دانشمندان در یکقدمی تعیین منشأ زمان، فضا و خودِ حیات
كشف راهي براي آزمایش «تورم کیهانی»
ترجمه: منصور نقیلو
براساس مدل کیهانشناسی بیگبنگ، جهان ما 13.8 میلیارد سال پیش به وجود آمد؛ یعنی زمانی که تمامی ماده و انرژی موجود در جهان شروع به انبساط و گسترش کرد. باور بر این است که این دوره تورم کیهانی در پیدایش ساختار بزرگمقیاس جهان نقش دارد و دلیل اصلی برای یکنواختیِ فضا و پسزمینه ریزموج کیهانی (CMB) در همه جهات است. به گزارش بیگبنگ، با این حال، تا امروز، شواهدی کشف نشده است که بتواند سناریوی تورم کیهانی را تصدیق کرده یا نظریههای جایگزین را رد کند. اما به پاس یکی از مطالعات جدید توسط تیمی از اخترشناسان دانشگاه هاروارد و مرکز اخترفیزیک هاروارد- اسمیتسونیان، دانشمندان احتمالا راهی برای آزمایش یکی از بخشهای کلیدی مدل کیهانشناسی بیگبنگ پیدا کردهاند.
مقاله آنها با عنوان «آثار منحصربهفرد راههای جایگزین برای تورم در طیف قدرت ازلی»، اخیرا به صورت آنلاین منتشر شد و انتظار میرود روزهای آینده در «Physical Review Letters» منتشر شود. «ژیانگ چن» سخنران ارشد و محقق در دانشگاه هاروارد، «آبراهام لئوب» رئیس بخش اخترشناسی دانشگاه هاروارد و «ژونگ ژی ژیانیو» دانشجوی مقطع فوق دکترا در دپارتمان فیزیک دانشگاه هاروارد در این مطالعه نقش اساسی داشتند. در کیهانشناسی فیزیکی، نظریه تورم کیهانی بیان میکند که ۱۰ به توان منفی ۳۶ ثانیه پس از بیگبنگ، تکینگی (که در آن، همه ماده و انرژی متمرکز شده بود) شروع به گسترش و انبساط کرد. به گفته دانشمندان این دوره تورم ۱۰ به توان منفی ۳۳ تا ۱۰ به توان منفی ۳۲ ثانیه پس از بیگبنگ هم تداوم داشته است؛ پس از آن، روند انبساط جهان با سرعت آهستهتری ادامه پیدا کرد.
طبق این نظریه، انبساط اولیه جهان سریعتر از سرعت نور بود. (این موضوع ناقض گفته اينشتین نیست که هیچ چیز نمیتواند سریعتر از نور حرکت کند، زیرا این فضای خالی است که انبساط مییابد و تنها برای اجرام مادی است که سد سرعت نور نمیتواند شکسته شود-م) این نظریه که میگوید چنین دورهای وجود داشته، برای کیهانشناسان مفید است زیرا در پاسخ به این سؤال که چرا جهان تقریبا در مناطقی که فاصله خیلی زیادی از همدیگر دارند، شرایط یکسانی دارد، میتواند کمکكننده باشد. اصولا اگر کیهان از حجم اندکی از فضا که بعدها دچار تورم و انبساط شد، نشئت گرفته باشد، میتواند توضیح دهد که چرا ساختار بزرگمقیاس جهان، تقریبا یکنواخت و همگن است. با این حال، قطعا این تنها توضیح برای شرایط فعلی جهان نیست و از دیرباز هیچکس توان مردوداعلامکردن این دسته از توضیحات را نداشته است.
پروفسور آبراهام لئوب گفت: «اگرچه بسیاری از ویژگیهای مشهود ساختارهای درون جهان ما با سناریوی تورم سازگار هستند، اما مدلهای تورم بسیاری وجود دارد که رد آن را با دشواری همراه ميكند. البته تورم منجر به پیدایش مفهوم چندجهانی هم شده است. بر اساس آن، هر چیزی که میتواند اتفاق بیفتد، به تعداد بینهایت اتفاق خواهد افتاد و رد این نظریه از طریق آزمایش کاری غیرممکن است. در حال حاضر، سناریوهای متعددی وجود دارد که شامل تورم نیستند و در آنها، جهان ابتدا دچار انقباض شده و سپس به جای شروع در بیگبنگ، جهش میکند. این نظریهها میتوانند با مشاهدات فعلی تورم مطابقت داشته باشند».
آبراهام لئوب و همکارانش یک راه مستقل را برای تفکیک تورم از سناریوهای جایگزین ارائه کردند. اساسا، پیشنهاد آنها اینطور است که میدانهای عظیم در جهان ازلی دچار نوسانهای کوانتومی و اختلالهای چگالی میشود و میتواند مقیاس جهان اولیه را بهطور مستقیم به عنوان تابعی از زمان ضبط کند. این میادین به عنوان نوعی ساعت استاندارد جهان عمل میکنند. محققان با اندازهگیری سیگنالهایی که احتمال میدهند از این میدانها نشئت گرفته باشند، این فرضیه را مطرح کردند و کیهانشناسان دیگر میتوانند تشخیص دهند که آیا تغییر در چگالی در طول مرحله انبساط به وقوع پیوسته است یا در طول مرحله انقباض. بنابراين آنها میتوانند نظریههای جایگزین برای تورم کیهانی را به شیوه مؤثری کنار بگذارند. لئوب در اين باره گفت: «در بیشتر سناریوها، داشتن یک میدان خیلی بزرگ در جهان اولیه، امری طبیعی به شمار میرود. اختلال در این میدان در یک مقیاس فضایی ویژه مانند توپی که در چاهی به بالا و پایین میرود، نوسان میکند؛ طوری که جرم، فراوانی نوسانات را تعیین میکند. اما تکامل اختلالها به مقیاس فضایی مورد نظر و همچنین ضریب مقیاس پسزمینه نیز بستگی دارد که به صورت
نمایی در طول مدلهای تورم افزایش مییابد».
به گفته آبراهام لئوب، این اختلالها میتوانند منبع تغییرات چگالی باشند که اخترشناسان در جهان امروز مشاهده کردند. اینکه تغییرات فوق چگونه شکل میگیرند، میتواند با مشاهده جهان پسزمینهای مشخص شود؛ بهویژه این مسئله که جهان در حال انبساط بوده است یا انقباض. به طور خلاصه، لئوب و همکارانش موفق به شناسایی سیگنال بالقوهای شدند که میتواند با ابزارها و دستگاههای امروزی مورد اندازهگیری قرار گیرند. از این دستگاهها برای مطالعه تابش پسزمینه ریزموج کیهانی استفاده شده است. البته میتوان از یکسری تلسکوپهایی هم که برای مطالعه کهکشان از آنها استفاده میشود، در این راستا بهره برد مثل تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT)، تلسکوپ «Dragonfly» (ارائه تلسکوپی مخابره عکس از راه دور سنجاقک) و... .
لئوب در پایان خاطرنشان کرد: «این سیگنال نوسانی جدید در طیف قدرت اختلالهای چگالی ازلی قرار دارد، اختلالهایی که بهطور عادی از پسزمینه ریزموج کیهانی یا بررسیهای کهکشانی اندازه گرفته میشوند. اما پیشنهادات قبلی در مقالهها به اثراتی مرتبط با غیرگائوسی اشاره میکنند که اندازهگیری آنها چالشهای متعددی را به همراه دارد. نتایج مطرحشده در مقاله ما بسیار بهموقع بهدست آمدهاند، زیرا مجموعه دادههای منبسط در مشاهدات جدید در حال جمعآوری هستند».
درک چگونگی آغاز جهان شاید اساسیترین پرسش در علم و کیهانشناسی باشد. اگر با بهکارگیری روش مذکور در این مطالعه، بتوان توضیحات جایگزین برای چگونگی آغاز جهان را مردود اعلام کرد، ما یک گام به تعیین منشأ زمان، فضا و خودِ حیات نزدیکتر خواهیم شد. شاید پرسشهای زیر سرانجام با قطعیت پاسخ داده شوند: «ما از کجا آمدهایم؟» و «جهان چگونه آغاز شد؟». جزئیات بیشتر این پژوهش در arxiv.org منتشر شده است.
www.sciencealert.com
براساس مدل کیهانشناسی بیگبنگ، جهان ما 13.8 میلیارد سال پیش به وجود آمد؛ یعنی زمانی که تمامی ماده و انرژی موجود در جهان شروع به انبساط و گسترش کرد. باور بر این است که این دوره تورم کیهانی در پیدایش ساختار بزرگمقیاس جهان نقش دارد و دلیل اصلی برای یکنواختیِ فضا و پسزمینه ریزموج کیهانی (CMB) در همه جهات است. به گزارش بیگبنگ، با این حال، تا امروز، شواهدی کشف نشده است که بتواند سناریوی تورم کیهانی را تصدیق کرده یا نظریههای جایگزین را رد کند. اما به پاس یکی از مطالعات جدید توسط تیمی از اخترشناسان دانشگاه هاروارد و مرکز اخترفیزیک هاروارد- اسمیتسونیان، دانشمندان احتمالا راهی برای آزمایش یکی از بخشهای کلیدی مدل کیهانشناسی بیگبنگ پیدا کردهاند.
مقاله آنها با عنوان «آثار منحصربهفرد راههای جایگزین برای تورم در طیف قدرت ازلی»، اخیرا به صورت آنلاین منتشر شد و انتظار میرود روزهای آینده در «Physical Review Letters» منتشر شود. «ژیانگ چن» سخنران ارشد و محقق در دانشگاه هاروارد، «آبراهام لئوب» رئیس بخش اخترشناسی دانشگاه هاروارد و «ژونگ ژی ژیانیو» دانشجوی مقطع فوق دکترا در دپارتمان فیزیک دانشگاه هاروارد در این مطالعه نقش اساسی داشتند. در کیهانشناسی فیزیکی، نظریه تورم کیهانی بیان میکند که ۱۰ به توان منفی ۳۶ ثانیه پس از بیگبنگ، تکینگی (که در آن، همه ماده و انرژی متمرکز شده بود) شروع به گسترش و انبساط کرد. به گفته دانشمندان این دوره تورم ۱۰ به توان منفی ۳۳ تا ۱۰ به توان منفی ۳۲ ثانیه پس از بیگبنگ هم تداوم داشته است؛ پس از آن، روند انبساط جهان با سرعت آهستهتری ادامه پیدا کرد.
طبق این نظریه، انبساط اولیه جهان سریعتر از سرعت نور بود. (این موضوع ناقض گفته اينشتین نیست که هیچ چیز نمیتواند سریعتر از نور حرکت کند، زیرا این فضای خالی است که انبساط مییابد و تنها برای اجرام مادی است که سد سرعت نور نمیتواند شکسته شود-م) این نظریه که میگوید چنین دورهای وجود داشته، برای کیهانشناسان مفید است زیرا در پاسخ به این سؤال که چرا جهان تقریبا در مناطقی که فاصله خیلی زیادی از همدیگر دارند، شرایط یکسانی دارد، میتواند کمکكننده باشد. اصولا اگر کیهان از حجم اندکی از فضا که بعدها دچار تورم و انبساط شد، نشئت گرفته باشد، میتواند توضیح دهد که چرا ساختار بزرگمقیاس جهان، تقریبا یکنواخت و همگن است. با این حال، قطعا این تنها توضیح برای شرایط فعلی جهان نیست و از دیرباز هیچکس توان مردوداعلامکردن این دسته از توضیحات را نداشته است.
پروفسور آبراهام لئوب گفت: «اگرچه بسیاری از ویژگیهای مشهود ساختارهای درون جهان ما با سناریوی تورم سازگار هستند، اما مدلهای تورم بسیاری وجود دارد که رد آن را با دشواری همراه ميكند. البته تورم منجر به پیدایش مفهوم چندجهانی هم شده است. بر اساس آن، هر چیزی که میتواند اتفاق بیفتد، به تعداد بینهایت اتفاق خواهد افتاد و رد این نظریه از طریق آزمایش کاری غیرممکن است. در حال حاضر، سناریوهای متعددی وجود دارد که شامل تورم نیستند و در آنها، جهان ابتدا دچار انقباض شده و سپس به جای شروع در بیگبنگ، جهش میکند. این نظریهها میتوانند با مشاهدات فعلی تورم مطابقت داشته باشند».
آبراهام لئوب و همکارانش یک راه مستقل را برای تفکیک تورم از سناریوهای جایگزین ارائه کردند. اساسا، پیشنهاد آنها اینطور است که میدانهای عظیم در جهان ازلی دچار نوسانهای کوانتومی و اختلالهای چگالی میشود و میتواند مقیاس جهان اولیه را بهطور مستقیم به عنوان تابعی از زمان ضبط کند. این میادین به عنوان نوعی ساعت استاندارد جهان عمل میکنند. محققان با اندازهگیری سیگنالهایی که احتمال میدهند از این میدانها نشئت گرفته باشند، این فرضیه را مطرح کردند و کیهانشناسان دیگر میتوانند تشخیص دهند که آیا تغییر در چگالی در طول مرحله انبساط به وقوع پیوسته است یا در طول مرحله انقباض. بنابراين آنها میتوانند نظریههای جایگزین برای تورم کیهانی را به شیوه مؤثری کنار بگذارند. لئوب در اين باره گفت: «در بیشتر سناریوها، داشتن یک میدان خیلی بزرگ در جهان اولیه، امری طبیعی به شمار میرود. اختلال در این میدان در یک مقیاس فضایی ویژه مانند توپی که در چاهی به بالا و پایین میرود، نوسان میکند؛ طوری که جرم، فراوانی نوسانات را تعیین میکند. اما تکامل اختلالها به مقیاس فضایی مورد نظر و همچنین ضریب مقیاس پسزمینه نیز بستگی دارد که به صورت
نمایی در طول مدلهای تورم افزایش مییابد».
به گفته آبراهام لئوب، این اختلالها میتوانند منبع تغییرات چگالی باشند که اخترشناسان در جهان امروز مشاهده کردند. اینکه تغییرات فوق چگونه شکل میگیرند، میتواند با مشاهده جهان پسزمینهای مشخص شود؛ بهویژه این مسئله که جهان در حال انبساط بوده است یا انقباض. به طور خلاصه، لئوب و همکارانش موفق به شناسایی سیگنال بالقوهای شدند که میتواند با ابزارها و دستگاههای امروزی مورد اندازهگیری قرار گیرند. از این دستگاهها برای مطالعه تابش پسزمینه ریزموج کیهانی استفاده شده است. البته میتوان از یکسری تلسکوپهایی هم که برای مطالعه کهکشان از آنها استفاده میشود، در این راستا بهره برد مثل تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT)، تلسکوپ «Dragonfly» (ارائه تلسکوپی مخابره عکس از راه دور سنجاقک) و... .
لئوب در پایان خاطرنشان کرد: «این سیگنال نوسانی جدید در طیف قدرت اختلالهای چگالی ازلی قرار دارد، اختلالهایی که بهطور عادی از پسزمینه ریزموج کیهانی یا بررسیهای کهکشانی اندازه گرفته میشوند. اما پیشنهادات قبلی در مقالهها به اثراتی مرتبط با غیرگائوسی اشاره میکنند که اندازهگیری آنها چالشهای متعددی را به همراه دارد. نتایج مطرحشده در مقاله ما بسیار بهموقع بهدست آمدهاند، زیرا مجموعه دادههای منبسط در مشاهدات جدید در حال جمعآوری هستند».
درک چگونگی آغاز جهان شاید اساسیترین پرسش در علم و کیهانشناسی باشد. اگر با بهکارگیری روش مذکور در این مطالعه، بتوان توضیحات جایگزین برای چگونگی آغاز جهان را مردود اعلام کرد، ما یک گام به تعیین منشأ زمان، فضا و خودِ حیات نزدیکتر خواهیم شد. شاید پرسشهای زیر سرانجام با قطعیت پاسخ داده شوند: «ما از کجا آمدهایم؟» و «جهان چگونه آغاز شد؟». جزئیات بیشتر این پژوهش در arxiv.org منتشر شده است.
www.sciencealert.com