آیا گذر زمان در جهان کروی با گذر زمان در جهان زین اسبی و تخت متفاوت است اگر پاسخ مثبت است چرا؟

پاسخ اختصاصی به کانوت:

دانشجوی دکتری در موسسه نجوم دانشگاه توهوکو. شهر سندای. ژاپن - پژوهش‌گر در زمینه‌ی تشکیل و تکامل کهکشان‌ها و روش پردازش داده‌ها

End_of_universe

یک جواب سریع و ساده به این سوال این هست که بله به طور کلی در هر مدل «گذر زمان» متفاوت هست. اما خب. مسلماً شما یک جواب ساده و سریع نمی‌خواستید. پس اجازه بدهید مفصل و با مقدمه بیان کنم. مدل‌های کیهان‌شناسی امروزی ما که بیشترین موفقیت را داشته‌اند روی دو اصل خیلی مهم بنیان شده‌اند:‌ اینکه باید گیتی همگن و همسانگرد باشد. اما اگه گیتی واقعاً همگن و همسانگرد بود (در حد کوچک‌ترین ساختارهایی که می‌شناسیم: مثلا ساختار زیراتمی)‌ هیچ ساختاری (از جمله شما و من)‌ در گیتی وجود نداشت. چون همین‌که بدن شما وجود دارد نشان می‌دهد اتم‌هایی که بدن شما را ساخته‌اند آزاد نیستند و محدود به بدن شما هستند. پس وجود ساختار در گیتی نشان می‌دهد که این اصل حداقل در مقیاس‌های کوچک جواب نمی‌دهد. حالا این پیش پیش می‌آید که چه اندازه‌ای را می‌توان به عنوان مقیاس «کوچک» در نظر گرفت؟ یا به زبان دیگر: «کوچک» یعنی چی؟

مسلماً تعریف «کوچک» در این بحت از اندازه‌ی کهکشان‌ها بزرگ‌تر هست چون شما در همه جای آسمان چیزی مثل کهکشان آندرومدا را ندارید که بشود با چشم غیرمسلح در شبی تاریک دیدش! از آن طرف میدان دید تلسکوپ‌های بزرگ امروزی عموماً خیلی کوچک هست. به عنوان مثال الان دوربین هاپر-سوپرایم روی تلسکوپ سوباروی ژاپن بیشترین میدان دید رو برای یک تلسکوپ مقیاس هشت متری دارد اما این میدان دید فقط سطح ماه رو می تواند بپوشاند! متاسفانه تلسکوپ‌های کوچک‌تر توانایی دیدن نور بسیار ضعیف کهکشان‌هایی که خیلی دور هستند را ندارند  تا ساختارهایی که کهکشان‌ها می‌سازند را دقیقاً نقشه‌برداری کنند. به عنوان مثال نقشه‌ی کهکشان‌های اطراف ما تا فاصله پانصد میلیون سال نوری را  ببینید:

Nearsc

می‌بینید چطور بعضی کهکشان‌ها کنار هم جمع شده‌اند؟‌ همانطوری که می‌بینید حتی در این مقیاس هیچ همگنی و همسانگردی وجود نداره. بیایید به مقیاس حدود بیست برابر بزرگتر نگاه کنیم:

 sloanbutterfly

همانطوری که می‌بینید این خوشه‌ها و ابرخوشه‌های کهکشانی باعث می‌شوند گیتی اونجوری که مدل‌های ما دوست دارند همگن و همسانگرد نباشه. اما خب. تا جایی که تا حالا دیدیدم. به نظر می‌آید که از همین حدود به بعد (بیشتر از چند میلیارد سال نوری)‌ دیگه گیتی همگن باشه. پس در ادامه من فقط از مقیاس‌هایی که از چند میلیاد سال نوری بزرگتر هستند دارم صحبت می‌کنم. هیچ کدام از مدل‌های کیهان‌شناسی برای مقیاس‌های کوچک‌تر از این نیستند. پس اگر منظور شما از تفاوت بین «گذر زمان» در مقیاس‌های کوچک‌تر از چند میلیارد سال نوری باشد در مقیاس محلی (کوچک) فرق محسوسی بین این مدل‌ها وجود ندارد.

اما اگر به مقیاس‌های خیلی بزرگتر از این نگاه کنیم بین این سه مدل «گذر زمان» متفاوت خواهد بود. اما متاسفانه حتی وقتی که با تابش زمینه‌ی کیهانی نگاه می‌کنیم (حدود چهل و شش میلیارد سال نوری با همان تعریف از فاصله. زمانی که گیتی چند صد هزار سال عمر داشت) فقط می‌توانیم با دقت حدود ۹۹/۶ درصد بگوییم که دنیا تخت هست. یعنی تفاوت مدل‌ها را فقط تا این حد می‌شود با ابزارهای امروز اندازه‌گیری کرد.

امیدوارم با توضیحات بالا توانسته باشم نشان بدهم که چه قدر مدل‌ها برای پاسخ این پرسش در عمل مشکل دارند. اما بگذارید از مقایسه با مشاهدات خارج بشویم و مثل یک ریاضی‌دان (که فارغ از «واقعیت» و آزادانه هر نوع دنیایی را می‌توانند برای خودشان متصور بشن) به موضوع نگاه کنیم. البته ما به عنوان منجم این آزادی را نداریم و به داده‌ها زنجیر شده‌ایم! خیلی ریاضی‌دانان خوشبخت هستند. نه؟

خب برگردیم به اصل مطلب! شما می‌خواستید بدانید که «چرا» بین گذر زمان در این سه مدل تفاوت وجود دارد. تجسمش در چهار بعد غیرممکن هست. پس بیایید فرض کنید که ما یک موجودات دو بعدی هستیم که در یک گیتی دو بعدی زندگی می‌کنیم (ریاضی‌دانان اینقدر فارغ از «واقعیت» به کارشون می‌پردازند! بعضی وقت‌ها بهشان حسادت می‌کنم!). برای درک بهتر یک موجود فرضی دو بعدی بذارید یک مثال بزنم: در گیتی دو بعدی ما (به عنوان موجودات دو بعدی)‌ پشت یک خط را نمی‌توانیم ببینیم. یک خط حکم یک دیوار را برای یک موجود سه بعدی خواهد داشت. حالا پرسش ما (به عنوان یک موجود دو بعدی)‌ این هست که این صفحه‌ی دو بعدی که ما در آن زندگی می‌کنیم در یک دنیای سه بعدی چه وضعیتی دارد؟ یک صفحه دو بعدی می‌تواند در یک دنیای سه بعدی مثل یک ورق کاغذ باشد (تخت باشد) یا اینکه هذلولی باشد (همان زین اسبی) یا اینکه کروی باشد. دقت کنید که یک ورق کاغذ خمیده از این جهت با یک ورق کاغذ صاف روی سطح میز هیچ فرقی نمی‌کند. شما با هیچ نوع خمی نمی‌توانید سطح یک کره را با یک ورق کاغذ بپوشانید مگر آنکه کاغذ رو پاره کنید.

پس جواب «چرا» در پرسش شما به تفاوت هندسی موجود بین این سه نوع سطح برمی گردد: به این دلیل که سطح کروی با سطح هذلولی با سطح تخت از لحاظ هندسی با هم فرق می‌کنند پس گذر زمان هم در دنیاهایی که بر مبنای هر کدام از این‌ها تعریف شده باشد فرق خواهد کرد. البته فراموش نکنید که داریم از مقیاس‌هایی صحبت می‌کنیم که از هر ساختاری که ما در نجوم می‌شناسیم بزرگ‌تر هستند!  اگر علاقه‌مند هستید در بخش یک و دو در این یادداشت  معادلات ریاضی و توضیحات مفصل این موضوع را توضیح دادم.

در نهایت فراموش نکنید که این‌ها همه نتیجه‌ی دانش ما تا به امروز هست. نوادگان ما (مثلاً در هزار سال آینده) این مدل‌ها را بسیار ساده‌انگارانه و غیرواقعی خواهند دید (همانطور که مثلاً ما مدل زمین مرکزی برای جهان را ساده انگارانه فرض می‌کنیم!). همه هیجان علم به همین هست.

 

  • مهدي

    داده هایی که با اونها تصاویر بالا شبیه سازی شده  در واقع روی مخروط نوری ما قرار داره  و دلیل نداره که در این زمان واحد همچین شکلی از عالم داشته باشیم.مگر اینگه با توجه به بر هم کنش های ماده ،ماده تاریک و انرژی تاریک اصلاح شده باشه لطفا راجع به تصاویر بیشتر توضیح بدید
    ممنون.

    • کاملا درست می فرمایید. ممنون که دست روی این موضوع مهم گذاشتید. اگر می شد که یک توضیح خیلی مفصل تری در مورد این عکس ها می دادم خیلی خوب و آموزنده بود. اما متاسفانه طول جواب خیلی بیشتر از این می شد و در نتیجه ای که می خواستم بگیرم (همگن و همسانگرد نبودن گیتی محلی) فرقی ایجاد نمی کرد. به خاطر همین تصمیم گرفتم وارد این جزییات نشوم تا سوال کننده را زیاد از موضوع سوالش دور نکم. باید بگم که دقیقا به همین دلیل مجبور شدم از توضیح بیشتر خیلی نکات دیگری هم صرف نظر کنم. همه اینها می تونه موضوع سوالات دیگری باشه تا بحث های جالبی پیش بیات.

      از آنجایی که شما این موضوع را مطرح کردید اجازه بدهید به زبان ساده یک توضیح مختصری اینجا بدم:

      به دلیل محدود و ثابت بدون سرعت نور هر چه موضوع ما دورتر باشد ما داریم به گذشته دورتر آن نگاه می کنیم. به عنوان مثال ما الان داریم کهکشان آندرومدا رو در وضعیتی می بینیم که حدود دو میلیون سال پیش داشته است. به همین ترتیب هر چه به کهکشان های دورتر نگاه می کنیم داریم به وضعیت گذشته تر آنها نگاه می کینم. در نتیجه موقعیت های نسبی کهکشان ها که ما در این دو نقشه می بینیم موقعیت نسبی آنها «در این لحظه» نیست. متاسفانه ما هیچ روشی نداریم که ببینیم «در این لحظه» این کهکشانها چه موقعیتی نسبت به هم دارند. اما با توجه به گرانش داخلی خوشه ها و گروه های کهکشانی تقریبا با قطعیت می توان گفت که تراکم آنها باید بیشتر شده باشد. به این دلیل که کلا هر چه به فاصله های دورتر (گذشته های دورتر) نگاه می کنیم می بینیم تراکم کهکشانها کمتر و کمتر شده است (و گیتی همگن و همسانگرد تر بوده است).

      پس به طور خلاصه: این تصاویر یک «عکس» (که در یک «لحظه» گرفته شده باشد) از موقعیت نسبی کهکشانها اطراف ما نیستند. برای تجسم بهتر می توانید یک پوسته کروی (به مرکزیت مرکز عکس)‌ فرض کنید. آن وقت تمام کهکشان هایی که روی یک پوسته کروی قرار داشته باشند (یک فاصله از مرکز داشته باشند) نسبت به هم «همزمان» هستند.

      عکس اول را از ویکیپدیا بدست آوردم:
      http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d8/Nearsc.gif
      که متاسفانه منبع داده های آن دقیقا معلوم نیست.

      عکس دوم را از این سایت گرفتم:
      http://astro.uchicago.edu/cosmus/projects/sloangalaxies/
      داده های آن از سومین آزادسازی داده های پروژه اس.دی.اس.اس گرفته شده است. برای مقاسیه می تونم بگم که الان داده های دهمین دوره آزادسازی در اختیار عموم مردم هست. اگر علاقه مند به دانستن مسایلی تکنیکی تر هستید می توانید به سایت پروژه اس.دی.اس.اس. مراجعه کنید:
      http://www.sdss.org/

      امیدوارم جواب سوال شما را داده باشم. با تشکر دوباره از دقتتان.

تمام حقوق این سایت برای © 2018 پرسش و پاسخ محفوظ است. خدمتی از کانون نگارش و ترجمه کانوت
قدرت گرفته از وردپرس فارسی