متریک FLRW مدلی صرفهجو و مینیمال است؛ سادهترین چارچوبی که بیشترین مقدار از مشاهدات کیهانشناسی را توضیح میدهد. و واقعاً هم ساده است. این مدل فرض میکند که اگر به مقیاسهای بسیار بزرگ نگاه کنیم، جهان «همگن» است؛ یعنی از جایی به جای دیگر تقریباً یکسان به نظر میرسد، و این توده یکنواخت ماده و انرژی با انبساط جهان بهتدریج رقیقتر میشود.
ما این فرضها را به دو دلیل میپذیریم: اول اینکه به اندازه کافی به واقعیت نزدیکاند؛ و دوم اینکه ریاضیات نسبیت عام ـ که بدنام به پیچیدگی و سرسختی است ـ را کمی قابلتحملتر میکنند.
از طریق زبان همین متریک FLRW است که به «ساعت کیهانی» خود میرسیم. در این چارچوب، پارامتری وجود دارد که گذر زمان را نشان میدهد. معمولاً برای آن از نماد «تاو» (τ) استفاده میکنیم، که حرف یونانیِ پیشدرآمدِ t است، پس انتخاب مناسبی به نظر میرسد. به آن «زمان خاص» (proper time) میگوییم، چون دقیقاً همان زمانی است که یک ناظر همراه با انبساط جهان اندازه میگیرد.
متریک FLRW به شما دستورالعملی میدهد برای محاسبه زمان خاص از آغاز جهان. فقط کافی است خودتان را در دستگاه مرجعی قرار دهید که همراه با انبساط کیهان حرکت میکند؛ یعنی باید صرفاً همراه جریان باشید و نسبت به بقیه جهان در جهت خاصی حرکت نکنید.
اما چطور میشود چنین کاری کرد؟ خوشبختانه خود جهان راهی در اختیار ما گذاشته تا بفهمیم نسبت به انبساط کیهانی چگونه حرکت میکنیم، و آن «تابش زمینه کیهانی ریزموج» یا CMB است. این تابش تقریباً همزمان (در بازهای حدود ده هزار سال، که در مقیاس کیهانی ناچیز است) در سراسر جهان و در همه جهات گسیل شده است. چون این تابش از همه جهتهای آسمان به ما میرسد، میتوانیم از آن برای سنجش حرکت خود استفاده کنیم: اگر نقشهای تمامسماوی از CMB تهیه کنیم ـ که چندین بار هم این کار انجام شده ـ و ببینیم در یک جهت انتقالبهسرخ و در جهت مقابل انتقالبهآبی دارد، میتوانیم سرعت و جهت حرکت خود را نسبت به جریان انبساط تعیین کنیم.
آن حرکت را کم میکنیم، و ناگهان میبینیم که در دستگاه مرجعی قرار گرفتهایم که نسبت به کل جهان در حالت سکون است. حالوهوایی کاملاً ذنگونه دارد! حالا که این چارچوب را داریم، میتوانیم زمان خاص خود از آغاز جهان را محاسبه کنیم؛ همان چیزی که به آن «سن جهان از زمان مهبانگ» میگوییم.
در واقع برای این کار الزاماً به CMB نیاز نداریم، اما وجود آن کار را بسیار آسانتر میکند. پس دستکم در این مورد، باید از جهان تشکر کنیم که کار ما را کمی سادهتر کرده است.
اما صبر کنید. متریک FLRW ـ و تأکید میکنم، این نکته را نمیشود به اندازه کافی تکرار کرد ـ یک «فرض» دارد: اینکه جهان در مقیاسهای بزرگ بسیار هموار و یکنواخت است. ولی مگر کهکشانها، خوشهها و حفرههای عظیم کیهانی وجود ندارند؟ اینها چندان هموار به نظر نمیرسند. ما به «شیر همگنشده» کیهان عادت کردهایم، و یک جهان تودهتوده و ناهموار کمی سختهضم است.
شاید اگر این فرض بنیادی اشتباه باشد، متریک FLRW آنقدرها هم که فکر میکردیم مفید نباشد، و شاید سن جهان را هم نادرست محاسبه کرده باشیم؛ و شاید روزی که با موجودات فضایی روبهرو شویم، آنها به ما بخندند!
این دقیقاً استدلال نظریهای به نام «تایماسکیپ» (Timescape) است؛ اسمی که انگار از یک وبسایت رنگارنگ دهه ۱۹۹۰ آمده، اما ارائهدهنده آن یک کیهانشناس واقعی است که در گروه استیون هاوکینگ در دانشگاه کمبریج آموزش دیده است: دیوید ویلتشایر. او معتقد است ناهمواریهای جهان، متریک FLRW را دچار خطا میکند.
به گفته او، زمان در حفرههای کمچگال سریعتر از کهکشانها و خوشههای پرچگال میگذرد. بنابراین برآورد ما از سن جهان اشتباه است، چون فرض کردهایم همهجا تقریباً یکسان است.
البته در مقیاسهای بسیار بزرگ، جهان واقعاً تقریباً یکسان است ـ این را اندازهگیری کردهایم. اگر جعبهای با ابعاد حدود ۱۰۰ مگاپارسک را در نظر بگیرید، هر بخش از جهان در آن مقیاس شبیه بخش دیگری است. اما درون همان جعبه، بیشتر حجم جهان را فضاهای خالی تشکیل میدهند؛ چیزی بین ۷۰ تا ۹۰ درصد، بسته به تعریف و روش اندازهگیری.
مشکل نظریه تایماسکیپ این است که رویکردی غیرمتعارف برای بهکارگیری نسبیت عام دارد و نتایج آن چندان شفاف و سازگار نیست. کیهانشناسی استاندارد میگوید: در مقیاسهای بسیار بزرگ، جهان بسیار هموار است، و ناهمواریها فقط وقتی ظاهر میشوند که بزرگنمایی کنیم. طبق این منطق، اتساع زمان درون حفرهها در مقایسه با اتساع زمان در اتاق نشیمن شما بسیار ناچیز است؛ واقعی است، اما بسیار کوچک ـ کمتر از یک صدم درصد ـ و در محاسبات کلان اهمیتی ندارد.
ویلتشایر میگوید این استدلال نادرست است. او معتقد است ما از ابتدا فرض همگنی را میپذیریم و بعد ناهمواریها را به آن اضافه میکنیم. در عوض، باید ابتدا ناهمواریها را در نظر بگیریم، آنها را با هم ترکیب کنیم و سپس میانگین بگیریم. در این رویکرد، اختلاف در گذر زمان بسیار بزرگ میشود؛ آنقدر بزرگ که میتواند نیاز به انرژی تاریک را توضیح دهد و سن جهان را بسته به محل زندگی شما تغییر دهد (برای کهکشانها حدود ۱۴٫۲ میلیارد سال، و برای حفرهها بیش از ۱۸ میلیارد سال).
اما داستان به همینجا ختم نمیشود. متریک FLRW فقط برای محاسبه سن جهان به کار نمیرود؛ ما از آن در شبیهسازیهای رشد ساختارهای کیهانی نیز استفاده میکنیم. اگر رویکرد ما ـ یعنی «فرض همواری و سپس افزودن نوسانات کوچک» ـ اشتباه بود، این خطا باید در شبیهسازیها خود را نشان میداد؛ مثلاً در قالب آرایشهایی از کهکشانها که با مشاهدات واقعی همخوانی ندارند.
اما شبیهسازیها با مشاهدات سازگارند. آنها کار میکنند. و هرچند این به معنای اثبات قطعی نیست، اما نشانهای قوی است از اینکه در مسیر درستی حرکت میکنیم… و احتمالاً نظریه تایماسکیپ چنین نیست.
این نظریه کاملاً رد نشده است، اما دلیلی هم برای نگرانی جدی وجود ندارد. متریک FLRW همچنان پابرجا و معتبر است، و ما سن جهان را با اطمینان خوبی میدانیم.
