فرضیه‌های بنیادی کیهان‌شناختی

کیهان‌شناسی مطالعه ماهیت کل جهان است. در کیهان‌شناسی، طرح مدل‌های فرضی از جهان و تطبیق آن‌ها با مشاهدات مورد بحث قرار می‌گیرد. در این مطالعات، ریاضیات تنها زبان مناسب برای بیان ماهیت بسیار بغرنج جهان است. به همین دلیل، اکثر کیهان‌شناسان در واقع ریاضیدانان یا ریاضی فیزیکدانان برجسته‌ای هستند و بدیهی است که برخوردشان با مسئله کاملاً تئوریک است. آن‌ها تمام واقعیت‌های معلوم و جزئیات پدیده‌های شناخته شده را وارد مسئله نمی‌کنند بلکه سعی دارند که با ساده‌سازی ویژگی‌های جهان، پارامترهایی به دست آورند تا به طور مناسب توسط ریاضیات بررسی شوند. در این بین، فرض‌های استانداردی وجود دارند که به آن‌ها اشاره می‌کنیم.
نخستین فرض، همگنی جهان است. طبق آن، توزیع ماده در جهان یکسان است و انبوهه‌های بزرگ مقیاس و یا فضاهای خالی بسیار وسیع وجود ندارد. البته این فرض در مقیاس‌های کوچک درست نیست، زیرا توده‌های بزرگ مقیاسی چون کهکشان‌ها و یا خوشه‌ی کهکشان‌ها وجود دارند. ولی کیهان‌شناسان معمولاً از دیدگاهی می‌نگرند که این مشکل برطرف شود. اگر حجم بسیار بزرگی انتخاب شود، به طوری که اندازه تمام کهکشان‌ها و خوشه‌ها در مقابل وسعت آن ناچیز باشد، می‌توان این حجم را همگن دانست.
دومین فرض، ایزوتروپی (همسانگردی) جهان است. این فرض، با در نظر گرفتن توزیع و حرکت کهکشان‌ها، یکنواخت بودن سرعت آن‌ها را مطرح می‌کند و مثلاً تمام سرعت‌ها را سرعت انبساط می‌داند. طبق آن، الگوی سرعت‌ها در جاهای مختلف جهان یکسان است. تا کنون اندازه‌گیری‌های به عمل آمده با این فرض موافقت دارند و فقط اثرات کوچک ناشی از حرکت خاص برخی کهکشان‌ها، از آن مستثنی است.
فرض سوم، ناهمدوسی جهان است. در این فرضی، بخش‌های گوناگون جهان، مستقل از هم در نظر گرفته می‌شوند. طبق فرض ناهمدوسی، حوادث پیش آمده در هر بخش جهان، تأثیری در بخش‌های دیگر ندارد و فقط گرانش و نور در سراسر آن یکسان است. جهان ناهمدوس، همانند جسم جامد یا گاز یکسان نیست و هر تغییر یا آشفتگی محلی، صرفاً در آن محل محسوس است. مطالعات انجام گرفته، این فرض را در چگالی‌های بسیار پایین ماده در فضا تأیید می‌کند.
فرض چهارم، یکنواختی جهان است. طبق این فرض، خواص جهان تا فواصل بی‌اندازه زیاد، یکنواخت است و کهکشان‌های مختلف دوردست هیچ تفاوت اساسی با کهکشان‌های نزدیک ندارند. در بین کهکشان‌های جهان، فقط تفاوت‌های قابل پیش‌بینی نظیر اثرات ناشی از تکامل آن‌ها وجود دارد. خواص فیزیکی و شیمیایی یافته شده در هر یک از کهکشان‌ها، این فرض را مورد تایید قرار می‌دهند.
پنجمین فرض عبارتست از جهانشمولی. طبق آن، قوانین فیزیکی کشف شده در زمین، در جهان نیز کاربرد دارند. بعضی از کیهان‌شناسان فرضی جهانشمولی را باز هم کلیت می‌دهند و قوانین فیزیک را در جهان به عنوان کل، صادق می‌دانند.

مدل‌های کیهان‌شناختی

در سال‌های اخیر، مدل‌های بسیار گوناگون کیهان‌شناختی ارائه شده‌اند که در تمام آن‌ها مسائل مربوط به هندسه‌ی جهان، موضوع اصلی را در بر می‌گیرند. در فصل 14 گفتیم که وجود هندسه‌های گوناگون امکان‌پذیر است و هندسه‌ی ویژه‌ای که جهان داراست، الزاماً هندسه‌ی مسطحه‌ی اقلیدسی نیست. برخورد مدل‌های مختلف کیهان‌شناختی با مسئله هندسه، متفاوت است. در برخی از آن‌ها، مسئله همچنان قابل بحث و بررسی باقی می‌ماند و رای قاطع صادر نمی‌شود و در موارد دیگر، مدل کیهان‌شناختی بر مبنای هندسه‌ی مشخصی وضع می‌شود، با این شرط که اگر درستی مدل تایید شود، هندسه‌ی آن نیز درست است.
در اینجا به توصیف مدل‌های جدیدی می‌پردازیم که بر مبنای قوانین فیزیک نیوتونی، نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین و دیگر قوانین طبیعت پی‌ریزی شده‌اند. هنوز انتخاب یکی از آن‌ها به عنوان کامل‌ترین مدل میسر نشده است. ولی باید تأکید کنیم که هر یک از مدل‌های کیهان‌شناختی پایه‌های بسیار استوار و عموماً فوق پیچیده فیزیک-ریاضی دارند و توصیفات کیفی و مختصر در این گفتار نمی‌تواند تصور کاملی از ماهیت آن‌ها ارائه کند. تفکر ساده در مورد ماهیت جهان و توصیف چند مدل، دور از برخورد علمی با مسئله است. دانشمندان هیچ مدلی را تا زمانی که جزئیات کامل ریاضی و فیزیکی آن مشخص نشود، جدی تلقی نمی‌کنند.

کیهان‌شناسی نیوتون

نيوتون یکی از نخستین دانشمندانی است که برخورد او را با مسئله کیهان‌شناسی می‌توان علمی دانست. وی با فرض اقلیدسی بودن هندسه‌ی جهان خواست نظریه‌ی گرانش خود را در مورد کل جهان به کارگیرد و در اینجا بود که با مشکلات ویژه‌ای روبه‌رو شد. مهمترین اشتباه در حل مسئله این بود که امتداد فضای شامل ماده، نامحدود تلقی می‌شد. زیرا در غیر این صورت، طبق قوانین گرانش، جهان بلافاصله به یک نقطه مرکزی انقباض می‌یافت و نمی‌توانست حالت پایدار داشته باشد.
بعدها ایرادهای دیگری به مدل کیهان‌شناخنی نیوتون گرفته شد، که یکی از آن‌ها به پارادوکس (تناقض) البرس معروف است. به پیشنهاد این اخترشناس، در صورت نامحدود بودن گستره‌ی جهان، تاریکی همه جانبه‌ی آسمان ناممکن بود و نورانیت آن حداقل معادل نورانیت سطحی یک ستاره‌ی متوسط می‌شد. يعنی در جهان نامحدود، می‌توانستيم کل آسمان را تقريباً نورانی‌تر از قرص خورشید ببینیم و در نتیجه شب و روز مفهوم خود را از دست می‌دادند. همچنین، گرمای بیش از حد کره‌ی زمین، امکان پیدایش حیات را از بین می‌برد. بدیهی است که شاهد هیچکدام از این حالت‌ها نیستیم. پس باید به این نتیجه‌گیری برسیم که یا جهان نامحدود نیست و یا باید همگن بودن آن را مورد تردید قرار داد. ممکن است این فرض را نیز پیش کشید که ستارگان موجود در فواصل بسیار زیاد از خورشید، غیرقابل رویت و یا بسیار کم نور هستند و یا مقادیر عظیم غبار مانع رسیدن نور آن‌ها می‌گردد و آسمان تاریک می‌شود. اما هیچ یک از این اظهارات، مورد قبول کیهان‌شناسان نیست. زیرا در تمام آن‌ها، خورشید در موقعیت ویژه و از هر حیث کامل قرار داده می‌شود. تاریخ علم بارها شاهد ارائه چنین فرضیه‌هایی بوده است، فرضیه‌های نادرستی که در آن‌ها مکان ما به عنوان مرکز جهان تلقی می‌شود.
نکته‌ی دیگر مربوط به کیهان‌شناسی نیوتونی و مدل‌های همانند، این است که تمام آن‌ها جهان ایستا را بررسی می‌کنند و انبساط را در نظر نمی‌گیرند. البته در زمان نیوتون، انبساط جهان ناشناخته بود، ولی اکنون با آگاهی از آن، بهتر می‌توان پارادوکس البرس را رد کرد. چون زیاد بودن سرعت گریز کهکشان‌های دوردست باعث می‌شود که نتوانیم بیشتر تابش‌های آن‌ها را به صورت نورمرئی دریافت کنیم و از این رو نور رسیده به زمین آنقدر نخواهد بود که آسمان را به حد نورانیت سطحی خورشید برساند. با وجود تمام این تصحیحات و حتی در نظر گرفتن انبساط در فرضیه‌های نیوتونی، جواب رضایت‌بخش مسئله کیهان‌شناسی به دست نمی‌آید.

مدل اینشتین

در سال 1917، آلبرت اینشتین اولین مدل کیهان‌شناختی خود را که بر مبنای نسبیت عام بود، ارائه داد. در آن تاریخ هنوز انتقال به طرف قرمز کهکشان‌ها کشف نشده بود و به همین دلیل مدال اینشتین جهان ایستا و بدون انبساط را شامل می‌شد. اینشتین به این نکته پی برد که جهان نه همانند مدل نیوتون نامحدود است و نه می‌تواند محدود و احاطه شده توسط یک جهان تهی باشد. از این رو در مدل پیشنهادی او، ماهیت هندسه‌ی فضا، اقلیدسی نیست و در آن، فضا با انحنای مثبت و جهان محدود در نظر گرفته می‌شود. اینشتین با طرح ریاضی جزئیات مدل خود به این نتیجه رسید که در صورت درستی مدل، شعاع انحنای فضای محدود را بلافاصله می‌توان از چگالی جهان به دست آورد. اندازه‌گیری چگالی جهان از طریق شمارش و اندازه‌گیری جرم کهکشان‌ها و نیز برآورد توزیع آن‌ها میسر است. در حال حاضر با استفاده از نتایج محاسبات چگالی در معادلات اینشتین، شعاع جهان حدود 20 میلیارد ( ) پارسک به دست می‌آید.
بعد از کشف انبساط جهان، اینشتین و بسیاری دیگر از دانشمندان به تکمیل یک مدل کیهان‌شناختی نسبیتی بر مبنای انبساط همت گماشتند. تفاوت اکثر این مدل‌ها اساساً در انحنایی است که به فضای جهان قائل می‌شوند. بنابراین اگر فرضیات بنیادی آن‌ها درست باشد، اساسی‌ترین وظیفه‌ی رصد و مشاهدات، تعیین هندسه‌ی جهان است. به دیگر سخن، امروزه بسیاری از کیهان‌شناسان به احتمال درستی یکی از این مدل‌های انبساط جهان که بر مبنای نسبیت عام وضع شده‌اند اعتقاد دارند و تنها کمیت نامعلوم، انحنای جهان است.
با وجود این، برخی از کیهان‌شناسان فرضیات اساسی مطروحه را مورد تردید قرار می‌دهند و مدل‌های بسیاری را با رد یکی از این فرضیات، مثلاً فرض ایزوتروپی مطرح می‌کنند. برای مثال، در یکی از این مدل‌ها فقط چرخش و انبساط جهان محتمل فرض می‌شود. بحث در مورد این فرضیات پیچیده، بسیار مشکل است و توافق کاملی بین کیهان‌شناسان در مورد استنباط خواصی نظیر چرخش احتمالی جهان به عمل نیامده است.

مدل‌های حالت پایدار

حدود 20 سال پیش دو کیهان‌شناس به نام‌های باندی وگولد فرض کاملاً متفاوتی در مورد ماهیت جهان پیش کشیدند که مغایر با تمام طرق ارائه شده در کیهان‌شناسی بود. طبق فرضیه‌ی آن‌ها، یک اصل کلی و مقدم بر تمام اصول فیزیک وجود دارد که می‌توان آن را اصل کامل کیهان‌شناختی نامید. مفهوم این اصل عبارت است از همانندی جهان و ماهیت بزرگ مقیاس آن در زمان و مکان. یعنی جهان بزرگ مقیاس همه جا و همه وقت، همانند و یکسان است. بر مبنای اصل کامل کیهان‌شناختی مدلی ارائه می‌شود که کیهان‌شناسی حالت پایدار نام دارد. در این مدل، وسعت و سن جهان نامحدود است. باندی و گولد (و بعدها هویل) برای توجیه تغییر چگالی جهان به موازات انبساط، عنوان کردند که ماده به طور پیوسته در جهان خلق می‌شود تا فضای خالی شده در اثر انبساط را پر کند. به نظر آن‌ها، این ماده از هیچ خلق می‌شود و پیدایش آن نیز بسیار آهسته و غیر قابل رویت است. با وجود این، اکثریت قریب به اتفاق دانشمندان، این مدل را به خاطر نادیده گرفتن اصل بقای ماده و انرژی رد کرده‌اند.
علاوه بر مدل حالت پایدار، مدل‌های دیگری بر مبنای فرضیات گوناگون وضع شده‌اند. برای مثال برخی از دانشمندان فرض می‌کنند که انتقال به طرف قرمز کهکشان‌ها ناشی از جابه‌جایی دوپلری نبوده و جهان حقیقتاً در حال انبساط نیست. آن‌ها به اثر کاملا متفاوتی معتقدند که مشابه اثر دوپلر است، اما فقدان دلایل و شواهد کافی در اثبات آن، قبول کیهان‌شناختی آن‌ها را نیز مشکل می‌کند. دانشمندان دیگری کشف اسرار جهان را در گرو مطالعه و مشاهده‌ی دقیق ثابت‌های گوناگون فیزیک و کاوش ماهیت اتم و هسته‌ها می‌دانند. مثلاً مطالعات اخیر نشان می‌دهند که خواص اساسی معینی از ذرات بنیادی نظیر پروتون و الکترون می‌توانند به نحوی یک همبستگی عددی با خواص جهان بزرگ مقیاس داشته باشند. گرچه این‌گونه بازی با پارامترهای فیزیکی وسوسه برانگیز است ولی کارایی آن در حل مسائل بغرنج جهان، هنوز در پرده‌ی ابهام باقی مانده و درستی یا نادرستی این فرضیات اثبات نشده است.

مدل‌های دیگر

شاید مهمترین موفقیت کیهان‌شناسی در سال‌های اخیر، کشف تابش زمینه در طول موج‌های رادیویی است. با احتمال قریب به یقین می‌توان گفت که این تابش، میلیاردها سال پیش موقعی که جهان بسیار کوچک و داغ بوده گسیل شده است. تابش زمینه‌ی کیهانی را می‌توان به منزله‌ی پرتوهایی با انتقال به طرف قرمز زیاد تفسیر کرد که بی‌درنگ پس از انفجار اولیه تولید شده‌اند و به خاطر داشتن سرعت گریز بسیار زیاد و نیز پخش‌شدگی، اکنون تنها در طول موج‌های رادیویی و فروسرخ آشکار می‌شوند. اثبات این موضوع، دلیل دیگری است بر رد جهان حالت پایدار.
تابش زمینه‌ی کیهانی در سال 1965 کشف شد و تا حال مطالعات انجام گرفته، در عینیت آن تردید نداشته‌اند. تابش زمینه‌ی کیهانی معادل دمایی حدود 2/76 کلوین است که به بهترین وجه با مدل‌های کیهان‌شناختی مبتنی بر انفجار بزرگ سازگاری دارد. آزمایش‌هایی که در سال 1977 انجام گرفت نشان داد که تابش زمینه‌ی کیهانی، غیر ایزوتروپیک (ناهمروند) است، بدین معنی که مقدار آن در یک جهت با جهت‌های دیگر متفاوت است. این اختلاف دما حدود کلوین اندازه‌گیری شده است. علت ناهمروندی را می‌توان از حرکت زمین و خورشید دانست، زیرا منظومه‌ی شمسی حرکتی آهسته (البته در مقیاس کیهانی) نسبت به جهان دارد و با سرعت حدود 400 کیلومتر در ثانیه به طرف صورت فلکی اسد حرکت می‌کند. واقعیت دیگری که از این اندازه‌گیری‌ها به دست می‌آید این است که نمی‌توان چرخش سریعی برای جهان قائل شد و چرخش آن می‌باید کمتر از یک میلیاردم ثانیه قوسی در هر قرن باشد.
علیرغم تلاش زیاد اخترشناسان در آزمایش مدل‌های کیهان‌شناختی گوناگون، هنوز درستی حتی یکی از آن‌ها به طور کامل معلوم نشده است. بدیهی است که مسئله‌ی ماهیت جهان یکی از مشکل‌ترین مسائل موجود در بین تمام علوم است و ما سال‌های زیادی تا حل دقیق آن در پیش داریم.
منبع مقاله :
هاچ، پاول؛ (1388)، ساختار ستارگان و کهکشان‌ها، برگردان: توفيق حيدرزاده. تهران: مؤسسه جغرافيايي و کارتوگرافي گيتاشناسي، چاپ هفتم.