دانشیار

بسم الله الرحمن الرحیم

جلسه پنجم کلاس کیهان شناسی

(29/06/1400)

دروران پس از فریدمن:

در جلسه پیش خاطر نشان کردیم که بعد از فرو ریختن مدل انیشتین ، فریدمن –روبرتسون-واکر مدلی را ارایه دادند و طبق این مدل ،هندسه عالم را وابسته به پارامتری کردند که نسبت میان چگالی فعلی و چگالی بحرانی عالم بود و خاطرنشان کردندکه اگر چگالی فعلی عالم با چگالی بحرانی برابر باشد لاجرم سرعت انبساط کیهان در نهایت به سوی صفر گرایش پیدا می کند و به تعبیر نسبیتی انحنای فضا- زمان رو به صفر شدن می رود که این جهان را جهان تخت می نامندواگر چنانچه این نسبت بزرگتر از صفر باشد یعنی چگالی فعلی عالم بزرگتر از چگالی بحرانی باشد لاجرم سرعت انبساط عالم در زمانی منفی خواهد شد یعنی جهان منقبض شده ، و به عبارتی انحنای جهان به سوی کم شدن ،ودر نهایت صفر شدن حرکت می کند که این جهان را جهان بسته نامیدند و اگر چنانچه چگالی فعلی عالم از چگالی بحرانی کمتر باشد لاجرم جهان ،در زمانی همیشه جهان حالت انبساطی داشته و وسرعت روبه افزایش است، و به عبارتی انحنای فضا- زمان جهان رو به افزایش است و حدی ندارد که به این جهان جهان باز می گفتند.

به عبارتی فریدمن مدلی ارایه می دهد که هندسه جهان را به رصد دو کمیت مربوط می کند که یکی چگالی فعلی عالم هست و یکی چگالی بحرانی، که چگالی بحرانی را دیدیم که رابطه مستقیم با توان سوم ثابت هابل دارد.

یعنی ما باید حجم و جرم و ثابت هابل را بدانیم تا بتوانیم ببینیم که هندسه کیهان چگونه است.

بعد از این نظریه دانشمندان مختلفی به کاووش و محاسبه پرداختند یکی از این افراد جورج گاموف بود، وی نظریه بسته و نوسانی بودن جهان را قبول کرد به نظر گاموف الان می بینیم که جهان در حال انبساط است ، حال اگر فیلم این انبساط را معکوس کنیم جهان در طی زمانهای گذشته انقباض پیدا کرده و بالاخره در نقطه ای متراکم می شود به عقیده گاموف ابتدا همه جرم جهان درنقطه ای متراکم بوده وناگهان انفجاری اتفاق افتاده که به بیگ بنگ یا مهبانگ موسوم است ،وجهان بعد از این انفجار رو به انبساط گذاشته وسرانجام به مرور زمان این انبساط متوقف می شود و جهان رو به انقباض گذاشته و متراکم می شود ، وممکن اسن دوباره در نقطه بیگ بنگ متراکم شده و انفجار دیگری رخ دهد  واین حالت نوسانی ادامه داشته باشد،وممکن است که این حالتی که اکنون درآن قرار داریم ، اولین انفجار بیگ بنگ نباشد و ما در وسط یکی از این انفجارات بوده باشیم.

در نظریه گاموف جهان در انفجار بیگ بنگ به فازهای مختلفی تقسیم بندی می شود که بنا به انرزی و دمایی که در سیستم وجود دارد در دورانهای متفاوت ذرات متفاوت به وجود آمده تا دما و انرژی به حدی پایین آمده که دوران معاصر رسیده ایم.

که این دوره ها عبارتند از دوران هادرونی،دوران لپتونی،دوران تشعشع،وبالاخره دوران ستاره ای،که در دوران هادرونی ذرات بنیادین به وجود آمده و در دوران لپتونی ذرات بنیادی ذرات دیگر را خلق کرده،ودردوران تشعشعی فوتون ها توان گریختن از میان مواد را پیدا کرده و از بند ترکیب خارج شدند، و در دوران ستاره ای با تجمع مواد تشکیل شده بیس های ستاره ای و کهکشانی خلق شده اند.

جورج گاموف خاطر نشان ساخت اگر نظریه وی درست باشد لاجرم از لحظه بیگ بنگ و دوران تشعشع می بایست در عالم هنوز آثاری از انفجار باقی مانده باشد ودمایی هنوز در انفجار باقی مانده باشد.

البته نظر گاموف براین اصل مبتنی بود که مقدار انرزی و ماده در جهان کم یا زیاد نشده و ثابت است

از سوی دیگری دانشمند دیگری به نام فرد هویل براین عقیده بود که مدل جهان باز می بایست درست باشد،وجهان می بایست تا ابد منبسط شود به عقیده هویل برنامه ریز و خالق عالم از ابتدا جهان را به همین گونه خلق کرده و تا ابد هم به همین شکل خواهد بود . همان گونه که برنامه ای در بک گراند سیستم کامپیوتر وجود دارد که مادامی که گامپیوتر به برق متصل است . حالت یک انبساط در کیهان را نشان می دهد و از اول طراح اینطور طراحی کرده وابتدا و انتهایی ندارد.

فرد هویل می گوید اگر از مرتبه ده به توان منهای 38 گرم بر متر مکعب سالانه به مقدار جرم جهان اضافه شود ،انبساط ابدی خواهیم داشت که البته اصلا این رغم قابل اندازه گیری فیزیکی نیست،به عقیده هویل چرا باید اصل را به ثابت بودن مقدار جرم و انرزی در جهان گرفت به طوری که گاموف می گوید،این یک امر بدیهی نیست،همان گونه که جهان از اول خلق شده ، می تواند به جرم آن هم افزوده شده و جرم و انرژی آفریده شود.

حالا نظریه گاموف یا نظریه هویل؟

برای پاسخ به این مطلب می بایست کار را به رصد و تجربه بسپاریم، باید ببینیم رصدها کدام را تایید می کنند والا از لحاظ نظری هردومی تواند درست باشد،تا اینکه در سال 1342 ویلسون و پنز پاس در آزمایشگاهی موسوم به بل در نزدیکی دانشگاه پرینسون ، در حال مطالعه روی رادارهایی خاص بودند که این رادارها از نوع رادارهای شیپوری بود و بسیار دقیق و حساس طراحی شده بود که سازندگان آن تحمل ئداشتن یک نویز مزاحم را هم نداشتند به همین لحاظ در حال کالیبره کردن این آنتن یا رار بودند ولی نویزی مزاحم همیشه گریبانگر آنها بود که اصلا قصد نداشت که قطع شود، آنتها گمان می کردند شاید ناشی از رعد وبرق های سرزمین های دور دست باشد ولی در زمانها و مکانهای مختلف بود و قطع نمی شد،به ناچار برای رفع مشکل گزارشی را به دانشگاه پرینسون دادند و در خواست یاری کردند، در این زمان تیمی روی کارهای گاموف در دانشگاه حضور داشتند ، واصلاحاتی را هم روی نظریه گاموف انجام داده بودند ، گاموف دمای باقی مانده از انفجار اولیه را حدود 25 درجه کلوین پیش بینی کرده بود ولی این گروه به سرپرستی دیکی دما را به کتر از 9 درجه کلوین تقلیل دادند.

به هر حال وقتی که گزارش از آزمایشگاه بل رسید ، این تیم متوجه شدند این همان تشعشعی است که گاموف پیش بینی کرده بود و این پرتویی است که از همه عالم می آید و نمی توان اصلا در جایی آن را مشاهده نکرد، این همان امواجCMBمی باشد، البته این پرتو دما را حدود 3و5 درجه کلوین نشان می داد، وامروزه با رصد های دقیق تر به 2.7 درجه کلوین کاهش یافته است.

با این گزارش و تایید ، برگ برنده بدست گاموف افتاد و جایزه نوبل بدو تعلق گرفت.

در ادامه ماجرا ماهواره ای به نام کبی جهت ثبت و ضبط امواج CMB در نظر گرفته شد و به طور خیلی قابل تعجبی داده های گرفته شده توسط ماهواره با محاسبات منطبق بود ودر طول موج های مختلف نظر گاموف مورد تایید قرار گرفت

شواهد تجربی دیگری هم برای تایید نظریه گاموف ارایه شد وآن مساله مقدار هلیوم و دوتریوم و لیتیوم در کیهان بود،مقداردرصد  این عناصربه طور معنی داری با مقداری که محاسبات از فرایندهای هسته ای داخل ستارگان پیش بینی می کند بیشتر بود و این قابل حل نبود که این درصد اضافه چگونه به ساختارعالم وارد شده است.

اما با نظریه بیگ بنگ این درصد اضافه می توانست در اثر همان انفجار بیگ بنگ تامیین شده باشد.

نظریه بیگ بنگ با استناد به شواهد تجربی پیرامون آن درحال قوت گرفتن بود و در عوض نظریه هویل در حال کنار گذاشتن ، چرا که شواهد تجربی برای اثبات یکی اقامه شده بود وبرای دیگری شواهد تجربی وجود نداشت، به همین لحاظ به مدل بیگ بنگ مدل استاندارد کیهانشناسی می گفتند.

تناقضات مدل بیک بنگ

دانشمندان و اختر شناسان با اخصاص جایزه نوبل به یک نظریه کیهانی حیرت کردند و توجه هابه سوی کیهانشناسی جلب شد چرا که محیط بکری برای تحقیق بود و به اصطلاح دست درآن کم بود، گرایش اختر شناسان به کیهان وتحقیق آنها در مساله مدل استاندارد از سویی بسیار خوب بود و از سویی اشکالاتی که در این نظریه داشت را تا حدودی برملا می کرد.

عده ای از کیهانشناسان باتوجه به اینکه هابل ادعا می کرد که جهان با سرعت هابلی در حال انبساط است گفتند خوب است با توجه به قدمت عالم دو گروه به طور مجزا روی این مساله کار کنند عده ای از نقطه بیگ بنگ شروع کنند تا حال حاضر با سرعت هابلی ، ببینند بعد از گذشت ده به توان ده سال اندازه جهان به اندازه حال حاضر می رسد، و عده ای به طور عکس از حال حاضر ده به توان ده به عقب باز گرند ببینند که اندازه جهان به صفر میل می کند.

دراین محاسبات به یک تناقض بزرگی رسیدند ، در هر دو حال اندازه فعلی جهان به اندازه 10 به توان 50 برابر از اندازه هابلی بیشتر بود یعنی اصلا محاسبات با تجربه سازگاری نداشت.

ومساله معمای افق که چگونه ممکن است که بیگ بنگ از یک نقطه شروع شده باشد ، ولی هرجای افق عالم را که نگاه می کنیم بیگ بنگ باشد.

ومساله عدم وجود یک قطبی مغناطیسی که در نظریه بیگ بنگ پیش بینی می شد ولی در عالم مشاهده نشد.

همسانگردی و همگنی در کل سیستم کیهان که چگونه ممکن است جاهای مختلفی از کیهان که فاصله آنها به حدی هست که امکان ارتباط علی بین انها وجود ندارد ساختار به گونه ای همسان می باشد و مطابق هم تغییر می کند. ویا به عبارتی علی رغم پیشبینی گاموف که جهان را بسته در نظر می گرفت جهان انقدر تخت است ، و تخت بودن فضا- زمان تایید می شود.