انبساط عالم

«… و از آنجا خفیری دو بگرفتیم، هر یک به ده دنیار، تا ما را به میان قومی دیگر برد. قومی عرب بودند که پیران هفتاد ساله مرا حکایت کردند که در عمر خویش به جز شیر شتر چیزی نخورده بودند. چه در این بادیه چیزی نیست الا علفی شور که شتر می خورد و ایشان خود گمان برند که همه عالم چنان باشد.» سفرنامه ی ناصرخسرو
در نسبت عام دیدیم که چگونه فیزیک دان ها قانون هایی را که روی زمین کوچک کشف کرده اند به تمام عالم و به زمان های گذشته و آینده تعمیم می دهند؛ و این گونه است که کیهان شناسان جرأت می کنند برای کل عالم مدل بسازند و به آن همچون آزمایشگاهی بزرگ نگاه کنند که قوانین معتبر روی زمین را می توان در آن نیز آزمود. عالمی که در آن هستیم به شیئی آزمایشگاهی تبدیل می شود که آن را هم با قانون های فیزیک بررسی اش می کنیم. اگر کهکشان های نزدیک ما ویژگی معینی نشان دادند آن را به بقیه ی کهکشان های دوردست هم تعمیم می دهیم.هر چه اطراف ماست باید گواه آن چه باشد که در دوردست است! نکند ما هم همان اشتباه را بکنیم که ناصرخسرو متوجه اش شد! اما این طور نیست.
اثر دوپلر زمینی را به کهکشان ها هم نسبت می دهیم، حتی هنگامی که بدانیم نسبیت عام این اثر را تصحیح می کند و تعبیر آن را عوض می کند! نود سال پیش را تجسم کنید: اواخر دوران قاجار است و تازه جنگ جهانی اول تمام شده است. آمریکا که کمابیش از صحنه ی جنگ دور بوده و خرابی های جنگ را تجربه نکرده است دوران شروع رشد علم و فناوری مدرن را تجربه می کند. رصدخانه ی مونت ویلسون، بزرگ ترین رصدخانه ی زمان است و منجمان آن طیف کهکشان ها را بررسی می کنند. مدتی است که دیده شده است اکثر- اگرنه همه ی کهکشان ها – خطوط طیفی جابه جا شده از خود نشان می دهند؛ خط های طیفی به سمت سرخ طیف جابه جا شده اند. انگار طول موج ها بلندتر شده اند. چرا؟ آن ها که اثر دوپلر را خوب می شناختند، و از اثر دوپلر نسبیتی ناشی از گرانش هم شنیده بودند، این انتقال به سرخ خط های طیفی را این گونه تعبیر کردند: کهکشان ها از ما دور می شوند. کهکشان راه شیری ما هنوز مرکز عالم بود. گویی عالم ما در حال انبساط بود و همه چیز از ما دور می شد. نکند عالم ایستا نباشد، دینامیک داشته باشد، یعنی ما در عالمی در حال تغییر، در حال بزرگ شدن هستیم؟ اعلام این گزاره بسیار جسارت علمی می خواست. ادوین هابل این جسارت را داشت و اعلام کرد بر مبنای شواهد رصدی، عالمِ ما در حال انبساط است. همین گزاره ی ساده که اکنون با آن خو گرفته ایم، آن زمان بسیار عجیب و سخت باور بود.
چند هزار سال بود انسان ها عالم را بدون تغییر فرض می کردند، به آن هندسه ی ویژه ای نسبت می دادند؛ فضا بود، همیشه بود و یکسان بود. فضا خاصیت نداشت! تخت بود. اما حالا منجمان می گفتند عالم در حال انبساط است. مگر می شود؟ انبساط در چه؟ کیهان «در کجا» قرار دارد که منبسط می شود؟ خوشبختانه مدل گرانش نسبیت عامی امکان نظری و ریاضیاتی این تصور را فراهم می کرد.
خط کشی را در نظر بگیرید که از ماده ای کاملاً کشسان ساخته شده باشد، و بتوان آن را به هر اندازه کشید. روی این خط کش به فاصله های مساوی علامت گذاری شده است: ۱، ۲، ۳، … . خط کش را در حال کشیدن، یعنی کِشان، در نظر می گیریم. نقطه های ۱، ۲ و ۳ همچون مختصات روی خط کش اند که فاصله ی آن ها مساوی می ماند، گرچه فاصله ی میان هر دو نقطه بر اثر کشیدن – انبساط – بیشتر می شود. نقطه های ۱، ۲ و۳ را در عرفِ نسبیت مختصات همراه می نامند، یعنی همراه باکش آمدن خط کش – عالم – حرکت می کنند. می گوییم فاصله ی همراه دو نقطه ۱ و ۲ ثابت است، اما فاصله ی «فیزیکی» آن ها با انبساط، با کش آمدن، تغییر می کند. گیریم ناظری روی نقطه ی ۲ به نقطه ی ۱، ۳ و ۴ نگاه می کند. اگر او از کش آمدن خط کش ناآگاه باشد، می بینید که نقطه های ۱ و ۳ که از او هم فاصله اند با سرعت یکسان از او دور می شوند، اما نقطه ی ۴ که فاصله اش از او دو برابر فاصله ی نقطه – کهکشان – ۲ است با سرعت دو برابر دور می شود.
آن چه در عالم رخ می دهد شباهت دارد به رفتار این خط کشِ درحال آمدن که یک بُعدی است. خط کش مادی است، اما عالم چطور؟ فضا – زمان چطور؟ کهکشان ها نقش نقطه های روی خط کش را دارند، پس درون کهکشان، ستاره ها و سیاره ها، در این مقیاس که صحبت می کنیم اصلاً به حساب نمی آیند. نسبیت عام زمینه را برای درک این ویژگی فضا – زمان برای ما فراهم کرده است. فضا – زمان را ماده ی موجود شکل داده است. هندسه ی این فضا – زمان در حال انبساط را ماده ی موجود در عالم تعیین می کند، و از ریاضیات می دانیم چگونه این فضا – زمان چهار بعدی و هندسه ی آن را درک کنیم بدون این که به فضای با بُعد بیشتر نیاز داشته باشیم. پس عالم در حال انبساط دو تفاوت عمده با خط کش کشان دارد. نخست این که به خط کش خاصیت کشسانی نسبت می دهیم که فضا آن را لازم ندارد. خود ماده ی در حال انبساط فضا – زمان را، یعنی مشابه چهار بعدی خط کش را، به وجود می آورد. دوم این که خط کش یک بعدی (یا دو بعدی) در فضای سه بعدی قرار دارد؛ که در اصطلاح ریاضی می گوییم خط کش در فضای سه بعدی غوطه ور است. اما عالمِ چهار بعدی ما لازم نیست در فضایی یا بُعد بیشتر غوطه ور باشد. توجه کنید، هنگامی که از عالم، هندسه ی آن، تحولات آن، دینامیک آن صحبت می کنیم هیچ گاه به فکر این نباشید که این فضا کجاست! جایی نیست؛ خودش است! پس به همین علت هم مرزی ندارد. این طرف و آن طرف هم ندارد.
به این ترتیب کشفیات رصدی با کشفیات نظری نسبیت عام دست به دست هم دادند تا مفهوم انبساط عالم درک و پذیرفته شود. هابل ابتدا از فرار کهکشان ها صحبت می کرد. کهکشان ها از ما فرار می کنند، سرعت فرار آن ها هم متناسب با فاصله ی آن هاست. بنا بر داده های اولیه ی هابل، این سرعت به گونه ای بود که اگر کهکشانی در فاصله ی یک میلیون پارسک از ما باشد سرعت قرار آن برابر ۵۰۰ کیلومتر در هر ثانیه می شود. می دانیم که هر پارسک برابر ۳/۳ سال نوری است. این عدد، ۵۰۰ بنا بر رصدهای هابل، برای تحول عالم بسیار تعیین کننده است. چرا؟ چون اگر استدلال های تاکنون ما درست باشد، ماده ی موجود در عالم باید باعث کُند شدن این فرار کهکشان ها یا انبساط عالم باشد، که درگذشته شروع شده است. پس باید بتوانیم با داشتن این عدد، گذشته ی عالم را حساب کنیم. از جمله از این طریق باید بتوانیم سنّ عالم را تخمین بزنیم. آنگاه خواهیم دانست که این عدد اشتباه است، چون در این صورت سن عالم کمتر از سن زمین یا خورشید می شد! امروزه می دانیم که این عدد حدود ۷۰ کیلومتر بر ثانیه است که با سن ۱۳/۷ میلیارد سالی کیهان سازگار است.
می دانیم که هر چه در عالم به دورترها نگاه کنیم گذشته ی کیهان را می بینیم که علت آن ثابت بودن سرعت نور است. به همین سبب است که هر چه کهکشان ها از ما دورتر باشند، با سرعت بیشتری از ما دور می شوند، چون در گذشته ی قرار دارند که سرعت انبساط عالم تندتر بوده است. پس سازگاری میان فاصله و زمان را این جا هم می بینیم. پس اگر بتوانیم خیلی به دورترها نگاه کنیم، به عبارت درست تر دورترها را ببینیم، شاید بتوانیم ابتدای آفرینش، یا مهبانگ، را هم رصد کنیم! استدلال درستی است، به شرطی که بدانیم «دیدن» یعنی چه! دیدن یعنی این که نور، یا سیگنالی قابل آشکارسازی، به ما برسد. آیا هیچ نور یا سیگنالی از ابتدای آفرینش دریافت می کنیم؟ پرسش جالبی است، نه؟
برای آن که نور، یا فوتون، از زمان های خیلی دور دریافت کنیم دو شرط لازم است. یکی این که اصلاً فوتونی وجود داشته باشد؛ دوم این که این فوتون در برخورد با ذره ها و اتم های دیگر جذب نشود و بتواند راه طولانی رسیدن به ما را طی کند! هیچ یک از این دو شرط در ابتدای مهبانگ، یا انفجار بزرگ، برقرار نیست. اتفاق های بسیار پیچیده ای افتاده است تا فوتون به وجود آمده است، و بعد هم زمانی طولانی، به قیاس تعداد رخدادها در ابتدای آفرینش عالم، لازم بوده است تا این که فوتون ها بتوانند آزادانه حرکت کنند تا انسانی به وجود بیاید که بتواند آن ها را کشف کند! این زمان، یعنی زمانی که فوتون های آغازین از ماده «واجفت شده اند» و به ما رسیده اند حدود ۳۵۰٫۰۰۰ سال پس از مهبانگ بوده است. پس ما فوتون هایی از کیهان دریافت می کنیم که بیش از ۱۳/۵ میلیارد سال در راه بوده اند. این فوتون ها را تابش زمینه ی کیهانی می نامیم. توجه داشته باشیم که در این زمان هنوز ساختارهایی که امروزه در رصدهایمان به صورت کهکشان و ستاره می بینیم به وجود نیامده بودند. دورترین ساختارهایی که تاکنون کشف شده اند، از نوع اختروش ها، به نظر می رسد کمی بیش از ۱۳ میلیارد سال سن دارند! پیش از ایجاد این اختروش ها و پیش از آزاد شدن تابش زمینه ی کیهانی از انبساط چه می دانیم؟
آیا شک نکرده اید که این تصور از انبساط عالم ما را در جایگاه ممتازی قرار می دهد و اصل همگن بودن عالم، یعنی اصلی که انقلاب کوپرنیکی بر آن متکی است، خدشه دار خواهد شد؟ این طور نیست. به همان مدل خط کش فکر کنید. در توضیح تصویر فرض کردم ما، ناظر، در نقطه ی صفر قرار داریم. حالا اگر به نقطه ی ۱ یا ۲ هم برویم برداشت ما از انبساط خط کش تفاوتی نمی کند؛ پس برای تعبیر انبساط لازم نیست ما در مرکز عالم و ممتاز باشیم. البته، توجه داشته باشیم هنگامی که هابل ایده ی انبساط عالم یا فرار کهکشان ها را مطرح کرد هنوز تصور می شد ما مرکز عالم هستیم و کهکشان ما بزرگ ترین است. حدود ۳ سال بعد، یعنی در دهه ی ۱۹۵۰/۱۳۳۰ منجمان به اشتباه خود در اندازه گیری فاصله ها و ابعاد کهکشان ها پی بردند و معلوم شد کهکشان ما نه ابعادش ممتاز است و نه جای آن در عالم! این است که مفهوم انبساط عالم را عموم کیهان شناسان باور دارند.
اطلاعات ما درباره ی کیفیت انبساط عالم در دوره های پیش از تابش زمینه ی کیهانی کمابیش غیرمستقیم است. از فراوانی بعضی اتم ها مانند هلیوم و دوتریوم، که در ثانیه های آغازین عالم تولید شده اند می توانیم به چگونگی انبساط عالم پی ببریم. ما حتی این انبساط را تا حدود زمانی برابر ۱۰ به (توان ۴۳-) ثانیه برای سنّ عالم، که به آن زمان پلانک می گویند، می توانیم تعقیب کنیم و سازگاری انبساط را با رفتار ماده که از فیزیک ذرات بنیادی می شناسیم ببینیم. گرچه در حدود زمان پلانک ابهام هایی در فیزیک ذرات است که انتظار داریم با تحلیل داده های برخورد دهنده ی بزرگ هادرونی (LHC) روشن شود، اما به طور قطع انتظار داریم چگونگی انبساط در زمان پلانک و پیش از آن با آن چه از دوران آزاد شدن تابش زمینه ی کیهانی می شناسیم متفاوت باشد چگونه؟ حدس بزنید! شاید بُعد فضا – زمان ۴ نبوده است؛ شاید فضا و زمان یک مجموعه پیوسته، پیوستار، نبوده است؛ شاید اصلاً زمان وجود نداشته است؛ شاید چند زمان وجود داشته است. می توانید حدس های دیگر بزنید؟ کار کیهان شناس این است که این تخیل ها را به مدل و نظریه تبدیل کند و بکوشد راهی برای آزمودن آن پیدا کند.
مدلی که از انبساط عالم داریم و مبتنی است بر نسبیت عام، همراه با داده هایی از ترمودینامیک و فیزیک ذرات مجموعاً مدل استاندارد کیهان شناسی نامیده می شود. مشکلات این مدل تنها در زمان پلانک ظاهر نمی شود. این مدل برای دوره ی بعد از زمان پلانک هم مشکلاتی دارد که برای آن راهی اندیشیده شده است. رفع این مشکلات مدل استاندارد کیهان شناسی در چارچوبی درک می شود که به آن تورم می گویند. از معنای تورم می توانید حدس بزنید که لابد کیهان شناسان انبساطی خیلی سریع تر از انبساط عالم، که در فراز کهکشان ها رصد شده است، در نظر دارند. همین طور است! جرم و انرژی موجود در عالم می خواهد جلوی انبساط ناشی از مهبانگ، ناشی از انفجار بزرگ، را بگیرد. پس انبساط عالم باید همواره کند شونده باشد. در بینش تورم دوره ای کوتاه برای عالم اولیه در نظر گرفته می شود که انبساط بسیار سریع و تند شونده بوده است که این از عجایب وجود نوعی ماده است که به آن خلأ می گویند! از خلأ نترسید! از این واژه نهراسید! مفهومی بسیار ساده است. در فیزیک هنگامی که با انرژی های خیلی زیاد – که در فیزیک به آن انرژی های بالا می گویند – سروکارداریم، مفاهیم جدیدی جایگزین مفاهیمی مانند نیرو، مفاهیم ترمودینامیکی و هیدرودینامیکی می شود. آن چه تعیین کننده است مفهوم میدان و پتانسیل میدان است. پتانسیل میدان شرایط و چَندیِ انرژی میدان را تعریف می کند. این پتانسیل یک یا چند کمینه دارد که به آن خلأ می گویند. عالم اولیه که به هنگام انباسط سرد می شود گاهی شرایطی ایجاد می کند که میدان های موجود در آن در حالت کمینه ی پتانسیل، یا خلأ، قرار می گیرند. آن وقت، این خلأ که شرایط نامتعارفی برای نوع ماده ایجاد می کند باعث می شود انبساط عالم تند بشود، گویی نوعی پادگرانش «کلید می خورد»! حضور این خلأ تنها در آغاز عالم تعیین کننده نبوده است. رصدهای گوناگون در دهه های گذشته نشان داده است که انبساط کنونی عالم هم تند شونده است. اما این حالت را تورم نمی نامیم، تا با شرایط عالم آغازین اشتباه گرفته نشود. می گوییم این انبساط تندشونده باید ناشی از نوعی ماده یا انرژی باشد که آن را نمی شناسیم، پس به آن انرژی تاریک می گوییم. پس مفهوم انرژی تاریک بیانگر عدم شناخت ما از علت انبساط تند شونده ی کنونی است.
برگردیم به زمان پلانک و قبل از آن. هنگامی که به زمان صفر مدل استاندارد کیهان شناسی نزدیک می شویم، به زمان های کوچک تر از زمان پلانک، تمام کمیت های فیزیک به سمت بی نهایت یا صفر می روند: چگالی انرژی عالم، زمان عالم، و فاصله ی فیزیکی نقطه های فضا که به سمت صفر می روند. این ها واقعیت هایی نیستند که در فیزیک آن را بپذیریم. فیزیک دان ها واژه ای از ریاضیدان ها وام گرفته اند که بیانگر این عدم شناخته ما از چگونگی شرایط در عالم آغازین است: تَکیِنگی! می گوییم در آغاز عالم با یک تکینگی سروکار داریم، یا مهبانگ از تکینگی شروع می شود (شکل ۳). انرژی تاریک مفهومی است بیانگر عدم شناخت ما از علت انبساط تند شونده ی کنونی، که بزرگ ترین معضل علوم فیزیک در شرایط کنونی است. همین طور تکینگیِ آغازین مفهومی است ناشی از عدم شناخت ما از آغاز آفرینش عالم که درک آن بسیار طول خواهد کشید. بسیار کیهان شناس لازم است پژوهش کنند، بسیار هزینه لازم است بشر تقبّل کند، بسیار تجهیزات لازم است بسازد، و لازمه ی همه ی آن ها آرامش روان فردی و اجتماعی است تا این همه اتفاق بیفتد. خوشا به حال نسلی که این آرامش را خواهد داشت و خوشا به حال نسلی که نقشی در ایجاد این آرامش دارد!

نظرات شما عزیزان: