قرار دادن “بنگ” در بیگ‌بنگ

فیزیکدانان تعجب کرده‌اند که چگونه ماده سرد و یکنواخت جهان اولیه تورمی به یک مخلوط فوق‌العاده پیچیده از ماده، فضا و زمان تبدیل شده است که منجر به جهانی ‌شده که می‌شناسیم.

طبق نظریه بیگ‌بنگ، جهان ما از یک تکینگی شروع می‌شود – نقطه‌ای از چگالی به ظاهر بی‌نهایت که شامل همه جرم و زمان جهان هستی است – سپس در طی 13.8 میلیارد سال آینده به کیهانی تبدیل شده است که امروز می‌شناسیم. تصویر از Christine Daniloff/MIT/ESA/Hubble/NASA

از آنجا که نور با سرعت محدود سفر می‌کند، با نگاه کردن به فضا، این امکان را داریم که نگاهی به گذشته داشته باشیم. اما اخترشناسان توانسته‌اند به اندازه کافی نگاهی به دور بیندازند تا شاهد تولد جهان باشند. به همین دلیل، آنچه ما درباره تولد جهان می‌فهمیم، از فیزیکدانان نظری و اخترفیزیکدان هاست که با اتکا به فرمول‌های ریاضی و مدلهای رایانه‌ای می‌باشد. در اواخر هفته گذشته (24 اکتبر 2019)، فیزیکدانان در MIT اعلام کردند که با افراد دیگر در سراسر جهان همکاری کرده‌اند تا یک دوره “تکرار دوباره” بحرانی را که از آغاز بیگ بنگ در کسری از جهان آغاز شده است را شبیه‌سازی کنند. این اثر جدید به توضیح رمز و رازی در کیهان‌شناسی کمک می‌کند: میزان سردی و یکنواختی در دوره کوتاه تورم – دوره‌ای که کمتر از یک میلیاردم ثانیه در جهان اولیه به طول انجامید – سوپ فوق‌العاده پیچیده‌ای شد که ما آن را به نام جهان می‌شناسیم.

جنیفر چو با جملاتی جالب برای دفتر اخبار MIT توضیح داد:

بنابر تئوری بیگ بنگ، در حدود 13.8 میلیارد سال پیش، جهان طی برخورد توپ آتشین بی‌نهایت کوچک و جمع و جور از ماده که در اثر انبساط منفجر و خنک شد و باعث واکنشهایی گردید که اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها و همه اشکال ماده‌ای که امروز می‌بینیم و هست را بوجود آورد.

فیزیکدانان معتقدند که درست پیش از آن که بیگ‌بنگ جهان را در مسیر همیشگی خود پیش ببرد، مرحله دیگری از انفجار وجود داشت: تورم کیهانی، که کمتر از یک میلیاردم ثانیه طول کشید. در طی این دوره، ماده، سریعاً قبل از آنکه فرایندهای بیگ بنگ به دست بیاید، متورم می‌شود تا انبساط آهسته‌تر و تنوع بیشتری در جهان نوزاد ایجاد کند.

مشاهدات اخیر به طور مستقل از تئوری‌های هر دو انفجاربزرگ و تورم کیهانی حمایت کرده‌اند. اما این دو روند چنان متفاوت از یکدیگر هستند که دانشمندان در پی درک چگونگی اتفاق افتادن آن تلاش کرده‌اند.

اکنون فیزیکدانان در دانشگاهMIT ، کالج کنیون و جاهای دیگر جزئیات واسطی از جهان اولیه را که ممکن است تورم کیهانی را با انفجار بزرگ شبیه‌سازی کرده‌اند. این مرحله، معروف به “گرم کردن مجدد”، در پایان تورم کیهانی رخ داده است و فرآیندهای مربوط به گرمای تورم، ماده یکنواخت تورم را به سوپ ماوراء بنفش و پیچیده ای که در آغاز بیگ بنگ وجود داشت، تبدیل کرده است.

دیوید کایزر ، فیزیکدان و مورخ علوم ازMIT ، همکار نویسنده مقاله جدید است که در 25 اکتبر سال 2019 در مجله همکار بررسی شده Physical Review Letters منتشر شد. او در مقاله چو اظهار نظر كرد:

دوره گرمایش پس از تورم، شرایط را برای مهبانگ مهیا می‌کند ، و به تعبیری “بنگ” را در بیگ‌بنگ قرار می دهد.

آلان گوث برای اولین بار تورم کیهانی را به عنوان یک نظریه در سال 1979 پیشنهاد و توسعه داد. برای حل اسرار برجسته در کیهان شناسی این تئوری لازم بود. به عنوان مثال، مشکل افق وجود دارد. همانطور که در این تصویر نشان داده شده است، این فوتون‌ها نمی‌توانستند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند مگر اینکه تورم در همان اوایل جهان اتفاق بیفتد. درباره جهان تورمی و چگونگی حل مسئله افق در مرکز کیهان‌شناسی نظری استفان هاوکینگ می‌توانید بیشتر بخوانید:

http://www.ctc.cam.ac.uk/outreach/origins/inflation_zero.php

طبق گفته چو، کایزر و همکارانش که از ابزارهای فیزیک، ریاضیات و رایانه برای شبیه‌سازی جزئیات چگونگی تعامل چندین ماده در پایان دوره بسیار کوتاه تورم استفاده کردند:

شبیه سازی آنها نشان می‌دهد که انرژی شدیدی که تورم را به دنبال داشت، می‌توانست با همان سرعت، در کسری حتی کوچکتر از ثانیه، دوباره توزیع شود و به شکلی شرایطی را ایجاد کند که برای شروع بیگ‌بنگ موردنیاز بود.

مکانیک کوانتومی شاخه‌ای از فیزیک است که به کارهای بسیار کوچک، یعنی به حرکت و تعامل ذرات زیراتمی می‌پردازد، که اجزای اصلی همه مواد هستند. در عین حال، نظریه نسبیت عام اینشتین، ماده و جاذبه را پیش‌بینی می‌کند. نظریه مدرن بیگ‌بنگ بسیار وابسته به آن است. این ترکیب تئوری انیشتین با مکانیک کوانتومی بود که منجر به نتیجه‌گیری جدید شد: یک دوره “انتقالی دوباره” در پایان دوره تورم کمک کرد تا ماده سرد و یکنواخت را به یک ماده فوق‌العاده پیچیده تبدیل کند که منجر به ایجاد کهکشان‌های پرستاره و همه چیز دیگری شد که امروز می‌شناسیم.

کایزر اظهار داشت:

این امر ما را قادر می‌سازد یک داستان ناگفته، از تورم تا دوره پس از تورم، تا بیگ بنگ و فراتر از آن را بگوییم. ما می‌توانیم مجموعه‌ای مداوم از فرآیندها را با فیزیک شناخته شده ردیابی کرده و  بگوییم که این مطالعه یک روش قابل قبول است که در آن به جهانی نگاه می‌کنیم که امروزه وجود دارد.

اطلاعات بیشتر در مورد این مطالعه را از MIT News بخوانید:

http://news.mit.edu/2019/putting-bang-in-big-bang-1025

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Putting the ‘bang’ in Big Bang

Posted by Deborah Byrd in SPACE | October 29, 2019

https://earthsky.org/space/big-bang-simulation-inflation-reheating-period