Cosmology | کیهانشناسی (۳۰)

نویسنده و گردآورنده : شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

خیلی ها از اینکه زمان آغازی داشته باشد، خوششان نمی آید، شاید بخاطر آنکه دخالت ماوراء طبیعت را تداعی میکند.(از سوی دیگر، انفجار بزرگ، فرصتی مناسب برای کلیسای کاتولیک فراهم آورد و در سال ۱۹۵۱، کلیسا این نظریه را موافق با تعالیم انجیل اعلام کرد). بنابراین برخی ها کوشیدند تا از نتیجه گرفتن انفجار بزرگ اجتناب کنند. پیشنهادی که از بیشترین پشتیبانی برخوردار شد، نظریه حالت پایا بود. این نظریه در سال ١٩٤٨ بوسیلۀ دو پناهنده از اطریش تحت اشغال نازیها، بنام هرمان بوندی و توماس گلد به همراه یک انگلیسی بنام فرد هویل که در طول جنگ با آنها روی پیشرفت و بهبود رادار کار کرده بود ، مطرح گردید. بنظر آنان همچنانکه کهکشانها از یکدیگر فاصله میگیرند، پیوسته کهکشانهای جدیدی در شکاف آنان شکل می گیرند که از ماده جدیدی که بطور مداوم خلق می شود، تغذیه میکنند. بنابراین همیشه و در هر نقطه از فضا جهان تقریباً یکسان بنظر خواهد رسید. نظریه حالت پایا لازم می دید که در نسبیت عام اصلاحی صورت گیرد تا خلق مداوم ماده در آن منظور گردد ،اما نرخ بوجود آمدن ماده چنان پائین بود (تقریباً یک ذره در متر مکعب در سال) که در تضاد با آزمایش قرار نمی گرفت. نظریه حالت پایا تئوری علمی خوبی بود زیرا شرطهای فصل اول را برآورده میکرد: ساده بود و پیش بینی های مشخصی میکرد که با مشاهده و آزمایش قابل محک زدن بود. یکی از این پیش بینی ها آن بود که هر زمان و هر کجا که به جهان نگاه کنیم ،شمار کهکشانها یا اشیاء مشابه آن در هر حجم مفروضی از فضا باید یکسان باشد .در اواخر دهه پنجاه و اوایل دهه شصت قرن حاضر، یک بررسی روی امواج رادیوئی که از فضای خارج به ما می رسد، بوسیله گروهی از ستاره شناسان برهبری مارتین رایل (که در طول جنگ با بوندی، گلد و هویل روی رادار مشغول تحقیق بود) در کمبریج انجام گردید. گروه کمبریج نشان داد که بیشتر این منابع امواج رادیوئی باید بیرون از کهکشان ما قرار داشته باشند ( در واقع بسیاری از آنان با کهکشانهای دیگر شناسائی میشوند) و نیز منابع ضعیف بسیار بیشتر از منابع قوی هستند. به تعبیر آنها، منابع ضعیف در دور دست ها قرار دارند و منابع قوی تر در نزدیکی ما واقع شده اند. سپس معلوم شد که تعداد منابع معمولی در هر واحد حجم فضا، برای منبع های نزدیک کمتر از منبع های دور است. می شد نتیجه گرفت که ما در مرکز ناحیه بزرگی از جهان واقع شده ایم که در آن منابع از جاهای دیگر کمتر است. همچنین می شد استنباط کرد که در گذشته، به هنگامی که امواج رادیوئی خاستگاه خود را ترک کردند و بسوی ما براه افتادند، تعداد منابع بیش از زمان حال بوده است. هر یک از این دو تفسیر و توضیح، با پیش بینی های نظریه حالت پایا ناسازگار است. بعلاوه ،کشف تابش میکروموج بوسیله پنزیاس و ویلسون در سال ۱۹۶۵ نیز دلالت بر آن داشت که در گذشته، جهان باید بسیار چگالتر از امروز بوده باشد. بنابراین نظریه حالت پایا بناگزیر کنارگذاشته شد.

  زبان شناسی؛ ادوار تاریخی زبان‌های ایرانی – بخش بیست و سوم

در سال ١٩٦٣ ، کوشش دیگری از سوی دو دانشمند روس بنامهای« یوگنی لیف شیتز» و «ایزاک خالا تنیکوف» بعمل آمد تا از استنتاج یک انفجار بزرگ و بنابراین آغاز زمان، اجتناب شود. آنها بر آن بودند که انفجار بزرگ فقط ویژگی مدل فریدمان است و این مدل تنها تقریبی از جهان میباشد. شاید، از میان همه مدلهایی که کمابیش شبیه جهان واقعی اند، تنها مدل فریدمان دارای تکینگی انفجار بزرگ است. در مدل فریدمان همه کهکشانها مستقیماً از یکدیگر دور می شوند- پس اینکه زمانی در گذشته، همگی در یک نقطه جمع شده باشند، تعجب انگیز بنظر نمی رسد. اما در جهان واقعی، کهکشانها مستقیماً از یکدیگر دورنمیشوند- آنها دارای سرعت های جانبی هم هستند .بنابراین در جهان واقعی هم هرگز لازم نیست در یکجا قرار گرفته باشند، بلکه میتوان گفت روزگاری بسیار بهم نزدیک بوده اند. پس شاید جهان گسترش یابنده کنونی، نه از یک تکینگی انفجار بزرگ، بلکه از یک مرحله انقباضی مقدم بر آن ناشی شده باشد؛ شاید وقتی جهان فروپاشید، اجزاء متشکله آن، همگی با یکدیگر برخورد نکردند، بلکه از از کنار هم گذشته و سپس از  یکدیگر دور شدند و در نتیجه جهان گسترش یابنده ما حاصل گردید. پس چطور میتوان گفت که جهان واقعی با یک انفجار بزرگ آغاز شد؟ آنچه لیفشیتز و خالاتنیکـــوف انجام دادند عبارت از آن بود که مدلهائی از جهان را که تقریباً مانند مدل فریدمان بودند، مورد بررسی قرار دادند اما بی قاعدگیها و سرعتهای تصادفی کهکشانها را نیز مد نظر قرار دادند. آنها نشان دادند که چنین مدلهایی میتوانند با یک انفجار بزرگ آغاز شوند، حتی اگر کهکشانها همیشه کاملا از هم دور نشوند، اما مدعی شدند که این امر تنها در بعضی مدلهای استثنائی ممکن است روی دهد که در آنها کهکشانها همگی بگونه خاصی حرکت میکنند. آنها استدلال کردند که شمار مدلهایی شبیه مدل فریدمان که فاقد تکینگی است، بینهایت بیشتر از مدلهایی است که دارای آنست. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که در واقعیت، انفجار بزرگی رخ نداده است. اما بعداً دریافتند که تعداد بسیار بیشتری مدل دارای تکینگی وجود دارد که در طبقه بندی کلی مدلهای نظیر مدلهای فریدمان می گنجند و در آنها، کهکشانها لزوماً راه خاصی را نباید در پیش بگیرند. پس آنها در سال ۱۹۷۰ از ادعای خود دست برداشتند.

کار لیفشیتز و خالاتنیکوف از آنجا ارزشمند بود که نشان میداد چنانچه نسبیت عام درست باشد، جهان می توانسته است یک تکینگی یا انفجار بزرگ داشته باشد. اما پژوهش آندو به این سؤال حساس پاسخی نداد: آیا نسبیت عام میگوید که جهان باید با انفجار بزرگ شروع و زمان از نقطه ای آغاز شده باشد؟ در سال ۱۹۶۵ ، یک ریاضیدان و فیزیکدان انگلیسی، با رویکردی کاملاً متفاوت، به این سؤال پاسخ داد. راجر پنروز با استفاده از رفتار مخروطهای نوری در نسبیت عام و نیز این واقعیت که گرانش همواره خاصیت جذب دارد، نشان داد که ستاره ای که زیر تأثیر گرانش خود در حال فروپاشی است، در ناحیه ای از فضا بدام می افتد که سطح آن کوچک و کوچکتر میشود تا سرانجام به صفر برسد. و وقتی سطح ناحیه ای به صفر برسد، حجم ان نیز باید صفرشود. تمامی ماده موجود در ستاره باید در ناحیه بحجم صفر فشرده گردد، بنابراین چگالی ماده و انحنای فضا-زمان بینهایت می شود. به سخن دیگر، با تکینگی ای روبرو می شویم که در ناحیه ای فضا- زمان بنام- حفره سیاه- گنجیده است.

  آموزش آشپزی: خورش ریواس با نعناع و جعفری

در نگاه نخست، نظریات پنروز تنها در مورد ستارگان مصداق دارد و سؤال ما را در مورد اینکه آیا تمامی جهان، دارای تکینگی انفجار بزرگ بوده است یا نه، بیجواب می گذارد. با اینهمه، هنگامی که پنروز این قضیه را مطرح ساخت، من دانشجوی در حال تحقیقی بودم و نا امیدانه در بدر بدنبال مسئله ای میگشتم تا تز دکترای خود را کامل نمایم. دو سال قبل از آن، متخصصین تشخیص داده بودند که من مبتلا به ای. ال. اس. یا آنطور که مشهور است مرض لوگهریگ، یا بیماری موتور نورون هستم و بمن فهمانده بودند که یکی دو سال بیشتر زنده نخواهم بود. در چنین شرائطی کار روی تز دکترا چندان محلی از اعراب نداشت. انتظار نداشتم که تا آن هنگام زنده بمانم. با اینهمه دو سال گذشت و حال من آنقدرها هم وخیمتر نشد. در واقع، اوضاع تا حدی هم برای من بر وفق مراد بود. من دختر بسیار زیبائی را بنام جین وایلد  نامزد کردم. اما برای ازدواج کردن احتیاج به شغل داشتم و برای آنکه شغل داشته باشم، احتیاج به دکترا داشتم. در سال ۱۹۶۵ ، درباره قضیه پنروز چنین خواندم که هر جسمی که  متحمل یک فروپاشی گرانشی شود، سرانجام باید تشکیل یک تکینگی بدهد. بزودی دریافتم که اگر جهت زمان در قضیه پنروز برعکس شود، فروپاشی تبدیل به گسترش میگردد و در عین حال شرایط قضیه او همچنان برآورده می شود ،مشروط بر آنکه جهان کنونی ما در مقیاس بزرگ کمابیش مثل مدل فریدمان باشد. قضیه پنروز نشان میداد که سرانجام هر ستاره در حال فروپاشی، لزوماً یک تکینگی است؛ برهان مبتنی بر زمان معکوس نشان میداد که هر جهان در حال گسترش مشابه مدل فریدمان، باید با یک تکینگی آغاز شده باشد قضیه پنروز بدلایل فنی نیاز به جهانی نامتناهی درفضا داشت. با استفاده از آن، میتوانستم ثابت کنم که تنها اگر سرعت گسترش جهان به اندازه ای باشد که از یک فروپاشی مجدد اجتناب کند، تکینگی باید وجود داشته باشد (بدلیل آنکه مدلهای فریدمان که متضمن فضای نامتناهی بودند، فروپاشی مجدد جهان را منتفی میدانستند).

  خاطره‌هایی از علیا حضرت شهبانو فرح - برگزیده شده از کتاب کهن دیارا - ۲

در طول چند سال پس از آن تکنیک های ریاضی جدیدی ابداع کردم که این شرط و دیگر شرایط فنی را از قضیه ها حذف نماید و توانستم ثابت کنم که تکینگیها باید اتفاق بیفتند. نتیجه نهائی مقاله مشترک پنروز و من بود که در سال ۱۹۷۰ منتشر شد و سرانجام ثابت میکرد که اگر نسبیت عام درست باشد و جهان دارای آن مقدار ماده که ما مشاهده میکنیم باشد، باید تکینگی انفجار بزرگ در گذشته اتفاق افتاده باشد. مخالفت های بسیاری با کار ما ابراز شد که بخشی از آن از جانب روسها بود و از باور مارکسیستی آنان به جبر علمی ناشی میشد و بخشی از آن از جانب کسانی بود که فکر تکینگیها را اساساً زشت دانسته و ضایع کننده زیبائی نظریه انشتین می انگاشتند. با وجود این، با یک قضیه ریاضی نمیشود زیاد کلنجار رفت. بنابراین بالاخره نظر ما قبول عام پیدا کرد و امروزه تقریباً هر کسی پذیرفته است که جهان با یک تکینگی انفجار بزرگ آغاز شد. شاید طنز ماجرا آنجاست که حالا من عقیده ام را عوض کرده ام و میکوشم دیگر فیزیکدانان را متقاعد سازم که اصلاً در آغاز جهان تکینگی ای در کار نبوده است ـ بعداً خواهیم دید که در صورتی که تأثیرات کوانتومی را بحساب بیاوریم، تکینگی می تواند ناپدید شود.

در این فصل دیدیم که چگونه در کمتر از نیم قرن، دیدگاه بشر نسبت به جهان که در طول هزاران سال شکل گرفته بود، تغییر یافت. کشف هابل مبنی بر گسترش جهان و آگاهی از جایگاه بی اهمیت سیاره مان در پهنه وسیع جهان، تنها نقطه آغاز بود با افزایش شواهد تجربی و نظری هرچه بیشتر معلوم میشد که جهان باید در زمان، اغازی داشته باشد، تا آنکه در سال ۱۹۸۰ ،پنروز و من براساس نسبیت عام انشتین آن را ثابت کردیم. آن اثبات نشان داد که تئوری نسبیت عام، نظریه ای ناکامل است: نسبیت عام نمی تواند بگوید جهان چگونه آغاز شد، چرا که پیش بینی میکند همه نظریه های فیزیکی، از جمله خودش در ابتدا و آغاز جهان ،توانائی خود را از دست میدهند .با اینهمه نسبیت عام مدعی است که نظریه ای پاره ای میباشد، بنابراین آنچه که قضایای تکینگی واقعاً نشان میدهند آنست که در روزهای آغازین جهان، قطعاً زمانی یافت میشود که جهان بسیار کوچک و خرداست، آنقدر کوچک که دیگر نمی توان از تأثیرات مقیاس کوچک نظریه پاره ای دیگر قرن بیستم، یعنی مکانیک کوانتومی، چشم پوشید. در آغاز دهه هفتاد ،ناگزیر شدیم که سمت و سوی پژوهش برای ادراک جهان را از نظریه اجسام کلان به نظریه اجزاء بسیار خرد برگردانیم. قبل از آن که کوشش هایی را که به منظور وحدت دو نظریه پاره ای و ابداع نظریه کوانتومی گرانش به عمل آمده است، مورد بررسی قرار دهیم، به سراغ مکانیک کوانتوم می رویم.

ادامه دارد…

دیدگاهتان را بنویسید

آرشیو مقالات پیام جوان

هم‌اکنون عضو خبرنامه پیام جوان شوید

Newsletter Payam Javan

همراهان پیام جوان