آیا انرژی تاریک، واقعاً وجود دارد؟

در حال حاضر آخرین بازیگری که در این نمایش جذاب، حین ایفای نقش عجیبش آن را شناخته‌ایم، “انرژی تاریک” است. همان عامل مرموزی که به رغم انتظار کیهان‌شناسان، انبساط جهان را شتاب می‌بخشد، اما در این نمایش، آیا می‌شود انتظار ظهور چهره‌های ناشناخته بیشتری را هم کشید؟ پاسخ اکثر کیهان‌شناسان و فیزیکدانان جهان مثبت است و طبیعتاً این موافقت بی‌چون و چرا را هم بایستی ناشی از سیل سئوالات بی‌پاسخ و روزافزونی دانست که در این دو رشته مطرح می‌شوند، اما دانشمندانی هم هستند که این قسمت از نمایش کیهان را با کشف انرژی تاریک، پایان‌یافته تلقی می‌کنند و آن را پیش‌پرده یک انقلاب قریب‌الوقوع علمی برمی‌شمرند. انقلابی که قهرمانانش نه ماده یا انرژی تاریک، بلکه کسانی هستند که نسبت به جریان مرسوم علم، به دیده تردید می‌نگرند. بالغ بر یک قرن پیش، نظریات نوظهور نسبیت و کوانتوم، تاحدی موفق به پاک‌سازی محدوده‌های تاریک و نه‌چندان بارزی شدند که چهره فیزیک و اخترشناسی کلاسیک را از دید دانشمندان، اندکی لکه‌دار نشان می‌داد. حال با گذشت یکصد سال از آن روزها، نه‌تنها دانشمندان، بلکه مردم عادی هم می‌دانند حدود 95 درصد از جهان هستی را نمی‌شناسیم و لذا در تاریکی محض غوطه‌وریم، انگار بایستی رجوعی دوباره و این‌بار جدی‌تر به این جمله معروف نیلز بور (Niels Bohr)، از پیش‌آهنگان نظریه کوانتوم داشت که در خلال یک سخنرانی علمی، با اشاره به کلید موفقیت نظریه کوانتوم گفته بود: “درسی که ما در نظریه اتمی راجع به محدودیت کاربرد تصورات معمول‌مان آموخته‌ایم این بوده که … ما در نمایش باشکوه هستی، نه‌تنها تماشاچی که بازیگر هم هستیم.“

 

چگونه تاریکی‌هایی که امروزه غالباً سهم علم کیهان‌شناسی شده است را می‌توان به حضور یک بازیگر آشنا و ناشناخته- یعنی خودمان- نسبت داد؟ “تیموتی کلیفتون” و “پدرو فریرا” که هردوی‌شان از کیهان‌شناسان دانشگاه آکسفورد هستند، در این مقاله کمی مسئله را برای‌مان روشن می‌کنند.

 

 

بزرگترین انقلاب‌های علمی، محصول ناچیزترین اختلافات بوده‌اند. در قرن شانزده میلادی، نیکولاس کوپرنیک به پشتوانه مشکلی که برای بسیاری از اخترشناسان معاصرش تحت عنوان ناهمخوانی‌های «جزئی» و «مشکوک» مشاهده‌شده در مدار اجرام آسمانی شناخته می‌شد، این پیشنهاد را داد که شاید اصلاً زمین در مرکز جهان جای نداشته باشد. در زمانه خودمان هم انقلابی از یازده سال پیش و با کشف انبساط شتاب‌گیرنده کیهان در حال شکوفایی‌ است. ناهمخوانی ناچیزی که بین پیش‌بینی‌ها و مشاهدات اخترشناسان از شدت درخشندگی انفجارهای دوردست ستاره‌ای دیده می‌شد، آنان را متقاعد به قبول این موضوع کرد که تقریباً ٧٠ درصد از جهان هستی را نمی‌شناسند. همه آن چیزی هم که در چنته داشتند این بود: فضا مملو از چیزی است که شبیه به هیچ چیز دیگری نیست؛ چیزی که به جای کاستن از سرعت انبساط جهان، بر این سرعت می‌افزاید. از آن به بعد، این چیز را “انرژی تاریک” می‌نامیم.(رجوع کنید به به افتخار تاریکی)

 

حالا چهارده سال از آن روزها گذشته و ماهیت این چیز، آنقدر بحث‌انگیز شده است که جمعی از کیهان‌شناسان بر آن شده‌اند تا در همان فرضیه‌های بنیادینی که در وهله اول از وجود انرژی تاریک خبر می‌دادند، تجدید نظر کنند. یکی از این فرضیه‌ها، میراث یک انقلاب قدیمی‌تر است: اصل کوپرنیکی (Copernican Principle). براساس این اصل، زمینْ هیچ نقطه استثنایی و به‌خصوصی از فضا (نه مرکز جهان و نه هرجای برجسته دیگری) را به خود اختصاص نداده است و لذا پدیده‌هایی که در اطراف‌مان صدق کند را می‌توان به کل جهان هستی تعمیم بخشید. اگر این اصل اساسی را ندیده بگیریم، تصویری فوق‌العاده متفاوت از آن چیزی که به ‌پشتوانه رصدهای فعلی‌مان از جهان ترسیم شده است، آشکار خواهد شد.

 

تقریباً همه ما دیگر این را می‌دانیم و پذیرفته‌‌ایم که زمینْ مثل یک دانه غبار ریز است که به گرد ستاره‌ای متوسط می‌چرخد و در حاشیه کهکشانی جای گرفته است که به جز میزبانی از خودمان، هیچ اهمیت بارزی بر سایر همنوعان خودش ندارد. مواجهه با جهانِ شلوغی که میلیاردها کهکشان متنوع را در افق دید کیهانی‌مان جا داده، باعث می‌شود تا بپذیریم خانه ما هیچگونه جایگاه استثنایی و برجسته‌ای از فضا را به خود اختصاص نداده است. چه توجیهی اما برای این تواضع کیهانی وجود دارد؟ اصلاً اگر ما نقطه استثنایی و به‌خصوصی از فضا را هم اشغال کرده بودیم، چه مدرکی برای اثبات آن در اختیارمان بود؟ ستاره‌شناسان معمولاً از ورود به چنین مباحثی طفره می‌روند و فرض را بر این می‌گیرند که معمولی بودنِ خود ما انسان‌ها به قدر کافی آشکار است تا نیاز به بحث بیشتر را در این زمینه مرتفع بکند. اصلاً تصور این هم که ما شاید در نقطه‌ای غیر معمول و استثنایی از جهان هستی جای گرفته باشیم، برای اکثر ستاره‌شناسان غیرممکن است، اما درست همین فرض بوده که اخیراً ذهن گروه کوچکی از فیزیکدانان جهان را درگیر کرده است.

 

جالب اینجاست که فرض بر معمولی بودن و استثنایی نبودن جایگاه ما در پهنه گیتی، قدرت استدلال زیادی را به کیهان‌شناسان بخشیده است. همین فرض کافی است تا بتوان ویژگی‌های جهانی را که در همسایگی‌مان واقع شده است به کل جهان هستی عمومیت دهیم. در واقع تلاش‌های زیادی به منظور ارائه یک مدل جذاب و دقیق از جهان هستی، بر اساس “اصل کیهان‌شناختی” (Cosmological Principle)- که نسخه تعمیم‌یافته اصل کوپرنیکی است – انجام پذیرفته است؛ اصلی که می‌گوید جهان در مقیاس‌های بزرگش از همه سو و در همه جا مشابه دیده می‌شود و لذا نه‌تنها جایگاه ما، بلکه هر نقطه دیگری از جهان هستی هم بر سایر نقاطش استثناء نیست. وقتی اصل کیهان‌شناختی را با درک فعلی‌مان از مفاهیم “فضا”، “زمان” و “ماده” بیامیزیم، نتیجه این می‌شود که جهان در حال انبساط است. ابتدا گرم‌تر از این بوده و ضمناً امروزه می‌توان به وجود گرمای از دست‌رفته گیتی، مستقیماً پی برد. تمام این پیش‌بینی‌‌ها، با مشاهدات عینی همخوانی داشته‌اند.

 

مثلاً اخترشناسان اخیراً متوجه شده‌اند که نور کهکشان‌های دوردست، قرمزتر از نور کهکشان‌های نزدیک‌تر است. این پدیده که به “قرمزشدگی” (Redshift) معروف است را می‌توان به کش آمدن نور کهکشان حین عبور از فضای منبسط‌شونده نسبت داد. از این گذشته، آشکارسازهای میکروموجی، موفق به پرده‌برداری از پرده‌ای نازک و یکدست از نوعی تابش میکروموجی در سرتاسر آسمان شده‌اند که میراث سنین نوباوگی کیهان است. این نور یکدست، اصطلاحاً “تابش میکروموجی پس‌زمینه کیهان” (CMB) نامیده می‌شود که رد پای جهان داغ نخستین است. خب اگر بگوییم این کامیابی‌ها همه محصول همان حس تواضع ما و فرض بر معمولی بودن‌مان است، طبیعتاً حرف بی‌طرفانه‌ای زده‌ایم؛ یعنی از این به بعد هم هرچه بر شدت این احساس بیافزاییم، حرف‌های بیشتری راجع به جهان هستی برای گفتن خواهیم داشت.

 

 

پس چرا دنبال دردسریم؟ اگر اصل کیهان‌شناختی تا به این اندازه موفق ظاهر شده، پس چرا بایستی به صحت آن شک برد؟ مشکل اینجاست که رصدهای اخیر ستاره‌شناسان، نتایج عجیب و غریبی به دست داده‌اند. در طول کمتر از پانزده سال، آنها متوجه شده‌اند آن دسته انفجارهای ستاره‌ایِ درخشانی که در کهکشان‌های دوردست اتفاق افتاده است، کم‌نورتر از آن چیزی هستند که پیش‌بینی‌های مبتنی بر آهنگ فعلی انبساط جهان به دست داده بود. قرمزشدگی کهکشان‌ها، شاخصی است که معرف همین آهنگ است و لذا می‌توان از طریق تعیین قرمزشدگی نور کهکشانی که میزبان یک انفجار درخشان است، پی به آهنگ انبساط جهان در زمانی برد که این انفجار به وقوع پیوسته بود (مثلاً اگر کهکشانی ١٠ میلیارد سال نوری با ما فاصله داشته باشد، با این روش می‌شود آهنگ تغییر انبساط جهان در ١٠ میلیارد سال گذشته را با امروزه مقایسه کرد). پس هرچه قرمزشدگی نور یک انفجار ستاره‌ای (که از این پس آن را، به پیروی از اخترشناسان، “ابرنواختر” Supernova می‌نامیم) بیشتر باشد، به دوران کهن‌تری از عمر هستی نگریسته‌ایم و لذا جهان در این فاصله، دوران انبساط طولانی‌تری را پشت سر نهاده است.

 

بنابراین درخشندگی یک ابرنواختر، در عمل شاخصی برای تعیین فاصله‌اش از ماست که به همان ترتیب، می‌توان به قدمتش هم پی برد. حال اگر ابرنواختری که قرمزشدگی‌اش تعیین شده، کم‌نورتر از انتظارات ستاره‌شناسان باشد، آنوقت اصولاً فاصله‌اش هم بیشتر از برآوردهای اولیه است. نورش هم مدت‌زمان بیشتری را در راه بوده و با این حساب جهان مهلت بیشتری می‌خواسته است تا به ابعاد کنونی‌اش انبساط پیدا کند. پس نتیجه می‌گیریم که شتاب انبساط جهان در گذشته، کمتر از امروز بوده است. در واقع ابرنواخترها به قدری از پیش‌بینی‌های ستاره‌شناسان کم‌نورتر هستند که جهان برای رسیدن به آهنگ انبساط کنونی‌اش می‌بایست اندکی به سرعت خود بیافزاید و با شتاب بیشتری منبسط شود تا مشاهدات ما به نحوی توجیه شوند. به همین اعتبار است که می‌گوییم انبساط جهان، “شتاب” گرفته است.

 

همین شتاب انبساط بود که همه را در حیرت فروبرد و زمینه‌ساز یک انقلاب تازه در علم کیهان‌شناسی شد. در حقیقت انتظار می‌رفت که نیروهای کشندی ماده‌ای که سراسر کیهان را پر کرده‌اند، بر فضا فشار آورد و مانع از وقوع چنین انبساطی بشود؛ حال‌آنکه رصدهای ابرنواختری، خبر از چیز دیگری می‌دادند. اگر کیهان‌شناسان اصل کیهان‌شناختی را بپذیرند و فرض را بر این بگیرند که چنین انبساط شتاب‌گیرنده‌ای برای کلیه نقاط جهان هستی صدق می‌کند (و به عبارت دیگر، هیچ نقطه‌ای‌ را استثنا فرض نگیرند)، آنگاه اصولاً بایستی جهان هستی با نوع شگفت‌انگیزی از انرژی موسوم به “انرژی تاریک” پر شده باشد که تأثیری دافعه بر فضا اعمال می‌کند.

 

هیچ ذره یا نیرویی که هم‌ارز چنین نوع عجیبی از انرژی باشد را در مدل استاندارد ذرات و نیروهای بنیادین علم فیزیک نمی‌توان یافت. هیچکدام از خواص تعیین‌کننده فیزیکی انرژی تاریک – که در واقع خواص آشنایی هم نیست- مورد سنجش عملی واقع نشده‌اند و در ضمن چگالی‌اش هم در حدود ١٠ به توان ١٢٠ برابر از انتظارات اولیه کمتر است. فیزیکدانان حدس‌هایی راجع به ماهیت انرژی تاریک زده‌اند، اما هیچکدام از حرف‌هایشان تاکنون متقاعدکننده نبوده است. خلاصه ما در بحث از مقوله انرژی تاریک، پیوسته درون یک قلمرو تاریک هم قدم می‌نهیم. جمعی از پژوهشگران هم‌اکنون سرگرم طراحی و ساخت مأموریت‌های جاه‌طلبانه زمینی و فضایی برای کشف ماهیت این انرژی هستند و از دید بسیاری از صاحب‌نظران نیز این مسئله، بزرگ‌ترین چالش پیش روی کیهان‌شناسی مدرن است.

 

از یک طرف، گروهی از پژوهشگران نیز هستند که در مواجهه با چیزی چنین عجیب و شاید حتی غیر ممکن، دست به تجدید نظر در گزاره‌هایی زده‌اند که در وهله اول، آنها را به بن‌بست انرژی تاریک کشانده بود. یکی از این گزاره‌های بنیادین، فرض بر معمولی بودنِ جایگاه ما در پهنه کیهان است؛ به‌طوری که بتوان مشاهدات مربوط به نواحی پیرامون خودمان را به کل جهان هستی تعمیم داد. اگر قرار بود اصل کیهان‌شناختی را نپذیریم، آیا باز هم دلیلی برای پذیرفتن انرژی تاریک وجود می‌داشت؟

 

در تصویر متعارف‌ از جهان، ما راجع به انبساطی که در “کل جهان” رخ می‌دهد بحث می‌کنیم. درست مثل وقتی‌که بادکنکی را باد می‌کنیم: یعنی بحث‌مان معطوف به ابعاد کل بادکنک است، نه فقط یک قسمت کوچک از آن، اما احتمالاً همگی‌مان تجربه باد کردن بادکنک‌های بی‌کیفیت را هم داریم که به شکل غیر یکنواخت باد می‌شوند. یعنی یک سمت آن باد می‌شود، اما سمت دیگر آن همانگونه که بوده است، باقی می‌ماند. اگر قرار باشد جهان‌بینی جدیدی جایگزین تصویر متداول ما از جهان هستی شود و در گام نخستش هم اصل کیهان‌شناختی را نپذیرد، انبساط جهان را بایستی غیر یکنواخت فرض گرفت که در این صورت تصویری به مراتب پیچیده‌تر از گذشته ظهور خواهد کرد.

 

مثلاً این جهان‌بینی تازه که توسط جورج الیس (George Ellis)، چارلز هلابای (Charles Hellaby) و ناظم مصطفی از دانشگاه کیپ‌تاونِ آفریقای جنوبی مطرح شده و بعدتر توسط ماری نوئل سیلیه (Marie-Noëlle Célérier) از رصدخانه پاریس- مئودون فرانسه بسط داده شده است را در نظر بگیرید:

 

فرض کنید که شتاب انبساط جهان، براساس پیش‌بینی‌های اولیه کیهان‌شناسان و به‌واسطه نیروهای کشندی ماده موجود در آن، در حال کاهش است. ضمناً این را هم فرض کنید که ما در یک حفره عظیم کیهانی واقع شده‌ایم. یعنی قسمتی از فضا که هرچند کاملاً خالی نیست، اما تراکم نسبی آن، نصف و یا حتی ثلث تراکم نسبی دیگر نقاط جهان است. هرچه یک قسمت فضا خالی‌تر از اطرافش باشد، طبیعتاً حاوی ماده کمتری هم هست تا بر انبساط فضا فائق آید. بنابراین انبساط فضا در این حفره، سریع‌تر از انبساط سایر قسمت‌های فضاست؛ به‌طوری که سریع‌ترین حالت انبساط را در مرکز حفره داریم و رفته‌رفته با دورتر از شدن از مرکز و نزدیک‌تر شدن به نواحی پرتراکم پیرامون، از سرعت انبساط فضا کاسته می‌شود. به عبارت دیگر، آهنگ انبساط قسمت‌های مختلف فضا با هم فرق می‌کند و مثل سطح غیر یکنواخت یک بادکنک بی‌کیفیت است.

 

حالا بیایید ابرنواخترهایی را فرض بگیریم که در قسمت‌های مختلف این جهان غیر یکنواخت ظاهر شده‌اند؛ یعنی بعضی نزدیک به مرکز حفره، بعضی نزدیک به مرزها و بعضی هم خارج از آن. اگر ما در نزدیکی‌های مرکز حفره باشیم و یک ابرنواختر هم اصلاً درون حفره نباشد، آنوقت فضای گرداگرد ما سریع‌تر از نواحی خارج حفره منبسط خواهد شد. بنابراین نوری که از ابرنواختر درخشان گسیل می‌شود، هرچه به سمت ما راه می‌پیماید، انبساط فضا را سریع‌تر از گذشته تجربه می‌کند و با این حساب هر قسمت منحصر به فردی از فضا، نور عبوری را به میزان مشخصی کش می‌دهد. پس آنچه ما در نهایت روی زمین می‌بینیم، حاصل جمع این قرمزشدگی‌های پرافت و خیز است. حالا اگر بیاییم و در چنین شرایطی آهنگ انبساط فضای پیرامون خودمان را به کل جهان تعمیم ببخشیم، آنوقت شدت قرمزشدگی نور ابرنواختری که فاصله‌اش را محاسبه کرده‌ایم، کمتر از آن چیزی خواهد شد که با توجه به این فاصله انتظارش را می‌کشیدیم. برعکس، اگر شدت قرمزشدگی یک انفجار را محاسبه کنیم و بخواهیم فاصله‌اش را به دست آوریم، این فاصله بیشتر از انتظارات ما خواهد شد؛ چراکه ما جهان هستی را یکنواخت فرض گرفته بودیم. پس به اشتباه نتیجه می‌گیریم ابرنواختری که در فاصله‌ای‌ دورتر از انتظارات ما واقع شده است و لذا “کم‌نورتر” دیده می‌شود، از تغییر آهنگ انبساط فضا در طول زمان تأثیر پذیرفته است؛ حال آنکه در واقع فضا بوده که توزیع ماده در آن غیر یکنواخت بوده و چنین توهمی را برای ما ایجاد کرده است.

 

با این حساب، رصدهای غیرمنتظره اخیر را بدون توسل به فرض وجود انرژی تاریک هم می‌توان توجیه کرد، ولی برای صحت داشتن این جهان‌بینی تازه، ابعاد حفره‌ای که ما در آن واقع شده‌ایم، بایستی به شکل سرسام‌آوری بزرگ باشد. ابرنواخترهای بحث‌برانگیزی که اخیراً رصد شده‌اند، میلیاردها سال نوری از ما فاصله دارند که بخشی قابل توجه از ابعاد کل جهان رؤیت‌پذیر ما را شامل می‌شود. یک حفره هم اصولاً بایستی چنین ابعادی داشته باشد؛ ابعادی که با معیارهای هر متخصصی که آن را بسنجیم، حقیقتاً “بزرگ” محسوب می‌شود.

 

 

 

ادامه دارد …

 

 

۱ـ نیکولاس کوپرنیک، اخترشناس و کشیش لهستانی. طبق “اصل کوپرنیکی”، زمین ما هیچ نقطه استثنایی و به‌خصوصی از جهان هستی را به خود اختصاص نداده است و جهان روی هم‌رفته دارای یک چگالی یکنواخت (یا همگن) است و از هر سمت و سویی هم که بدان بنگریم، یکسان دیده می‌شود (و یا به اصطلاح “همسانگرد” است). هرچند این گزاره در نگاه اول اشتباه به‌نظر می‌رسد، اما اصل کوپرنیکی را تنها بایستی برای مقیاس‌های فراکهکشانی به کار بست، کما اینکه اگر جهان- حتی در مقیاس‌های کوچکش هم- کاملاً همگن بود، آنگاه به جای اینکه آن را مجموعه‌ای از کهکشان‌ها بدانیم، بایستی به‌شکل سوپ رقیقی از اتم‌ها می‌دیدیم. ضمناً این را هم باید در نظر داشت که اصل کوپرنیکی تنها برای “فضا” صدق می‌کند و ارتباطی به “زمان” ندارد؛ چراکه ما در دورانی “خاص” از عمر جهان به سر می‌بریم. آنقدر از زمان انفجار بزرگ گذشته است تا شرایط لازم برای پیدایش حیات هوشمند زمینی فراهم آید، اما نه آنقدر که ستاره‌ها همگی مرده باشند. کوپرنیک را غالباً اخترشناسی می‌دانند که بشر را از جایگاه مهم و شاهواره‌اش بر جهان هستی به زیر کشید، اما همانگونه که مورخی به نام “دنیس دنیلسون” (Denis Danielson) از دانشگاه بریتیش کلمبیای کانادا می‌گوید، هرچند که زمین برای اروپاییانِ پیش از عهد کوپرنیک، مرکز جهان تلقی می‌شد، اما این مسئله برای‌شان چندان اهمیتی هم نداشت. شاید بشود گفت آن‌ها حتی از بی‌تفاوتی صِرف نسبت به مرکزیت زمین هم فراتر رفته است و چنان که گالیله به‌درستی نقل می‌کند، زمین را “لجنزاری می‌دانستند که سه‌پنچه روز زندگی در آن می‌گذرد”.(اشاره به رهبانیت مفرط مسیحیان قرون وسطی. منبع عکس: دایره‌المعارف ویکی)

 

۲ـ انبساط غیر یکنواخت فضا که ناشی از توزیع ناهمگن ماده در مقیاس‌های کیهانی است، می‌تواند همان اثراتی را سبب شود که کیهان‌شناسان به وجود انرژی تاریک نسبت می‌دهند. منبع:Scientific American

 

۳ـ ابرنواختر 1994D (جرم درخشان تصویر) در حاشیه کهکشان NGC 4526، از جمله ابرنواخترهایی بوده است که به‌عنوان شاخصی برای ارزیابی آهنگ انبساط جهان در طول زمان استفاده شد. NASA, ESA, The Hubble Key Project Team, and The High-Z Supernova Search Team