کژفهمی‌های یک انفجار

انفجار بزرگ چیست؟

 چارلز لاین‌ویور و تامارا دیویس ـ پدیده‌ی انبساط جهان را شاید بتوان مهم‌ترین حقیقتی دانست که تاکنون در رابطه با ریشه‌های کیهانی ِ خودمان کشف کرده‌ایم. اگر جهان منبسط نمی‌شد، شما قادر به خواندن این مقاله نمی‌بودید. انسانی وجود نمی‌داشت. اشیای مولکولی ِ گوناگون، نظیر موجودات زنده و سیارات هم در صورتی‌که جهان از زمان انفجار بزرگ انبساط نمی‌یافت، وجود نمی‌داشتند. پیدایش همگی ِ ساختارهای کیهانی؛ از کهکشان‌های باشکوه و ستارگان پرشمار گرفته تا موجودیتِ مقاله‌ای که هم‌اکنون به آن چشم دوخته‌اید، همگی وابسته به انبساط جهان هستند.

دانشمندان، در اواسط قرن بیستم اعلام کردند که مدارک محکمی دال بر انبساط کیهان، با شروع از نقطه‌ای داغ و درهم‌فشرده به‌دست آورده‌اند. آن‌ها نور ضعیف بازمانده از این انفجار را یافته بودند: «تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی» (CMB). از زمان اعلام این کشف، انبساط جهان به‌عنوان عامل وحدت‌بخش علم کیهان‌شناسی درآمده است؛ درست همانند نظریه‌ی تکامل داروین، که وحدت‌بخش زیست‌شناسی ِ امروزی‌ست. انبساط جهان هم مثل تکامل داروین می‌گوید که ساختارهای ساده در طول زمان به ساختارهای پیچیده بدل شده‌اند. زیست‌شناسی و کیهان‌شناسی ِ مدرن، بدون وجود مفاهیم تکامل و انبساط جهان، جذابیت چندانی نخواهند داشت.

انبساط جهان، از یک لحاظ دیگر هم شبیه تکامل است: اغلبِ دانشمندان گمان می‌کنند آن را فهمیده‌اند؛ اما عده‌ی انگشت‌شماری بر معنای واقعی‌اش توافق دارند. با گذشت یک قرن و نیم از انتشار کتاب «منشأ انواع» توسط چارلز داروین، بحث زیست‌شناسان هنوز بر سر سازوکار‌ها و استنباطات (هرچند نه حقایق) داروینیسم در جریان است؛ حال‌آنکه اکثریت عوام هنوز افکارشان غرق در تفکر «خلق‌الساعه‌» و ماقبل داروینیسم است. به‌همین ترتیب، ۷۵ سال پس از کشف انبساط جهان نیز هنوز از این پدیده درک درستی صورت نگرفته است. «جیمز پبلز» (James Peebles)، کیهان‌شناس برجسته‌ای که نقشی بسزایی در رمزگشایی تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی داشته، در سال ۱۹۹۳ نوشت: «… هنوز درک عظمت و غنای نظریه [ی انفجار بزرگ]، آنگونه که گمان می‌کنم باید باشد، آنچنان خرسندکننده نیست… حتی در بین برخی از کسانی که بهترین کمک‌ها را به تنویر افکار عمومی می‌کنند».

گاهی حتی فیزیکدانان صاحب‌نام، نویسندگان کتب اختر‌شناسی و ترویج‌دهندگان پرآوازه‌ی دانش هم اظهارات اشتباه، گمراه‌کننده یا بدتفسیرشده‌ای در رابطه با انبساط جهان ارائه می‌کنند. از آنجایی‌که انبساط جهان، اساس نظریه‌ی انفجار بزرگ است، این بدفهمی‌ها هم اساسی‌ هستند. انبساط، مفهوم ساده و گول‌زننده‌ای‌ست، اما واقعاً منظور از گفتن اینکه جهان دارد منبسط می‌شود، چیست؟ در چه چیزی انبساط می‌یابد؟ آیا زمین هم منبسط می‌شود؟ برای اینکه گیج‌تر شویم، بایستی گفت که انبساط جهان تازه در حال شتاب گرفتن هم هست، که پیامد تصور کردن‌اش البته دیوانه‌کننده خواهد بود!

انبساط یعنی چه؟

زمانی‌که با هدف توصیف اشیای آشنایی نظیر رگ‌های پا، یا امپراطوری روم و یا یک بمب از انبساط سخن می‌گوییم؛ یعنی که این جسم با اشغال محیط پیرامونشان، بزرگ و بزرگ‌تر می‌شود. برای رگ‌ها، امپراطوری‌ها یا بمب‌ها، هم می‌توان مرکز قائل شد و هم مرز و حاشیه. اما به‌نظر نمی‌رسد که جهان ما مرز، مرکز و یا بیرونی داشته باشد. پس چگونه منبسط می‌شود؟

مثال مطلوب‌اش این می‌شود که فرض کنید یک مورچه‌ شده‌اید و مشغول قدم زدن بر روی بادکنکِ بادشونده‌ای هستید. جهان شما، یک جهانِ دوبعدی است، بدین‌معنا که تنها جهاتی که شما در آن‌ها قادر به حرکت کردن هستید، عبارت‌اند از: چپ، راست، جلو و عقب. بالا و پایین برای شما بی‌معنی‌ست.
ناگهان روزی متوجه می‌شوید که برای ملاقات با پدربزرگتان باید زمان بیشتری را نسبت به گذشته در راه باشید. یک روز پنج دقیقه، روز بعدی شش دقیقه و روز بعدش هم هفت دقیقه. رفتن به دیگر نقاط هم انگاری زمان بیشتری می‌طلبد. شما مطمئنید که در این مدت نه سرعتتان کاهش یافته و نه پدربزرگتان از شما دور‌تر شده است.

نکته اینجاست که حتی اگر پدربزرگتان هم از شما دور‌تر نشده باشد، مسافت‌ها خودبه‌خود در حال کش آمدن هستند. شما ایستاده‌اید و نسبت به پوسته‌ی بادکنک هیچ حرکتی ندارید؛ اما مسافتِ مابین شما و دیگر نقاط پیرامونتان در حال افزایش است. با توجه به این واقعیات، نتیجه می‌گیرید که زمین ِ زیر پای شما در حال کش آمدن است. این چیز عجیبی‌ست، چون‌که شما به همه‌ی نقاط جهان‌ِ بادکنکیتان سر زده‌اید و هنوز موفق نشده‌اید هیچ «بیرون»، یا مرزی را برای این جهان پیدا کنید.

انبساط جهان هم به همین بادکنکِ بادشونده می‌ماند. فاصله‌ی ما تا کهکشان‌های دوردستِ گیتی، در حال بیشتر شدن‌ است. ستاره‌شناسان، سهواً می‌گویند اینکهکشان‌ها در حال «دور‌تر شدن» یا «عقب‌نشینی» از موضع ما هستند؛ اما در واقع اینکهکشان‌ها نسبت به فضا ساکن‌ هستند. درست مثل اینکه در مثال بالا، پدربزرگتان از مکان قبلی‌اش نقل مکان نکرده بود. اینکهکشان‌ها را نبایستی مثل ترکش‌های حاصل از یک انفجار تلقی کرد، بلکه این فضای خالی ِ مابین ما و آن‌هاست که در حال کش آمدن است. البته کهکشان‌ها، در اجتماعاتی که «خوشه‌های کهکشانی» نام دارد، مدارهای پیچیده‌ای را به‌ دور همدیگر طی می‌کنند، اما خوشه‌های کهکشانی هم علی‌المجموع حرکتی نسبت به فضا ندارند. عبارت «ساکن هستند» را به سختی می‌شود تعریف کرد. تابش CMB، همه‌ی جهان را پر کرده است و می‌توان از آن به‌عنوان یک مرجع جهانی استفاده کرد، درست مثل پوسته‌ی بادکنکی که می‌توان حرکات را نسبت به آن تعیین کرد. این تابش،‌‌ همان هوای گرمی‌ست که در جهانمان را در ابتدا پر کرده بود و حال سرد شده، اما نابود نشده. البته نباید تشبیه «هوای گرم» را برای توصیف ماهیت این تابش چندان جدی گرفت؛ به‌ه‌مان دلیلی که نبایستی مثال بادکنک را هم زیاده از حد به جهانمان تعمیم داد.

از دید ما که خارج از بادکنک ایستاده‌ایم و به مورچه‌ی مثالمان می‌نگریم، تصور انبساطِ سطح دوبعدیِ بادکنک، صرفاً از این بابت که ما به فضای سه‌بعدیِ پیرامونمان عادت کرده‌ایم، ممکن است. بادکنک را وفتی که از بُعد سوم بنگریم، هم مرکز دارد و هم‌ حین منبسط شدن‌اش، فضای هوای گرداگرد خودش را اشغال می‌کند. خُب پس شاید بگویید انبساط جهانِ سه‌بعدیِ ما هم با این‌حساب نیازمند یک بعد چهارم است. اما در نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین که ستون اصلی کیهان‌شناسی ِ نوین را تشکیل می‌دهد، این فضاست که خاصیت ارتجاعی دارد. می‌تواند خم و راست شود و انبساط و انقباض یابد بی‌آنکه نیازی به یک بعد چهارم داشته باشد.

بنابراین از این نقطه نظر، جهان ما جهانی خودکفا محسوب می‌شود. نه به مرکزی نیاز دارد که نسبت به آن منبسط شود؛ نه فضای خالی و بالقوه‌ای در بیرون خودش که آن را حین انبساط اشغال کند. وقتی‌که جهان منبسط می‌شود، ادعای اشغال محیط خالی ِ پیرامونش را ندارد. البته برخی نظریات نوپدید همانند «نظریه‌ی ریسمان»، بحث ابعاد اضافی را پیش می‌کشند، اما مادام که جهانِ سه‌بعدی ما منبسط می‌شود، هیچ نیازی به این ابعاد اضافی ندارد که اشغالشان کند.

در جهان ما، همه‌چیز درست مثل سطح‌‌ همان بادکنک، در حال دور‌تر شدن از دیگر نقاط است. پس «انفجار بزرگ»، انفجاری «در» فضا نبوده؛ بلکه بیشتر شبیه به «انفجار فضا» بوده است. انفجاری نبوده که از یک نقطه شروع شود و ترکش‌هایی همچون کهکشان‌ها را در یک فضای خالی ِ خیالی‌‌ رها کند. انفجار بزرگ، در یک لحظه در همه‌جا، حتی در همین اتاقتان رخ داده است.

تصورش را بکنید که زمان به عقب برگردد. هر نقطه از فضا منقبض می‌شود و همه‌ی کهکشان‌‌ها نزدیک‌تر و نزدیک‌تر به‌هم می‌شوند تا اینکه نهایتاً در یک ترافیک شلوغ کیهانی، به هم بخورند – که ما به آن، انفجار بزرگ می‌گوییم. از این مثالِ ترافیک هم می‌شود اینگونه برداشت کرد که ازدحام کهکشان‌ها به‌شکل محلی صورت می‌گیرد و می‌توان مثلاً با شنیدن گزارش‌های ترافیکی ِ رادیوی کیهانیمان، از آن دوری جست. ولی این مثل این می‌ماند که سطح زمین چروکیده شود و همه‌ی اتوبان‌ها هم به‌دنبالش منقبض شوند، اما تغییری در ابعاد اتومبیل‌ها صورت نگیرد. اما انقباض کیهانی تفاوتی برای شما قائل نخواهد شد و کلیه‌ی اتومبیل‌ها هم آن را تجربه خواهند کرد. هیچ شبکه‌ی رادیویی‌ای در کار نیست که بتواند در چنین ترافیکِ سرسام‌آوری به یاریتان بشتابد. همه‌جا ازدحام است.

به‌همین ترتیب انفجار بزرگ در «همه‌جا» رخ داده است. از اتاقی که شما در آن نشسته‌اید گرفته تا ستارگانی که شب‌ها می‌بینیدشان… در همه‌جا. انفجار بزرگ، انفجاری نبود که مثل یک بمب از نقطه‌ای آغاز شود و بتوان یک مرکز را برایش متصور شد. درست همانند مثال بادکنک، هیچ نقطه‌ی خاصی بر سطح چنین بادکنکی نیست که مرکز انبساط تلقی شود.

حضور همه‌گیر و یک‌باره‌ی انفجار بزرگ، ربطی به ابعاد جهان و حتی کرانمندی با بیکران بودن‌اش ندارد. گاهی کیهان‌شناسان می‌گویند که جهان، روزگاری مثلاً به ابعاد یک پرتقال بوده؛ ولی منظورشان این است که آن قسمتی از جهان که ما قادر به تماشایش هستیم – که «جهان رؤیت‌پذیر» نامیده می‌شود – به ابعاد یک پرتقال بوده است.

تماشاگرانی که در کهکشان آندرومدا (نزدیک‌ترین کهکشان به راه شیری) یا کهکشان‌های دور‌تر از ما زندگی می‌کنند، «جهان رؤیت‌پذیر» ِ خودشان را دارند که محدوده‌ای متفاوت از مال را شامل می‌شود، اما هر دویشان با هم هم‌پوشانی‌هایی دارند. آندرومدایی‌ها قادر به تماشای کهکشان‌هایی هستند که ما نمی‌توانیم ببینیمشان، چراکه فقط اندکی فاصله‌شان تا آنکهکشان‌ها کمتر است. «جهان رؤیت‌پذیر» ِ آن‌ها هم روزگاری به ابعاد یک پرتقال بوده. پس می‌توان جهانِ نخستین را به‌صورت پرتقال‌هایی تصور کرد که از همه‌سو تا بی‌‌‌نهایت، با هم هم‌پوشانی دارند. با این حساب، گفتن ِ این‌که جهان ما روزگاری «کوچک» بوده هم گمراه‌کننده است. سرتاسر فضا می‌تواند بی‌‌‌نهایت باشد، حتی هنگام انفجار بزرگ! وقتی‌که یک فضای بی‌‌‌نهایت را به مقدار دلخواه خودتان منقبض کنید، همچنان بی‌‌‌نهایت خواهد ماند.

مگر می‌شود از نور سبقت گرفت؟

دسته‌ای دیگر از کژفهمی‌ها مربوط به توصیفات عددی از جهانمان می‌شود. میزان افزایش فضای مابین کهکشان‌ها، تابع الگوی مشخصی‌ است که در سال ۱۹۲۹ توسط ستاره‌شناس آمریکایی، «ادوین هابل» کشف شد و از این قرار است:

سرعت دور شدنِ یک کهکشان از ما (v) با فاصله‌اش (d) در نسبت مستقیم است، یا به‌عبارت دیگر v=Hd. عدد ثابتی که این نسبت را به تساوی تبدیل می‌کند، (یعنی H) به «ثابت هابل» معروف است و سرعت کش آمدن فضا را تعیین می‌کند (نه تنها فضای پیرامون ما، بلکه فضایی که سرتاسر جهان را در برگرفته است).

وقتی که می‌گوییم برخی از کهکشان‌ها از قانون هابل پیروی نمی‌کنند، شاید کمی گیچ‌کننده به نظر بیاید. مثلاً کهکشان آندرومدا، که نزدیک‌ترین همسایه‌ی بزرگِ کهکشانیمان محسوب می‌شود؛ در واقع نسبت به ما در حال نزدیک‌تر شدن است و حتی تا چند میلیارد سال آینده به راه شیری خواهد خورد. این در حالی‌ست که قانون هابل از دور‌تر شدن کهکشان‌ها حرف می‌زند. اما آیا این قانون اشتباه است؟

این تناقض‌ها تنها زمانی برجسته می‌شود که قانون هابل را فقط برای کهکشان‌های همسایه‌ی خودمان تفسیر کنیم. کهکشان‌ها، خودشان می‌توانند تحت تأثیر نیروی جاذبه‌ی یکدیگر، حرکات آهسته‌ای نسبت به هم داشته باشند (مثل راه شیری و آندرومدا). کهکشان‌های دوردست هم همین حرکات‌های نسبتاً آهسته را دارند، اما از دیدگاه ما (که فاصله‌ی فوق‌العاده زیادی با آن‌ها داریم)، این حرکات آهسته، در حرکتی که ناشی از انبساط فضاست، گم می‌شود. پس وقتی‌که قانون هابل را با توجه به آنکهکشان‌ها (که فضای زیادی مابین ما و آن‌ها وجود دارد) تفسیر کنیم، به تناقضی برنخواهیم خورد.

یادتان باشد که طبق قانون هابل، سرعت انبساط جهان ثابت نیست. برخی کهکشان‌ها با سرعت ۱۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه در حال دور‌تر شدن از ما هستند و برخی (که در فاصله‌ی بیشتری واقع شده‌اند)، سرعتشان ۲۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه است و الی آخر. در حقیقت این شتاب ظاهریِ کهکشان‌هاست که ثابت است. ولی با این حساب، قانون هابل پیش‌بینی می‌کند کهکشان‌هایی که بیشتر از فاصله‌ی مشخصی موسوم به «فاصله‌ی هابل» واقع شده باشند، با سرعتی بیشتر از سرعت نور در حال دور‌تر شدن از ما هستند. با درنظر گرفتن دقیق‌ترین برآوردهایی که از ثابت هابل صورت گرفته، این فاصله معادل ۱۴ میلیارد سال نوری است که شعاع جهان رؤیت‌پذیر ما را نشان می‌دهد.

آیا پیش‌بینی ِ اینکه کهکشان‌هایی هستند که با سرعتی فرا‌تر از سرعت نور حرکت می‌کنند، نشان نمی‌دهد که قانون هابل اشتباه است؟ مگر نسبیت خاص اینشتین نمی‌‌گفت که هیچ چیزی نمی‌تواند سرعتی فرا‌تر از سرعت نور داشته باشد؟ این سؤال، چندین نسل از دانشجویان را گیج کرده است.
جواب این است که نسبیت خاص هم هرچند «نسبیت» نام دارد و می‌گوید که مکان و زمان نسبی هستند؛ خودش مرجع مطلقی دارد که در نظریه‌ی نسبیت عام معرفی شد و «فضا-زمان» نام گرفت. پس قوانین نسبیت خاص، محدود به رخدادهایی است که «در» فضا رخ می‌دهند. اما سرعتی که در قانون هابل از آن صحبت می‌شود، سرعتی‌ست که توسط انبساط فضا رخ می‌دهد، نه حرکتی «در» فضا. انبساط فضا پدیده‌ای‌ست که با نسبیت عام توصیف می‌شود و محدود به قوانین نسبیت خاص نیست. پس سرعت پسرفتی که بیشتر از سرعت نور باشد، ناقض قوانین نسبیت خاص محسوب نمی‌گردد و همچنان باید گفت که هیچ چیزی «در فضا» نمی‌تواند از نور سبقت بگیرد!

خمیری به نام «فضا»

مشاهدات اولیه‌ای که حاکی از انبساط جهان بود، در سال‌های مابین ۱۹۱۰ تا ۱۹۳۰ میلادی صورت گرفت. طبق مشاهداتِ آزمایشگاهی، اتم‌ها نور را در طول موج‌های مشخصی جذب کرده، یا انتشار می‌دهند. این پدیده را به شکل «خطوط طیفی» در طیف نور خورشید و دیگر ستاره‌ها می‌توان دید. همین خطوط در نور کهکشان‌های دوردست هم ظاهر می‌شوند، البته اگر به قسمت‌های نامرئی ِ طیف، «انتقال به سرخ» نیافته شده باشند. ستاره‌شناسان می‌گویند که نور کهکشان‌ها «انتقال به سرخ» پیدا کرده. معنی‌اش هم روشن است: مادامی‌که فضا منبسط می‌شود، بر فضای مابین امواج ِ نور افزوده می‌گردد و در نتیجه با افزایش طول موج نور و کاهش انرژیِ آن، خطوط طیفی به قسمت‌های کم‌انرژی‌تر (یا قرمز‌تر) طیف نقل مکان می‌کنند. اگر در طول سفر این نور از منبع‌اش تا چشم ما، ابعادِ جهانِ رؤیت‌پذیر ما دو برابر شده باشد، بنابراین طول موج نور هم دو برابر شده، و انرژی‌اش نصف می‌شود.

چنین فرآیندی را می‌شود از طریق مفهوم دما هم شرح داد. فوتون‌هایی که از یک جسم خارج می‌شوند و ما نام «نور» را بر آن‌ها می‌گذاریم، علی‌المجموع دمای مشخصی دارند، چراکه دما هم توزیع ویژه‌ای از انرژی‌ست که نشان می‌دهد آن جسم، چقدر گرما درون خود جا داده است. مادامی‌که فوتون‌ها در یک فضای منبسط‌شونده حرکت می‌کنند، انرژیشان از دست می‌رود و دمایشان کاهش پیدا می‌کند. به‌همین ترتیب، مادامی‌که جهان منبسط می‌شود، سرد‌تر هم می‌شود؛ درست همانند کپسول اکسیژنِ غواصان که با کاهش حجم اکسیژن (و در نتیجه منبسط شدن‌اش)، سرد‌تر می‌شود.

مثلاً دمای کنونی ِ تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی، حدوداً ۳ کلوین است؛ در حالی‌که فرآیند زایش این تابش، در دمای حدوداً ۳۰۰۰ کلوین می‌بایسته رخ داده باشد. از زمان انتشار این نور تاکنون، جهانِ رؤیت‌پذیرمان حدوداً ۱۰۰۰ برابر شده است و از این‌رو دمای فوتون‌های این تابش هم با همین آهنگ کاهش یافته است. ستاره‌شناسان با رصدِ گازهای موجود در کهکشان‌های دوردست، مستقیماً توانسته‌اند دمای این تابش را در گذشته تعیین کنند. این محاسبات، نشان می‌دهد که جهان ما، با گذشت زمان سرد‌تر و سرد‌تر می‌شود.

کژفهمی‌های مربوط به ارتباط مابین قرمزشدگی و سرعت، فراوان است. قرمزشدگی ِ ناشی از انبساط جهان، غالباً با قرمزشدگی ِ معمولی‌ای که اثر دوپلر آن را ایجاد می‌کند، اشتباه گرفته می‌شود. اثر دوپلر،‌‌ همان تغییر فرکانس ناشی از تحرک یک منبع صوت، یا نور است (که مثال بارزش‌‌ همان تغییر فرکانس صدای آژیر، حین عبور آمبولانس از کنار ماست). اثر دوپلر موجب می‌شود که با دور‌تر شدن منبع صوت از ما، فرکانس صدا کاهش یابد (و بم‌تر شود). همین قاعده برای امواج نورانی هم صدق می‌کند. بدین‌معنا که با دور‌تر شدن منبع نور از ما، طول موج نور افزایش پیدا می‌کند.

این پدیده شبیه‌‌ همان اتفاقی‌ست که برای نور کهکشان‌های دوردست رخ می‌دهد و قرمزترشان می‌کند؛ اما‌‌ همان اتفاق نیست. قرمزشدگی ِ کیهانی،‌‌ همان قرمزشدگی ِ دوپلری نیست. ستاره‌شناسان معمولاً این اشتباه را می‌کنند و به دانشجویانشان هم انتقال می‌دهند. قرمزشدگی ِ دوپلری و قرمزشدگی ِ کیهانی، تابع دو قانون کاملاً متفاوتند. اولی تابع نسبیت خاص است که انبساط فضا را در نظر نمی‌گیرد، و دومی تابع نسبیت عام که انبساط فضا را در نظر می‌گیرد. این دو قانون تقریباً برای فواصل نزدیک مشابه عمل می‌کنند؛ اما نه برای کهکشان‌های دوردست.

طبق قانون قرمزشدگی ِ دوپلری، اجسامی که سرعتشان «در فضا» به سرعت نور نزدیک و نزدیک‌تر بشود، قرمزشدگیشان به بی‌‌‌نهایت میل می‌کند. طول موجشان آ‌نقدر کشیده می‌شود که دیگر نمی‌شود آن‌ها را دید. اگر چنین قانونی برای کهکشان‌های دوردست صدق می‌کرد، دور‌ترین اجسامی که می‌توان در آسمان تماشایشان کرد، با سرعت‌هایی کمتر از سرعت نور از ما دور می‌شدند. اما قانون قرمزشدگی ِ کیهانی، نتیجه‌ی دیگری به دست می‌دهد.

طبق مدل کنونی ِ علم کیهان‌شناسی، کهکشان‌هایی که طول موج نورشان ۱۵۰ درصد بیشتر از حالت طبیعیشان باشد (و اصطلاحاً می‌گویند که قرمزشدگیشان ۱. ۵ است)، با سرعت نور از ما دور می‌شوند. ستاره‌شناسان بالغ بر ۱۰۰۰ کهکشان یافته‌اند که قرمزشدگیشان بیش از ۱. ۵ است. این یعنی که آن‌ها ۱۰۰۰ کهکشان دیده‌اند که با سرعتی فرا‌تر از سرعت نور از ما دور می‌شوند. در واقع ما هم نسبت به آنکهکشان‌ها با سرعتی فرا‌تر از سرعت نور دور می‌شویم. قرمزشدگی ِ تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی، از این هم بیشتر است و سر به ۱۰۰۰ می‌ساید! یعنی مکان زایش هرکدام از فوتون‌های تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی، هم‌اکنون با ۵۰ برابر سرعت نور از ما دور می‌شود، اما ما مشکلی در دیدن آن نداریم!

تصور تماشای کهکشان‌هایی که با سرعتی فرا‌تر از سرعت نور از ما دور می‌شوند، کمی مرموز به‌نظر می‌رسد، اما چنین چیزی با انبساط فضا ممکن شده است. مثلاً یک پرتو نور را تصور کنید که از جایی دور‌تر از فاصله‌ی هابل (یعنی دور‌تر از ۱۴ میلیارد سال نوری)، به‌سمت ما می‌آید. سرعت این پرتو، نسبت به فضایی که در آن حرکت می‌کند، معادل سرعت نور است؛ اما این «فضایی که در آن حرکت می‌کند» است که دارد با سرعتی فرا‌تر از سرعت نور از ما دور می‌شود. هرچند که این پرتو نور دارد با بیشترین سرعت ممکن «در فضا» حرکت می‌کند، اما نمی‌تواند از سرعت انبساط فضا پیشی بجوید. مثل این می‌ماند که کودکی بخواهد در جهت مخالف حرکت یک نوار نقاله، روی آن قدم بردارد. فوتون‌هایی که از فاصله‌ی هابل به سمت ما می‌آیند، با بیشترین سرعت ممکن می‌دوند؛ اما از جای خود تکان نمی‌خورند!

شاید بگویید پس نوری که از مکانی ماورای فاصله‌ی هابل تابش شده، هیچ‌گاه به چشممان نخواهد رسید و منبع‌اش برای همیشه از دید ما پنهان خواهد ماند. اما فاصله‌ی هابل، فاصله‌ی ثابتی نیست. علتش هم این است که عدد «ثابت هابل» (که تعیین‌کننده‌ی فاصله‌ی هابل است)، برخلاف اسمش، در طول زمان دچار تغییر می‌شود. مقدار این عدد، متناسب با نرخ افزایش فاصله‌ی مابین دو کهکشان، تقسیم بر فاصله‌شان است. طبق مدل‌هایی که می‌توانند توصیف مناسبی از وضعیت کنونی ِ کیهان ما را بیان کنند؛ کمیت دوم با گذشت زمان، در حال بیشتر شدن از کمیت اول است و درنتیجه ثابت هابل در طول زمان در حال کاهش یافتن است. این بدان‌معناست که فاصله‌ی هابل در حال افزیش یافتن است. با این حساب، نوری که در وهله‌ی اول از فاصله‌ای فرا‌تر از فاصله‌ی هابل تابش شده، با گذشت زمان و عقب‌نشینی ِ فاصله‌ی هابل، می‌تواند به این‌سوی مرز نقل مکان کند.

با این‌حال کهکشانی که این نور را تابش کرده هنوز با سرعتی فرا‌تر از سرعت نور از ما دور می‌شود. پس نتیجه می‌شود که ما نور کهکشان‌هایی که همیشه با سرعتی فرا‌تر از سرعت نور از ما دور می‌شده یا در حال شدن هستند را خواهیم دید. به عبارت دیگر، از آنجاکه فاصله‌ی هابل، فاصله‌ی ثابتی نیست؛ نشانگر مرز جهان رؤیت‌پذیر ما محسوب نمی‌شود. پس مرز جهان رؤیت‌پذیر ما کجاست؟

اگر فضا منبسط نمی‌شد، دور‌ترین جسمی که می‌شد آن را دید، حدوداً ۱۴ میلیارد سال نوری از ما فاصله داشت؛ چراکه جهان بیشتر از ۱۴ میلیارد سال نوری اصلاً عمر نکرده و این، معادلِ مسافتی‌ست که نخستین نور ِ تابش‌شده بعد از انفجار بزرگ، در این مدت طی کرده است. اما چون فضا منبسط می‌شود، بر مسافت نور در طول سفر ۱۴ میلیاردساله‌اش هم می‌افزاید. در نتیجه با درنظر گرفتن مقدار کنونی ِ ثابت هابل، دور‌ترین فاصله‌ای که می‌توان دید، حدوداً سه برابر ِ این مقدار یا ۴۶ میلیارد سال نوری‌ است.

کشف اخیر کیهان‌شناسان از نرخ فزاینده‌ی شتاب‌گیریِ انبساط جهان هم مسأله را هیجان‌انگیز‌تر کرده است. تا پیش‌تر، آن‌ها گمان می‌بردند که ما در جهانی منقبض‌شونده زندگی می‌کنیم و با گذشت زمان و رشد فاصله‌ی هابل، کهکشان‌های بیشتری در افق دیدمان قرار می‌گیرند. با این‌حال وقتی قرار باشد که انبساط جهان شتاب بگیرد، ما محصور در مرزی خواهیم بود که رویدادهای ماورایش را نخواهیم دید. این مرز را در اصطلاح کیهان‌شناسی‌اش «افق رویداد» می‌نامند.

اگر نور کهکشان‌هایی که سریع‌تر از سرعت نور از ما دور می‌شوند امروزه به رسیده، پس بایستی بر فاصله‌ی هابل در این مدت افزوده شده باشد. اما در جهانی با انبساطِ شتاب‌گیرنده، رشد فاصله‌ی هابل متوقف خواهد شد. شاید پرتوهایی در پی وقوع رویدادهای دوردست کیهانی، به‌سوی زمین سفرشان را آغاز کنند، اما برای همیشه در پشت فاصله‌ی هابل از چشممان پنهان خواهند ماند. فاصله‌ی کنونی ِ ما تا افق رویداد کیهان، ۱۶ میلیارد سال نوری‌ست که کاملاً در محدوده‌ی جهان رؤیت‌پذیر واقع شده است. نور کهکشان‌هایی که در ماورای این افق تابش شده است، هیچگاه ره به تلسکوپ‌هایمان نخواهد برد. ما هنوز هم قادریم اتفاقاتی را که در آن‌ کهکشان‌ها، تا پیش از رد شدنشان از افق رویداد به‌وقوع پیوسته را ببینیم؛ اما هرچه از آن پس برایشان رخ دهد را دیگر نخواهیم دید.

زمین هم منبسط می‌شود؟

در فیلم «آنی هال»، سکانسی‌ وجود دارد که «وودی آلن» می‌خواهد برای پزشک و مادرش توضیح دهد که چرا نمی‌تواند تکالیفش را بنویسد. او می‌گوید: «جهان دارد منبسط می‌شود. جهان یعنی همه‌چیز و اگر قرار باشد منبسط شود، روزی می‌رسد که همه‌چیز از هم می‌گسلد و پایان دنیا فراخواهد رسید!». اما مادرش از قضیه بیشتر مطلع است و می‌گوید: «تو در بروکلین هستی. بروکلین منبسط نمی‌شود!».
حق با مادرش است. بروکلین منبسط نمی‌شود. مردم اغلب فرض را بر این می‌گیرند که چون فضا در حال انبساط است، هر چیز دیگری هم به‌همراهش منبسط می‌شود. اما این درست نیست. انبساط جهان، به خودیِ خود نیرویی تولید نمی‌کند. اگر فوتون‌ها تحت تأثیر انبساط جهان، انرژیشان تحلیل می‌رود، به این خاطر است که فوتون‌ها برخلاف اتم‌ها و مولکول‌ها و شهر‌ها و ستاره‌ها، ذرات منسجمی نیستند که ابعادشان را نیروهای چهارگانه‌ی طبیعت تعیین کند. تغییر شتاب انبساط جهان هرچند نیروی جدیدی را به این جمع چهارگانه تزریق می‌کند، اما حتی همین نیروی جدید هم باعث انبساط یا انقباض اجسام نمی‌شود.

مثلاً اگر نیروی گرانش قوی‌تر شود، ستون فقراتتان کمی فشرده‌تر می‌شود تا الکترون‌های موجود در مهره‌های پشتتان، با نزدیک‌تر شدن به‌ همدیگر در وضع تعادل قرار گیرند. قدتان کوتاه‌تر خواهد شد اما دیگر منقبض نخواهید شد. اگر ما در جهانی بودیم که نیروی جذب‌کننده‌، بر دافعه‌ی حاصل از انبساط جهان غلبه می‌کرد (آنگونه که کیهان‌شناسان تا چند سال پیش این تصور را در خصوص جهان داشتند)، آنگاه انبساط کند‌تر می‌شد و اجسام جهان آهسته فشرده می‌شدند تا به تعادل برسند. وقتی‌که چنین تعادلی برقرار شد، دیگر انقباض ادامه نمی‌یافت.

در واقع انبساط جهان ما در حال شتاب گرفتن است و نیرویی رو به بیرون را به اجسام زمینی اِعمال می‌کند. در نتیجه این اجسام، اندکی نسبت به جهانی با انبساط غیرشتاب‌گیرنده، بزرگ‌تر می‌شدند؛ چراکه تعادلِ مابین نیرو‌ها، در ابعاد بزرگتری برقرار می‌شد. تأثیر شتاب برون‌گرای انبساط جهان بر سیاره‌ی زمین، معادل کسری فوق‌العاده ریز (حدوداً ۱۰ به توان -۳۰) از شتاب درون‌گرای گرانش ِ سیاره‌ی ماست. اگر این شتاب ثابت باشد، زمین منبسط نخواهد شد؛ بلکه در تعادلِ ابعادیِ باثباتی که فقط اندکی بزرگ‌تر از ابعاد کنونی‌اش است، آرام خواهد گرفت.

البته چنین شرایطی فقط هنگامی صادق است که شتابِ انبساط، ثابت باشد؛ وگرنه اگر شتاب هم ثابت نباشد، این انبساط می‌تواند نهایتاً به‌قدری قوی شود که کلیه‌ی ساختارهای کیهانی را از هم بگسلد. ولی این گسیختگی، دیگر محصول انبساط یا شتاب‌گیری این انبساط نیست؛ بلکه محصول شتاب‌گیریِ شتاب انبساط است.

مدل انفجار بزرگ، بر اساس رصدهای صورت‌گرفته از انبساط جهان، تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی، نسبت شیمیایی ِ عناصر سازنده‌ی کیهان و توزیع ماده در جهان استوار است. ممکن است این مدل نیز همانند بسیاری دیگر از مدل‌های علمی، روزی جای خود را به درک بهتری از سرگذشت جهان هستی بدهد. اما فعلاً بهترین توصیفی‌ست که می‌توان از مشاهدات کنونیمان از ویژگی‌های جهان، به دست داد. مادام که محاسبات دقیق‌تر و بهتر، امکان درک انبساط جهان و شتاب‌گیری‌اش را به کیهان‌شناسان می‌دهند، قادر به طرح پرسش‌های اساسی‌تری در رابطه با نوباوگی ِ جهان و همچنین مقیاس‌های سرسام‌آور کیهانی هستند. چه‌چیزی چنین انبساطی را موجب شده است؟ بسیاری از کیهان‌شناسان این پدیده را ناشی از فرآیندی موسوم به «تورم کیهانی» می‌دانند. ولی این بخشی از پاسخ است، چراکه جهان برای قرارگیری در آستانه‌ی تورم، می‌بایسته اندکی از «نقطه‌ی تکینگی» (یعنی‌‌ همان نقطه‌ی آغازین) منبسط شده باشد. درباره‌ی گسترده‌ترین مقیاس‌های هستی چه باید گفت؟ فرا‌تر از آنچه که قادر به تماشایش هستیم، چه؟ آیا بخش‌های گوناگونِ جهان، با سرعت‌های متفاوتی منبسط می‌شوند؟ آیا جهانِ ما، خود حبابی منبسط‌شونده در یک ابرجهانِ گسترد‌ه‌تر است؟

نمی‌دانیم. هنوز رصدهای زیادی باقیست، اما رصدهای کنونی به ما می‌گویند که جهانِ ما تا ابد منبسط خواهد شد. با این حال امیدواریم کژفهمی‌های موجود در راه درک سازوکار این انبساط، رفته‌رفته منقبض شود!

ادامه دارد …

منبع: Scientific American – February 2005

در همین زمینه:

۱- آیا همه‌چیز، همان سازگاری‌ست؟

۲- آیا انتخاب طبیعی، تنها مسیر پیش روی فرگشت است؟
۳- آیا انتخاب طبیعی، موجب رشد پیچیدگی می‌شود؟
۴ ـ آیا فرگشت، صرفاً گونه‌هایی که بیشترین تطابق با محیط را دارند ایجاد می‌کند؟
۵- فرگشت، خودکشی هم می‌کند
۶- فرگشت آیا تا ابد به پیش خواهد رفت؟
۷- فرگشت اساساً تصادفی‌ست؟

۸ – همه‌چیز به داروین ختم می‌شود؟
۹ـ بقای سازگارترین گونه، دقیقاً به چه معناست؟

۱۰ـ در انکارناپذیریِ فرگشت
۱۱- فرگشت و درآمدی بر آشتی دین و دانش
۱۲ـ در چیستی ِ علیت
۱۳- علیت: از فلسفه تا علم

توضیح تصویر:

نقشه‌ی توزیع سراسریِ دمای تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی در آسمان، که محکم‌ترین دلیل وقوع انفجار بزرگ محسوب می‌شود / NASA – WMAP Team