نگاهی بر اولین لحظات جهان

مدل جدید کیهانشناسی، توصیف اولین دوره زمانی جهان را به چالش کشیده است؛ دوره ای که با مدل های جاری قابل دسترسی نیست.

تورم کیهانی(Cosmological Inflation)، فرضیه ای که بنابر آن، جهان اولیه یک انبساط بی نهایت سریع را تجربه می کند، یک الگوی مورد پسند در کیهانشناسی مدرن است. این نظریه به شکل موفقیت آمیزی توضیح می دهد که چگونه افت و خیزهای کوانتومی خلاء، که در حدود 36-10 ثانیه پس از Big bang بیگ بنگ شروع می شود، می تواند به ساختار بزرگ-مقیاس جهان ما بیانجامد و منجر به پیش گویی هایی شود که با گستره وسیعی از مشاهدات کیهانشناسی تایید شده است. با این وجود کیهانشناسی تورمی نمی تواند نظریه ای نهایی برای جهان باشد. بر طبق این نظریه اگر جهان را در زمان به عقب برگردانیم، بسیار داغ و پر چگال می شود و در نتیجه قوانین فیزیک، که تورم بر پایه آن بنا شده است (نسبیت عام کلاسیکی)، شکست می خورد. در دوره زمانی مشهور به پلانک – که به یک ثانیه پلانک یعنی 43-10 ثانیه، بعد از Big bang بیگ بنگ می رسد، نیروی گرانشی به مقادیر قابل مقایسه با نیروهای اساسی دیگر رسیده و در این رژیم اثرات گرانش کوانتومی اهمیت می یابند و سبب ایجاد شرایطی می شود که فراتر از فهم و درک سنتی از فضا و زمان است.

چه شرایطی مقدم بر تورم وجود داشته و تا چه حدی این شرایط پیش گویی های مدل تورمی را تحت تاثیر قرار می دهد؟ چنین سوالات اساسی کیهانشناسی بی پاسخ مانده اند، چون ما هنوز نظریه ای را سراغ نداریم که با فیزیکِ پیش از نظریه تورم درگیر باشد و بتواند با ملایمت آن را به دوره تورمی متصل کند. در مجله فیزیکال ریویو لترز (PRL)، اگالوو و همکارانش در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در پارک دانشگاهی، گرانش کوانتومی حلقوی (LQG) - نظریه ای که نامزدی برای گرانش کوانتومی محسوب می شود– را اتخاذ کرده و از آن برای بسط سناریوی تورمی تا دوره پلانک مورد استفاده قرار داده اند. نویسندگان این مقاله همچنین دریافتند که ویژگی های فاز پیش تورمیِ در نظر گرفته شده، می تواند از یافته های کیهانشناختی قابل مشاهده نیز نتیجه گردد. بنابراین از این طریق فرصتی برای آزمودن گرانش کوانتومی و سنجش پیش تورمی در مشاهدات نجومی آینده فراهم می آید.
در دهه 1980 گاث، لینده،آلبرشت، و اشتاینهارت نظریه تورم کیهانشناختی را برای توضیح دو معما در مدل Big bang بیگ بنگ کیهانشناسی پیشنهاد دادند: چرا جهان ما تقریباً تخت است (یعنی می تواند بعنوان یک فضای اقلیدسی با انحنای بسیار بسیار کوچک توصیف گردد) و چرا اینگونه به نظر می رسد که نواحی بسیار دور در جهان یک همبستگی غیرتصادفی در دماهایشان دارند. مدل تورمی پاسخ هایی را برای این سوالات فراهم می کند، با اصل قرار دادن اینکه جهان به سرعت با فاکتور حداقل 1078،در دوره زمانی اولیه تحول کیهانی، بسط یافته است. مدلهای بسیاری از تورم وجود دارد، اما به شکل کیفی همه آنها به فیزیک مشابهی منجر می گردد: در طی تورم، افت و خیزهای کوانتومی خلاء به افت و خیزهای چگالی منجر می شود که بعنوان بذرهای اولیه ساختار بزرگ مقیاس جهان کنونی عمل کرده اند. چون این افت و خیزهای چگالی همراه با افت و خیزهای دمایی هستند، نقش قابل مشاهده ای را روی تابش زمینه ریز-موج کیهانی (CMB) می گذارند- به محض اینکه انبساط جهان به فوتونها این امکان را بدهد که آزادانه در فضا حرکت کنند، تابش حرارتی آزاد می شود. پیش گویی های بعمل آمده توسط نظریه تورمی کاملاً با اندازه گیری های مدرن CMB تایید شده است.

برخلاف موفقیت های قابل ملاحظه ی نظریه تورمی، این نظریه مشکلات مختلفی نیز دارد. اولین آنها "مسئله تکینگی" است. در سال 2003 بورده و همکارانش نشان دادند که مدل تورمی پیش بینی می کند که جهان، در صورتی که از لحاظ زمانی به عقب باز گردد به یک نقطه چروکیده میشود- تکینگی Big bang بیگ بنگ- که در آن چگالی انرژی، انحنای فضا-زمان و دما بینهایت هستند. چون نسبیت عام تحت این شرایط فرو می ریزد نظریه تورمی با نزدیک شدن به نقطه تکینگی، نمی تواند معتبر باقی بماند. مشکل دیگرِ مدل تورمی مسئله ی "ترانس-پلانکیان" است: بر اساس این مدل مقیاس های کیهانشناختی جاری از ویژگی هایی نشأت می گیرند که کوچکتر از طول پلانک در آغاز تورم است. طول پلانک ( فاصله طی شده توسط نور در یک ثانیه پلانک) مقیاس طول طبیعی در دوره ی پلانک است. اما در چنان مقیاس کوچکی، توصیف کلاسیکی فضا-زمان و گرانش نامعتبر است.
در چگالی و انرژی های بالای رژیم پیش تورمی، انتظار می رود اثرات نیروی گرانشی نیز نقش بازی کنند، تحت چنان شرایطی یک نظریه کوانتومی جدید، برای توصیف ریز-ساختار فضا-زمان نیاز است؛ درست شبیه راهی که مکانیک کوانتومی ریز-ساختار ماده را توصیف می کند. گرانش کوانتومی حلقوی تلاشی است برای ترکیب مکانیک کوانتومی و نسبیت عام. در این نظریه هندسه ی پیوسته کلاسیکی فضا-زمانی با هندسه گسسته کوانتومی جایگزین می شود: می توان فضا را متشکل از "حلقه" های محدود ریز در نظر گرفت.
در طول دهه گذشته، به امید درک فیزیک دوره پلانک و حل مشکلات تکینگی مدلهای مختلفِ کیهانشناختی که شامل تورم می شوند، مدل LQG بکار گرفته شده است (نظریه ای که بعنوان کیهانشناسی کوانتومی حلقوی شناخته شده). اگرگسستگی فضا از چنان اهمیتی برخوردار نباشد، معادلات LQG، مدلهای کلاسیکی کیهانشناسی را بی نهایت خوب تخمین می زنند (شبیه پدیدار شدن مکانیک کلاسیک از مکانیک کوانتومی وقتی اثرات کوانتومی قابل چشم پوشی باشند). با این وجود تفاوت ها زمانی بارز می شوند که انحنای فضازمانی اهمیت یابد. درمدل LQG ، جهان از تکینگی پدیدار نمی شود بلکه به جای "Big bang بیگ بنگ" ، "جهش بزرگ" جایگزین می گردد یعنی: شروع دوره انبساط به دنبال دوره ی انقباض فاز اولیه جهان.
در کاری که اگالوو و همکارانش انجام داده اند الگوی جهش LQG را پذیرفته شده و مشکل تکینگی مرتفع می گردد. ایده اصلی این گروه تحقیقاتی این است که در فاز نزدیک به جهش، افت و خیزهای خلاء در طول یک هندسه فضا- زمانی غیر کلاسیکی و کوانتیده و در حجم کوچک تقریباَ 103 مکعب طول پلانک رخ می دهد. این افت و خیزها به عنوان بذرهای اولیه ساختار بزرگ-مقیاس جهان ما عمل می کنند. چون یک نظریه کامل گرانش کوانتومی هنوز قابل دسترسی نیست این محققان بایستی خودشان را به یک تقریب محدود می کردند: آنها افت و خیزها را با استفاده از نظریه میدان کوانتومی استاندارد برطرف می کنند ( همانند کیهانشناسی تورمی). آنان، مزیت نتایج اخیر را اخذ کرده و چگونگی نمو و رشد این افت و خیزها در فضا زمانی که با تکینگی LQG کوانتیده شده را مطالعه می کنند. چون الگوی تورمی از طریق LQG به دوره پلانک توسعه می یابد، ناسازگاری ترانس-پلانکیان نیز حل می شود، چنانچه LQG طولهای زیر-پلانک را به سختی مورد عمل قرار می دهد. بایستی توجه کرد که سازگاری تحلیل آنها به یک فرض مهم متکی است: افت و خیزهای خلاء کوانتومی، هندسه کوانتومی مورد نظر را تحت تاثیر قرار نمی دهد. نویسندگان این مقاله نتیجه می گیرند که برای کلاس بزرگی از شرایط اولیه ممکن، افت و خیزهای خلاء در آغاز تورم، شبیه آنچه در تورم استاندارد مورد بررسی قرار گرفته است، یک مسئله اساسی بشمار می رود. مدلِ بر پایه LQG ی آنها که به شکل شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است، سازگار با پیشگویی های نظری تورمی است و آن را به شکل پیوسته ای به دوره پلانک تعمیم می دهد.

با این وجود برای زیرمجموعه ای از چنان شرایط اولیه ای، حالت خلاء ای که LQG پیش بینی کرده به شکل ماهرانه ای متفاوت از آن چیزی است که در تورم فرض شده است. این موضوع به اثر قابل مشاهده بالقوه گرانش کوانتومی می انجامد که می تواند در آزمایشات دقیق CMB ظاهر شود؛ شبیه خواص آماری غیرگاوسی توزیع دمایی ( که اننظار می رود مجزای از پیش گویی های مدل های تورمی استاندارد باشد). چنانچه مشاهدات آینده پیش بینی های LQG را تایید کند دوره دور از دسترس جهان اولیه برای کیهانشناسی، قابل دسترس خواهد بود.
با نگاه به جهان بسیار اولیه، زمانی که گرانش با دیگر نیروها هم تراز بوده، می توان کلیدی را برای یک نظریه کاملاً سازگار بدست آورد که نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را متحد کند.

توضیح شکل طرح شماتیک تحول جهان بر اساس مدل اگالوو و همکارانش بر پایه یک گرانش کوانتومی حلقوی LQG که بسط الگوی تورمی است. LQG برای توصیف جهان اولیه دوره پلانک استفاده می شود. نویسندگان این مقاله نشان می دهند که نظریه ی آنها با کیهانشناسی تورمی سنتی ارتباط برقرار کرده و پیش گویی های مشابهی با ملاحظه زمینه میکرو ویو کیهانی دارد. این مدل به جای "Big bang بیگ بنگ" بر اساس "جهش بزرگ" بنا شده است: گزاری از یک فاز انقباضی به یک فاز انبساطی جهان.

مراجع:

I. Agullo, A. Ashtekar, and W. Nelson, “Quantum Gravity Extension of the Inflationary Scenario,” Phys. Rev. Lett. 109, 251301 (2012).
A. Guth, “Inflationary Universe: A Possible Solution to the Horizon and Flatness Problems,” Phys. Rev. D 23, 347 (1981); A. Linde, “A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution of the Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy, and Primordial Monopole Problems,” Phys. Lett. B 108, 389 (1982); A. Albrecht and P. J. Steinhardt, “Cosmology for Grand Unified Theories with Radiatively Induced 4 Symmetry Breaking,” Phys. Rev. Lett. 48, 1220 (1982).
E. Komatsu et al. (WMAP Collaboration), “Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Interpretation,” Astrophys. J. Suppl. 192, 18 (2011).
A. Borde, A. H. Guth, and A. Vilenkin, “Inflationary Space-Times Are Incomplete in Past Directions,” Phys. Rev. Lett. 90, 151301 (2003).
J. Martin and R. Brandenberger, “The Trans-Planckian Problem of Inflationary Cosmology,” Phys. Rev. D 63, 123501 (2001).
A. Ashtekar and P. Singh, “Loop Quantum Cosmology: A Status Report,” Class. Quant. Grav. 28, 213001 (2011).
M. Bojowald, “Loop Quantum Cosmology,” Living Rev. Relativity 11, 4 (2008).
A. Ashtekar, W. Kaminski, and J. Lewandowski, “Quantum Field Theory on a Cosmological, Quantum Spacetime,” Phys. Rev. D 79, 064030 (2009).
I. Agullo and L. Parker, “Non-Gaussianities and the Stimulated Creation of Quanta in the Inflationary Universe,” Phys. Rev. D 83, 063526 (2011); I. Agullo and S. Shandera, “Large Non-Gaussian Halo Bias from Single Field Inflation,” J. Cosmol. Astropart. Phys. 1209, 007 (2012); J. Ganc and E. Komatsu, “Scale-Dependent Bias of Galaxies and Mu-type Distortion of the Cosmic Microwave Background Spectrum from Single-Field Inflation with a Modified Initial State,” Phys. Rev. D 86, 023518 (2012).

منبع: http://physics.aps.org/articles/v5/142