آفرینش کیهان
راسل استانارد/ ترجمه: امیرمسعود جهان‌بین

با این حال، یک احتمال وجود دارد – مسلما یک احتمال «بسیار» اندک – که بتوان بهتر عمل کرد. ما نه فقط با نور و سایر صورت‌های تابش الکترومغناطیسی، بلکه با نوترینوها نیز در جهان مواجه‌ایم. نوترینوها نوعی ذرات بنیادی هستند که مشهورند بسیار به ندرت با چیزی برهم‌کنش دارند. می‌توان یک نوترینو نوعی را از داخل زمین از یک طرف به طرف دیگر صدهزارمیلیون بار عبور داد، پیش از آن‌که یک بخت پنجاه پنجاه برای برخورد به چیزی داشته باشد. اما تکنیک‌های تجربی به وجود آمده است که آن‌ها را آشکار کرده است. این موضوع احتمال این که ممکن است قادر باشیم نوترینوهایی را که به غبار تابشی اولیه نفود کردند، آشکار کنیم زنده نگه می‌دارد.  بنابراین شاید بتوانیم نشان دهیم که در دوره‌های ابتدایی چه رویدادهایی رخ ‌داده است. از این طریق، اصولا می‌توان دست‌کم به یک ثانیه پس از مه‌بانگ سرک کشید. اما دشواری‌های عملی در نیل به این مقصود، فراوان‌اند. فراتر از آن، حتی امکان بعیدتری برای کاربرد امواج گرانشی وجود دارد؛ نوعی از موج که وقتی اجسام با جرم بالا شتاب می‌گیرند، تولید می‌شود. به لحاظ نظری، امواج گرانشی می‌توانند دقیقا ما را برای بررسی تا لحظه‌ی مه‌بانگ عقب ببرند. متاسفانه آشکارسازی آن‌ها در حال حاضر دشوار است. علی رغم تلاش‌های صورت گرفته در سالیانی چند، تاکنون کسی موفق به آشکارسازی یک موج گرانشی نشده است.

بنابراین دشواری‌های عملی،‌ توانایی ما را در میزان نزدیک شدن به لحظه‌ی مه‌بانگ از طریق مشاهده‌ی مستقیم محدود می‌کند. اما این پایان داستان نیست. سرنخ‌های دیگری وجود دارد؛ ویژگی‌‌هایی از جهان امروز که خواستگاه‌های خود را وامدار رخدادهای دوران‌های نخستین هستند. برای نمونه، یک‌ریختی[۹] و همسانگردی[۱۰] جهان را در نظر بگیرید. منظور از این خصیصه آن است که در هر جهت که به جهان بنگریم، بسیار مشابه به نظر می‌رسد. مثلا، تابش پس‌زمینه‌ی ریزموج کیهانی، اساسا در آسمان یکنواخت است و صرف نظر از جهت، طول موج‌های طیفی یکسانی دارد که حکایت از دمای هم‌اندازه دارد. این عجیب است. به طور عادی، ممکن است انتظار داشته باشیم که دو چیز فقط زمانی دمای یکسانی داشته باشند که برای مدتی با هم در تماس بوده باشند و فرصتی برای یکسان‌سازی دماهایشان یافته باشند. اما اگر همه چیز به طور لحظه‌ای از مه‌بانگ به بیرون پرتاب شده باشد، همان‌طور که تا این‌جا فرض کرده‌ایم، فرصتی برای رخ دادن این یکسان‌سازی دما وجود نداشته است.

در سال ۱۹۸۰، آلن گوث[۱۱] این اندیشه را پیش کشید که ابتدا، زمان نسبتا آرامی بلافاصله بعد از لحظه‌ی مه‌بانگ وجود داشته است که در طول آن بین محتویات جهان، ارتباطات علّی برقرار بوده است و یکسان‌سازی دما،‌ میسر شده است و بعد از این، گسترش آغاز شده است. با این حال، اگر این گسترش، صرفا همین گسترش هابل باشد که امروز هم آن را می‌بینیم، خوشه‌های کهکشانی در جایی که امروز هستند، نبوده‌اند. بنابراین لازم است  که بعد از آن بازه‌ی نسبتا آرام، در یک بازه‌ی کوتاه، گسترش فوق‌العاده سریع رخ داده باشد، فرایندی که آن را تورم[۱۲] می‌نامیم. وقتی می‌گویم «کوتاه»، منظورم «کوتاه» است. تخمین زده می‌شود این بازه ^۳۶-۱۰ ثانیه بعد از لحظه‌ی مه‌بانگ آغاز شده باشد. این عدد ۱ بر روی ۳۶ صفر در مخرج کسر است. تورم، پیش از آن‌که آرام یابد و به گسترش باوقارترِ امروزی یعنی گسترش هابل تبدیل شود، به مدت^۳۲-۱۰ طول کشید. بنابراین تورم، به خوبی مسئله‌ی همسانگردی تابش ریزموج پس‌زمینه را حل می‌کند. به علاوه، همان‌طور که در آینده توضیح خواهیم داد، تورم تبیینی برای چگالی انرژی مشاهده‌شده‌ی جهان ارایه می‌دهد. همچنین باید اشاره شود که هرچند تابش ‌زمینه‌ کیهانی، از هر نظر یکنواخت است، برخی ناهمسانگردی‌های مقیاس‌ بسیار کوچک با دامنه‌های نوعا ^۵-۱۰ در آن وجود دارد. علت آن‌ها باید ناهمسانگردی‌های نخستین در ماده اولیه باشد؛ نوساناتی کوچک در چگالی که در طول زمان با گرانش تقویت شدند و نهایتا به شکل‌گیری کهکشان‌ها منجر شد. مطالعه‌‌ی این بی‌قاعدگی‌ها روی مقیاس‌های زاوایه‌ای مختلف، بر چگونگی شکل‌گیری ساختارهای کهکشانی پرتو می‌افکند.

فکر می‌کنم موافق باشید که سخن گفتن با اطمینان معقولی درباره‌ی آن‌چه بلافاصله پس از مه‌بانگ رخ داد، موفقیت قابل توجهی است. هرچند به دست آوردن شواهد مستقیم از تورم ممکن نیست، استنباط‌های غیرمستقیم به اندازه کافی قدرتمند هستند که بیش‌تر دانشمندان این حوزه را قانع کند که بپذیرند تورم در واقع رخ داده است.

توجه کنید، باید خاطر نشان شود که از وقتی گوث اولین نظریه‌ی تورم را پیشنهاد کرد، نظریات دیگری هم پیشنهاد شده‌اند. مطالعه‌ای بر توزیع زاویه‌ای ناهمسانگردی‌ها در تابش پس‌زمینه‌ای، ممکن است بتواند بین نظریات رقیب درباره‌ی تورم تمایز قایل شود، اما این قطعی نیست.

در هر صورت، مهم است که تاکید کنیم بین این‌که بگوییم جهان در کسر کوچکی از یک ثانیه بعد از لحظه‌ی مه‌بانگ چه‌گونه بوده است و این‌که جهان در«لحظه‌ی» مه‌بانگ چه‌گونه بوده است، تفاوت از زمین تا آسمان است. این بدان خاطر است که در آن لحظه،‌ فرض می‌شود تمام ماده‌ی جهان در یک نقطه قرار داشته است – جایی بدون هیچ حجمی – و بنابراین، چگالی بی‌نهایت بوده است. ما این را تکینگی می‌نامیم و هیچ راهی وجود ندارد که دانش فیزیک ما بتواند به این وضعیت‌ها دست یازد. از این رو ما هیچ امیدی نداریم که بتوانیم پژوهش خود را «از طریق» آن لحظه به آن‌چه که ممکن است پیش از آن بوده باشد، توسعه دهیم؛ یعنی به آن‌چه که ممکن است «علت مه‌بانگ» بوده باشد. در واقع، طبق عقیده‌ی استیفن هاوکینگ[۱۳] ما ممکن است در این فرض که یک تکینگی وجود داشته، به خطا رفته باشیم. به گمان او، همین که کسی تصور می‌کند به «نخستین لحظه»ی مفروض نزدیک می‌شود، زمان، خود ممکن است طبیعت خود را تغییر دهد. در واقع، زمان «به تدریج ناپدید می‌شود» و هیچ لحظه‌ی نخستینی وجود ندارد. این می‌تواند دلیل ممکن دیگری باشد برای این موضوع که پرسش «چه چیزی علت مه‌بانگ بود؟» غیرقابل پاسخ خواهد ماند.

اما ممکن است یک دلیل حتی عجیب‌تر وجود داشته باشد. این زمانی رخ می‌نماید که ما می‌پرسیم مه‌بانگ چه«نوع» انفجاری بوده است. وقتی ما به طور عادی درباره‌ی یک انفجار سخن می‌گوییم، چیزی را در ذهن خود داریم که در یک موقعیت خاص در فضا رخ داده است؛ برای مثال یک تکه دینامیت که به منظور تخریب در سوراخی قرارداده می‌شود که در فونداسیون یک دودکش حفاری شده است. انفجار از یک منطقه محدود شروع می‌شود و از آن‌جا گسترش می‌یابد تا بقیه فضای پیرامون را پر کند. اما درباره‌ی مه‌بانگ، وضعیت متفاوت بود. هیچ فضای پیرامونی در کار نبود. نه فقط همه‌ی محتویات جهان منقبض بود، بلکه همه‌ی فضا نیز فشرده شده بود. در واقع، گسترش فضا است که خوشه‌های کهکشانی را از هم جدا می‌کند.

به عنوان یک تمثیل، سکه‌های کوچکی را در نظر بگیرید که بر سطح یک بادکنک پلاستیکی چسبیده‌اند. اکنون بادکنک را باد کنید. سکه‌ها دور می‌شوند. این بدان خاطر نیست که سکه‌ها روی پلاستیک به مناطقی می‌لغزند که پیشتر سکه‌ای روی آن نبوده است. علت، خود پلاستیک است که انبساط می‌یابد و سکه‌ها را همراه با خود حمل می‌کند. وضع کیهان نیز به همین ترتیب است. خوشه‌های کهکشانی بر موجی از فضای گسترش‌یابنده از هم دور می‌شوند.

شاید کسی باید توضیح دهد که صرفا این‌که فضا گسترش می‌یابد، بدان معنا نیست که هر چیزی در حال افزایش اندازه است: اتم‌ها، منظومه شمسی، و خود کهکشان‌ها. اگر وضع بدان صورت می‌بود، ما از چنان گسترشی بی‌خبر می‌بودیم؛ اندازه‌گیری یک فاصله گسترش‌یافته با خط‌کشی که به همان نسبت گسترش یافته است، نتیجه‌اش همان عدد قبلی است. هرچند فضای گسترش یابنده در تلاش است مولفه‌‌های اتم‌‌ها،‌ منظومه شمسی و کهکشان‌ها را به آرامی از هم دور سازد، اما نیروهای فیزیکی، الکتریکی و گرانشی، که آن‌ها را با هم نگه می‌دارد، چیره می‌شوند. تنها هنگامی که ما فواصل جداکننده‌ی خوشه‌‌های کهکشانی را ملاحظه می‌کنیم، جاذبه‌ی گرانشی به اندازه‌ی کافی ضعیف است که اجازه ‌دهد گسترش فضا غالب شود.

اکنون اگر این اولین بار است شما با چنین چیزی مواجه شده‌اید، می‌توانم سرگشتگی شما را تصور کنم. فضا – فضای خالی – مطمئنا باید صرفا نامی دیگر برای «هیچ» باشد. وقتی چنین است، چه‌گونه هیچ می‌تواند چیز سنگینی مانند یک خوشه‌ی کهکشانی را هل دهد؟! حقیقت این است که فیزیکدان‌ها به فضا صرفا به عنوان هیچ نمی‌نگرند. فضا یک «چیز» جالب است با ماجراهای بسیاری که در آن رخ می‌دهد. من چیزهای بیش‌تری در این باره دارم که در آینده بگویم. اما فعلا برای اهداف ما کافی است که صرفا اشاره کنیم فضا احتمالا زندگی خود را به صورت یک نقطه آغاز کرده است؛ چیزی بدون هیچ حجمی و این دلیل آن است که ما می‌گوییم فضا در لحظه مه‌بانگ به وجود آمده است.

نه فقط فضا، بلکه زمان نیز چنین است. این بدان خاطر است که رابطه‌ی بسیار بسیار نزدیکی میان فضا و زمان وجود دارد به طوری که فضای بدون زمان و زمان بدون فضا نمی‌توانیم داشته باشیم. به این موضوع بازخواهیم گشت. بنابراین، اگر لحظه‌ی مه‌بانگ بیانگر پیدایش فضا بوده باشد، همچنین نشانگر پیدایش زمان نیز بوده است. نتیجه این که هیچ زمانی پیش از مه‌بانگ وجود نداشته است.

این موضوع برای کسانی که درپی یک «علت»‌ برای مه‌بانگ‌اند پرسش بر‌انگیز است، پرسشی غیرقابل حل. در پی علت، معلول می‌آید. پسری سنگی پرتاب می‌کند (علت) و در پی آن شیشه می‌شکند (معلول). در بحث ما، مه‌بانگ معلول است. بنابراین علت آن باید پیش‌تر موجود بوده باشد. اما تا جایی که به مه‌بانگ مربوط است، هیچ وقت پیش‌تری در کار نبوده است. بنابراین، علت این که نتوانسته‌ایم از لحظه‌ی مه بانگ عبورکنیم و آن‌چه را که پیش از آن رخ داده، برون‌یابی کنیم، آن تکینگی که با آن مواجه شده‌ایم، نیست. و بدین دلیل،‌ ما هرگز پاسخ به این پرسش را نخواهیم دانست که «چه چیزی علت مه‌بانگ شد؟» به نظر می‌رسد که مسئله‌ عمیق‌تر باشد؛ خیلی عمیق‌تر. خود «پرسش»‌ تقریبا قطعا معنایی ندارد. سوالی معقول «به نظر می‌رسد» اما در واقع چنین نیست.