فرادرسانبساط عالم — به زبان ساده
در این مطلب به بحث انبساط عالم یا همان انبساط جهان خواهیم پرداخت؛ حدود صد سال قبل، تصور می‌شد جهان ما مکانی آرام و ساکن است که بزرگی آن تنها به اندازه کهکشان راه شیری است. ساعت کیهان‌شناختی با نرخ ثابت و یکنواختی کار می‌کرد و جهان ابدی بود. با وجود این، خیلی زود تغییری بنیادین این تصویر را دگرگون کرد.
در آغاز قرن بیستم، «هنریتا سوان لویت» که بانوی اخترشناس آمریکایی بود، راهی برای اندازه‌گیری فاصله ستارگان دوردست کشف کرد. او هزاران ستاره تپنده، موسوم به «متغیرهای قیفاووسی» را مورد مطالعه قرار داد و کشف کرد که ستارگان درخشان‌تر تپش‌های طولانی‌تری دارند. با استفاده از این اطلاعات، وی توانست درخشش ذاتی متغیرهای قیفاووسی را اندازه‌گیری کند.
اگر تنها فاصله یکی از ستارگان قیفاووسی معلوم می‌بود، تعیین فاصله سایر متغیرهای قیفاووسی امکان‌پذیر می‌شد: هر چه ستاره کم‌نور بود، فاصله آن از زمین بیشتر بود. به این ترتیب نخستین «شمع استاندارد کیهانی» ایجاد شد: علامتی معتبر در مقیاس کیهانی که هنوز هم مورد استفاده اخترشناسان است. با استفاده از متغیرهای قیفاووسی، اخترشناسان خیلی زود به این نتیجه رسیدند که نه تنها جهان در حال بزرگ شدن است، بلکه کهکشان راه شیری نیز تنها یکی از بی‌نهایت کهکشان‌های موجود در عالم است.
آغاز شکل‌گیری نظریه انبساط عالم
نظریه انبساط عالم نخستین بار در سال ۱۹۲۲ (۱۳۰۱) از سوی الکساندر فریدمن ارائه شد. وی با ارائه معادلات فریدمن نشان داد عالم می‌تواند در حال بزرگ‌تر شدن باشد؛ اما این تنها یک نظریه بود و لازم بود شواهدی بر اثبات آن یافت شود؛ مدرکی که خوشبختانه خیلی زود به دست آمد.
هر کهکشانی ویژگی به نام «انتقال‌به‌سرخ» دارد که روش اصلی اثبات انبساط عالم است. بهترین راه برای توضیح این پدیده، مقایسه‌اش با «اثر دوپلر» است. ماشین پلیسی را تصور کنید که با آژیر روشن از کنار شما عبور می‌کند. وقتی ماشین به شما نزدیک می‌شود، امواج صوتی فشرده‌شده و جمع می‌شوند؛ اما هنگام دور شدن خودرو، امواج از هم بازشده و کش می‌آیند. این پدیده به ترتیب باعث کاهش و افزایش بسامد امواج صوتی می‌شود.
اتفاق مشابهی برای نوری می‌افتد که از کهکشانی دوردست به ما می‌رسد. زمانی که کهکشان از ما دور می‌شود، به نظر می‌رسد نور منتشر شده از آن به سمت انتهای سرخ طیف الکترومغناطیس کش می‌آید. هر چه کهکشان دورتر و درنتیجه سرعت فاصله گرفتنش از ما بیشتر باشد، پدیده انتقال به سرخ بیشتر خواهد بود و رنگ کهکشان قرمزتر است.
در سال ۱۹۲۹ (۱۳۰۸)، ادوین هابل و همکارانش به کمک بزرگ‌ترین تلسکوپ آن روزگار در مونت‌ویلسون کالیفرنیا به بررسی انتقال به سرخ کهکشان‌های دوردست پرداختند. نتیجه تحقیقات این بود که کهکشان‌ها در حال دور شدن از ما و یکدیگر هستند و هر چه که آن‌ها دورتر باشند، با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند (پدیده‌ای که با نام اصل هابل شناخته می‌شود). جهان در حال رشد و بزرگ شدن است و به این ترتیب، نظریه فریدمن با مشاهدات ادوین هابل تأیید شد.
بادکنک کیهانی
برای اینکه بتوانید انبساط عالم را بهتر درک کنید، بادکنکی را در نظر بگیرید که روی آن بی‌شمار نقطه گذاشته‌اید. زمانی که شروع به باد کردن بادکنک می‌کنید، نقاط روی آن شروع به دور شدن از هم می‌کنند؛ اما هیچ نقطه مرکزی وجود ندارد که همه نقاط نسبت به آن در حال حرکت باشند. در عوض، به نظر می‌رسد نقاطی که دورتر از یکدیگر قرارگرفته‌اند با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند؛ اما به نظر نمی‌رسد نقاط نزدیک‌تر به یکدیگر با همان سرعت نسبت به هم حرکت کنند.
به‌طور بنیادین، این همان اتفاقی است که در کیهان می‌افتد؛ منتها در مقیاسی بی‌نهایت بزرگ‌تر و با کهکشان‌هایی که به نظر می‌رسد همه در حال دور شدن از یکدیگر هستند. با این وجود، بازهم هیچ نقطه مرکزی در کیهان وجود ندارد. به‌عبارت‌دیگر، اگر روی سیاره‌ای در کهکشانی دیگر هم ایستاده باشیم، همان پدیده‌ای را می‌بینیم که روی زمین شاهد آن هستیم: همه‌چیز در حال دور شدن از یکدیگر هستند و اجرام دورتر، سریع‌تر حرکت می‌کنند.
یکی از جالب‌ترین شواهد انبساط عالم، «متناقض‌نمای اولبرز» است. در سال ۱۸۲۳ (۱۲۰۲)، اخترشناس آلمانی، هاینریش ویلهلم اولبرز برآورد کرد که اگر کیهان بیکران و ساکن باشد، پس آسمان شب باید به روشنی یک ستاره باشد؛ چرا که تمام نور ستاره‌ای باید به‌طور دائمی وارد جو زمین شود؛ بنابراین اولبرز پیشنهاد کرد آسمان شب تنها زمانی تاریک خواهد بود که جهان در حال انبساط باشد. در این حالت، نور ستارگان دور دست کش آمده و خم می‌شود و درنتیجه، زمین تحت بمباران دائمی نور قرار نمی‌گیرد.
ماجرای ثابت کیهان‌شناختی
آنچه در کیهان مشاهده شده بود، پیش‌تر نیز توسط محاسبات تئوری پیش‌بینی شده بود. نتیجه‌گیری جهان در حال انبساط یا انقباض، یک دهه قبل از کشف کهکشان‌های دور شونده انجام شد. در سال 1915 (1294)، آلبرت اینشتین نظریه نسبیت عام خود را منتشر کرد، نظریه‌ای که از آن زمان به پایه درک ما از جهان تبدیل شده است. این نظریه جهانی را توصیف می‌کرد که در حال انبساط یا انقباض بود.
اما حتی نابغه‌ای همچون اینشتین در آن زمان نمی‌توانست این حقیقت را بپذیرد که جهان ایستا نیست. به همین دلیل و برای جلوگیری از انبساط ناخواسته کیهانی، یک ثابت به معادله خود اضافه کرد که به «ثابت کیهان‌شناختی» مشهور شد. بعدها، اینشتین از وارد کردن این ثابت کیهان‌شناختی به‌عنوان یک اشتباه بزرگ نام برد. با وجود این، مشاهدات انجام شده در سال‌های آخر دهه 90 میلادی (70 شمسی) نشان داد که ثابت کیهان‌شناختی اینشتین –که به دلایل اشتباهی وارد معادله شد- واقعاً یک شاهکار بوده است.
انبساط تند شونده عالم
در دهه 90، دو گروه تحقیقاتی مختلف در دنیای اخترشناسی بودند که برای یافتن دورترین ابرنواخترها با هم رقابت می‌کردند. «سول پرلماتر» رئیس پروژه «کیهان‌شناسی ابرنواختری» که در سال 1988 (1367) آغازشده بود. «برایان اشمیت» هم رئیس گروه دیگری از دانشمندان بود که از اواخر سال 1994 (1373) در قالب گروه تحقیقاتی «ابرنواخترهای بسیار دور» کار می‌کرد که «آدام ریس» نیز در آن نقش تعیین‌کننده‌ای داشت. آن‌ها امیدوار بودند با تعیین فاصله تا ابرنواخترها و سرعتی که این ستارگان از ما دور می‌شوند، بتوانند سرنوشت کیهان را آشکار کنند.
ابرنواختر انفجار عظیمی است که در پایان عمر ستارگان پرجرم رخ می‌دهد. در حالت بیشینه تابش، ابرنواخترهای نوع یک (Type I) همواره مقدار نور یکسانی را از خود ساطع می‌کنند که در فواصل دوردست که متغیرهای قیفاووسی دیگر قابل‌مشاهده نیستند، آن‌ها را به «شمع‌های استاندارد کیهانی» تبدیل می‌کند که می‌توان از آن‌ها برای اندازه‌گیری فواصل بیکران در کیهان استفاده کرد؛ اما اندازه‌گیری‌ها نشان می‌داد که درخشندگی این شمع‌های استاندارد کیهانی درست نیست و آن‌ها در حال محو شدن هستند.
اگر انبساط عالم در حال از دست دادن سرعت خود بود، ابرنواخترها باید درخشان‌تر به نظر می‌رسیدند. با وجود این، ابرنواخترها محو می‌شدند، گویا آن‌ها به همراه کهکشان‌های میزبان سریع‌تر و سریع‌تر در حال دور شدن از ما بودند. چیزی که اخترشناسان مشاهده کردند مانند این است که یک توپ را به هوا پرتاب کنید و به‌جای اینکه توپ به سمت پایین برگردد، مشاهده کنید که سریع‌تر و سریع‌تر در آسمان ناپدید می‌شود؛ گویی نیروی گرانش نمی‌تواند بر روی مسیر حرکت توپ تأثیر بگذارد. نتیجه‌گیری شگفت‌انگیز این بود که خلاف انتظار هر دو گروه، انبساط کیهان کندشونده نیست، بلکه کاملاً در نقطه مقابل قرار داشت: جهان دارای انبساط تند شونده است.
ماده و انرژی تاریک
کشف انبساط تند شونده عالم تقریباً بلافاصله از سوی جامعه اخترشناسی پذیرفته شد. بخش اعظم این موضوع به این دلیل بود که ایده احتمال وجود یک فشار کیهانی که جهان را به سمت خارج هل می‌دهد، قبلاً از سوی آلبرت اینشتین مطرح‌شده بود؛ همان ثابت کیهان‌شناختی که این‌بار به شکل معکوس عمل می‌کرد.
این کشف به این معنا بود که چیز دیگری باید در کار باشد، نیرویی چنان مرموز و نامأنوس که به ذهن هیچ‌کس حتی خطور هم نکرده بود. هیچ‌کس نمی‌دانست این نیرو چیست تا اینکه یک دهه بعد، محاسبات دانشمندان نشان داد که این نیروی مرموز 73 درصد جهان را اشغال کرده است! مشاهدات ساختار بزرگ‌مقیاس جهان، در کنار اندازه‌گیری تابش زمینه کیهانی –پس‌تاب ضعیفی که از مهبانگ به‌جامانده است- نشان داد که بخش اعظم انرژی جهان کشف نشده باقی‌مانده بود، انرژی که با نام «انرژی تاریک» شناخته می‌شود و هنوز به‌صورت یک راز باقی‌مانده است.
انرژی تاریک یک نیروی دافعه ایجاد می‌کند که با گرانش مقابله می‌کند و باعث گسترش ساختار فضا-زمان می‌شود. درباره اینکه انرژی تاریک واقعاً چیست، ایده‌های مختلفی مطرح شده است. نظر غالب این است که انرژی تاریک نتایج نوسانات کوانتومی در خلأ فضا است، اما تلاش‌هایی که برای توصیف این انرژی با استفاده از نظریه کوانتوم انجام شده است، همگی به شکست ختم شده‌اند. تئوری‌های دیگر مانند گرانش اصلاح شده نیز مقبولیت اندکی در میان اخترشناسان دارند.
انرژی تاریک هر چیزی که هست، به نظر می‌رسد حالا حالاها باقی خواهد ماند. این موجود در جورچین کیهان‌شناختی که فیزیک‌دانان و اخترشناسان مدت‌هاست روی آن کار می‌کنند، به‌خوبی جای می‌گیرد. بر اساس آخرین نتایج تحقیقات که دانشمندان در مورد آن اتفاق نظر دارند، حدود سه‌چهارم عالم از انرژی تاریک تشکیل شده و باقی آن ماده است؛ اما ماده معمولی که کهکشان‌ها، ستارگان و ... از آن تشکیل شده‌اند، فقط 5 درصد در عالم سهم دارد! بقیه آن ماده تاریک نامیده می‌شود که آن هم تاکنون ناشناخته باقی مانده است.
ماده تاریک هم یکی دیگر از رمز و رازهای بزرگ کیهان است. ماده تاریک هم مانند انرژی تاریک نامرئی است و ما هر دو آن‌ها را به‌خاطر اثراتشان شناخته‌ایم: یکی کهکشان‌ها را هل می‌دهد و دیگری آن‌ها را می‌کِشد و تنها شباهت بین آن‌ها، عنوان «تاریک» در اسمشان است.
سرانجام ماجرا
وقتی اینشتین از شر ثابت کیهان‌شناختی خلاص شد و ایده یک جهان غیرپایا را قبول کرد، شکل هندسی عالم را به سرنوشت آن ربط داد. آیا جهان باز است یا بسته است، یا چیزی بین این دو؟ یک جهان باز، جهانی است که در آن نیروی گرانشی ماده آن‌قدر قوی نیست که بتواند مانع انبساط عالم شود.
در جهان در حال بزرگ شدن، سرد شدن و افزایش فضای خالی، ماده در حال رقیق شدن و چگالی آن رو به کاهش است. از طرف دیگر و در یک جهان بسته، نیروی گرانشی به اندازه کافی قوی است که انبساط را متوقف و حتی آن را معکوس کند. به همین دلیل انبساط جهان درنهایت متوقف می‌شود و ماده موجود در جهان با بازگشت به سوی یکدیگر، یک پایان انفجاری داغ و شدید را رقم می‌زنند؛ پدیده‌ای که آن را مِه‌رُمب (Big Crunch) می‌نامند.
اینکه سرانجام عالم چه خواهد شد، موضوعی است که هنوز محل بحث و مناقشه است. دانشمندان تنها سر یک نکته توافق دارند: اینکه تا پایان کار عالم هنوز میلیون‌ها سال زمان باقی است.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
عالی بود باید احسنت گفت به ابرخالق این همه زیبایی و شگفتی
شکل درصد اجزای تشکیل دهنده در جهان اولیه غلط است
قسمت بنفش نوترینو است نه نوترون
با سلام،
تصویر بازبینی و اصلاح شد،
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس
بسیار عالی بود..خیلی واضح و ساده توضیح میدهید..متشکرم
سلام بسیار آموزنده بود ، مرسی
سلام میشه لطفا منبع تون را هم بگید؟!
ادوین هابل اولین بار ثابت کرد که جهان در حال انبساط هستش نه الکساندر، درواقع هابل توی سال ۱۹۲۰ یعنی ۲ سال قبل تر از الکساندر این رو ثابت کرد..