پیدایش جهان امروزی

دیدگاه ما نسبت به چگونگی پیدایش جهان امروزی بسیار ناقص یا اساسا نادرست است. به همین علت کیهان شناسان برای پی بردن به این موضوع سعی می‌کنند کائنات را قبل از وقوع مه بانگ در ذهن خود تصور و ترسیم کنند. همچنین آن‌ها به دنبال این هستند که بدانند چگونه قبل از مه بانگ جهان به این اندازه از سطح بالایی از نظم برخوردار بوده‌است.
حاصل این تحقیقات ارائه مدل‌هایی از سوی کیهان شناسان است که هر یک پاسخ شگفت‌انگیز و متفاوتی به این معماها می‌دهند. البته هر کدام از این مدل‌ها روش‌هایی قابل آزمون هستند که در آینده با رصدهایی که صورت خواهد گرفت درستی یا نادرستی هرکدام از آن‌ها مشخص خواهد شد.
تلاش برای مدل‌سازی ریاضی نحوه پیدایش جهان از یکصد سال پیش قدمت دارد. مشاهدات رصدخانه‌ای که از دهه ۱۹۲۰ آغاز شد نشان می‌دهد که کهکشان‌ها در حال دور شدن از یکدیگر هستند و جهان ما در حال انبساط است. حال اگر این انبساط را معکوس کنیم در می‌یابیم که جهان در حدود ۷٫۱۳ میلیارد سال پیش بسیار داغ و فشرده بوده‌است. این نظریه توسط ژرژ لومتر در سال ۱۹۲۷ مطرح شد که هم اکنون نظریه مه بانگ نامیده می‌شود. اعتبار این نظریه به سال ۱۹۶۴ برمیگردد. کشف پرتو کیهانی اعتبار ویژه‌ای به آن بخشید که تا هم اکنون پا بر جاست.
الن گوت از موسسه فناوری ماساچوست در سال ۱۹۸۱ و چند فیزیک‌دان دیگر نظریه‌ای مطرح کردند که به مه بانگ افزوده شد و تصور کیهان شناسان را از چگونگی پیدایش جهان کامل‌تر کرد.
برمبنای این نظریه نظریه (تورم کیهانی) به این دلیل جهان قابل مشاهده بطور غیرمنتظره همگن است که کل جهان در حالت تعادل ترمودینامیکی از حجم بسیار کوچک اولیه‌ای برخوردار بوده‌است که بطور ناگهانی شروع به انبساط کرده‌است و به همین دلیل همگن بودن حالت اولیه خود را حفظ کرده‌است. این نظریه شرایط اولیه کائنات و جهان قبل از مه بانگ را توضیح نمی‌دهد.
حال این سوال مطرح است که علت عدم توانای مدل تورمی برای توضیح شرایط کائنات قبل از مه بانگ چیست؟
براساس این مدل در فاصله زمانی ۱۰^-۳۵ ثانیه تا ۱۰^-۳۲ ثانیه از لحظه آفرینش انبساط تورمی رخ داده‌است. اگر باز هم به عقب برگردیم به یک مانع (دیوار آجری) برخورد خواهیم کرد که در آن هر دو ستون اصلی فیزیک نوین یعنی نظریه نسبیت عام انیشتین و نظریه مکانیک کوانتومی فرو می‌ریزند. فیزیک دانان در چنین شرایط خارق‌العاده‌ای هیچ راهی برای پیش‌بینی رفتار ماده، انرژی و فضازمان در اختیار ندارند. فیزیکدان‌ها برای دور زدن مسئله راه حلی بیان می‌کنند. براساس قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی (مقیاسی از بی‌نظمی) جهان با گذشت زمان افزایش می‌یابد؛ بنابراین جهان در بالاترین سطح نظم بوجود آمده‌است و رو به بی‌نظمی می‌رود. سوال مطرح شده اینست: چگونه این بالاترین سطح نظم بوجود آمده‌است؟
شان کارول از موسسه فناوری کالیفرنیا در پسدینا می‌گوید: هر مدلی که از جهان اولیه ارائه می‌شود جواب این سوال که چرا آنتروپی جهان در آستانه مه بانگ پایین بوده را باید در خود داشته باشد.
مدل‌های مطرح شده
مدل اول: دریای سیاه چاله‌ای
بر پایه این مدل جهان قبل از پیدایش دریایی از سیاه چاله‌ها بوده‌است. در این مدل دو فیزیک‌دان به نام‌های تام بنکس از دانشگاه کالیفرنیا در سانتاکروز و ویلی فیشلر از دانشگاه تگزاس به این سوال این‌گونه پاسخ می‌دهند که جهان در بدو پیدایش یعنی پیش از ۱۰^-۳۵ ثانیه دریایی چگال از سیاه چاله‌ها بوده‌است. آن‌ها این سناریو را سناریوی کیهان‌شناسی هولوگرافی نامیده‌اند.
اصل هولوگرافک توسط خرارد توفت در سال ۱۹۹۳ از دانشگاه اترخت هلند ارائه شد. گرچه صحت این اصل هنوز اثبات نشده‌است، فیزیک دانان زیادی به درستی آن اعتقاد دارند. بر اساس این اصل می‌توان تمامی اطلاعات موجود در یک حجم مشخص از فضا را با قوانین فیزیک حاکم بر سطح مرزی حجم مزبور نمایش داد.
می‌دانیم با افزایش آنتروپی هر سیستم میزان بی‌نظمی آن نیز بالا می‌رود. نتیجتا مقدار اطلاعاتی که برای توصیف آن به کار برده می‌شود افزایش می‌یابد. پس آنتروپی معیاری برای اندازه‌گیری میزان اطلاعات موجود در آن سیستم است.
از آنچه گفته شد نتیجه گرفته می‌شود که اصل هولوگرافی می‌گوید بیشینه میزان آنتروپی در حجم معینی از فضا حد بالایی دارد که بوسیله سطح مرزی حجم مزبور مشخص می‌شود که بیشینه آن مربوط به سیاه چاله‌ها خواهد بود.
حال به لحظه مهبانگ بازمی‌گردیم. با نزدیک شدن به این لحظه چگالی ماده و انرژی در آن محدوده بیشتر خواهد شد؛ که در نهایت به حالت بالای چگالی آنتروپی می‌رسیم که مربوط به زمانیست که تمام آن محدوده از سیاهچاله‌های کوچک مقیاس پر شده باشد.
بنکز و فیشلر بر این باورند که جهان از این شاره سیاه چاله‌ای بوجود آمده‌است. چگالی این دریای سیاه چاله‌ای که کائنات را دربر گرفته بوده افت و خیزهایی داشته که مقدار آن‌ها بوسیله اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی مشخص می‌شود. افت و خیز به سمت چگالی‌های کمتر به این معنا بوده که افق‌های رویداد سیاه چاله‌هایی که در آن ناحیه با چگالی کم قرار داشتند بطور کامل به هم فشرده شده‌اند و فضای خالی بین آن‌ها را تابش (فتون‌ها) پر کرده بود.
این مسئله شرایط را برای پیدایش جهان ما فراهم کرد که در آن محدوده‌هایی که چگالی سیاه چاله‌ها بالا بوده یا به هم نزدیک بوده‌اند یا سرعت حرکت آن‌ها زیاد بوده‌است سیاه چاله‌ها به هم برخورد می‌کردند و به هم می‌پیوستند؛ بنابراین فضای معمولی بین آن‌ها به سرعت توسط سیاه چاله‌های دیگر پر می‌شده است اما در محدوده‌های که سیاه چاله‌ها فاصله بیشتری از هم داشته‌اند و چگالی آن‌ها کمتر بوده‌است برخورد و تلفیق سیاه چاله‌ها با سرعت لازم صورت نمی‌گرفته‌است؛ بنابراین فضای معمول بین سیاه چاله‌ها که از تابش پرانرژی پر بوده‌است به سرعت مانند حباب منبسط شده و سیاه چاله‌های اطراف را دفع می‌کند.
بعد از سپری شدن ۱۰^-۳۵ ثانیه از انبساط و بوجود آمدن این حباب‌ها پیش بینی‌های مدل دریای سیاه چاله‌ای عملا با پیش بینی‌های مدل تورمی یکی می‌شود. بر این اساس تورم تنها در کسر کوچکی از ثانیه حباب با مقیاس کوچک را به جهان ما بدل می‌کند. در نهایت نیز ذرات بنیادی از انرژی تابشی موجود در کیهان بوجود می‌آید و ستاره‌ها و کهکشانها و سیاره‌ها را تشکیل دادند. حال ببینیم مدل دریای سیاه چاله‌ای به حالت نظم دار اولیه با آنتروپی پایین چگونه پاسخ می‌دهد.
تنها حباب‌هایی می‌توانند بر اساس تورم بزرگ شوند که آنتروپی پایینی داشته باشند. زیرا در صورت بالا بودن آنتروپی حباب‌ها در حوزه‌ای قرار دارند که سیاه چاله‌هایی با چگالی بالا آنجا قرار دارند که در آن صورت حباب‌ها بوسیله سیاه چاله‌ها بلعیده می‌شوند و فضای بین آن‌ها قرار نمی‌گیرد؛ بنابراین اگر جهان ما آنتروپی بالایی داشت تاکنون باقی نمانده بود. البته هم اکنون نسبت به اصل هولوگرافی نمی‌توان بطور قطعی نگاه کرد. خود ساسکیند هم در اینباره می‌گوید اصل هولوگرافیک حدس بسیار جالبی است که نه مشخصا درست است و نه نادرست. مدرک موردنیاز برای این مدل کشف سیاه چاله‌های اولیه‌است.
مشکل دیگر مدل متعارف مه بانگ اینست که آیا زمان از مه بانگ آغاز شده است؟ بنکز در این باره چنین پاسخ می‌دهد: گرچه براساس قوانین مکانیک کوانتومی زمان بطور قطع از بینهایت منفی تا بینهایت مثبت نیست اما پذیرش مبدا زمان نیز مسئله خود را ایجاد می‌کند. به گفته مارکس تگ مارک کیهان شناس دانشگاه‌ام آی تی در مدل متعارف مهبانگ این‌گونه مفروض است که زمان با مه بامگ آغاز شده‌است. اما حال این سوال مطرح است که چرا زمان به وجود آمده‌است؟ که مدل متعارف مه بانگ نمی‌تواند آن را توجیه کند.
به علاوه همان‌طور که پاول اشتاینهارد از دانشگاه پرینستون می‌گوید، مدل متعارف مه بانگ نمی‌تواند مبدا خود مه بانگ و علت وقوع آن را توضیح دهد.
اشتاینهارد به همراه نیل توراک از دانشگاه کمبریج در سال ۲۰۰۲ سناریویی ارا ئه دادند که در آن مه بانگ مبدا زمان نبوده بلکه صرفا آغاز یک چرخه کیهانی جدید است. مدل آن‌ها که در برابر آنتروپی پایین جهان نیز مقاومت کرده در برابر چالش‌های اخیر نیز ایستادگی کرده‌است.
مدل دوم: مدل متناوب (جهان‌های برخوردکننده)
بر این اساس مهبانگ از برخورد دو جهان مختلف بوجود آمده‌است. مدل توراک و اشتاینهارد بر پایه نظریه ریسمان قرار گرفته‌است که رهیافت مهمی برای وحدت بین مکانیک کوانتومی و نسبت عام انیشتین است. در این مدل جهان ما یک ابر رویه یا ابر صفحه سه بعدی است که در ابعاد بالاتر کائنات شناور بوده‌است. در مجاورت جهان ما جهان‌های دیگر نیز وجود دارند که ممکن است هرکدام قوانین فیزیکی منحصر بفرد و کاملا متفاوتی داشته باشند. این جهان‌ها ممکن است به هم برخورد کنند و از برخوردشان انرژی فوق‌العاده عظیمی در هریک از این جهان‌ها آزاد بشود. علاوه بر این این دو جهان شروع به انبساط می‌کنند. اما چون ما همواره در یکی از این دو جهان هستیم تصور می‌کنیم که انفجار عظیم که همان مهبانگ نام دارد آغاز جهان است. در صورتی که جهان ما قبل از آن هم وجود داشته‌است. بر اساس این مدل پس از برخورد این دو جهان شروع به دور شدن از هم می‌کنند. اما فاصله گرفتن آن‌ها از هم سرانجام توسط نیروی جاذبه بین آن‌ها متوقف می‌شود و دوباره به سمت هم کشیده می‌شوند و دوباره برخورد می‌کنند. گویی مهبانگ دیگری رخ داده‌است. به همین دلیل به آن مدل تناوبی نیز می‌گویند.
همین‌طور در این مدل انبساط ابر صفحات در آستانه هر برخورد و جداشدن آن‌ها از یکدیگر و دوباره به هم خوردن آن‌ها نرخی فزاینده را داراست که این نرخ فزاینده انبساط جهان ذهن کیهان شناسان را در دهه اخیر به خود مشغول کرده‌است که تا پیش از این در تلاش بودند تا با فرض وجود یک دافعه ناشناخته کیهانی آن را انرژی تاریک بنامند. یکی از مشکلات این مدل اینست که کوچکترین تغییرات و افت و خیزهای توزیع ماده و انرژی در ابر صفحات جهان ما می‌توانند به حدی تقویت شوند که جهان ما را از حالت تخت و همواری که اکنون قابل مشاهده‌است خارج کند. درد پاسخ به این مشکل اشتاینهارد و توراک معتقدند که در هنگام نزدیک شدن این دو ابر صفحه به هم مقدار انرژی تاریک افزایش یافته و می‌تواند به این افت و خیزها غلبه کرده و جهان را به همان شکل تخت حفظ کند. مسئله دیگر مطرح در این مدل این است که در آن انبساط تورمی رخ نمی‌دهد. این تنها وجه اختلاف این دو مدل است.
شاید در ظاهر این‌طور به نظر برسد که این دو مدل اساسا با هم متفاوت هستند. اما هر دو به نتایج مشابهی می‌رسند. دلیل آن این است که پس از هر برخورد به واسطه چگالی انرژی حاصل از برخورد این دو جهان تعداد زیادی از سیاه چاله‌ها در هر یک از آن‌ها جهان به وجود می‌آیند. پس هر دو مدل به نتایج مشابهی می‌رسند. مدرک مورد نیاز برای تایید این مدل آنست که شدت انرژی تاریک با انبساط جهان کم می‌شود و همین‌طور امواج گرانشی اولیه نیز از بین می‌رود که مشاهده می‌شود. حال ببینیم مدل تناوبی برای پایین بودن آنتروپی در آغاز جهان چه پاسخی دارد. در آغاز به نظر می‌رسد که توجیه پایین بودن میزان آنتروپی در این مدل کار دشواری باشد. زیرا با گذشت زمان میزان آنتروپی افزایش می‌یابد؛ بنابراین با ایجاد جهان تازه از ابر صفحات (جهان‌ها) دیگر باید آنتروپی آن‌ها بیشتر و بیشتر شود. اما سناریوهای کیهان‌شناسی تناوبی به خوبی برای آن پاسخ یافته‌اند. در آستانه برخورد ابرصفحات با یکدیگر بطور فزاینده صفحات کشیده می‌شوند. در نتیجه تراکم آنتروپی ماده و تابش در هر دو جهان کاهش می‌یابد؛ بنابراین در لحظه مهبانگ تراکم آنتروپی کم می‌شود. محاسبات نشان می‌دهند برای آنکه ابرصفحات چگالی آنتروپی که الآن قابل مشاهده‌است را داشته باشند باید زمان مابین دو برخورد متوالی کیهانی حداقل یک تریلیون (هزار میلیارد) سال باشد.
مدل سوم: جهان از هم گسسته
بر اساس این مدل جهان‌ها از گسسته شدن یک جهان مادر بوجود آمده‌اند. جهان ما نیز می‌تواند مادر جهان‌های بیشمار دیگری باشد. این نظریه توسط فیزیک دانان دانشگاه کارولینای شمالی ارائه شده‌است (لاریس بام و پل فرامپتون ). در این مدل چنین مفروض است که با انبساط جهان مقدار انرژی تاریک موجود در حجم مفروضی از فضا نیز افزایش می‌یابد که این با داده‌های موجود از انرژی تاریک مغایرتی ندارد؛ بنابراین با افزایش تدریجی چگالی انرژی تاریک انبساط جهان نیز سریعتر و سریعتر خواهد بود. تا جاییکه کهکشان‌ها، ستارگان و حتی اتم‌ها از هم گسیخته می‌شوند و جهان متلاشی خواهد شد. پس از مهبانگ (از هم گسیختگی جهان مادر) جهان‌های جدید پس از انبساط تورمی همچنان به انبساط خود ادامه می‌دهند و در نهایت با افزایش چگالی انرژی تاریک از هم می‌پاشند و بیشمار جهان دیگر را بوجود می‌آورند. مدرک مورد نیاز برای تایید این مدل آنست که شدت انرژی تاریک باید با انبساط عالم افزایش یابد که مشاهده می‌شود. حال پاسخ به این سطح پایین آنتروپی در جهان مادر آنتروپی انباشته شده در جهان مادر پس از از هم گسیختگی آن، بین جهان‌های تازه متولد شده تقسیم می‌یابد و در نهایت یریک از جهان‌های نوزاد در بدو تولد دارای آنتروپی پایین است.