مارس 6, 2021

جستجوی مقالات فارسی – پیشرفت های اخیر در مدل های تورمی۹۳- قسمت ۷

بر اساس این نظریه عالم کنونی ما حدود چهارده میلیارد سال پیش با انفجاری بسیار بسیار بزرگ به وجود آمده است. پس از این انفجار که از نقطه ای بی نهایت داغ و متراکم شروع شده است، عالم شروع به گسترش کرده و هر آنچه که امروز وجود دارد نتیجه آن انفجار اولیه است.
همان طور که در فصل قبل دیدیم، مدل رابرتسون ـ واکر، متریکی را معرفی کرد که یک فضای متقارن کروی را توصیف می کند. بر اساس این متریک گسترش در راستای شعاعی انجام می شود و زوایای قطبی و سمتی پوشش دهنده این گسترش هستند.
اشاره کردیم که که این مدل بر اساس مشاهدات رصدی که تائید کننده همگنی وهمسانگردی عالم هستند نوشته شده است.
این مدل به مدل استاندارد مهبانگ[۱۳] معروف شده است که بر سه اصل استوار است:
اولا اینکه فرض می کنیم جهان ما در مقیاس بزرگ همگن وهمسانگرد است.
ثانیا فرض می کنیم که دینامیک فضا ـ زمان بر اساس معادله اینشتین توصیف می شود.
و سرانجام اینکه توزیع ماده توسط معادله سیال کامل توصیف می شود.
در فصل اول گفتیم که همگن بودن و همسانگرد بودن در مقیاس بزرگ برای عالم توسط مشاهدات رصدی تائید شده است وما توانستیم با تکیه بر این خاصیت معادله اینشتین را برای متریک رابرتسون ـ واکر بنویسیم.
حال می خواهیم به برخی از خصوصیات مدل استاندارد مروری داشته باشیم.
۲-۲ جهان در حال انبساط
شواهد محکمی وجود دارد که عالم در حال انبساط است. در این صورت در زمان های اولیه فواصل کهکشان ها از همدیگر بسیار کوچک تر از حال بوده است.
اگر ضریب مقیاسی به نام a تعریف کنیم می توانیم توصیف ساده ای از چگونگی گسترش عالم و یا همان افزایش فاصله اجزای کیهانی داشته باشیم. می توان چگونگی گسترش عالم را به صورت بسیار ساده در شکل زیر دید:
در این شکل از اصطلاح فاصله همراه comoving distance استفاده شده است. همان طور که ملاحظه می شود، فاصله همراه ثابت است اما فاصله فیزیکی ، physical distance ، با گذشت زمان افزایش می یابد.
البته باید توجه داشت که رابطه بین a و t در زمانهای مختلف ممکن است متفاوت باشد.
همان طور که در فصل قبل اشاره شد، ادوین هابل با مشاهدات رصدی خود نشان داد که عالم در حال انبساط است.
او مشاهده کرد که کهکشان های دور دست در حال فاصله گرفتن از ما هستند. همچنین او دریافت که هر چه فاصله یک کهکشان از ما بیشتر باشد، سرعت دور شدن آن از ما نیز بیشتر خواهد بود [۳].
اگر فاصله فیزیکی بین دو کهکشان را با d نشان دهیم داریم d=ax که x فاصله همراه و a ضریب مقیاس است. در غیاب هرگونه حرکت همراه ، سرعت نسبی یا که برابر است با یا به عبارت دیگر:
در این صورت که سرعت دور شدن دو کهکشان از هم است. ثابت هابل نام دارد و برابر است با . امروزه این ثابت در حدود است.
نمودار زیر که به نمودار هابل معروف است رابطه بین سرعت دور شدن و فاصله را نشان می دهد.
نمودار ۲-۱ . نموداری که هابل در سال ۱۹۲۹ استفاده کرد. خطوط سیاه بهترین تطابق را برای نقاط سیاه نشان می دهند که با توجه به حرکت خورشید تصحیح شده اند. خطوط خط چین بهترین تطابق را برای نقاط تو خالی نشان می دهند که بدون تصحیح توسط حرکت خورشید نشان داده شده اند [۷].
مقیاسی برای سرعت دور شدن را می توان با استفاده از انتقال به سرخ بدست آورد
که ضریب مقیاس در زمان حال و ضریب مقیاس در زمان مورد نظر است.
طول موج مشاهده شده و طول موج انتشار یافته از کهکشان هدف است.
مشاهده می شود که هر چه قدر بزرگ باشد ، کوچک خواهد بود و در نتیجه H بزرگتر خواهد شد سرعت دور شدن هم با توجه به بیشتر خواهد بود.
هم چنین اگر طیف مشاهده شده از یک کهکشان به سمت قرمز میل کند داریم
و در این صورت خواهد بود که نشان دهنده انبساط عالم است [۷].
علاوه بر مشاهدات هابل، مدل استاندارد یا همان مدلی که بر اساس مدل فریدمن از انبساط جهان توصیف می شود، پیش گویی خوبی در مورد وجود تابش میکرو موج زمینه کیهانی و هم چنین چگونگی به وجود آمدن و فراوانی عناصر سبک در ابتدا آفرینش عالم بدست می دهد. با وجود موفقیت های این مدل در توصیف چگونگی گسترش جهان، ابهاماتی وجود دارد که بررسی آنها یا بهتر بگوییم این اشکالات در مدل استاندارد مهبانگ ضروری بنظر می رسد.
۲-۳ مسئله تخت بودن [۱۴]
از معادله فریدمن شروع می کنیم. اگر را به صورت نشان دهیم می توان معادله فریدمن را این طور نوشت:
اگر c=1 قرار دهیم می توان معادله را به این صورت نوشت:
𝛺 به پارامتر چگالی معروف است و برابر است با که به چگالی آستانه[۱۵] معروف است.
می دانیم که در مدل استاندارد رابطه a با زمان به صورت است که (q<1 و به عنوان مثال در دوران غلبه تابش و در دوران غلبه ماده) بنابراین اگر در رابطه ، به سمت یک میل کند در آن صورت k نیز به سمت صفر میل خواهد کرد.k=0 نمایانگر حالت تخت بودن کامل فضا است. مشاهدات رصدی تائید کننده تخت بودن هستند. به عنوان مثال در دوره معروف به هسته زایی، حدود یک ثانیه پس از انفجار بزرگ اختلاف 𝛺 با یک از مرتبه و یا در زمان ثانیه این اختلاف برابر است که نشان می دهد جهان در لحظات اولیه بسیار تخت بوده است [۸].
مدل استاندارد مهبانگ پاسخ قانع کننده ای به این تخت بودن یا به عبارت دیگر این تنظیم دقیق برای ندارد.
۲-۴ مسئله افق [۱۶]
شاید یکی از اساسی ترین مشکلات در کیهان شناسی استاندارد، مسئله افق باشد. افق به بیشترین فاصله ای که توسط یک پرتو نور می تواند پوشش داده شود گفته می شود.
امواج میکرو موج پس زمینه کیهانی از تمام نقاط آسمان ساطع می شوند و نکته جالب این است که اگر به هر سمت از آسمان نگاه کنیم این امواج را با طیف تابش یک جسم سیاه در حدود ۲٫۷ درجه کلوین می توان ردیابی و رصد کرد. شاید بتوان این گونه توجیه کرد که تمام نقاط جهان در یک تعادل گرمایی با هم هستند. اما در نظریه استاندارد مهبانگ نمیتوان چنین توجیهی را پذیرفت چرا که زمان کافی برای نقاط دوردست از هم وجود ندارد که بتوانند پیش از آنکه فوتون ها از آنها ساطع شوند به تعادل گرمایی برسند.
اگر به رابطه مقابل نگاه کنیم :
می بینیم فاصله ای که نور می توانسته از زمان آغاز انفجار بزرگ، ، تا زمان برخورد آخرین فوتون ها با ذرات که در زمان های اولیه عالم و در زمان غلبه تابش اتفاق افتاده، بسیار کوتاه تر از فاصله ای است که از زمان این تجزیه، ، تا به امروز صورت گرفته است. به عبارت دیگر زمانی که نور می توانسته قبل از آخرین برخوردها[۱۷] که در واقع همان زمان تولید تابش میکرو موج زمینه کیهانی است طی کند، بسیار کوتاه بوده و فرصتی برای هم دمایی وجود نداشته است [۸].
چگونه نقاط مختلف عالم توانسته اند به این دقت و همگنی هم دما شوند و تابش CMB را در تمام نقاط به صورت یکسان داشته باشیم؟
۲-۵ مسئله تک قطبی مغناطیسی [۱۸]
یکی دیگر از مواردی که با پیش گویی نظریه کلاسیک انفجار بزرگ در تناقض است، مسئله تک قطبی مغناطیسی است.

برای دانلود متن کامل این فایل به سایت torsa.ir مراجعه نمایید.