What Happened Before the Big Bang?

 پيش از مهبانگ چه اتفاقي افتاد؟

 

Spreading through a bounce: A state that initially has small fluctuations (left) bounces and develops larger fluctuations (right). Time proceeds along the horizontal axis with the volume plotted vertically. Credit: Martin Bojowald Penn State
 

پخش شدن پس از جهش : حالتي که در ابتدا داراي افت‌وخيزهاي مختصر

 است( چپ) وا مي‌جهد و داراي افت و خيزهاي بزرگ‌تر مي‌شود. محور افقي نشان‌گر

 زمان است و محور عمودي حجم را نشان مي‌دهد.

 

 

کشف‌هاي جديد درباره‌ي عالم ديگري که ظاهراً رمبش آن باعث تولد عالم کنوني شده است در نسخه‌ي آنلاين مجله‌ي نيچر فيزيکس اول ژويه 2007 اعلام شده است ودر شماره‌ي اوت2007   آن به چاپ خواهد رسيد.

 

مارتين بويووالد Martin Bojowald استاديار فيزيک دانشگاه ايالتي پنسيلوانيا مي‌گويد « مقاله‌ي من مدل رياضي جديدي را مطرح مي‌کند که با استفاده از آن مي‌توان جزئيات تازه‌اي را درمورد ويژگي‌هاي يک حالت کوانتومي به هنگام حرکت آن در جهش بزرگ Big Bounce به دست آورد که جانشين ايده‌ي کلاسيک مهبانگ (انفجار بزرگ) به عنوان نقطه‌ي شروع عالم مي‌شود. همين‌طور پژوهش‌هاي او نشان مي‌دهد که گرچه مي‌توان چيزهاي زيادي را در مورد ويژگي‌هاي عالم اوليه فهميد، اما همواره در مورد اين ويژگي‌ها عدم اطمينان وجود دارد، زيرا محاسبه‌هاي او يک « فراموشي کيهاني» را نشان مي‌دهند که ناشي از نيروهاي کوانتومي شديد در طول جهش بزرگ است.

 

ايده‌ي فوران عالم از يک انفجار مهبانگ در تلاش‌هاي علمي در جهت شناخت مبدأ عالم در حال انبساط با سد عظيمي مواجه مي‌شود.  گرچه مدت‌هاست که فيزيک‌دانان آنا را بهترين مدل مي‌دانند.

 

همان‌طور که نظريه‌ي نسبيت عام اينشتين بيان مي‌کند، منشأ مهبانگ يک حالت به لحاظ رياضي به معني است. يک « تکينگي» با حجم صفر که به رغم آن داراي چگالي بي‌نهايت و انرژي بي‌نهايت زياد است. با اين همه، بويووالد و ديگر فيزيک‌دانان دانشگاه ايالتي پنسيلوانيا با استفاده از يک ماشين زمان رياضي موسوم به حلقه‌ي‌گراني کوانتومي Loop Quantum Gravity  ، قلمرويي را کشف مي‌‌کنند که حتي براي اينشتين ناشناخته بود. اين قلمرو زمان پيش از مهبانگ است.

 

اين نظريه که نسبيت عام اينشتن را با معادله‌هاي فيزيک کوانتومي که در روزگار اينشتين وجود نداشت، ترکيب مي‌کند، اولين توصيف براي تثبيت نظام‌مند وجود جهش بزرگ و به دست آوردن ويژگي‌هاي عالم پيش از آن است که عالم ما از آن نشأت گرفته است. اين جهش بزرگ روزنه‌اي را در سد مهبانگ به وجود مي‌آورد.

 

بويووالد مي‌گويد: « نظريه‌ي نسبيت عام اينشتين شامل فيزيک کوانتومي نيست که براي  توصيف انرژي‌هاي بسيار زياد موجود در مراحل اوليه تحول عالم کاملاً ضروري است. اما اکنون حلقه‌ي گراني کوانتومي را داريم که شامل فيزيک کوانتومي موردنياز است». اين نظريه در انستيتوي فيزيک گرانشي و هندسه در دانشگاه ايالتي پنسيلوانيا شکل گرفت و گسترش يافت و اکنون رهيافت پيشگام درجهت وحدت نسبيت عام و فيزيک کوانتومي است. دانشمندان از اين نظريه براي دنبال کردن عالم در زمان گذشته استفاده مي‌کنند و دريافته‌اند که نقطه‌ي شروع عالم داراي حجم کمينه‌ي غيرصفر و انرژي بيشينه‌اي غير از بي‌نهايت بوده است. در نتيجه‌ي اين حدود، معادله‌هاي اين نظريه داراي جواب‌هاي رياضي معتبري مي‌شوند که از نقطه‌ي کلاسيک مهبانگ مي‌گذرند و پنجره‌اي از زمان پيش از جهش بزرگ را به روي دانشمندان مي‌گشايند.

 

همين‌طور نظريه‌ي گراني  کوانتومي نشان مي‌دهد که ساختار فضا زمان داراي يک هندسه‌ي «اتمي» است که با رشته‌هاي کوانتومي يک بُعدي بافته شده است. اين ساختار در شرايط حاد نزديک به جهش بزرگ که فيزيک کوانتومي بر آن حاکم است به شدت از هم گسيخته و باعث مي‌شود که گراني کاملاً‌ دافعه شود، به طوري که به جاي اين که طبق پيش‌بيني نظريه‌ي نسبيت عام اينشتين در بي‌نهايت به صفر ميل کند، با کمانه کردن عالم در جهش بزرگ سبب تولد عالم در حال انبساط مي‌شود. اين نظريه عالم در حال انقباضي را قبل از جهش بزرگ نشان مي‌دهد که غير از مسأله‌ي انقباض، هندسه‌ي فضا زمان  آن کاملاً شبيه عالم کنوني بوده است.

 

بويووالد متوجه شد که براي بررسي دقيق‌تر عالم پيش از جهش بزرگ بايد مدل رياضي جديدي را به وجود آورد. او گفت که « در حلقه‌ي گراني کوانتومي نيازمند مدلي دقيق‌تر ازمدل‌هاي فعلي بوديم، اين‌ مدل‌ها به تقريب‌هاي متوالي با جواب‌هايي نياز داشت که به اندازه‌اي که دوست داشتيم کلي و کامل نبودند.»

 

او مدل رياضي را به وجود آورده است که با حل يک‌سري معادله‌هاي رياضي، جواب‌هاي تحليلي دقيق به دست مي‌دهد.

مدل جديد بويووالد، علاوه بر دقيق‌تر بودن، کوتاه‌تر نيز هست. او مدل گراني کوانتومي را با استفاده از توصيف رياضي متفاوت طوري تدوين کرده است که مي‌توان معادله‌ها را به صورت تحليلي حل کرد. اين روش بسيار ساده نيز از کار در آمده است. به گفته‌ي بويووالد « مدل عددي قبلي بسيار پيچيده‌تر به‌نظر مي‌رسيد. اما جواب‌هاي آن بسيار واضح بودند و نشان مي‌دادند که ممکن است يک ساده‌سازي رياضي امکان‌پذير باشد. بنابراين، بويووالد معادله‌هاي ديفرانسيل گراني کوانتومي را - که به تعداد بسيار زيادي محاسبه با تغييرهاي مختصر در زمان نياز داشتند- به دستگاهي انتگرال‌پذير تبديل کرد که در آن با اضافه کردن تغييرات فزاينده‌ي کوچک مي‌توان طول زمان را مشخص کرد.

 

معادله‌هاي اين مدل به پارامترهايي احتياج دارند که حالت عالم کنوني را به درستي توصيف کند به طوري که دانشمندان بتوانند با استفاده از اين مدل به زمان گذشته سفر کنند و به صورت رياضي مسير «عکس تحول» آن را بپيمانيد تا به حالت آن در زمان‌هاي قبل از مهبانگ پي ببرند. معادله‌هاي اين مدل حاوي پارامترهاي « آزاد» نيز هست که هنوز به دقت شناخته شده نيستند ولي براي بيان بعضي ويژگي‌ها ضروري هستند. يکي از آن‌ها صرفاً مربوط به بعد از  جهش بزرگ است و ديگري منحصراً  به قبل از آن مربوط مي‌شود. چون يکي از ا ين پارامترها اساساً تأثيري بر محاسبه‌ها در عالم کنوني ندارد،  بويووالد نتيجه مي‌گيرد که نمي‌توان از آن به عنوان ابزاري براي محاسبه‌ي مقدار آن در عالم قبلي پيش از جهش بزرگ استفاده کرد.

 

اين پارامترهاي آزاد که بويووالد دريافت مکمل يک‌ديگرند، عدم قطعيت کوانتومي در حجم کل عالم قبل و بعد از مهبانگ را نشان مي‌دهند. به گفته‌ي او « اين عدم قطعيت‌ها پارامترهاي اضافي هستند و وقتي به کار مي‌روند که دستگاه مانند نظريه‌ي گراني کوانتومي در شرايط کوانتومي باشد. آن‌ها مانند رابطه‌هاي عدم قطعيت در فيزيک کوانتومي هستند که در آن مکمليتي بين مکان يک جسم و سرعت آن وجود دارد- اگر يکي را اندازه بگيريد نمي‌توانيد همزمان ديگري را نيز به دقت اندازه‌گيري کنيد.» بررسي‌هاي بويووالد نشان مي‌دهند که مکمليتي بين ضريب‌هاي عدم قطعيت حجم عالم قبل از جهش بزرگ و حجم عالم پس از آن وجو دارد. او توضيح داد «‌براي تمام اهداف عملي- ضريب عدم قطعيت حجم عالم قبلي را هرگز نمي‌توان به روال محاسبه‌‌ي رو به عقب از شرايط عالم فعلي، حتي با دقيق‌ترين اندازه‌گيري‌هايي که هرگز بتوان انجام داد، به دست آورد.» اين کشف محدوديت‌هايي را در درک اين موضوع به وجود مي‌آورد که بفهميم ماده‌ي موجود در عالم پيش از مهبانگ بيش‌تر ويژگي‌هاي کوانتومي داشته است يا کلاسيک.

 

بويووالد مي‌گويد: «مدل عددي قبلي اين مشکل را داشت که نمي‌توانستيد بفهميد پارامترهاي آزاد چه چيزي هستند و تأثير آن‌ها چيست. مدل رياضي جديد عبارت‌هاي بهتري دارد که حاوي تمام پارامترهاي آزاد است و بلافاصله مي‌بينيد که تأثير هر يک از آن‌ها چيست. بنابراين، پس از حل معادله‌ها، مي‌توان بلافاصله از جواب‌ها نتيجه‌گيري کرد.

 

بويووالد به اين نتيجه‌گيري اضافي نيز رسيده است که لااقل يکي از پارامترهاي عالم قبلي نتوانسته است از سفر در جهش بزرگ جان سالم به در ببرد- اين که عالم‌هاي متوالي به احتمال زياد دقيقاً نسخه‌ي بدل يک‌ديگر نيستند. او مي‌گويد « ظاهراً وجود نوعي فراموشي کيهاني ذاتي مانع از تکرار ابدي عالم‌هاي دقيقاً يکسان مي‌گردد.»

 

ترجمه : دکتر منیژه رهبر 

منبع