در جستجوی پاسخی برای عمیق ترین سوال کیهانشناسی: آیا جهان مسطح است ؟

MacTavish · 11/10/19

یایید از دنیای پرهیاهو و البته کوچک زمین، خارج شویم و از بالا به شکوه کائنات نگاه کنیم. اگر واقعا می‌توانستیم آنقدر بالا برویم که کل گیتی را با یک نگاه ببینیم، آن را چه شکلی می‌دیدیم؟ این سؤال، یکی از جذاب‌ترین و البته یکی از بزرگ مقیاس ترین سوال‌های علمی است. واقعیت این است که ما جزیی بسیار بسیار کوچک در این گیتی پهناوریم و شاید حتی به لطف پیشرفته‌ترین تلسکوپ‌ها هم، نتوانیم چشم انداز کائنات را در یک نگاه ببینیم. اما روح ماجراجوی آدمی، با این بهانه‌ها، قانع نمی‌شود، این واقعیتی است که قرن‌ها در جامعه علمی دیده شده: ما انسان‌ها از کنجکاوی در مورد پدیده‌هایی که هیچگاه با چشم نمی‌بینیم، کوتاه نیامده ایم! از دنیای درون ریزترین موجودات هستی یعنی اتم‌ها گرفته تا عظیم‌ترین کهکشان‌های عالم. جالب اینکه همین کنجکاوی‌های در نگاه اول ابلهانه، منجر به زیباترین و شگفت‌انگیزترین نظریه‌های علمی شده است: کوانتوم، نسبیت و کیهان شناسی. در این مقاله می‌خواهیم این کنجکاوی را ادامه دهیم و با برخی استدلال‌های علمی، ثابت کنیم آیا جهان مسطح است یا نه؟ تا پایان این مقاله هیجان انگیز با گجت نیوز همراه باشید…

آیا جهان مسطح است؟ چطور می‌توانیم بگوییم یک شی سه بعدی، مسطح است؟ اصلا چگونه شکل کائنات را اندازه می‌گیریم؟ اجازه دهید به سراغ بحث برویم.

آیا جهان مسطح است: راه رفتن روی یک خط!

اجازه دهید منظورمان را از واژه مسطح، مشخص کنیم. همین صفحه‌ای که شما در حال خواندن آن هستید، قطعا یک صفحه مسطح است (البته با فرض اینکه نسل نمایشگرهای محدب، منقرض شده باشد) ولی زمین، گرد است (البته امیدواریم!). اما چگونه می‌توانیم این واقعیت‌ها را از نظر ریاضی، اثبات کنیم؟ چنین تمرینی برای درک ما از شکل کائنات، مفید خواهد بود.

پاسخ در بحث خطوط موازی، نهفته است. اگر دو خط موازی روی کاغذ بکشید می‌توانید مطمئن باشید که آنها هیچگاه یکدیگر را قطع نخواهند کرد و همیشه موازی خواهند ماند. حالا بیایید این تمرین را در مورد زمین خودمان، تکرار کنیم. از استوا شروع کرده و دو خط موازی به سمت بالا بکشید. در نهایت می‌بینید که هر کدام از این دو خط در قطب شمال، به یکدیگر می‌رسند. در واقع، این دو خط، هیچگاه به سمت راست یا چپ نمی‌روند، اما در قطب شمال، به یکدیگر می‌رسند؛ بنابراین خمیدگی زمین، باعث می‌شود این خطوط در ابتدا موازی، تا پایان، موازی باقی نمانند؛ پس زمین گرد است! بنابراین می‌توانید مسطح بودن یک ساختار را فقط با بررسی رفتار خطوط موازی ببینید. در جهان سه بعدی، می‌توانیم پرتوهای نور را برسی کنیم: اگر دو لیزر در ابتدا به طور موازی باشند، با نگاه کردن به رفتار طولانی مدت آنها، می‌توانیم نتایج مهمی بگیریم.

آیا جهان مسطح است

آیا جهان مسطح است ؟ مسطح مانند یک کلوچه بزرگ!

اندازه گیری شکل جهان، یک سوال کیهان شناسی است. واقعیت این است که در کیهان شناسی، هیچ کس به فکر آدمها، سیستم‌های خورشیدی، سیاهچاله‌ها یا کهکشان‌ها نیست، بلکه کیهان شناسان به بزرگترین و عظیم‌ترین مقیاس‌های جهان، فکر می‌کنند. اینجا هم درست مانند مکانیک کوانتومی، باید از دنیای روزمره بیرون رفته و قدم در دنیای تازه‌ای بگذاریم. جهان، آنقدرها هم مسطح نیست، هر جایی که جرم یا انرژی وجود دارد، یک خمیدگی در فضا-زمان وجود دارد؛ این چیزی است که نسبیت عام می‌گوید. بنابراین دو پرتوی نور درون یک سیاهچاله با یکدیگر برخورد خواهند کرد یا پس از مواجهه با یک یا دو کهکشان، با زوایای عجیبی خم خواهند شد.

حالا بیایید تمام این اثرات کوچک را دور انداخته و تصویر بزرگتری را ببینیم. کهنسال ترین نور کائنات یا همان تابش زمینه کیهانی تاکنون بیش از 13.8 میلیارد سال، سفر کرده، پس بهتر است برای درک درست‌تری در مورد شکل جهان، به آن نگاه کنیم. با اینکار حس درستی در مورد شکل جهان خواهیم گرفت. آیا جهان مسطح است؟ تابش زمینه کیهانی می‌گوید: بله! جهان، مسطح است.

آیا جهان مسطح است

آیا جهان مسطح است: قاشقی در کار نیست!

درست است تابش کیهانی می‌گوید جهان، مسطح است، اما این همه ماجرا نیست، این مقاله هنوز تمام نشده! اجاره دهید به سراغ واقعیت‌های جذاب‌تری برویم. تا به حال از خودتان پرسیده‌اید تفاوت یک کره و یک استوانه در چیست؟ دو خط موازی را روی یک تکه کاغذ بکشید. حالا آن را لوله کنید تا یک استوانه ساخته شود. با دقت به خطوط موازی نگاه کنید، آیا آنها همچنان موازی باقی می‌مانند یا نه؟ قطعا بله! این یعنی استوانه، مسطح است.

اینجا باید به یک تفاوت بنیادی و مهم توجه کنید: هندسه و توپولوژی، یکی نیستند! رفتار خطوط موازی، مربوط به هندسه است و توپولوژی، شیوه‌های پیچ خوردن فضا را بیان می‌کند. هندسه جهان، بسیار خوب اندازه گیری می‌شود (مسطح است)، اما در مورد توپولوژی، داستان به این سادگی‌ها نیست! ما نه تنها نمی‌توانیم توپولوژی جهان را با استناد به مشاهداتمان تعیین کنیم، بلکه هیچ قانون فیزیکی هم برای پیش بینی توپولوژی، وجود ندارد.

دوباره تکه کاغذ خود را بردارید. شما می‌توانید دو انتهای کاغذ را به روش‌های مختلفی، به یکدیگر متصل کنید. اگر لبه‌های آن را به طور معمولی روی هم بگذارید، یک استوانه به‌دست می‌آید. حالا قبل از اینکه لبه‌ها را روی هم بگذارید، یکی از لبه‌ها را بپیچانید: شما یک نوار موبیوس ساخته‌اید. این بار یک استوانه درست کنید و سپس سر و ته استوانه را به یکدیگر وصل کنید؛ این یک دونات است.

نوار موبیوس

این چند شکل توپولوژیکی را فقط به کمک یک تکه کاغذ دو بعدی ساختیم، پس لابد متوجه شده‌اید که در جهان سه بعدی، شیوه‌های بسیار زیادتری وجود دارند که منجر به شکل‌های توپولوژیکی بسیار متنوعی خواهند شد. اما جالب است بدانید که ما تاکنون فقط 18 گونه آنها را شناخته‌ایم. نوار موبیوس، بطری کلاین و خمینه‌های فضایی Hantzsche-Wendt، همگی، توپولوژی‌هایی غیربدیهی هستند که در برخی ویژگی‌ها، مشترک هستند: اگر در داخل این اشکال، به اندازه کافی در یک مسیر، جلو رفته و دور شوید، در نهایت به جایی که حرکتتان را آغاز کردید، بازخواهید گشت و جالب‌تر اینکه پس از بازگشت، به صورت وارونه خواهید بود! این رفتار، مرا دقیقاً به یاد سکانس‌های پایانی فیلم میان ستاره‌ای (Interstellar) می‌اندازد. اگر به یک فیلم علمی-تخیلی معناگرا علاقمندید، تماشای این فیلم حتما به شما توصیه می‌کنم.

آیا جهان مسطح است

ما از دید توپولوژیکی هم به جهان، نگاه کرده‌ایم، اما نه کپی‌های مختلفی از کهکشان‌ها دیده‌ایم و نه مشاهده کرده‌ایم که تابش زمینه کیهانی، خودش را قطع کرده است! اما کسی چه می‌داند، شاید همه این مشاهدات، توهمات ناشی از کوچکی بیش از حد ما باشد! شاید واپیچیدگی های گیتی، خیلی بزرگتر از آن است که ما فعلاً قادر به دیدن آن باشیم؛ بنابراین اگر روزی متوجه شدید مثل بازی Asteroids، روی یک دونات زندگی می‌کرده اید، تعجب نکنید، طبیعت نشان داده، همین قدر، شگفت انگیز است! شما جهان را چه شکلی می‌بینید؟