در یک شکل سه بعدی اگر فضا بسته باشد {مثل یک کره } فضا روی خودش خم خواهد شد در اینصورت نوری که ما توسط یک چراغ قوه در فضا پخش میکنیم تمامی فضا رو دور زده نهایتا به پشت سر ما میرسد یعنی خواهیم توانست پشت سرخودمونم ببینیم
یا مثلا ستاره ای که در چنین نقطه ای است را مشاهده کنیم . مثل این است که جهان پر از اینه است در اینصورت اندازه گیری وزن جهان نیز مشکل خواهد بود .
یادتان باشد ماده و انرژی باعث خمیدگی فضا میشود این موضوع را همه میدانیم که انیشتین در ۱۹۱۶ مطرح کرد . همه میدونیم که ماده خاصیت جاذبه ای دارد و انرژی دافعه ای .
در این صورت ما به سه سناریو روبه رو خواهیم شد
به اشکال زیر توجه کنید :
همونطور که میبینید در جهان بسته مجموع زوایای یک مثلث بیش از ۱۸۰ درجه است و در جهان صاف یا مسطح برابر با ۱۸۰ و در جهانی باز یا زین اسبی کمتر از ۱۸۰ خواهد شد .
خب در جهانی که در حال منبسط شدن است و دیدگاه فیزیکی ما نسبت به ان این اشکال چه کمکی به ماخواهد کرد ؟
در جهان بسته انبساط تا حدی ادامه دارخواهد بود و اجبارا به جمع شدگی یا big crunch خواهد رسید {یا همان تو رفتگی خودمان } که سرانجامش یک تکینگی بسیار چگال و ریز خواهد شد
در جهانی باز این انبساط تا بینهایت ادامه دارد ولی در جهانی صاف هجوم به مرزها باعث ایجاد یک تعادل در مرزها میشه
پس با توجه به صحبتهایی که تا اینجا شد میتوانیم عاقبت کیهان را به سه دسته تقسیم کنیم :
اول : یا مجددا به جمع شدگی و تکینگی خود برمیگردد
دوم : یا گسترشش مدام ادامه دارد و دمای جهان به صفر مطلق میرسد و همه جا یخ بزند
سوم: سرعت گسترش از نور بیشتر و جدایی کامل کهکشانها را به بار خواهد اورد و نهایتا با کیهانی تاریک روبه رو خواهیم بود
خب با توجه به مطالب بالا متوجه شدیم کیهان ما یک کیهان سه بعدی تخت مسطح است . یعنی اینطور نشان میدهد البته تخت بدین معنی نیست که انحنایی ندارد و یا مانند یک کاغذ دفتره ..خیر …بلکه دارای تپه ها و حفره هایی نیز در صفحمه فضازمانش میباشد .
برای همینه که میتوان گفت مقدار ماده ای که در جهان موجود است بر مقدار ماده ای که لازم است جهان صاف را بسازد برابر ۱ میباشد . این نسبت را در کیهانشناسی با امگا نشان میدهیم که یک لغت یونانیست
اگر این مقدار کوچکتر از یک باشد یعنی جهان باز است و اگر بزرگتر از یک باشد یعنی کیهانی بسته را داریم .
اما برای چنین نتیجه گیری ظاهرا بسیار ساده انگاری کردیم . برای اینکه بیشتر به موضوع پی ببریم و مدرک بیشتری ارائه دهیم باید بیشتر پیش برویم
به سال ۱۹۶۵ برویم جایی که در ازمایشگاه بل وی متوجه برفکهای تلوزیونی شد ابتدا فکرهای زیادی به سرش زد مثلا اولش فکر میکرد شاید این برفکها پیامهایی از سوی بیگانگان باشد ولی طولی نکشید متوجه اشتباهش شد
نهایتا فهمید این برفکها کهموجهای بازمانده از بیگ بنک است {که در قسمتهای قبلی که مراحل بیگ بنگ را توضیح دادیم به این تابش ریزموج اشاراتی کردیم }
این امواج نوع بسیار ضعیف همان امواجی است که در اجاق ماکروویو غذای شمارا گرم میکند . ولی قدرن امواج کهموج مربوط به انفجار اولیه انقدر ضعیف است که تنها میتواند یک دمای صفر مطلق را به سه درجه بالاتر برساند
سوال پیش میاد این امواج به جا مانده از بیگ بنگ که ضعیف هم هستش چه کمکی میتواندد به ما بکند تا شکل و هندسه کیهان را درک بهتری داشته باشیم ؟
{لازم به ذکره که در دهه ۶۰ پنزیاس و ویلسون اتفاقی این امواج را کشف کرده و متوجه شدند در هر طرف از اسمان را نشانه بگیرند سیگنال انها یکسان است }
واضحه که امواجی که بلافاصله بعد بیگ بنگ ساطع شدند امواجی با طول موج بسیار کوتاه و دارای انرژی بالایی بودند اما کشسانی فضایی طول این امواج را دراز تر و درازتر کرد . برای درک بهتر یک مثال مکانیکی میاورم :
فرض کنید فنری را فشرده کردید و فاصله بین دورهای فنر را به ۰ رسانیدید یکباره ان را رها کنید میبینید فاصله ها بیشتر میشه ولی این افزایش سرعت چنان سریع است که ما ان را نمیبینیم و ناگهان میبینیم فنر به حالت اولیه اش بازگشت
در انفجار اولیه نیز طول موج امواج الکترومعناطیسی از ۰ شروع به افزایش گذاشت ولی مانند یک فنر مکانیکی تنها چند دهم ثانیه طول نکشید تا به بلندترین طول موج خود برسد این زمان مطابق براوردهایی که میشود برای جهان ما تقریبا ۱۵ میلیارد سال طول خواهد کشید که تا الان ۱۳٫۸۲ میلیارد سالش گذشته است و نمیدانیم بعد از ۱٫۳ میلیارد سال دیگر ایا کیهان در خود فروریزش میکند یا اینکه انقدر منبسط میشه تا از هم بپاشد !
حال بعد از ۱۳٫۸۲ میلیارد سال از ان واقعه طول موج این امواج به طول موج کهموجها رسیده است یعنی بین ۱ میلیمتر تا یک متر
ما میتوانیم با در دست داشتن و یا محاسبه امواج اولیه بلافاصله بعد از بیگ بنگ و مقایسه ان با میکروموجهای بدست امده ابعاد جهان را محاسبه کنیم
اما این محاسبات به ما میگوید: کیهان شکل کاملا کروی نداشته و انبساطش در همه نقاط یکسان نیست
تصویر زیر یک شبیه سازی از ان امواج است که جهان را در ۳۸۰ هزارسالگی مهبانگ نشان میدهد . رنگهای قرمز نشاندهنده قسمتهای گرم و رنگ ابی نشانه مناطق سرد است
تصویر نشان میدهد که جهان طول موجهایمختلفی در پس زمینه اش دارد بعضی اها زیاد و برخی جاها کمتر منبسط شدند .
با توجه به نکاتی که قبلا از هندسه کیهان گفتیم و این تصویر ریزموج کیهانی که در بالا مشاهده میکنید میتوانیم سه نتیجه گیری کنیم :
۱)اگر جهان بسته باشد تکه های داغ بزرگتر از اندازه واقعی به نظر میرسند .
۲)اگر جهان صاف باشد تکه های داغ به اندازه واقعی بنظر میرسند
۳)اگر جهان باز باشد تکه های داغ کوچکتر از اندازه واقعی هستند
پس مشخصه که جهان ما جهان باز نیست – این گیج کننده تر شد
عجله نکنید همچنان فرصت هست و هنوز خیلی چیزها است که باید بررسی بشه
در اینجا نیاز هست که به یک موضوع کیهانی اشاره کنم . چند کهکشان سنگین و گازهای میانانها تشکیل یک خوشه ای میکنند که باعث ایجاد یک میدان گرانشی قوی میشود و از طریق این میدان گرانشی که مانند یک لنز عمل میکند میتوان اجرام بسیار دوردست تر را با بزرگنمایی دید اگر انها نبودند چه بسا اجرام چند میلیارد سال نوری ان طرف تر را نمیتوانستیم ببینیم .
جالب است بدانید جرمئ گازهای میان این کهکشانهای گروهی از خود کهکشانها بیشتره و اغلب داغ هستند و دمایشان به ۱۰ تا ۱۰۰ میلیون درجه نیز میرسد . که خود منبعی از اشعه ایکس نیز هستند . مشاهده حرکت مابین این کهکشانهای خوشه ای بیانگر این است که بیشترین جرم این جمع از جرم سیاه تشکیل شده یا همان ماده تاریکی که نمیدانیم ماهیتش چیست . ولی میدانیم عمل گرانشیش باعث اثباتش شده .
مقدار ماده ای که میتواند جهانی صاف بسازد با احتساب جرم و انرژی سیاه تنها ۳۰ درصد موادی است که در جهان موجود است پس جهان نمیتواند صاف باشد ار قرار باشه جهانی مسطح داشته باشید باید ۷۰ درصد وزن کیهان متمرکز در خلا باشد یعنی خلائی با وزن ۷۰ درصد کل جهان کنونی
یعنی کیهانی داشته باشید که خلا ان بیشترین وزن ممکن را دارد و ان سی درصد باقی انچیزی شده که ما را ساخته است
شاید جهان باز است تا وجود اینهمه جرم را در ان فرض کنیم. کم کم داریم گیج میشویم و تکلیفمان را با خود و جهانمان از دست میدهیم . اما صبور باشید
ایا ما در وزن کردن گیتی مان دچار خطا شدیم؟ما انبساط جهان را در محاسبه خود نگنجاندین اصلا حسابش نکردیم .
قبل از توضیح و ادامه ماجرا با در نظر گرفتن گسترش کیهان بهتره یک فلش بک به قسمتهای قبلی بزنیم و لحظات اولیه بیگ بنگک را مجدد یاداوری بشویم چون در ادامه بهش نیازمندیم.
تا ۳۸۰ هزار سالگی بیگ بنگ دما انقدر بالا بود که همه چیز در حالت پلاسمایی خود و یونیزه بود . یعنی دمایی بالاتر از ۳۰۰۰ درجه کلوین داشت که در این دما حتی هیدروژن نیز یونیذه میشود . اما در کمتر از این دما اتمهای خنثی میتوانستند اجازه عبور به نور را بدهند . یعنی اطلاعات به خارج نشت کند…..
بعد از سیصد هزارسال این نور و اطلاعات توانست عبور کند پس ما در ذهنمان بیاییم یک نمایی کلی بسازیم . میدونیم هیچ اطلاعاتی سرعتر از سرعت نور نمیتواند منتقل گردد . پس از رهایی نور انحناهای نوری جهان را پر کرد . –سیصد هزارسال نوری را زاویه ی فضایی تقریبا یک درجه در نظر میگیرند{ربطی به بحث هندسه جهان ندارد }
حال دو ستاره منفجر شده و نوراشن از این دو نقطه به چشم ما برسد زا ویه ای برابر یک درجه باشد جهان صاف است ولی اگر بزرگتر باشد جهان بسته و کوچکتر باشد جهان باز است
تحقیقات فیزیکدانها نشان داده جهان میتواند باز بسته باشد و تا مسافت طولانی فرض کرد که جهان مسطح سه بعدی است
اینجا باید به یک تفاوت بنیادی و مهم توجه کنید: هندسه و توپولوژی، یکی نیستند! رفتار خطوط موازی، مربوط به هندسه است و توپولوژی، شیوه‌های پیچ خوردن فضا را بیان میکند. هندسه جهان، بسیار خوب اندازه گیری میشود (مسطح است)، اما در مورد توپولوژی، داستان به این سادگی‌ها نیست! ما نه تنها نمی‌توانیم توپولوژی جهان را با استناد به مشاهداتمان تعیین کنیم، بلکه هیچ قانون فیزیکی هم برای پیش بینی توپولوژی، وجود ندارد.
دوباره تکه کاغذ خود را بردارید. شما می‌توانید دو انتهای کاغذ را به روش‌های مختلفی، به یکدیگر متصل کنید. اگر لبه‌های آن را به طور معمولی روی هم بگذارید، یک استوانه به‌دست می‌آید. حالا قبل از اینکه لبه‌ها را روی هم بگذارید، یکی از لبه‌ها را بپیچانید: شما یک نوار موبیوس ساخته‌اید. این بار یک استوانه درست کنید و سپس سر و ته استوانه را به یکدیگر وصل کنید؛ این یک دونات است.
#کیهانشناسی
پس در کل شکل کیهان به چگالی‌اش بستگی دارد. اگر چگالی آن بیش از چگالی بحرانی باشد، جهان بسته است و ساختاری کروی خواهد داشت؛ و اگر کمتر باشد، خمیدگی‌اش مانند یک زین خواهد بود. ولی اگر چگالی واقعی کیهان برابر با چگالی بحرانی باشد- چیزی که دانشمندان فکر می کنند- پس گسترش این جهان تا ابد ادامه خواهد داشت، با ساختاری همچون یک برگ تخت کاغذ.
چرا با توجه امگای جهان انقدر به یک نزدیکه در حالیکه اصل کیهانشناسی نظری غیر ازین رو دارد ؟
یکی از دلایل را شاید به تورم ناگهانی و فوق سریع ارتباط داد تورم جهان چنان شدید بوده که منجر به تخت شدن آن شده است.
#کیهانشناسی لاورنس کراوس در بخشی از کتاب “جهانی از عدم” معمای تخت بودن جهان را چنین شرح می دهد:«شناخت برای شکل کیهان با آزمایش بالن تحقیقاتی بومرنگ(BOOMERanG) در قطب جنوب و در سال ۱۹۹۷ آغاز شد، بومرنگ تصویر قسمت کوچکی از تابش پس زمینه کیهانی که نقاط گرم و سرد را در الگویی از آخرین سطح پراکندگی نشان داد، سپس ماهواره تحقیقاتی دیگری به نام ماهواره تحقیقانی WMAP که بسیار حساس تر بود توسط ناسا در سال ۲۰۰۱ به فضا پرتاب شد، این ماهواره نقشه ای از کل تابش پس زمینه ی کیهانی را با دقت بی سابقه ای تهیه کرد.
دانشمندان با بررسی داده ها تخمین بسیار دقیقی از هندسه و شکل فضا زدند. نقشه WMAP که مشابه تصویری است که بومرنگ تهیه کرده بود، با دقت ۱ درصد تایید می کند که ما در یک جهان تخت زندگی می کنیم! انتظار دانشمندان درست از آب در آمد. در طی اینکه دانشمندان به خاطر این تناقض و حدس جهان تخت، بهت زده بودند، تقریبا هیچ کس آمادگی این غافلگیری را نداشت طبیعت اندوخته ای را که در درون خود بود ارائه داد و مشکل بین هندسه جهان که ناشی از محاسبه جرم و محاسبه انحنا بود را به طور مستقیم حل کرد.
منابع :
http://www.superstringtheory.com/cosmo/cosmo21.html
http://www.space.com/24309-shape-of-the-universe.html