بزرگترین اشتباه «اینشتین» کیهان‌شناسی را برای همیشه تغییر داد

به گزارش ایسنا، کمی بیش از یک قرن پیش، آلبرت اینشتین توجه خود را از خودِ گرانش به سرنوشت کل جهان معطوف کرد و در سال ۱۹۱۷، اندکی پس از توسعه نظریه نسبیت عام خود، شروع به محاسبه معادلات جدید خود در کیهان‌شناسی کرد.

نظریه «نسبیت عام» درک ما از گرانش را متحول کرده بود، بنابراین منطقی بود که بپرسیم همان معادلات در مورد جهان در بزرگترین مقیاس‌های ممکن چه می‌گویند.

گرانش یک نقطه شروع طبیعی بود. به طور متوسط، جهان از نظر الکتریکی خنثی است، به این معنی که الکترومغناطیس بر رفتار در مقیاس بزرگ آن تسلط ندارد. اینشتین همچنین چیزی در مورد نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف نمی‌دانست که اگر بخواهیم منصفانه بگوییم، هیچ‌کس نمی‌دانست، هر چند این تعاملات فقط در فواصل بسیار کوتاه عمل می‌کنند.

جهان پویای غیرمنتظره‌ اینشتین

در کیهان‌شناسی این گرانش است که تعیین می‌کند ماده در فواصل بسیار زیاد چگونه رفتار می‌کند. اگر مجموعه‌ای از ماده را تصور کنید که نمایانگر «یک جهان» است، معادلات اینشتین می‌توانند به شما بگویند که آن مجموعه چگونه باید تکامل یابد.

آنچه اینشتین یافت، وی را شگفت‌زده کرد. نسبیت عام به طور طبیعی جهانی را توصیف نمی‌کرد که برای همیشه بدون تغییر باقی بماند. در عوض، معادلات به یک کیهان پویا اشاره داشتند که یا منبسط و یا منقبض می‌شود. این نتیجه‌گیری با دیدگاه غالب در آن زمان که معتقد بود جهان ایستا است و اساساً در طول تاریخ کیهانی یکسان باقی مانده است، در تضاد بود.

اینشتین با افزودن یک «ثابت کیهانی» به معادلات خود که با حرف یونانی لامبدا نشان داده می‌شود، پاسخ داد. نسبیت عام قبلاً چنین اصطلاحی را مجاز می‌دانست. به عبارت ساده، مانند یک تأثیر گرانشی که در خود فضازمان تعبیه شده است، عمل می‌کند؛ تأثیری که حتی در فضای خالی نیز می‌تواند وجود داشته باشد. این اثر بسته به مقدار آن می‌تواند جاذبه یا دافعه ایجاد کند. اینشتین مقداری را انتخاب کرد که با کشش گرانشی ماده مقابله می‌کرد و به جهان اجازه می‌داد پایدار بماند. البته این راه‌حل زیاد دوام نیاورد.

یک جهان در حال انبساط همه چیز را تغییر می‌دهد

چند سال بعد، «ادوین هابل» کشف کرد که جهان در حال انبساط است. در همین حال، نظریه‌پردازانی مانند الکساندر فریدمن، کیهان‌شناس روسی، معادلات اینشتین را به معنای واقعی کلمه‌تر در نظر گرفتند و پایه‌ای نظری را توسعه دادند که به پشتیبانی از نظریه مه‌بانگ(بیگ بنگ) کمک می‌کرد.

اینشتین در نهایت ثابت کیهان‌شناسی را کنار گذاشت. وی بعدها به دوستانش گفت که معرفی آن «بزرگترین اشتباه» وی بوده است.

سپس شگفتی بزرگ دیگری رخ داد. به سال ۱۹۹۸ برگردیم. دو تیم از ستاره‌شناسان در تلاش بودند تا اختلاف نظر طولانی‌مدت در مورد میزان ماده موجود در جهان را حل کنند. مشاهدات مختلف تخمین‌های بسیار متفاوتی را ارائه داده بودند، برخی نشان می‌دادند که ماده نسبتاً کمی وجود دارد و برخی دیگر نشان می‌دادند که ماده بسیار بیشتری وجود دارد.

ستاره‌شناسان از قبل می‌دانستند که جهان در حال انبساط است. با این حال، از آنجا که ماده گرانش تولید می‌کند، آن ماده باید به تدریج انبساط را کند می‌کرد. محققان با اندازه‌گیری شدت کاهش سرعت انبساط امیدوار بودند که مشخص کنند واقعاً چه مقدار ماده در آنجا وجود دارد. در عوض، آنها برعکس آن را کشف کردند.

جهان در حال سرعت گرفتن

انبساط جهان در حال کند شدن نبود، بلکه شتاب می‌گرفت. مشاهدات هنوز نشان می‌داد که جهان، ماده نسبتاً کمی دارد، اما حتی آن ماده هم برای توضیح آنچه ستاره‌شناسان می‌بینند کافی نبود. به نظر می‌رسید چیزی باعث می‌شود انبساط کیهانی با گذشت زمان سریع‌تر پیش برود.

ساده‌ترین توضیح، توضیحی آشنا بود؛ «ثابت کیهان‌شناسی اینشتین». یک اثر پس‌زمینه ثابت که دافعه کیهانی ایجاد می‌کند، می‌تواند شتاب مشاهده شده را توضیح دهد. دهه‌ها پس از اینکه اینشتین این ایده را کنار گذاشت، اشتباه فرضی وی به عنوان توضیح اصلی برای داده‌های جدید به تحقیقات و معادلات بازگشت.

انرژی تاریک، اساس کیهان‌شناسی مدرن

کیهان‌شناسان در طول دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰، چارچوبی به طور فزاینده پیچیده ایجاد کردند که به عنوان «مدل استاندارد کیهان‌شناسی» شناخته شد. فیزیکدانان تمایل دارند مدل‌های منسجم، مشارکتی و اجماعی را استاندارد بنامند، اما کشف اینکه انبساط کیهانی در حال شتاب گرفتن است، به این معنی بود که این مدل دیگر نمی‌تواند به شکل موجود خود باقی بماند.

جایگزین آن به بهترین توصیف فعلی ما از چگونگی تکامل جهان از زمان مه‌بانگ تبدیل شد که «کیهان‌شناسی LCDM» نام دارد. حرف L همان حرف یونانی لامبدا است که به ثابت کیهانی اشاره دارد که به عنوان انرژی تاریک نیز شناخته می‌شود. عبارت CDM نیز مخفف «ماده تاریک سرد» است؛ نوعی ماده که گمان می‌رود بیشترِ جرم تقریباً هر کهکشان را تشکیل می‌دهد. ماده تاریک سرد داستان خودش را دارد، اما فعلا تمرکز ما روی لامبدا است.

یک مدل فوق‌العاده موفق با یک مشکل

مدل LCDM به طرز خارق‌العاده‌ای موفق بوده است. همچنین به طرز شگفت‌آوری ساده است و تنها به تعداد انگشت‌شماری از پارامترهای قابل تنظیم و تعداد کمی از فرضیات در چارچوب نسبیت عام متکی است.

این مدل با وجود این سادگی می‌تواند طیف وسیعی از مشاهدات را توضیح دهد. این مدل تاریخچه انبساط جهان، ظهور تابش پس‌زمینه، ویژگی BAO، رشد کهکشان‌ها، توسعه ساختار کیهانی در مقیاس بزرگ و موارد بسیار دیگری را توصیف می‌کند.

اکنون مدل LCDM به یکی از کامل‌ترین و گسترده‌ترین نظریه‌های مورد مطالعه و آزمایش در تمام علوم تبدیل شده است.

*