تحلیل یک‌ مقاله جدید به زبان ساده: ترسیم ریاضیاتی "قبل از تورم و بیگ بنگ" ؛ این سه ریاضیدان نشان دادند میتوان فراتر از بیگ‌بنگ‌ را دید.

حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش، کل کیهان از یک توپ کوچک، داغ و متراکم از انرژی تشکیل شده بود که ناگهان منبسط شد.

به گزارش کانال افق رویداد، بر اساس داستان علمی استاندارد بیگ بنگ، مدلی ای که برای اولین بار در دهه ۱۹۲۰ شکل گرفت، همه چیز(هایی که ما میشناسیم) اینگونه آغاز شد.

این داستان در طول دهه‌ها، به ویژه در دهه ۱۹۸۰، از زمانی که بسیاری از کیهان‌شناسان به این باور رسیدند که بیگ‌بنگ در اولین لحظات خود، یک دوره کوتاهی از انبساط فوق‌العاده سریع به نام تورم(تورم کیهانی) را پشت سر گذاشته، برجسته‌تر شده است.

تصور می شود که این دوره کوتاه به دلیل شکل عجیبی از ماده‌ی پرانرژی ایجاد شده باشد که ویژگی گرانش را معکوس کرده است و تار و پود کیهان را به طور تصاعدی به سرعت "متورم" کرده است و باعث شده تا یک میلیون میلیارد میلیارد_حجم_ در کمتر از یک میلیاردم یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه منبسط شود.

تئوری تورم توضیح می دهد که چرا وقتی اخترشناسان جهان را در مقیاس بزرگ بررسی می کنند، اینقدر صاف و همگن است.

اما اگر تورم مسئول تمام آنچه امروز دیده می‌شود بوده، این سوال ایجاد میشود که :

چه چیزی قبل از آن اتفاق افتاده است؟

هنوز هیچ آزمایشی ابداع نشده است که بتواند آنچه قبل از تورم اتفاق افتاده را مشاهده کند. با این حال، ریاضیدانان می توانند برخی از سناریوهای احتمالی را ترسیم کنند. استراتژی این است که نظریه نسبیت عام انیشتین را - نظریه‌ای که گرانش را با انحنای فضا-زمان برابر می‌داند - تا جایی که می‌توانیم به گذشته بازگردانیم، اعمال کنیم.

این امید سه محقق است: غزل گشنیزجانی(ایرانی) از موسسه Perimeter، اریک لینگ از دانشگاه کپنهاگ و جروم کوئینتین از دانشگاه واترلو.

این سه نفر اخیراً مقاله ای را در مجله فیزیک انرژی بالا منتشر کردند که در آن، لینگ گفت: "ما از نظر ریاضی نشان دادیم که ممکن است راهی برای دیدن فراتر از جهان ما وجود داشته باشد."

رابرت براندنبرگر، فیزیکدان دانشگاه مک گیل که با این مطالعه درگیر نبود، گفت که این مقاله جدید "استاندارد جدیدی از دقت را برای تجزیه و تحلیل" ریاضیاتی آغاز زمان تعیین می کند.

‌

در برخی موارد، آنچه در ابتدا یک تکینگی به نظر می رسد _ نقطه ای در فضا-زمان که در آن توصیف های ریاضی معنای خود را از دست می دهند _ ممکن است در واقع یک توهم باشد.

طبقه بندی تکینگی ها

مسئله اصلی که گشنیزجانی، لینگ و کوئینتین با آن روبرو هستند این است که آیا نقطه‌ای قبل از تورم وجود دارد که در آن قوانین گرانش به صورت تکینگی شکسته شوند؟ ساده ترین مثال یک تکینگی ریاضی این است که با نزدیک شدن x به صفر چه اتفاقی برای تابع 1/x می افتد. تابع یک عدد x را به عنوان ورودی می گیرد و عدد دیگری نتیجه میدهد. هر چه x کوچکتر و کوچکتر می شود، 1/x بزرگتر و بزرگتر می شود و به بی نهایت نزدیک می شود. اگر x صفر باشد، آنگاه تابع دیگر به خوبی تعریف نشده است: یعنی نمی توان به عنوان توصیفی از واقعیت به آن اعتماد کرد.

با این حال، گاهی اوقات، ریاضیدانان می توانند یک تکینگی را دور بزنند. به عنوان مثال، نصف النهار اول را در نظر بگیرید که از گرینویچ، انگلستان، در طول جغرافیایی صفر می گذرد. اگر تابع 1/طول جغرافیایی داشتید، در گرینویچ از کوره در می رفت(یعنی در طول صفر بی‌معنا میشد). اما در واقع هیچ چیز خاصی از لحاظ فیزیکی در مورد حومه لندن وجود ندارد: شما به راحتی می توانید طول جغرافیایی صفر را برای عبور از مکان دیگری روی زمین دوباره تعریف کنید، و سپس عملکرد شما در هنگام نزدیک شدن به رصدخانه سلطنتی در گرینویچ کاملاً عادی می‌بود.

چیزی مشابه در مرز مدل های ریاضی سیاهچاله ها اتفاق می افتد. معادلاتی که سیاهچاله‌های کروی غیرچرخان را توصیف می‌کنند، که توسط فیزیکدان کارل شوارتزشیلد در سال ۱۹۱۶ انجام شد، اصطلاحی دارند که مخرج آن در افق رویداد سیاه‌چاله به صفر می‌رسد - سطحی که یک سیاهچاله را احاطه کرده است و هیچ چیز نمی‌تواند از آن خارج شود. این باعث شد فیزیکدانان به باور برسند که افق رویداد یک تکینگی فیزیکی است. اما هشت سال بعد، ستاره شناس آرتور ادینگتون نشان داد که اگر مجموعه متفاوتی از مختصات استفاده شود، تکینگی ناپدید می شود. مانند نصف النهار اول، افق رویداد هم یک توهم است: یک مصنوع ریاضی به نام تکینگی مختصات، که تنها به دلیل انتخاب مختصات به وجود می آید. (این شد نوع اول تکینگی: تکینگی مختصات که صرفا مصنوع است و قابلیت بازتعریف دارد)

برعکس نوع بالا، در مرکز سیاهچاله، چگالی و انحنای فضازمان تا بی نهایت می رود، به گونه ای که با استفاده از یک سیستم مختصات متفاوت نمی توان آن را از بین برد. در چنین شرایطی قوانین نسبیت عام شروع به بیرون ریختن چرندیات می کنند(کار نمیکنند). به این حالت تکینگی انحنا (انحنای بینهایت بافت فضازمان) می گویند.(این شد نوع دوم تکینگی: تکینگی انحنایی، یعنی جایی که بافت فضازمان تا بینهایت خم میشود/ سد، دیوار، غیرقابل دسترس)

این نوع تکینگی نشان می دهد که چیزی در حال وقوع است که توصیف آن فراتر از توانایی تئوری های فیزیکی و ریاضی فعلی است.

گشنیزجانی، لینگ و کوئینتین مطالعه کردند که آیا شروع انفجار بزرگ بیشتر شبیه مرکز یک سیاهچاله است(تکینگی انحنایی است؟ با یک دیوار طرفیم؟) یا بیشتر شبیه یک افق رویداد است(یا یک تکینگی مختصاتی است و توهم است؟ و میتوان فراتر از آن را دید؟).

تحقیقات آنها بر اساس قضیه ای است که در سال ۲۰۰۳ توسط آرویند بورد، آلن گوث (یکی از اولین افرادی که ایده تورم را مطرح کردند) و الکساندر ویلنکین اثبات شد. این قضیه که با حروف اول نویسندگان به عنوان BGV شناخته می‌شود، می‌گوید که تورم باید آغازی داشته باشد - نمی‌توانست در گذشته بی‌وقفه ادامه داشته باشد. برای شروع کار باید یک تکینگی وجود داشته باشد. BGV وجود این تکینگی را ثابت می کند، بدون اینکه بگوید این تکینگی چیست و چه نوعی است.

همانطور که کوئینتین می گوید، او و همکارانش تلاش کرده اند بفهمند که آیا این تکینگی یک دیوار آجری است - یک تکینگی انحنایی - یا پرده ای است که می توان آن را عقب کشید - یک تکینگی مختصاتی.

اریک وولگار، ریاضیدان دانشگاه آلبرتا که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت که این موضوع تصویر ما را از تکینگی بیگ بنگ روشن می کند. آنها می توانند بگویند که آیا انحنا در تکینگی اولیه بی نهایت است یا اینکه یک تکینگی خفیف تر وجود دارد، که ممکن است به ما اجازه دهد مدل خود را از جهان به زمان های قبل از انفجار بزرگ گسترش دهیم.

برای طبقه بندی سناریوهای احتمالی پیش از تورم، این سه محقق از پارامتری به نام ضریب مقیاس استفاده کردند که چگونگی تغییر فاصله بین اجسام را در طول زمان و با انبساط جهان توصیف می کند. طبق تعریف، بیگ بنگ زمانی است که ضریب مقیاس صفر بود - همه چیز در یک نقطه بدون بعد فشرده شده بود.

در طول تورم، ضریب مقیاس با سرعت تصاعدی افزایش یافت. قبل از تورم، ضریب مقیاس می‌توانست از هر جهت متفاوت باشد. مقاله جدید یک طبقه بندی از تکینگی ها را برای سناریوهای مختلف مقیاس ارائه می دهد. لینگ گفت: ما نشان می‌دهیم که تحت شرایط خاص، ضریب مقیاس یک تکینگی انحنایی(انحنای فضازمان تا بینهایت) ایجاد می‌کند، و در شرایط دیگر چنین نیست.

محققان از قبل می دانستند که در جهانی با انرژی تاریک اما بدون ماده، شروع تورم مشخص شده در قضیه BGV یک تکینگی مختصاتی است که می تواند حذف شود. اما جهان واقعی ماده دارد.

آیا ترفندهای ریاضی نیز امکان دور زدن تکینگی آن را فراهم می کند؟ محققان نشان دادند که اگر مقدار ماده در مقایسه با مقدار انرژی تاریک ناچیز باشد، می توان تکینگی را از بین برد. کوئینتین گفت: پرتوهای نور در واقع می توانند از مرز عبور کنند(یک سوراخی در این به اصطلاح دیوار یا سد پیدا میشود) و این به این معناست که شما می توانید فراتر از مرز را ببینید و در نتیجه تاریخ جهان فراتر از انفجار بزرگ(بیگ بنگ) خواهد بود.

با این حال، کیهان شناسان فکر می کنند که جهان اولیه بیش از انرژی تاریک، ماده داشته است. در این مورد، کار جدید نشان می‌دهد که تکینگی BGV یک تکینگی انحنای فیزیکی واقعی خواهد بود، که در آن قوانین گرانش معنا پیدا نمی‌کنند و در هم‌ میشکنند.

یک تکینگی به این واقعیت اشاره دارد که نسبیت عام نمی تواند توصیف کاملی از قوانین اساسی فیزیک باشد. تلاش ها برای شکل دادن به چنین توصیفی، که مستلزم تطبیق نسبیت عام با مکانیک کوانتومی است، ادامه دارد. لینگ گفت که مقاله جدید را به عنوان پله ای برای رسیدن به چنین نظریه ای می بیند. او گفت برای درک جهان در بالاترین سطوح انرژی، "اول باید فیزیک کلاسیک را تا آنجا که می توانیم درک کنیم."

ترجمه سام‌ آریامنش

منبع: quantamagazine

مقاله اصلی:

published a paper in the Journal of High Energy Physics 

کانال تلگرامی افق رویداد