در نخستین لحظات تولد جهان چه گذشته است؟

دیدارنیوز _ سروش زمانی‌مقدم: عموما در پژوهش‌های کیهانشناسی و در توصیف عالم، سه سوال اساسی برای پاسخگویی وجود دارد.

اول آن که در بازه زمانی شروع مهبانگ تا "یک" ثانیه پس از آن، چه اتفاقاتی افتاده است؟

این دوره زمانی بسیار کوتاه غالبا بخاطر آن مهمست که اولا فیزیک بسیار متفاوتی از آن چه که امروزه می‌شناسیم داراست و ثانیا بدلیل انرژی‌های بسیار بالای ذرات در این زمان، و کم و کیف اتفاقاتی که بر ما پوشیده است، امکان محک‌های تجربی و شبیه سازی لازم برایمان وجود ندارد.

از طرفی شدت وقایع رخداده در آن زمان آنقدر شدید است که ممکن است سرنخ‌های درک اتفاقات آن زمان کاملا از بین رفته باشد.

سوال دوم آن است که از حدود "چهارصد هزارسال" بعد از خلقت عالم تا امروز چه اتفاقاتی رخ داده است؟

در واقع "سیصدوهشتاد هزار سال" بعد از خلقت، با کاهش دما به اندازه کافی، کیهان اجازه تشکیل اولین اتم‌ها و کنار هم قرار گرفتن عناصر هسته و الکترون‌ها به دور آن‌ها را به ذرات داد و لذا دوره جدیدی در کیهان آغاز شد.

در نهایت سومین سوال آنست که انتهای عالم چگونه خواهد بود؟

در واقع برای چگونگی پایان جهان سناریو‌های مختلفی در نظر گرفته می‌شود که خود بحث‌های مفصل جداگانه‌ای را می‌طلبد.

بیشتر بخوانید: رازهای تاریک عالم؛ از مهبانگ تا مهدانگ

اما در حال حاضر، موضوع مورد بحث ما، پیرامون سوال اول است.

باورش سختست که علیرغم بازه زمانی بسیار کوتاه این دوره، دشوارترین بخش علم کیهانشناسی، توصیف کیهان نوزاد قبل از یک ثانیه است که بسیار از آن کم می‌دانیم. آن چه که تا به حال از این نوزاد بسیار داغ اولیه می‌دانیم تنها بر پایه حدس و گمان و مبتنی بر مدل‌های مختلفی است که در حال حاضر هیچ روش مستقیمی برای راستی آزمایی نتایج آن‌ها نداریم.

آن چه بیشتر مبنای کیهانشناسی امروزی را تشکیل می‌دهد دانسته‌های مربوط به سوال دوم است که البته در آن جا هم کیهانشناسان با مشکلات خاص خود دست و پنجه نرم می‌کنند، اما به دلایل مختلف، رفتار عالم در مراحل بسیار اولیه دارای آشفتگی‌ها و عدم قطعیت‌های نظری بیشتری نسبت به دو دوره دیگر است.

از آنجایی که با تکنولوژی امروزی، حتی برترین شتابدهنده‌های زمینی هم نمی‌توانند انرژی‌های بالای ذرات بنیادی تشکیل دهنده عالم را تولید کنند، لذا برهمکنش ذرات و قوانین حاکم بر رفتارشان در این دوره همچنان در هاله‌ای از ابهام قرار دارد.

در واقع پیش بینی‌های ما برای توصیف اتفاقات بسیار سریع این دوره بر پایه مدل‌های مختلف فیزیک انرژی‌های بالاست، اما از آنجایی که برخی از این مدل‌ها پیش بینی‌های منحصر بفردی ندارند و از طرفی امکان آزمایش مستقیم و سپردن نتایج به محک تجربه را نداریم، در نتیجه امکان قضاوت و تمیز نتایج برایمان مقدور نیست.

اما نقش انرژی‌های بالا در کیهان اولیه چیست؟

در واقع نقش مدل‌های مبتنی بر انرژی‌های بالا، ایجاد تقارن و در نهایت وحدت برهمکنش‌های شناخته شده در طبیعت است.

در انرژی‌های بیش از ۵۰ گیگا الکترون ولت، برهمکنش‌های الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیف با هم یکی می‌شوند و نیروی الکتروضعیف را می‌سازند.

همچنین احتمالا در انرژی‌های بالای ده به توان چهارده گیگا الکترون ولت، برهمکنش هسته‌ای قوی نیز با نیروی الکتروضعیف قوام می‌یابد و انتظار نظریه پردازان آن است که در مقیاس انرژی‌های بازهم بالاتر، در نهایت نیروی گرانش نیز با سایر نیرو‌ها یکی شود، حال آن که بر روی زمین تنها امکان دستیابی به انرژی‌هایی در حدود یکصد گیگا الکترون ولت را داریم!

بیشتر بخوانید: حلقه خندان انیشتین در کیهان

این موضوع به وضوح سختی پژوهش‌های مربوط به این دوره کوتاه زمانی کیهان را عیان می‌کند.

از طرفی مدل‌های نظری وحدت یافته پیش بینی‌هایی در مورد برخی ذرات جدید را دارد که تاکنون هیچ مدرک مستقیمی دال بر وجودشان در دست نیست!

اما در این بین و در کنار سایر سوالات همچنان بی جواب دیگر، منجمله چرایی فزونی یافتن مقادیر ماده بر پادماده در کیهان نوزاد و در نتیجه عدم تقارن محسوس بین ماده و پادماده که امروزه شاهد آن هستیم، سناریو‌های نظری برای توصیف تحولات این لحظات آغازین، جنبه‌های اعجاب برانگیز خاص خود را دارند.

بیایید کمی شفافتر به بررسی مساله بپردازیم.

فرض کنید مخزن بزرگ گازی را به دو قسمت تقسیم کرده ایم که در هر بخش از آن گازی با دمایی مشخص نگهداری می‌شود. حال دیواره جداکننده میان دو قسمت را برداشته و اجازه می‌دهیم که محتویات دو بخش که گاز‌هایی با دما‌های گوناگون هستند با هم ترکیب شده و به دمای مشترکی برسند. اما فرض کنید در این میان و در هنگام ترکیب این گازها، همزمان دیواره‌های مخزن نیز دچار انبساط شوند!

نتیجه آن خواهد بود که در این حالت دیگر محتویات گاز‌های دو بخش، به سادگی نمی‌توانند به اصطلاح همدما شوند.

در واقع پس از مدت زمان معقولی، قسمت‌های مرکزی مخزن که گاز‌های سرد و گرم بهم نزدیکترند، به دمای برابر می‌رسند، اما همدما شدن کل محتویات درون مخزن در حال انبساط به دو عامل بستگی دارد.
اول آن که مولکول‌های گاز با چه آهنگی با یکدیگر مبادله انرژی می‌کنند.

عامل دوم در این میان به آهنگ انبساط مخزن و گاز بستگی دارد. در واقع ارتباط بین این دو عامل و تعادل بین آن‌ها در همدما شدن گاز‌های درون مخزن تعیین کننده است.

بیشتر بخوانید: بقاء تمدن انسانی؛ هدفمند یا تابع اتفاق

اگر آهنگ انبساط دیواره‌ها بسیار بالاتر از آهنگ برهمکنش مولکول‌های گاز باشد، دمای تعادل دست نیافتنی خواهد بود و آن چه که در نهایت بدست می‌آید ناحیه‌هایی گسسته با دما‌های مختلف در هر بخش است. حال اگر گاز‌های مذکور را محتویات عالم در نظر گرفته و انبساط دیواره‌های مخزن را به مثابه ویژگی عالم در حال انبساط بپندارید ماجرا روشنتر خواهد شد.

اگر نواحی مختلف در شروع عالم در حال انبساط، دما‌های مختلفی داشته باشند، همدما شدن و تعادل گرمایی بطور یکنواخت نمی‌توانسته رخ دهد و لذا می‌بایست در این زمان افت و خیز‌های دمایی بصورت ناهنجاری‌هایی در "تابش ریز موج زمینه کیهانی" که نشان دهنده دمای متوسط فعلی کیهان است را آشکار می‌کردیم.

اما در کمال تعجب مشاهدات کیهانشناسی نشان می‌دهند که دمای تابش ریز موج کیهانی در همه جهات در کیهان تقریبا یکسان است!

چه راه حل‌هایی برای برون رفت از این مشکل وجود دارد؟ کیهانشناسان عمدتا دو سناریو را برای حل این معضل در نظر می‌گیرند.

اول آن که به تشابه با دیواره‌های مخزن قبلی، آهنگ انبساط عالم را در مراحل بسیار اولیه تحول بسیار "کند" در نظر بگیریم بگونه‌ای که عامل دوم یعنی برهمکنش و تبادل مولکول‌های گاز بصورت غالب رخ دهد.

 اما متاسفانه محاسبات آهنگ فعلی انبساط عالم، نرخ انبساط گذشته کیهان نوزاد را به میزان لازم "کند" پیش بینی نمی‌کند که این راه حل را معتبر نگه دارد.

راه دوم آنست که پس از گذشت زمانی از فرآیند ترکیب، انبساط عالم اولیه را برای مدت کوتاهی با سرعت بسیار زیاد در نظر بگیریم.

در واقع در این مدل ناحیه کوچکی از عالم که دمای ثابتی دارد در نظر گرفته می‌شود و سپس چنان فرض می‌شود که ناحیه مذکور آنقدر منبسط شده است که "بخش قابل مشاهده عالم فعلی" را تشکیل داده است. در چنین مدلی شاید عالم بسیار غیرهمگن به نظر آید، اما ناحیه قابل مشاهده امروزین، یکنواخت خواهد بود.

این راه حل همان سناریوییست که غالبا از آن بعنوان "مدل تورمی" یاد می‌شود.

اما سوال مهم آنست که چه چیزی باعث ورود عالم نوزاد به چنین مرحله بسیار سریع انبساط می‌شود؟!

بیشتر بخوانید: نگاهی به نظریه جهان تورمی

نکته آنجاست که با انبساط عالم، چگالی انرژی کاهش یافته و در نتیجه آهنگ انبساط کم می‌شود، اما با این حال در طول مرحله تورمی همزمان با افزایش حجم، چگالی انرژی و در نتیجه آهنگ انبساط ثابت می‌ماند!

برای حل این مساله، عالم در مرحله تورم را حاوی "ماده با فشار منفی" در نظر می‌گیرند!

هوای داخل یک بادکنک پرباد دارای فشار مثبت است. اگر بادکنک منبسط شود، فشار و انرژی داخلی آن کاهش می‌یابد، اما برای سیستمی با فشار منفی، با انبساط سیستم، بطور عکس نه تنها انرژی داخلی آن کاهش نمی‌یابد بلکه میزان آن افزایش یافته یا ثابت می‌ماند!

بنابراین همانطور که مشخصست، مدل‌های تورمی برای پابرجا بودن، به نوعی ماده غیر معمولی باچنان مشخصاتی که بیان شد نیاز دارند.

در اینجا کوانتوم مکانیک پا به میدان می‌گذارد!

بر طبق تناظر بین ذرات و میدان‌ها در نظریه کوانتوم، ثابت شده است که مدل‌های خاصی از فیزیک ذرات بنیادی، از میدان‌های کوانتومی استفاده می‌کنند که می‌توانند فشار منفی مورد نیاز سناریوی تورم را تامین کنند.

به بیان دیگر مدل‌های تورمی در عالم آغازین، میدان‌های کوانتومی مذکور را برای مدت کوتاهی بر انبساط عالم حکمفرما می‌کنند! در این بین کاربرد سناریو‌های تورمی در کیهان نوزاد تنها به بحث‌های انجام شده محدود نمی‌شود.

می‌توان بر مبنای مدل‌های مبتنی بر تورم نشان داد که وجود ساختار‌های ناهمگنی نظیر کهکشانها، خوشه‌های کهکشانی و ... در عالم فعلی، ناشی از رشد ناهمگنی‌های کوچک در عالم آغازین است.

در واقع کیهانشناسی غیر تورمی به نحو مطلوبی پاسخگوی چگونگی پیدایش ساختار‌های ذکر شده نیست، اما در کیهانشناسی تورمی نشان داده می‌شود که رشد و دامنه دار شدن افت و خیز‌های میدان‌های کوانتومی که ماده با تابش منفی را ایجاد کردند و سبب ساز تورم شدند، بذر‌های اولیه ساختار‌هایی نظیر کهکشان‌ها را نیز ایجاد کرده‌اند.

بیشتر بخوانید: متوشالح؛ ستاره‌ای که از جهان پیرتر است

در آخر باید همچنان متذکر شد که علیرغم زیبایی‌های نظری فرض شده بر روی کاغذ، بررسی مستقیم پیش بینی نظریه‌هایی که برای تحولات زمانی بسیار آغازین عالم یعنی در حدود ده به توان منفی سی و پنج ثانیه پس از مهبانگ طرح شده‌اند، بسیار دور از ذهن و بعید بنظر می‌رسد.

سخن صریح آن که در حال حاضر هیچ دلیل متقنی مبنی بر رخداد حتمی تورم در عالم آغازین نداریم و نظریه پردازان تنها به دنبال تایید نتایج غیر مستقیم پیش بینی این نظریه‌ها هستند و این خود گواه از وجود ناشناخته‌های فراوان در بازه یک ثانیه‌ای پس از شروع خلقت دارد.

اما بشر در شناخت هرچه بیشتر ناشناخته‌های کیهان راسخ است و به قول ادوین هابل:

آدمی با پنج حسی که دارد جهان اطراف خود را می‌کاود و این ماجراجویی را علم می‌نامد.