یافته‌های جدید نشان از قطعی بودن همسانگردی جهان هستی دارند

دانشمندان تابش کیهانی بازمانده از انفجار بزرگ را مورد بررسی قرار داده‌اند. هدف آنها از این بررسی در واقع پایان دادن به بحث‌هایی بوده که به مدت طولانی دانشمندان را به خود مشغول کرده است؛ بحث‌هایی بر سر اینکه آیا جهان هستی در تمام جهات دارای حالت یکسانی است یا اینکه جهان هستی روی نوعی محورهای اسپینی (چرخش به دور خود) قرار گرفته است؟

به نظر می‌رسد در جهان ما که با سرعت نیز در حال گسترش است، هیچ «ترجیحی» در رابطه با جهت گسترش وجود ندارد. به عبارتی جهان هستی در همه‌ی جهت‌ها دقیقا با نرخ یکسانی در حال انبساط است. در حالی که این یافته می‌تواند خبر خوبی برای مدل‌های کیهان‌شناسی فعلی ما باشد، از سویی نیز خبری بد برای راه حل‌های موجود فعلی برای معادلات معروف میدان آلبرت اینشتین تلقی می‌شود. اما بهتر است پیش از اینکه به سراغ تشریح یافته‌های جدید دانشمندان برویم، ابتدا سری به دانسته‌های قبلی خودمان و اطلاعات پس‌زمینه‌ی پیرامون این موضوع بزنیم.

برای سال‌های طولانی دانشمندان چنین استدلال کرده‌اند که جهان هستی می‌تواند تنها به یکی از این دو حالت عمل کند: حالت نخست این است که جهان هستی هم می‌تواند همگن و ایزوتروپیک باشد که به معنی این خواهد بود که اساسا در تمام جهات یکسان است؛ یا اینکه می‌تواند ناهمسانگرد باشد؛ به این معنی که ممکن است از بیرون یکنواخت به نظر برسد، اما در واقعیت و در اعماق لایه‌های آن دارای یک تمایل یا «ترجیح» به سوی جهتی خاص باشد.

برای اینکه از پدیده‌ی ناهمسانگردی (anisotropy) بتوانیم یک ذهنیت روشن به دست آوریم، می‌توانیم در ابتدا یک بلور الماس را در نظر بگیریم. همان طور که آدریان چو (Adrian Cho) نیز برای برای Science magazine توضیح می‌دهد، یک کریستال الماس دارای تراکم یکنواخت است، اما اتم‌های آن همگی در جهت‌های خاصی مرتب شده‌اند.

حال اجازه دهید تا یک تکه چوب را در نظر بگیریم. با وجود تمام برجستگی‌های سطحی و چین‌هایی که در بخش بیرونی آن وجود دارد، ولی چوب فقط یک ماده است و ما آن را به عنوان یک بلوک یکنواخت از چوب می‌شناسیم. اما واقعیت این است که استحکام آن در راستای طولی نسبت به راستای عرضی آن بیشتر خواهد بود. به عبارت دیگر، اگر چیزی ناهمسانگرد باشد، آنگاه ماده‌ی مذکور زمانی که در جهات مختلف اندازه گیری می‌کنیم، دارای مقادیر مختلفی برای یک ویژگی خاص فیزیکی خواهد بود.

ایده‌ی ناهمسانگرد بودن جهان هستی در پاسخ به نشانه‌های به دست آمده‌ی خاصی بود که بر مبنای آنها این احتمال مطرح شده بود که شاید جهان هستی به آن اندازه‌ای که ما همواره می‌پنداشته‌ایم، همگن و ایزوتروپیک نبوده باشد. اما در حال حاضر و با یافته‌های اخیر به نظر می‌رسد که فرضیه‌ی جهان ناهمسانگرد دارای مشکلات بسیار بزرگتری است.

چندین قرن پیش و در سال ۱۵۴۳، نیکلاس کوپرنیک ثابت کرد که زمین مرکز جهان نیست. وی در آن زمان تنها با اشاره به اینکه سیاره‌ی ما در حال گردش به دور خورشید است، توانست گفته‌ی خود را اثبات کند و به هیچ تحلیل دیگری متوسل نشده بود. چو در این باره می‌گوید:

آن مشاهده در آن زمان باعث تولد اصل کوپرنیک شد که بر پایه‌ی آن ما هیچ نقطه‌ای را در بی‌نهایت نداریم و در یک جهان بدون مرکز هستیم. در اوایل قرن بیستم و با ظهور نظریه‌ی نسبیت عام آلبرت اینشتین و انجام این مشاهده که جهان هستی در تمام جهات در حال گسترش است، ‌ایده‌ی کوپرنیک نیز تکامل یافته و به یک اصل کیهانی تبدیل شد. اصلی که بر مبنای آن فرض می‌شود جهان هستی در همه جا و در همه‌ی جهات یکسان است.

فرضیه‌ی فوق منطقی و مشخص است و ما تقریبا هر مدل کیهان‌شناسی اخیری را که ساخته‌ایم، بر پایه‌ی این فرضیه ایجاد کرده‌ایم. به عبارتی در همه‌ی مدل‌هایی که برای توضیح بیگ‌بنگ ارائه شده‌اند و در این مدل به انبساط جهان هستی و سایر مناسبات موجود در آن پرداخته شده، همگی بر این فرض استوار بوده‌اند که جهان ما یک جهان ایزوتروپیک است. اما در طول دهه‌ی گذشته، برخی جزییات خاص پیرامون آن باعث شده تا فرض فوق به نوعی با شک و تردید همراه باشد.

همانطور که چو هم در این باره توضیح داده است، زمانی که شما ماده را در یک مقیاس کوچک در نظر بگیرید، به طور مساوی در سراسر جهان توزیع نخواهد شد. به عنوان مثال، سیستم‌های ستاره‌ای، کهکشان‌ها، و خوشه‌های کهکشانی در سرتاسر جهان در توده‌های تصادفی پراکنده شده‌اند و دانشمندان پیشنهاد کرده اند که شاید وجود چنین حالتی در جهان به این معنی باشد که نوعی از نیرو یا جریان جهت‌دار وجود داشته باشد که آنها را به موقعیت‌های کنونی‌شان سوق داده‌اند. چو در این باره می‌گوید:

 آنها بر این باورند که این حالت ناشی از آن است که جهان هستی به صورت یک سوپ همگن از ذرات زیراتمی در انفجار بزرگ متولد شده است. هنگامی که جهان تحت یک رشد نمایی و فورانی موسوم به تورم کیهانی قرار گرفت، نوسانات کوانتومی کوچک در آن سوپ کیهانی مذکور تا اندازه‌ی عظیم‌الجثه‌ای در قیاس با حالت نخست گسترش یافته‌اند و همین گسترش در ادامه منجر به ایجاد تغییرات چگالی شده که باعث ایجاد کهکشان‌ها شده‌اند.

مدل استاندارد ما در کیهان شناسی بر این فرض ساخته شده است که این تغییرات تنها در مقیاس بسیار کوچک مهم هستند و اثرات آنها در بزرگترین مقیاس‌ها ناچیز است. اما اگر جهان مانند یک کریستال الماس بوده باشد و یک جهت ترجیح داده شده‌ی ذاتی برای کل ساختار آن وجود داشته باشد و این جهت بدون در نظر گرفتن اینکه شما چقدر از دورتر به آن نگاه کنید هم برقرار باشد، در آن صورت برداشت ما چه خواهد بود؟

در اینجاست که فرضیه‌ی ناهمسانگردی خود را نشان می‌دهد و باورهای پیرامون آن نیز پیش‌تر و در سال ۲۰۰۰ قوت بیشتری به خود گرفتند. این اتفاق زمانی رخ داد که فضاپیمای کاوشگر WMAP ناسا توانسته بود برجستگی‌های عجیبی را در تابش زمینه‌ی کیهانی پیدا کند که هیچ کس قادر به توضیح علت آن نبود.

در واقع، منطقه‌ای در جهان ما وجود دارد که بسیار سردرگم‌کننده است، برخی دانشمندان به معنای واقعی کلمه آن را محور شرارت نام‌گذاری کرده‌اند! اما بسیاری از دانشمندان نیز آن را به عنوان یک اتفاق آماری رد کرده‌اند.

برای پی بردن به بهترین گزینه‌‌ی محتمل درباره‌ی جهان ما، کیهان‌شناسان از دانشگاه کالج لندن در انگلستان تصمیم گرفتند تا به قدیمی‌ترین شکل تابش در جهان که تابش زمینه‌ی کیهانی یا CMB است، نگاه دقیقی داشته باشند. این تابش را به عنوان پستاب انفجار بزرگ می‌شناسیم.

آنها سعی کردند تا به جای گشتن به دنبال موارد عدم تعادل در CMB، همانند کاری که در تعبیر محور شرارت استفاده شده بود، به دنبال شواهدی برای جهت ترجیح داده شده‌ی جهان هستی برای روند انبساط خود بگردند. یکی از اعضای تیم، دانیلا سعاده (Daniela Saadeh) در گفتگو با مت ویلیامز از Universe Today در این باره گفت:

 ما درجه حرارت و قطبیدگی پس زمینه‌ی مایکروویو کیهانی (CMB) را که تابش بازمانده از انفجار بزرگ است، با استفاده از داده‌های به دست آمده از ماموریت پلانک مورد تجزیه و تحلیل قرار دادیم. ما تابش زمینه‌ی کیهانی واقعی را با پیش‌بینی‌های خودمان از آن چیزی که این تابش در یک جهان ناهمسانگرد می‌تواند به نظر برسد، مورد مقایسه قرار دادیم. ما پس از این پژوهش به این نتیجه رسیدیم که هیچ مدرکی برای این الگوها وجود ندارد و این فرض که جهان هستی در مقیاس‌های بزرگ به صورت ایزوتروپیک است در واقع فرضیه‌ی خوب و معقولی ارزیابی می‌شود.

تیم پژوهشی در پایان پژوهش‌های خود به یک برآورد رسیدند. آنها تخمین زده‌اند که شانس اینکه جهان ما دارای یک جهت خاص و به تعبیری ترجیح داده شده برای انبساط باشد، به میزان ۱ در ۱۲۱ هزار است. این تخمین در واقع به خودی خود بهترین پشتیبانی است که می‌تواند برای تایید فرضیه‌ی فعلی ما درباره‌ی یک جهان ایزوتروپیک وجود داشته باشد. سعاده همچنین در گفتگو با چو از ساینس نیز گفت:

برای اولین بار است که ما واقعا فرضیه‌ی ناهمسانگردی را می‌توانیم حذف کنیم. پیش از این فرضیه‌ی فوق را به عنوان فرضیه‌ای که هنوز مورد بررسی دقیق قرار نگرفته به حساب می‌آوردیم.

تصویر زیر همچنین تابش پس زمینه کیهانی را نشان می‌دهد. یک جهان ناهمسانگرد می‌تواند الگوهای خاصی در تابش زمینه‌ی کیهانی از خود به جای بگذارد (همانند تصویر دوم). اما تابش زمینه‌ی کیهانی در واقع به نظر می رسد که مانند تصویر اول باشد که کاملا به صورت تصادفی شکل گرفته است.

همان طور که در در Universe Today هم اشاره شده، این یافته شاید کمی ناامید کننده باشد، چرا که جهانی که همگن و همسانگرد نباشد در واقع تنها گزینه‌ای است که می‌تواند راه حل‌های ما برای حل معادلات میدان اینشتین را پشتیبانی کند. معادلات میدان اینشتین در نظریه‌ی نسبیت عام خود مجموعه‌ای از ۱۰ معادله هستند که برهم‌کنش اساسی گرانش را به عنوان یک نتیجه از فضازمانی که توسط ماده و انرژی انحنا می‌گیرد، تشریح می‌کنند.

راه حل‌های یاد شده توسط ریاضیدان ایتالیایی لوئیجی بیانچی (Luigi Bianchi) در اواخر قرن ۱۹ پیشنهاد شده است و وجود یک جهان ناهمسانگرد را به نوعی مجاز می‌شمارد. اما در صورتی که آن فرض برقرار نباشد، ما احتمالا باید به دنبال یک راه کاملا جدید برای توضیح نتایج معادلات میدان اینشتین باشیم.

اما این چشم‌انداز به مراتب دارای پیچیدگی کمتری نسبت به چشم‌اندازهایی است که  شواهد موجود در آنها به طور شتاب‌زده‌ای به جهان ناهمسانگرد اشاره می‌کنند و در ادامه نیز ما را به این نتیجه می‌رسانند که باید در تمام مدل‌های استانداردی که تا به امروز از کیهان‌شناسی داشته‌ایم، تجدید نظر کنیم. پس با همه‌ی این تفاسیر باید یافته‌ی اخیر را به عنوان یک پیروزی و دستاورد خوب قلمداد کنیم. سعاده در این باره گفت:

 در ۱۰ سال گذشته، بحث‌های قابل توجهی وجود داشته؛ درباره‌ی اینکه آیا نشانه‌هایی از ناهمسانگردی در مقیاس بزرگ در تابش زمینه‌ی کیهانی می‌تواند وجود داشته باشد یا خیر.

اگر جهان ناهمسانگرد بود، ما نیاز به تجدید نظر در بسیاری از محاسبات خودمان درباره‌ی تاریخ کیهان و محتوای آن پیدا می‌کردیم. داده‌ی باکیفیت بالای پلانک در یک فرصت طلایی برای انجام بررسی سلامت مدل استاندارد کیهان‌شناسی به کار آمدند و خبر خوب بررسی اخیر هم در نهایت این بود که مدل استاندارد موجود کاملا ایمن است. نتایج این پژوهش‌ها در ژورنال Physical Review Letters به انتشار رسیده است و نسخه‌ی پیش از انتشار آن نیز در arXiv.org در دسترس علاقمندان قرار گرفته بود.