ساخت مدل‌ های کامپیوتری بی‌سابقه از جهان هستی با استفاده از تئوری نسبیت اینیشتین

ساخت مدل‌ های کامپیوتری بی‌سابقه از جهان هستی با استفاده از تئوری نسبیت اینیشتین

آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ با انتشار نظریه‌ی نسبیت عام، انقلابی در درک ما از جهان پدید آورد. در دنیای تئوری، فضا و زمان همانند پارچه‌ای هستند که حتی تا دورترین نقاط جهان هم گسترش پیدا کرده‌اند. هنگامی که ماده و انرژی این پارچه را به سمت پایین فشار می‌دهند، آنها با این کار در واقع هندسه آن را تغییر می‌دهند.

این پدیده به گفته‌ی انیشتین همان چیزی است که باعث پدید آمدن گرانش می‌شود. هنگامی که اجرام عظیم همانند خورشید بر روی پارچه‌ای از فضا-زمان فشار وارد کنند، آنگاه اجرام دیگری مانند زمین به آن واکنش نشان می‌دهند و در آن هندسه منحنی شروع به گردش می‌کنند.

صد سال بعد از بیان اینیشتین، دانشمندان با استفاده از این نظریه به مدل‌های دقیقی در جهان‌شناسی دست یافته‌اند که آنها را قادر می‌سازد تا بتوانند به شناسایی بهتر تکامل جهان هستی بپردازند. در یک گفتگوی مطبوعاتی در دانشگاه کیس وسترن اعلام شد که:

دو تیم تحقیقاتی در دو سوی اقیانوس آتلانتیسنشان داده‌اند که مدل‌سازی دقیق جهان و محتویات آن، باعث ایجاد تغییر بنیادین در درک دقیق از تکامل جهان و رشد ساختار آن خواهد شد.

هموار کردن توده‌ها

دانشمندان تا به این زمان، باید با استفاده از یک روش تقریبی با مداد و کاغذ به مطالعه‌ی کیهان‌شناسی می‌پرداختند. گلن استارکمن (Glenn Starkman)، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه کیس وسترن رزرو به پایگاه بیزنس اینسایدر چنین گفته است:

معادلات نسبیت عام بسیار پیچیده بوده و شامل بسیاری متغیرهای مختلف هستند. شما باید به دنبال بسیاری از پدیده‌های مختلف بگردید که با روش‌های بسیار پیچیده‌ای به هم مرتبط شده‌اند.

برای انجام این کار، آنها باید جهانی را که ناصاف و پر از اجرام گوناگون است به صورت چگال‌تر از فضای اطراف آنها در نظر گرفته و آن را هموار تصور کنیم. استارکمن گفت:

در آن جهان صاف، ما به صورت محل به محل می‌توانیم تفاوت‌های بسیار اندکی را برای تشریح چگونگی رفتار اشیا متصور باشیم. اما به طور کامل نمی‌توانیم به شرحی یکپارچه از چگونگی تکامل یافتن جهان برسیم.

اما در طول این دوره‌ی ۱۰۰ سال گذشته، کامپیوترهای مدرن توسعه پیدا کرده‌اند و رفته رفته سریع‌تر از قبل می‌شوند. و در طول ۲۰ یا ۳۰ سال گذشته، به خصوص هنگامی که دانشمندان به دنبال شکار امواج گرانشی منتشر شده توسط ادغام سیاهچاله‌ها بودند، آنها به تکنیک‌های جدیدی را برای مطالعه‌ی معادلات پیچیده نسبیت عام بر روی کامپیوتر دست یافتند. استارکمن در این باره گفت:

ما نیازی نداریم که برای پی بردن به تکامل جهان، آن را هموار و صاف تصور کنیم. ما می‌توانیم یک جهان ناهمگن و ناصاف را در کامپیوتر اعمال کنیم و با نوشتن یک برنامه‌‌ی کامپیوتری، مشخص کنیم که کامپیوتر به چه طریقی از معادلات میدان اینشتین برای پی بردن به اینکه جهان از کجا آغاز شده و آینده‌اش چه خواهد شد، استفاده کند.

شما می‌توانید آن را مانند یک بادکنک تصور کنید. وقتی که شما روی آن بادکنک فشار وارد کنید، در مقابل پاسخ دریافت می‌کنید: کشش و تغییر شکل. هنگامی که شما یک قطعه از ماده یا انرژی را در جایی در فضا و زمان قرار دهید، این ماده باعث ایجاد یک گودی یا چاله در پارچه می‌شود. بسیاری از قطعات ماده در پهنه‌ی فضا گسترش یافته‌اند و تعداد زیادی از فرورفتگی‌ها را در آن ایجاد کرده‌اند.

آنچه که دانشمندان می‌خواهند بدانند این است که آن همه چاله در فضا دارای چه رفتاری و واکنشی در قبال هم بوده و فضا و زمان را چگونه تغییر می‌دهند. استارکمن از این پدیده با عنوان “رقص چاله‌ها” یاد می‌کند. استارکمن همچنین معتقد است که:

این پدیده همانند یک رقص پیچیده است که واقعا باید با دقت زیادی آن را دنبال کنید. شما باید آن بر روی یک کامپیوتر دنبال کنید تا قادر به تشخیص و بیان تفاوت‌ها باشید؛ بین آنچه که این چاله‌ها به طور دقیق انجام می‌دهند با آنچه که در صورت هموار شدن همه‌ی آنها در یک چاله‌ی بزرگ از خود بروز می‌دادند.

این مدل‌های جدید اجازه خواهد داد که دانشمندان به طور نزدیک این رقص را دنبال  کرده و میزان دقت تصویر  به دست آمده از جهان بر اساس تخمین‌هایشان را بررسی کنند. استارکمن اظهار می‌کند که:

برخی از افراد انتظار تغییرات بنیادین را دارند. آنها انتظار دارند که شتابی از جهان که ۲۰ سال پیش به آن پی برده شده، به طور کامل به علت اثرات نسبیتی بوده باشد. برخی دیگر نیز باور دارند که ما در حال حاضر باید از شکل جدیدی از انرژی به نام انرژی تاریک نیز برای احتساب این شتاب استفاده کنیم. هم اکنون ما در نهایت ابزار جدیدی را برای کاوش‌های پیرامون این موضوع به دست آورده‌ایم.

سمفونی جهان

به گفته‌ی استارکمن، دانشمندان تا کنون شبیه‌سازی‌هایی از جهان ایجاد کرده‌اند که شما می‌توانید هر یک از آنها را به عنوان بسیاری برش‌های متوالی از آنچه که جهان ممکن است در زمان‌های مختلف بوده باشد را در نظر آورید.

چاله‌ها به نوعی مانند نت‌های موسیقی در جهان هستند. تا این مرحله، در گفتگوی مطبوعاتی دانشگاه کیس وسترن توضیح داده شده است که آنچه که دانشمندان در حال انجامش هستند به نوعی همانند معتدل ساختن موسیقی ساخته شده توسط یک سمفونی است. حضار احتمالا به صورت عمده یک نت میانگین منفرد را خواهند شنید و ضرب کلی نیز نگه داشته شده و رشد به طور کلی بلندتر و ملایم‌تر می‌شود. این مدل‌های جدید اجازه می‌دهد تا آنها بتوانند “نت‌های منفرد و ریتم از هر یک از ابزارهای ارکستر” را بشنوند. اما به دلیل محدودیت‌ کامپیوترها، این مدل‌ها هنوز هم کامل نیستند.

گام بعدی این است که مدل‌ها را با افزایش اندازه‌ی مناطقی که مورد قرار می‌گیرند، بهبود ببخشیم. آنها می‌خواهند این نت‌ها را برای پر کردن سمفونی بهبود بخشند. استارکمن در این باره گفت:

تا کنون ما تنها توانسته‌ایم چندصد نت را در آنجا قرار دهیم. ما می‌خواهیم هزاران یا میلیون‌ها نت را در آن قرار دهیم تا به ساختار بیشتر و بیشتری از جهان دست یابیم.

دانشمندان همچنین می‌خواهند یک آزمایش قیاسی انجام دهند. در این آزمایش آنها وانمود می‌کنند که به عنوان ناظرانی به نظاره‌ی این جهان نشسته‌اند و پرتوهای نور را از هر جهتی دریافت می‌کنند. مقداری از نور، یک مسافت کوتاه را از نزدیک‌ترین کهکشان می‌پیماید و مقداری از آن نیز شاید تقریبا تمام مسیر سراسر جهان را بپیماید که میلیاردها سال به طول می‌انجامد. آنها می‌خواهند دریابند که این نوع نگرش به جهان چه تفاوتی در مقایسه با یک جهان هموار خواهد داشت؛ جهانی بدون چاله‌ها. آنها در ادامه تصمیم دارند که میزان تفاوت مدل‌ها را مورد بررسی قرار دهند. استارکمن درباره‌ی این موضوع چنین گفته است:

موضوع هیجان انگیز است که به نظر می‌رسد ما تفاوتی را شناسایی کرده‌ایم. این احتمال وجود دارد که یک تفاوت قابل اندازه‌گیری بین چگونگی رفتار جهان هموار(صاف) و جهان با حالت انباشه وجود داشته باشد. این نکته‌ی شگفت‌انگیزی است که رسیدن به آن بیش از ۱۰۰ سال زمان برده است. اما ما در نهایت به نقطه‌ای رسیده‌ایم که می‌بینیم نظریه‌ی نسبیت عام با قدرت کامل، می‌تواند بر تمامی عملکرد کل کاینات اعمال شود.