار باشد، می‌تواند مانند ورقه کاغذی صاف (بدون انحنا) باشد، حالت سه‌بعدی یک سطح کروی را داشته باشد (انحنای مثبت) یا نوعی سطح زین‌مانند سه‌بعدی (انحنای منفی) را تشکیل دهد. در هر سه مورد، انحنا در همه جا ثابت است. اما هنوز مشخص نمی‌شود کیهان در کل به چه شکل است. برای مثال، فضا می‌تواند به شکل یکنواخت انحنا داشته باشد و دارای حفره نیز باشد.

توپولوژیست‌ها اشکال هندسی را براساس طبقه‌بندی‌های تقریبی مانند تعداد حفره‌های درون آن‌ها دسته‌بندی می‌کنند تا فهرستی از اشکال را ایجاد کنند. کیهان‌شناسان می‌خواهند یکی از این اشکال را به کیهان اختصاص دهند.

همان‌طور که ریاضیدانان ثابت کرده‌اند، تعداد بی‌نهایتی از دسته‌بندی‌های مختلف (توپولوژی) از سطوح سه‌بعدی خمیده وجود دارد. بنابراین، اگر فضازمان واقعاً به شکل کروی یا زین‌مانند باشد، از دیدگاه تئوری، کیهان می‌تواند هر شکلی به خود بگیرد. با‌این‌حال، مشاهدات کیهان‌شناسی که تاکنون به دست آمده است، به جهانی مسطح و بدون انحنا اشاره دارد. اگر این موضوع درست باشد، جستجو برای توپولوژی کیهان محدود می‌شود و همان‌طور که ریاضیدانی به نام گریگوری پرلمان در سال ۲۰۰۳ استنباط کرد، فهرست سطوح سه‌بعدی صاف فقط شامل ۱۸  دسته‌بندی می‌شود.

شکل کیهان احتمالا با یکی از  ۱۸ شکلی که پرلمان پیشنهاد کرد، مطابقت دارد. یک مورد، آنالوگ سه‌بعدی یک ورق کاغذ است. البته، کیهان می‌تواند حفره‌هایی نیز داشته باشد. در میان ۱۸ توپولوژی، معادل سه‌بعدی سطح دونات‌مانند، ساختاری معروف به چنبره است.

گرچه دونات در نگاه اول انحنادار به نظر می‌رسد، درواقع صاف است و شکل دونات را می‌توان با استفاده از یک ورق کاغذ انعطاف‌پذیر ایجاد کرد. برای انجام این کار، ابتدا دو سمت بلند ورقه را به هم بچسبانید و لوله بلندی ایجاد کنید. سپس لوله را خم کرده و دو دهانه را بهم نزدیک کنید.

طرح فوق مزیت‌های زیادی دارد. برای مثال اگر بخواهید حرکت یک مورچه را روی دونات توصیف کنید، معمولا تصور ورقه کاغذ مستطیلی آسان‌تر است. حشره روی تکه‌ای کاغذ راه می‌رود و وقتی به لبه می‌رسد، وارد سمت دیگر کاغذ می‌شود (شبیه بازی معروف مار که در گوشی‌های قدیمی وجود داشت). اگر مورچه در خط مستقیم حرکت کند، درنهایت به نقطه شروع باز خواهد گشت.

اگر کیهان به شکل چنبره باشد، عواقب مشهودی خواهد داشت. برای مثال، اگر نورافکنی را به سمت آسمان بتابانیم، از دیدگاه تئوری، درست مانند مورچه روی کاغذ که به نقطه آغاز خود بازمی‌گردد، نور پس از مدتی دوباره به ما می‌رسد. چنین حلقه‌هایی در بیشتر ۱۸ توپولوژی مختلف وجود دارد. این‌ها مسیرهایی هستند که به نقطه شروع خود بازمی‌گردند.

در نگاه اول، به‌نظر نمی‌رسد حلقه‌ها با مشاهدات ما مطابقت داشته باشند. اگر نور به‌طور متناوب از فضا عبور کند، باید چندین نسخه از جهان را در آسمان شب ببینیم. البته، ممکن است جهان ما چنان بزرگ باشد که نور هنوز فرصت کافی برای عبور از آن و سپس رسیدن به نقطه شروع نداشته باشد.

نکته قابل‌توجه این است که چنین حلقه‌های عظیمی آثاری از خود بر جای می‌گذارند. برای مثال، شکل کیهان بر نحوه تعامل ماده و نور در جهان اولیه تاثیر داشته است. اگر کیهان حفره‌ها و بنابراین حلقه‌هایی داشت، این واقعیت باید در داده‌های تابش پس زمینه کیهانی منعکس می‌شد. با‌این‌حال، در جستجوهای دهه ۲۰۰۰ و ۲۰۱۰ کارشناسان چیزی پیدا نکردند. بنابراین، بیشتر کیهان‌شناسان معتقدند کیهان ساختار نسبتا ساده‌ای داشته است.

تیم کامپکت آخرین داده‌های تابش پس زمینه کیهانی را با توپولوژی‌های مختلف کیهان مقایسه کرد و به نتایج شگفت‌انگیزی دست پیدا کرد. این گروه از پژوهشگران کشف کردند که در مطالعات گذشته بسیاری از انواع توپولوژی‌هایی که ممکن است بتوانند شکل کیهان را توصیف کنند، نادیده گرفته شدند. پژوهشگران همچنین نشان دادند علاوه بر حلقه‌ها، ردپای دیگری در تابش پس‌زمینه کیهانی وجود دارد که حاکی از توپولوژی‌ پیچیده‌تر است.

پژوهشگران پس از تجزیه‌وتحلیل خود سه توپولوژی را به‌عنوان شکل احتمالی کیهان پیشنهاد می‌کنند: چنبره معمولی و دو نسخه اصلاح‌شده سه‌بعدی از آن که در آن‌ها وجه‌های مکعب پیش از چسبیدن به هم پیچ خورده‌اند. هر سه نمونه حفره دارند.

در ارتباط با چنبره معمولی، پژوهشگران تایید کردند که اگر کیهان چنبره‌شکل باشد، حلقه‌ها باید به اندازه‌ای بزرگ باشند که نور هنوز موفق نشده است به ما برسد.

نکته جالب این بود که ایده نرسیدن نور به خاطر بزرگ بودن حلقه‌ها ممکن است درمورد اشکال اصلاح‌شده صدق نکند. محاسبات پژوهشگران نشان می‌دهد حلقه‌های این اشکال ممکن است به‌طور قابل‌توجهی کوتاه‌تر از چیزی باشند که براساس داده‌های گذشته فرض شده بود.

درمجموع، یافته‌های جدید نشان می‌دهد شکل کیهان ممکن است خیلی پیچیده‌تر از چیزی باشد که قبلا تصور می‌شد و این امر پیامدهایی گسترده‌ای خواهد داشت.

شکل کیهان فقط پرسشی آکادمیک نیست. توپولوژی فضا-زمان احتمالا به‌وسیله‌ی فرایندهای کوانتومی که اندکی پس از بیگ‌بنگ اتفاق افتاد، تعیین شد. اگر درباره شکل جهان اطلاعات بیشتری داشته باشیم، ممکن است بتوانیم درمورد فرایندهای پیچیده‌ای که در آغاز جهان رخ داد، اطلاعات بیشتر به دست آوریم.