مدل انقلابی نشان می‌دهد ساختار واقعی جهان چگونه تکامل کیهانی را شکل می‌دهد

این رویکرد کمک کرد تا دانشمندان بتوانند پدیده‌هایی مانند انفجار بزرگ (بیگ‌بنگ) و گسترش فضا را بهتر درک کنند، اما حقیقت بنیادی جهان را نادیده می‌گیرد: جهان ما به هیچ وجه یکنواخت نیست. ستارگان در کهکشان‌ها خوشه می‌شوند، ماده در سیاه‌چاله‌ها فرو می‌ریزد، و خلأهای عظیم تقریباً خالی در فضا گسترده شده‌اند؛ همه اینها به‌طور مداوم تحت تأثیر نیروی گرانش و دیگر نیروها با یکدیگر در تعامل هستند.

اکنون، دکتر لئوناردو جیانی از دانشگاه کوئینزلند مدل ریاضی جدیدی را توسعه داده است که برای نخستین بار، این ساختارهای پیچیده و تأثیرشان بر تکامل کیهان را در نظر می‌گیرد. با استفاده از داده‌های ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) که قادر است جهان را تا ۱۱ میلیارد سال نوری اندازه‌گیری کند، تیم جیانی چارچوبی ایجاد کرده‌اند که می‌تواند انقلابی در درک واقعی نحوه کارکرد جهان ایجاد کند.

دکتر جیانی می‌گوید: «این مدل جدید می‌تواند نگاه فیزیکدانان و کیهان‌شناسان به جهان را تغییر دهد. دستاورد اصلی در این است که ما پیچیدگی واقعی جهان را به رسمیت شناخته‌ایم.»

مدل‌های سنتی کیهان‌شناسی فرض می‌کنند که ماده به‌طور یکنواخت در سراسر فضا رفتار می‌کند، اما واقعیت داستانی متفاوت را روایت می‌کند. ساختارهای عظیم مانند خوشه‌های کهکشانی نیروی گرانشی ایجاد می‌کنند که موجب فروپاشی ماده به سمت درون می‌شود، در حالی که خلأهای عظیم، مناطق تقریباً خالی از ماده، همچنان در حال گسترش هستند. به مدت سه دهه، دانشمندان در تلاش برای توضیح این‌که چگونه این نیروهای متضاد رفتار کلی جهان را تحت تأثیر قرار می‌دهند، با مشکلات جدی مواجه بودند و اغلب مجبور می‌شدند به نظریه‌های عجیب و جدید فیزیکی روی بیاورند.

مدل جدید، دستورالعمل ریاضی برای محاسبه نحوه تأثیر ساختارهای موجود بر اندازه‌گیری‌های کیهان‌شناسی ارائه می‌دهد. تیم جیانی دو پارامتر حیاتی را شناسایی کردند: حداقل اندازه‌ای که یک خلأ باید داشته باشد تا بر مشاهدات تأثیرگذار باشد و حداقل اندازه‌ای که یک منطقه در حال فروپاشی باید داشته باشد تا مؤثر واقع شود. هنگامی که آن‌ها مجموعه داده‌های مستقل را بر اساس این پارامترها رسم کردند، کشف شگفت‌انگیزی داشتند. طبق مدل استاندارد یکنواخت، همه داده‌ها باید در یک ناحیه مشخص از نمودارشان تجمع می‌کردند. اما داده‌ها در ناحیه‌ای کاملاً متفاوت همپوشانی داشتند، که نشان می‌دهد خلأهای بزرگ مسئول رفتارهای غیرمعمولی هستند که در اندازه‌گیری‌های نجومی مشاهده شده‌اند.

شاید مهم‌ترین نکته این باشد که این چارچوب جدید دو معمای بزرگ کیهان‌شناسی مدرن را مورد بررسی قرار می‌دهد: تنش هابل و انرژی تاریک دینامیکی. تنش هابل به اختلاف بین دو روش مختلف محاسبه سرعت گسترش جهان اشاره دارد. این دو روش نتایج متفاوتی ارائه می‌دهند و هنوز کسی نمی‌داند دلیل آن چیست! انرژی تاریک دینامیکی، در عین حال، ایده جنجالی‌ای است که می‌گوید نیروی مرموزی که گسترش کیهان را هدایت می‌کند ممکن است با گذشت زمان ضعیف شود.

تلاش‌های قبلی برای حل این مشکلات اغلب باعث ایجاد تناقضات جدید می‌شد، اما مدل جیانی راه‌حلی شفاف و زیبا ارائه می‌دهد. به جای این‌که نیاز باشد انرژی تاریک واقعاً ضعیف شود، کاهش ظاهری آن می‌تواند صرفاً بازتابی از بهبود ما در درک پیچیدگی واقعی جهان باشد. مدل نشان می‌دهد که ناحیه مشخصی وجود دارد که در آن تنش هابل به‌طور کامل ناپدید می‌شود؛ نه به این دلیل که فیزیک جدیدی نیاز است، بلکه به این دلیل که بالاخره اثرات واقعی ساختارهای موجود بر اندازه‌گیری‌های ما لحاظ شده است.

هنگامی که تیم تحقیقاتی بررسی کرد آیا پیچیدگی واقعی جهان در داده‌های DESI ظاهر می‌شود یا نه، پاسخ واضح بود: بله. این نشان‌دهنده یک تغییر بنیادی در رویکرد کیهان‌شناسی است؛ از تلاش برای تطبیق مشاهدات با مدل‌های بیش از حد ساده‌سازی شده به سمت پذیرش پیچیدگی واقعی جهان.

مقاله منتشر شده در مجله Physical Review Letters پیشنهاد می‌کند که بسیاری از معماهای فعلی کیهان‌شناسی ممکن است نه ناشی از فیزیک جدید و عجیب، بلکه ناشی از عدم توانایی ما در درک و لحاظ کردن واقعیت توده‌ای، درهم‌تنیده و پیچیده جهان واقعی باشد که در آن زندگی می‌کنیم. به عبارت دیگر، بسیاری از رفتارهای غیرعادی مشاهده شده در داده‌های نجومی می‌توانند نتیجه همین پیچیدگی واقعی باشند که مدل‌های ساده‌ شده پیشین قادر به شناسایی آن نبودند.

در نهایت، مدل جیانی نه تنها یک ابزار محاسباتی جدید برای بررسی جهان ارائه می‌دهد، بلکه یک تغییر پارادایم در نحوه تفکر درباره جهان است. به جای اینکه جهان را به‌صورت یکنواخت و ساده در نظر بگیریم، این مدل ما را وادار می‌کند که پیچیدگی‌های واقعی، تعامل‌های گرانشی و توزیع نامتقارن ماده را در نظر بگیریم. به این ترتیب، بسیاری از ناهنجاری‌های مشاهده شده در داده‌های کیهانی ممکن است نه ناشی از قوانین فیزیک ناشناخته، بلکه ناشی از غفلت ما از ساختارهای واقعی و درهم‌تنیده جهان باشد.

با پذیرش این دیدگاه، محققان می‌توانند دقیق‌تر پیش‌بینی کنند که چگونه جهان در آینده تکامل خواهد یافت، چگونه نیروهای گرانشی عظیم ساختار کیهانی را شکل می‌دهند و حتی چرا برخی از اندازه‌گیری‌های مهم در کیهان‌شناسی با یکدیگر اختلاف دارند. این مدل می‌تواند به ما کمک کند تا گامی بزرگ به سمت درک واقعیت پیچیده و جذاب کیهان برداریم، جهانی که فراتر از ذرات یکنواخت و ساده‌ای است که تاکنون در مدل‌های سنتی مورد استفاده قرار می‌گرفتند.