توزیع ماده و انرژی در عالم چگونه است؟ — به زبان ساده

احتمالاً شما نیز این ضرب المثل معروف «آسمان همه جا همین رنگ است» را شنیده‌اید، در این مطلب قصد داریم به طور علمی و بر اساس داده‌های رصدی نشان دهیم که واقعاً آسمان خدا در مقیاس بزرگ همه جا همین رنگ است. در حقیقت نحوه توزیع ماده و انرژی در عالم یکی از ویژگی‌های مهم برای شناخت کیهان است. به شکل کلی فیزیکدانان معتقدند فهم علمی از یک پدیده زمانی امکان‌پذیر است که بتوان آن پدیده را به دقت در چند گزاره مختصر یا به عبارت دیگر در فرمول‌های صحیح بیان کرد. به عنوان مثال شدت جریان‌ الکتریکی یا $$I$$ که با ولتاژ نسبت دارد. این ارتباط با قانون اهم یا فرمول $$V=IR$$ مشخص می‌شود، که در این رابطه $$R$$ مقاومت است. قانون اهم یک مدل ریاضی از فرآیند شدت جریان می‌دهد که در آن برای هر جسم مشخص، $$V$$ با $$I$$ نسبت دارد.

کیهان شناسان نیز دیدگاه مشابهی را برای فهم هستی به کار می‌برند. یکی از مسائل اساسی در کیهان شناسی مدرن فرمول‌بندی و تحقیق در مورد مدل‌های ریاضی از هستی است که بتواند مشخصات و ویژگی‌های عالم را توضیح دهد. به این مدل‌ها مدل‌های کیهانی می‌گویند. این مدل‌ها اغلب به شکل معادلاتی هستند که رابطه‌ای کلی بین مقادیر رصد شده برقرار می‌کنند، با این حال این معادلات در بردارنده پارامترهایی مانند ثابت هابل یا پارامترهای ديگر نیز هستند. این پارامترها باید توسط رصدها و قبل از آنکه بتوان مدل را برای پیش‌بینی های کمی مورد استفاده قرار داد، تعیین شوند.

برای تعریف و معرفی مدل‌های مختلف کیهان شناسی لازم است ابتدا ویژگی‌ها اصلی کیهان که از مشاهدات و داده‌ها به دست آمده را معرفی کنیم. یکی از این ویژگی‌ها و پارامترهای مهم نحوه توزیع ماده و انرژی در عالم است، در این مطلب قصد داریم این ویژگی کیهان را مورد بررسی قرار دهیم و مشخصات آن را معرفی کنیم.

آیا عالم یکنواخت است؟

بله، طبق داده‌ها و مشاهدات عالم یکنواخت است. این یک واقعیت است که آنچه بالای سرشما است (هوا، سقف، مقدار بیشتری هوا و در نهایت فضای خارجی) با آنچه زیر پای شما قرار گرفته است (احتمالاً کف، پی ساختمان‌ها و سپس تمام کره زمین) متفاوت است. همین واقعیت کافی است که بگوییم حداقل در محیط پیرامون ما، هستی یکنواخت نیست. اما بر خلاف یک ناحیه کوچک، محدوده‌ای بزرگ از هستی را در نظر بگیرید که ستاره‌شناسان و کیهان‌شناسان از آن به عنوان نمونه استفاده می‌کنند.

فیلم آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی در فرادرس

کلیک کنید

در عمل این محدوده باید آنقدر بزرگ باشد که دربردارنده چندین ابر مجموعه کهکشانی به همراه فضاهای خالی باشد که بتواند این ابرمجموعه‌ها را از یکدیگر تفکیک کند. چنین محدوده‌ای احتمالاً در حدود چند صد مگاپارسک وسعت دارد و می‌توان گفت یک بخش از یک میلیون بخش قابل رویت هستی است. دیدگاه مدرن کیهان شناسی بر این باور است که در این محدوده‌ها هر بخش از هستی تقریباً با سایر بخش‌های آن مشابه است.

یعنی اگر دو ناحیه از فضا که به اندازه کافی بزرگ هستند را در نظر بگیریم چگالی متوسط، فشار، دما و سایر خصوصیات در این دو ناحیه مشابه هستند. به همین دليل کیهان شناسان معتقدند در مقیاس‌هایی به اندازه کافی بزرگ، هستی یکنواخت است.

در نظر گرفتن یکنواختی در عالم، همواره نقش مهمی در علم کیهان‌ شناسی داشته است. در ابتدا این موضوع تنها بر اساس حدس و گمان بیان می‌شد اما امروزه رصدهای زیادی در تایید آن انجام شده است. یک نکته که رصدها آن را به وضوح روشن ساخته‌اند این است که در مقیاس‌های بزرگ، هستی تقریباً در تمام جهات یکسان است. این نکته را می‌توان به روشنی از تصویر توزیع مقیاس بزرگ کهکشان‌ها در تصویر (۱) مشاهده کرد. علاوه بر این مدارک محکم‌تری از تابش‌های پس زمینه مایکروویوکیهانی (تصویر ۲) بدست آمده است که نشان می‌دهد شدت این تابش‌ها در تمام بخش‌های آسمان نیز یکسان است.

با ترکیب این دو واقعیت که ۱) هستی از جایی که ما به آن می‌نگریم و در مقیاس بزرگ در تمام جهات یکنواخت است و ۲) مطابق اصل کپرنیکی ما موقعیت ممتازی در هستی نداریم، می‌توان نتیجه‌گیری کرد که اگر از هر نقطه‌ای به هستی نگریسته شود در مقیاس بزرگ و در تمام جهات یکنواخت به نظر خواهد رسید.

همچنین در سال‌های اخیر نقشه برداری‌های جابه‌جایی قرمز کهکشان‌ها نیز به تایید یکنواختی هستی در مقیاس بزرگ کمک کرده‌‏اند. در واقع نشانه‌هايی از وجود مجموعه‌ها و ابرمجموعه‌های کهکشانی در مقیاس‌های ده‏‌ها یا صدها مگاپارسک وجود دارد اما نشانه‌ای مبنی بر وجود ساختارهای بزرگتر از این یافت نشده، مدارک مربوط به یکنواختی هستی در مقیاس بزرگ به کمک نقشه برداری‌های جابه‌جایی قرمز در تصویر (۳) نمایش داده شده است.

نحوه توزیع ماده و انرژی در عالم چگونه است؟

در بخش قبل توضیح دادیم که مجموع داده‌های رصدی عالم و اصل کپرنیکی که بیان می‌کند ما موقعیت ممتازی در هستی نداريم، نشان می‌دهد كه عالم در مقیاس بزرگ در تمام نقاط شباهت دارد. همچنین گفتیم که این یکنواختی در توزیع مقیاس بزرگ ماده و تابش، با توجه به رصدهای انجام شده اخیر به خصوص نقشه‌ برداری جابه‌جایی قرمز به تایید رسیده است. با این حال به دلیل آنکه هنوز مدارک رصدی محدود هستند مناسب‌ است که یکنواختی توزیع مقیاس بزرگ ماده و تابش را یک فرضیه در نظر گرفت که با مدارک مستدل در حال تایید است و هنوز اثبات نشده است.

فیلم آموزش مقدماتی نجوم – نجوم باستان تا کیهان شناسی در فرادرس

کلیک کنید

ستاره شناسان معمولاً فرض یکنواختی هستی در مقیاس‌های بزرگ را اصل کیهانی می‌نامند و آن را به صورت زیر تعبیر می‌کنند:

در ابعادی که به حد کافی بزرگ هستند (یعنی به طور متوسط نواحی که چند صد مگاپارسک عرض دارند) هستی همگن (یعنی در همه نقاط یکسان است) و ایزوتروپیک (یعنی یکسان در تمام جهات) است. واژه‌های همگن و ایزوتروپیک دقیقاً منظور از یکنواختی را روشن می‌کنند. هر دو واژه برای تعریف یکنواختی عالم ضروری است زیرا امکان دارد نوعی توزیع همگن باشد اما ایزوتروپیک نباشد، برای مثال عالمی که در آن میدان مغناطیسی همگنی وجود دارد به گونه‌ای که هرجای آن میدان مغناطیسی جهت مشخصی داشته باشد، ایزوتروپیک نخواهد بود هر چند همگن است.

پرسش: عالم مغناطیسی یکنواخت که در بالا شرح داده شد توسط کدام ویژگی اصل کیهانی رد می‌شود؟ پاسخ را توضیح دهید.

پاسخ: هر چند هستی مغناطیسی شده، همگن است اما ایزوتروپیک نخواهد بود. در این حالت هیچ نقطه‌ای از هستی از نقاط دیگر آن قابل تمایز نخواهد بود اما در هر نقطه امکان مشخص کردن جهتی برتر با استفاده از قطب‌نما برای تعیین جهت میدان مغناطیسی وجود دارد. این واقعیت که تمام جهات در این هستی یکسان نیستند نشان می‌دهد این حالت با ضرورت ایزوتروپیک بودن عالم تطابق ندارد.

در ساده‌ترین مدل‌های کیهانی که با اصل کیهانی تطابق دارند اغلب تصور می‌شود که هستی از گاز یا مایعات یکسان پر شده است. یکی از مزایای چنین ساده‌سازی از محتویات هستی آن است که حالت گاز در هر زمان $$t$$ را می‏‌توان از چگالی و فشار آن در زمان مربوطه مشخص کرد. این دو خصوصیت گاز یعنی چگالی و فشار تمام خصوصیات دیگر از جمله دمای گاز را تعیین خواهد کرد. چگالی و فشار را معمولاً با $$\rho$$ و $$p$$ مشخص می‌کنند.

در عالم در حال انبساط می‌توان انتظار داشت چگالی و فشار با گذر زمان تغییر کنند و وابستگی چگالی و فشار به زمان را می‌توان با مقادیر این دو در هر زمان $$t$$ یعنی $$p(t)$$ و $$\rho(t)$$ نشان داد.

مباحث کیهانی با چشم‌پوشی از کمیت فشار ساده‌تر نیز می‌شوند و به نظر می‌رسد چشم‌پوشی از کمیتی مانند فشار به دلیل عدم وجود شواهدی مبنی بر برخورد ابر‌مجموعه‌های کهکشانی منطقی باشد.

با کمک چنین ساده‌سازی‌هایی تفسیر و توضیح ریاضی توزیع مقیاس بزرگ انرژی و اندازه حرکت برای ستاره‌شناسان چندان دشوار نخواهد بود.

مانند یکنواختی گاز کیهانی توزیع شده در هستی، توزیع ماده و انرژی در عالم نیز همگن و ایزوتروپیکی است که می‌توان به راحتی آن را با ریاضی شرح داد.

با کمک این تفسیر ریاضی از توزیع ماده و انرژی در عالم کیهان شناسان قادر خواهند بود با استفاده از فرمول‌های نسبیت عام هندسه مقیاس بزرگ فضا-زمان را معین کنند و به دنبال آن مدلی کیهانی را پایه ریزی کنند.

جمع‌بندی

در این مطلب درباره توزیع ماده و انرژی در عالم صحبت کردیم و نشان دادیم اگر داده‌های رصدی را در مقیاس بزرگ مورد بررسی قرار دهیم، عالم را به صورت یکنواخت خواهیم دید. این موضوع در مقیاس‌های کوچک کیهانی مورد تایید نیست، اما در مقیاس بزرگ عالم به صورت یکنواخت است که تکرار می‌شود. با استفاده از این موضوع اصل همگنی و ایزوتروپیک بودن در عالم را به عنوان اصل کیهانی معرفی کردیم و نتیجه گرفتیم که توزیع ماده و انرژی در عالم یکنواخت است و با استفاده از این اصل می‌توان مدل‌های کیهانی را ساده سازی کرد.