بحث تورم
بحث تورم
آیا نظریه ای که در قلب کیهان شناسی مدرن وجود دارد، عمیقاً ناقص است؟
سی سال پیش، آلن گوث، در آن هنگام دانشجوی پسادکترای فیزیک در مرکز شتاب‌دهنده‌ی خطی استنفورد، سمینارهایی ارائه داد که در آن «تورم» را به ادبیات کیهان شناسی اضافه کرد. این واژه به فوران کوتاهی از انبساط بسیار پر شتاب اشاره دارد که به استدلال او شاید در نخستین لحظات پس از بیگ بنگ رخ داده باشد. یکی از این سمینارها در دانشگاه هاروارد بود، که در آنجا خودم پسادکترا بودم. من به سرعت مجذوب این ایده شدم، و از آن پس بدون بزرگ‌نمایی هر روز به آن فکر کردم. بسیاری از همکاران که در اخترفیزیک، فیزیک گرانش، و فیزیک ذرات مشغول به کار هستند نیز به همین ترتیب جذب آن شدند. تا به امروز توسعه و آزمودن نظریهی تورمی کیهان یکی از زنده‌ترین و موفق‌ترین زمینه‌های کاوش علمی بوده است.
علت وجود آن پر کردن شکافی در نظریهی اصلی بیگ بنگ است. ایده‌ی اساسی بیگ بنگ این است که کیهان از هنگامی که در۱۳٫۷میلیارد سال پیش شروع شد، به آرامی منبسط و سرد شده است. این فرایند انبساط و سرد شدن، بسیاری از ویژگی‌های متعدد کیهان را که امروز می‌بینیم توضیح می‌دهد، اما به یک شرط: کیهان باید با ویژگی‌هایی معین آغاز شده باشد. برای نمونه باید به شدت یکنواخت بوده باشد، تنها با تغییراتی به شدت ریز در توزيع ماده و انرژی. هم‌چنین کیهان باید از نظر هندسی تخت بوده باشد، یعنی در هم پیچیدگی‌ها و خمیدگی‌ها در بافت فضا مسیرهای پرتوهای نور و اجسام متحرک را کج نکرده باشد.
ولی چرا کیهان اولیه باید چنین یکنواخت و تخت باشد؟ در نگاه نخست، چنین شرایط اولیه‌ای بعید به نظر می‌رسند. همین جاست که ایده‌ی گوث گام بر روی صحنه می‌گذارد. او استدلال کرد که حتی اگر کیهان در آشفتگی کامل هم شروع شده باشد-با توزیع به شدت غیریکنواخت انرژی و شکلی از هم گسیخته- فورانی از رشدی شگفت انگیز، انرژی را گسترش داد تا این که با یکنواختی گسترده شد و هر گونه چین و چروکی در فضا را صاف کرد(مثل اتو کردن یک لباس یا صاف کردن یک نایلون با باد کردن؛مترجم).
وقتی که این دوره‌ی تورمی تمام شد، انبساط کیهان با روندی آهسته‌تر از نظریهی اصلی بیگ بنگ ادامه یافت، ولی اکنون با شرایطی مناسب برای تکامل یافتن ستارگان و کهکشان‌ها تا وضعیتی که امروز آنها را می‌بینیم.
این ایده تا حدی جذاب است که کیهان‌شناسان، از جمله خودم، به طور روزمره آن را برای دانشجویان، روزنامه‌نگاران و مردم به عنوان فکتی جاافتاده تعریف می‌کنند. ولی طی سی سال از وقتی که گوث نظریهی تورم را مطرح کرد چیزی عجیب برایش اتفاق افتاده؛ با قدرت گرفتن ماجرای تورم، موضع مخالف هم قوی‌تر شده است. این دو مورد به یک اندازه شناخته نشده‌اند: مدارک به سود تورم برای گستره‌ی وسیعی از فیزیک‌دانان، اخترفیزیکدانان و سینه چاک‌های علم آشناست. عجیب نیست که معدود افرادی مخالف تورم باشند، شامل گروهی کوچک از ما که سرشان درد می‌کند برای چالش‌ها. اکثر اخترفیزیکدانان با آزمودن پیشی‌بینی‌های کتاب درسی نظریهی تورم بدون نگرانی بابت مشکلات عمیق‌تر، به این امید که روزی حل خواهند شد، سرگرم کار خود هستند. متاسفانه، این مشکلات تا به امروز در برابر بهترین کوشش های ما سر خم نکرده‌اند.
به عنوان کسی که هم در نظریهی تورم و هم در نظریه‌های رقیب مشارکت داشته، دودل هستم، و احساس می‌کنم بسیاری از همکارانم نیز مطمئن نیستند که چه چیزی به مورد مخالف ختم می‌شود. برای تصور این تنگنای عجیبی که گرفتارش هستیم، من کیهان‌شناسی تورمی را پای میز محاکمه می‌کشانم و دو دیدگاه افراطی را ارائه می کنم.
نخست در نقش «موافقی» دو آتشه ظاهر می‌شوم، و محکم ترین امتیازهای این نظریه را ارائه می‌کنم، و سپس در قامت یک «مخالف» تند به ارائه‌ی جدی‌ترین مسائل حل نشده می‌پردازم.
پرونده موافقت با تورم
تورم آن‌قدر شناخته شده است که پرونده‌اش می تواند بسیار مختصر باشد. برای درک کامل مزایای آن به معدودی جزئیات نیاز هست. تورم متکی به جزء ویژه‌ای به نام انرژی تورمی است که در ترکیب با گرانش می‌تواند در لحظه‌ای کوتاه کیهان را به مقدار وحشتناکی منبسط کند. انرژی تورمی باید به شدت چگال باشد و چگالی‌اش باید طی دوران تورم نزدیک به ثابت باقی بماند.
غيرعادی‌ترین ویژگی‌اش آن است که گرانش آن باید دفع کند، نه این که جذب کند.
این دافعه همان چیزی است که باعث می‌شود فضا به سرعت متورم شود.
چیزی که ایده‌ی گوث را جذاب کرد این بود که نظریه‌پردازان پیشاپیش بسیاری از سرچشمه‌های این انرژی را شناسایی کرده بودند. مثال بارز آن خویشاوند فرضی میدان مغناطیسی به نام میدان اسکالر، که در مورد خاص تورم، به میدان «اينفلاتون»(Inflaton) معروف است.(inflaton یک میدان اسکالر فرضی‌ست که حدس زده می‌شود که تورم کیهانی را در اوایل جهان ایجاد کرده است.مترجم)
ذره‌ی مشهور هیگز که اکنون در برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی سرن در نزدیکی ژنو مشغول جستجوست از میدان اسکالر دیگری آمده است.
مانند تمام میدان‌ها، اینفلاتون در هر نقطه‌ای از فضا دارای قدرتی معین است، که تعیین‌گر نیرویی‌ست که بر خودش و دیگر میدان‌ها وارد می‌کند. طی فاز تورمی، نیروی آن در همه جا تقریبا ثابت است. بسته به مقدار نیروی میدان، مقدار معینی انرژی در خودش دارد، که فیزیک‌دانان آن را انرژی پتانسیل می‌نامند. رابطه‌ی بین نیرو و انرژی را می‌توان با یک منحنی نشان داد. برای اینفلاتون، کیهان‌شناسان فرض گرفته‌اند که این منحنی مانند سطح مقطعی از دره و فلاتی با شیب ملایم است. اگر میدان با قدرتی متناظر با نقطه‌ای روی فلات آغاز شود، به تدریج هم قدرت و هم انرژی را از دست می‌دهد، گویی از شیب پایین می‌رود. در واقع معادلات مربوطه شبیه به معادلات غلتیدن توپی به پایین تپه‌ای هم شکل با منحنی انرژی پتانسیل هستند.
انرژی پتانسیل اینفلاتون می‌تواند باعث شود که کیهان با آهنگی شتاب یافته منبسط شود. در این فرایند، می‌تواند کیهان را هموار و تخت کند، به شرط این‌که میدان به مدت کافی (حدود ۳-۱۰ ثانیه) در روی فلات ثابت بماند تا کیهان را با ضریب ۱۰به توان۲۵ یا بیشتر در هر جهت بکشد. هنگامی که میدان به پایان فلات برسد و در سراشیب دره‌ی انرژی بیفتد، تورم پایان می‌یابد. در این نقطه انرژی پتانسیل تبدیل به شکل آشناتر انرژی می‌شود، یعنی انرژی تاریک، ماده‌ی داغ عادی و تابش که کیهان امروزی را پر کرده‌اند. کیهان وارد دوران انبساط معتدل و کم‌شتاب(شتاب‌زدایی می‌کند.م) می‌شود که طی آن ماده با تجمع خود به شکل ساختارهای کیهانی در می‌آید.
مانند کشیدن ورقه‌ای نایلونی که باعث صاف شدن چین و چروک‌هایش می‌شود، تورم کیهان را هموار می‌کند ولی این کار را بی عیب و نقص انجام نمی‌دهد. به دلیل اثرات کوانتومی، بی نظمی‌های کوچکی باقی می‌مانند.
فیزیک کوانتوم الزام می‌کنند که میدانی مانند اینفلاتون در هر جایی از فضا قدرت دقیقا یکسانی نداشته باشد و دستخوش افت و خیزهای تصادفی شد این افت و خیزها سبب می شوند تورم در زمان های اندک متفاوتی در نواح مختلف فضا به پایان برسد، و لذا آنها را تا دماهای اندک متفاوتی گرم کن این تغییرات فضایی، بذرهایی اند که سرانجام به شکل ستارگان و کهکشان ها جوانه می زنند. یک پیش بینی نظریهی تورم آن است که این تغییرات کمابیش مقیاس ناوزدا هستند. یعنی، به اندازه ی منطقه بستگی ندارند؛ آنها در هر مقیاسی، با بزرگی یکسانی رخ می دهند.
پرونده موافقت با تورم را با سه نظر رسمی می شود بست. یکم، تورم ناگزیر است. پیشرفت ها در فیزیک نظری از هنگام پیشنهاد گوش تنها این فرضیه را تقویت کرده‌اند که گیتی ابتدایی دربرگیرنده‌ی میدان‌هایی بوده که می‌توانستند به طرز معقول تورم را پیش ببرند. صدها مورد از آنها در نظریه‌های وحدت بخش فیزیک، مانند نظریهی ریسمان، پدیدار می‌شوند. در کیهان آشوبناک اولیه، بی شک بخشی از فضا بوده که در آن یکی از این میدان‌ها با شرایط لازم برای تورم سازگار بوده است.
دوم این‌که تورم به ما می‌گوید که چرا امروز کیهان چنین یکنواخت و تخت است. هیچ کس نمی‌داند که وقتی کیهان از بیگ بنگ سر در آورد چگونه یکنواخت و تخت بود ولی با داشتن تورم نیازی به دانستن این نیست چون دوره‌ی انبساط شتاب یافته با کشیدن کیهان آن را به شکل مناسب در می‌آورد.
سوم، و احتمالا قانع کننده‌ترین؛ نظریهی تورم در پیش بینی کردن کم نمی‌آورد. برای مثال رصدهای بی‌شماری از تابش زمینه‌ی مایکروویو کیهانی و توزیع کهکشان‌ها تأیید کرده‌اند که تغییرات فضایی در انرژی در کیهان اولیه کمابیش مقیاس ناوردا بودند.
پرونده مخالفت با تورم
اولین نشانه‌هایی که نشان می‌دهد یک نظریه در حال شکست است معمولاً ناهمخوانی کوچکی بين مشاهدات و پیش‌بینی‌هاست. این وضعیت در این مورد صدق نمی‌کند: داده‌ها در همخوانی عالی با پیش‌بینی‌های تورمی صورت گرفته در اوایل دهه ی ۱۹۸۰ هستند. در عوض مخالفت با تورم بنیان‌های منطقی این نظریه را به چالش می‌کشد. آیا این نظریه به راستی همان‌طور که تبلیغ می‌شود کار می‌کند؟
آیا پیش بینی‌های صورت گرفته در اوایل دهه‌ی ۱۹۸۰ هنوز پیش‌بینی‌های مدلی تورمی به گونه‌ای که امروز آن را درک می‌کنیم به شمار می‌روند؟ برای این‌که نشان دهیم که پاسخ به هر دو پرسش منفی‌ست به شرح نکات زیر می پردازیم.
نظر نخست می‌گوید که تورم ناگزیر است. ولی اگر چنین باشد پیامد عجیبی در بر دارد. تورم بد محتمل‌تر از تورم خوب است. «تورم بد» یعنی دوره‌ای از انبساط شتاب یافته که نتیجه‌اش با آنچه که می‌بینیم ناهمخوانی دارد. برای مثال، تغییرات دمایی شاید بیش از حد بزرگ شوند. تفاوت بین خوب و بد به شکل دقیق منحنی انرژی پتانسیل بستگی دارد، که در کنترل پارامتری عددی است که می‌تواند، در اصل هر مقداری داشته باشد. تنها گستره‌ای بسیار ظریف از مقادیر می‌توانند تغییر دمایی مشاهده شده را ایجاد کنند. در مدل تورمی نوعی، این مقدار باید نزدیک به ۱۰به توان ۱۵- باشد – یعنی صفر تا ۱۵ رقم اعشار. گزینه‌ای با تنظیم دقیق کمتر، مانند صفر تا ۱۲ یا ۱۰ یا ۸ رقم اعشار، به تورم بد می‌انجامد: همان درجه از انبساط شتاب یافته (یا بیشتر) ولی با تغییر دمایی بزرگ و ناسازگار با مشاهدات.
اگر تورم بد با حیات ناسازگار بود می‌شد آن را نادیده گرفت. در این مورد حتی اگر تغییرات دمایی بزرگ بتواند در اصل پدید بیاید، هرگز نمی‌توانیم آنها را مشاهده کنیم. استدلالی از این دست به اصل انسان‌محور معروف است. ولی در این جا به کار نمی‌آید. تغییرات دمایی بزرگ‌تر به ستارگان و کهکشان‌های بیشتری ختم می‌شود – کیهان به هر ترتیب از اینی که اکنون هست، سکونت‌پذیرتر می‌شود.
نه تنها تورم بد از تورم خوب محتمل‌تر است، که حتی نبود تورم نیز محتمل‌تر است. راجر پنروز فیزیک‌دان دانشگاه آکسفورد برای نخستین بار این نکته را در دهه‌ی ۱۹۸۰ پیش کشید. او برای محاسبه‌ی پیکربندی‌های اولیه ممکن میدان‌های اینفلاتون و گرانشی، اصول ترمودینامیک را به کار گرفت، مشابه آن چیزهایی که برای توصیف پیکربندی اتم‌ها و مولکول‌ها در گاز استفاده می‌شود.برخی از این پیکربندی‌ها به اینفلاتون و از آن به توزیعی کمابیش یکنواخت و تخت از ماده و شکل هندسی تخت ختم می‌شود. دیگر پیکربندی‌ها به طور مستقیم- بدون تورم – به کیهان یکنواخت و تخت ختم می‌شود. هر دو مجموعه‌ی پیکربندی‌ها کم‌یاب هستند، پس دست یافتن به کیهانی تخت در کل نامحتمل است. هر چند نتیجه‌گیری تکان دهنده‌ی پنروز آن بود که به دست آوردن کیهان تخت بدون تورم بسیار محتمل‌تر از با تورم است – با ضریب ۱۰ به توان گوگول(گوگول۱۰۰ یا گوگول پلکس،۱۰ به توان ۱۰۰.م)!
خطرات تورم ابدی
رویکرد دیگری برای رسیدن به همین نتیجه، با استفاده از قوانین جاافتاده‌ی فیزیک، پیشینه‌ی کیهان را از شرایط کنونی به گذشته برون‌یابی می‌کند، این برون‌یابی منحصر به فرد نیست: با توجه به شرایط به طور میانگین تخت و هموار کنونی، دنباله‌های متفاوت بسیاری از رویدادها می تواند در گذشته روی داده باشد. در سال ۲۰۰۸ گری گیبونز از دانشگاه کمبریج و نیل تاروک از انستیتو پرمیتر برای فیزیک نظری در اونتارو نشان دادند که تعداد غالب برون‌یابی‌ها از مقادیر ناکافی تورم برخوردارند. این نتیجه گیری با کار پنروز سازگار است. هر دو انگار غیرمنطقی‌اند چون کیهان تخت و هموار نامحتمل است، و اینفلاتون مکانیسمی توانمند برای دستیابی به همواری و تختی لازم به شمار می‌رود. ولی این مزیت با توجه به این که شرایط برای جریان تورم بسیار نامحتمل هست، کاملا کنار گذاشته می‌شود. هنگامی که تمام عوامل به حساب آورده شوند، احتمال بیشتری هست که کیهان شرایط کنونی خود را بدون تورم به دست آورده باشد تا با آن.
از نظر بسیاری از فیزیک‌دانان و اخترفیزیکدانان این استدلال‌های نظری در مقایسه با استدلالی قانع‌کننده‌تر به سود تورم، قانع کننده نیستند: منظور همخوانی بین پیش‌بینی‌های فرمول‌بندی شده در اوایل دهه ۱۹۸۰ و مشاهدات در دسترس امروزی‌ست. آزمایش‌های مرتبط هر استدلال نظری را پشت سر می‌گذارند. ولی نقطه‌ی عطف عجیب این داستان این است که پیش‌بینی‌های اوایل دهه‌ی ۱۹۸۰ بر پایه‌ی درک ساده‌ای از چگونگی کارکرد واقعی تورم بودند-تصویری که معلوم شد اشتباه محض است.
تغییر در این دیدگاه با این درک شروع شد که تورم ابدی‌ست. هنگامی که شروع شد دیگر نمی‌ایستد. سرشت خود همیشگی تورم پیامد مستقیم فیزیک کوانتومی آمیخته با انبساط شتاب گرفته است. به یاد بیاورید هنگامی که تورم پایان می‌گیرد، افت و خیزهای تورمی می‌توانند اندکی درنگ داشته باشند. در جایی که این افت و خیزها کوچک باشند، اثراتش نیز کوچک است. ولی این افت و خیزها به طرزی کنترل ناپذیر تصادفی هستند. در برخی نواحی فضا، آنها بزرگ هستند و به درنگ‌هایی چشمگیر ختم می‌شوند.
چنین مناطق سرکش و تنبلی بسیار نادر هستند، پس شاید به این فکر کنیم که بهتر است آنها را نادیده بگیریم. ولی نمی،شود، چون در حال تورم هستند. آنها به رشد خود ادامه می‌دهند و در عرض چند لحظه، در مقابل منطقه‌ی خوش‌رفتار که به موقع به تورم پایان داده، به غول عظیم تبدیل می‌شوند. این نتیجه عبارت است از دریایی از فضای تورمی دور تا دور جزیره‌ای کوچک سرشار از ماده‌ی داغ و تابش.گذشته از آن، مناطق سرکش بذر مناطق سرکش تازه، و نیز جزیره‌های جدیدی از ماده را می‌کارند؛ هر کدام یک کیهان خودبسنده.
این فرایند تا ابد ادامه پیدا می‌کند و تعداد نامحدودی جزیره با حاشیه‌ای از فضای همواره تورمی می‌سازد. اگر از این تصویر سردرگم نشده‌اید، نگران نباشید، نباید هم باشید؛ خبرهای سردرگم کننده در راه هستند.
تمام این جزیره‌ها یکسان نیستند. سرشت تصادفی فیزیک کوانتومی تضمین می‌کند که برخی از آنها به شدت غیریکنواخت یا در هم پیچیده باشند. غیریکنواختی آنها شبیه به مشکل تورم بد که پیش‌تر بیان شد به نظر می رسد ولی علتش متفاوت است. تورم بد به این دلیل رخ می‌دهد که پارامترهای کنترل کننده‌ی شکل منحنی انرژی پتانسیل به احتمال زیاد خیلی بزرگ است. در این جا غیریکنواختی می‌تواند از تورم ابدی و افت و خیزهای کوانتومی تصادفی ناشی شود، فارغ از این‌که آن پارامترها چه مقادیری دارند.
برای آنکه از نظر کمی دقیق باشیم، واژه‌ی “برخی” که در بالا آمده، باید با تعداد “نامتناهی” جایگزین شود. در کیهان ابدی تورمی، تعداد نامتناهی جزیره از ویژگی‌هایی مانند آنچه که می‌بینیم برخوردار خواهند بود، ولی تعدادی نامتناهی نیز برخوردار نخواهند بود.
پیامد واقعی تورم را گوث به بهترین شکل خلاصه کرد:
“در کیهان ابدی تورم یابنده، هر آن چیزی که بتواند رخ دهد رخ خواهد داد؛ درواقع، بی‌نهایت بار رخ خواهد داد.”
خب، آیا کیهان ما استثناست یا قاعده؟ در مجموعه‌ای نامتناهی از جزیره‌ها، پاسخ دشوار است. برای تشبیه، فرض کنیم که ساکی دارید شامل تعدادی متناهی سکه‌ی ۲۵ و ۱ سنتی. اگر دستتان را داخل ببرید و سکه‌ای را تصادفی بردارید، می‌توانید به طور مشخص پیش‌بینی کنید که چه سکه‌ای بیشترین احتمال را برای گزینش دارد. حالا اگر ساک دربرگیرنده‌ی تعداد نامتناهی سکه‌ی ۲۵ و ۱ سنتی باشد دیگر نمی‌توانید چنین کنید. برای ارزیابی احتمالات، سکه‌ها را ستونی روی هم می گذارید. با گذاردن یک ۲۵ سنتی در ستون آغاز می‌کنید، سپس ۱ سنتی، سپس ۲۵ سنتی دوم، سپس ۱ سنتی دوم، تا آخر. این رویه این تصور را در ذهنتان ایجاد می‌کند که تعداد برابر از هر سکه دارید. ولی سپس سراغ سیستم دیگری می‌روید، نخست ده تا ۲۵ سنتی می‌گذارید، سپس ۱ سنتی، سپس ده تا ۲۵ سنتی، سپس ۱ سنتی دیگر، تا آخر. اکنون این تصور به شما دست می‌دهد که به ازای هر ۱ ستی ده تا ۲۵ سنتی دارید.
کدام شیوه‌ی شمردن سکه‌ها درست است؟ هیچ کدام. برای مجموعه‌ای نامتناهی از سکه ها، بی‌نهایت راه برای مرتب کردن هست که به گستره‌ای نامتناهی از احتمالات ختم می‌شود.
بنابراین هیچ شیوه‌ی درستی برای داوری در مورد این که کدام سکه محتمل تر است در دست نیست. با همین استدلال، هیچ راهی برای داوری در مورد این که در کیهان ابدی تورم یاینده چه نوع جزیره‌ای محتمل‌تر است در دست نیست.
اکنون باید سردرگم شوید. معنای این گفته چیست که بگوییم تورم پیش‌بینی‌هایی معین می‌کند – که برای مثال، کیهان یکنواخت است یا دارای افت و خیزهای مقیاس ناورداست – اگر چیزی بتواند رخ دهد بی نهایت بار رخ خواهد داد؟ و اگر این نظریه پیش‌بینی‌هایی آزمون پذیر نکند، کیهان‌شناسان چگونه ادعا می‌کنند که این نظریه با مشاهدات همخوانی دارد؛ کاری که به طور روزمره می،کنند؟
معیار شکست ما
نظریه‌پردازان از این مشکل ناآگاه نیستند، ولی مطمئن هستند که می‌توانند آن را حل کنند و آن تصویر ساده‌ی تورمی اوایل دهه‌ی ۱۹۸۰ را بازسازی کنند که در گام نخست آنان را شیفته‌ی این نظریه کرد. بسیاری ناامید نشده‌اند، گرچه در ۲۵ سال گذشته با این موضوع کلنجار رفته و هنوز به راه حلی امکان‌پذیر دست نیافته‌اند.
برخی پیشنهاد می‌کنند تا تلاش کنیم نظریه‌هایی از تورم بسازیم که جاودانه نباشند، تا پایان ناپذیری کیهان‌ها را در پوسته‌ای قرار دهیم. ولی جادوانگی پیامد طبیعی تورم به اضافه‌ی فیزیک کوانتومی است. برای پرهیز از آن، کیهان باید در حالت اولیه بسیار خاص و در شکل به‌خصوصی از انرژی تورمی شروع شود تا پیش از آن که افت و خیزهای کوانتومی شانسی برای بازتولید تورم داشته باشند، در هر جایی در فضا پایان بگیرد. البته در این سناریو نتیجه‌ی مشاهده شده وابستگی حساسی به حالت اولیه دارد. این همه‌ی پیشنهاد تورم را نابود می‌سازد: توضیح دادن نتیجه بدون توجه به شرایطی که پیش‌تر وجود داشت.
استراتژی جایگزین پیشنهاد می‌کند که جزیره‌هایی مانند کیهان قابل مشاهده ما به احتمال زیاد پیامد تورم هستند. هواداران این راه حل به اصطلاح معیاری را تعیین می‌کنند، قاعده‌ای ویژه برای سنجش این که کدام نوع جزیره‌ها محتمل‌ترند. همانند این گفته که وقتی از ساک سکه بر می‌داریم باید سه تا ۲۵ سنتی به ازای هر پنج تا ۱ سنتی برداریم. مفهوم این معیار، اعترافی‌ست رک و پوست کنده مبنی بر این که نظریهی تورم به خودی خود چیزی را نه پیش‌بینی می‌کند و نه توضیح می‌دهد.
از آن بدتر، نظریه‌پردازان به معیارهای فراوانی، به همان اندازه عقلانی دست یافته‌اند، که به نتیجه‌گیری‌هایی متفاوت ختم می‌شود. یک نمونه معيار حجم است، که می‌گوید جزیره‌ها باید بر اساس اندازه، مورد سنجش واقع شوند. در نگاه نخست، این گزینه با عقل سلیم جور در می‌آید. ایده‌ی شهودی زیربنای تورم آن است که با ایجاد حجم‌های بزرگی از فضا با یکنواختی و تختی، این ویژگی‌هایی را که می‌بینیم توضیح می‌دهد. شوربختانه معيار حجم شکست می‌خورد. به این دلیل که تنبلی را ترجیح می‌دهد. دو نوع منطقه را در نظر بگیرید: جزیره‌هایی مانند مال خودمان و دیگرانی که بعدا شکل گرفتند، پس از تورم بیشتر. با توان رشد تصاعدی، مناطق بعدی حجم کلی بیشتری را در بر می‌گیرند. بنابراین مناطق جوان‌تر از مال ما بسیار متداول‌تر هستند. برحسب این معیار، بعید است که حتی خودمان هم وجود داشته باشیم.
علاقه‌مندان به معیار، راه حل آزمون و خطا را انتخاب می‌کنند که در آن معیارهایی را ابداع می‌کنند و مورد آزمون قرار می‌دهند، با این امید که سرانجام یکی از آنها به پاسخ مورد نظر برسد: کیهام ما به شدت محتمل است. فرض کنیم که روزی موفق شوند. پس از آن برای توجیه استفاده از آن معیار به جای سایر معیارها نیازمند اصل دیگری هستند، و اصلی دیگر برای انتخاب آن اصل، و همین طور تا به آخر.
راه حل جایگزین دیگری عبارت است از دست یافتن به اصل انسان‌محور. در حالی که مفهوم معیار می‌گوید که ما در جزیره‌ای معمول به سر می‌بریم، اصل انسان‌محور فرض را بر این می‌گذارد که ما در جزیره‌ای بسیار نامعمول با شرایط کمینه‌ی لازم برای پشتیبانی از حیات به سر می‌بریم. ادعا می‌شود که این شرایط در جزیره‌های معمول‌تر با کهکشان‌ها یا ستارگان یا دیگر پیش نیازها برای حیاتی که می‌شناسیم ناسازگارتر است. حتی اگر جزیره‌های معمول فضای بیشتری را از جزیره‌هایی مانند مال خودمان اشغال کنند، می‌توان آنها را نادیده گرفت، چون ما تنها به مناطقی علاقه‌مندیم که آدمی بتواند بالقوه در آن زندگی کند.
شوربختانه برای این ایده، شرایط در کیهان ما کمینه نیست – کیهان تخت‌تر، هموارتر، و به طور دقیق مقیاس ناورداتر از اندازه‌ای است که مجبور بوده باشد تا از حیات پشتیبانی کند. جزیره‌های معمول‌تر، مانند آنهایی که از مال خودمان جوان‌تر هستند، کمابیش به همان اندازه قابل سکونت و در عین حال به مراتب فراوان‌تر هستند.
جریمه‌ی تنبل‌ها
در پرتو این استدلال‌ها، این ادعایی که اغلب مطرح می‌شود که داده‌های کیهان‌شناختی پیش‌بینی‌های اصلی نظریهی تورم را تأیید می‌کنند، در بهترین حالت، گمراه کننده می‌باشند. می‌توان گفت که این داده‌ها پیش‌بینی‌های نظریهی تورمی ساده را به آن صورتی که تا پیش از ۱۹۸۳ درک می‌کردیم تأیید می‌کند، ولی این نظریه به آن صورتی که امروز می‌فهمیم دیگر کیهان‌شناسی تورمی نیست. نظریهی ساده فرض می‌کند که تورم به پیامدی قابل پیش‌بینی تحت لوای قوانین فیزیک کلاسیک ختم می‌شود. حقیقت آن است که فیزیک کوانتومی به تورم حکم می‌کند و هر آن چیزی که بتواند رخ دهد رخ خواهد داد، و اگر نظریهی تورم هیچ پیش‌بینی معینی نکند، چه سودی دارد؟
مشکل مبنایی آن است که تنبلی جریمه ندارد – برعکس پاداش هم دارد. مناطق سرکشی که در پایان بخشیدن به تورم درنگ می‌کنند، به گسترش با آهنگی شتاب گیرنده ادامه می‌دهند، پس خواه ناخواه پیروز می‌شوند. در وضعیتی ایده‌آل، هر منطقه‌ی سرکشی آرام‌تر منبسط می‌شود، یا بهتر از آن منقبض می‌شود. بخش اعظم کیهان شامل مناطقی خوش رفتار است که به موقع به فاز هموارسازی پایان می‌دهند و کیهان مشاهده شده‌ی ما به شکل خوشایندی عادی می‌شود.
جایگزینی برای کیهان‌شناسی تورمی، معروف به نظریهی چرخه‌ای، که همکارانم و من پیشنهاد کرده‌ایم درست همین ویژگی را دارد. طبق این تصویر، بیگ بنگ سرآغاز فضازمان نیست بلکه «جهشی» از فاز پیشین انقباض به فاز تازه‌ی انبساط، همراه با آفرینش ماده و تابش است. [see “The Myth of the Beginning of Time,by Gabriele Veneziano; Scientific American, May 2004]
این نظریه چرخه‌ای است زیرا پس از یک تریلیون سال انبساط، به انقباض برمی‌گردد و دوباره جهشی به انبساط. نکته‌ی کلیدی آن است که هموارسازی کیهان پیش از بنگ رخ می‌دهد، طی دوره‌ی انقباض. هر منطقه ی سرکش تنبل به انقباض ادامه می‌دهد در حالی که مناطق خوش‌رفتار به موقع جهش می‌یابند و شروع می‌کنند به انبساط، پس مناطق سرکش کوچک و قابل چشم پوشی باقی می‌مانند.
هموارسازی در مدت انقباض دارای پیامدی مشاهده‌پذیر است. در طول هر فاز هموارسازی، چه در نظریهی تورم چه در نظریهی چرخه‌ای، افت و خیزهای کوانتومی به پیچش‌های تصادفی کوچک و منتشر شده‌ای در فضازمان، به نام امواج گرانشی منجر می‌شود که ردپایی مشخص بر تابش زمینه‌ی کیهانی بر جا می‌گذارد. دامنه‌ی این امواج متناسب با چگالی انرژی است. تورم هنگامی رخ می‌دهد که کیهان به‌شدت چگال باشد، در حالی که فرآیند هم‌ارز در مدل چرخه‌ای هنگامی رخ می‌دهد که کیهان در عمل تهی باشد، پس ردپاهای پیش‌بینی شده به شدت متفاوت به‌دست می‌آیند. البته نظریهی چرخه‌ای به نسبت جدید است و شاید مشکلات خودش را داشته باشد، ولی این دیدگاه را ارائه می‌دهد که جایگزین‌هایی معقول وجود دارند که چه بسا گرفتار افسارگسیختگی‌های مهارناشدنی تورم ابدی نشوند. کارهای مقدماتی ما پیشنهاد می‌کنند که مدل چرخه‌ای از دیگر مشکلاتی که پیش‌تر اشاره شد نیز پرهیز می‌کند.
بسیار خب، من موارد موافق و مخالف تورم را به صورت دو حد افراطی ارائه کردم بدون فرصت دادن برای آزمودن متقابل با تفاوت‌های ظریف. در جلسه‌ای که در ژانویه در مرکز علوم نظری پرینستون برای بحث پیرامون این مباحث برگزار شد، بسیاری از نظریه‌پردازان پیشرو استدلال کردند که مشکلات تورم تنها دردهای در آمدن دندان هستند و نباید اعتماد خود را نسبت به این ایده‌ی بنیادین سست کنیم. سایرین(از جمله خودم) بر این باور بودیم که این مشکلات تا قلب این نظریه ریشه دوانده و نیازمند تعمیراتی اساسی یا تعویض است.
در پایان، این داده‌ها هستند که حرف آخر را می‌زنند.رصدهای آینده از تابش زمینه‌ی کیهانی به ما خواهند گفت. پژوهش‌ها برای جستجوی ردپای امواج گرانشی پیشاپیش در قله‌های کوه‌ها، در بالون‌هایی با ارتفاع بسیار و روی ماهواره ها در حال انجام است و نتایج باید در دو یا سه سال آینده پدیدار شوند. آشکارسازی ردپای امواج گرانشی از تورم پشتیبانی خواهد کرد؛ ناکامی در آشکارسازی آن باعث دل‌سردی زیادی خواهد شد. برای آن که تورم با وجود نتیجه‌ی صفر معنا و مفهومی داشته باشد، لازم است کیهان‌شناسان فرض کنند که میدان اینفلاتون دارای پتانسیل بسیار عجیبی با شکل مناسب برای سرکوب امواج گرانشی است، که ساختگی به نظر می‌رسد. پژوهشگران زیادی سراغ جایگزین‌ها خواهند رفت، مانند نظریهی کیهان چرخه‌ای، که به طور طبیعی سیگنال امواج گرانشی کوچک مشاهده‌ناپذیری را پیش‌بینی می‌کند. نتیجه لحظه‌ای حیاتی خواهد بود در جستجوی ما برای تعیین این امر که چگونه کیهان به این شکلس که هست رسید و در آینده چه بر سرش خواهد آمد.
نویسنده: پل استین‌هارت
برگردان: آرین رسولی
تلگرام: @arian_xboy
اینستاگرام:@arianrasouliii
منبع: Scientific american
