آیا نظریه ی بیگ باونس یا جهش بزرگ می تواند جایگزینی برای بیگ بنگ باشد؟

دانشمندان در شبیه‌سازی‌های جدید کامپیوتری به مدل جدیدی برای آغاز کیهان دست یافته‌اند: جهانی دوره‌ای که هیچ آغاز یا پایانی ندارد.

نظریه‌ی استاندارد کیهانی آغاز جهان را این‌گونه توصیف می‌کند: تقریبا ۱۴ میلیارد سال پیش، انرژی عظیمی از هیچ آغاز شد. در لحظات کوتاهی پس از انفجار، جهان مانند بادکنکی به‌سرعت رشد کرد. انبساط به‌مرور کاهش یافت و نتیجه‌ی آن جهانی شد که امروزه به‌عنوان جهان مسطح می‌شناسیم. ماده‌ها با یکدیگر ترکیب شدند تا جهان نسبتا یکپارچه‌ی کنونی به‌وجود آمد. توده‌های ذرات به‌مرور به یکدیگر پیوستند و کهکشان‌ها و ستاره‌ها را به‌وجود آوردند؛ اما این‌ها فقط بخش کوچکی از داستان کیهان هستند.

نظریه‌ی معروف به تورم کیهانی تا امروز با تمام مشاهد‌ه‌ها منطبق بوده است و برای اغلب کیهان‌شناسان در اولویت قرار دارد؛ اما این نظریه‌ اشکال‌هایی هم دارد. انبساط سریع در اغلب مناطق فضا زمان هرگز متوقف نشده است؛ درنتیجه، نمی‌توان مفهوم چندجهانی را با استفاده از نظریه‌ی تورم کیهانی توصیف کرد. طبق نظریه‌ی چندجهانی (Multiverse)، تعدادی نامتناهی جهان وجود دارد که یکی از آن‌ها خانه‌ی ما است.

نظریه‌ی تورم کیهانی از دیدگاه منتقدان همه‌چیز را پیش‌بینی می‌کند؛ اما درنهایت هیچ نتیجه‌ای ندارد. پاول استینهاردت، معمار و یکی از منتقدان برجسته‌ی نظریه‌ی تورم می‌گوید: ‌«نظریه‌ی تورم کیهانی طبق انتظار عمل نمی‌کند.»

در سال‌های گذشته، استینهاردت و دانشمندان دیگر داستان متفاوتی از آغاز جهان خلق کرده‌اند. آن‌ها ایده‌ی جهان دوره‌ای را مطرح کردند: جهانی که به‌صورت دوره‌ای رشد می‌کند و منقبض می‌شود. آن‌ها امیدوارند بتوانند بازتابی دقیق از جهان مسطح و یکنواخت را بدون رسیدن به انفجار آغازین ارائه دهند. استینهاردت و همکاران او برای رسیدن به این هدف، گروهی از پژوهشگران متخصص درزمینه‌ی مدل‌های محاسباتی گرانشی را گرد آوردند. آن‌ها بررسی کردند که چگونه جهانی در حال فروپاشی می‌تواند ساختار خود را تغییر دهد و درنهایت، متوجه شدند انقباض می‌تواند بر انبساط غلبه کند. صرف‌نظر از اینکه دنیا قبل از انقباض چقدر پیچیده بوده است، انفجار و فروپاشی می‌تواند به محوشدن طیف وسیعی از عناصر آغازین منجر شده باشد.

چشم‌انداز فشرده

در یک‌ونیم سال گذشته، دیدگاه جدید جهان دوره‌ای (ایکپروتیک) حاصل همکاری استینهاردت، آنا ایجاس، کیهان‌شناس فیزیک گرانشی مؤسسه‌ی ماکس پلانک آلمان و دیگر دانشمندان بوده است. آن‌ها در این دیدگاه جهان را بدون نیاز به انفجار بازسازی کردند.

وقتی بحث ارائه‌ی بصری انبساط و انقباض کیهانی مطرح می‌شود، اغلب افراد به جهانی بادکنکی فکر می‌کنند که تغییر اندازه‌ی آن براساس معیار مقیاس تعریف می‌شود؛ اما مقیاس دومی به‌نام شعاع هابل نادیده گرفته می‌شود. براساس معادلات نسبیت عام، این متغیرها به‌طور مستقل به تکامل می‌رسند و می‌توان با تغییر هرکدام به جهانی مسطح رسید.

مورچه‌ای را روی بادکنک در نظر بگیرید. نظریه‌ی تورم کیهانی مانند دمیدن در بادکنک است. باعث می‌شود جهان با تورم به‌شکلی یکنواخت و مسطح دربیاید. در جهان دوره‌ای، هموارسازی و مسطح‌سازی جهان در طول دوره‌ی انقباض رخ می‌دهد. در این دوران، باد بادکنک با سرعتی مشخص و آهسته خالی می‌شود؛ اما افق انقباض نقش اصلی را در این فرایند ایفا می‌کند. افق انقباض مانند این است که مورچه همه‌چیز را از زاویه‌ی ذره‌بینی قدرتمند ببیند؛ بنابراین، جهان او به‌شکلی نامحدود رشد می‌کند.

استینهاردت و همکاران او جهانی را تصور می‌کنند که به‌مدت یک‌تریلیون سال در حال انبساط است و با انرژی میدانی فرضی و فراگیر هدایت می‌شود که بسیاری آن را انرژی تاریک می‌نامند. وقتی این میدان انرژی به‌شکلی پراکنده رشد می‌کند، جهان شروع به انقباض می‌کند. مقیاس انقباض در طول میلیاردها سال همه‌چیز را به‌هم نزدیک‌تر کرده است؛ اما این انقباض به یک نقطه ختم نشده است. تغییر چشمگیر از شعاع هابل سرچشمه می‌گیرد که با سرعت سریعی به‌سمت داخل حرکت کرده و در اندازه‌ی میکروسکوپی کوچک شده است. انقباض جهان به بارداری مجدد میدان انرژی منجر می‌شود که دمای کیهان را افزایش می‌دهد و باعث تجزیه‌ی آن به اتم‌ها می‌شود. در این مرحله، جهشی رخ می‌دهد و دوره‌ای جدید آغاز می‌شود.

در مدل جهش کیهانی، شعاع میکروسکوپی هابل یکنواختی و مسطح بودن کیهان را تضمین می‌کند. درحالی‌که تورم کیهانی می‌تواند نقص‌های زیادی را در نقشه‌ی چندجهانی به‌وجود بیاورد، انقباض آهسته این نواقص را از بین می‌برد و نتیجه کیهانی بی‌آغاز و بی‌انتها و بدون هیچ‌گونه تکینگی در بیگ‌بنگ و هیچ‌گونه چندجهانی است.

از کیهان‌های دیگر تا کیهان ما

یکی از مشکلات هر دو نظریه، ‌یعنی تورم و جهش کیهانی، نمایش صحیح جهان با استفاده از میدان‌های انرژی است. ایجاس اعتقاد دارد: «فلسفه‌ی کار ما این است که هیچ فلسفه‌ای نباید وجود داشته باشد. این نظریه وقتی نتیجه‌بخش است که به‌دنبال شرایط آن نباشیم.»

ایجاس و استینهاردت از نظریه‌ی تورم کیهانی به‌دلیل محدودیتش انتقاد می‌کنند. برای مثال، این نظریه تنها در‌صورتی صدق می‌کند که میدان انرژی آن بدون هیچ خصوصیت چشمگیر و تنها با حرکتی آهسته شکل بگیرد. نظریه‌پردازان چنین موقعیت‌هایی را دقیق بررسی کرده‌اند و محاسبات آن‌ها براساس ریاضیات سنتی انجام شده است. در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری جدید ایجاس و استینهاردت، مدل انقباض آهسته را با مجموعه‌ای از جهان‌های نوزاد آزمایش کردند. این محاسبات از توان محاسبات و ریاضیات کاغذی خارج هستند.

پژوهشگران کد فرانس پرتوریوس را مطابقت دادند. پرتوریوس، فیزیک‌دان تئوری دانشگاه پرینستون و متخصص در زمینه‌ی مدل‌های محاسباتی نسبیت عام است. نتیجه‌ی این تطبیق میدان‌های پیچیده و مواج بود که در جهت مخالف حرکت می‌کردند. در هر نمونه، جهانی مانند جهان ما تولید می‌شد.

کتی کلاف، کیهان‌شناس دانشگاه آکسفورد و متخصص محاسبات عددی نسبیت‌ عام، شبیه‌سازی‌های جدید را بسیار جامع و فراگیر می‌داند. او تأکید می‌کند چنین نتایجی به‌لطف پیشرفت‌های محاسباتی امکان‌پذیر هستند؛ بنابراین، طیف وسیعی از شرایط تورم هنوز در انتظار تحلیل و بررسی به‌سر می‌برند. اغلب کیهان‌شناسان با وجود علاقه به مدل استینهاردت و ایجاس، فعلا مدل تورم کیهانی را در اولویت می‌دانند. گرگوری گابادادز، کیهان‌شناس دانشگاه نیویورک می‌گوید: «نظریه‌ی انقباض آهسته فعلا نمی‌تواند برنده باشد.»

نتیجه‌ی همکاری پژوهشگران، اطلاعات بیشتر درباره‌ی مرحله‌ی جهش است؛ مرحله‌ای پیچیده که نیازمند تعامل جدی پژوهشگران است. درحال‌حاضر، ایجاس صرفا نظریه‌ای را برای جهش توسعه داده است. این نظریه‌ی نسخه‌ی بهبودیافته‌ای از نسبیت عام همراه ‌با تعامل ماده و فضا زمان است. او اعتقاد دارد مکانیزم‌های دیگری هم در این نسخه نقش خواهند داشت. ایجاس به‌زودی برای درک بهتر جزئیات مدل خود، آن را شبیه‌سازی کامپیوتری خواهد کرد.

پژوهشگران امیدوارند پس از چسباندن مراحل انقباض و انبساط به یکدیگر، بتوانند ویژگی‌های منحصر‌به فرد جهان در‌حال‌جهش را شناسایی کنند. هنوز جزئیات کامل مدل کیهانی دوره‌ای محاسبه‌ نشده است؛ اما استینهاردت به مدل جدید و جایگزین‌شدن آن با مدل تورم کیهانی امیدوار است.