تورم کیهانی

در کیهان‌شناسی فیزیکی تورم کیهانی به انبساط جهان اولیه با سرعتی بسیار بیشتر از سرعت نور اشاره دارد. دوره تورمی جهان از ۱۰^−۳۶ ثانیه پس از مهبانگ تا ۱۰^−۳۳ یا ۱۰^−۳۲ ثانیه پس از آن به طول انجامید. پس از پایان دورهٔ تورمی نیز جهان به انبساط خود با سرعتی کمتر ادامه داد. این فرضیه توسط فیزیکدان آمریکایی الن گوث در سال 1980 مطرح شد و در سال 2014 اخترشناسان اعلام کردند که موفق به آشکارسازی امواج گرانشی تورمی در طیف توان حالت بی شدند و این تایید محکمی برای نظریه گوث بود. تورم ساختار بزرگ مقیاس جهان را توضیح می‌دهد. اغتشاشات کوانتومی در منطقه میکروسکوپی تورمی به اندازه کیهان بزرگ شده و به دانه‌هایی برای شکل‌گیری ساختار در جهان تبدیل می‌شوند.

علی‌رغم موفقیت چشمگیر نظریه انفجار بزرگ، دلایل موجهی هستند که نشان می‌دهند شکل سنتی این نظریه ناکامل است. با اینکه این نظریه “انفجار بزرگ” نامیده شده است، در واقع این نظریه به هیچ وجه توصیف کننده یک انفجار نیست، بلکه نظریه‌ای برای توصیف عواقب و پس‌آیندهای یک انفجار است. انفجار بزرگ توصیف زیبا و کاملی از انبساط و خنک شدن کیهان، و همین طور تجمع ماده برای شکل گرفتن کهکشان‌ها و ستاره‌ها ارائه می‌دهد. ولی این نظریه چیزی درباره فیزیک خود انفجار نمی‌گوید: انفجار بزرگ هیچ سرنخی درباره چیزی که منفجر شده، علت انفجار و یا وقایع قبل از انفجار ارائه نمی‌دهد. در عوض، نظریه تورم کیهانی، توصیفی است از خود انفجار، و پاسخهای قابل قبولی برای این سوالها ارائه می‌کند.

در جدیدترین رمزگشایی کیهان دانشمندان امواج گرنشی نخستین لحظات پیدایش کیهان را مشاهده کردند که تاییدی بر وجود نظریه تورمی کیهان می‌باشد. در این نظریه به طرز شگفت‌انگیزی وجود تورم در ثانیه‌های اولیه پس از بیگ‌بنگ را تایید می‌نماید که دانشمندان پس از گذشت 82/13 میلیارد سال توانستند آن را آشکار کنند. نظریه تورم کیهان برای نخستین بار در سال 1980 از سوی فیزیکدان برجسته دانشگاه MIT آلن گوث مطرح شد. پیامد مستقیم تورم این است که کل جهان از ناحیه کوچکی شروع شده که به هم وابسته‌اند. طبق نظریه تورمی کیهان در اولین یک تریلیون تریلیونیم ثانیه، نیروی ضد گرانش مرموزی باعث گسترش و انبساط جهان شده است، جهان در کسری از ثانیه با ضریب غیر قابل تصوری برابر 10⁵⁰ انبساط یافته است. دقیقاً پس از آغاز دوره‌‌ی تورم چهار نیروی اصلی طبیعت که با هم یکی بودند، از هم جدا شده و هر کدام راه خود را در عالم رو به گسترش در پیش گرفتند. چرا جهان تخت، همگن و همسانگرد است، در حالی که بر پایه بیگ بنگ و اصل کیهان‌شناختی جهان باید به شدت خمیده و ناهمگن می‌بود؟ تورم همچنین خاستگاه ساختار بزرگ ‌مقیاس کیهان را توضیح می‌دهد. افت ‌و خیزهای کوانتومی جهان پیش از تورم هنگامی که تا مقیاس کیهانی بزرگ شد، هسته رشد ساختارهای کیهانی را پدید آورد. اگر نظریه تورمی کیهان شناسی درست باشد، به این معناست که کیهان بسیار بزرگتر از آنچه است که تصور می‌شود و احتمالا به همان‌اندازه هم پیرتر از سن کنونی‌اش است که برای آن در نظر می‌گیریم و فقط یک بیگ‌بنگ را به خود ندیده است بلکه تا به حال شاهد بینهایت از بیگ‌بنگ‌ها بوده است.

نظریه تورمی به منظور توجیه خصوصیات قابل مشاهده کیهان مطرح شد و تا به حال نیز بسیار موفق بوده است. بعنوان مثال می‌توان از بررسی ماهیت امواج پس زمینه کیهانی نام برد که کیهان‌شناسان آن را به علت گرمای کیهان در زمان بیگ‌بنگ تفسیر می‌کنند. این امواج با استفاده از ماهواره‌های کوبه، WMAP و پلانک با دقتی بی‌نظیر انجام شد و ستاره‌شناسان با توجه به اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی که از این پرتوها داشتند، دریافتند که این پرتوها با شدتی یکسان و با دقتی باور نکردنی و در حدود ۰٫۰۰۱ درصد، از تمامی جهات به زمین می‌رسند. با ردیابی گذشته‌ی پرتوها و بازگشت در زمان، کیهان‌شناسان به این نتیجه می‌رسند که دما و چگالی ماده در کیهان نیز می‌بایست با دقتی در همین حدود، در زمان گسیل این پرتوها در حدود ۳۰۰ هزار سال بعد از بیگ بنگ یکنواخت و همگن باشد. بدون نظریه تورمی، این یکنواختی و همگنی تا به این اندازه زیاد که باید در نظر بگیریم، قابل توجیه نیست. محاسبات حاکی از آن است که بدون تورم کیهان زمان کافی برای اینکه چنین همگنی و یکنواختی در آن رخ دهد را ندارد. بنابراین چیزی را که به اجبار باید در نظر بگیریم، این است که کیهان بدون هیچ توضیحی از ابتدا یکنواخت و همگن بوده است.

نظریه تورمی توجیه لحظه بیگ‌بنگ (انفجار بزرگ) می‌باشد، این نظریه بر پایه یک فرضیه بر گرفته شده از فیزیک نوین ذرات بنا شده است که بیان می‌کند؛ ذرات در چگالی بالا می‌توانند به طور شگفت‌انگیزی گرانش را از سر خود باز کنند، به این معنا که باعث شوند که گرانش بر خلاف خاصیت جاذبه‌ی خود حالت دافعه‌ای داشته باشد. در نظریه تورمی، همگنی جهان در همان لحظات ابتدایی و قبل از تورم رخ می‌دهد. در آن زمان محدوده جهان بسیار کوچک بوده است و برای حجمی تا این حد کوچک زمان زیادی برای رخ دادن همگنی وجود داشته است در مقایسه با فرآیندهایی که اکنون می‌شناسیم مانند هوایی که در اتاق حرکت می‌کند و با انتشار خود حالت یکنواختی را در اتاق به وجود می‌آورد. بعد از این همگنی، تورم باعث انبساط جهان به اندازه‌ای شد، که بتواند تمامی کهکشان‌ها و ستارگانی را که اکنون آنها را می‌بینیم در خود جای دهد.

در مطالعه نظریاتی همانند نظریه تورمی، کیهان‌شناسان فرض می‌کنند که قوانین فیزیک در این جهان‌های چندگانه یکسان است. کیهان‌شناسان در واقع هیچ راهی برای فهمیدن این که آیا به راستی این‌گونه است یا خیر ندارند امّا هدف آنها مطالعه نتایج قوانین فیزیک به همین نحوی است که آنها را می‌شناسیم و نه اندیشیدن بیهوده در مورد قوانین جهان های دیگر. با این حال، این احتمال وجود دارد که جهان های دیگر متفاوت از جهانی که خودمان در آن زندگی می‌کنیم باشند.

در حالی که فضای تهی خالی از هرگونه ویژگی در نظر گرفته می‌شد، در فیزیک نوین ذرات، فضای تهی مقوله‌ای بسیار پیچیده است. زوج‌های ماده ـ پاد ماده به طور پیوسته در آن ظاهر و ناپدید می‌شوند و خود فضا نیز به قسمت‌های کمتر شناخته‌شده‌ای به نام ” حباب‌های ریز کوانتومی” تقسیم می‌شود که اگر به اندازه‌ی کافی بزرگنمایی داشته باشیم به اندازه‌ی ^۳۶-^۱۰ قابل مشاهده هستند. به دلیل این پیچیدگی، فیزیکدانان نمی‌دانند که آیا فقط یک نوع از فضاهای تهی پایدار است یا اینکه چند نوع هستند. انواع دیگر فضاهای تهی نمی‌توانند ۳ بعدی باشند و احتمالا آنها جرم ذرات مادی و نیروی‌هایی که بر رفتارهای آنها تاثیر دارد را دگرگون می‌کنند. اگر انواع مختلفی از فضاها وجود داشته باشد چرخه‌ی بینهایت جهان‌ها می‌تواند معیاری برای تمامی احتمالات ممکن باشد.

از همان روزهای ابتدایی که نظریه‌ی کوانتوم مطرح شد تا امروز هیچ ایده یا راه‌ حلی نتوانسته بین کوانتوم و نسبیت اتحاد و یگانگی ایجاد کند. نظریه‌ی کوانتوم دنیای ریزاتم‌ها و سه نیروی هسته‌ای قوی و ضعیف و الکترومغناطیس را بررسی می‌کند و نسبیت به بررسی گرانش و رفتار بزرگ‌ ترین اجرام در عالم می‌پردازد. امّا در این میان پل ارتباطی شگفت‌انگیزی وجود دارد که برای نخستین ‌بار وجود آن به تازگی توسط دانشمندان توسط امواج گرانشی بیگ‌بنگ تأیید شده است.

نظریه تورمی تنها همگنی را که در امواج پس زمینه کیهانی می‌بینیم توجیه نمی‌کند بلکه این نظریه می‌تواند خصوصیات آماری اختلاف بسیار کم در شدت امواج پس‌زمینه که توسط ابزارهای بسیار دقیقی که حتی نوسانات کمتر از ۰٫۰۰۱ را نیز ثبت می‌کنند، را نیز توضیح می‌دهد. دافعه گرانشی خلا کاذب به اندازه‌ای قدرتمند است که انبساط سریع و باور نکردنی را به وجود می‌آورد و وسعت جهان در مدت زمان ^۳۷-^۱۰ ثانیه به 2 برابر افزایش می‌دهد و در ^۳۷-^۱۰ ثانیه بعد نیز وسعت جهان باز هم 2 برابر می‌شود و جهان مادامی که خلا کاذب باقی‌مانده است هر ^۳۷-^۱۰ ثانیه به 2 برابر شدن خود ادامه می‌دهد اما خلا کاذب ناپایدار است و در نهایت در برهه‌ای از بین رفته و انرژی خود را تبدیل به ذرات مادی می‌کند. از این نقطه به بعد این نظریه با مدل استاندارد بیگ بنگ آتشین هم رای است.

نظریه مهبانگ (انفجار بزرگ) سال‌ها کاملا مورد تایید بود، به ویژه بعد از تأیید کشف تابش پس زمینه کیهانی (CMB). علیرغم موفقیت‌های بزرگ این نظریه در توصیف کیهان، اما این نظریه دچار مشکلات اساسی بود؛

مسأله همگنی

چرا کیهان به طرز شگفت‌آوری درست یک ثانیه پس از مهبانگ یکنواخت و همگن بوده است؟

مسأله تختی

مقدار پیش‌بینی‌شده تولید تک‌قطبی‌های مغناطیسی

مدل مهبانگ به نظر می‌رسد یک کیهان دارای انحنا که توزیع انرژی در آن یکنواخت نیست پیش‌بینی می‌کند، و در این کیهان تعداد زیادی تک قطبی مغناطیسی وجود دارد که هیچ‌کدام با شواهد رصدی سازگار نیستند.

آلن گوث یافته‌های خود را در ۲۳ ژانویه ۱۹۸۰ در مرکز شتاب‌ دهنده خطی استنفورد (SLAC) ارائه داد. ایده انقلابی وی این بود که اصول فیزیک کوانتومی که در قلب فیزیک ذرات وجود دارد می‌تواند برای توصیف لحظات اولیه پس از مهبانگ به کار رود. کیهان با چگالی انرژی بسیار بالایی ایجاد شده است. قوانین ترمودینامیک الزام می‌کنند که چگالی بالای کیهان موجب انبساط بسیار شدیدی شده است.

ویژگی‌های نظریه تورم

این انبساط چقدر سریع بوده است؟ طی دوره تورم هر ^35-^10 ثانیه ابعاد کیهان دو برابر شده است. طی ^30-^10 ثانیه، ۱۰۰۰۰۰ بار اندازه کیهان ۲ برابر شده است، که این میزان انبساط برای توضیح مسأله تختی کافی است. حتی اگر کیهان در ابتدای انبساط دارای انحنا بوده باشد، انبساط به اندازه‌ای بوده است که کیهان امروز تخت باشد.

بطور مشابه، انرژی نیز بسیار یکنواخت توزیع شده است، وقتی انبساط شروع شد ما یک بخش بسیار کوچک از عالم بودیم، که با انبساط بسیار سریع کیهان اگر توزیع نایکنواخت بزرگی از انرژی وجود داشت، اکنون بسیار دورتر از آن بودیم که ما بتوانیم آن را درک کنیم. این پاسخ مسأله همگنی است.

دو نوع مرتبط به هم از نظریه تورم وجود دارد: تورم آشوبناک (Chaotic inflation) و تورم ابدی (Eternal inflation) که تفاوت‌های جزئی با هم دارند. در این نظریه‌ها، مکانیزم تورمی تنها یک بار پس از مهبانگ رخ نداده است، بلکه بارها و بارها در نواحی مختلف از فضا و زمان رخ داده است. این نظریه‌ها تعداد فزاینده‌ای از جهان‌های حبابی (Bubble universes) را به عنوان بخشی از چند جهانی پیش‌بینی می‌کنند. برخی فیزیکدان‌ها خاطر نشان می‌کنند که این پیش‌بینی‌ها در تمام نسخه‌های مدل تورمی وجود دارند، و نباید آن‌ها را نظریه‌های متمایزی به شمار آورد. از آنجا که تورم یک مدل کوانتومی است، یک میدان برای تولید تورم در نظر گرفته می‌شود که میدان اینفلاتون یا ذره اینفلاتون نامیده شده است.

گردآوری: حبیبه شیخ‌پور

منابع: سایت بیگ‌بنگ، سایت هوپا، ویکی‌پدیا