مسئله افق

مسئله افق (افق کیهان‌شناسی)مسئله‌ای در مدل استاندارد کیهان‌شناسی مهبانگ است که در ۱۹۵۶ نخستین بار توسط ولفگانگ ریدلر شناسایی شد. این مسئله اشاره می‌کند که نواحی مختلف جهان به دلیل فاصلهٔ بسیار زیاد بین آن‌ها، هرگز با هم در تماس نبوده‌اند، با این وجود، دما و ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها یکسان است. این شباهت در ویژگی‌های فیزیکی نباید امکان‌پذیر می‌بود، زیرا انتقال اطلاعات (منظور انرژی و گرما و غیره) حداکثر می‌تواند با سرعت نور انجام شود. البته درست پس از زمان پلانک جهان خیلی کوچک بود (چیزی در حد یک پروتون) و به نظر می‌رسد همه چیز می‌توانسته باهم در ارتباط باشد اما باید توجه داشت چیزی که مهم است افق کیهان‌شناسی است: یعنی چه فاصله‌ای را نور (یا سیگنال) می‌توانسته در آن زمان کوتاه سفر کند. نظریه تورمی به عنوان یک پاسخ ممکن برای این مسئله شناخته می‌شود و در واقع یکی از انگیزه‌های شکل‌گیری این نظریه، مسئله افق است. به غیر از مسئله افق (این‌که چرا جهان در مقیاس بزرگ همگن است)، مسئله تک قطبی مغناطیسی (این‌که چرا جهان امروز از این تک‌قطبی‌ها پر نشده است) و مسئله تخت‌بودن (این‌که چرا چگالی کل جهان از ابتدا دقیقاً برابر با چگالی بحرانی بوده است)، انگیزه‌های دیگر برای مطرح‌شدن نظریهٔ تورم کیهانی هستند.

وقتی به آسمان نگاه می‌کنیم، تابش زمینه کیهانی از همه‌جا به چشم ما می‌رسد. این نور در واقع تصویری از جهانِ خیلی جوان است، زمانی که حدود ۳۰۰ هزار سال (۳۸۰ هزارسال) از مهبانگ گذشته بود. هر نقطه در جهان فقط می‌تواند با محیطی در تماس باشد که نور (یا هر سیگنال دیگری) از آنجا به او رسیده باشد. این محدوده، یک کره است که شعاعش = سرعت نور × زمانی است که گذشته (دو دایره کوچک در چپ و راست تصویر؛ افق کیهان‌شناسی). پس این دو دایره نمی‌توانند با هم تبادل اطلاعات داشته باشند. بخش‌های خیلی دور از هم (مثل دو سوی آسمان که تابش زمینه کیهانی را امروز از آن‌ها می‌بینیم) هیچ‌وقت فرصت نداشتند اطلاعات یا گرما ردوبدل کنند، با این حال اکنون دمای یکسانی دارند. این تناقض، همان مسئله افق است.

مسئله افق در واقع در مدل مهبانگ سادهٔ بدون تورم مطرح است، و به چگونگی ارتباط بین مناطق مختلف کیهان مربوط می‌شود. نکته اساسی این است که جهان تنها یک سن محدود دارد، و بنابرین نور تنها می‌توانسته است یک فاصلهٔ محدود را تا هر زمان معینی بپیماید. مسافتی را که نور توانسته است در مدت سن جهان بپیماید، ناحیه‌ای را پدیدآورده است که به عنوان جهان قابل‌مشاهده شناخته می‌شود. این همان ناحیه‌ای است که ما در عمل می‌بینیم، و همواره محدود است، خواه جهان در کل محدود باشد و خواه نامحدود.

یکی از ویژگی‌های اساسی تابش ریزموج زمینه کیهانی، همسان‌گردی یا ایزوتروپی بسیار بالای آن است. به این معنا که تابش دریافتی از تمام جهات آسمان با دقتی چشمگیر تقریباً دمایی یکسان، حدود ۲٫۷۲۵ کلوین، دارد. یکسانی دما نشانگر وجود تعادل گرمایی در جهان است، و چنین تعادلی تنها زمانی به‌طور طبیعی قابل انتظار است که نواحی مختلف کیهان در گذشته امکان تبادل انرژی و برهم‌کنش داشته باشند. مشکل اینجاست که فوتون‌های زمینهٔ کیهانی، از زمان واجفتیدگی (حدود ۳۸۰ هزار سال پس از مهبانگ) آزاد شده و تا امروز به ما رسیده‌اند. این فوتون‌ها، که از دو جهت مخالف آسمان مشاهده می‌شوند، هرگز فرصت نداشتند پیش از واجفتیدگی با یکدیگر در تماس باشند، زیرا در آن بازهٔ زمانی فاصله‌شان بیش از چیزی بود که نور بتواند در زمانی که گذشته بود طی کند؛ بنابراین، نمی‌توان توضیح داد که این دو ناحیهٔ کاملاً دور از هم چگونه به تعادل گرمایی رسیده و دمایی تقریباً یکسان دارند. این ناهماهنگی همان چیزی است که به مسئله افق مشهور شده است.

در حقیقت، مسئله از این هم بدتر است، چرا که ریزموج‌ها از زمان جدایی ماده و تابش (واجفتیدگی) یعنی حدود ۳۸۰٬۰۰۰ سال پس از مهبانگ که دمای جهان حدود ۳۰۰۰ کلوین بود و فوتون‌ها توانستند آزادانه در فضا حرکت کنند، تقریباً بدون مانع در حرکت بوده‌اند و پیش از واجفتیدگی و به دلیل پراکندگی تامسون، نور مسافت بسیار اندکی را پیموده و جهان قابل مشاهده بسیار کوچک‌تر بود؛ بنابراین در زمان‌های اولیه مناطق مختلف باید امکان تبادل اطلاعات کمتری می‌داشتند: «افق علّی» (محدوده تبادل اطلاعات) می‌بایستی خیلی کوچکتر باشد. در حالی که مشاهدات نشان می‌دهند مناطق مختلف حتی پیش از واجفتیدگی باهم برهم‌کنش داشته و به تعادل گرمایی رسیده‌اند.

منابع

• لیدل، اندرو. آشنایی با کیهان‌شناسی نوین. ترجمهٔ غلامرضا شاه‌علی. شیراز: انتشارات شاهچراغ. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۲۶۳۲-۷۶-۳.
• ویکی‌پدیای انگلیسی