زهرا وجدانی: آغاز جهان و آنچه پیش از بیگ بنگ رخ داده، یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌های علمی و فلسفی بشر است. قوانین شناخته‌شده فیزیک در نقطه آغازین فرو می‌ریزند و تا امروز پاسخی قطعی برای این پرسش ارائه نشده است. اما اکنون پژوهشگران با تکیه بر توان ابررایانه‌ها و استفاده از روشی موسوم به نسبیت عددی در تلاشند تا از این بن‌بست عبور کنند. این روش به دانشمندان اجازه می‌دهد معادلات پیچیده اینشتین را در شرایطی که محاسبه تحلیلی ممکن نیست به‌صورت عددی شبیه‌سازی کنند.
در این گزارش به شبیه‌سازی‌هایی که می‌تواند سرنخ‌هایی از سناریو‌های پیش از بیگ بنگ، احتمال وجود جهان‌های موازی، برخورد کیهان‌ها و حتی چرخه‌های تکراری تولد و فروپاشی کیهان در اختیار قرار دهد، می‌پردازیم.
آغاز یک پرسش قدیمی
از دیرباز یکی از اساسی‌ترین پرسش‌های بشر این بوده است: جهان از کجا آمده و آیا چیزی پیش از آن وجود داشته است؟ در قرن بیستم با شکل‌گیری نظریه بیگ‌بنگ و تأیید شواهد تجربی آن بیشتر فیزیک‌دانان بر این باور بودند که جهان کنونی حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش با انفجاری عظیم آغاز شد. با این حال خود لحظه آغاز بیگ‌بنگ همچنان در پرده‌ای از ابهام قرار دارد.
قوانین فیزیک شناخته‌شده به‌ویژه معادلات نسبیت عام اینشتین وقتی به عقب بازگردانده می‌شوند و به لحظه صفر می‌رسند، فرو می‌ریزند. در این نقطه معادلات به تکینگی می‌رسند؛ جایی که دما و چگالی بی‌نهایت می‌شود و دیگر هیچ محاسبه‌ای معنای فیزیکی ندارد. از این‌رو پرسش از آنچه پیش از بیگ‌بنگ وجود داشته برای بسیاری از دانشمندان بی‌پاسخ یا حتی بی‌معنا قلمداد می‌شد.
اما اکنون پژوهشی تازه که در نشریه معتبر Living Reviews in Relativity منتشر شده رویکردی نو را پیشنهاد می‌کند؛ رویکردی که بر پایه محاسبات عددی و شبیه‌سازی‌های پیچیده با ابررایانه‌ها بنا شده است.
پژوهشی از سه دانشگاه معتبر
این مقاله به قلم سه پژوهشگر برجسته نوشته شده است:
• یوجین لیم، کیهان‌شناس مؤسسه FQxI و استاد کالج کینگز لندن
• کیتی کلاف، اخترفیزیک‌دان دانشگاه کوئین مری لندن
• خوسه اورکوئتیا، پژوهشگر دانشگاه آکسفورد
این تیم بر این باور است که استفاده از نسبیت عددی می‌تواند پنجره‌ای تازه به روی کیهان‌شناسی بگشاید و امکان بررسی پرسش‌هایی را فراهم کند که تاکنون از دسترس خارج بودند.
وقتی معادلات اینشتین از کار می‌افتند
نسبیت عام اینشتین توصیف دقیقی از رفتار گرانش و ارتباط آن با ماده و انرژی در جهان ارائه می‌دهد. این نظریه توانسته است پدیده‌هایی، چون انحنای نور در کنار اجسام پرجرم یا امواج گرانشی حاصل از برخورد سیاه‌چاله‌ها را با دقت بالا توضیح دهد. اما درست در همان جایی که بیش از هر چیز به آن نیاز داریم، یعنی آغاز جهان این معادلات کارایی خود را از دست می‌دهند.
لیم در گفت‌وگویی توضیح می‌دهد: شما می‌توانید دورِ چراغ‌برق جست‌و‌جو کنید، اما نمی‌توانید فراتر از محدوده روشنایی بروید. فراتر از آن تاریکی است و در آنجا دیگر نمی‌توان معادلات را به شکل معمول حل کرد. نسبیت عددی این امکان را فراهم می‌کند که به سراغ همان مناطق تاریک برویم.
نسبیت عددی؛ از دهه ۶۰ تا امروز
ایده نسبیت عددی نخستین بار در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ مطرح شد. هدف اولیه حل معادلات اینشتین در شرایطی بود که دو سیاه‌چاله در حال برخورد با یکدیگر هستند. چنین شرایطی آن‌قدر پیچیده است که هیچ محاسبه دستی یا روش تحلیلی پاسخ‌گو نیست.
با گذشت زمان و به‌ویژه با طرح آزمایش لیگو (LIGO) در دهه ۱۹۸۰ توجه به این روش بیشتر شد. در نهایت در سال ۲۰۰۵ پژوهشگران موفق شدند با کمک کد‌های رایانه‌ای پیشرفته شبیه‌سازی دقیقی از برخورد سیاه‌چاله‌ها ارائه دهند. همین موفقیت باعث شد امیدواری تازه‌ای برای کاربرد نسبیت عددی در حوزه‌های دیگر از جمله کیهان‌شناسی شکل بگیرد.
تورم کیهانی؛ معمایی حل‌نشده
یکی از مهم‌ترین پرسش‌هایی که لیم و همکارانش روی آن تمرکز دارند مسئله تورم کیهانی است. تورم به دوره‌ای بسیار کوتاه در آغاز جهان اشاره دارد که طی آن کیهان با سرعتی سرسام‌آور گسترش یافت. این ایده برای توضیح یکنواختی و همگنی جهان امروز مطرح شد.
لیم می‌گوید: اگر تورم وجود نداشته باشد، بسیاری از بخش‌های نظریه کیهان‌شناسی فرو می‌ریزد. اما در عین حال هیچ‌کس نمی‌داند چرا یا چگونه جهان نوزاد ناگهان چنین جهش کوتاه و شدیدی داشته است.
مشکل اصلی اینجاست که برای محاسبه تورم با معادلات اینشتین دانشمندان باید فرض کنند که جهان از ابتدا همگن و همسانگرد بوده است؛ فرضی که خود تورم قرار است آن را توضیح دهد! در نتیجه تناقضی شکل می‌گیرد.
لیم توضیح می‌دهد: اگر جهان از حالت دیگری آغاز شده باشد، شما دیگر تقارن لازم برای نوشتن معادلات را ندارید.
اینجاست که نسبیت عددی می‌تواند راه‌حل ارائه دهد چرا که در این روش نیازی به ساده‌سازی‌های متقارن وجود ندارد و می‌توان شرایط پیچیده‌تری را نیز شبیه‌سازی کرد.
جهان‌های موازی، ریسمان‌های کیهانی و کیهان چرخه‌ای
افزون بر تورم پژوهشگران به موضوعات جذاب دیگری هم توجه دارند:
• ریسمان‌های کیهانی: اجسام فرضی و بسیار باریک در بافت فضا-زمان که به‌عنوان زخم‌های کیهانی توصیف می‌شوند. اگر این اجسام وجود داشته باشند، می‌توانند امواج گرانشی ویژه‌ای تولید کنند که در آینده قابل شناسایی خواهد بود.
• برخورد جهان‌ها: اگر کیهان‌های دیگری در کنار جهان ما وجود داشته باشند، برخورد آنها می‌تواند نشانه‌هایی مانند کبودی یا لکه‌هایی خاص در تابش پس‌زمینه کیهانی برجای بگذارد. کشف چنین نشانه‌هایی می‌تواند به یکی از بحث‌برانگیزترین نظریه‌ها یعنی چندجهانی، اعتبار ببخشد.
• چرخه‌های کیهانی: ایده‌ای که می‌گوید جهان نه‌تنها یک بار، بلکه بار‌ها و بار‌ها متولد شده و فروپاشیده است. در این مدل، بیگ‌بنگ آغاز مطلق نیست، بلکه تنها بخشی از چرخه‌های مکرر جهش یا بازگشت کیهان است.
لیم می‌گوید: جهان‌های جهشی نمونه‌ای عالی‌اند، زیرا در آنها گرانش به شدت قوی می‌شود و دیگر نمی‌توان روی تقارن‌ها تکیه کرد. اکنون چند گروه روی این موضوع کار می‌کنند، در حالی که پیش‌تر تقریباً هیچ‌کس به آن نمی‌پرداخت.
نقش ابررایانه‌ها
نسبیت عددی نیازمند محاسبات بسیار پیچیده‌ای است که تنها با کمک ابررایانه‌ها امکان‌پذیر است. این شبیه‌سازی‌ها گاهی هزاران ساعت پردازشی نیاز دارند و حجم عظیمی از داده تولید می‌کنند. با پیشرفت فناوری ابررایانه‌ها امید می‌رود که طی سال‌های آینده توانایی دانشمندان در بازسازی شرایط آغازین جهان به شکل چشمگیری افزایش یابد.
لیم می‌گوید: ما امیدواریم که بتوانیم همگرایی بیشتری میان کیهان‌شناسی و نسبیت عددی ایجاد کنیم؛ به‌گونه‌ای که پژوهشگران این دو حوزه بتوانند از روش‌ها و دستاورد‌های یکدیگر بهره ببرند.
گامی به سوی ناشناخته‌ها
این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که پرسش از پیش از بیگ‌بنگ دیگر صرفاً موضوعی فلسفی نیست بلکه با ابزار‌های محاسباتی نوین می‌تواند به مسئله‌ای علمی تبدیل شود. هرچند هنوز راه درازی تا رسیدن به پاسخ‌های قطعی باقی مانده است، اما تلاش‌های کنونی نویدبخش عصری تازه در کیهان‌شناسی است.
به گفته کارشناسان ترکیب نسبیت عددی و توان ابررایانه‌ها می‌تواند طی سال‌های آینده دیدگاه ما نسبت به کیهان را دگرگون کند؛ دیدگاهی که شاید روزی به این پرسش بنیادین پاسخ دهد: آیا بیگ‌بنگ آغاز همه‌چیز بود، یا تنها فصلی از داستانی بی‌پایان؟
انتهای پیام/