یک‌صد سال پیش، آلبرت اینشتین مقاله‌ای با عنوان «ملاحظات کیهانی در نظریه‌ی نسبیت عام» به آکادمی علوم برلین ارائه کرد. این مقاله، در ۱۵ فوریه ۱۹۱۷۷ در نشریه‌ی آکادمی منتشر شد که زیربنای مدل جهانی امروزی بیگ‌بنگ (مه‌بانگ) را پایه‌‌ریزی کرد. تنها یک سال قبل از آن، اینشتین شاهکار بزرگ خود را کامل کرده بود که یک تئوری جدید در مورد گرانش، فضا و زمان بود و به عنوان تئورینسبیت عام شناخته می‌شد. یکی از اصول اساسی تئوری جدید این بود که فضا و زمان، کمیت‌هایی مطلق و تغییرناپذیر نیستند، بلکه قابل انعطاف، وابسته و تحت تأثیر وجود ماده هستند. این رفتار در معادلات میدانی نسبیت عام نهفته است.
با تکمیل این تئوری، طبیعی بود که اینشتین این تئوری جدید را در کل فضا و زمان اعمال کند تا بررسی کند که آیا تئوری نسبیت عام می‌تواند یک مدل قابل قبول از کل جهان ارائه دهد یا خیر. او در نامه‌ای به ستاره شناس آلمانی، ویلم دی سیتر اعلام کرد: «برای من، این یک سوال پراهمیت بود که آیا مفهوم نسبیت می‌تواند تا انتها دنبال شود یا سرانجام به تناقض برمی‌خورد». با این حال، او دریافت که با جهانی که در زمان، ساکن (ایستا) فرض شده است، این کار آسان نیست. دشواری اصلی، این عقیده‌ی اینشتین بود که یک مدل قابل قبول از جهان باید بتواند هم مفهوم نسبیت (مفهومی که لازمه‌ی آن قابل تغییر بودن همه‌ی چارچوب‌های مرجع است) و هم فرضیه‌ای که بعدها آن را اصل ماخ نامید (که بر اساس آن اینرسی یک جسم با وجود جرم‌های دیگر در جهان تعیین می‌شود) را منعکس کند. اینرسی اصطلاحی است که فیزیک‌دانان برای توصیف مقاومت یک جسم در مقابل حرکت کردن استفاده می‌کنند.
جهان اینشتین
در مقاله‌ی اولیه‌ی ملاحظات کیهانی که در سال ۱۹۱۷ ارائه شد، اینشتین نشان داد که نسبیت عام در واقع می‌تواند یک مدل سازگار از جهان ایستا نتیجه دهد. با این وجود، دو فرض لازم بود؛ اول اینکه جهان دارای هندسه‌ی فضایی بسته است (همانند یک کره‌ی سه‌بعدی) و هیچ آغاز و پایانی در زمان ندارد، دوم اینکه یک راه حل سازگار نیازمند معرفی یک عبارت جدید در معادلات میدانی نسبیت بود. بعضی دانشمندان، عبارت جدید را که به عنوان ثابت کیهانی شناخته می‌شود، به عنوان عاملی فرضی (fudge factor) در نظر گرفتند و ادعا کردند که این عامل به تقارن و سادگی معادلات میدانی اصلی آسیب می‌رساند. به هر حال، نسبیت عام امکان وجود این عبارت را داد. در واقع کمتر کسی می‌داند که اینشتین به امکان وجود چنین گسترشی در معادلات میدانی در تفسیر اولیه‌ی خود در سال ۱۹۱۶ اشاره کرده بود. حالا این ثابت کیهانی، کاربردی مهم پیدا کرده بود؛ چرا که امکان وجود مدلی از جهان را فراهم می‌کرد که با دیدگاه اینشتین در مورد نسبیت اینرسی سازگاری داشت.
مقاله‌ی ملاحظات کیهانی اینشتین، مطلبی بسیار جذاب است؛ چرا که حاوی بحثی در مورد دیدگاه‌های او در خصوص کیهان‌شناسی نیوتنی و شرحی از مسیر طولانی او برای رسیدن به یک مدل قابل قبول از جهان است. اخیرا مقاله‌ای مروری به مناسبت صدمین سالگرد انتشار مقاله‌ی اینشتین منتشر شده که در آن اشاره شده است که تجزیه و تحلیل اینشتین در نهایت به رابطه‌ای ساده بین شعاع کیهان (R)، ثابت کیهانی و میانگین چگالی ماده در جهان منجر می‌شود.
اینشتین و مدل‌های جایگزین برای جهان
یکی از جنبه‌های پیچیده‌ی ملاحظات کیهانی، شکست اینشتین در مورد در نظر گرفتن ثبات جهان ایستای او است. تجزیه و تحلیل او، وجود یک رابطه‌ی مستقیم بین اندازه‌ی جهان و چگالی ماده‌ی درون آن را پیش‌بینی کرد. اما اگر چگالی ماده در طول زمان تغییر کند، چه اتفاقی می‌افتد؟ در حقیقت، بعدها نشان داده شد که جهان اینشتین در مقابل آشفتگی در چگالی ماده بسیار ناپایدار است. این واقعا عجیب است که اینشتین به این جنبه از مدل جهان خود توجه نکرده است.
تنها چند ماه پس از انتشار مقاله‌ی ملاحظات کیهانی، فضانورد آلمانی، ویلم دی سیتر متوجه شد که اضافه شدن عبارت ثابت کیهانی به معادلات میدانی، امکان استفاده از یک راه حل کیهانی جایگزین، به عبارت دیگر حالت جهان بدون محتویات مادی را فراهم می‌کند. در این مقاله، دی سیتر، جهان مادی سه‌بعدی اینشتین با هندسه‌ی فضایی بسته را با جهانی چهاربعدی با یک هندسه‌ی فضا-زمانی بسته جایگزین کرد. اینشتین از مدل دی سیتر شدیدا آشفته شد؛ چرا که وجود یک راه حل خلأ برای جهان در تناقض مستقیم با درک او از اصل ماخ بود. بحثی طولانی بین این دو فیزیک‌دان درگرفت؛ با این حال هیچ مستندی در نوشته‌های اینشتین پیدا نشده است که نشان دهد او راه حل دی سیتر را به عنوان یک مدل واقع‌بینانه از جهان پذیرفته باشد.
در سال ۱۹۹۲ فیزیک‌دان جوان روسی، الکساندر فریدمن پیشنهاد کرد که راه حل‌های غیر استاتیکی معادلات میدانی اینشتین باید در مدل‌های جهان در نظر گرفته شود. با شروع از معادلات میدانی اصلاح شده، فریدمن به دو معادله‌ی دیفرانسیل رسید که سیر تکامل زمانی جهان را با چگالی ماده و ثابت کیهانی مرتبط می‌کرد. اینشتین به ایده‌ی فریدمن روی خوشی نشان نداد. اولین واکنش او این بود که فیزیک‌دان روسی دچار یک خطای ریاضی شده است. هرچند رفته‌رفته از این انتقاد پا پس کشید، یک پیش‌نویس منتشر شده از اینشتین نشان می‌دهد که او کیهان‌شناسی فریدمن را غیرواقع‌گرایانه می‌پنداشت.
در سال ۱۹۲۷ فیزیک‌دان بلژیکی، ژرژ لومتر هم با استفاده از معادلات میدانی اصلاح شده، به معادلاتی متغیر با زمان برای شعاع جهان رسید. با آگاهی از مشاهدات نجومی از پس‌رفت سحابی‌های مارپیچ و با توجه به شواهد در حال ظهوری مبنی بر اینکه سحابی‌ها از کهکشان‌های متمایزی بسیار فراتر از راه شیری تشکیل شده‌اند، لومتر مشاهدات نجومی جدید را با فرض اینکه این داده‌ها مدرکی برای اثبات غیر ایستا بودن و در حال انبساط بودن جهان هستند، به تئوری نسبیت ارتباط داد. ظاهرا این نتیجه هم اینشتین را خوشنود نکرد: لومتر در خاطرات خود یادآور شده است که اینشتین مدل جهان در حال انبساط او را «زشت و منفور» توصیف کرده است.
اما همه چیز در سال ۱۹۲۹ تغییر کرد. ادوین هابل، ستاره‌شناس آمریکایی، اولین مدرک قطعی از وجود یک رابطه‌ی خطی بین پس‌رفت سحابی‌های مارپیچ و فاصله‌ی شعاعی آن‌ها را منتشر کرد. بسیاری از فیزیک‌دانان، نتایج هابل را به عنوان مدرکی از جهانی که با مقیاس‌های بزرگ در حال انبساط است، پذیرفتند و انواع مدل‌های متغیر با زمان واقع‌گرایانه از کیهان مطرح شد. خود اینشتین نیز زمان کمی را در رها کردن کیهان‌شناسی شخصی خود تلف کرد. در اوایل دهه‌ی ۱۹۳۰، او دو مدل مجزا از جهان در حال انبساط، یکی با هندسه‌ی منحنی فضایی بسته و دیگری با هندسه‌ی اقلیدسی، منتشر کرد. در هر دو مورد، او استفاده از ثابت کیهانی را ترک کرد که نشان داد این عبارت هم غیرقابل قبول بود (چون یک راه حل ناپایدار را برای مدل‌هایی ایستا نتیجه داده بود) و هم زائد (چون بدون این عبارت نسبیت قادر بود انبساط جهان را توصیف کند).
در سال ۱۹۳۱ لومتر دومین پیشرفت بزرگ خود را به دست آورد. او با اشاره به اینکه جهان در حال انبساط، در گذشته بدون شک کوچک‌تر، متراکم‌تر و داغ‌تر بوده است، این ایده را پیشنهاد داد که ممکن است جهان ما از یک گوی آتشین بسیار کهن نشأت گرفته باشد که در طول چند میلیارد سال منبسط و سرد شده است. این ایده بعدها به مدل بیگ‌بنگ کیهان تبدیل شد که در ابتدا طرفداران کمی داشت؛ اما با کشف چندین مورد از شواهد حامی این تئوری، در دهه‌ی ۱۹۶۰۰ ورق برگشت. مهم‌ترین مورد در میان این کشفیات، یعنی تابش کیهانی ضعیف بازمانده از جهان بسیار کهن که به‌عنوان مایکروویو پس‌زمینه‌ی کیهانی شناخته می‌شود، همچنان به عنوان زمینه‌ی تحقیقی مورد علاقه‌ی کیهان‌شناسان امروزی، باقی مانده است.
«بزرگ‌ترین اشتباه من»
جورج گاموف، دانشمند مهاجر روسی‌تبار در خاطرات خود اعلام کرده است که اینشتین یک بار ثابت کیهانی را به عنوان «بزرگ‌ترین اشتباه خود» توصیف کرد. در سال‌های اخیر تردید‌هایی در مورد ادعای گاموف مطرح شده است؛ با این وجود، دیگر فیزیک‌دانان نیز گزارش‌های مشابهی ارائه کرده‌اند. قطعا فکر کردن به اینکه اگر اینشتین ثابت کیهانی را به معادلات میدانی وارد نمی‌کرد، احتمالا انبساط جهان را چندین سال قبل از مشاهدات هابل پیش‌بینی می‌کرد، بسیار جالب است. اما از طرف دیگر باید به یاد داشته باشیم که تلاش اینشتین در سال ۱۹۱۷ این بود که بررسی کند آیا نسبیت قادر است جهان شاخته شده، یعنی جهانی که ایستا فرض شده بود را توصیف کند یا خیر. اگر اینشتین از «بزرگ‌ترین اشتباه خود» سخن گفته باشد، احتمالا منظور او شکست وی در توجه به این موضوع بوده است که ثابت کیهانی مدل پایدار و استاتیکی از جهان ارائه نداده است.
امروز، با توجه به کشف شتاب انبساط کیهانی (پدیده‌ای که به عنوان انرژی تاریک شناخته می‌شود)، ثابت کیهانی بازگشتی دراماتیک به نسبیت را تجربه کرده است؛ بنابراین شاید بتوان گفت بزرگ‌ترین اشتباه اینشتین رها کردن این عبارت در دهه‌ی ۳۰ بوده است. با این حال، چنین دیدگاهی هم تا حدودی غیرتاریخی است؛ چرا که شواهد وجود انبساط شتاب‌دار، در زمان او شناخته شده نبود.
جهان اینشتین باز می‌گردد
متعجب خواهید شد اگر بدانید که مدل استاتیک اینشتین بار دیگر به موضوع مورد علاقه‌ی برخی از کیهان‌شناسان امروزی تبدیل شده است. در تلاش برای فرار از مشکل شناخته‌شده‌ی تکینگی بیگ‌بنگ، نظریه‌پردازان به امکان وجود جهانی انبساط یافته از یک جهان استاتیکی اینشتین علاقه‌مند شده‌اند. اینکه آیا این سناریو که به عنوان جهان در حال ظهور شناخته می‌شود، می‌تواند توصیفی محتمل و سازگار از جهان اولیه ارائه دهد یا نه، معلوم نیست؛ اما فکر کردن به اینکه همچون ثابت کیهانی، جهان اینشتین هم ممکن است بازگشتی دراماتیک داشته باشد، جالب است.