جهان نقطه تكينگي بوده يعني چگالي فضا زمان در آن بي نهايت بوده و زمان براي ماده نميگذشته درسته؟

[omarekhayam]

زمان چيست ؟ آيا همچنان که يک سرود کهن مي گويد، جويباري جاودانه غلتان است که همه رؤياهاي ما را با خود مي برد؟ يا همچون راه آهن است؟ شايد پيچها و شاخه هايي داشته باشد و از اين رو بتوان جلو رفت و در عين حال ايستگاه قبلي روي خط بازگشت.
نويسنده سده نوزدهم چارلز لمب نوشت : «هيچ چيز مانند زمان و فضا مرا شگفت زده نمي کند، و باز هيچ چيز کم دردسرتر از زمان و فضا نيست، زيرا هرگز به آنها فکر نمي کنم.» زمان و فضا هر چه باشد، بيشتر مردم نگراني چنداني درباره آن ندارند. اما همه ما گاه مي پرسيم زمان چيست، چگونه آغاز شده و ما را به کجا مي برد.
اسحاق نيوتن نخستين مدل رياضي از زمان و فضا را در کتاب اصول رياضي خود که در سال 1687 منتشر شد، به دست داد. در مدل نيوتن، زمان و فضا زمينه اي بودند که رويدادها در آن اتفاق مي افتاد، اما از رويدادها متأثر نمي شدند. زمان از فضا جدا بود و چونان تک خطي يا راه آهني پنداشته مي شد که از هر دو سو بي پايان و نامحدود بود. زمان خود پديده اي جاودانه پنداشته مي شد که بوده است و همواره خواهد بود. در مقابل بيشتر مردمان مي پنداشتند که جهان فيزيکي کم و بيش به همين حالت کنوني، تنها چند هزار سال پيش آفريده شده بود. فيلسوفاني چون، اامانوئل کانت از اين بابت نگران بودند. اگر جهان به راستي آفريده شده بود، دليل انتظار نامحدود پيش از آفرينش چه بوده است؟ از سوي ديگر اگر جهان همواره وجود داشته، چرا هر آنچه قرار بود اتفاق بيفتد، تا کنون رخ نداده، و تاريخ به پايان نرسيده است؟ به ويژه چرا جهان به تعادل و ترازمندي گرمايي دست نيافته است و هر آنچه در جهان وجود دارد داراي دماي يکساني نيست؟
کانت اين مسئله را «ناهمسازي خرد ناب» مي ناميد، زيرا به نظر يک تناقض منطقي مي رسيد و راه حلي نداشت. اما اين تناقض، تنها در متن مدل رياضي نيوتني عرض اندام مي کرد. در اين مدل، زمان خطي نامحدود و مستقل از رويدادهاي جهان پنداشته مي شد. ولي در سال 1915 مدل رياضي يکسره نويني به وسيله انيشتين مطرح گرديد : نظريه نسبيت عام. در سالهاي پس از نگارش نوشتار انيشتين، حشو و زوايدي بر آن نظريه افزوده شد اما مدل زمان و فضاي ما همچنان بر پايه همان چيزي است که انيشتين پيشنهاد کرد.
نسبيت عام بعد زمان را با سه بعد فضا در مي آميزد تا فضا زمان را شکل دهد و مي گويد توزيع ماده و انرژي در جهان، فضا زمان را دچار خميدگي و تابيدگي مي سازد و بدين سان، تأثير گرانش را جزئي از اجزاي نظريه مي کند. چيزها در اين فضا مي کوشند تا روي خط راست حرکت کنند، اما از آنجا که فضازمان خميده است سير آنها خميده به نظر مي رسد. آمام چنان حرکت مي کنند که گويا زير تأثير يک ميدان گرانشي هستند.
يک رويه يا صفحه لاستيکي، مي تواند همانندي و قياسي تقريبي به دست دهد، توپ بزرگي به نشانه خورشيد بر آ« مي نهيم. سنگيني توپ بر رويه لاستيکي فشار آورده، آن را نزديک خورشيد خميده مي سازد. اکنون اگر توپهاي کوچکي را بر رويه بغلتانيم، آنها مستقيماً به سوي ديگر نخواهند غلتيد و در عوض پيرامون توپ سنگين خواهند چرخيد، مانند سياره ها به گرد خورشيد.
اين همانندي ناقص است زيرا تنها مقطع دو بعدي از فضا (سطح يک رويه لاستکي) خميده است و زمان نيز مانند زمان نظريه نيوتني بدون تغيير مانده است. با اين همه در نظريه نسبيت که با شمار زيادي از آزمونها جور در مي آيد، زمان و فضا به گونه اي جدايي ناپذير به يکديگر گره خورده اند. نمي توان بدون درگير شدن با زمان، فضا را دچار خميدگي کرد. از اين رو زمان داراي ريخت و شکل است. نسبيت عام با خميدن فضا و زمان، آنان را از زمينه اي منفصل که در آن رويدادها رخ مي دهند، به بازيگران فعال صحنه رويدادها تبديل مي کند. در نظريه نيوتني که زمان مستقل از هر چيز ديگر وجود داشت، مي توان پرسيد : خداوند پيش از آفرينش جهان چه مي کرد؟ همچنان که آگوستين پاک گفته بود نمي توان اين پرسش را شوخي پنداشت. کسي به شوخي پاسخ داده بود : «او دوزخ را براي فضولان آماده مي کرد.»
پرسش بالا سوالي جدي است که سده ها مردمان به آن انديشيده اند. آگوستين پاک بر آن بود که خداوند پيش از آفرينش بهشت و زمين، اصلاً چيزي نيافريده بود. در واقع، اين باور به انديشه هاي مدرن امروزي بسيار نزديک است.
از سوي ديگر در نسبيت عام، زمان و مکان ناوابسته به جهان يا به يکديگر وجود ندارند. آنها با اندازه گيريهاي درون جهان مانند شمار لرزشهاي بلور کوارتز درون يک ساعت تعريف مي شوند. کاملاً قابل تصور است که زماني که بدين ترتيب درون جهان تعريف مي شود، بايد مقدار کمينه يا بيشينه و به ديگر سخن آغاز يا پاياني داشته باشد. اين پرسش که پيش از آغاز يا پس از پايان چه رخ مي دهد، معنايي ندارد زيرا اين زمانها تعريف نشده اند.
به روشني بسيار مهم بود که تصميم گرفته شود که مدل رياضي نسبيت عام آغاز يا پاياني براي جهان و خود زمان پيش بيني مي کند يا نه. پيشداوري همگاني در ميان فيزيکدانان نظري از جمله انيشتين آن بود که زمان بايد در هر دو جهت نامحدود و بيکران باشد. وگرنه ، پرسشهايي درباره آفرينش جهان مطرح مي شد که بيرون از قلمرو دانش به نظر مي رسيد. پاسخهايي براي معادلات انيشتين يافته شده بود که در آن، زمان آغاز و انجامي داشت، اما اينها همگي بسيار ويژه و همراه با مقدار زيادي تقارن بودند. پنداشته مي شد که در يک جسم واقعي که زير تأثير گرانش خود دارد فرو مي پاشد، فشار يا سرعتهاي کناري از فروريزي همه ماده در يک نقطه با چگالي بي نهايت، جلوگيري خواهند کرد. به همين سان، اگر گسترش جهان را به طور معکوس در زمان گذشته دنبال کنيم، درخواهيم يافت که ماده جهان همه از يک نقطه با چگالي بي نهايت پديدار نشده است. چنين نقطه اي با چگالي بي نهايت تکينگي نام گرفت که آغاز يا پايان زمان مي باشد.
در سال 1963، دو دانشمند روسي به نامههاي يوگني ليفشيتز و ايزاک خالاتنيکوف ادعا کردند که ثابت کرده اند آن پاسخهاي معادلات انيشتين که با تکينگي همراه هستند، همگي داري ترتيبات خاصي از ماده و سرعتها مي باشند و احتمال آنکه پاسخي که نمايانگر جهان است، اينترتيبات ويژه را داشته باشد، عملاً صفر است. کم و بيش همه پاسخهايي که مي توانست نمايانگر جهان باشد از داشتن تکينگي با چگالي بي نهايت اجتناب مي ورزيدند : پيش از دوران گسترش جهان، مي بايست دوران انقباضي وجود داشته باشد که طي آن ماده بر روي خود فرو مي پاشيد، اما برخوردي روي نداد و اجزاي ماده باز از يکديگر دور شدند و مرحله گسترش کنوني تشکيل گرديد. اگر چنين چيزي درست باشد، زمان جاودانه خواهد پاييد، از گذشته بيکران تا آينده بي پايان.
استدلال ليفشيتز و خالاتنيکوف همه را خشنود نساخت. به جاي آن، پنروز و من (استفان هاوکينگ) رويکرد ديگري را برگزيديم که نه بر مطالعه دقيق پاسخهاي معادلات، بلکه بر ساختار کلي فضازمان بنيان داشت. در نسبيت عام، نه تنها چيزهاي توده اي درون فضازمان، بلکه انرژي درون آن نيز، فضازمان را دچار خميدگي مي کند. انرژي همواره کميتي مثبت است از اين رو فضازمان را پيچ و تاب مي دهد و پرتوهاي نور را به سوي يکديگر خم مي کند.
اينک مخروط نوري گذشته مان را در نظر بگيريد. يعني مسيرهاي پرتوهاي نور کهکشانهاي دور دست که از دل فضازمان گذشته و در زمان حال به ما مي رسند. در نموداري که زمان بر محور عمودي و فضا بر محورهاي کناري رسم شده اند. اين مخروطي است که در رأس آن، قرار گرفته ايم. همچنان که از رأس به پايين مي رويم، و به گذشته بر مي گرديم کهکشانها را در زمانهاي دورتر و دورتر مي بينيم. هر چه به گذشته هاي دورتر بنگريم، مناطقي با ماده چگالتر مي بينيم، چرا که در جهان در حال گسترش، همه چيز قبلاً به همديگر نزديکتر بوده است. ما زمينه اي ضعيف و کمسو از تابش ريزموج را مشاهده مي کنيم که از زمانهاي بسيار دور، هنگامي که جهان بس چگالتر و داغتر از اکنون بود، در راستاي مخروط نوري گذشته مان به سوي ما منتشر مي گردد. با تنظيم گيرنده ها روي فرکانسهاي مختلف ريزموج، مي توان طيف اين تابش را به دست آورد. طيف به دست آمده همسان با طيف نمودگر تابشتابش جسمي در دماي 2/7 درجه بالاتر از صفر مطلق است. اين تابش ريزموج به درد گرم کردن پيتزاي يخ بسته نمي خورد، اما همخواني و تطابق دقيق طيف آن با طيف تابش جسمي 2/7 درجه بالاتر از صفر مطلق، به ما مي گويد که اين تابش بايد از مناطقي آمده باشد که براي ريزموجها کدر و تيره اند.
پس با پيگيري گذشته ها مي توان نتيجه گرفت که مخروط نوري گذشته ما بايد از ميان مقدار معيني ماده گذر کرده باشد. اين مقدار ماده براي خميدن فضازمان بسنده است، از اين رو پرتوهاي نوري در مخروط نوري گذشته ما، به سوي يکديگر خم مي گردند.
همچنان که به گذشته باز مي گرديم، مقطع مخروط نوري گذشته ما به اندازه بيشينه اي مي رسد سپس دوباره کوچکتر مي گردد. گذشته ما به شکل گلابي است.
اگر باز هم سفر به گذشته را در مخروط نوري گذشته مان ادامه دهيم، چگالي انرژي مثبت ماده موجب مي شود پرتوهاي نور با شدت بيشتري به سوي هم خم شوند. مقطع مخروط نوري در زماني محدود به صفر مي رسد. اين به معناي آن است که همه ماده درون مخروط نوري گذشته ما در ناحيه اي که مرزش به صفر کاهش مي يابد، به دام مي افتد. در اين صورت چندان شگفت انگيز نبود که پنروز و من (استفان هاوکينگ) توانستيم ثابت کنيم که در مدل رياضي نسبيت عام، زمان بايد در آنچه انفجار بزرگ ناميده مي شود، آغازي داشته باشد. به همين سان مي توان برهان آورد که زمان، هنگامي که ستارگان و کهکشانها زير گرانش خودشان فرو مي پاشند و سياهچاله ها را مي سازند، پاياني خواهد داشت. ما با رها کردن فرض ضمني کانت مبني بر اينکه زمان مستقل از جهان معنايي دارد، از ناهمسازي خرد ناب وي پرهيز نمديم. در سال 1968 نوشتار ما که ثابت مي کرد زمان داراي آغازي است، جايزه دوم مسابقه اي را ربود که زير نظر بنياد پژوهش گرانش برگزار مي شد، و راجر و من (استفان هاوکينگ) مبلغ شاهانه 300 دلار را نصف کرديم!
واکنشهاي مختلفي نسبت به کار ما ابراز شد. بسياري از فيزيکدانان برآشفتند، اما آن رهبران مذهبي که به فرمان آفرينش باور داشتند، خرسند شدند زيرا اکنون دلايل علمي براي باور خود يافته بودند. در اين ميان، ليفشيتز و خالاتنيکوف در وضعيت دشواري قرار گرفتند. آنها نمي توانستند با قضيه هاي رياضي که ما ثابت کرده بوديم به جدال برخيزند، اما در نظام شوروي ياراي تصديق خطاي خود و درستي دانش غرب را نداشتند. با اين همه آنان موفق شدند خانواده عامتري از پاسخهاي داراي تکينگي را بيابند که مانند پاسخهاي قبليشان، ويژه نبودند. بدين سان خود را از آن وضعيت دشوار بيرون کشيدند و توانستند تکينگي و آغاز يا پايان زمان را، چونان دستاورد نظام شوروي اعلام نمايند.
بيشتر فيزيکدانان هنوز به طور غريزي از انديشه آغاز و پايان جهان خوششان نمي آمد. بنابر اين خاطر نشان ساختند که نمي توان چشم داشت که مدل رياضي، توصيف خوبي از فضازمان در نزديکي يک تکينگي باشد زيرا نسبيت عام که نيروي گرانشي را توصيف مي کند، نظريه اي کلاسيک است و عدم قطعيت نظريه کوانتومي را که بر همه نيروهاي ديگري که مي شناسيم فرمان مي راند، با خود نياميخته است. اين ناهمسازي و تناقض در بيشتر جاهاي جهان و بيشتر زمان، اهميت ندارد، زيرا مقياس خميدگي فضازمان بسيار بزرگ و مقياسي که تأثيرات کوانتومي اهميت دارند، بسيار کوچک است. اما در نزديکي يک تکينگي، هر دو مقياس، مشابه هستند و تأثيرات گرانشي کوانتومي اهميت مي يابند. از اين رو آنچه قضيه هاي تکينگي پنروز و من (استفان هاوکينگ) به راستي بنياد گذاشت آن است که ناحيه کلاسيک فضازمان ما، توسط ناحيه هاي گذشته و احتمالاً آينده محدود مي شود که گرانش کوانتومي در آنها اهميت دارد.
براي درک سرچشمه و سرنوشت جهان به يک نظريه کوانتومي گرانش نياز داريم. نظريه هاي کوانتومي سيستمهايي چون اتمهايي که شمار محدودي از ذرات را دارند، در سالهاي 1920 به وسيله هايزنبرگ، شرودينگر و ديراک فرمول بندي شد. با اين همه در تلاش براي گسترش انديشه هاي کوانتومي به ميدان ماکسول، که الکتريسته، مغناطيس و نور را توصيف مي کند، دشواريهايي پديدار مي شد.
منبع : کتاب جهان در پوست گردو ـ نوشته استفان هاوکينگ
در ادامه پاسخ شما بايد بگويم که در اين زمينه بايد چند نکته ديگر را نيز مد نظر داشت :
1ـ بايد در اين قضيه به زمان موهومي هم بيانديشيد. زمان موهومي نسبت به زمان حقيقي معمولي که حس مي کنيم در راستاي آن جلو مي رويم داراي زاويه قائمه است. با مد نظر داشتن زمان موهومي مي توانيد بگيوم که شايد جهان مرزي در فضا و زمان ندارد.
تاريخ جهان در زمان حقيقي، تاريخ آن را در زمان موهومي تعيين مي کند و بر عکس، اما اين دو گونه تاريخ مي توانند بسيار متفاوت باشند. در زمان موهومي، جهان نيازي به آغاز و پايان ندارد.
2ـ حالتهاي ممکن براي جهان، بسيار فراوان است. جهان داراي تاريخي يگانه نخواهد شد. سوالي که در اين جا پيش مي آيد اين است که آنچه جهان ويژه اي را که در آن زندگي مي کنيم از مجموعه همه جهانهاي ممکن جدا و برجسته مي ساز چيست؟ که پاسخ به اين سوال خود فرصت ديگري براي بحث بر روي اين موضوع مي خواهد.
3ـ تمام صحبتها و مقالاتي که در مورد ابتدا و آغاز جهان و سرنوشت عالم مي شود تنها در حد نظريه اند. و هنوز به اثبات نرسيده اند. هر چند که اين نظريات با مشاهدات ما از عالم هماهنگي دارند و در صورت بروز تناقض بين اين نظريات و عالم واقع نظريه جديد ارائه ميشود، ولي همان طور که گفتم هوز نظريه هستند.
4ـ اميدوارم که با پيشرفت سريع علم و دانش بشري بتوانيم بهتر و با اطمينان بيشتر به اينگونه پرسشها در مورد تاريخ عالم جواب دهيم.زهرايي

[امیرپویان]

نقطه ی تکینگی یعنی جایی که فضا زمان در ان اغاز شده است.
چگالی ماده در ان بی نهایت بوده است.البته پیش بینی نقطه ی تکینگی برای جهان طبق نسبیت عام و توسط استیفن هاوکینگ و پنروز انجام شده است.اما من شخصاً به این مدل اعتقاد دارم.
در ضمن فضا زمان که چگالی ندارد!!!
فضا زمان چیزی نیست که بتوانیم ان را ببینیم یا اندازه گیری کنیم.در تکینگی چگالی ماده بی نهایت بوده.
و اینکه بگوییم جهان تکینگی بوده بی معنی است.بهتر است بگوییم فضازمان در تکینگی اغاز شده و در تکینگی به پایان می رسد(تکینگی که فضا زمان در ان پایان می پذیرد همان سیاه چاله است).