انرژی تاریک چیست؟ | هر آنچه باید بدانید

در ادامه سوالات بی پاسخ توسط نظریه استاندارد انفجار بزرگ یا بیگ ‌بنگ در این مطلب قصد داریم تا ماهیت انرژی تاریک را بررسی کنیم. این کمیت مرموز که $$73\%$$ چگالی عالم را تشکیل داده نشان می‌دهد که ما برای شناخت عالم در ابتدای مسیر هستیم و بخش اعظم این هستی هنوز ناشناخته است. در حقیقت دومین سوالی که کیهان شناسان تاکنون نتوانسته‌اند توسط نظریه استاندارد کیهان شناسی آن را توضیح دهند ماهیت انرژی تاریک است که ما قصد داریم در این مطلب کاندیدهای احتمالی و آزمایشات انجام شده برای شناخت این مفهوم ناشناخته را بررسی کنیم. اگر ماهیت انرژی تاریک برای شما نیز مفهومی سوال برانگیز است پیشنهاد می‌کنیم خواندن این مطلب را از دست ندهید.

ماهیت انرژی تاریک چیست؟

طرح این ایده که هستی با ماده غیر متعارفی به نام ماده تاریک پر شده خود به تنهایی فهم ما از دنیای فیزیکی را به چالش گرفته، با این حال کشف مفهوم کیهان شناسی شگفت‌آور دیگری که در سال‌های اخیر انجام شده و به آن انرژی تاریک می‌گویند، شناخت ما از هستی را بغرنج‌تر کرده است. تا اواخر دهه 90 میلادی کیهان شناسان تصور می‌کردند که انبساط عالم به دلیل وجود نيروی گرانشی بین مواد موجود در هستی در حال کند شدن است. سوال اصلی در آن دوره این بود که آیا این انبساط در نهایت متوقف و معکوس خواهد شد یا برای همیشه ادامه پیدا خواهد کرد.

فیلم آموزش مبانی گرانش یا Gravitation در فرادرس

کلیک کنید

مطالعات انجام شده بر روی سوپرنواهای دور دست نوع $$Ia$$ نشان می‌دهند انبساط کیهانی نه تنها در حال کند شدن نیست، بلکه سرعت آن در حال افزایش نیز است. اندازه‌‏گیری‌های جدید از ناهمسانگردی‌های تابش‌های پس‌زمینه مایکروویو کیهانی یا CMB نیز این یافته‌ها را تائید می‌کند.

هستی یا عالم در حال انبساط می‌تواند در نتیجه حدود $$73\%$$ انرژی تاریک در مجموع چگالی انرژی هستی به وجود آمده باشد که تاثیر آن مقابله با کاهش شتاب انبساط است. وجود انرژی تاریک این امکان را فراهم می‌کند تا عالم در حالت چگالی بحرانی ثابت باقی بماند این موضوع حتی هنگامی که چگالی ماده پایین است و با زمان کاهش پیدا می‌کند نیز برقرار است.

ارتباط بین انرژی تاریک و ماده تاریک چیست؟

تا به حال ارتباطی میان این دو یعنی ماده تاریک و انرژی تاریک شناخته نشده است و ما چیزی در مورد این ارتباط نمی‌دانیم. هرچند نام این دو یعنی ماده تاریک و انرژی تاریک مشابه است اما به دو پدیده کاملاً متفاوت اشاره دارند. به خصوص باید بر روی این موضوع تاکید کرد که انرژی تاریک انرژی معادل ماده تاریک نیست.

انرژی تاریک چگونه رفتار می‌کند؟

انرژی تاریک در برابر نیروی گرانشی جاذبه ناشی از مواد موجود در فضا مقاومت می‌کند. از حیث فیزیکی این ویژگی چه معنایی دارد؟ در نسبیت عام گرانش سبب خمیدگی  فضا-زمان می‌شود و این خمیدگی نه فقط به واسطه حضور اجرام سنگین  بلکه به واسطه توزیع انرژی و اندازه حرکت نیز تعیین می‌شود.

حتی فشار درون مایعات نیز بر اثرات گرانشی تاثیر می‌گذارد زیرا هنگامی که مایع منبسط یا منقبض می‌شود فشار بر انرژی درونی مایع اثر گذاشته و این تغییر انرژی بر خمیدگی فضا تاثیر خواهد گذاشت (این یکی از حالت‌هایی است که در آن گرانش در نسبيت عام با گرانش نیوتنی تفاوت پیدا می‌کند). مطابق مدل فریدمن-رابرتسون-واکر یا مدل FRW، سیالی که به صورت یکنواخت هستی را پر کرده فشار مثبتی را در هر نقطه وارد می‌كند و گرانش این سیال همانند چگالی آن باعث کاهش سرعت انبساط عالم می‌شود.

تاثیر انرژی تاریک که باعث افزایش سرعت انبساط عالم می‌شود نشان می‌دهد انرژی تاریک برخلاف یک سیال معمولی منبع فشار منفی است. چگالی انرژی تاریک در واقع تمایل به کند کردن انبساط کیهانی دارد، اما فشار منفی انرژی تاریک این حالت و تمایل را به طور کامل خنثی می‌کند و این حالت حتی بیش از خنثی کردن پیش می‌رود و در نتیجه تاثیر کلی انرژی تاریک افزایش سرعت انبساط کیهانی خواهد بود.

فشار منفی و یا تاثیر گرانشی مربوط به آن را می‌توان به عنوان عامل محرک شتاب‌گیری انبساط کیهانی به حساب آورد. اگر کمی در این مسئله تعمق کنید متوجه می‌شوید که فشار مثبت به صورت طبیعی عامل دور شدن مواد از یکدیگر است البته این موضوع در حالتی درست است که بین نقاط مختلف جسم اختلاف فشار وجود داشته باشد. مدل کیهان شناسی فریدمن-رابرتسون-واکر یا FRW توزیع ماده و انرژی را در عالم به صورت یکنواخت در نظر می‌گیرد که در آن تفاوت فشار وجود ندارد اما فشار یکنواخت مانند چگالی یکنواخت، تاثیر گرانشی خواهد داشت.

فشار منفی ممکن است در ابتدا کمی نامأنوس باشد اما غیر فیزیکی نیست و پدیده‌ای با عنوان «اثر کاسیمیر یا کازمیر» (Casimir effect) (تصویر 1) می‌تواند توضیحی فیزیکی برای این پدیده باشد. اثر کاسیمیر نشان می‌دهد دو صفحه فلزی باریک جدا از هم که به موازات یکدیگر قرار گرفته‌اند خصوصیات الکتریکی فضای خلاء بین خود را تغییر می‌دهند و در این فضا فشار منفی تولید می‌کنند. در نتیجه به دلیل وجود اختلاف فشار نیروی جاذبه‌ای بین دو صفحه فلزی به وجود می‌آید که قابل مشاهده و اندازه‌گیری است. این اثر و جاذبه ناشی از آن یک تاثیر گرانشی نیست اما نمایشی از فشار منفی است.

اگر درک ایده فشار منفی برای شما دشوار است نگران نباشید و در حال حاضر و در این مرحله بپذیرید که توزیع یکنواخت انرژی تاریک با فشار منفی، تاثیر گرانشی دفع‌کننده دارد و سبب شتابدار شدن و افزایش سرعت انبساط هابل می‌شود.

کاندیدهای انرژی تاریک چه هستند؟

بر اساس لیست ارائه شده از سوالات بی‌پاسخ در کیهان شناسی در مطلب ماهیت ماده تاریک، این دومین مشکل کیهان شناسی است و کیهان شناسان تا به حال سه پاسخ احتمالی برای این مشکل مطرح کرده‌اند.

انرژی تاریک و ثابت کیهان شناسی

احتمال اول آن است که انرژی تاریک به سادگی تاثیر ثابت کیهان شناختی یا $$\Lambda$$ را نشان دهد و توضیح بیشتری برای آن وجود نداشته باشد. در واقع برخلاف ماده و تابش، انرژی مربوط به ثابت کیهان شناختی، با انبساط عالم کاهش پیدا نمی‌کند.

فیلم آموزش مقدماتی کیهان شناسی و نجوم در فرادرس

کلیک کنید

مقدار این انرژی ثابت باقی می‌ماند و فشار منفی ثابتی در طول انبساط عالم از خود نشان می‌دهد. اگر این احتمال صحیح باشد مقدار این ثابت یعنی $$\Lambda$$ مشابه ثابت گرانشی یا G ثابت جدیدی در طبیعت خواهد شد. در حال حاضر کیهان شناسان قادر به توضیح این موضوع نیستند که چرا مقدار این ثابت اینقدر است، همان طور که در مورد ثابت گرانش يا $$G$$ نيز چنين است و نمی‌دانیم چرا مقدار آن $$9.8$$ است. بسياری از كيهان شناسان موافق با معادل قرار دادن انرژی تاريک و ثابت كيهان شناختی نيستند چرا كه مقدار آن قراردادی است و می‌تواند برای هر شتاب طوری انتخاب شود که نتایج با یکدیگر همخوانی داشته باشند.

انرژی تاریک و انرژی خلاء

در بررسی احتمال دوم برای ماهیت انرژی تاریک به جای استفاده از نسبیت عام از فیزیک کوانتوم استفاده شده است. یکی از ویژگی‌های اصلی در تئوری کوانتوم اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که می‌توان آنرا به شکل‌های متفاوت بیان کرد. یکی از شکل‌های نمایش اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به صورت زیر است:

$$\Delta E\Delta t>\frac{h}{2\pi}$$

که در آن $$h$$ ثابت پلانک است. تفسير رابطه بالا این است که به طور همزمان نمی‌توانیم اطلاعات دقیقی از انرژی یک ذره و زمان دقیقی که انرژی ذره اندازه‌گیری شده است داشته باشیم و اگر بخواهیم انرژی یک ذره را با عدم قطعیت $$\Delta E$$ بدانیم آن گاه زمانی که برای اندازه‌گیری آن به طول می‌انجامد حداقل $$\Delta t$$ خواهد بود و نمی‌توان انرژی و زمان را به صورت همزمان با دقت بیشتری از این مقدار اندازه‌گیری کرد.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ هنگامی که آن را در اندازه‌گیری‌ها برای یک فضای خالی به کار می‌بریم بسیار تاثیرگذار خواهد بود. یک آزمایش ذهنی را در نظر بگیرید و فرض کنید یک جعبه بسیار بسیار کوچک را از تمام ذرات خالی کرده‌ایم. هم چنین این جعبه بسیار کوچک از دنیای خارج نيز جدا شده است تا مطمئن شویم هیچ میدانی در آن وجود ندارد و بر آن اثر نمی‌گذارد. در حقیقت این جعبه به معنی واقعی کلمه خالی است، می‌خواهیم بدانیم که در این حالت چگالی انرژی درون این جعبه چقدر است؟ به صورت طبیعی اگر جعبه خالی باشد چگالی انرژی درون آن نیز باید صفر باشد اما اصل عدم قطعیت هایزنبرگ این موضوع را تایید نمی‌کند.

اگر فضا عاری از ذرات بود می‌توانستیم بگوییم که انرژی در این بخش از فضا و در این زمان صفر است. اما در این حالت اندازه دقیق انرژی را می‌دانیم که ناقض عدم قطعیت است. اصل عدم قطعیت ما را مجبور می‌کند تا بپذیریم که حتی در فضای خالی، ذرات با انرژی $$\Delta E$$ می‌توانند برای زمان $$\Delta t$$ وجود داشته باشند.

این اصل همچنین نشان می‌دهد که ذرات بسیار سنگین‌تر (با انرژی جرمی بزرگتر) عمر کمتری از ذرات سبک‌تر خواهند داشت. این ذرات مجازی که همواره به شکل جفت ذره و آنتی‌ذره نمایان می‌شوند قبل از آن که مشاهده شوند تولید و نابود می‌شوند. در نتیجه باید گفت فضا نه تنها خالی نیست بکه سرشار از ذراتی است که به شکل مداوم خلق و نابود می‌شوند (تصویر ۲) و مجموع انرژی این ذرات را با عنوان انرژی خلا می‌شناسیم.

در این موضوع که انرژی خلاء وجود دارد تردیدی نیست و این انرژی توضیحی برای تاثیر کاسیمیر ارائه می‌دهد. وجود صفحات رسانای موازی، انواع ذرات مجازی که می‌توانند در ناحیه بین دو صفحه شکل بگیرند را محدود کرده و همین عامل سبب می شود ناحیه فضای خالی بین دو صفحه رسانا خصوصیات متفاوتی نسبت به فضای خالی اطراف دو صفحه رسانا را نشان دهد. این واقعیت که انرژی خلاء یکی از خصوصیات خود خلاء است مشخص می‌کند انرژی یا انبساط هستی، کاهش پیدا نخواهد کرد و همواره فشار منفی مورد نیاز را خواهد داشت. در حقیقت انرژی خلاء تاثیری مشابه ثابت کیهان شناختی را دارد.

با این حال باید تفاوت بین ثابت کیهان شناختی به عنوان عبارتی غیرقابل تقلیل در حیطه معادلات میدان نسبیت عام و نیز انرژی خلاء فیزیک کوانتومی به عنوان عامل ویژه توزیع کیهانی انرژی و اندازه حرکت را در نظر گرفت. این دو ممکن است تاثیری مشابه داشته باشند و عامل ایجاد انرژی تاریک باشند اما در واقع ماهیتی متفاوت دارند.

این تشابه باعث ایجاد اشتباهات فراوان شده است چنانچه برخی نویسندگان واژه‌های انرژی تاریک، انرژی خلاء و ثابت کیهان شناسی را به شکل قابل تعویض استفاده می‌کنند. اما با این حال این موضوع بدین معنا است که رفتار مدل‌های مختلف عالم چه معرف ثابت کیهان شناختی اينشتين یعنی $$\Lambda$$ و چه معرف انرژی خلاء مدل کوانتومی باشند در هر دو صورت خصوصیات مشابه خواهند داشت.

با این حال یک تفاوت مهم وجود دارد، از آنجا که انرژی خلاء نتیجه منطقی فیزیک کوانتوم است، باید امکان محاسبه چگالی آن از اصول اولیه و سپس مقایسه آن با چگالی اندازه‌گیری شده انرژی تاریک وجود داشته باشد. این کاری است که نمی‌توان برای ثابت کیهان شناختی انجام داد.

سوالی که مطرح می‌شود این است که آیا می‌توان چگالی انرژی خلاء را محاسبه کرد؟ بله، این امر اماکن پذیر است اما محاسبه آن به راحتی امکان‌پذیر نیست. نتیجه این اندازه‌گیری نشان می‌دهد چگالی انرژی خلاء حدود $$10^{120}$$ بار بزرگتر از چگالی اندازه‌گیری شده انرژی تاریک است. این نتیجه کمی عجیب به نظر می‌رسد و این سوال مطرح می‌شود که آیا چنین انرژی زیادی در فضای خالی وجود دارد؟ و چرا ما متوجه آن نمی‌شویم؟ تاثیر دفع کننده گرانش این مقدار از انرژی خلاء آنقدر زیاد است که هستی به شکل انفجاری انبساط خواهد یافت و اگر انرژی خلاء تا این اندازه بزرگ است تعجب آور است که چرا حضور خود را نشان نمی‌دهد.

عليرغم تفاوت فاحش بین چگالی انرژی اندازه‌گیری شده و چگالی انرژی رصد شده («استیون وينبرگ» (Steven Weinberg) از برندگان جایزه نوبل این تفاوت را بدترین شکست تخمین اندازه بزرگی، در تاریخ علم می‌داند)، فیزیکدانان نظری همچنان امیدوار هستند که فهم و شناخت ما از فیزیک ذرات هنوز کامل نیست و زمانی که تئوری بسیار کامل‌تری از ذرات بنیادی  در دسترس باشد همچنان می‌توان انرژی خلاء را عامل انرژی تاریک دانست، زیرا برای مثال در برخی تئوری‌ها و نظریات انرژی‌های ذرات ممکن است یکدیگر را حذف کنند. اما تا به امروز اثباتی برای این فرضيه وجود ندارد.

انرژی تاریک و عنصر پنجم

کاندیدای سوم برای انرژی تاریک عنصر پنجم نام دارد. این عنوان از یونان باستان اخذ شده و به عنصر پنجم طبیعت پس از زمین، هوا، آتش و آب اشاره دارد.

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

کلیک کنید

در دوران یونان باستان تصور بر این بوده است که عنصر پنجم اجرام سماوی را شکل داده است. در زمینه کیهان شناسی مدرن عنصر پنجم را می‌توان نوعی ماده غیر متعارف به حساب آورد. البته با توجه به رصدهای انجام شده برای مشاهده خصوصیات انرژی تاریک، عنصر پنجم باید شکل غیرشناخته شده‌ای از ماده باشد و در واقع باید آن را توزیع انرژی دانست که هستی را پر کرده است. این فرضیه تا حدی شبیه به انرژی خلاء است اما تصور می‌شود که بر خلاف انرژی خلاء عنصر پنجم در زمان و فضا تغییر کند.

عنصر پنجم برای آن که بتواند برای انبساط کیهانی تند شونده پاسخگو باشد باید شتاب منفی داشته باشد اما خصوصیات آن ممکن است چنان باشد که در ابتدای عالم رفتاری همانند انرژی تابش عادی داشته است.

هر چند چگالی انرژی تاریک در حال حاضر غالب است اما ممکن است تاثیر آن در آینده کاهش پیدا کند و در نتیجه انبساط هستی متوقف شده و یا حتی فرآیند عکس آغاز شود. تغییرات در سرعت شتاب کیهانی می‌تواند تاثیرات عنصر پنجم را از انرژی خلاء و یا ثابت کیهان شناختی متمایز کند. چنین محاسباتی در حال حاضر قطعی و نهایی نیستند اما ممکن است با بهبود رصدها از سوپرنواها و ناهمسانگردی‌های CMB بسیار دقیق شوند.

تصویر (۳) سه کاندیدای اصلی برای انرژی تاریک را به شکل خلاصه نمایش داده است. اگر تا به حال فکر می‌کردید فضا می‌تواند خالی باشد در اشتباه بوده‌اید. فیزیکدان آمریکایی «هانس کریستیان ون بایر» (Hans Christian von Baeyer) در مورد فضای خالی جمله معروفی دارد که می‌گوید: فضا ممکن است از ماده خالی باشد اما پر از شگفتی است.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد ماهیت انرژی تاریک صحبت کردیم. همانطور که می‌دانید در کیهان شناسی هشت سوال بی پاسخ وجود دارد که عبارتند از :

1. ماهیت ماده تاریک چیست؟
2. ماهیت انرژی تاریک چیست؟
3. چرا عالم یکنواخت است؟
4. چرا عالم هندسه تخت (k=0) دارد؟
5. ساختارها از کجا می‌آیند؟
6. چرا میزان ماده از پادماده بیشتر است؟
7. در زمان  0 =t (در ابتدای عالم) چه رخ داده است؟
8. چرا هستی به شکل فعلی آن است؟

در این مطلب در مورد سوال دوم که ماهیت انرژی تاریک است صحبت کردیم و کاندیدهای انرژِی تاریک و ویژگی‌های آن‌ها ‌را بیان کردیم.