کاروتک

تکنولوژی و علمی

تلویزیون و سینما

تلویزیون کاروتک

امواج گرانشی چگونه می‌توانند توضیح دهند که جهان ما با پایان یافتن جهانی دیگر آغاز شده است؟

این‌که چگونه یک جهان می‌تواند از هیچ ساخته شود، شاید بزرگ‌ترین معمای مربوط به بیگ‌بنگ یا همان انفجار بزرگ باشد. پذیرفته‌شده‌ترین نظریه آغاز جهان، بیان می‌کند که جهان ابتدا به‌عنوان یک نقطه بی‌نهایت کوچک و بی‌نهایت متراکم به‌وجود آمد و سپس به سمت بیرون منبسط شد و سرد شد تا به کیهان مدرن و امروزی تبدیل شود. اما علت این رویداد در حدود 14 میلیارد سال پیش چه بوده است؟

این سوال حتی پرسیدن آن اشتباه است؛ اگر بیگ‌بنگ زمان را به وجود آورده است، همان‌طور که تفکر متعارف می‌گوید، ما نمی‌توانیم در مورد قبل یا علت‌ رخ دادن انفجار بزرگ صحبت کنیم. زیرا این‌ها مفاهیمی هستند که تنها در صورتی معنا پیدا می‌کنند که زمان از قبل وجود داشته باشد.

راجر پنروز، یکی از هم‌کاران قدیمی استیون هاوکینگ، معتقد است که یک تئوری برای پاسخ دادن به تمامی این سوالات گنگ و مبهم وجود دارد. علاوه بر این، اخترشناسان ممکن است شواهدی برای تأیید درست بودن تئوری او پیدا کرده باشند. نظریه او «کیهان‌شناسی چرخه‌ای منسجم (CCC)» نامیده می‌شود و می‌گوید که تولد جهان ما، حاصل مرگ یک جهان دیگر است. به‌عبارت دیگر، زمان قبل از بیگ‌بنگ وجود داشته است.

معمای بزرگ

به گفته پنروز، یک معمای بزرگ وجود دارد که هیچ کیهان‌شناسی در حال حاضر به آن نمی‌پردازد: چگونه جهان اولیه در بیگ‌بنگ، از برخی جهات، بسیار شبیه وضعیتی بود که جهان امروزی است؟ به‌طور مثال، هم در جهان اولیه و هم جهان امروزی، جرم سهم کم‌تری از کل انرژی جهان دارد.

برای محاسبه انرژی جنبشی یا انرژی حرکت، جرم را نصف می‌کنیم و آن را در سرعت آن ضرب می‌کنیم. در اولین لحظات پس از بیگ‌بنگ، زمانی که کیهان بسیار داغ بود، ذرات با سرعت شگفت‌آوری در اطراف پرواز می‌کردند. این بدان معنا است که سرعت آن‌ها بیش‌ترین سهم را در انرژی کل جهان داشته است، نه جرم ذره.

همین موضوع را می‌توان به آینده کیهان نیز ربط داد؛ در سال 1998، فیزیک‌دانان به یک کشف بسیار بزرگ دست یافتند: جهان با سرعت فزاینده‌ای در حال انبساط است؛ این بدان معناست که در هر لحظه‌ای که می‌گذرد، جهان با سرعت بیش‌تری بزرگ‌تر می‌شود؛ درست مانند بادکنکی که نقاطی را روی آن مشخص می‌کنیم و سپس آن را باد می‌کنیم. دانشمندان انتظار داشتند که با کاهش قدرت بیگ‌بنگ، سرعت انبساط کیهان کند‌تر شود و شاید حتی شروع به کوچک‌تر شدن کند. بنابراین، برای این‌که انبساط دوباره شتاب بگیرد، اخترشناسان معتقد بودند که باید یک چیز نامرئی وجود داشته باشد که به‌عنوان انرژی تاریک شناخته می‌شود و همه چیز را از هم جدا می‌کند. در نهایت، تمام مواد موجود در جهان به قدری از هم جدا می‌شوند که جرم دوباره به یک عامل بی‌اهمیت در انرژی کلی کیهان تبدیل می‌شود.

در هر دو جهان اولیه و جهان امروزی، جهان در نهایت تحت سلطه نور خواهد بود برای فوتون (ذره بدون جرم نور) زمان و طول وجود ندارد. در واقع، اگر شما سوار یک فوتون شوید، در کم‌ترین زمان ممکن می‌توانید در تمام نقاط جهان مرئی سفر کنید؛ این بینش، کلید اصلی تئوری پنروز است.

پنروز گفت که در هر دو جهان، میزان بزرگ بودند کیهان مشخص نیست. تا آن‌جا که به جهان اولیه مربوط می‌شود، ما می‌دانیم آغاز آن با دمای بسیار زیاد همراه بوده است؛ ولی از نظر فیزیکی، با آینده سرد و عظیم جهان‌ امروزی یکسان است. این موضوع به‌خودی‌خود، آن‌چنان بحث‌برانگیز نیست؛ اما پنروز یک قدم فراتر می‌رود. او می‌گوید که جهان امروزی، در آینده‌ای دور تبدیل به یک انفجار بزرگ دیگر می‌شود و یک جهان اولیه دیگر را پدید می‌آورد. اما در این بین، یک سوال بسیار مهم مطرح می‌شود: قبل از انفجار بزرگ چه اتفاقی افتاده است؟

به گفته پنروز، یک جهان به پایان می‌رسد و از مرگ آن یک جهان دیگر به‌وجود می‌آید. پنروز هر دوره را یک «عصر» می‌نامد. هر عصر بدون نیاز به شروع اولیه در زمان بیش‌تر و بیش‌تر به عقب می‌رود. از برخی جهات، این بازگشت به مدل حالت پایدار است که قبل از انفجار بزرگ در اواسط قرن بیستم حاکم بود.

حلقه‌های CMB:‌ کلید اثبات نظریه CCC

پنروز می پذیرد که تئوری CCC اندکی دور از تصور است؛ اما معتقد است که مانند همه نظریه‌های علمی خوب، این تئوری نیز ممکن است از طریق آزمایش و مشاهده تحقق یابد. این آزمایش‌ها از این ایده سرچشمه می‌گیرند که عصر ما و عصر قبل از آن کاملاً از یک‌دیگر جدا نبوده‌اند. او در این‌باره می‌گوید که اطلاعات به‌طور کامل به‌دست می‌آیند و به شکل یک موج یا تابش در ماده تاریک اولیه جهان ما عبور می‌کنند.

ماده تاریک، مانند انرژی تاریک، یک ماده مرموز است که این‌بار برای توضیح نحوه شکل‌گیری ساختارهایی مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی در کیهان اولیه لازم است. بر اساس محاسبات پنروز، تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی یا همان CMB که تنها تابش باقی‌مانده از بیگ‌بنگ است، زمانی که کیهان کم‌تر از 400000 سال سن داشت، منتشر شد. او گفت:

شما حلقه‌هایی را در CMB مشاهده خواهید کرد که کمی گرم‌تر یا سردتر از دمای متوسط ​​هستند.

معادلات CCC پیش‌بینی می‌کنند که یک موج ضربه‌ای که از عصر قبلی می‌آید، ماده را به جهان ما می‌کشاند. اگر این امر باعث می‌شد که مواد به سمت جهان ما سرازیر شوند، ما باید بتوانیم نوری را از منطقه‌ای مشاهده می‌کنیم که طول موج‌های کوتا‌ه‌تر از آن منتقل می‌شوند؛ اخترشناسان به این پدیده انتقال آبی می‌گویند. به همین ترتیب، ناحیه‌ای که توسط یک موج CCC از ما دور می‌شود، به رنگ قرمز نزدیک می‌شود؛ به این معنی که طول موج آن کشیده می‌شود.

نواحی با جابه‌جایی آبی گرم‌تر و نواحی با جابه‌جایی قرمز سردتر به‌نظر می‌رسند. پنروز معتقد است ما می‌توانیم این پدیده را به‌صورت حلقه‌هایی در پس‌زمینه مایکروویو کیهانی ببینیم. او گفت:

به‌عقیده من، ما باید به‌دنبال این حلقه‌ها در آسمان بگردیم. این ساختارها به‌طور قطع واقعی هستند و شکی نیست که محاسبات ما قابل‌اعتماد و صحیح هستند.

واهه گورزادیان، فیزیک‌دان مؤسسه فیزیک ایروان در ارمنستان و هم‌کار قدیمی پنروز در CCC، می‌گوید که این حلقه‌ها توسط بسیاری از دانشمندان دیگر نیز تأیید شده‌اند. گورزادیان گفت:

چندین سال پیش، به‌نظر می‌رسید که آن حلقه‌ها پیدا شده‌اند؛ اما به غیر از ما هیچ‌کس آن‌ها را باور نکرد. بسیاری از محققان دیگر گفتند که حلقه‌ها باید حاصل یک اتفاق دیگر یا پدیده دیگری باشند. اما اکنون همه چیز عوض شده است و دانشمندان زیادی هستند که با ما هم‌عقیده هستند.

دانشمندان به این واقعیت اشاره می‌کنند که تیمی از محققان لهستانی و کانادایی وجود حلقه‌ها را با سطح اطمینان 99.7٪ تأیید کردند. با این حال، هنوز شک و تردیدهای زیادی در رابطه با آن‌ها وجود دارد. اما گورزادیان ثابت‌قدم مانده است. با این حال، پنروز در حال بررسی تئوری‌های دیگری است که ممکن است ادعاهای این زوج در مورد CCC و وجود زمان قبل از انفجار بزرگ را به واقعیت تبدیل کند.

ماده تاریک رابط بین عصر قبلی و عصر جدید است. تغییر عصر‌ها می‌تواند یک موج ضربه‌ای در ماده تاریک ما ایجاد کند و حلقه‌هایی در پس‌زمینه مایکروویو کیهانی پدید آورد. پنروز گفت:

ماده‌ای جدید که در جهان غالب است در تقاطع عصرها ایجاد می‌شود. این ماده جدید شکل اولیه خود ماده تاریک است.

او این ذرات ماده تاریک اولیه را به نام اربوس، خدای یونانی تاریکی، Erbons می‌نامد. به‌طور متوسط 100 میلیارد سال طول می‌کشد تا یک اِربون تجزیه شود؛ اما برخی از آن‌ها هستند که در تاریخ 14 میلیارد ساله جهان ما از بین رفته‌اند.

کشف امواج گرانشی

امواج گرانشی، انحناهایی در ساختار فضا-زمان هستند که بیش‌از یک قرن پیش توسط اینشتین به‌عنوان بخشی از نظریه نسبیت عام پیش‌بینی شده بود. در قرن گذشته، ما نمی‌دانستیم که آیا امواج گرانشی اصلا وجود دارند یا خیر. اما این روند در 14 سپتامبر 2015 تغییر کرد؛ زمانی که فیزیک‌دانان با استفاده از رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) اعلام کردند که امواج گرانشی وارد شده به زمین، از دو سیاه‌چاله که با هم برخورد کرده بودند رویت شده است.

اما در تابستان 2017، دانمشندان گزارش‌های دیگری را ارائه دادند که وجود امواج گرانشی را نقض می‌کردند. تیمی از موسسه نیلز بور در کپنهاگ مقاله‌ای منتشر کرد که نشان می‌داد سیگنال‌ها رویت شده موج گرانشی نیستند، بلکه یک‌سری داده روح هستند. زمانی که یک موج گرانشی به زمین می‌رسد، سیگنال‌های آن بسیار ضعیف می‌شوند و تشخیص این آشفتگی‌ها برای فیزیک‌دانان دشوار‌تر می‌شود؛ به همین دلیل نمی‌شد به‌طور قطع گفت که یک موج گرانشی وجود دارد و سینگال‌ها به اصطلاح، سیگنال‌های روح نامیده شدند.

تیم کپنهاگ تجزیه‌و‌تحلیل مستقل خود را از داده‌های رصدخانه انجام دادند و متوجه شدند که ممکن است فریب خورده باشند. در واقع، آن‌ها تصور می‌کردند که امواج گرانشی را گیر انداخته‌اند، در حالی که این‌طور نبوده است. اما خب هیچ‌کدام از این گزارش‌ها و تحقیقات، به‌طور قطع نمی‌توانستند که وجود امواج گرانشی را انکار یا تأیید کنند.

مقاله کپنهاگ با واکنش تند و سریع ایان هری، فیزیک‌دان مؤسسه فیزیک گرانشی ماکس پلانک در آلمان و یکی از اعضای تیم رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری (LIGO) مواجه شد. او استدلال کرد که تیم کپنهاگ تجزیه‌و‌تحلیل خود را به درستی انجام نداده است و هیچ مدرک مرتبطی وجود ندارد.

وقتی راجر پنروز در مورد مناظره بین این دانشمندان شنید، به این فکر کرد که چه چیزی می‌تواند باعث ربط دادن این مناظره با تئوری او شود. اندکی بعد، او مقاله خود را منتشر کرد و جزئیات بیش‌تری را در پشت ادعای خود بیان کرد.

او به‌طور کلی بازی را عوض کرد و تحقیقات راه به سمت اربون، همان ماده تاریک اولیه یک عصر جهت داد. از آن‌جایی که آن‌ها هیچ ارتباطی با سیاه‌چاله‌ها یا ستاره‌های نوترونی ندارند، ممکن است به‌عنوان نویز رد شوند. در واقع، پنروز استدلال می‌کند که آن‌چه تیم کپنهاگ یافته است، نویز پس‌زمینه زمینی هم‌بسته نیست، بلکه نویز هم‌بسته ناشی از واپاشی اربون پس‌زمینه در جهان است.

بنابراین چقدر محتمل است که چنین باشد و CCC رویکرد درستی برای سؤالات دردسرساز پیرامون بیگ‌بنگ باشد؟

اندرو پونتزن، کیهان‌شناس در دانشگاه کالج لندن می‌گوید:

این تئوری واقعا قابل تأمل است و بسیاری از نظریه‌های مختلف را در یک چشم‌انداز بسیار خوب برای نحوه رفتار جهان در بازه‌های زمانی بسیار طولانی گرد هم می‌آورد. اگر بخواهیم صادق باشیم، این یک نظریه بسیار زیبا است و سزاوار توجه زیادی است.

با این حال، پونتزن اشاره می‌کند که تجزیه‌و‌تحلیل داده‌های اولیه روی حلقه‌های CMB (اولین آزمایش پیشنهادی Penrose برای CCC) بسیار ناقص بود و به نتایجی رسید که واقعاً قابل نبود. به طور مشابه، او از نتایج همکاری LIGO حمایت می‌کند، که نشان می‌دهد نویز مرتبط بین آشکارسازهای آن واقعی نیست، و بنابراین نمی‌تواند توسط واپاشی erebon ایجاد شود. او گفت: “تحلیل داده ها بسیار ظریف است. این دام ها وجود دارند که در انتظار افتادن در آنها هستند.”

این بدان معنا نیست که CCC اشتباه است، اما به‌نظر می‌رسد که هنوز شواهد قانع‌کننده‌ای برای صحت آن در امواج گرانشی CMB یا LIGO یافت نشده است. حتی اگر نویز مرتبطی که توسط تیم کپنهاگ شنیده می‌شود ساختگی باشد، آشکارسازهای موج گرانشی آینده ممکن است نویز مرتبط از واپاشی اربورن را دریافت کنند.

پنروز در نهایت گفت:

امیدوارم در آینده‌ای نزدیک بتوانیم این اثرات را از کهکشان‌های دوردست مشاهده کنیم. اگر چنین باشد، راه‌‌حل مهمی برای بیان توزیع ماده تاریک در سراسر جهان پیدا می‌کنیم. هم‌چنین ممکن است بالاخره بتوانیم از معمای زمان قبل از بیگ‌بنگ پرده برداریم.

تئوری پنروز، هنوز در هاله‌ای از ابهام قرار دارد؛ اما اگر یک روز به واقعیت بپیوندد و اثبات شود، شاید بتوانیم از آن به نظریه‌های مهم دیگری از جمله جهان‌های موازی برسیم.

پی‌نوشت

انبساط جهان: فرض کنید که یک بادکنک باد نشده دارید و روی آن تعدادی نقطه را با خودکار مشخص می‌کنید. اکنون همان بادکنک را باد می‌کنید و همان‌طور که متوجه می‌شوید، نقاطی که مشخص کرده‌اید در حال فاصله گرفتن از یک‌دیگر هستند. انبساط جهان نیز یک چیزی مانند باد کردن بادکنک است؛ یعنی هر چقدر زمان بیش‌تری بگذرد، فاصله اجسام در کیهان از هم‌دیگر زیادتر می‌شود.

نظریه نسبیت: نظریه نسبت، به دو نظریه «نسبیت عام» و «نسبیت خاص» تقسیم می‌شود. پایه این نظریه بر اساس این است که زمان و فضا مانند دو برادر به یک‌دیگر متصل هستند و هیچ‌وقت از هم جدا نمی‌شوند.