پایان نامه بررسی سیر تحول ستارگان در حوزه علم فیزیک

در 225 صفحه ورد قابل ویرایش 

پیش از انفجار بزرگ

جهان چگونه آغاز شد؟ چنین رویدادی را چگونه می توان تصور كرد؟ امروز بیشتر دانشمندان بر این عقیده اند كه قراین خوبی وجود دارد كه نشان می دهد گذشتة جهان بسیار متفاوت بوده است و همة مادة جهان از انفجاری عظیم نشأت كرده و جهان از آن پس پیوسته انبساط یافته است.

در خیال ، زمان را تا انفجار بزرگ به عقب می بریم و چون به اندازة‌ كافی به عقب باز گردیم ـ یعنی به زمانی پیش از پیدایش كهكشانها كه جهان بسی كوچكتر از حال بود ـ آنچه می بینیم گاز سوزانی از اتمها و فوقونها یعنی ذرات نور است . چون باز هم به عقب رویم، جهان همچنان انقباض می یابد، ذرات گاز به یكدیگر نزدیكتر و در نتیجه برانگیخته تر می شوند و دمایشان افزایش پیدا می كند. هر چه بیشتر به عقب رویم، گاز داغتر و سوزانتر می شود[1]. با افزایش دمای گاز، هر چیز به ذرات تشكیل دهنده اش « ذوب » می شود. اتمها به الكترونها و هسته ها «ذوب[2]» می شوند ؛ هسته ها به پروتونها و نوترونهای سازندة خود تجزیه می شوند و چون دما باز هم افزایش یابد پروتونها و نوترونها به كواركها و گلوئونهایی تجزیه می شوند كه آنها را تشكیل داده اند . جهان در بیشترین دمای ممكن متشكل است از آتشگوی آغازینی از همة ذرات بنیادی. امروزه مطالعة جهان آغازین عبارتست از ساختن مدلهایی ریاضی برای این آتشگوی بر اساس نظریه های جدید ذرات كوانتومی ( ذرات بنیادی ). وقتی كه در سال 1964 آرنو پنزیاس و رابرت ویلسن در آزمایشگاههای بل در نیوجرزی، اشعة میكروموجی باقیمانده از انفجار بزرگ را كشف كردند ، این نظریه سخت تقویت شد. به دنبال این تأیید تجربی، فیزیكدانان و اختر فیزیكدانان نظری با اطمینان به انجام محاسبات پیچیدة خواص انفجار آغازین پرداختند. آنان با استفاده از قوانین شناخته شدة فیزیك هسته ای محاسبه كردند كه چگونه ممكن است عنصرهای شیمیایی ـ هسته های اتمی ـ از آتشگوی آغازینی متشكل از پروتونها و نوترونها بوجود آمده باشد؛ و از روی این محاسبات، فراوانی نسبی عناصر سبك نظیر ئیدروژن، هلیوم و دوتریوم را پیش بینی كردند . این پیش بینی ها دقیقاً با فراوانیهائی كه امروزه مشاهده می شود, وفق می دهد . فكر انفجار بزرگ[3] از بركت این پیش بینیهای موفقیت بار اعتبار زیادی كسب كرد بطوری كه در اوایل دهة 1970 بر نظریه های دیگر مربوط به پیدایش جهان چیره شد. چیزی كه به «مدل متعارف انفجار بزرگ سوزان» معروف شده است نشان دهندة‌ توافق نظر عمومی جدیدی است دربارة وضع جهان آغازین. فرضیة اصلی « مدل متعارف » آن است كه جهان سوزان اولیه به سرعت و بطرزی یكنواخت، در حالیكه دما بطور یكنواخت كاهش پیدا می كرد، انبساط یافت.

هر نظریة موفق معمولاً دیدگاهی تازه را می گشاید و مسائل جدیدی را بهمراه می آورد؛ نظریة انفجار بزرگ نیز از این قاعده مستثنی نیست. دو مسألة چالش طلبی كه این نظریه مطرح می كند عبارتند از «مسأله علیت» و«مسأله تخت بودن فضا».

مسأله علیت این است كه جهان به اندازه ای بزرگ است كه نواحی بسیار دور از هم آن نمی توانند با یكدیگر مرتبط باشند، یعنی بطور فیزیكی با هم به كنش متقابل بپردازند، حتی اگر چنین ارتباطی با سرعت نور ـ بیشترین سرعت ممكن ـ انجام گیرد. اگر جهان 10 تا 15 بیلیون سال پیش (بیشتر تخمینها در این حدودند) بوجود آمده باشد، نور یا هر نوع وسیلة ارتباط دیگر در این مدت نمی تواند مسافت بین دو كهكشان را كه فرضاً بیست میلیون سال نوری ـ رقمی بزرگتر از سن جهان ـ از هم فاصله دارند بپیماید. و اگر قسمتهای مختلف جهان مرئی كنونی نتوانند با هم كنش متقابل داشته باشند، پس چرا این قدر به هم شبیهند؟ منظور از شباهت این است: در هر امتداد كه بنگریم می بینیم كه دمای زمینة میكروموجی یكی است و به هر جا كه نگاه كنیم كهكشانهایی را می بینیم كه با وجود تفاوتهای اندك، اساساً مانند یكدیگرند.

دومین مشكل مدل متعارف انفجار بزرگ، یعنی مسأله تخت بودن فضا، این است كه چرا در زمان حاضر فضای جهان در مقیاسهای بزرگ تا این حد تخت و مسطح است. بنا بر نظریة نسبیت عمومی[4] اینشتاین، فضا می تواند خم شود، و این نكته را آزمایش در همسایگی خورشید تأیید كرده است. اما در پهنه های وسیعتر، مانند فضای میان كهكشانها، انحنای فضایی بقدری كم است كه آن را نمی توان ردیابی كرد. حتی در مقیاس مجموعه های كهكشانی نیز فضا را می توان به تقریب خوب یك فضای تخت اقلیدسی عادی دانست. ولی بنابر افكار متداول در فیزیك نظری و كیهانشناسی، تخت بودن فضا چیزی است فوق العاده نامحتمل و در نتیجه فهم علت آن دشوار است. بسیار محتملتر آن است كه جهان چنان پیچ و تاب یابد و فضایی چنان خمیده را بوجود آورد كه به آنچه دیده می شود شباهتی نداشته باشد .

اینها مسائلی نیست كه مایة‌  نگرانی بیشتر مردم شود، اما اسباب ناراحتی اخترفیزیكدان و كیهانشناس را فراهم می آورد . آلن گوث، فیزیكدانی نظری ، كه اكنون در ام . آی . تی است ، به سال 1981 در نظریه ای كه آن را «جهان متورم» نامید ، پاسخی برای این سؤالها پیشنهاد كرد. نظریة گوث را به حق می توان اولین اندیشة نو كیهانشناسی در چند دهة اخیر دانست .

بنا بر نظریة گوث، تكامل جهان آغازین ـكه گهگاه جهان رویانی نیز نامیده می شودـ انبساطی یكنواخت در گازی سوزان و متشكل از ذرات، نبود. بلكه حالت جهان، در حالیكه هنوز آتشگویی بود، دستخوش تغییر و تحولی بنیادی شد، تحولی كه یك تغییر حالت [5] نامیده می شود. بعد از این تغییر حالت بود كه جهان، در حالت متعارفی انفجار بزرگ سوزان، با انبساطی نسبتاً یكنواخت قرار گرفت. اما پیش از این تغییر حالت، جهان در حالتی بود كاملاً متفاوت موسوم به «حالت متورم » . جهان در این دوران تورم ، دچار انبساطی عظیم شد .

اگر وجود حالت متورم را در زمانی كه دمای جهان یك میلیون بیلیون درجة كلوین بود بپذیریم، می توانیم مسألة علیت را به صورت زیر حل كنیم . در حالت متورم همة نواحی جهان مرئی كنونی ، حتی كهكشانهایی كه اكنون 20 میلیون سال نوری از هم فاصله دارند ، می توانستند از طریق علایم نوری با هم مرتبط باشند . البته جهان در آن زما مانند امروز نبود . كهكشانها وجود نداشتند ، ولی افت و خیزهای كوچكی كه در این گاز ذرات وجود داشت بر یكدیگر اثر می كردند و همین افت و خیزها بودند كه رشد كردند و كهكشانها را بوجود آوردند . پس از تغییر حالت مفروض گوث پیوند این افت و خیزها با یكدیگر از هم گسست و دیگر ارتباط آنها با هم از دوردست به ما می رسد ، آن افت و خیزهای ـ كه اكنون كهكشان شده اند ـ‌ با ما تماس حاصل می كنند .

وجود یك حالت متورم در گذشته این نكته را نیز توضیح می دهد كه چرا در حال حاضر هندسة بزرگ مقیاس جهان اینقدر تخت است . نظریة متعارف انفجار بزرگ ، شرایطی را در جهان آغازین فرض می كند كه تختی كنونی جهان عملاً ناممكن بنظر می رسد . اما فرض تورم گوث، پیوند میان روال كنونی جهان و شرایط اولیه ای را كه برای جهان در نظر می گیریم ، از میان برمی دارد . مطابق نظر گوث هر قدر هم كه در یك مدل ، جهان آغازین ـ ففط یك میلیونیم ثانیة پس از آغاز ـ « به دقت تنظیم شود » . حاصل نهایی جهانی است از لحاظ فضایی تخت ، مشروط بر آنكه در ابتدا تورم بزرگ اقتصادی توسل جست ، تورمی نه ده برابر ، بلكه بیلیونها برابر . در این صورت دیگر فرقی نمی كند كه مردم در آغاز تورم غنی بوده اند یا فقیر . پول همه بی ارزش می شود و هر كس بی چون و چرا ورشكسته است .