کیهان شناسی (Cosmology)

[رزیتا]

رقص کیهانی

مقدمه

کهکشانها ، تنهایی را دوست ندارند و به نظر می رسد که مایلند به گرد هم آیند. بهترین جا برای یک کهکشان ، همسایگی با کهکشان دیگر است. به این ترتیب است که کهکشانها در ساختمان و چارچوبی هر چه بزرگتر ، به مجتمعها تبدیل می‌شوند. کهکشان ما خود جزیی از یک مجموعه محلی است، یعنی مجموعه کهکشانهایی که قدرت جاذبه ، آنها را گرد هم آورده است و علاوه بر راه شیری ما ، کهکشان آندرومدا و حدود پانزده تایی کهکشان کوتوله از جمله اقمار کهکشان خود ما و ابرهای بزرگ و کوچک ماژلان را که همگی بر پهنای ده میلیون سال نوری گسترده شده‌اند، شامل می‌شود و این گسترش همچنان ادامه پیدا می‌کند.
علت رقص کیهانی

نیروی جاذبه به صورتی عمل می‌کند که کهکشانها ، در این مجموعه‌ها ، بسوی یکدیگر ‌تمایل پیدا کنند، و بطرف یکدیگر بیافتند و این حرکتهای سقوطی بر جنبش گسترشی خود کهکشانها افزوده می‌شود. در واقع کره زمین نیز در این رقص حیرت انگیز کیهانی شرکت دارد. به این ترتیب که کره خاکی ما نخست مارا با سرعتی معادل سی کیلومتر در ثانیه در سفر سالیانه‌اش بر گرد خورشید به فضا می‌برد و خورشید به نوبه خود ، زمین را در گردش خویش بر اطراف مرکز راه شیری با سرعت دویست و سی کیلومتر در ثانیه با خود می‌برد.

راه شیری با سرعت نود کیلومتر در ثانیه بسوی رفیق همراه خود آندرومدا می‌افتد و این امر همچنان ادامه پیدا می‌کند تا جایی‌ که به ابرانبوه‌های هیدرو قنطوره می‌رسیم. از مشاهدات رصدخانه‌ای چنین بر می‌آید که این رقص بزرگ کیهانی به همین جا محدود نمی‌شود و ابرانبوه‌های باکره ، و ابرانبوه‌های هیدرو قنطوره خود بسوی مجموعه عظیم دیگری از کهکشانها سقوط می‌کنند که ستاره شناسان ، به دلیل نداشتن اطلاعات کافی اضافی ، آن را فعلا جذب کننده بزرگ یا جذاب کبیر نام گذاشته‌اند.

[رزیتا]

مدلهای کیهانشناسی

مقدمه

کشف اینکه جهان در حال گسترش است، یکی از انقلابهای فکری بزرگ قرن بیستم بود. حتی نیوتن و انیشتین تصور جهان گسترش یابنده را نداشتند. مدلهایی برای تبیین عالم توسط اندیشمندان صورت گرفته‌اند؛ در اینجا پاره‌ای از این مدلها را عرضه می‌کنیم.

اولین مدل ارائه شده

اولین مدل ریاضی برای عالم توسط انیشتین صورت گرفت؛ در مدل ایشان عالم مسدود (فضای بسته و بدون مرز) و کروی و در عین حال ایستاست، و به نام جهان استاتیک انیشتین آن را می‌شناسیم؛ هنگامی که انیشتین مشغول ساختن معادلات ریاضی برای این مدل بود، بطور اشتباهی "ثابت کیهانی شناختی" را در معادله خویش وارد کرد؛ و از طرفی نیرویی بنام پاد گرانش معرفی کرد که برخلاف دیگر نیروها ، از منبع خاصی ناشی نمی‌شد، بلکه در کالبد فضا - زمان نهفته بود؛ انیشتین بعدا از این کارش افسوس خورد. این مدل ؛ جهان را نه در حال انقباض و نه انبساط می‌داند و به عبارتی دیگر جهان نه کوچکتر و نه بزرگتر می‌شود.


مدل دویستر

مدل دویستر ، که از پس انشتین وضع شد، ادامه کارهای انشتین بود؛ بعلاوه هویل تز جهان ساکن و نامحدود را ارائه داد و از طرفی فرضیه جهان نوسانی توسط تولمان وضع شد و ساندیچ آن را بسط داد، و افزون آنکه کسانی امثال، هابل مدل جهان را محدود و گسترش یابنده پیشنهاد کرده اند.


مدلهای فریدمان

از میان مدلهای موفق دیگر می‌توان به مدلهای فریدیمان دانشمند روسی اشاره کرد؛ این مدلها در واقع بر اساس همان معادلات انیشتین استوار است، منتها فریدیمان ثابت کیهان شناختی و نیروی پاد گرانش را در معادلات و نظریات خویش وارد نکرده است؛ در این باره به توضیحات استاد هاوکینگ ، می‌پردازیم:

"هر چند فریدمان تنها یک مدل ارائه داد، اما سه نوع مدل مختلف وجود دارد که بر دو فرض اساسی فریدمان مبتنی هستند. در نوع اول (که فریدمان ارائه کرد) جهان با سرعت نسبتا کمی در حال گسترش است و جاذبه گرانشی بین کهکشانهای مختلف باعث کندی گسترش شده و سرانجام آن را متوقف می‌سازد. آنگاه کهکشانها بسوی یکدیگر شروع به حرکت می‌کنند و جهان انقابض می‌یابد. و...در دومین مدل ، جهان چنان با آهنگ تند گسترش می یابد که جاذبه گرانشی هرگز قادر به باز داشتن آن از انبساط نیست، هر چند اندکی از سرعت آن می‌کاهد ... .

و بالاخره راه حل سومی نیز وجود دارد که در آن ، سرعت گسترش جهان به اندازه‌ای است که گیتی از فروپاشی بپرهیزد ... . مشخصه بارز اولین نوع مدل آن است که جهان در پهنه فضا ، بیکرانه نیست، اما فضا خود حد مرزی ندارد. گرانش چنان نیرومند است که فضا را به دور خود خم کرده و کم و بیش چیزی مثل سطح زمین بوجود آورده است. اگر روی سطح زمین در جهت معینی به راه بیفتیم هرگز به مانعی غیر قابل بوجود آورده است. اگر روی سطح زمین در جهت معینی به راه بیافتیم، هرگز به مانعی غیر قابل عبور یا پرتگاهی بر کرانه آن بر نخواهیم خورد، اما عاقبت به همان نقطه شروع خواهیم رسید. در نخستین مدل فریدمان ، فضا همچون مثال بالاست، اما بجای آنکه مثل سطح زمین دو بعد داشته باشد، سه بعدی است.

بعد چهارم آن یعنی زمان نیز در امتداد خود محدود و معین است، اما همچون پاره خطی است که آغاز و انجامی دارد. اگر نسبیت عمومی را با اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی در هم آمیزیم، فضا و زمان ، هر دو می‌توانند معین بود، و در عین حال هیچ انتها و مرزی نداشته باشند. در نخستین نوع از مدلهای فریدمان ، که منبسط می‌شود و فرو می‌پاشد. فضا مثل سطح کره زمین بر روی خود خمیده است و بنابراین در امتداد خود متناهی است. در دومین نوع از مدلها ، که برای همیشه گسترش می‌یابد، فضا به گونه‌ای دیگر و همانند سطح یک زین خمیده است. بنابراین ، در این حالت فضا نامتناهی است. سرانجام در سومین نوع از مدلهای فریدمان ، گسترش جهان با سرعت بحرانی انجام می‌پذیرد، فضا تخت و مسطح (و در نتیجه نامتناهی) است.

کدامیک از مدلهای فریدمان تصویر واقعی جهان ماست؟

آیا سرانجام جهان از انبساط باز خواهد ایستاد و منقبض خواهد شد یا آنکه برای همیشه منبسط خواهد شد؟ برای پاسخ دادن به این سوال باید نرخ کنونی انبساط جهان و چگالی متوسط فعلی‌اش را بدانیم. اگر چگالی از مقدار بحرانی معینی که بوسیله نرخ انبساط تعیین می‌شود، کمتر باشد، جاذبه گرانش ضعیف‌تر از آنست که بتواند گسترش عالم را متوقف کند. اگر چگالی از آن مقدار بحرانی بیشتر باشد، روزی گرانش جهان را از گسترش باز خواهد داشت و باعث فروپاشی آن خواهد گردید."

البته، در حال حاضر برای تعیین مقدار دقیق دو پارامتر ، نرخ کنونی انبساط جهان و چگالی متوسط جهان ، با مشکلاتی مواجه هستیم، هر چند که بطور تقریب ، برخی از اندیشمندان ، مقادیری ایستا ، بزودی زیر تأثیر گرانش شروع به انقباض می‌کند؛ و اگر فرض کنیم جهان در حال گسترش است، اگر سرعت آن بطور نسبی پایین باشد، سرانجام نیروی گرانش موجب توقف و سپس انقباض آن خواهد گردید.

یا به عبارتی دیگر اگر نیروی گرانش از انبساط جهان بتدریج بکاهد، بالاخره روزی انبساط متوقف می‌شود و انقباض و فرو ریختگی آغاز می‌گردد. در صورتی که جهان با سرعتی بیش از یک سرعت بحرانی در حال گسترش باشد، گرانش هرگز نخواهد توانست آن را متوقف کند و جهان تا ابد به گسترش خود ادامه خواهد داد. به هر صورت ، این سوال مطرح می‌گردد که کدامیک از این تئوریها در حال حاضر می‌توانند بهترین کاندیدای پاسخ برای چگونگی و سرنوشت پایانی کائنات باشد؟!


سرنوشت کائنات

قدر مسلم کیهان شناسی مدرن با یافته‌های علمی بسیاری که در دست دارد، همراه با توافق اکثریت پژوهشگران طراز اول در سطح جهان ، می‌توان به این نظریه باور داشت که گسترش جهان در نهایت روزی متوقف می‌گردد و جهان دچار انقباض می‌شود و مقارن آن فرو ریختگی مجموعه‌ها و زیر مجموعه‌های جهان یعنی کهکشانها و منظومه‌ها شروع می‌شود. و تکیه همگان بر این است که میدان گرانشی کل جهان ، (چگالی کنونی جرم جهان و یا جاذبه گرانشی متقابل ماده) انبساط جهان را کند می‌کند و در نهایت متوقف خواهد ساخت و جهان دچار فرو ریختگی عظیم خواهد گشت و در نهایت به شکل سیاهچاله در خواهد آمد و ... .


مدل باز

جهان همیشه در حال انبساط ، که در نهایت به جهان سرد و بی رمق منجر می‌شود، بنام "مدل باز" هم خوانده می‌شود و کسانی امثال لیف شیتز و تنیکوف هم از این "مدل باز" جانبداری کرده‌اند؛ عکس نظریه "مدل باز" بنام "مدل بسته" هم خوانده می‌شود که چنانچه توضیح دادیم در این مدل بسته ، جهان روزی دچار انقباض و فرو ریختگی می‌گردد و این نظریه توسط استاندارد کیهان شناسی مورد پیش بینی و تأیید قرار گرفته است.

انقباض بزرگ "Big Crunch"

کرنگ به معنی در هم شکسته است، Crunch نیز دقیقا به همین معنی است. "Big Crunch" را تخریب بزرگ و انقباض بزرگ نیز معنی کرده‌اند، در واقع Big Crunch همان نظریه انشتین در مورد بسته شدن مجدد جهان است؛ به نظر بعضی از دانشمندان پس از Big Crunch مجددا یک Big Bang (یا مهبانگ) رخ خواهد داد و دوباره آغازی دیگر. بسیاری از دانشمندان می‌پرسند که اگر ما به این دوره انفجار و خرد شدگی معتقد باشیم مهبانگی را که ما از آن مطلعیم چندمین مهبانگ است؟ و آیا اصولا چنین سوالی می‌تواند صحیح باشد، وقتی که مبدأ زمانی ما از شروع مهبانگ است؟

از دیدگاه عده‌ای از دانشمندان ، بر اثر عمل و عکس العمل دو نیروی گرانشی (حاصل از مجموعه اجرام آسمانی) و انبساطی (حاصل از انفجار بزرگ) امکان دارد که در هر شصت هزار میلیون سال یکبار انفجار بزرگ بوقوع بپوندد. در واقع مهبانگ (انفجار بزرگ = بانگ اکبر = Big-Bang) در مبدأ جهان و "Big Crunch" را مهگرنگ (انقباض بزرگ) معنی کرده‌اند که در پایان جهان است.