تحقیقات ریاضی جدید نشان میدهد که شاید برای توضیح انبساط شتابدار جهان نیازی به انرژی تاریک نباشد؛ موضوعی که پایههای مدل استاندارد کیهانشناسی را به چالش میکشد. ریاضیدانان این سوال را مطرح کردهاند که آیا واقعاً انرژی تاریک عامل اصلی انبساط شتابدار جهان است یا خیر.
در مطالعه جدیدی که در نشریه Proceedings of the Royal Society A منتشر شده است، پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در دیویس (UC Davis) شواهد ریاضیاتی ارائه کردهاند که نشان میدهد ناپایداریهای درون «معادلات اینشتین-اویلر»، مدل فعلی جهانِ در حال انبساط را با تردید جدی مواجه میکند و نشان میدهد که این مدل ممکن است اساساً قابل اتکا نباشد. معادلات اینشتین-اویلر، نظریه نسبیت عام را با مکانیک سیالات ترکیب میکنند و به طور گسترده برای مدلسازی کهکشانها، سیاهچالهها و انبساط کیهان مورد استفاده قرار میگیرند.
این یافتهها به طور مستقیم مدل «ماده تاریک سرد لامبدا» (ΛCDM) را که برترین چارچوب کیهانشناسی بیگبنگ (انفجار بزرگ) به شمار میرود، به چالش میکشد.
«بلیک تمپل»، نویسنده مسئول این مطالعه و استاد ممتاز بازنشسته ریاضی در دانشگاه کالیفرنیا دیویس، مدل استاندارد کیهانشناسی را به مدادی تشبیه کرد که روی نوک خود به حالت تعادل ایستاده است.
او گفت:
وقتی یک مداد روی نوک خود ایستاده، تمام نیروها در تعادل هستند، بنابراین این وضعیت یک “پاسخ برای معادلات” محسوب میشود. اما این وضعیت ناپایدار است. با کوچکترین جریان هوا، مداد میافتد.
ناپایداری فضا-زمان فریدمن، انرژی تاریک را به چالش میکشد
به گفته تمپل، محاسبات این تیم نشان میدهد که «فضا-زمانهای فریدمن» (مدلهای ریاضی مورد استفاده برای توصیف انبساط کیهانی)، در هر دو مقیاس کوچک و بزرگ در نزدیکی بیگبنگ ناپایدار هستند. او اشاره کرد که این ویژگی، آنها را به ناپایدارترین پاسخها در میان تمام پاسخهای ممکن تبدیل میکند.
تمپل گفت:
در فیزیک و علوم، پاسخهای ناپایدار، پاسخهایی غیرفیزیکی (غیرواقعی) در نظر گرفته میشوند؛ شما هرگز آنها را در طبیعت مشاهده نخواهید کرد.
او افزود که این ناپایداری به یک توضیح سادهتر اشاره دارد که کاملاً در چارچوب نظریه اصلی گرانش اینشتین باقی میماند:
ناپایداری همه فضا-زمانهای فریدمن نسبت به انبساط شتابدار، نشاندهنده توضیحی سادهتر و طبیعیتر برای شتاب جهان است؛ توضیحی که نیازی به انرژی تاریک ندارد.
چرا ثابت کیهانی دوباره بازگشت؟
انرژی تاریک نزدیک به ۳۰ سال پیش به عنوان راهی برای توضیح این پدیده پیشنهاد شد که چرا به نظر میرسد سرعت انبساط جهان در حال افزایش است.
ریشه این مفهوم به معادلات نسبیت عام اینشتین در سال ۱۹۱۵ بازمیگردد. اینشتین برای ایجاد یک جهان ایستا (بدون تغییر)، یک مؤلفه ضدگرانش به نام «ثابت کیهانی» را به معادلات خود اضافه کرد. اما پس از آنکه ادوین هابل در سال ۱۹۲۹ کشف کرد که جهان در حال انبساط است، نقل شده که اینشتین ثابت کیهانی را «بزرگترین اشتباه بزرگ» خود نامید؛ چرا که بدون آن، معادلاتش میتوانستند انبساط جهان را پیشبینی کنند.
با این حال، در دهه ۱۹۹۰، ثابت کیهانی دوباره احیا شد و به عنوان یک توضیح احتمالی برای انبساط شتابدار، به مفهوم انرژی تاریک پیوند خورد. مدلهای کیهانشناسی مدرن بر پایه مفهوم «جهان فریدمن» بنا شدهاند؛ جهانی که در آن ماده در حال انبساط است، اما در هر لحظه از زمان، به طور یکنواخت در سراسر فضا توزیع شده باقی میماند.
در جستجوی یک توضیح جایگزین
تمپل و همکارانش معتقد بودند که این تصویر دارای مشکلات ریاضی است و همین موضوع آنها را ترغیب کرد تا دلایل احتمالی دیگر شتاب کیهانی را بررسی کنند.
تمپل گفت:
اولین ایده ما این بود که شاید جهان به این دلیل در حال انبساط است که یک موج شوک (موج ضربهای) وجود داشته و این شتاب غیرعادی، در واقع همان موجِ در حال انبساطِ پشت آن موج شوک است. سپس متوجه شدیم که دستهای از پاسخهای “خود-متشابه” در دوران تابشِ بیگبنگ وجود دارند که میتوانند آن موجِ در حال انبساط را مدلسازی کنند.
معادلات خود-متشابه (Self-similar) سیستمهایی را توصیف میکنند که الگو یا ساختار کلی خود را در مقیاسهای مختلف حفظ میکنند.
معادلات خود-متشابه ناپایداری را آشکار میکنند
پژوهشگران در این مطالعه جدید، از نسخه خود-متشابه معادلات اینشتین (که در تحقیقات قبلی توسعه داده بودند) استفاده کردند تا مدل استاندارد کیهانشناسی را به عنوان نقطه سکونِ معادلات بازنمایی کنند. این رویکرد به آنها اجازه داد تا پایداری این مدل و به طور کلیتر، پایداری تمام فضا-زمانهای فریدمن را در دوران غلبه ماده در بیگبنگ، به طور کامل تحلیل کنند.
تمپل گفت:
ما ثابت کردیم که فضا-زمانهای فریدمن نیز مانند مدل ایستای اینشتین، همگی در مقیاسهای طول بزرگ نسبت به اختلالهای شعاعی ناپایدار هستند. به نظر میرسد این موضوع، مدل ماده تاریک سرد لامبدا را به عنوان یک پاسخ پایدار و قابل اتکا برای معادلات نسبیت عام اینشتین – چه با انرژی تاریک و چه بدون آن – رد میکند.
او اضافه کرد:
این بدان معناست که بیگبنگ به طور کلی باید در نزدیکی مرکز تقارن دقیقاً شبیه به فضا-زمان فریدمن به نظر برسد، اما به طور کلی در نقاط دور از مرکز، باید شاهد شتابهایی متفاوت از مدل فریدمن باشیم.
شتاب کیهانی بدون انرژی تاریک
پژوهشگران نتیجه گرفتند که انبساط شتابدار جهان به طور طبیعی از دل همان معادلات اینشتین-اویلر بیرون میآید و نیازی به ثابت کیهانی یا انرژی تاریک ندارد.
یافتههای آنها همچنین «اصل کوپرنیکی» را به چالش میکشد؛ اصلی که میگوید زمین جایگاه ویژه و متمایزی در جهان ندارد.
تمپل در پایان گفت:
هم مدل ماده تاریک سرد لامبدا و هم یک فضا-زمان با تقارن کروی، موقعیت ویژهای را ایجاد میکنند که ما برای باورپذیر بودنِ فیزیکی مدل باید در آنجا قرار داشته باشیم. اگر این اصل (اصل کوپرنیکی) یکی از این مدلها را رد کند، باید دیگری را هم رد کند.
منبع: Scitechdaily
