Share

کیهان شناسی

در بخش قبلی ِ این سلسله ‌مقالات، گفتیم که فیزیکدانان برای درک زبان پیچیده‌ی نظریه کوانتوم، به «تعابیر» متعددی متوسل شده‌اند؛ و یکی از آن‌ها هم تعبیر کیهان‌شناختی‌ست:

 “… شاید در نگاه نخست، این تعبیر، گنگ‌ترین و بطلان‌ناپذیرترین تعبیری باشد که تاکنون شنیده‌اید. اما خوشبختانه یک پیش‌بینی بزرگ هم دارد: اگر تنها یک تابع موج بر جهان حکم کند و جهان هم فاقد مرز باشد، آنگاه عباراتی مثل «این طرف» و «این‌جا» برایش بی‌معنی‌اند؛ چراکه این تابع موج، اصلاً قابلیت تشخیص هیچ نقطه یا جهت خاصی از فضا را ندارد. پس ما به هر طرف از جهان که بنگریم و در هر جایش که بایستیم، باید چشم‌انداز مشابهی ببینیم (درست مثل اینکه مه سنگینی جهان را فراگرفته باشد). کافی‌ست سرتان را نیم‌دور بچرخانید تا چنین تعبیری باطل شود. اما پیش از این کار، بهتر است از یک کیهان‌شناس هم مسأله را جویا شویم؛ چراکه آنها بالغ بر ٨٠ سال است که می‌گویند: جهان در مقیاس‌های بزرگ، در همه‌جا و از همه‌سو یکسان دیده می‌شود”.

 نگاهی به جهان کسالت‌بار یک کیهان‌شناس

البته کیهان‌شناسان به جای عبارت «در همه‌جا یکسان»، از کلمه «همگن»؛ و به جای عبارت «از همه‌سو مشابه»، از کلمه «همسانگرد» استفاده می‌کنند و در مجموع به جمله‌ی «جهان در مقیاس‌های بزرگش همگن و همسانگرد» است؛ اصطلاحاً «اصل کیهان‌شناختی» (Cosmological Principle) می‌گویند. در واقع ٩٠ سال پیش، وقتی‌که ریاضیدان روسی، «الکساندر فریدمن» (Alexander Friedmann) تلاش کرد تا جهان هستی را با تعریف تازه‌ای که نظریه نسبیت عام اینشتین از مفهوم «فضا» بیان کرده بود توضیح بدهد، به این نتیجه رسید که جهان نه‌تنها باید «اصولاً» همگن و همسانگرد باشد بلکه باید اصولاً منبسط، یا منقبض هم بشود. این پیش‌بینی‌های عجیب و غریب، بیشتر به ضرر نظریه نسبیت عام بود تا اینکه کمکی به اثباتش بکند؛ چراکه ستاره‌شناسان در آن زمان هیچگونه نشانی از انبساط، یا انقباض فضا نیافته بودند. به همین‌واسطه، اینشتین جمله‌ای را به معادلاتش افزود تا فضا مثل همیشه و برای همیشه تخت و ایستا بماند. اما کمتر از دوازده سال بعد که «ادوین هابل» (Edwin Hubble)، با تشخیص سرعت یکنواخت عقب‌نشینی ِ کهکشان‌های دوردست، موفق به کشف انبساط جهان شد؛ اینشتین این کار خود را «بزرگترین اشتباه زندگی‌اش» نامید. انبساط جهان، اصولاً از جایی می‌بایست شروع شده باشد و لذا کیهان‌شناسان رفته‌رفته قانع شدند که جهان، در یک وضعیت داغ و متراکم به وجود آمده است. اما چرا برخلاف تصور رایج، عبارت «وضعیت داغ و متراکم»، الزاماً به معنی یک «نقطه داغ و متراکم» نیست؟ حتماً شما هم به گوش‌تان خورده که می‌گویند جهان از یک نقطه به وجود آمد. اما نظریه انفجار بزرگ هرگز این را نمی‌گوید. پس بهتر است پیش از آنکه ببینیم اصل کیهان‌شناختی چگونه به اثبات رسید، منظور این نظریه از «وضعیت داغ و متراکم» را بهتر متوجه بشویم.

حتماً عبارت «سال نوری» برایتان آشناست. ستاره‌شناسان، اغلب برای بیان فاصله‌های نجومی، به جای متر و کیلومتر و …، از شاخصی موسوم به سال نوری استفاده می‌کنند. مثلاً نزدیک‌ترین ستاره به خورشید، در حدود ۴ سال نوری از ما فاصله دارد: یعنی ۴ سال طول می‌کشد تا نورش به چشم ما برسد. به عبارت دیگر، اگر الآن برایش اتفاقی بیفتد، تا چهار سال دیگر آن را نخواهیم فهمید. دورترین کهکشان‌هایی که ستاره‌شناسان موفق به رصدشان شده‌اند، در حدود ۱۳،۲ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارند. طبق نظریه انفجار بزرگ، با توجه به آهنگ فعلی انبساط جهان، این انفجار می‌بایسته در حدود ۱۳،۷ میلیارد سال پیش رخ داده باشد. به نظرتان اگر تلسکوپ‌های ما در آینده موفق شوند به نیم‌میلیارد سال نوریِ دیگر هم نفوذ کنند، آیا مرز جهان آشکار خواهد شد؟

اگر از یک کیهان‌شناس این سؤال را بپرسید، او خواهد گفت: “اگر مثلاً ما می‌توانستیم جسمی را در فاصله ۱۳،۷ میلیارد سال نوری رصد کنیم؛ طبیعتاً نورش مربوط به ۱۳،۷ میلیارد سال پیش هم می‌شد. در این مدت، جهان پیوسته با آهنگ کم و بیش ثابتی منبسط می‌شده. پس این جسم، با توجه به آهنگ فعلی انیساط جهان، امروزه بایستی در حدود ۴۶ میلیارد سال نوری از ما فاصله داشته باشد. ما به این فاصله، اصطلاحاً «فاصله هَم‌روَندی» (Co-moving Distance) می‌گوییم”. احتمالاً خواهیم گفت: “پس مرز جهان، ۴۶ میلیارد سال نوری با ما فاصله دارد”. کیهان‌شناس خواهد گفت: “وقتی می‌گوییم جهان دارد منبسط می‌شود، منظورمان این نیست که کهکشان‌ها مثل ترکش‌های بزرگ، از مرکز انفجار دور می‌شوند. برای تصور انبساط جهان، کافی‌ست خودمان را درون خمیر یک کیک فرض کنیم. وقتی خمیر پف می‌کند، آیا می‌توان مرکزی برای انبساطش معرفی کرد؟ و آیا دانه‌های کشمش ِ پراکنده در آن هم مثل ترکش از یک نقطه دور می‌شوند؟ البته که خیر. کهکشان‌ها هم درست مثل کشمش‌های پراکنده در خمیر کیک هستند. چیزی که منبسط می‌شود، خودِ فضاست؛ درست مثل خمیر کیک. پس اگر دو کهکشان را رصد کنیم که فاصله‌شان به ترتیب ۵، و ١٠ میلیارد سال نوری از ما باشد، کهکشانِ دورتر با سرعت بیشتری از ما دور می‌شود، چراکه فضای بیشتری بین ما و آن کهکشان وجود دارد. نظریه انفجار بزرگ می‌گوید سرعت دور شدن جسمی که در فاصله 13.7 میلیارد سال نوری؛ یا همان فاصله همروندی ۴۶ میلیارد سال نوری از ما واقع شده، معادل سرعت نور است”.

1-انبساط جهان یعنی چه؟ تمام پنج کهکشانی که در طرح بالا مشاهده می‌کنید، در محل خودشان ساکن‌اند؛ اما کهکشان‌های همسایه را در حال عقب‌نشینی می‌بینند، حال‌آنکه کهکشان‌های همسایه نیز همینگونه قضاوت می‌کنند. سرعت عقب‌نشینی ِ هر کهکشان، بستگی به وسعت فضای مابین ناظر و آن کهکشان دارد. پس فرآیند انبساط جهان، از حرکت ذاتی ِ کهکشان‌ها برکنار است و صرفاً مربوط به کش آمدنِ فضای مابین‌شان می‌شود / منبع: دانشگاه اورگون

1- انبساط جهان یعنی چه؟ تمام پنج کهکشانی که در طرح بالا مشاهده می‌کنید، در محل خودشان ساکن‌اند؛ اما کهکشان‌های همسایه را در حال عقب‌نشینی می‌بینند، حال‌آنکه کهکشان‌های همسایه نیز همینگونه قضاوت می‌کنند. سرعت عقب‌نشینی ِ هر کهکشان، بستگی به وسعت فضای مابین ناظر و آن کهکشان دارد. پس فرآیند انبساط جهان، از حرکت ذاتی ِ کهکشان‌ها برکنار است و صرفاً مربوط به کش آمدنِ فضای مابین‌شان می‌شود / منبع: دانشگاه اورگون

 احتمالاً خواهیم گفت: “از آنجاکه هیچ چیز در فضا نمی‌تواند از سرعت نور سریع‌تر برود، پس منطقی‌ست که مرز جهان، ۴۶ میلیارد سال نوری از ما فاصله داشته باشد”. کیهان‌شناس خواهد گفت: “درست است که هیچ چیز نمی‌تواند در فضا از سرعت نور سریع‌تر برود؛ اما خودِ فضا می‌تواند! نظریه نسبیت خاص ِ اینشتین مانع از این شده که چیزی سریع‌تر از نور حرکت کند. اما نظریه نسبیت عام، فقط یک چیز را مجاز به این کار می‌کند: چیزی که نور در آن حرکت می‌کند؛ یعنی فضا. به عبارت دیگر، کشمش‌ها نمی‌توانند از نور جلو بزنند، اما خمیر کیک می‌تواند. پس اگر کهکشانی فاصله‌اش بیشتر از ۴۶ میلیارد سال نوری از ما باشد، نورش هرگز به ما نخواهد رسید. در واقع آنچه که تلسکوپ‌های آینده از این کهکشان به ما نشان خواهند داد، تصویری از لحظه تولدش است. از آن به بعدش او با سرعتی بیش از سرعت نور از ما دور شده و دیگر هیچ نوری مربوط به لحظات بعدی‌اش به ما نخواهد رسید. ما کیهان‌شناسان، هر وقت از کلمه «جهان» استفاده می‌کنیم؛ در واقع منظورمان حبابی به شعاع ۴۶ میلیارد سال نوری است که نام کاملش «جهان رؤیت‌پذیر» (Observable Universe) است. وقتی ستاره‌شناسان می‌گویند جهان در گذشته‌های دور به اندازه یک بادکنک بوده، در واقع به همین جهانِ رؤیت‌پذیر اشاره می‌کنند. اگر بگوییم کل جهان به اندازه یک بادکنک بوده، اشتباه کرده‌ایم. چون در هر نقطه‌ای از جهان که بایستید، جهان رؤیت‌پذیرتان هم مثل سایه به همراه‌تان خواهد آمد. پس اگر این بادکنک‌ها را کنار هم بگذاریم، دوباره به جهانی بیکران می‌رسیم. به عبارت دیگر، جهان بیکران است؛ حتی در لحظه انفجار بزرگ!”.

پس نظریه انفجار بزرگ نمی‌گوید جهان از یک «نقطه»‌ی داغ و متراکم متولد شد؛ بلکه می‌گوید از یک «وضعیت» داغ و متراکم متولد شد. با این حساب اگر جهان روزگاری داغ بوده، پس امروزه هم بایستی بتوان این گرما را حس کرد، حتی هم اگر ۱۳،۷ میلیارد سال از آن روزگار گذشته باشد. طبق نظریه انفجار بزرگ، جهان در سنین نوباوگی‌اش به قدری گرم بوده که تمام اتم‌های اولیه، باردار بوده‌اند و در چنین محیطی (که پلاسما نام دارد) نور حبس می‌شود و گویی اطرافتان را یک مه سنگین فراگرافته است. پس حدود ٣٨٠ هزار سال بایستی می‌گذشت تا با کاهش تراکم فضا و خنثی شدن اتم‌ها در پی افت دما، جهان از زیر این مه سنگین درآید و شفاف بشود. اگر موفق به تماشای لحظه آزادی این نور بشویم، در واقع به برهه‌ای از جهان نگریسته‌ایم، که بیش از ٣٨٠ هزار سال از عمرش نگذشته است.

در سال ١٩۶۵، اخترشناسان موفق به کشف آثار این گرمای اولیه شدند. البته امروزه دیگر نمی‌شود آن را گرما نامید، چراکه دمایش به حدود ٢٧٠- درجه سانتیگراد رسیده است! یعنی دمای خلأ مطلق فضا تقریباً ٢٧٠- درجه سانتیگراد است. اگر دوربین‌های دید در شب، برای تشخیص گرمای محیط، از طول موج مادون قرمز استفاده می‌کنند؛ برای تشخیص گرمای بازمانده از سنین نوباوگی جهان، بایستی به یک حسگر میکروویوِ دقیق متوسل شد. از دید این حسگر، آسمان تماشایی‌ست: جهان هستی از همه‌سو یکسان دیده می‌شود! این نور، در واقع ترسیم‌گر چهره جهان در حدود ٣٨٠ هزار سال بعد از انفجار بزرگ است. بنابراین هرچند که در مقیاس‌های کوچک، هر طرف از جهان را که بنگریم، چیز متفاوتی خواهیم دید؛ اما جهان در مقیاس‌های بزرگش کاملاً همگن و همسانگرد است. از این‌رو باید اصل کیهان‌شناختی را در آن برهه پذیرفت.

اما تعبیر کیهان‌شناختی نظریه کوانتوم، هنوز قصد کوتاه آمدن ندارد و می گوید “جهان، در تمام مقیاس‌ها؛ و در تمام طول عمرش همگن و همسانگرد بوده و هست”. به همین‌واسطه دیوید لیزر، عنوان «اصل قوی کیهان‌شناختی» (Strong Cosmological Principle) را برای این بخش از تعبیر خود انتخاب می‌کند و آن را از «اصل کیهان‌شناختی» تمیز می‌دهد. با این حساب، این تعبیر چگونه ناهمگنی‌ها و ناهمسانگردی‌های جهان در مقیاس‌های کوچکش (از جمله همین‌که من و شما با هم اختلاف داریم) را توجیه می‌کند؟

QTM4-2

2- نمودار پایین: نقشه ۲۳۲ هزار و ۱۵۵ کهکشان، که در دو مخروطِ مختلف‌الجهت از آسمان تا فاصله حداکثر ۲ میلیارد سال نوری از ما واقع شده‌اند. همانگونه که می‌بینید، می‌توان گفت که توزیع کهکشان‌ها در جهانِ بزرگ‌مقیاس، تقریباً همگن و همسانگرد است (کاهش تعداد کهکشان‌ها در نواحی دورتر، به‌واسطه ضعف حساسیت تلسکوپ به نور ضعیف کهکشان‌های دوردست است). بزرگترین ساختار یکپارچه کیهانی در همسایگی ما که تاکنون بشر موفق به کشف‌اش شده، خوشه‌ای عظیم از کهکشان‌ها موسوم به «دیوار کبیر» (The Great Wall) است، که با درازای ۱،۳۷ میلیارد سال نوری، یک‌شصتم قطر جهان بزرگ‌مقیاس را در برمی‌گیرد. در ابعاد بزرگ‌تر از دیوار کبیر، تقریباً جهان از همه‌سو ساختار یکنواختی دارد. این نقشه‌برداری، در حدفاصل سال‌های ۱۹۹۷ تا ۲۰۰۲ میلادی توسط رصدخانه ۳،۹ متریِ آنجلو در استرالیا انجام شد و اخترشناسان به مدت یک سال مشغول پردازش داده‌های حاصل از آن بودند. از آنجایی‌که در هر بار تصویربرداری، تلسکوپ محدوده‌ای به قطر ۲ درجه از آسمان را پوشش می‌داد، این نقشه‌برداری به 2dF (مخفف «میدان دیدِ دودرجه‌ای») معروف شد. نواحی اصلی ِ تحت پوشش تلسکوپ نیز دو مخروط از آسمان به‌شکل عمود بر صفحه کهکشان راه شیری بود تا غبار میان‌ستاره‌ایِ پراکنده در کهکشان، مزاحم رصد کهکشان‌های دوردست نشود.
نمودار بالا: ماحصل نقشه‌برداری تیم 2dF از جایگاه ‌‌تقریباً ۱۰ هزار «کوازار» (Quasar)، از فاصله ۲ میلیارد سال نوری تا مرزهای جهان رؤیت‌پذیر. کوازارها، هسته‌های فعال و فوق‌‌العاده درخشان متعلق به کهکشان‌های جوان هستند. از آنجاکه تقریباً امروزه تمام کهکشان‌های فعالِ جهان بالغ شده‌اند؛ کوازارها را تنها در فواصل دوردست (بیش از 2 میلیارد سال نوری) می‌توان مشاهده کرد، به‌طوریکه طبق نمودار بالا، بیشترین جمعیت‌شان مربوط به ۱۳ تا ۱۰ میلیارد سال پیش بوده است و از آن پس، رفته‌رفته رو به خاموشی گذاشته‌اند. این نقشه، مدرک مستقیمی‌ست که نشان از همگن و همسانگرد بودن جهانِ بزرگ‌مقیاس می‌دهد. نمودار پایین، تنها بخشی کوچک از نمودار بالا را (که با رنگ سبز متمایز شده) پوشش می‌دهد. بنابراین هرچه مقیاس‌های‌مان را بزرگ‌تر فرض بگیریم؛ جهان نیز همگن‌تر و همسانگردتر خواهد شد / منبع: M. Colless (ANU) and the 2dF Galaxy Redshift Survey

 ادامه دارد …

در همین زمینه:

 بخش اول: راز ژرف ماده

بخش دوم: شعبده‌های زیراتمی

بخش سوم: در تکاپوی توضیح «هیچ»

Share