به افتخار تاریکی

ویکتوریا ژاگارد – چیزی را که به هوا پرتاب می‌کنیم، بایستی به سمت زمین برگردد. اصلاً بحث و جدل چندانی راجع به قوانین حاکم بر نیروی بنیادین گرانش در جریان نیست، اما نوبل فیزیک ۲۰۱۱، به دانشمندانی اعطا شد که پرده از وجه تاریک چنین نیروی مطمئنی برکشیدند.

 

برندگان نوبل فیزیک امسال، شامل سائول پرلماتر(Saul Perlmutter) و آدام ریس (Adam Riess) از ایالات متحده و برایان اشمیت (Brian Schmidt) از استرالیا، در کشف این‌که جهان‌مان نه‌تنها منبسط می‌شود، که با شتاب فزاینده‌ای چنین می‌کند، سهیم بودند. این کشف امروزه به تئوری مقبول “انرژی تاریک” انجامیده است، نیروی سراسر اسرارآمیزی که برخلاف گرانش عمل می‌کند.

 

بررسی‌ها نشان از این داده‌اند که انرژی تاریک، حدود ۷۴درصد از حجم هستی را به خود اختصاص داده است، اما بالغ بر یک دهه بعد از این کشف دوران‌ساز، دانشمندان هنوز هم درصدد کشف ماهیت انرژی تاریک‌ و لذا حل معمایی هستند که به‌قول برخی متخصصان، ریشه‌ای‌ترین معضل پیش روی فیزیک جدید است.

 

تا زمان کشف انرژی تاریک، فیزیکدانان ملزم به قبول این قاعده شده بودند که نیروی گرانش مابین اجزای ساختاری کیهان، باید انبساط جهان را به تناوب آهسته‌تر سازد: “هنگامی‌که دسته کلیدم را به هوا پرتاب می‌کنم، نیروی جاذبه زمین از سرعت آن می‌کاهد و آن را به من بازمی‌گرداند.” این نکته بدیهی را ماریو لیویو (Mario Livio)، فیزیکدان نظری مؤسسه علمی تلسکوپ فضایی (STScI) در شهر بالتیمور ایالت مریلند، در جریان سمپوزیوم “ده سال انرژی تاریک”، در سال ۲۰۰۸ میلادی گفت.

 

اما ستاره‌شناسان با بررسی نور انفجارهای دوردست ستاره‌ای به عینه دیدند که کهکشان‌های میزبان این انفجارها با سرعتی فزاینده در حال دور شدن از هم هستند. به‌گفته لیویو، تماشای دورشدن شتاب‌گیرنده این کهکشان‌ها درست به این می‌ماند که دسته‌کلیدمان به‌طور مستقیم به سقف اتاق بچسبد. آشتی دادن این دیده‌ها با فرضیه‌های کنونی، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های پیش روی پژوهشگران حوزه فیزیک نظری است. مایکل ترنر (Michael Turner)، کیهان‌شناسی از دانشگاه شیکاگو می‌گوید: “ما تاکنون دو توجیه کاملاً ناخرسندکننده برای این مشاهدات داشته‌ایم.”

 

براساس یک احتمال، اصلاً انرژی تاریکی وجود ندارد و تنها نیروی جاذبه در چنین مقیاس‌های عظیم رفتاری متفاوت از خود بروز می‌دهد، اما “فیزیکدانان محافظه‌کارند. ما تمایلی به ترک تئوری فعلی گرانش، آن‌هم هنگامی که می‌شود از دوباره به هم جوش‌اش داد و به احیایش پرداخت، نداریم.” این را آدام ریس، کیهان‌شناس مؤسسه STScI و از برندگان نوبل فیزیک امسال به نشنال جئوگرافیک می‌گوید و می‌افزاید: “اساساً این‌ها همه به این واقعیت ختم می‌شود که فرمولی به نسبت ساده برای توصیف رفتارهای جهان وجود دارد و ما نیز از همان فرمول استفاده می‌کنیم. از حال که توانسته‌ایم این وجه نامتعارف نیروی جاذبه را ببینیم، یا می‌توانیم آن را به گردن سمت چپ معادله بیندازیم و بگوییم اصلاً از گرانش هیچ نفهمیده‌ایم و یا مشاهدات‌مان را به سمت راست معادله نسبت داده و بگوییم حقیقتاً این وجه خارق‌العاده وجود خارجی دارد.” (رجوع کنید به «پایان یک آغاز» – مصاحبه اختصاصی رادیوزمانه با آدام ریس)

 

این موجودیت نامتعارف- و قهرمان احتمالی داستان کشف ماهیت انرژی تاریک- همان انرژی خلاء کوانتومی است. فقط نکته کار اینجاست که هیچکس هنوز نتوانسته ریاضیات حاکم بر مکانیک کوانتومی را که به توصیف مقیاس‌های فوق‌العاده ریز طبیعت می‌پردازد، با ریاضیات حاکم بر معادلات نسبیت عام آشتی دهد؛ معادلاتی که به توصیف فعل‌ و انفعالات بزرگ‌مقیاس طبیعت می‌پردازند. ریس می‌گوید: “این دو نظریه، از دو اساسنامه متفاوت پیروی می‌کنند و ما همیشه می‌دانسته‌ایم که این دو اساسنامه با هم متفاوتند، اما متأسفانه انرژی تاریک از معدود مواردی در طبیعت است که توصیف آن مستلزم کاربرد هر دو نوع از این قوانین است.”

 

ناسا و وزارت انرژی ایالات متحده به‌منظور حل این چیستان، درصدد راه‌اندازی پروژه‌ای موسوم به “مأموریت مشترک انرژی تاریک” (JDEM) هستند، نخستین پروژه مختص پژوهش در حوزه انرژی تاریک. اما بر اساس چشم‌انداز ده‌ساله انجمن پژوهش‌های ملی آمریکا (NSC)، درخواستی مبنی بر تأمین بودجه برای راه‌اندازی پروژه JDEM پیشنهاد نشده است و به جای آن، “تلسکوپ مساحی فروسرخ میدان باز” (WFIRST)- که قرار شده در سال ۲۰۲۰ عازم فضا شود- به‌عنوان بهترین مأموریت علمی مرتبط با پاسخگویی به سئوالات بنیادین حوزه انرژی تاریک و همچنین سیارات فراخورشیدی درنظر گرفته شده است. در همین اثنا هم به‌گفته مایکل سالامون (Michael Salamon)، سرپرست دانشمندان پروژه “فیزیک کیهانی” ناسا، برخی از مأموریت‌های فعال این سازمان، تاکنون نقش بسزایی را در کمک به درک ماهیت انرژی تاریک کرده‌اند. او می‌گوید: “یک نمونه‌اش همین تلسکوپ فضایی هابل است که با برتری خود در انجام محاسبات مربوط به ابرنواخترها (که همان انفجارهای ستاره‌ای دوردست کیهان باشند) کمک شایان توجهی به تئوری انرژی تاریک کرده است.”

 

انبساط شتاب‌گیرنده کیهان را پژوهشگران برای نخستین دفعه از طریق بررسی ابرنواخترهای نوع ۱a که نقطه پایان حیات کوتوله‌های سفیدی محسوب می‌شوند که خود نقطه پایان ستاره‌های سبک‌وزن هستند- متوجه شدند. ستاره‌شناسان می‌دانند که هریک از ابرنواخترهای نوع 1a، درخشندگی ثابتی دارند (همانند یک لامپ ۱۰۰ وات). مادامی که نور ناشی از دورترین انفجارهای کیهانی رهسپار زمین می‌شود، تحت تأثیر انبساط جهان چنان کش می‌آید که به رنگ سرخ دیده می‌شود و این پدیده به قرمزشدگی (یا همان “انتقال به سرخ”- Redshift) معروف است. هرچه این قرمزشدگی شدیدتر باشد، این نور مسافت بیشتری را طی کرده و از منشا قدیمی‌تری سرچشمه گرفته‌اند. مقایسه بیشترین آمار ممکن ابرنواخترهای دوردست نوع ۱a، به دانشمندان در تعیین سرعت دور شدن کهکشان‌ها از همدیگر کمک می‌کند.

 

مطالعات صورت‌پذیرفته پیرامون این ابرنواخترها به دانشمندان امکان تماشای تأثیر انرژی تاریک بر سرعت کهکشان‌ها را تا نه میلیارد سال نوری آن‌طرف‌تر داده است. بعضی از محققین حتی درصدد کشف مدارک کهن‌تری از حضور انرژی تاریک در پهنه “تابش میکروموج پس‌زمینه کیهانی” (CMB) برآمده‌اند، بازمانده‌ای مستقیم از انفجار بزرگی که گمان می‌رود حدود ۱۳/۷ میلیارد سال پیش به‌وقوع پیوسته است.(رجوع کنید به کژفهمی‌های یک انفجار).

 

در سال ۲۰۰۳ میلادی، کاوشگر “ناهمسانگردی میکروموجی ویلکینسون” (WMAP) وابسته به ناسا، نخستین نقشه دقیق و سراسری از این نور همه‌جا حاضر را به‌دست آورد و با به تماشا نشستن دوران نوباوگی کیهان، موفق به کشف افت و خیزهای ناچیزی در پهنه این نور شد که به‌عنوان بذر کهکشان‌های نخستین تلقی می‌شوند.(رجوع کنید به یک چشم و یک دنیا سئوال). این را لیسیا ورده (Licia Verde) از اخترفیزیکدانان موسسه علوم فضایی “بلاترا”ی اسپانیا طی سمپوزیوم سال ۲۰۰۸ اظهار کرد و افزود: “این یک سمفونی کیهانی است. شما واقعاً به تماشای صدا نشسته‌اید و همین صدا هم به شما در درک ساختار ساز کمک می‌کند” و در سال ۲۰۰۵ بود که ستاره‌شناسان فهمیدند امواج صوتی پراکنده در پهنه پلاسمای اولیه کیهانی در حدود ۴۰۰ هزارسال پس از وقوع انفجار بزرگ، ردپایی از کهکشان‌های نوظهور و کنونی را نیز در درون خودشان پنهان کرده‌اند. این افت و خیزهایی که به اصطلاح نوسانات “صوتی باریونی” نامیده می‌شوند، شاخص دقیق دیگری را برای تعیین نرخ انبساط جهان در طول زمان به دست داده‌اند و محدوده حکمرانی انرژی تاریک را مشخص کرده‌اند.

 

به‌گفته متخصصان اما هنوز طول می‌کشد تا دست به یگانگی متدهای گوناگون بزنیم و پرده از این راز دیرپا برکشیم. ریس می‌گوید: “زیبایی این بازی به این است که محاسبات بیشتری در پهنه تاریخ انبساط کیهان صورت دهیم، آن‌ها را دقیق‌تر از گذشته کنیم و پایه‌های مدل توصیف‌‌گر ماهیت انرژی تاریک را محکم کنیم.”

یکی از اهداف اصلی این آزمایشات، محاسبه نسبت چگالی انرژی به فشار موجود در پهنه کیهان است که با حرف w نمایش داده می‌شود. به‌گفته ریس، این کمیت به فیزیکدانان می‌گوید که “کدامین نوع از گرانش- از قبیل جاذب و یا دافع- را برای یک جسم می‌توان درنظر گرفت و به محاسبه قدرتش پرداخت. اگر انرژی تاریک همان انرژی خلأ باشد، آنگاه w همیشه و دقیقاً معادل -1 خواهد بود”؛ کشفی که پیش‌بینی‌های کوانتومی را در انطباق با نسبت عام درخواهد آورد. درغیر این‌صورت، بایستی زمان صرف کرد و به بازنویسی این قوانین پرداخت.

 

لارنس کرانس (Lawrence Krauss) فیزیکدان نظری دانشگاه ایالتی آریزونا در همان سمپوزیوم STScI خاطرنشان ساخت که اکثریت رصدهای کنونی، حاکی از مقدار عددی فوق‌العاده نزدیک به -۱ برای w هستند. لذا برای فیزیکدانان نظری، “محاسبه w … چیزهایی که تا پیش‌تر نمی‌دانستیم را برملا نخواهد کرد”، اما “پنجره‌های جدید، میزبان شگفتی‌های جدیدند. شما باید هرآنچه را که می‌توانید، انجام دهید، چراکه نمی‌دانید پاسخ از کدامین‌سو به سراغ‌تان خواهد آمد.