بزرگ ترين اشتباه اينشتين
يك‌صد سال پيش، آلبرت اينشتين مقاله‌اي با عنوان «ملاحظات كيهاني در انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت عام» به آكادمي علوم برلين ارائه كرد. اين مقاله، در ۱۵ فوريه ۱۹۱۷ در نشريه‌ي آكادمي منتشر شد كه زيربناي مدل جهاني امروزي بيگ‌بنگ (مه‌بانگ) را پايه‌‌ريزي كرد. تنها يك سال قبل از آن، اينشتين شاهكار بزرگ خود را كامل كرده بود كه يك تئوري جديد در مورد گرانش، فضا و زمان بود و به عنوان تئوري نسبيت عام شناخته مي‌شد. يكي از اصول اساسي تئوري جديد اين بود كه فضا و زمان، كميت‌هايي مطلق و تغييرناپذير نيستند، بلكه قابل انعطاف، وابسته و تحت تأثير وجود ماده هستند. اين رفتار در معادلات ميداني نسبيت عام نهفته است.
با تكميل اين تئوري، طبيعي بود كه اينشتين اين تئوري جديد را در كل فضا و زمان اعمال كند تا مطالعه كند كه آيا تئوري نسبيت عام مي‌تواند يك مدل قابل قبول از كل جهان ارائه دهد يا خير. او در نامه‌اي به ستاره شناس آلماني، ويلم دي سيتر اعلام كرد: «براي من، اين يك سوال پراهميت بود كه آيا مفهوم نسبيت مي‌تواند تا انتها دنبال شود يا سرانجام به تناقض برمي‌خورد». با اين حال، او دريافت كه با جهاني كه در زمان، ساكن (ايستا) فرض شده است، اين كار آسان نيست. دشواري اصلي، اين عقيده‌ي اينشتين بود كه يك مدل قابل قبول از جهان بايد بتواند هم مفهوم نسبيت (مفهومي كه لازمه‌ي آن قابل تغيير بودن همه‌ي چارچوب‌هاي مرجع است) و هم فرضيه‌اي كه بعدها آن را اصل ماخ ناميد (كه بر اساس آن اينرسي يك جسم با وجود جرم‌هاي ديگر در جهان تعيين مي‌شود) را منعكس كند. اينرسي اصطلاحي است كه فيزيك‌دانان براي توصيف مقاومت يك جسم در مقابل حركت كردن استفاده مي‌كنند.
جهان اينشتين
در مقاله‌ي اوليه‌ي ملاحظات كيهاني كه در سال ۱۹۱۷ ارائه شد، اينشتين نشان داد كه نسبيت عام در واقع مي‌تواند يك مدل سازگار از جهان ايستا نتيجه دهد. با اين وجود، دو فرض لازم بود؛ اول اينكه جهان داراي هندسه‌ي فضايي بسته است (همانند يك كره‌ي سه‌بعدي) و هيچ آغاز و پاياني در زمان ندارد، دوم اينكه يك راه حل سازگار نيازمند معرفي يك عبارت جديد در معادلات ميداني نسبيت بود. بعضي دانشمندان، عبارت جديد را كه به عنوان ثابت كيهاني شناخته مي‌شود، به عنوان عاملي فرضي (fudge factor) در انديشه متخصصين گرفتند و ادعا كردند كه اين عامل به تقارن و سادگي معادلات ميداني اصلي آسيب مي‌رساند. به هر حال، نسبيت عام امكان وجود اين عبارت را داد. در واقع كمتر كسي مي‌داند كه اينشتين به امكان وجود چنين گسترشي در معادلات ميداني در تفسير اوليه‌ي خود در سال ۱۹۱۶ اشاره كرده بود. حالا اين ثابت كيهاني، متخصصدي مهم پيدا كرده بود؛ چرا كه امكان وجود مدلي از جهان را فراهم مي‌كرد كه با انديشه متخصصينات اينشتين در مورد نسبيت اينرسي سازگاري داشت.
مقاله‌ي ملاحظات كيهاني اينشتين، مطلبي بسيار جذاب است؛ چرا كه حاوي مباحثهي در مورد انديشه متخصصينات‌هاي او در خصوص كيهان‌شناسي نيوتني و شرحي از مسير طولاني او براي رسيدن به يك مدل قابل قبول از جهان است. اخيرا مقاله‌اي مروري به مناسبت صدمين سالگرد انتشار مقاله‌ي اينشتين منتشر شده كه در آن اشاره شده است كه تجزيه و تحليل اينشتين در نهايت به رابطه‌اي ساده بين شعاع كيهان (R)، ثابت كيهاني و ميانگين چگالي ماده در جهان منجر مي‌شود.
اينشتين و مدل‌هاي جايگزين براي جهان
يكي از جنبه‌هاي پيچيده‌ي ملاحظات كيهاني، شكست اينشتين در مورد در انديشه متخصصين گرفتن ثبات جهان ايستاي او است. تجزيه و تحليل او، وجود يك رابطه‌ي مستقيم بين اندازه‌ي جهان و چگالي ماده‌ي درون آن را پيش‌بيني كرد. اما اگر چگالي ماده در طول زمان تغيير كند، چه اتفاقي مي‌افتد؟ در حقيقت، بعدها نشان داده شد كه جهان اينشتين در مقابل آشفتگي در چگالي ماده بسيار ناپايدار است. اين واقعا عجيب است كه اينشتين به اين جنبه از مدل جهان خود توجه نكرده است.
تنها چند ماه پس از انتشار مقاله‌ي ملاحظات كيهاني، فضانورد آلماني، ويلم دي سيتر متوجه شد كه اضافه شدن عبارت ثابت كيهاني به معادلات ميداني، امكان استفاده از يك راه حل كيهاني جايگزين، به عبارت ديگر حالت جهان بدون محتويات مادي را فراهم مي‌كند. در اين مقاله، دي سيتر، جهان مادي سه‌بعدي اينشتين با هندسه‌ي فضايي بسته را با جهاني چهاربعدي با يك هندسه‌ي فضا-زماني بسته جايگزين كرد. اينشتين از مدل دي سيتر شديدا آشفته شد؛ چرا كه وجود يك راه حل خلأ براي جهان در تناقض مستقيم با درك او از اصل ماخ بود. مباحثهي طولاني بين اين دو فيزيك‌دان درگرفت؛ با اين حال هيچ مستندي در نوشته‌هاي اينشتين پيدا نشده است كه نشان دهد او راه حل دي سيتر را به عنوان يك مدل واقع‌بينانه از جهان پذيرفته باشد.
در سال ۱۹۹۲ فيزيك‌دان جوان روسي، الكساندر فريدمن پيشنهاد كرد كه راه حل‌هاي غير استاتيكي معادلات ميداني اينشتين بايد در مدل‌هاي جهان در انديشه متخصصين گرفته شود. با شروع از معادلات ميداني اصلاح شده، فريدمن به دو معادله‌ي ديفرانسيل رسيد كه سير تكامل زماني جهان را با چگالي ماده و ثابت كيهاني مرتبط مي‌كرد. اينشتين به ايده‌ي فريدمن روي خوشي نشان نداد. اولين واكنش او اين بود كه فيزيك‌دان روسي دچار يك خطاي رياضي شده است. هرچند رفته‌رفته از اين انتقاد پا پس كشيد، يك پيش‌نويس منتشر شده از اينشتين نشان مي‌دهد كه او كيهان‌شناسي فريدمن را غيرواقع‌گرايانه مي‌پنداشت.
در سال ۱۹۲۷ فيزيك‌دان بلژيكي، ژرژ لومتر هم با استفاده از معادلات ميداني اصلاح شده، به معادلاتي متغير با زمان براي شعاع جهان رسيد. با آگاهي از مشاهدات نجومي از پس‌رفت سحابي‌هاي مارپيچ و با توجه به شواهد در حال ظهوري مبني بر اينكه سحابي‌ها از كهكشان‌هاي متمايزي بسيار فراتر از راه شيري تشكيل شده‌اند، لومتر مشاهدات نجومي جديد را با فرض اينكه اين داده‌ها مدركي براي اثبات غير ايستا بودن و در حال انبساط بودن جهان هستند، به تئوري نسبيت ارتباط داد. ظاهرا اين نتيجه هم اينشتين را خوشنود نكرد: لومتر در خاطرات خود يادآور شده است كه اينشتين مدل جهان در حال انبساط او را «زشت و منفور» توصيف كرده است.
اما همه چيز در سال ۱۹۲۹ تغيير كرد. ادوين هابل، ستاره‌شناس آمريكايي، اولين مدرك قطعي از وجود يك رابطه‌ي خطي بين پس‌رفت سحابي‌هاي مارپيچ و فاصله‌ي شعاعي آن‌ها را منتشر كرد. بسياري از فيزيك‌دانان، نتايج هابل را به عنوان مدركي از جهاني كه با مقياس‌هاي بزرگ در حال انبساط است، پذيرفتند و انواع مدل‌هاي متغير با زمان واقع‌گرايانه از كيهان مطرح شد. خود اينشتين نيز زمان كمي را در رها كردن كيهان‌شناسي شخصي خود تلف كرد. در اوايل دهه‌ي ۱۹۳۰، او دو مدل مجزا از جهان در حال انبساط، يكي با هندسه‌ي منحني فضايي بسته و ديگري با هندسه‌ي اقليدسي، منتشر كرد. در هر دو مورد، او استفاده از ثابت كيهاني را ترك كرد كه نشان داد اين عبارت هم غيرقابل قبول بود (چون يك راه حل ناپايدار را براي مدل‌هايي ايستا نتيجه داده بود) و هم زائد (چون بدون اين عبارت نسبيت قادر بود انبساط جهان را توصيف كند).
در سال ۱۹۳۱ لومتر دومين پيشرفت بزرگ خود را به دست آورد. او با اشاره به اينكه جهان در حال انبساط، در گذشته بدون شك كوچك‌تر، متراكم‌تر و جديد‌تر بوده است، اين ايده را پيشنهاد داد كه ممكن است جهان ما از يك گوي آتشين بسيار كهن نشأت گرفته باشد كه در طول چند ميليارد سال منبسط و سرد شده است. اين ايده بعدها به مدل بيگ‌بنگ كيهان تبديل شد كه در ابتدا طرفداران كمي داشت؛ اما با كشف چندين مورد از شواهد حامي اين تئوري، در دهه‌ي ۱۹۶۰ ورق برگشت. مهم‌ترين مورد در ميان اين كشفيات، يعني تابش كيهاني ضعيف بازمانده از جهان بسيار كهن كه به‌عنوان مايكروويو پس‌زمينه‌ي كيهاني شناخته مي‌شود، همچنان به عنوان زمينه‌ي تحقيقي مورد علاقه‌ي كيهان‌شناسان امروزي، باقي مانده است.
«بزرگ‌ترين اشتباه من»
جورج گاموف، دانشمند مهاجر روسي‌تبار در خاطرات خود اعلام كرده است كه اينشتين يك بار ثابت كيهاني را به عنوان «بزرگ‌ترين اشتباه خود» توصيف كرد. در سال‌هاي اخير ترديد‌هايي در مورد ادعاي گاموف مطرح شده است؛ با اين وجود، ديگر فيزيك‌دانان نيز گزارش‌هاي مشابهي ارائه كرده‌اند. قطعا فكر كردن به اينكه اگر اينشتين ثابت كيهاني را به معادلات ميداني وارد نمي‌كرد، احتمالا انبساط جهان را چندين سال قبل از مشاهدات هابل پيش‌بيني مي‌كرد، بسيار جالب است. اما از طرف ديگر بايد به ياد داشته باشيم كه تلاش اينشتين در سال ۱۹۱۷ اين بود كه مطالعه كند آيا نسبيت قادر است جهان شاخته شده، يعني جهاني كه ايستا فرض شده بود را توصيف كند يا خير. اگر اينشتين از «بزرگ‌ترين اشتباه خود» سخن گفته باشد، احتمالا منظور او شكست وي در توجه به اين موضوع بوده است كه ثابت كيهاني مدل پايدار و استاتيكي از جهان ارائه نداده است.
امروز، با توجه به كشف شتاب انبساط كيهاني (پديده‌اي كه به عنوان انرژي تاريك شناخته مي‌شود)، ثابت كيهاني بازگشتي دراماتيك به نسبيت را تجربه كرده است؛ بنابراين شايد بتوان گفت بزرگ‌ترين اشتباه اينشتين رها كردن اين عبارت در دهه‌ي ۳۰ بوده است. با اين حال، چنين انديشه متخصصيناتي هم تا حدودي غيرتاريخي است؛ چرا كه شواهد وجود انبساط شتاب‌دار، در زمان او شناخته شده نبود.
جهان اينشتين باز مي‌گردد
متعجب خواهيد شد اگر بدانيد كه مدل استاتيك اينشتين بار ديگر به موضوع مورد علاقه‌ي برخي از كيهان‌شناسان امروزي تبديل شده است. در تلاش براي فرار از اشكال شناخته‌شده‌ي تكينگي بيگ‌بنگ، انديشه متخصصينيه‌پردازان به امكان وجود جهاني انبساط يافته از يك جهان استاتيكي اينشتين علاقه‌مند شده‌اند. اينكه آيا اين سناريو كه به عنوان جهان در حال ظهور شناخته مي‌شود، مي‌تواند توصيفي محتمل و سازگار از جهان اوليه ارائه دهد يا نه، معلوم نيست؛ اما فكر كردن به اينكه همچون ثابت كيهاني، جهان اينشتين هم ممكن است بازگشتي دراماتيك داشته باشد، جالب است.
هم انديشي ها