نظریه تورم ؛ انتقادات و دفاعیات

نظریه تورم ؛ انتقادات و دفاعیات

سالها پیش آلن گوث طی کنفرانس هایی در مرکز شتابدهنده خطی استنفورد ، ایده ی تورم را در کیهانشناسی مطرح کرد. از آن زمان تا امروز بحث های مفصلی در مورد این ایده ی جالب در جریان بوده است. تاکنون انتقادات و دفاعیات بسیاری از این نظریه ارائه شده که اغلب توسط کیهانشناسان مشهور صورت گرفته است.

این نظریه ، رهیافتی برای حل معمای شکلگیری کیهان بحساب می آید و میگوید در لحظات ابتدایی پس از بیگ بنگ انبساط پرشتابی در کیهان رخ داده است.

می دانیم که پس از بیگ بنگ ،یعنی در ۱۳/۷ میلیارد سال قبل، کیهان آهسته رو به سردی و انبساط رفت.این مدل ، به خوبی انبوهی از شواهد را توضیح می دهد ، اما یک ابهام وجود دارد. در اینصورت کیهان ما در ابتدا باید ویژگی هایی مثل تخت بودن و یکنواختی را داشته باشد که این ویژگی ها ما را با ابهام روبرو می کند. چرا که این خصوصیات نیازمند یک توضیح مناسب است . یعنی چرا کیهان در آن لحظات تا این حد یکنواخت و شکل هندسیِ تخت داشته باشد؟ دلیلی ندارد که پیچیدگی ها و خمیدگی های بافت فضا ، مسیر نور و اجرام در حال حرکت را منحرف نکرده باشد . در این حالت در محاسبات کمیتی دقیق بدست می آید که نیازمند توضیح دیگری خواهد بود که آلن گوث سعی کرد این ابهام را با ایده “تورم” حل کند.

همانطور که گفته شد چنین حالتی به احتمال زیادی امکان وقوع نداشت. گوث در حل این پرسش گفت اگر هم کیهان ما در آشفتگی شروع شده باشد(با پراکندگی انرژی به طرزی ناهموار) تورمی شدید ، انرژی را گسترش داده و با پخش ان به یکنواختی رسانده است. فرض کنید یک پارچه پر از چین و چروک را با نیرویی که وارد میکنیم صاف کنیم.این نیرو بر اثر تورم ایجاد میشود و بافت فضا را یکنواخت می کند.اما این دوره تورم به پایان رسید و کیهان با سرعت کندتری به انبساط ادامه داده و حالا با شرایطی متناسب برای تولد و تحول ستارگان و کهکشان ها به وضع امروزی رسیده است.

چنانچه ذکر آن گذشت، این نظریه مورد انتقادات و دفاعیاتی قرار گرفته است ،اما باید گفت اعتبار آن نزد کیهانشناسان بسیار بالاست. به طرزی که منتقدان این نظریه نیز از آن تمجید می کنند.

یکی از مشهورترین کیهانشناسان معاصر که بطور جدی به پژوهش و نقد نظریه تورم پرداخته است ، (شاید بتوان گفت فعالترین دانشمند در مورد این نظریه) پل استین هارت بوده است.او در مقاله ای ، موافقت ها و مخالفت های موجود در مورد این نظریه را مطرح می کند، که به آن خواهیم پرداخت.او پیش از آن می نویسد:

“این ایده به قدری جذاب است که کیهان شناسان ، از جمله خود من، بطور روزمره ، آن را برای دانشجویان ، روزنامه نگاران و مردم بعنوان یک فکت جا افتاده تعریف می کنند.”

موافقت با نظریه تورم

تورم بقدری مشهور است که پرونده اش می تواند مختصر و مفید باشد. برای درک کامل امتیازهای آن به جزییات بیشتری نیاز است.تورم مبتنی بر جزء ویژه ای به اسم “انرژی تورمی” است که در ترکیب با گرانش ، در زمانی کوتاه می تواند به اندازه ی وحشتناکی کیهان را منبسط کند. انرژی تورمی باید شدیداً چگال بوده و چگالی آن باید در زمان تورم تقریبا ثابت بماند.غیر عادی ترین ویژگی آن این است که گرانش اش میبایست پس بزند یا دفع کند ، نه اینکه جذب کند.

این پس زدن همان چیزیست که باعث می شود فضا با این سرعت متورم شود.چیزی که نظریه گوث را جذاب کرد ، آن بود که نظریه پردازان ،قبل از آن بسیاری از سرنخ های چنین انرژی ای را شناسایی کرده بودند. برای مثال خویشاوند فرضی میدان مغناطیسی (منظور میدان اسکالر ) که در مورد خاص تورم به میدان “تورم”(Inflation) مشهور است.ذره ی مشهور هیگز که حالا در برخورد دهنده ی بزرگ هادرون در سرن مورد بررسی قرار می گیرد (کشف شد)، در میدان اسکالر دیگری ظاهر می شود.

مثل تمامی میدان ها ، تورم در هر ناحیه ای از فضا قدرت مشخصی دارد که نیرویی که بر خود و میدان های دیگر وارد می کند را تعیین می کند ـ در فرایند تورم ، قدرت آن در همه جا ثابت است و مقدار انرژی (انرژی پتانسیل) و قدرت میدان به یکدیگر بستگی دارند . این رابطه را می توان با یک منحتی نشان داد . کیهانشناسان برای تورم فرض کرده اند که این منحنی مثل سطح مقطعی است از دره یا فلاتی با شیب ملایم. اگر میدان با قدرتی متناظر با نقطه ای روی فلات شروع شود ، بطور تدریجی هم قدرت و هم انرژی را از دست می دهد، مثل اینکه از شیب پایین می رود. درواقع ، معادلات مربوطه ، مشابه معادلات غلتیدن توپی به پایین تپه ای هم شکل با منحنی انرژی پتانسیل هستند.

انرژی پتانسیل تورم می تواند باعث شود که کیهان با ریتمی شتاب یافته انبساط پیدا کند.در این فرایند، توانایی تخت و هموار کردن کیهان را دارد، به این شرط که میدان ، زمانی کافی (۱۰به توان ۳۰ ثانیه) روی فلات بدون تغییر مانده باشد تا کیهان را با ضریب ۱۰ به توان ۲۵ یا بیشتر در هر جهتی بکشد. وقتی میدان به انتهای فلات رسیده و در سراشیبی دره ی انرژی بیفتط، تورم به پایان می رسد.

در این نقطه انرژی پتانسیل بدل به شکل آشناتر انرژی می شود.یعنی انرژی تاریک،ماده ی داغ عادی و تابشی که کیهان امروز را پر کرده اند.کیهان وارد دوران انبساط متعادل و شتاب زدا می شود که در آن تجمع ماده به شکل ساختارهای کیهان در می آید. در اینجا چین و چروک های کیهان را هموار می کند ،اما این کار را بی نقص انجام نمی دهد . به علت اثرات کوانتومی ، بی نظمی های کوچک برجا خواهند ماند.طبق قوانین فیزیک کوانتوم لازم است میدانی مثل تورم در هر جایی از فضا قدرت دقیقا یکسان نداشته باشد و درگیر افت و خیزهای تصادفی شود.این افت و خیزها باعث می شود تورم در زمان های ناچیز متفاوتی در مناطق مختلف فضا به اتمام برسد و آنها را تا دماهای اندک متفاوتی گرم کند.

این تغییرات فضایی ، بذرهایی هستند که سرانجام به شکل ستارگان و کهکشان ها جوانه می زنند.یکی از پیش بینی های نظریه تورم این است که این تغییرات تقریبا ناوردا هستند. (یعنی ، به اندازه ی منطقه بستگی ندارند، آنها در هر مقیاسی ، به اندازه ای یکسان خواهند بود)

پرونده ی موافقت با تورم را با سه نظر رسمی میتوان بست.

۱-تورم ناگزیر است. پیشرفت ها در فیزیک نظری از زمان ایده ی گوث ، فقط این فرضیه را تقویت کرده اند که کیهان ابتدایی حاوی میدان هایی بوده که می توانستند به شکل معقولی تورم را جلو ببرند.بسیاری از آنها در نظریه های وحدت بخش فیزیک، مثل ریسمان، ظاهر می شوند.در کیهان آشوبناک ابتدایی ، بدون شک تکه ای از فضا بوده که در آن یکی از این میدان ها با شرایط مناسب برای تورم مناسب بوده است.

۲-تورم به ما می گوید که چرا امروز کیهان چنین یکنواخت و تخت است.هیچ کسی نمی داند که هنگامی که چگونه کیهان در بیگ بنگ یکنواخت و تخت بوده ولی با داشتن تورم ،نیازی به دانستن آن نیست ،چون دوره ی انبساط شتاب دار با کشیدن کیهان آن را به شکل درست در می آورد. (همان مثال پارچه چروک خورده که با کشیدن صاف می شود)

۳-به احتمال بالاتری ، نظریه تورم در پیشبینی کم نمی آورد.برای مثال رصدهای بیشمار از تابش زمینه ی کیهان و توزیع کهکشان ها تایید کرده اند که تغییرات فضایی در انرژی کیهان ابتدایی،تقریبا ناوردا بودند.

مخالفت با تورم

اولین علائم رد شدن یک نظریه ، غالباً تفاوت های کوچک میان مشاهدات و پیشبینی هاست.این وضعیت در مورد آن صدق نمی کند؛ داده ها با پیش بینی های تورمی (در اوایل دهه ۱۹۸۰) همخوانی عالی دارند. اما مخالفت با تورم ، بنیان های منطقی این نظریه را به چالش می کشد. آیا این نظریه واقعا همانطور که تبلیغ می شود،کار می کند؟آیا پیش بینی های اوایل دهه ۱۹۸۰ همچنان پیش بینی های مدل تورمی ،به طرزی که امروز میشناسیم، بحساب می آیند؟

برای اینکه نشان دهیم پاسخ به هر دو پرسش منفی است به شرح نکات زیر خواهیم پرداخت.
نظر اول می گوید تورم ناگزیر است. اما اگر چنین باشد، نتیجه ی عجیبی خواهد داشت؛ تورم بد ،محتمل تر از تورم خوب است.
“تورم بد” یعنی دوره ای از انبساط شتاب یافته که نتیجه اش با چیزی که شاهد هستیم همخوانی ندارد.برای مثال شاید تغییرات دمایی بیش از حد بزرگ شوند.
تفاوت بین خوب و بد به شکل دقیق منحنی انرژی پتانسیل وابسته است که در کنترل پارامتری عددی است که در اصل می تواند دارای هر مقداری باشد.فقط محدوده ی بسیار تنگی از مقادیر می توانند تغییر دمایی مشاهده شده را ایجاد کنند.در مدل تورمی نوعی ، این مقدار باید نزدیک به ۱۰ به توان ۱۵- باشد. (یعنی ۰ تا ۱۵ رقم اعشار . گزینه ای با تنظیم دقیق کمتر ، مثل ۰تا ۱۲ یا ۱۰ یا ۸ رقم اعشار ، به تورم بد ختم می شود؛ همان درجه از انبساط شتاب دار ،یا بیشتر، ولی با تغییر دمای بزرگی، ناسازگار با مشاهدات ما)–استین هارت در اینجا توضیح مناسبی نمی دهد، منظور او شدت تورم ایجاد شده است که از نظر احتمالاتی پایین است و چنین چیزی ضعف یک نظریه محسوب می شود–

اگر تورم بد با حیات سازگار نبود ، امکان نادیده گرفتن آن بود. در این مورد حتی اگر تغییرات دمایی بزرگ رخ دهد ، هرگز نمی توانیم آنها را مشاهده کنیم. چنین استدلالی به اصل “انسان محوری” (یا اصل انسان ‌نگر Anthropic principle) مشهور است. اما در اینجا بکار نمی آید . تغییرات بیشتر دما به ستارگان و کهکشان های بیشتر ختم می شود.کیهان در هر حال از اینی که هست ، قابلیت سکونت بیشتری پیدا می کند.نه تنها تورم بد از تورم خوب احتمالش بیشتر است، بلکه نبود تورم نیز احتمالش بیشتر است.راجر پنروز (فیزیکدان مشهور آکسفورد) برای اولین بار این مساله را در دهه ی ۱۹۸۰ مطرح کرد.او برای محاسبه سازوکارهای ابتداییِ ممکنِ میدان های تورم و گرانشی، اصول ترمودینامیک را بکار برد، شبیه آن چیزهایی که برای توضیح سازوکارهای اتم و مولکول ها در گاز بکار می رود.بعضی از این سازوکارها به تورم و از آن به توضیعی تقریبا یکنواخت و تخت از ماده و شکل هندسی تخت ختم می شود. سازوکارهای دیگر مستقیما (بدون تورم) به کیهان یکنواخت و تخت ختم می شوند.هر دو سازوکارها، نادر هستند، بنابراین دستیابی به کیهان تخت در مجموع نا محتمل است. گرچه نتیجه گیری شگفت تکان دهنده پنروز این بود که دستیابی به کیهان تخت ، بدون تورم احتمال بیشتری دارد، تا با تورم.با ضریب ۱۰ به توان ۱۰به توان ۱۰۰![گوگل پلکس]

دفاع مجدد از نظریه تورم

اما نقدهای جنجالی که استین هارت مطرح کرد، پایان ماجرا نیست. قبل از آن لازم است بدانیم، استین هارت پیش از اینکه منتقد نظریه تورم باشد، همراه با خود گوث و لینده ، بخاطر توسعه ی نظریه تورم موفق به کسب جایزه دیراک شده بود! این موضوع موجب شد تا نقدهای استین هارت بیش از دیگران جدی گرفته شود.

اما استین هارت پس از انتشار یکی از مقالات خود ،در نامه ای از سوی ۳۳ فیزیکدان مورد نقد قرار گرفت.این چالش ها تا سال ۲۰۱۴ ادامه داشت تا اینکه در مارچ ۲۰۱۴، اخترفیزیکدانان BICEP2 اعلام کردند که موفق شده اند امواج گرانشی تورمی در طیف توان حالت B را آشکار کنند و این به‌ معنای سندی معتبر در تایید نظریه تورم محسوب میشد.

آرین رسولی پژوهشگر کیهان‌شناسی و فلسفه

منابع و مطالعه بیشتر:

Scientific american 304(4),3643, (april 2011)

http://bicepkeck.org/