بررسی تاریخچه‌ی تکامل جهان به روشی جدید
مجله علمی ایلیاد - تحقیقات جدید در مرکز فیزیک نجومی اسمیتسونیان هاروارد نشان داده است که ذرات نوسان‌کننده‌ی سنگین را می‌توان ساعت‌های جهانِ اولیه در نظر گرفت و از آن‌ها برای تشخیص شرایط ابتدایی قبل از به‌وجود آمدن جهان استفاده کرد.
جهان چگونه شروع شد؟ قبل از بیگ بنگ چگونه بوده است؟ کیهان‌شناسان از زمانی که فهمیدند، جهان ما در حال بزرگتر شدن است این سوال را پرسیده‌اند. جواب این سوال ساده نیست. شروع این دنیا از دید قوی‌ترین تلسکوپ‌های دنیا نیز مخفی است. با این حال مشاهداتی که اکنون داریم، ممکن است شواهدی درباره‌ی منشأ جهان به ما دهد. تحقیقات جدید راه جدیدی برای کاوش ابتدای جهان و تشخیص درستی تئوری‌های مختلف در این زمینه را نشان داده است.
سناریوی تئوری تورم در خصوص ابتدای جهان بیشتر مورد پذیرش است که اذعان دارد، جهان در کسری از ثانیه به صورت نمایی شروع به گسترش کرده است. با این حال تئوری‌های جایگزین دیگری نیز مطرح شده است که بعضی از آن‌ها انقباضی بزرگ را قبل از انفجار بیگ بنگ پیش‌بینی کرده‌اند. معما اینجا است که معیار سنجشی پیدا شود که به کمک آن بتوان بین این سناریوها تمایز قائل شد.
یکی از منابع قابل اتکای اطلاعات درباره‌ی منشأ جهان، امواج مایکروویو پس‌زمینه‌ی کیهانی است؛ این امواج از انفجار بزرگ در سراسر فضا پخش شده است. این امواج در ابتدا همگی صاف و یکنواخت به نظر می‌رسند؛ ولی با بررسی دقیق‌تر می‌توان فهمید که دارای تفاوت‌هایی هستند. این تفاوت‌ها در اثر نوسانات کوانتومی موجود در لحظه‌ی پیدایش جهان بوده است.
روش‌های مرسوم برای تمایز قائل شدن بین سناریوهای مختلف پیدایش جهان، آثار امواج گرانشی تولید شده در لحظه‌ی پیدایش جهان در پس‌زمینه‌ی کیهانی را جستجو می‌کنند. «ژینگانگ چن»، از دانشگاه تگزاس در دالاس و مرکز فیزیک نجومی اسمیتسونیان هاروارد، به‌عنوان همکار این تحقیق می‌گوید: «ما روش جدیدی پیشنهاد داده‌ایم که می‌تواند مستقیماً تاریخچه‌ی پیدایش جهان را از سیگنال‌های فیزیک زمین تعیین کند. این تاریخچه در هیچ سناریویی تا کنون پیش‌بینی نشده بود.»
آزمایش‌ها و تئوری‌های گذشته، شواهدی درباره‌ی تغییرات فضایی در جهان اولیه بدست داده‌اند، ولی فاکتور کلیدی زمان در آن‌ها ناقص است. بدون وجود ساعتی برای اندازه‌گیری بازه‌های زمانی، نمی‌توان تاریخچه‌ی تکامل جهان ابتدایی را بدون شک و تردید تعیین کرد. چن در این‌باره می‌گوید: «فرض کنید فریم‌های یک فیلم سینمایی را بردارید و آن‌ها را به صورت اتفاقی روی یکدیگر بریزید. اگر فریم‌ها دارای برچسب زمانی نباشند، نمی‌توانید ترتیب آن‌ها را مشخص کنید. جهان اولیه انفجار داشته است یا خُرد شده است؟ اگر ندانید که فیلمِ در حال پخش، رو به جلو است یا در حال پخش برعکس است، نمی‌توانید تفاوت آن‌ها را تشخیص دهید.»
تحقیقات جدید می‌گوید که چنین ساعت‌هایی در جهان وجود دارد که می‌توان با استفاده از آن، زمان در لحظه‌ی پیدایش جهان را اندازه‌گیری کرد. اجرام سنگین را می‌توان به‌عنوان این ساعت‌ها در نظر گرفت. این اجرام محصولات قابل انتظار «تئوری همه‌چیز» هستند که در آن مکانیک کوانتوم و نسبیت عام با یکدیگر ترکیب شده‌اند.
ذرات سنگین در مقیاس اتمی مانند پاندول ساعت رفتار می‌کنند و به روشی عمومی و استاندارد به جلو و عقب نوسان می‌کنند. آن‌ها می‌توانند حتی بدون نیروی اولیه تحت مکانیک کوانتومی نوسان کنند. این نوسان‌ها یا جنبش‌های کوانتومی مانند عقربه‌ی ساعت عمل می‌کنند و می‌توانند مانند برچسب زدن فریم‌های فیلم سینمایی عمل کنند. همکار این پروژه، «ئی‌وانگ» از دانشگاه علوم و تکنولوژی هنگ کنگ می‌گوید: «ضربات عقربه‌های این ساعتِ ابتدایی، باعث ایجاد جنبش‌هایی در امواج مایکروویو پس‌زمینه‌ی کیهانی که الگوی منحصر به فردی در هر سناریو دارد، می‌شود.»
آزمایش‌هایی که هم‌اکنون در حال انجام است، بهبود زیادی در شرایط ایجاد می‌کنند. پروژه‌هایی مانند CfA’s BICEP3 و آرایه‌ی Keck و آزمایش‌های متعدد دیگر در جهان، اطلاعات دقیقی از امواج مایکروویو پس‌زمینه‌ی کیهانی جمع‌آوری می‌کنند و همزمان در جستجوی امواج گرانشی نیز خواهند بود. اگر جنبش‌های استاندارد ساعت‌های ابتدایی جهان، به اندازه‌ی کافی قوی باشند، آزمایش‌ها در دهه‌ی آینده، آثار آن‌ها را خواهد یافت. شواهد کمکی باید از طریق بررسی زمینه‌های دیگر، مانند نقشه‌ی ساختاری با مقیاس بزرگ از جهان شامل کهکشان‌ها و هیدروژن کیهانی، بدست آید.
از آنجا که ساعت‌های استاندارد اولیه، بخشی از «تئوری همه‌چیز» هستند، یافتن آن‌ها شواهدی درباره‌ی فیزیک فراتر از مدل‌های استاندارد در مقیاس انرژی و غیرقابل دسترسی، توسط برخورد دهنده‌های روی زمین، بدست می‌دهد.
نوشته: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
ترجمه: مجله علمی ایلیاد