بزرگنمايي:

کرمان رصد - زومیت / بیگ‌بنگ اغلب به عنوان شروع جهانی که می‌شناسیم معرفی می‌شود؛ اما گروهی از پژوهشگرها معتقدند بیگ‌بنگ ممکن است آغاز جهان نباشد.
بیگ‌بنگ اغلب به‌عنوان تولد انفجاری جهان توصیف می‌شود؛ لحظه‌ای یکتا که در آن فضا، زمان و ماده به‌طور ناگهانی به وجود آمدند. اما چه می‌شود اگر بیگ‌بنگ آغاز جهان نباشد؟ آیا ممکن است جهان ما از پدیده‌ای آشنا‌تر یا در عین‌حال بنیادی‌تر به وجود آمده باشد؟
انریکه گازتاناگا، استاد موسسه کیهان‌شناسی و گرانش در دانشگاه پورتسموث و همکارانش، در پژوهشی جدید جایگزینی قابل‌توجه برای بیگ‌بنگ پیشنهاد داده‌اند. محاسبات آن‌ها نشان می‌دهد که بیگ‌بنگ نه آغاز همه‌چیز، بلکه نتیجه یک فروپاشی گرانشی بوده که به شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ای بسیار عظیم منجر شده و پس از آن، جهشی بزرگ درون آن سیاه‌چاله رخ داده است.
ایده‌ی مطرح‌شده که پژوهشگرها آن را «جهانِ سیاه‌چاله‌ای» می‌نامند، نظریه‌ای کاملاً متفاوت درباره‌ی منشأ کیهان ارائه می‌دهد؛ اما به‌طور کامل بر فیزیک شناخته‌شده و مشاهدات تجربی استوار است.
مدل کیهان‌شناسی استاندارد امروز که بر پایه‌ی بیگ‌بنگ و تورم کیهانی (ایده‌ای که می‌گوید جهان اولیه به‌سرعت منبسط شده) بنا شده، تاکنون موفقیت چشم‌گیری در توضیح ساختار و تحول کیهان داشته است؛ اما این مدل هزینه‌هایی هم دارد، چرا که برخی از بنیادی‌ترین پرسش‌ها را بی‌پاسخ می‌گذارد.
مدل بیگ‌بنگ با تکینگی آغاز می‌شود؛ نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت که در آن قوانین فیزیک از کار می‌افتند. این فرض صرفاً ایرادی فنی نیست؛ بلکه یک مشکل عمیق تئوری است که نشان می‌دهد ما اصلاً آغاز جهان را به‌درستی نمی‌فهمیم.
برای توضیح ساختار بزرگ‌مقیاس کیهان، فیزیک‌دانان مرحله‌ای بسیار کوتاه از انبساط سریع را به ابتدای جهان اضافه کردند که به آن تورم کیهانی می‌گویند؛ مرحله‌ای که توسط میدانی ناشناخته با ویژگی‌هایی عجیب هدایت می‌شود. بعدها، برای توضیح انبساط شتاب‌دار کنونی جهان، عنصر مرموز دیگری به مدل افزوده شد: انرژی تاریک.
به‌طور خلاصه، مدل استاندارد کیهان‌شناسی عملکرد خوبی دارد؛ اما فقط با افزودن عناصری که هرگز به‌طور مستقیم مشاهده نشده‌اند. در همین حال، بنیادی‌ترین پرسش‌ها بی‌پاسخ مانده‌اند: همه‌چیز از کجا آمده؟ چرا این‌گونه آغاز شد؟ چرا جهان تا این اندازه تخت، هموار و بزرگ است؟
مدل جدید
مدل جدید پژوهشگرها از زاویه‌ای کاملاً متفاوت و با نگاه کردن به درون به جای بیرون، به پرسش‌های یادشده می‌پردازد. آن‌ها به‌جای شروع از جهانی در حال انبساط و تلاش برای بازسازی آغاز آن، بررسی می‌کنند که وقتی توده‌ای بیش‌ازحد متراکم از ماده زیر گرانش فرو می‌ریزد، چه اتفاقی می‌افتد. این فرآیند آشناست: ستاره‌ها به درون خود فرو می‌ریزند و سیاه‌چاله‌هایی را تشکیل می‌دهند که از شناخته‌شده‌ترین پدیده‌ها در فیزیک هستند. اما آنچه درون یک سیاه‌چاله در آن سوی افق رویداد قرار دارد، هنوز در حد راز است.
مدل بیگ‌بنگ با تکینگی آغاز می‌شود؛ نقطه‌ای که قوانین فیزیک از کار می‌افتند
راجر پنروز، فیزیکدان بریتانیایی در سال 1965 اثبات کرد که تحت شرایطی بسیار کلی، فروپاشی گرانشی باید به یک تکینگی منجر شود. این نتیجه، که بعدها توسط فیزیک‌دانانی مانند استیون هاوکینگ گسترش یافت، پایه‌گذار این ایده شد که تکینگی‌ها (مانند تکینگی بیگ‌بنگ) اجتناب‌ناپذیرند.
این ایده باعث شد پنروز بخشی از جایزه نوبل فیزیک 2020 را دریافت کند و الهام‌بخش کتاب پرفروش جهانی هاوکینگ «تاریخچه‌ای مختصر از زمان: از بیگ‌بنگ تا سیاه‌چاله‌ها» باشد. اما نکته‌ای مهم وجود دارد: این «قضایای تکینگی» بر پایه فیزیک کلاسیک بنا شده‌اند؛ یعنی فیزیکی که اجسام بزرگ و معمولی را توصیف می‌کند. با درنظرگرفتن آثار مکانیک کوانتومی که بر دنیای ریز ذرات و اتم‌ها حکم‌فرما است، احتمال می‌رود داستان تغییر کند.
پژوهشگرها در مقاله جدید نشان می‌دهند که فروپاشی گرانشی الزاماً نباید به تکینگی منجر شود. آن‌ها در این مسیر به یک راه‌حل تحلیلی دقیق رسیدند؛ یعنی نتیجه‌ای ریاضیاتی بدون تقریب یا ساده‌سازی. ریاضیات آن‌ها نشان می‌دهد که با نزدیک‌شدن به نقطه‌ی تکینگی احتمالی، اندازه‌ی جهان به‌عنوان تابعی هیپربولیک از زمان کیهانی تغییر می‌کند. این راه‌حل ساده ریاضی توصیف می‌کند که چگونه یک ابر متراکم از ماده می‌تواند به حالتی با چگالی بسیار بالا برسد و سپس با یک جهش بازگشتی، به‌سوی فازی جدید از انبساط حرکت کند.
اما چگونه است که قضایای پنروز چنین نتیجه‌ای را رد می‌کنند؟ همه‌چیز به قانونی به نام اصل طرد کوانتومی برمی‌گردد که می‌گوید دو ذره‌ی یکسان (فرمیون‌ها) نمی‌توانند همزمان در یک حالت کوانتومی (مثلاً اسپین یا تکانه زاویه‌ای) قرار بگیرند.
پژوهشگرها نشان دادند همین قانون، از فشرده‌شدن نامحدود ذرات در حال فروپاشی جلوگیری می‌کند. در نتیجه، فروپاشی متوقف شده و معکوس می‌شود. این جهش نه‌تنها ممکن، بلکه در شرایط مناسب، اجتناب‌ناپذیر است. نکته مهم اینجاست که این «جهش» به‌طور کامل در چارچوب نسبیت عام (قانون حاکم بر مقیاس‌های بزرگ مثل ستاره‌ها و کهکشان‌ها) و اصول پایه‌ی مکانیک کوانتومی رخ می‌دهد. درنتیجه به میادین عجیب‌وغریب، ابعاد اضافی یا فیزیک فرضی نیازی نیست.
آنچه پس از جهش پدید می‌آید، جهانی بسیار شبیه به جهان خود ماست. شگفت‌انگیزتر از آن، این جهش به‌طور طبیعی دو فاز شتاب‌دار انبساط یعنی تورم کیهانی و انرژی تاریک را بدون نیاز به میدان‌های فرضی و صرفا با استفاده از فیزیک همین جهش تولید می‌کند.
پیش‌بینی‌های آزمایش‌پذیر
یکی از نقاط قوت مدل یادشده این است که پیش‌بینی‌هایی قابل اندازه‌گیری دارد. این مدل پیش‌بینی می‌کند که جهان دارای انحنای فضایی مثبتِ بسیار کم اما غیرصفر است یا به عبارتی، جهان کاملاً تخت نیست، بلکه مثل سطح کره زمین کمی انحنا دارد.
مدل مطرح‌شده صرفاً میراثی است از آن چگالی بیش‌ازحد اولیه‌ای که فروپاشی را آغاز کرده بود. اگر رصدهای آینده مانند پروژه‌ی فضایی اقلیدس، انحنای مثبتِ کوچک را تأیید کنند، مدرکی قوی خواهیم داشت مبنی بر اینکه جهان ما واقعا از چنین جهشی زاده شده است. همچنین این مدل، نرخ انبساط کنونی جهان را هم پیش‌بینی می‌کند؛ چیزی که پیش‌تر نیز تأیید شده است.
در مدل جهان سیاه‌چاله‌ای، کل جهان قابل مشاهده در یک سیاهچاله قرار دارد
آنچه پژوهشگران ارائه می‌دهند، فقط مشکلات فنی کیهان‌شناسی استاندارد را حل نمی‌کند، بلکه می‌تواند به حل دیگر معماهای عمیق کیهان مثل منشأ سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم، ماهیت ماده تاریک یا شکل‌گیری و تکامل سلسله‌مراتبی کهکشان‌ها کمک کند.
پرسش‌های یادشده قرار است توسط مأموریت‌های فضایی آینده مانند Arrakihs بررسی شوند که شاخصه‌های پخشی مانند هاله‌های ستاره‌ای (ساختار کروی از ستارگان و خوشه‌های کروی که کهکشان‌ها را احاطه می‌کند) و کهکشان‌های ماهواره‌ای (کهکشان‌های کوچک‌تری که به دور کهکشان‌های بزرگ‌تر می‌چرخند) را بررسی خواهند کرد. شناسایی این شاخصه‌ها با تلسکوپ‌های زمینی دشوار است و بررسیشان به ما در درک ماده تاریک و فرایند تکامل کهکشان‌ها کمک می‌کند. ممکن است این پدیده‌ها با اجسام فشرده‌ی باستانی، مانند سیاه‌چاله‌ها که در فاز فروپاشی شکل گرفته‌اند و از جهش جان سالم به در برده‌اند نیز مرتبط باشند.
مدل «جهان سیاه‌چاله‌ای» همچنین دیدگاهی تازه نسبت به جایگاه ما در کیهان ارائه می‌دهد. در این چارچوب، کل جهان قابل مشاهده‌ی ما درون فضای یک سیاه‌چاله قرار دارد که در یک «جهان مادر» بزرگ‌تر شکل گرفته است.
مطالعه در نشریه Physical Review D منتشر شده است.
بازار