چه چیزی پیش از «مهبانگ» وجود داشت؟/ ممکن است مهبانگی در کار نباشد!

«آگوستین» قدیس در پاسخ به این پرسش که خدا قبل از خلقت گیتی به چه ‌کاری مشغول بوده است، می‌گفت: او در حال آماده کردن هیزم جهنم برای کسانی بود که در اسرار الهی فضولی می‌کنند. اما ایده جهنم ظاهرا دانشمندان امروزی را نمی‌ترساند. بسیاری از ما دانشمندان در تلاش هستیم که بفهمیم گیتی واقعا چگونه به وجود آمده است. ممکن است فکر کنید که گیتی با مهبانگ شروع شده است. ۱۰سال قبل، من هم این‌طور فکر می‌کردم. اما از زمانی که فهمیدم این موضوع به‌هیچ‌وجه حل‌وفصل نشده است، انگیزه‌ای شد که در شغلم تغییر رویه داده و کیهان‌شناس شوم، گرچه در همان زمان داشتم دکترایم را در فلسفه فیزیک کوانتومی تمام می‌کردم. آنچه از آن زمان کشف کرده‌ام پشتوانه پاسخ رادیکال جدید به پرسشی بود که «آگوستین» قدیس را آزار می‌داد: «چه چیزی پیش از مهبانگ وجود داشت»؟ پاسخ مهیج به این پرسش ممکن است این باشد که هیچ مهبانگی در کار نبوده است، بلکه گیتی بدون آغاز و پایان، به‌طور مکرر از یک دوره انقباضی به انبساط جهش کرده و دوباره برمی‌گردد.

در دهه ۱۹۲۰، فیزیک‌دان روسی «الکساندر فریدمان» و کشیش و ستاره‌شناس بلژیکی «جورج لومیتر»، به‌طور مستقل پیشنهاد کردند که گیتی در حال انبساط است. «لومیتر» با استدلالی استقرائی عنوان کرد که با عقب رفتن در زمان، بایستی گیتی از یک «اتم اولیه کوچک» آغاز شده باشد. هنگامی ‌که «ادوین هابل» شواهد تجربی قانع‌کننده‌ای به نفع انبساط کیهانی بر اساس مشاهداتش از حرکات کهکشان‌های دوردست تهیه کرد، این قضیه جا افتاد. تئوری انبساط تلویحا می‌گوید که گیتی سرد و پهناوری که امروزه می‌بینیم، در گذشته یک تکه داغ و بسیار کوچک از فضا بوده است. با فرض استدلالی مشابه، با عقب‌رفتن بیشتر در زمان، تکه داغ در نقطه‌ای کوچک و فوق چگال از انرژی جمع می‌شود. این حالت فرضی به مهبانگ ترجمه شده است. اما هیچ مدرکی در دست نیست که این استدلال ساده معتبر است یا اینکه گیتی از این طریق آغاز شده باشد. بااین‌وجود، آغاز گیتی با مهبانگ، دیدگاهی است که استاندارد شده و چنان ریشه دوانده که بسیاری از ما آن را مانند چیزهایی که کودکان یاد می‌گیرند می‌پذیریم، همان‌طور که من هم‌چنین کرده بودم.

یک دلیل خیلی خوب برای بدگمانی به این استدلال استقرائی وجود دارد که به تئوری کوانتومی مربوط می‌شود. هنگامی‌که مهبانگ در فرهنگ عامه وارد شد، قوانین حاکم بر قلمرو زیراتمی به‌خوبی آشکار شده بودند؛ اگرچه این قوانین عجیب‌وغریب بودند. قوانین مکانیک کوانتومی می‌گفتند که ذرات می‌توانند همیشه در درون و برون هستی ظاهر شوند، تا زمانی که به مدت طولانی به هم چسبیده نباشند.

این جست‌وخیزهای همیشگی در مقیاس‌های کوچکی مانند مهبانگ یعنی زمانی که گیتی به‌اندازه یک سر سوزن بود، حائز اهمیت است. هرچه در این نقطه وجود داشت بایستی همیشه دارای نوساناتی تصادفی در انرژی بوده باشد به‌طوری‌که، همچنان که فضا منبسط می‌شد، آن اختلاف‌ها نیز باید گسترش می‌یافتند و سبب عدم تعادل در مقدار انرژی در بخش‌های مختلف گیتی می‌شدند. اما نکته‌ای که وجود دارد این است که: ما چنین عدم تعادلی را نمی‌بینیم.

اگرچه ماده در گیتی امروز به‌صورت تصادفی در دسته‌هایی که آنها را کهکشان می‌نامیم توده شده است، اما وقتی‌که در بزرگ‌ترین مقیاس به گیتی می‌نگریم، توزیع همه اَشکال ماده در سراسر فضا به‌صورت فراوانی هموار است. این یکنواختی نیازمند یک توضیح است. علاوه بر این، به‌طور مشابه، همان نوسانات کوانتومی موجود در مهبانگ، می‌بایست باعث پیچش، انحنا و تاب برداشتن فضا بوده باشند. همچنان که گیتی منبسط می‌شود، این تغییر شکل‌ها نیز باید منبسط شده و در مسیر حرکت نور از میان کیهان، انحرافات شدیدی ایجاد کند. بااین‌حال ستاره‌شناسان هیچ اثری از چنین انحرافاتی نمی‌بینند.

در اوایل دهه ۱۹۸۰ میلادی، فیزیک‌دانان نظری یعنی «آلن گوث»، «آندره لینده»، «آندریاس آلبرشت» و «پائول اشتاین هارت»، ایده‌ای را معرفی کردند که جهت برطرف کردن مسائل مربوط به تئوری مهبانگ طراحی شده بود. آنها پیشنهاد کردند که فقط لحظاتی پس از مهبانگ، گیتی دستخوش یک دوره کوتاه از انبساط سریع معروف به «تورم» شد. بدان معنا که تورم، گیتی را چنان سریع منبسط کرده که هر پیچش، خمیدگی و تاب‌خوردگی را در بافتار فضا-زمان اتو كرده و توزیع همه مواد را در فضا یکنواخت کرده است.

اما تورم نیز مسائل خاص خودش را ایجاد می‌کند. به‌عنوان‌مثال، تورم به میدان فرضی به نام «اینفلَتون» نیاز دارد. این میدان نیز به کلیدی نیاز دارد که در زمان مناسب بسته شده و نیرویی مناسب برای هموار کردن گیتی لازم دارد که تقریبا همیشه ثابت بماند. در سناریویِ مهبانگ، بعید است که تورمی رخ داده باشد، زیرا به علت نوسانات کوانتومیِ زیاد، نیروی میدان اینفلَتون در مناطق مختلف فضا متفاوت خواهد بود نه ثابت. در نتیجه، بیشتر احتمال دارد که اصلا تورمی رخ نداده یا اگر رخ داده، جهت هموار کردن گیتی کافی نبوده و یا منجر به گیتی متفاوت از آنچه ما می‌بینیم می‌شد.

علاوه بر این، در جاهایی که تورمِ قابل‌توجهی وجود دارد، آن نوسانات کوانتومیِ مشکل‌ساز، حاکم شده و از خاتمه یافتن تورم جز در تکه‌های نادری از فضا جلوگیری می‌کنند. در آن مناطق، ویژگی‌های کیهان‌شناختی به‌صورت تصادفی متفاوت و غیرقابل‌پیش‌بینی است. به‌جای گیتی یکنواختی که ما می‌بینیم، حاصل تورم این است که فضا در نهایت به تکه‌هایی نامحدود با خواص مختلف تقسیم می‌شود. این تنوع غیرقابل‌کنترل، جهان‌های چندگانه تورمی نامیده می‌شوند. مجموعه‌ای که در آن هر تعداد از گیتی‌های متفاوت ممکن بوده، ولی باورکردنی نیستند.

اکثر کیهان‌شناسان و ستاره‌شناسانِ امروزی تمایل دارند این موارد را نادیده بگیرند. اما از زمانی که برای اولین‌بار این مسائل را شنیدم، نتوانستم از آنها چشم‌پوشی کنم. برنامه اصلی‌ام کشف روش‌های تثبیت تورم بود، اما بعدها چیز دیگری رخ داد که ذهنم را دگرگون کرد. یکی دیگر از ویژگی‌های کلی تورم که به دلیل نوسانات کوانتومی روی می‌دهد این است که هر جا تورم خاتمه یافت، باید موج‌های کوچکی در بافتار فضا-زمان به وجود آید. این پدیده به امواج گرانشی اولیه مشهور است. این امواج شبیه به امواج کشف‌شده توسط لایگو در سال ۲۰۱۵ نیستند که معمولا با برخورد سیاهچاله‌ها در فضا-زمان به وجود می‌آیند. امواج گرانشی اولیه دارای طول‌موج‌هایی بسیار بزرگ‌تر بوده چنان‌که تنها راه آشکارسازی آنها به‌وسیله اثری است که بر تابش ریزموج پس‌زمینه کیهانی می‌گذارند. این الگوی تابشی گاهی اوقات تصویر کودکیِ گیتی نامیده می‌شود، زیرا تصویری از گیتی، هنگامی‌که ۴۰۰هزار سال سن داشت، ارائه می‌کند. این تصویر ممکن است قدیمی به نظر برسد، اما در قیاس با زندگی یک انسان، مثل تصویر گرفته‌شده از روزهای کودکی‌اش خواهد بود.

ماهواره پلانک متعلق به آژانس فضایی اروپا مدت‌ها بود که نقشه‌برداری از این تابش را با جزئیات کامل به‌منظور یافتن شواهدی از امواج گرانشی اولیه انجام می‌داد. اما در سال ۲۰۱۳، محققان این پروژه اعلام کردند که آنها در یافتن چنین امواجی در سطح مورد انتظارشان شکست خوردند. هنگامی که این خبر را شنیدم، فهمیدم که این به معنی حذف ساده‌ترین نسخه از تئوری تورم است. احساس کردم که تورم، جذابیت خود را به‌عنوان توضیحی ساده از آنچه پس از مهبانگ رخ داده، از دست داده است. بنابراين تصمیم گرفتم که طرح اولیه‌ام را رها کرده و به کاوش در رهیافتی متفاوت نسبت به کیها‌ن‌شناسی بپردازم. ایده‌ای را که تصمیم گرفتم دنبال کنم، همان بود که اولین‌بار توسط «اشتاین هارد» یعنی همان کسی که تورم را پیشنهاد کرده بود، ارائه شد. او نشان داد که تورم یک جایگزین منطقی برای مهبانگ دارد. ممکن است گیتی ما با فروپاشیدن از هیچ شروع نشده باشد. بلکه پس ‌از اینکه گیتی پیشین به‌آرامی در تکه کوچکی از فضا منقبض شد و سپس جهش یافت شروع به انبساط كرد، همان‌طوری که ما امروزه مشاهده می‌کنیم.

جذابیت اصلی این سناریو، فاز طولانی انقباض فوق‌العاده کُند قبل از جهش است. درست همان‌طوری که تورم برای انبساط سریع به فرم خاصی از انرژی (میدان اینفلتون) نیاز داشت، انقباض فوق‌العاده کُند نیز به فرم خاصی از انرژی نیاز دارد که فشار فوق‌العاده زیادی را اِعمال کند. فشار بالا به‌وسیله مقاومتِ فشردگی، انقباض را کند کرده و درعین‌حال تمایل دارد که هرگونه بی‌نظمی در توزیع انرژی در بافتار فضا-زمان را برطرف كند. اما برخلاف فاز تورمی، فاز انقباضِ آرام به شرایط آغازین ویژه‌ای نیاز ندارد. این فاز می‌تواند با روش‌های مختلفی به‌عنوان‌مثال به‌وسیله فروپاشی انرژی تاریک آغاز شود.

در اینجا مزیت جانبی دیگری نیز وجود دارد: در انقباض آرام گیتی سرد، نوسانات کوانتومی در همه زمان‌ها کوچک باقی می‌مانند. بدان معنا که خروجیِ سناریوی جهش برخلاف آشفته‌بازارِ جهان‌های چندگانه تولیدشده توسط نوسانات کوانتومیِ رام‌نشدنی در خلال تورم، معین است. ناکامی از سناریوهای پیشین مدرکی بود مبنی بر اینکه جهش با این خصوصیات واقعا امکان‌پذیر است. اولین گزارش تئوری را در مورد اینکه جهش چگونه می‌تواند روی دهد، سال گذشته منتشر كردم. به‌طور ساده، یک منبع انرژی مفروض را توصیف کردم که انقباض آرامِ گیتی را قبل از جمع شدن در یک نقطه، جایی که در آن اثرات گرانش کوانتومی برجسته می‌شود، به انبساط طولانی‌مدت تبدیل می‌کرد. گیتی که از چنین جهشی بیرون می‌زد دقیقا دارای توزیع یکنواخت انرژی و هندسه تخت فضا-زمان بود، همان‌طوری که امروزه مشاهده می‌کنیم. اکنون به همراه «اشتاینهارد» و «فرانس پرتوریوس» از دانشگاه پرینستون، تکامل گیتی را برای کاوش در آثار برجسته روند انقباض و جهش مدل‌سازی كردم. یکی از پیش‌بینی‌ها این است که انقباضِ فوق‌العاده کُند، امواج گرانشی اولیه قابل‌تشخیصی تولید نمی‌کند. این مسئله با داده‌های پلانک و مشاهدات بعدی همخوانی دارد.

آزمایش‌هاي حساس‌تری در حال راه‌اندازی هستند. مانند رصدخانه سیمونز در صحرای آتاکای شیلی و ماهواره «پرنده روشن» که به‌وسیله آژانس فضایی ژاپن در خلال یک دهه پرتاب می‌شود. اگر آنها امواج گرانشی اولیه را نمایان سازند، ایده انقباض آرام باید اشتباه باشد. اغلب مورد پرسش قرار می‌گیرم که آیا نگران نیستم وقتی‌که ایده‌ام می‌تواند توسط یک آزمایش از بین برود. اما برای من این مسئله مهم است که علم واقعی همه‌چیز را در مورد ایده‌ام مشخص کند، من هیچ راه دیگری را قبول ندارم.

اگر ما اثری از جهش ببینیم، پیامدهای عمیقی به همراه خواهد داشت. گسترش طبیعی بدین معنی است که ما در یک گیتی چرخه‌ای با جهش‌هایی که هر ۱۰۰میلیارد سال يا بیشتر روی می‌دهند، زندگی می‌کنیم. حتی می‌توان یک گیتی بدون آغاز و پایان را متصور شد. هر دوره‌ای از انقباض فوق‌العاده کُند، هرگونه جزئیات ریز از چرخه‌های قبلی را پاک کرده و گیتی را به نقطه جهش با همان شرایطی که چرخه قبل از آن داشته می‌رساند. در نتیجه، همه ویژگی‌های گیتی از جمله دما، تراکم ماده تاریک، ماده معمولی و انرژی تاریک و تعداد ستارگان و کهکشان‌های قابل مشاهده به‌طور میانگین در خلال هر چرخه یکسان خواهند بود. به‌عبارت ‌دیگر، اگر در چرخه قبل در سیاره‌ای مانند زمین زندگی کرده باشید، تقریبا همان خصوصیات اساسی گیتی ما را خواهید دید.

این به‌نوبه خود به یک پیش‌بینی شگرف منجر می‌شود: فاز کنونی گیتی که در آن آهنگ انبساط به‌آرامی شتاب می‌گیرد، به پایان خواهد رسید و گیتی وارد فاز جدید انقباضی خواهد شد. گیتی بعد از آن به سمت یک جهش جدید و فاز انبساطی تازه خواهد رفت. در نتیجه، انرژی تاریک که محرک انبساط شتابدار کنونی است باید تنزل یابد، که ممکن است این مسئله در آزمایش‌هاي آتی قابل‌ردیابی باشد. این امر، به همراه جست‌وجوی امواج گرانشی اولیه، بدان معناست که ممکن است به‌زودی این امکان برای ما فراهم شود که بدانیم آیا گیتی واقعا با یک انفجار شروع شده است یا نه. حدس من این است که داستان بیشتر مدور است.

نه انفجار و نه جهش؟

از مشاهداتمان می‌دانیم فکر می‌کنید که گیتی باید آغازی داشته باشد؟ فیزیک‌دانان ابایی ندارند که به سراغ ایده‌های دست‌نیافتنی بروند.

حالت یکنواخت: بر اساس اين ايده گیتی در حال گسترش است، بنابراين ممکن است این نتیجه‌گیری منطقی به نظر برسد که از یک نقطه تکین گسترش یافته است. اما روش دیگری برای فکر کردن به آن همان‌طور که به‌وسیله کیهان‌شناسی به نام «فرد هویل» در سال ۱۹۴۸ پیشنهاد شد، وجود دارد. اگر همان‌طوری که فضا گسترش می‌یابد ماده جدید به‌طور مداوم خلق شود، هر منطقه جدیدی از فضا مانند هم به نظر خواهد رسید. بر اساس این دیدگاه، برای گیتی آغاز و پایانی نیاز نیست. «هویل» عبارت مهبانگ را جهت تمسخر ایده ستاره‌شناسی به نام «جورج لومیتر» ابداع کرد، اما این عبارت تمسخرآمیز روی این ایده ماند.

پیشنهاد بدون مرز: «استيون هاوکینگ» و «جمیز هولت» نسبتا به‌طور متفاوتی فکر کردند. آنها پیشنهاد کردند همان‌طور که در زمان به سمت مهبانگ به عقب می‌روید و چیزها کوچک و کوچک‌تر می‌شوند، سه بُعد فضا و یک بُعد زمان ضرورتا به چهار بُعد فضایی تبدیل می‌شوند. این بدان معناست که گیتی در آنجا هیچ مرزی نداشته و پرسش از آغاز مهبانگ و پیش از آن بی‌معنی است.

گیتیِ پادماده: «لاتام» و «نیل تاروک» از انستیتوی فیزیک نظری پریمیتر در کانادا عقیده دارند که پیشنهاد بی‌مرزی ناقص بوده و با یک جایگزین با استفاده از ابزار ریاضیاتی مشابه به دست می‌آید. آنها پیشنهاد کردند که گیتی ما می‌تواند تصویر آینه‌ای یک گیتی دیگر باشد. این پاد گیتی در زمانِ قبل از مهبانگ رو به عقب گسترش می‌یابد و همان‌طور که بزرگ‌تر می‌شود تحت سیطره پادماده است.

کیهان‌شناسی گاز ریسمانی: با الهام گرفتن از تئوری ریسمان، «کامران وفا» از دانشگاه هاروارد و «روبرت برندن برگر» از دانشگاه مک گیل کانادا پیشنهاد کردند که گیتی کنونی از یک گاز ابرریسمانیِ برانگیخته‌شده داغ و چگال بیرون زده که گمان می‌رود این گاز اجزای اساسی ماده باشد.

تغییر فاز: بعضی از فیزیک‌دانان معتقدند که خود فضا-زمان باید از ذرات ریزی شبیه به اتم تشکیل شده باشد. پیامد آن به عقیده «دانیل اُریتی» که فیزیک‌دانی در انستیتوی فیزیک گرانشی ماکس پلانک در آلمان است، این است که همان‌طوری که اتم‌ها می‌توانند در فرم‌های جامد، مایع یا گاز خودشان را سازمان‌دهی کنند، ذرات فضا-زمان نیز می‌توانند در فازهای مختلفی یکپارچه شوند. شاید آغاز گیتی نقطه‌ای بود که این ذرات در آن فشرده شده بودند. راجع به اینکه چه چیزهایی قبل از این نقطه به هم شباهت داشته‌اند کسی نمی‌تواند اظهارنظر کند.

آنا ایجاس

ترجمه: سیدامین مهناپور . بهار اسفندیاری