کیهان چگونه می‌میرد؟ در آتش یا در یخ؟

MacTavish · 22/8/19

بیگ بنگ: تی. اس. الیوت شاعر می پرسد: آیا جهان فریاد زنان می میرد یا با آه و ناله؟ رابرت فراست می پرسد؟ آیا در آتش از میان خواهیم رفت یا در یخ؟ گرچه این امکان وجود دارد که کیهان برای همیشه ادامه یابد، اما تقریبا به طور حتم انواع ساختارهایی که امروزه در آن وجود دارند، از قبیل سیارات، ستارگان، کهکشان‌ها و … برای همیشه دوام نخواهند داشت.

به گزارش بیگ بنگ، در آینده‌ای بسیار دور کهکشان ما و دیگر کهکشان‌ها یا تکه پاره شده و گرفتار مرگی مزمن، طولانی و سرد خواهند شد و یا در فرایندی بر عکس ِ بیگ بنگ فشرده شده و خواهند رمبید. اینکه کدام یک از این سرنوشت‌ها در مورد کیهان اتفاق می افتد تا حد قابل ملاحظه ای به ساختار کیهانی و طبیعت انرژی تاریک بستگی دارد. این انرژی یک نیروی مرموز و خلاف گرانش است که اخیرا معلوم شده نقشی مهم در رفتار بزرگ مقیاس عالم بازی می کند.

در گذشته کیهان‌شناسان تصور می کردند که انبساط جهان به تدریج رو به کاهش است، اما هم اکنون می دانیم که در حقیقت انبساط جهان در حال شتاب گرفتن است و کهکشان‌ها با سرعت فزاینده‌ای در حال دور شدن از هم هستند. همان انرژی تاریکی که ۷۰ درصد مجموع مواد و انرژی موجود را تشکیل می دهد، با راندن کهکشان‌ها از هم، انبساط جهان را سرعت می بخشد. داده‌های جدید ماهوارۀ پلانک از روی تابش پس زمینه کیهانی نشان می دهد که جهان با سرعت شگفت آور ۶۷٫۱۵ میلیون کیلومتر به علاوه یا منهای ۱٫۲ کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک در حال انبساط است(پارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر ۳٫۲۶ میلیون سال نوری است)، همچنین یافته‌های جدید حاصل از مطالعات ابرنواخترها در کهکشان‌های دوردست نیز این انبساط فزاینده را تایید می کند. آدام ریس، از انستیتوی تلسکوپ جهانی می گوید: « جهان مانند راننده‌ای رفتار می کند که با نزدیک شدن به چراغ قرمز سرعت را کم کرده و سپس با سبز شدن چراغ، پدال گاز را می فشارد.»

انرژی تاریک مشابه ثابت کیهان شناختی به نظر می رسد که نیرویی مخالف گرانش است و توسط آلبرت اینشتین به عنوان بخشی از نظریۀ نسبیت عام او پیشنهاد شده بود، همچنین انرژی تاریک پاسخگوی جرم –انرژی گمشده‌ای است که برای ساختار کیهان و سرنوشت‌های محتمل آن در آینده می توان پیش‌بینی کرد. حال پرسش این است دانشمندان پیرامون ساختار و هندسه کیهان چه نظری دارند؟

ساختار و هندسه‌ی کیهان چگونه است؟

دانشمندان نظریه‌های خود در مورد سرنوشت عالم را عمدتا براساس مدل‌های ریاضی بنیان می گذارند. این مدل‌ها نشان می دهند که بسته به چگالی جرم- انرژی کیهان دارای سه هندسه‌ی احتمالی: ۱- کیهان تـ*ـخت، ۲- کیهان بسته ۳- کیهان باز است. هر یک از این هندسه‌ها که می توان آنها را با یک شکل دو بعدی نشان داد دارای خمیدگی فضا- زمان متفاوتی هستند که در زیر به اختصار شرح داده می شوند.

تصویری هنری از جهان قابل مشاهده

تا همین اواخر کیهان‌شناسان تصور می کردند که روند انبساط کیهان به خاطر اثرات ترمزی گرانش باید در حال کند شدن باشد. همچنین محققان باور داشتند که تنها یک عامل چگالی جرم – انرژی کیهان تصمیم می گیرد که کدام یک از این دو سرنوشت اساسی کیهان را تعیین می کند. کیهان‌شناسان چگالی جرم و انرژی را با هم اندازه می گیرند، زیرا اینشتین نشان داد که جرم و انرژی هم ارز و قابل تبدیل به یکدیگرند. در واقع ساختار هندسۀ کیهان مربوط به تنظیم دقیق مدل بیگ بنگ میباشد. این مسائل برآمده از این واقعیت هستند که برخی از شرایط اولیه جهان بر روی مقادیر ویژه‌ای تنظیم دقیق شده‌اند و هرگونه انحرافی از این مقادیر در جهان اولیه می توانست تاثیرات شگرفی بر ماهیت جهان در دوره کنونی داشته باشند.

در مورد مسئله تـ*ـخت بودن کیهان پارامتری که تنظیم دقیق شده، چگالی ماده و انرژی در جهان یا امگا (Ω) است. مقدار این پارامتر، خمش فضا-زمان را تعیین می کند و برای یک جهان تـ*ـخت، مقدار آن باید برابر با یک مقدار بحرانی مشخصی باشد. در دهه‌ی ۱۹۷۰ این عقیده وجود داشت که چگالی ماده در جهان، به نام امگا، در حدود ۱ است. این حقیقت که این چگالی میلیاردها سال پس از بیگ بنگ به چگالی بحرانی برابر با ۱ نزدیک بود عمیقا آزار دهنده بود. با انبساط جهان ،امگا باید با زمان تغییر می کرد، اما این عدد به ۱ نزدیک بود، که نشانگر یک فضای کاملا تـ*ـخت و هموار بود.

معادلات اینشتین نیز نشان می دهد که امگا در ابتدای زمان هر مقدار معقولی که داشته باشد، امروز باید تقریبا برابر صفر باشد، برای اینکه میلیاردها سال پس از بیگ بنگ امگا عددی نزدیک به ۱ باشد تنها به یک معجزه نیاز است. این مساله در علم کیهان‌شناسی مساله‌ی تنظیم دقیق نامیده می شود، اگر امگا خیلی کوچک می‌بود آنگاه جهان بسیار سریع منبسط شده و خنک می‌شد اما اگر امگا خیلی بزرگ می‌بود، جهان قبل از اینکه حیات فرصت شروع پیدا کند از هم فرو می‌پاشید. به گفته مارتین ریس برای اینکه جهان، هم‌ اکنون پس از ۱۳٫۸ میلیارد سال، هنوز در حال انبساط بوده و مقدار امگا نیز زیاد با ۱ تفاوت نداشته باشد، این مقدار نمی‌توانسته در یک ثانیه پس از بیگ بنگ بیشتر از مقدار یک میلیون میلیاردم (یک در ۱۰ به توان ۱۵) با ۱ تفاوت داشته باشد. به بیان دیگر در آغاز زمان مقدار امگا می بایست با دقت یک تریلیونوم مساوی عدد ۱ تنظیم شده باشد، که پذیرش آن بسیار سخت است.

شکل کیهان به چگالی‌اش بستگی دارد. اگر چگالی آن بیش از چگالی بحرانی باشد، جهان بسته است و ساختاری کروی خواهد داشت؛ و اگر کمتر باشد، خمیدگی‌اش مانند یک زین خواهد بود. ولی اگر چگالی واقعی کیهان برابر با چگالی بحرانی باشد- چیزی که دانشمندان فکر می کنند- پس گسترش‌ این جهان تا ابد ادامه خواهد داشت، با ساختاری همچون یک برگ تـ*ـخت کاغذ.

میچیو کاکو در مثالی این تنظیم کیهانی را چنین شرح می دهد: «فرض کنید که بخواهید مدادی را بر روی نوک آن ایستاده نگه دارید. شیوه ی تلاش شما به هر شکلی که باشد اغلب مداد خواهد افتاد، تنظیم و میزان سازی با دقت فوق العاده بالایی مورد نیاز است تا مداد چنان متعادل شود که نیفتد. حال تصور کنید که می خواهید مداد را طوری روی نوک آن عمودی نگه دارید که نه فقط برای یک ثانیه بلکه برای میلیاردها سال همانطور بماند! تنظیم دقیق مورد نیاز برای اینکه امگا امروز برابر ۱ داشته باشد مشابه همین حالت است. کوچکترین خطا در تنظیم دقیق امگا باعث می شود که امگا به مقداری از ۱ فاصله داشته باشد.»

پس چرا امروز امگا اینقدر به یک نزدیک است در حالی که در اصل از نظر ستاره‌شناسی باید غیر از این باشد؟ از نظر آلن گوث پاسخ کاملا مشخص بود: تورم جهان چنان شدید بوده که منجر به تـ*ـخت شدن آن شده است. همانند شخصی که چون افق را نمی بیند نتیجه می گیرد که زمین هموار است. اخترشناسان نتیجه گرفتند که امگا در حدود یک است، در واقع ایده این است که جهان در نخستین کسرهای ثانیه پس از بیگ بنگ وارد یک دوره کوتاه انبساط بسیار بسیار سریع به نام تورم کیهانی شد که همین منجر به تـ*ـخت شدن جهان گشته است. این مسئله به همراه مسئله تک قطبی مغناطیسی و مسئله افق، سه انگیزه اصلی برای نظریه تورم کیهانی هستند.

در این تصویر مناطقی که آزمایش بومرنگ آن را بررسی کرده، نقاط گرم و سردی که به ترتیب با سایه‌های تیره و روشن مشخص شده را مشاهده می کنید.

لاورنس کراوس فیزیکدان معمای تـ*ـخت بودن جهان را چنین شرح می دهد:«شناخت برای شکل کیهان با آزمایش بالن تحقیقاتی بومرنگ(BOOMERanG) در قطب جنوب و در سال ۱۹۹۷ آغاز شد، بومرنگ تصویر قسمت کوچکی از تابش پس زمینه کیهانی که نقاط گرم و سرد را در الگویی از آخرین سطح پراکندگی نشان داد، سپس ماهواره تحقیقاتی دیگری به نام ماهواره تحقیقانی WMAP که بسیار حساس‌تر بود توسط ناسا در سال ۲۰۰۱ به فضا پرتاب شد، این ماهواره نقشه ای از کل تابش پس زمینه کیهانی را با دقت بی سابقه‌ای تهیه کرد.

دانشمندان با بررسی داده‌ها تخمین بسیار دقیقی از هندسه و شکل فضا زدند. نقشه WMAP که مشابه تصویری است که بومرنگ تهیه کرده بود، با دقت ۱ درصد تایید می کند که ما در یک جهان تـ*ـخت زندگی می کنیم! انتظار دانشمندان درست از آب در آمد. در طی اینکه دانشمندان به خاطر این تناقض و حدس جهان تـ*ـخت، بهت زده بودند، تقریبا هیچ کس آمادگی این غافلگیری را نداشت طبیعت اندوخته ای را که در درون خود بود ارائه داد و مشکل بین هندسه جهان که ناشی از محاسبه جرم و محاسبه انحنا بود را به طور مستقیم حل کرد. اما باز هم پرسش‌هایی باقی می ماند، آیا پاسخ نهایی برای ساختار و در نهایت سرنوشت کیهان را یافته ایم؟ یا شاید کیهان بدلیل بزرگی بیش از حد مانع از شناخت دقیقتش می شود؟ شاید هم کیهان در حال گول زدن ماست!

سرنوشت نهایی کیهان

بسته به متوسط چگالی کیهان و رفتار آینده‌ی انرژی تاریک کیهان چند سرنوشت محتمل متفاوت خواهد داشت، چهار مورد از این سرنوشت‌های محتمل در زیر شرح داه شده است:

سرمای بزرگ: تحقیقاتی که به منظور حل این موضوع انجام شده اند معلوم ساختند کیهان ویژگی‌هایی دارد که باعث می شود بسیار بسیار نزدیک به حالت تـ*ـخت باشد و چگالی آن دقیقا برابر حد بحرانی است. گرچه تعیین موقعیت برخی از جرم انرژی هایی که برای شکل دادن کیهان بصورت تـ*ـخت مورد نیاز است سخت به نظر می رسد اما چگالی کیهان باید نزدیک حد بحرانی باشد و بنابراین محتمل‌ترین سرنوشت برای کیهان انبساط همیشگی میباشد. بدین ترتیب اگر کیهان چگال جرم –انرژی نزدیک یا فقط کمتر از مقدار بحرانی داشته باشد و اثرات انرژی تاریک هم پایان یابد، ممکن است کیهان با آهنگی که به تدریج کاهش می یابد اما هرگز دچار ایست کامل نمی شود به انبساط ادامه می دهد. در پایان دوره‌ای بسیار بسیار طولانی از زمان، کیهان دچار مرگ سرد مزمن یا سرمای بزرگ خواهد شد.

اگر این نیروی ضد گرانش ادامه داشته باشد، جهان عاقبت در یک انجماد بزرگ به پایان خواهد رسید. با نزدیک شدن دمای فضا به صفر مطلق، دمایی که مولکول‌ها در آن خود به سختی حرکت می کنند، تمام حیات هوشمند موجود در جهان در نهایت، در یک مرگ دردناک منجمد خواهند شد. میلیاردها میلیارد سال دیگر، ستارگان از درخشش خواهند ایستاد، شعله‌های اتمی آنها با به اتمام رسیدن سوختشان فروکش خواهد کرد و آسمان برای همیشه تاریک خواهد شد. در اثر انبساط کیهانی، جهان مرده سردی از ستاره‌های کوتوله سیاه، ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها باقی خواهد ماند و حتی با گذشت زمان، سیاهچاله ها نیز انرژی خود را از دست خواهد داد و غبار سرد بی جانی از ذرات بنیادین سرگردان باقی خواهند ماند.

در چنین جهان سیاه و سردی، حیات هوشمند غیر ممکن خواهد بود. قوانین پولادین ترمودینامیک انتقال هرگونه اطلاعات در چنین محیط منجمدی را غیر ممکن می دانند و حیات لزوما متوقف خواهد شد. این ایده که جهان سرانجام در انجماد، به عمر خود پایان خواهد داد، اولین‌بار در قرن هجدهم مطرح شد. چارلز داروین، در تفسیر این مفهوم که قوانین فیزیکی ظاهرا تمام زندگی هوشمند را نابود خواهند کرد، نوشته است: « با پذیرش آنچه من به آن معتقدم، که انسان در آینده دور موجود بسیار کامل‌تری از آنچه امروز هست خواهد بود، این فکر غیر قابل تحملی است که بپذیریم انسان و دیگر موجودات با ادراک، پس از دوره‌ای بلند مدت از پیشرفت تدریجی، محکوم به نابودی کامل باشند.» متاسفانه آخرین داده‌های بدست آمده از ماهواره WMAP و پلانک ظاهرا تحقق کابوس داروین را تایید می کنند. این در حالی است که هنوز راهی برای فرار به جهان‌های موازی باقی مانده است.

سرمای بزرگ اصلاح شده: اگر اثرات انرژی تاریک همانند زمان حاضر ادامه یابد، چگالی کیهان هر چه که باشد خود کیهان با آهنگی قراینده انبساط خواهد یافت. ساختارهایی که توسط گرانش مقید نشده اند، نهایتا در سرعت‌هایی سریع‌تر از نور به دوردست‌ها خواهند رفت.(خود فضا می تواند با چنین سرعتی انبساط یابد، گرچه ماده و تابش نمی توانند) این سناریو هم با مرگ سرد طولانی یا سرمای بزرگ پایان خواهد یافت.

فروپاشی بزرگ: بر اساس رویکردی معکوس بیگ بنگ، روند اوج‌گیری می تواند به تدریج آهسته می شود و در مسیر فروپاشی قرار گیرد. در این سناریو، آغاز فروپاشی با کاهش سرعت شتاب‌گیری انبساط کیهان همراه می گردد. نهایتاً انبساط کیهان متوقف شده و با رسیدن به یک نقطه بازگشت، شروع به جمع شدن تا میزان حداکثری بنام بیگ کرانچ(Big Crunch) می کند. این فرضیه در حال حاظر از همه ضعیف‌تر و غیر محتمل تر به نظر می رسد مگر آنکه اثر انرژی تاریک در اینده برعکس شود. حتی اگر این اتفاق هم بیفتد نزدیکترین زمانی که این واقعه رخ خواهد داد ده‌ها میلیارد سال بعد از زمان حاضر خواهد بود.

شکافتگی بزرگ: اگر قدرت انرژی تاریک افزایش می یافت، می توانست بر همه‌ی نیروهای بنیادی غلبه کرده و در نهایت کیهان را در یک شکافتگی بزرگ از هم بپاشد. این اتفاق می تواند در ۲۰ تا ۳۰ میلیارد سال بعد از زمان کنونی بیفتد. در ابتدا کهکشان ها تکه پاره می شوند و آنگاه سیستم‌های خورشیدی. پس از آن ستارگان و سیارات منفجر شده و بعد از مدتی کوتاه به اتم‌های سازندشان تقسیم می شدند، در این هنگام زمان متوقف می شود.