مدل چرخه ای کیهان: انحطاط ماده بی پایان اتفاق می افتد

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

در اوایل دهه 2000، دو فیزیکدان از دانشگاه پرینستون یک مدل کیهانی ارائه کردند که بر اساس آن انفجار بزرگ یک رویداد منحصر به فرد نیست، اما فضا-زمان مدت ها قبل از تولد جهان وجود داشته است.

در مدل چرخه‌ای، جهان یک چرخه بی‌نهایت خودپایدار را طی می‌کند. در دهه 1930، آلبرت اینشتین این ایده را مطرح کرد که جهان می تواند یک چرخه بی پایان از انفجارهای بزرگ و فشرده سازی بزرگ را تجربه کند. انبساط جهان ما ممکن است نتیجه فروپاشی جهان قبلی باشد. در چارچوب این مدل می توان گفت که جهان از مرگ سلف خود دوباره متولد شد. اگر چنین است، پس بیگ بنگ چیزی منحصر به فرد نبود، بلکه فقط یک انفجار جزئی در میان تعداد بی نهایت انفجار دیگر است. نظریه چرخه ای لزوماً جایگزین نظریه بیگ بنگ نمی شود، بلکه سعی می کند به سؤالات دیگری پاسخ دهد: مثلاً قبل از بیگ بنگ چه اتفاقی افتاد و چرا بیگ بنگ به دوره ای از گسترش سریع منجر شد؟

یکی از مدل های چرخه ای جدید کیهان توسط پل استاینهارت و نیل توروک در سال 2001 ارائه شد. Steinhardt این مدل را در مقاله خود، که مدل چرخه ای جهان نامیده می شود، توضیح داده است. در نظریه ریسمان، غشاء یا "برن" جسمی است که در ابعاد مختلفی وجود دارد. طبق گفته های Steinhardt و Turok، سه بعد فضایی که می بینیم با این بران ها مطابقت دارد. دو بران سه بعدی می توانند به صورت موازی وجود داشته باشند که با یک بعد اضافی و پنهان از هم جدا شده اند. این برانها - می توان آنها را به عنوان صفحات فلزی در نظر گرفت - می توانند در امتداد این بعد اضافی حرکت کنند و با یکدیگر برخورد کنند و انفجار بزرگ و در نتیجه جهان ها (مانند جهان ما) را ایجاد کنند. هنگامی که آنها با هم برخورد می کنند، رویدادها طبق مدل استاندارد بیگ بنگ رخ می دهند: ماده داغ و تشعشع ایجاد می شود، تورم سریع رخ می دهد و سپس همه چیز سرد می شود - و ساختارهایی مانند کهکشان ها، ستاره ها و سیارات تشکیل می شوند. با این حال، Steinhardt و Turok استدلال می کنند که همیشه برخی از تعاملات بین این بران ها وجود دارد، که آنها آن را inter-brane می نامند: آنها را به هم می کشد و باعث می شود که دوباره با هم برخورد کنند و انفجار بزرگ بعدی را ایجاد کنند.

مدل Steinhardt و Turok با این وجود برخی از مفروضات مدل بیگ بنگ را به چالش می کشد. به عنوان مثال، به گفته آنها، انفجار بزرگ آغاز فضا و زمان نبود، بلکه انتقالی از مرحله اولیه تکامل بود. اگر در مورد مدل بیگ بنگ صحبت کنیم، آنگاه می گوید که این رویداد آغاز فوری فضا و زمان را به عنوان چنین نشان می دهد. علاوه بر این، در این چرخه از برخورد بران ها، ساختار مقیاس بزرگ جهان باید توسط فاز فشرده سازی تعیین شود: یعنی این اتفاق قبل از برخورد آنها و وقوع انفجار بزرگ بعدی رخ می دهد. بر اساس تئوری بیگ بنگ، ساختار بزرگ مقیاس جهان توسط دوره ای از انبساط سریع (تورم) تعیین می شود که مدت کوتاهی پس از انفجار رخ داد. علاوه بر این، مدل بیگ بنگ پیش بینی نمی کند که کیهان چه مدت وجود خواهد داشت، و در مدل Steinhardt مدت زمان هر چرخه حدود یک تریلیون سال است.

خوبی مدل چرخه ای کیهان این است که برخلاف مدل بیگ بنگ، می تواند به اصطلاح ثابت کیهانی را توضیح دهد. بزرگی این ثابت مستقیماً با انبساط شتابان کیهان مرتبط است: توضیح می دهد که چرا فضا به سرعت در حال گسترش است. طبق مشاهدات، مقدار ثابت کیهانی بسیار ناچیز است.تا همین اواخر، اعتقاد بر این بود که ارزش آن 120 مرتبه قدر کمتر از پیش بینی شده توسط نظریه استاندارد بیگ بنگ است. این تفاوت بین مشاهده و نظریه از دیرباز یکی از بزرگترین مشکلات کیهان شناسی مدرن بوده است. با این حال، چندی پیش، داده های جدیدی در مورد انبساط کیهان به دست آمد که بر اساس آنها سریعتر از آنچه قبلا تصور می شد در حال گسترش است. باید منتظر مشاهدات جدید و تأیید (یا رد) داده های قبلاً به دست آمده باشیم.

استیون واینبرگ، برنده جایزه نوبل 1979، سعی می کند تفاوت بین مشاهده و پیش بینی یک مدل را با استفاده از اصل به اصطلاح انسان دوستی توضیح دهد. به گفته وی، مقدار ثابت کیهانی تصادفی است و در نقاط مختلف کیهان متفاوت است. ما نباید تعجب کنیم که در چنین منطقه نادری زندگی می کنیم که مقدار کمی از این ثابت را مشاهده می کنیم، زیرا تنها با این مقدار می توان ستارگان، سیارات و حیات را توسعه داد. با این حال، برخی از فیزیکدانان به دلیل فقدان شواهدی مبنی بر متفاوت بودن این مقدار در مناطق دیگر در کیهان قابل مشاهده، از این توضیح راضی نیستند.

مدل مشابهی توسط فیزیکدان آمریکایی لری ابوت در دهه 1980 ساخته شد. با این حال، در مدل او، کاهش ثابت کیهانی به مقادیر کم آنقدر طولانی بود که تمام مواد موجود در جهان در چنین دوره‌ای در فضا پراکنده می‌شوند و در واقع آن را خالی می‌مانند. با توجه به مدل چرخه ای جهان استاینهارت و توروک، دلیل کوچک بودن مقدار ثابت کیهانی این است که در ابتدا بسیار بزرگ بود، اما به مرور زمان، با هر چرخه جدید، کاهش می یافت. به عبارت دیگر، با هر انفجار بزرگ، مقدار ماده و تشعشع در کیهان "صفر" می شود، اما ثابت کیهانی نیست. در طول بسیاری از چرخه ها، ارزش آن کاهش یافته است، و امروز ما دقیقا این مقدار را مشاهده می کنیم (5، 98 x 10-10 J / m3).

نیل توروک در مصاحبه ای در مورد مدل خود و استاینهارت از جهان چرخه ای به شرح زیر صحبت کرد:

ما مکانیزمی را پیشنهاد کرده‌ایم که در آن نظریه ابر ریسمان و نظریه M (بهترین تئوری‌های ترکیبی گرانش کوانتومی ما) به جهان اجازه می‌دهند که از انفجار بزرگ عبور کند. اما برای درک اینکه آیا فرض ما کاملاً سازگار است یا خیر، به کار نظری بیشتری نیاز است.

دانشمندان امیدوارند با توسعه فناوری، فرصتی برای آزمایش این نظریه در کنار سایر نظریه ها فراهم شود. بنابراین، طبق مدل استاندارد کیهان شناسی (ΛCDM)، دوره ای به نام تورم مدت کوتاهی پس از انفجار بزرگ دنبال شد که جهان را با امواج گرانشی پر کرد. در سال 2015، یک سیگنال موج گرانشی ثبت شد که شکل آن با پیش بینی نسبیت عام برای ادغام دو سیاهچاله (GW150914) مصادف بود. در سال 2017، فیزیکدانان کیپ تورن، راینر وایس و بری باریش برای این کشف جایزه نوبل دریافت کردند. همچنین پس از آن، امواج گرانشی ناشی از رویداد ادغام دو ستاره نوترونی (GW170817) ثبت شد. با این حال، امواج گرانشی ناشی از تورم کیهانی هنوز ثبت نشده است. علاوه بر این، Steinhardt و Turok خاطرنشان می‌کنند که اگر مدل آنها درست باشد، چنین امواج گرانشی برای "تشخیص" بسیار کوچک خواهند بود.