گردآورنده: شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

تاریخچه زمان

دانشمندی از موسسه تکنولوژی ماساچوست بنام – آلن گوث، در تلاش برای یافتن مدلی از جهان، که در برگیرنده آرایش های آغازین مختلف بسیاری باشد و در تکامل خود به چیزی مثل جهان حاضر بینجامد، اظهار داشت که جهان آغازین ممکن است: یک دوره انبساط بسیار سریع را از سر گذرانده باشد. این گسترش «تورمی» بوده است یعنی روزگاری، «سرعت انبساط» بجای نرخ کاهش یابنده کنونی، روندی شتابان داشته است. بنابه نظر – گوث : شعاع جهان تنها در مدتی بسیار کوتاهتر از یک ثانیه، یک ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون (یک جلویش سی صفر) برابر، شد.

– گوث، بر آن بود که حالت جهان در لحظه آغازین پس از انفجار بزرگ، بس داغ ولی نسبتاً آشفته بود. این درجه حرارت های بالا به معنای آنست که ذرات جهان با سرعتی زیاد حرکت میکردند و انرژی بالایی داشتند. همانطور که پیشتر گفتیم: در چنین انرژیهای بالایی، انتظار می رود که نیروهای «هسته ای قوی و ضعیف» و نیروی«الکترومغناطیسی» همگی به نیروی «واحدی» تبدیل شوند.

با گسترش جهان، درجه حرارت کاهش می یابد و انرژی ذرات کم میشود. سرانجام، آنچه که بنام« فاز انتقالی» نامیده می شود، سرمی رسد و تقارن میان نیروها از بین میرود؛ نیروی قوی از نیروی ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی، متمایز میگردد. یک مثال آشنا از فاز انتقالی، همان یخ بستن آب بهنگام سرما ست. آب مایع متقارن میباشد: در هر نقطه و در هر جهت یکسان است. اما وقتی کریستالهای یخ شکل میگیرند، هر یک وضعیت معینی دارد و رو به سوی خاصی قرار میگیرد. اینچنین تقارن آب شکسته می شود.

اگر آب را بدقت سرما دهیم، میتوانیم فرآیند «ابرسرمایش» را روی آن پیاده نمائیم، یعنی درجه حرارت آنرا به زیر نقطه انجماد ( 0 درجه سانتیگراد) برسانیم بی آنکه یخ تولید شود، –گوث، گفت: که جهان ممکن است رفتار مشابهی داشته باشد و شاید درجه حرارت به زیر مقدار بحرانی رسیده باشد، بی آنکه تقارن بین نیروها از بین رفته باشد. اگر این امر اتفاق افتاده باشد، جهان در حالتی ناپایدار به سر می برده  و نسبت به مدلی که تقارن نیروها شکسته میشود، دارای انرژی بیشتری است. میتوان نشان داد: که این انرژی اضافی ویژه، دارای اثری «پادگرانشی» است. نقش آن درست همانند «ثابت کیهانی» است که انشتین، به هنگامی که می کوشید مدلی« ایستا» از جهان بسازد، وارد نسبیت عام کرد. از آنجا که گیتی طبق مدل انفجار بزرگ در حال گسترش است، تأثیر دفع کننده این ثابت کیهانی، موجب انبساط جهان با سرعتی فزاینده میگردد. حتی در آن مناطقی که بیش از حد میانگین، ذرات مادی در بر داشت، جاذبه گرانشی ماده تحت الشعاع دافعه ثابت کیهانی مؤثر، قرار میگرفت. ازینرو این مناطق نیز بگونه ای تورم آسا و شتاب آلود، گسترش می یافتند. همچنانکه آنها منبسط میشدند و ذرات مادی از یکدیگر فاصله می گرفتند، جهان هنوز در حال «ابرسرمایش» بسر می برد و ذرات مادی چندانی در آن یافت نمی شد. هر نوع ناهمگونی در جهان، صرفاً بخاطر انبساط، برطرف و هموار می شد: مثل چین و چروک بادکنکی که در اثر باد کردن، صاف و هموار میشود. بنابراین، حالت هموار و یکنواخت کنونی جهان می تواند از حالات نایکنواخت آغازین مختلفی، تکامل یافته باشد. در جهانی اینچنین، که یک ثابت کیهانی گسترش آن را شتاب می بخشد و اجازه نمی دهد جاذبه گرانشی ماده سرعت انبساط را کند نماید، نور مجال کافی برای عبور از یک منطقه به منطقه دیگر در روزهای نخستین گیتی، داشته است.

به این ترتیب برای سؤالی که قبلاً مطرح شد، مبنی بر آنکه چرا مناطق مختلف جهان آغازین «خاصیت های یکسانی» دارند، پاسخی بدست آمد. ازین گذشته سرعت گسترش جهان، بطور خودکار، به سرعت بحرانی که توسط چگالی انرژی گیتی تعیین شده، نزدیک شد. این امر بدون نیاز به فرض گزینش بسیار دقیق سرعت گسترش آغازین، توضیح میدهد که چرا سرعت انبساط هنوز اینقدر نزدیک به سرعت بحرانی است.

اندیشه تورم همچنین قادر است توضیح دهد: چرا در جهان اینقدر ماده وجود دارد. در ناحیه ای از فضا که میتوانیم مشاهده کنیم، حدود ده ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون (۱ جلویش هشتاد صفر (ذره، یافت می شود. اینها از کجا پیدایشان شده است؟ پاسخ آنست که در نظریه کوانتوم، ذرات می توانند بصورت زوجهای «ذره / پاد ذره» از انرژی زاده شوند. اما بلافاصله این سؤال پیش می آید که خود انرژی از کجا آمده است؟ در پاسخ باید گفت: انرژی کل گیتی، دقیقاً صفر است. ماده موجود در جهان از انرژی مثبت درست شده است. اما ماده بواسطه گرانش، خود را جذب میکند. دو تکه ماده که نزدیک یکدیگرند، نسبت به وقتی که از یکدیگر دورند، انرژی کمتری دارند زیرا ضمن جدا کردن آنها، باید با صرف انرژی بر نیروی گرانش که آن دو را به سوی هم میکشد، غلبه کرد. بنابراین، به تعبیری میدان گرانشی، انرژی منفی دارد. در جهانی که تقریباً در فضا یکنواخت است میتوان نشان داد که این انرژی منفی گرانشی، انرژی مثبتی را که در قالب ماده وجود دارد، دقیقاً خنثی می کند و بنابراین، انرژی کل گیتی صفر میشود.

خوب، صفر ضربدر دو، باز هم صفر است؛ پس جهان میتواند مقدار انرژی مثبت مادی خود را دو برابر کند و انرژی منفی گرانشی اش را نیز دو برابر سازد، بی آنکه «قانون پایستگی انرژی» را نقض نماید. در گسترش عادی جهان، که همراه انبساط، چگالی انرژی مادی گیتی کاهش می یابد، این امر اتفاق نمی افتد؛ اما در گسترش متورم و شتابنده، این امر رخ میدهد چرا که همزمان با انبساط، چگالی انرژی در حالت «فوق سرمایش» ثابت باقی میماند، وقتی اندازه گیتی دو برابر می شود، انرژی مادی مثبت و انرژی منفی گرانشی هر دو، دو برابر میشوند و انرژی کل صفر باقی می ماند. در فاز تورمی، اندازه جهان به مقدار بسیار زیادی افزایش مییابد. بنابراین، انرژی کل موجود برای ساختن ذرات بسیار زیاد می شود. گوث میگوید:«گفته اند شام مجانی به کسی نمی دهند. اما گیتی خود شام مجانی غایی است.»

هم اکنون جهان به گونه ای« تورمی» در حال گسترش نیست. پس باید سازوکاری وجود داشته باشد که ثابت کیهانی مؤثر بسیار عظیم را حذف کند و نرخ گسترش شتابان را به نرخ کنونی که توسط گرانش کند میشود، تغییر دهد. میتوان انتظار داشت که در گسترش تورمی جهان، عاقبت، تقارن میان نیروها شکسته شود، همانطور که همواره آب پس از « برسرمایش»، سرانجام یخ می بندد. سپس انرژی اضافی حالت تقارن، آزاد می شود و باز جهان را گرم میسازد و درجه حرارت آنرا درست به زیر درجه حرارت بحرانی، مخصوص تقارن میان نیروها میرساند. آنگاه گیتی طبق مدل انفجار بزرگ گرم، به گسترش و سرد شدن ادامه میدهد، با این تفاوت که اینچنین، توضیحی برای گسترش جهان با سرعت بحرانی و یکسان بودن درجه حرارت مناطق مختلف آن، وجود دارد. در طرح پیشنهادی اصلی گوث، فرض بر آن بود که فاز انتقالی، مثل پیدایش بلورهای یخ، در آب بسیار سرد، بناگاه رخ میدهد. اندیشه او به این صورت بود: که «حبابهای» فاز جدید تقارن درهم شکسته، در فاز قدیم شکل میگیرند، مثل حبابهای بخار در میان آب جوشان. حبابها بزرگ شده، به یکدیگر می پیوندند تا آنکه سرانجام تمامی گیتی در فاز جدید قرار گیرد. همانطور که من و چند تن دیگر خاطرنشان کردیم، اشکال کار در آنجاست که حتی اگر حبابها با سرعت نور رشد یابند، باز سرعت گسترش جهان چنان زیاد است که مجال کافی برای پیوستن به حبابها نمی دهد و در واقع آنها از یکدیگر دور میشوند. گیتی در حالتی بسیار نایکنواخت بسر می برد و دربرخی مناطق آن، تقارن میان نیروها همچنان برقرار میماند. این مدل از جهان، با آنچه که مشاهده میکنیم، مطابقت ندارد. در اکتبر ۱۹۸۱، برای شرکت در کنفرانسی پیرامون گرانش کوانتومی، به مسکو رفتم. پس از کنفرانس در مؤسسه اخترشناسی اشترنبرگ، سمیناری داشتم درباره مدل تورمی و مسائل مربوط به آن. پیش از آن، یک نفر دیگر بجای من متن سخنرانی ام را قرائت میکرد، زیرا بیشتر افراد نمی توانند صدای مرا بفهمند، اما فرصت کافی برای تدارک سمینار وجود نداشت. بنابراین خود به سخنرانی پرداختم و یکی از دانشجویان فارغ التحصیل من، حرفهایم را تکرار می نمود. برنامه خوبی از آب درآمد و باعث شد تماس بیشتری با شنوندگان خود داشته باشم. در میان حاضرین، یک جوان روسی بود از مؤسسه لبدوف در مسکو، بنام آندری لیند، او گفت: اگر حبابها آنقدر بزرگ باشند که تمامی منطقه ما در یک حباب واحد بگنجد، مشکل حبابهایی که به یکدیگر نمی پیوندند، برطرف میشود. برای آنکه این فرض درست دربیاید، تغییر از تقارن به شکستن تقارن، درون حباب باید بسیار بکندی انجام پذیرفته باشد، اما طبق نظریه های«بزرگ یکپارچگی»، این امر کاملا امکان پذیر است.

ادامه دارد…