تولد علم کیهان شناسی
اینشتین تلاش کرد تا از این تصویر جدید، برای توصیف جهان به صورت یک مجموعه کامل، استفاده کند. او ناگزیر بود بالاخره با پارادوکس بنتلی، که قرن ها پیش ارائه شده بود مواجه شود. در دهه 1920 ، اغلب ستاره شناسان عقیده داشتند که جهان یکپارچه و ایستا است. بنابراین اینشتین با این فرض شروع کرد که جهان، به طور یکنواخت از غبار و ستارگان پر شده است. به عنوان یک مدل، جهان را می توان به بادکنک یا حبابی بزرگ تشبیه کرد. ما بر روی پوسته حباب زندگی می کنیم. ستارگان و کهکشان هایی را که اطراف خود می بینیم، می توان به لکه هایی که بر سطح بادکنک نقاشی شده اند، تشبیه کرد. هر بار اینشتین سعی کرد معادله اش را حل کند، با تعجب دریافت جواب، جهانی غیر ایستا است. اینشتین نیز با همان مشکلی، که بنتلی در حدود 200 سال پیش مطرح کرده بود مواجه شد. ازآنجا که گرانش همواره جذب کننده است و هرگز دفع کننده نیست، هر مجموعه متناهی از ستارگان باید در فاجعه ای آتشبار، به درون هم فرو بپاشند. این مسئله، با دانش متداول در اوایل قرن بیستم که بیان می داشت جهان ایستا و یکنواخت است در تناقض بود.
اینشتین، علی رغم روحیه انقلابی اش، نمی توانست باور کند که جهان در حرکت باشد. همانند نیوتن و بسیاری دیگر، اینشتین به جهانی ایستا باور داشت. بنابراین در سال 1917، مجبور شد که بخش جدیدی را به معادله خود اضافه کند، یک ((عامل تصحیح)) ، که نیروی جدیدی را به نظریه اش اضافه می کرد. نیروی ضد گرانشی که ستارگان را از هم دور می ساخت. اینشتین این عامل را ثابت کیهان شناسی نامید؛ جوجه اردک زشتی که چاره ای مناسب برای نجات نظریه اینشتین به نظر می آمد. او سپس این ضد گرانش را به طور دلخواه طوری انتخاب کرد که اثر جاذبه را دقیقا خنثی نموده و جهانی ایستا ایجاد کند. به بیان دیگر، جهان به طور فرمایشی ایستا شد: انقباض جهان به سمت درون ناشی از گرانش، با نیروی انرژی تاریک که به سمت بیرون عمل می کند، خنثی شد.
در سال 1917 ، فیزیکدان هلندی با نام ویلم دسیتر، جواب دیگری برای معادلات اینشتین ارائه کرد که در آن، جهان نامتناهی ولی کاملاً خالی از ماده است و در اصل تنها شامل انرژی خلاً یا ثابت کیهان شناسی است. این نیروی ضد گرانش، به تنهایی کافی است تا چنین جهانی را سریعاً و به طور تصاعدی منبسط کند. حتی بدون وجود جرم نیز این انرژی تاریک می توانست جهانی در حال انبساط ایجاد کند.
حال فیزیکدانان با معمائی پیچیده روبرو بودند. جهان اینشتین دارای جرم بود، ولی حرکت نداشت. از طرف دیگر، جهان دسیتر حرکت داشت ولی جرم نداشت. در دنیای انشتین، ثابت کیهان شناسی، برای خنثی کردن جاذبه گرانش و ایجاد جهان ایستا لازم بود. در جهان دسیتر، ثابت کیهان شناسی به تنهایی برای ایجاد یک جهان در حال انبساط کافی بود.
بالاخره در سال 1919 ، زمانی که اروپا تلاش می کرد تا از پس اجساد و ویرانه های جنگ جهانی اول، حیات خود را باز یابد، چندین تیم از ستاره شناسان به سراسر جهان اعزام شدند تا نظریه اینشتین را مورد آزمایش قرار دهند. اینشتین قبلاً پیش بینی کرده بود که انحنای فضا- زمان ناشی از حضور خورشید، برای خم کردن نور ستارگانی که از مجاورت آن می گذرند، کافی خواهد بود. مقدار انحنای نور ستارگان در اطراف خورشید، مانند انحنای نور در یک عدسی، معین و قابل محاسبه است. ولی از آنجا که نور خورشید در طول روز دیگر ستارگان را محو می کند، دانشمندان برای انجام آزمایش ها دقیق ناچارند در انتظار رخ دادن خورشید گرفتگی باشند.
یک گروه به سرپرستی اختر فیزیکدان انگلیسی، آرتور ادینگتون، به جزیره پرنسیب در خلیج گینه در نزدیکی ساحل آفریقای جنوبی رفتند تا انحنای نور ستارگان در اطراف خورشید را هنگام خورشید گرفتگی ثبت کنند. تیم دیگری به سرپرستی آندرو کراملین، به سوبرال در شمال برزیل رفتند. با استفاده از داده های جمع آوری شده، مقدار میانگین انحراف برای نور ستارگان برابر79/1 ثانیه قوسی اندازه گیری شد. این اندازه گیری
پیشگویی اینشتین برابر 74/1 ثانیه قوسی را تائید می کرد (با احتساب خطاهای تجربی). به بیان دیگر، نور در نزدیکی خورشید خم می شود. ادینگتون بعدها عنوان کرد که تائید صحت نظریه اینشتین، بزرگترین لحظه زندگی او بوده است.
در6 نوامبر 1919 ،در جلسه مشترک انجمن سلطنتی و انجمن سلطنتی نجوم در لندن، برنده جایزه نوبل و رئیس انجمن سلطنتی، جِی جِی تامپسون، رسماً بیان کرد که این ((یکی از ارزشمندترین دستاوردها در تاریخ افکار بشرمحسوب می شود. در حوزه ایده های علمی جدید، این امر کشف یک جزیره دور افتاده نیست، بلکه کشف یک قاره کامل است. این نظریه، بزرگترین یافته در ارتباط با گرانش از زمانی است که نیوتن این مفهوم را بیان کرده است.))
(سپس، خبرنگاری از ادینگتون پرسید:(( شایعه ای وجود دارد مبنی بر اینکه تنها سه نفر در تمام جهان نظریه اینشتن را فهمیده اند. شما باید یکی از آنها باشید.)) ادینگتون ساکت ماند. خبرنگار گفت:(( فروتن نباشید آقای ادینگتون.)) ادینگتون شانه را بالا انداخت و گفت :(( نه اصلاً . به این فکر می کردم که نفر سوم چه کسی می تواند باشد.))
روز بعد، روزنامه تایمز لندن با این تیتر منتشر شد: ((انقلابی در علم – نظریه جدید جهان – عقاید نیوتن سرنگون شد .)) این تیتر لحظه ای را رقم زد که در آن اینشتین به یک شخصیت شناخته شده جهانی بدل شد؛ پیام آوری از ستارگان.
اعلام این خبر مهم، عزیمت از نیوتن به اینشتین، باعث واکنش شدیدی از جانب فیزیکدانان و منجمان برجسته شد. در دانشگاه کلمبیا، چارلز لِین پور، پروفسور در مکانیک نجومی، با گفتن این جمله انتقاد خود را بیان کرد: ((احساس من این است که با آلیس در سرزمین عجایب گشته ام و با کلاهدوز دیوانه چای خورده ام.))
اینکه نظریه نسبیت با احساس عمومی ما در تناقض است، دلیل بر اشتباه بودن آن نیست، با احساس عمومی ما بیانگر واقعیت نیست. در حقیقت ((ما)) در این جهان عجیب و غریب هستیم. ما در مکان غیر معمولی سکنی گزیده ایم که در آن دماها، چگالی ها و سرعت ها کاملاً متعادلند. در حالی که در (( دنیای واقعی )) مرکز ستارگان، سوزنده و داغ و فضای خارجی بی حس کننده و سرد است و ذرات ریز اتمی معمولاً در سراسر فضا با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند. به بیان دیگر، احساس عمومی ما، در کره زمین تکامل یافته است که بخشی غیر معمول و مبهم از جهان است، پس تعجبی ندارد که درک احساس عمومی ما از جهان، آن طور که هست، دشوار باشد. مشکل در نسبیت نیست، بلکه در فرضیاتی است که احساس عمومی ما در توصیف جهان دارد.
آینده جهان
اگرچه نظریه اینشتین در توضیح پدیده های نجومی، مثل انحنای نور ستارگان در اطراف خورشید و انحراف خفیف در مدار سیاره تیر (عطارد) موفق بود، با این حال پیش گویی های کیهان شناسی آن هنوز گیج کننده می نمود. فیزیکدان روسی، الکساندر فریدمن، ابهامات را روشن کرد و عمومی ترین و واقعی ترین راه حل های معادلات اینشتین را ارائه داد، که حتی امروزه در مباحث درسی نسبیت عام تدریس می شود. (فریدمن در سال 1922 به یافته های خود دست یافت، ولی در سال 1925 در گذشت و کارهای او تا سال ها به فراموشی سپرده شد.)
طبیعتاً، نظریه اینشتین تماماً مجموعه ای از معادلات فوق العاده مشکل است که اغلب برای یافتن جواب آنها به رایانه نیاز است. فرید من ابتدا فرض کرد که جهان دینامیک است و سپس دو فرض دیگر برای ساده سازی در نظر گرفت( که اصول کیهان شناسی نامیده می شوند): جهان ایزوتروپیک (دارای خواص فیزیکی متشابه) است (از یک نقطه داده شده به هر سو بنگریم، یکسان به نظر می آید) و دیگر اینکه جهان همگن است (جهان، در همه جا یکنواخت است).
با در نظر گرفتن این دو فرض، معادلات اینشتین ساده می شوند. (در حقیقت، هر دو جهان اینشتین و دسیتر حالات ویژه ای از جواب عمومی تر . جهان فرید من ، فقط به سه پارامتر بستگی دارد:
1H. ، که سرعت انبساط جهان را نشان می دهد.(امروزه به ثابت هابل معروف است؛ به نام منجمی که در واقع توانست سرعت انبساط جهان را اندازه گیری کند.)
2. امگا(
)، که به چگالی متوسط ماده در جهان مربوط است.
3. لاندا(
)، که انرژی فضای خالی یا انرژی تاریک است.
بسیاری از کیهان شناسان تمام عمرحرفه ای خود را صرف تعیین دقیق این سه پارامتر کرده اند. اثر متقابل بین این سه ثابت، سیر تکاملی آیندۀ جهان را تعیین می کند. به عنوان مثال از آنجایی که گرانش یک نیروی جذب کننده است، چگالی جهان (امگا) همانند ترمزی عمل می کند تا فرایند انبساط جهان را که پس از انفجار بزرگ آغاز شده است کند نماید.فرض کنید سنگی را به هو پرتاب می کنید. در حالت عادی، قدرت جاذبۀ زمین به اندازه ای است که می تواند جهت سنگ را تغییر داده و باعث سقوط آن بر روی زمین شود. ولی اگر فردی سنگ را به اندازۀ کافی سریع پرتاب کند، سنگ خواهد توانست از جاذبۀ زمین بگریزد وبه فضای بیرون برود. همانند سنگ، جهان نیز در اصل به دلیل انفجار بزرگ همواره در حال انبساط بوده است،ولی ماده یا همان امگا، در مقابل انبساط جهان مثل ترمز عمل می کند؛ همان طور که گرانش زمین برای سنگ به صورت ترمز عمل می کند.
بیایید برای لحظه ای تصور کنیم که لاندا، انرژی فضای خالی، برای صفر باشد. تعریف دقیق پارامتر امگا این است: حاصل تقسیم چگالی جهن بر چگالی بحرانی. (چگالی بحرانی جهان تقریباً برابر است با 10 اتم هیدروژن در متر مکعب.چگالی بحرانی جهان متناظر است با وجود به طور میانگین یک اتم هیدروژن تنها در حجمی براببا سه توپ بسکتبال)
اگر امگا کمتر از 1 باشد، دانشمندان نتیجه می گیرند که به اندازۀ کافی ماده در جهان وجود ندارد تا انبساط اولیه ناشی از انفجار بزرگ را معکوس کند.(شبیه به پرتاب کردن سنگ در هوا؛ اگر جرم زمین به اندازۀ کافی بزرگ نباشد، سنگ در نهایت زمین را ترک خواهد کرد.) در نتیجه، جهان تا ابد به انبساط ادامه خواهد داد که در نهایت با نزدیک شدن دما به صفر مطلق به انجماد بزرگ منتهی خواهد شد.(این همان اساس کار یخچال یا سیستم تهویه مطبوع است. زمانی که گاز منبسط می شود، دمایش کاهش می یابد. در کولرهای گازی، گاز جاری در لوله، منبسط شده ودر نتیجه لوله و اتق شما خنک می شود.)
اگر امگا از یک بزرگتر باشد، آنگاه ماده ودر نتیجه گرانش کافی در جهان موجود خواهد بود تا در نهایت انبساط کیهانی را معکوس کند. در نتیجه، فرایند انبساط جهان در نقطه ای متوقف شده وجهان این بار شروع به انقباض خواهد کرد.( مثل سنگی که به هوا پرتاب می شود؛ اگر جرم زمین به اندازه
کافی بزرگ باشد، سنگ در نهایت به یک ارتفاع بیشینه رسیده وسپس به سمت زمین سقوط می کند.) با سرعت گرفتن کهکشانها وستارگان به سمت یکدیگر، دماها شروع به افزایش می کنند.( اگرتاکنون لاستیک دوچرخه را باد زده باشید، می دانید که فشردگی گاز؛گرما ایجاد می کند. کار مکانیکی اجام گرفته برای فشردن هوا به انرژی گرمایی تبدیل ی شود.) در نهایت دما آنقدر زیاد خواهد شدکه حیات، روبه خاموشی گذاشته شده وجهن به سمت "فروپاشی بزرگ" خواهد رفت. (ستاره شناسی به نام کن کراسول، این فرایند را اینگونه توصیف می کند: "از تولد تا تدفین" )
احتمال سومی هم وجود دارد که امگا دقیقاً با 1 برابر باشد. به بیان دیگر، چگالی جهان برابر با چگالی بحرانی باشد که در این حالت جهان بین دو حالت فوق الذکر بوده وتا ابد انبساط خواهد یافت. ( خواهیم دید که این سناریو با تصویر تورمی جهان سازگاری دارد.)
و در آخر این امکان وجود دارد ک جهان، پس از فروپاشی بزرگ، به انفجاربزرگ جدیدی وارد شود. این نظریه، با نام جهان نوسانگر شناته می شود. فریدمن نشان داد که هر کدام از این سناریوها، به نوبه خودانحنای فضا-زمان جهان را تعیین می کنند. وی نشان داد که اکر امگا از یک کوچکتر باشد وجهان برای همیشه منبسط شود، نه تنها زمان نامتناهی است، بلکه فضا نیز به همان ترتیب نامتناهی خواهد بود. در این صورت،گفته می شود که جهان "باز" است؛ یعنی هم از نظر زمان وهم از نظر فضا نامتناهی است. فریدمن با محاسبه دریافت انحنای این جهان منفی است. ( این جهان شبیه سطح یک زین یا ترومپت است. اگر حشره ای بر روی این سطح زندگی می کرد، می دید که خطوط موازی نه تنها هرگز یکدیگر را قطع نمی کنند، بلکه از هم فاصله می گیرند و مجموع زوایای یک مثلث کمتر از 180 درجه است.) اگر امگا از 1 بزرگتر باشد، جهان در نهایت در تحقق یک فروپاشی بزرگ، منقبض خواهد شد.. زمان وفضا در این حالت متناهی اند. فریدمن دریافت که انحنای این جهان مثبت است(شبیه یک کره). در نهایت اگر امگا برابر با 1 باشد، آنگاه فضا تخت است وفضا و زمان هیچ کدام کرانه (مرز) ندارند. (به اصطلاح بی کران هستند.)
فریدمن نه تنها اولین تفسیر جامع از معادلات کیهان شناسی اینشتین را فراهم آورد، بلکه توانس واقع گرایانه ترین تخمین را برای روز رستاخیز ارائه کند. سرنوشت نهایی جهان این است: یا در یک انجماد بزرگ نابود شده، یا در یک فروپاشی بزرگ می سوزد یا برای همیشه نوسان می کند. پارامترهای تعیین کننده این سرنوشت، عبارتند از: چگالی جهان وانرژی خلأ .
ولی تصویر فریدمن سؤالی را در ذهن باقی می گذارد. اگر جهان در حال انبساط است، احتمالاً آغازی داشته است. نظریه اینشتین چیزی در مورد این لحظه آغاز نمی گوید. آنچه از قلم افتاده، لحظه آفرینش است؛ انفجار بزرگ. سرانجام، سه تن از دانشمندان، ناگزیرترین تصویر از انفجار بزرگ را ارائه کردند.