نویسنده و گردآورنده : شهرام خبیر
فضا – زمان – حرکت
اینکه از هر سو به جهان بنگریم، آنرا یکسان خواهیم یافت، در وهله اول ممکنست به ما القا کند که موقعیت و مکان ما در جهان دارای خاصیت ویژه ای است. به ویژه اگر همه دیگر کهکشانها از ما دور می شوند، پس شاید به راستی در مرکز عالم واقع شده باشیم.
اما تعبیر دیگری نیز وجود دارد: از هر کهکشان دیگر هم که بر جهان نظاره کنیم، آن را در همه جهات یکسان می یابیم. اگر یادمان باشد، این دومین فرض فریدمان بود. ما تنها از سر فروتنی آنرا قبول میکنیم: چقدر عالی میشد اگر گرداگرد ما و نه هیچ نقطه دیگری غیر از کره زمین، سیمای جهان از همه جهات یکسان بنظر برسد! در مدل فریدمان، همه کهکشانها مستقیماً از یکدیگر دور می شوند. این وضع نسبتاً شبیه بادکنکی است که روی آن خالهایی کشیده باشند و پیوسته در آن بدمند. هر چه بادکنک گسترش می یابد، فاصله میان هر دو نقطه افزایش می یابد اما هیچ یک از خالها را نمیتوان مرکز گسترش و انبساط دانست. به علاوه هر چه خالها از یکدیگر دورتر باشند، با سرعت بیشتری از یکدیگر فاصله میگیرند. در مدل فریدمان نیز سرعت دور شدن دو کهکشان از یکدیگر با فاصله میانشان متناسب است. بنابراین پیش بینی کرد که انتقال به سرخ یک کهکشان مستقیماً متناسب با فاصله آن از ماست، یعنی درست همان چیزی که هابل نشان داد. به رغم موفقیت مدل فریدمان و پیش بینی مشاهدات هابل، کار او تا حد زیادی در غرب ناشناخته باقی ماند تا آنکه در سال ۱۹۳۵ مدلهای مشابهی بوسیله فیزیکدان آمریکایی هاوارد رابرتسن و ریاضیدان انگلیسی آرتور واکر در پاسخ به کشف گسترش و انبساط یکنواخت جهان از سوی هابل، ارائه گردید. هر چند فریدمان تنها یک مدل ارائه داد، اما سه نوع مدل مختلف وجود دارد که بر دو فرض اساسی فریدمان مبتنی اند. در نوع اول (که فریدمان ارائه کرد) جهان با سرعت نسبتاً کمی در حال گسترش است و جاذبه گرانشی بین کهکشانهای مختلف باعث کندی گسترش شده و سرانجام آن را متوقف میسازد. آنگاه کهکشانها بسوی یکدیگر شروع به حرکت میکنند و جهان انقباض مییابد.
شکل ۲-۳ نشان میدهد که چگونه فاصله بین دو کهکشان با افزایش زمان تغییر می کند. از صفر شروع میشود، به بیشترین مقدار خود میرسد و باز به صفر کاهش مییابد. در دومین مدل جهان چنان با آهنگ تند گسترش مییابد که جاذبه گرانشی هرگز قادر به بازداشتن آن از انبساط نیست، هر چند اندکی از سرعت آن میکاهد.
شکل ۳-۳ فاصله میان کهکشانهای همسایه را نشان میدهد: از صفر شروع می شود و سرانجام کهکشانها با سرعتی ثابت از یکدیگر دور می شوند. و بالاخره راه حل سومی نیز وجود دارد که در آن، سرعت گسترش جهان به اندازه ایست که گیتی از فروپاشی بپرهیزد. در این مورد نیز، همانطور که در شکل ۴-۳ نشان داده شده، فاصله از صفر شروع میشود و همواره افزایش می یابد. با اینهمه سرعت دور شدن کهکشانها از یکدیگر کم و کمتر می شود ولی هرگز به صفر نمی رسد. مشخصه بارز اولین نوع مدل آنست که جهان در پهنه فضا، بیکرانه نیست اما فضا خود حد و مرزی ندارد. گرانش چنان نیرومند است که فضا را بدور خود خم کرده و کمابیش چیزی مثل سطح زمین بوجود آورده است. اگر روی سطح زمین در جهت معینی براه بیافتیم هرگز به مانعی غیرقابل عبور یا پرتگاهی بر کرانه آن برنخواهیم خورد، اما عاقبت به همان نقطه شروع خواهیم رسید. در نخستین مدل فریدمان، فضا همچون مثال بالاست اما بجای آنکه مثل سطح زمین دو بعد داشته باشد، سه بعدی است.
بعد چهارم آن یعنی زمان نیز در امتداد خود محدود و معین است اما همچون پاره خطی است که آغاز و انجامی دارد. بعداً خواهیم دید که اگر نسبیت عمومی را با اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی در هم آمیزیم، فضا و زمان، هر دو می توانند معین بوده و در عین حال هیچ انتها و مرزی نداشته باشند.
فکر آنکه انسان بتواند جهان را دور بزند و به همان نقطه شروع خود بازبرسد، برای داستانهای تخیلی علمی بسیار مناسب است اما از اهمیت عملی چندانی برخوردار نیست چرا که میتوان نشان داد که مسافر ما پیش از آنکه یکدور کامل بدور دنیا بزند، جهان فرو خواهد پاشید و اندازه آن به صفر خواهد رسید. اگر بخواهید قبل از آنکه جهان از هم بپاشد به نقطه شروع خود برسید، باید سریعتر از نور حرکت کنید– و این امر مجاز نمی باشد!
در نخستین نوع از مدلهای فریدمان، که منبسط می شود و فرو می پاشد، فضا مثل سطح کره زمین بروی خود خمیده است و بنابراین در امتداد خود متناهی است. در دومین نوع از مدلها، که برای همیشه گسترش می یابد، فضا بگونه ای دیگر و همانند سطح یک زین خمیده است. بنابراین، در این حالت فضا نامتناهی است. سرانجام در سومین نوع از مدلهای فریدمان، که گسترش جهان با سرعت بحرانی انجام میپذیرد، فضا تخت و مسطح ( و در نتیجه نامتناهی) است.
کدامیک از مدلهای فریدمان تصویر واقعی جهان ماست؟ آیا سرانجام جهان از انبساط بازخواهد ایستاد و منقبض خواهد شد یا آنکه برای همیشه منبسط خواهد شد؟ برای پاسخ به این سؤال باید نرخ کنونی انبساط جهان و چگالی متوسط فعلی اش را بدانیم. اگر چگالی از مقدار بحرانی معینی که بوسیله نرخ انبساط تعیین میشود، کمتر باشد، جاذبه گرانشی ضعیف تر از آنست که بتواند گسترش عالم را متوقف کند. اگر چگالی از آن مقدار بحرانی بیشتر باشد، روزی گرانش جهان را از گسترش باز خواهد داشت و باعث فروپاشی آن خواهد گردید.
با اندازه گیری سرعت دور شدن دیگر کهکشانها از ما به کمک اثر دوپلر، می توان نرخ کنونی گسترش جهان را بدقت تعیین کرد. با این همه فاصله ما از دیگر کهکشانها بخوبی بر ما معلوم نیست چرا که تنها بطور غیر مستقیم میتوانیم آنها را اندازه بگیریم. بنابراین همه آنچه که در این باره میدانیم آنست که جهان در هر هزار میلیون سال بین ۵ تا ۱۰ درصد گسترش می یابد.
اما در رابطه با چگالی میانگین کنونی جهان، حتی بیشتر از اینها دچار تردید و ابهام هستیم. اگر جرم همه ستارگان مرئی در کهکشان خود و دیگر کهکشانها را برهم بیافزائیم، حتی برای پائین ترین نرخ گسترش جهان، حاصل جمع از یکصدم مقدار لازم برای توقف انبساط عالم کمتر است. کهکشان ما و دیگر کهکشانها باید دارای مقادیر بسیار زیادی «ماده تاریک» باشند که مستقیماً قابل دیدن نیستند ولی ما از وجودشان اطمینان داریم چرا که جاذبه گرانشی آنها بر مدار ستارگان کهکشانها تأثیر میگذارد. ازین گذشته، بیشتر کهکشانها بصورت خوشه ای هستند و به روشی مشابه می توان استنتاج کرد که مقادیر باز هم بیشتری ازین ماده تاریک میان کهکشانها، در این خوشه ها نهفته است. چون همه این مواد تاریک را با هم جمع کنیم، هنوز یک دهم مقدار لازم برای توقف گسترش جهان را داریم. اما بهرحال نمی توان امکان وجود اشکال دیگری از ماده را منتفی دانست، ماده ای که تقریباً بصورت یکنواخت در سراسر جهان توزیع شده و هنوز هویت آن بر ما آشکار نشده است. در این صورت چگالی میانگین جهان بالا خواهد رفت و به آن مقدار بحرانی که برای توقف گسترش گیتی لازم است، خواهد رسید. از این رو شواهد کنونی حاکی از آنست که احتمالا جهان برای همیشه منبسط خواهد شد، اما چیزی که میتوان با اطمینان پذیرفت آنست که حتی اگر قرار است جهان از هم بپاشد، دست کم برای یک ده هزار میلیون سال دیگر، از هم نخواهد پاشید، زیرا حداقل برای مدت مشابهی در حال گسترش بوده است. لازم نیست بی جهت دلواپس شویم: مدتها قبل از آن زمان، نژاد بشر، همزمان با خاموشی گرفتن خورشید. نابود خواهد شد مگر آنکه جائی بیرون از منظومه شمسی برای اسکان پیدا کرده باشد!
تمام راه حلهای فریدمان متضمن آنند که در گذشته های دور (بین ده تا بیست هزار میلیون سال قبل) فاصله میان کهکشانهای مجاور باید صفر بوده باشد. در آن هنگام که انفجار بزرگ می نامیمش، چگالی جهان و انحنای فضا– زمان بی نهایت بود. از آنجا که ریاضیات نمی تواند آنطور که باید و شاید به اعداد بی نهایت بپردازد، میتوان نتیجه گرفت که نظریه نسبیت عام (که مدلهای فریدمان بر بنیان آن شکل گرفته اند) پیش بینی می کند که نقطه ای در جهان هست که در آن نظریه خود در میماند و در هم می شکند.
این نقطه نمونه ایست از نقاطی که ریاضی دانان تکینگی مینامند. در واقع همه نظریه های علم بر اساس این فرض بنا شده اند که فضا –زمان هموار و تقریباً تخت و صاف میباشد، بنابراین در تکینگی انفجار بزرگ که انحنای فضا –زمان بی نهایت میشود، تئوریهای علمی در هم می شکنند. معنای این سخن آنست که اگر رویدادهائی هم پیش از انفجار بزرگ رخ داده باشد، نمیتوان برای تعیین حوادث آینده از آنها بهره گرفت، چرا که قابلیت پیش بینی در انفجار بزرگ در هم میشکند. مشابه آن، اگر از رویدادهای پس از انفجار بزرگ آگاه باشیم، باز نمیتوانیم به حوادث پیش از آن پی ببریم. تا آنجا که به ما مربوط میشود، حوادث پیش از انفجار بزرگ بدون پیامد می باشند بنابراین نمی توانند بخشی از مدل علمی جهان را تشکیل دهند. ازینرو باید آنها را از مدل خود خارج سازیم و بگوئیم که زمان با انفجار بزرگ آغاز می شود.
ادامه دارد…
