شکل هندسی کیهان چیست؟

حدود 2500 سال پیش، مردم متوجه شدند که سیاره زمین گرد است، اگرچه برخی از زمین های مسطح هنوز این موضوع را انکار می کنند. با این حال، شکل جهان هنوز ناشناخته است.

به گزارش زومیت، مطالعات گذشته نشان داده است که جهان احتمالاً شکل نسبتاً ساده ای دارد و مثلاً شبیه یک سطح کروی سه بعدی یا یک صفحه سه بعدی است. اما به گفته کیهان شناسان همکاری برای مشاهدات، مدل ها و پیش بینی های ناهنجاری ها و توپولوژی کیهانی، یا به اختصار COMPACT، این دیدگاه ممکن است اشتباه باشد. در مقاله ای که در آوریل 2024 منتشر شد، آنها نشان دادند که شکل جهان ممکن است بسیار پیچیده تر از آنچه قبلا تصور می شد باشد.

در نگاه اول زمین مسطح به نظر می رسد. دلیل آن این است که شعاع زمین آنقدر زیاد است که درک انحنای آن دشوار است. برای اثبات کروی بودن زمین، باید راه رفتن را شروع کنید. اگر مستقیم به جلو حرکت کنید و در مسیر خود از کوه ها و اقیانوس ها عبور کنید، به نقطه شروع باز می گردید.

کیهان شناسان چنین سرنخ هایی را برای تعیین شکل کیهان کهکشانی جمع آوری می کنند. آنها می توانند یک فضاپیما را به فضا بفرستند تا شکل آن را هنگام عبور از فضا تشخیص دهند، یا می توانند به آسمان شب نگاه کنند و آثار قدیمی ترین نوری را که از اعماق فضا به ما می رسد، مطالعه کنند.

این نور باستانی که به “تابش پس زمینه کیهانی” معروف است، حدود 300000 سال پس از انفجار بزرگ ایجاد شد. اگرچه فوتون‌ها قبل از آن زمان وجود داشتند، اما مواد اولیه جهان آنقدر متراکم بود که ذرات نور نمی‌توانستند آزادانه حرکت کنند. اما پس از انبساط اولیه جهان، به اندازه کافی سرد شد تا فوتون های نور آزادانه در آن حرکت کنند.

نقشه برداری از قدیمی ترین نور در جهان (تابش پس زمینه کیهانی) سرنخ هایی در مورد شکل جهان ارائه می دهد.

فوتون های جهان اولیه به عنوان تشعشعات پس زمینه کیهانی به ما می رسند و تقریباً همان الگوی قدیمی نور از هر گوشه جهان به ما می رسد. این تشعشعات سرنخ هایی در مورد شکل کیهان به ما می دهند. برای مثال، اگر انحنای جهان در نقطه‌ای تغییر کند، تابش پس‌زمینه کیهانی به اندازه‌ای که ما می‌بینیم همگن نخواهد بود. بنابراین، کارشناسان فرض می‌کنند که جهان یا منحنی یکنواخت یا کاملاً مسطح است.

فرصت های زیادی

تصور اینکه جهان هیچ انحنای نداشته باشد سخت است. بنابراین استفاده از مثال های دو بعدی در این زمینه مفید است.

شکل جهان می تواند مانند یک صفحه کاغذ صاف (بدون انحنا)، شکل سه بعدی یک سطح کروی (انحنای مثبت) یا یک سطح زینی شکل سه بعدی (انحنای منفی) باشد تا یکنواخت باشد. با الگوهای همگن تابش زمینه کیهانی. در هر سه مورد، انحنای سرتاسر ثابت است. اما هنوز مشخص نیست که کیهان در کل چگونه به نظر می رسد. به عنوان مثال، فضا می تواند منحنی یکنواخت و دارای سوراخ باشد.

توپولوژیست ها اشکال هندسی را بر اساس طبقه بندی های تقریبی مانند تعداد سوراخ های موجود در آنها دسته بندی می کنند تا فهرستی از اشکال ایجاد کنند. کیهان شناسان می خواهند یکی از این اشکال را به جهان نسبت دهند.

همانطور که ریاضیدانان ثابت کرده اند، تعداد بی نهایت طبقه بندی مختلف (توپولوژی) سطوح سه بعدی منحنی وجود دارد. بنابراین، اگر فضا-زمان واقعاً کروی یا زینی شکل باشد، از نظر تئوری جهان می تواند هر شکلی به خود بگیرد. با این حال، مشاهدات کیهان‌شناسی به‌دست‌آمده تاکنون به یک جهان مسطح و بدون انحنا اشاره دارد.

اگر این درست باشد، جستجو برای توپولوژی جهان محدود است، و همانطور که ریاضیدان گریگوری پرلمن در سال 2003 به این نتیجه رسید، لیست سطوح سه بعدی صاف تنها شامل 18 دسته است.

یکی از 18 رقم

شکل جهان احتمالاً با یکی از 18 شکل پیشنهادی پرلمن مطابقت دارد. یکی همتای سه بعدی یک تکه کاغذ است. البته کیهان می تواند سوراخ هایی هم داشته باشد. در میان 18 توپولوژی، معادل سه بعدی یک سطح دونات مانند، ساختاری است که به عنوان چنبره شناخته می شود.

اگرچه دونات در نگاه اول خمیده به نظر می رسد، اما در واقع مسطح است و شکل دونات را می توان با استفاده از یک ورق کاغذ انعطاف پذیر ایجاد کرد. برای این کار ابتدا دو طرف بلند ورق را به هم بچسبانید و یک لوله بلند ایجاد کنید. سپس لوله را خم کرده و دو سوراخ را ببندید.

به طور کلی، چنبره را می توان به صورت یک ناحیه مسطح، مستطیلی یا تا شده به شکل یک دونات دید.

طرح فوق مزایای زیادی دارد. به عنوان مثال، اگر می خواهید حرکت مورچه را روی یک دونات توصیف کنید، معمولاً تصور یک تکه کاغذ مستطیلی ساده تر است. حشره در امتداد یک تکه کاغذ راه می‌رود و وقتی به لبه آن می‌رسد وارد طرف دیگر کاغذ می‌شود (مشابه بازی معروف مار در تلفن‌های قدیمی). اگر مورچه در یک خط مستقیم حرکت کند، در نهایت به نقطه شروع باز می گردد.

دنیایی به شکل دونات با حلقه ها

اگر جهان مانند یک چنبره شکل بگیرد، عواقب آشکاری خواهد داشت. به عنوان مثال، اگر نورافکن را به سمت آسمان بگیریم، از نظر تئوری، درست مانند مورچه ای که روی کاغذ به نقطه شروع خود باز می گردد، نور پس از مدتی دوباره به ما خواهد رسید. چنین مدارهایی در اکثر 18 توپولوژی مختلف وجود دارند. اینها مسیرهایی هستند که به نقطه شروع خود باز می گردند.

در نگاه اول به نظر می رسد که حلقه ها با مشاهدات ما مطابقت ندارند. اگر نور به طور متناوب در فضا حرکت کند، باید چندین نسخه از کیهان را در آسمان شب ببینیم. البته این امکان وجود دارد که جهان ما آنقدر بزرگ باشد که نور هنوز زمان کافی برای عبور از آن و سپس رسیدن به نقطه شروع نداشته باشد.

نکته قابل توجه این است که چنین حلقه های عظیمی آثاری از خود به جای می گذارند. به عنوان مثال، شکل جهان بر نحوه تعامل ماده و نور در جهان اولیه تأثیر می گذارد. اگر جهان حفره‌ها و در نتیجه حلقه‌ها داشت، این واقعیت باید در داده‌های تابش پس‌زمینه کیهانی منعکس شود.

با این حال، جستجوها در سال های 2000 و 2010 چیزی پیدا نکردند. به همین دلیل، اکثر کیهان شناسان معتقدند که جهان ساختار نسبتاً ساده ای داشته است.

گزینه های بیشتر از حد انتظار

تیم Compact آخرین داده‌های مربوط به تابش پس‌زمینه کیهانی را با توپولوژی‌های مختلف کیهان مقایسه کرد و به نتایج شگفت‌آوری رسید. گروه تحقیقاتی دریافتند که بسیاری از انواع توپولوژی که می توانند شکل جهان را توصیف کنند در مطالعات قبلی نادیده گرفته شده بودند. محققان همچنین نشان دادند که علاوه بر حلقه ها، مسیرهای دیگری نیز در تابش پس زمینه کیهانی وجود دارد که توپولوژی پیچیده تری را نشان می دهد.

پس از تجزیه و تحلیل خود، محققان سه توپولوژی را به عنوان شکل احتمالی جهان پیشنهاد کردند: یک چنبره معمولی و دو نسخه سه بعدی اصلاح شده از آن، که در آن وجه های مکعب قبل از اینکه به هم بچسبند، پیچ خورده است. هر سه نمونه دارای سوراخ هستند.

در رابطه با چنبره معمولی، محققان تأیید کردند که اگر جهان چنبره‌شکل باشد، حلقه‌ها باید آنقدر بزرگ باشند که نور هنوز به ما نرسیده باشد.

نکته جالب این بود که ایده عدم رسیدن نور به دلیل بزرگ بودن حلقه ها ممکن است برای فرم های اصلاح شده صدق نکند. محاسبات محققان نشان می دهد که حلقه هایی با این شکل ها ممکن است به طور قابل توجهی کوتاه تر از آنچه قبلا تصور می شد باشد.

در مجموع، یافته‌های جدید نشان می‌دهند که شکل جهان ممکن است بسیار پیچیده‌تر از آنچه قبلا تصور می‌شد، با پیامدهای گسترده‌ای باشد.

شکل جهان فقط یک موضوع آکادمیک نیست. توپولوژی فضازمان احتمالاً توسط فرآیندهای کوانتومی که اندکی پس از انفجار بزرگ رخ داده اند، تعیین شده است. اگر در مورد شکل جهان اطلاعات بیشتری داشته باشیم، ممکن است بتوانیم در مورد فرآیندهای پیچیده ای که در آغاز جهان رخ داده است، اطلاعات بیشتری کسب کنیم.