انرژی تاریک

آیا می توان از میان مسئله های روز کیهان شناسی مسئله ای را درمقام مهم ترین بیرون کشید؟ اختر شناسان وکیهان شناسان سالانه حدود 15000 مقاله منتشر می کنند، پس به 15000موضوع می پردازند. مهم ترین کدام است؟ کارساده ای نیست که ده هزار اختر فیزیک دان وکیهان شناس روی یک مسئله درمقام مهم ترین توافق کنند؛ اما کرده اند!«انرژی تاریک»، مفهومی که در آستانه ی قرن بیست ویکم برای رفع مشکلات داده های اختر فیزیکی ابداع شد. این مهم ترین مسئله ای است که نه تنها کیهان شناسان، که متخصصان علوم فیزیکی برآن توافق دارند.
ماده وکیهان همواره در نظر مردم ارتباط تنگاتنگی با هم داشته اند. ماده را کمابیش به عالم خرد، اتم ها و ذرات زیر اتمی نسبت می دهیم وکیهان هم عالم کلان است. اگر ماده نبود عالم می توانست باشد؟ می توانید عالمی بدون ماده تصورکنید؟ مهم ترین ویژگی ماده، جرم وانرژی است. هزاران سال طول کشیده تا انسان این دومفهوم را ابداع کرده، وتازه سیصد سال است که تصور کمابیش روشنی از این دو مفهوم داریم؛ وصد سال است که دیدیم این دو با هم مرتبط اند وگاهی هم در نظریه ی نسبیت آن دو را یکی می گیریم. اما آیا واقعاً می دانیم جرم چیست؟ وانرژی چیست؟
قرن چهاردهم/بیستم شاهد دو انقلاب علمی مرتبط با عالم خرد، عالم ذرات بنیادی، وعالم کلان، کیهان وساختارهای آن، بود: انقلاب فیزیک نسبیتی وانقلاب فیزیک کوانتومی. علوم فیزیکی به معنای عام آن، که به این هر دو مقوله می پردازد، درقرن 14/20 تحولات عمده ای را پشت سرگذاشت، اما چند دهه ی آخراین قرن هم ازتحولات نظری بی نصیب نماند. پیدایش دو نظریه ی موفق مرتبط با عالم خردوکلان، یکی در ذرات بنیادی ودیگری درکیهان شناسی، شاید مهم ترین این تحولات نظری در سه دهه ی آخر قرن 14/20 بوده است.
مدل استاندارد ذرات بنیادی کمابیش همه ی پدیده های فیزیک ابعاد کوچک را شامل می شود؛ همچنین مدل استاندارد کیهان شناسی، مدل مهبانگ، تحول عالم رااز ابتدای آفرینش تاکنون، یعنی درمدت زمانی حدود 14 میلیارد سال، با جزییات توضیح میدهد.این دومدل گرچه به گسترده ی ابعاد بسیار کوچک وابعاد بسیار بزرگ وابسته اند در نهایت وابستگی تنگاتنگی به هم دارند. از یک سو، درک تحول ستاره ها به درک واکنش های هسته ای و نیز ویژگی های ذرات بنیادی وابسته است، واز سوی دیگر درک مدل مهبانگ دراوایل آفرینش وپس از آن نیز بدون شناخت ویژگی های ذرات بنیادی در انرژی های سیار زیاد امکان پذیر نیست. پس درک ابتدای آفرینش بدون درک فیزیک ذرات بنیادی ممکن نیست.این است که پرسش های اساسی کیهان شناسی پرسش های اساسی ذرات بنیادی هم هستند:
1. منشأ زمان، فضا وعالم چیست؟
2. منشأ ماده ی روشن، ماده ی تاریک وانرژی تاریک چیست؟
3. آیا مفهوم کوانتوم برگرانش تعمیم پذیراست؟
4. آیا فضا چهار بعد دارد؟
این پرسش ها مستقل از هم نیستند، درهم تنیده اند، چه از منظر ذرات بنیادی نگاه کنیم، و چه ازنظر کیهان شناسی، اما پرسش اساسی کیهان شناسی، که همه ی ذهن ها را به خود مشغول کرده است -وانگار پاسخ دادن به آن زمان پرسش های دیگر را هم پاسخ خواهد داد- موضوع انرژی تاریک است. اما این انرژی تاریک چیست؟
در دهه ی بیست قرن گذشته ی میلادی، که نخستین مدل های کیهان شناختی ساخته شدند، تصوراین بود که ماده ی موجود در عالم از همان نوعی است که ما درمنظومه شمسی یا روی زمین می بینیم: پروتون ونوترون، ماده ی باریونی، که گرانش دارد و ساختارمند است، یعنی که همواره کلوخه ای می شود وساختارهایی مانند سیاره ها، ستاره ها، وکهکشان را به وجودمی آورد. به مرور که ماده ی تاریک کشف شد، به عبارتی دیگر هنگامی که متوجه شدیم همه ی این ماده ای که دیده می شود نمی تواند حرکت یا دینامیک ستاره ها و ساختارهای دیگر را توضیح بدهد، به دنبال رفع این اشکال برآمدیم: کجاست این ماده ی تاریک، یا چیست این ماده ی تاریک، که تصور می کردیم 96 درصد کل عالم را تشکیل می دهد؟ معضلی که هفتاد سال کیهان شناسان را مشغول به خود کرد.این ماده دیده نمی شود اما هنوز خواص ماده ی معمولی را دارد: جرم دارد، فشار مثبت تولید می کند، ودرنهایت گرانش تولید می کند.این معضل در آستانه ی قرن جدید میلادی پیچیده تر شد هنگامی که معلوم شد انبساط عالم اخیراً، درچند میلیارد سال اخیر، تندتر شده است؛ مگر می شود؟
تا به حال هیچ فکر کرده اید که ماده ی گرانش داری، مانندماده ی موجود در عالم، منبسط شود وفشار هم داشته باشد چه می شود؟ پیش ازاین که پاسخ من را بخوانید، اول قدری فکر کنید و ببینید به چه نتیجه ای می رسید!
چه شد؟ آیا فشار، انبساط را تندتر می کند یا کندتر؟ اگر مثال یک پیستون را در نظر بگیرید، فشار باید به انبساط کمک کند. اما این واقعیت برای گازهایی با جرم کم صادق است، یعنی در مواردی که مقدار ماده آن قدر کم است که کلوخه ای نمی شود: گاز درون پیستون هنوز خیلی مانده است تا بتواند شبیه یک ستاره، کهکشان، چه رسد به کل عالم، عمل کند.در ابعاد کیهانی چنین است که فشار همچون انرژی یا ماده عمل می کند وبه گرانش کمک می کند، پس جلو انبساط را می گیرد. این پدیده ای کاملاً نسبیتی است که خلاف شهود متعارف ماست! پس فشار شاره ی کیهانی، اگر ناصفر باشد مانند انرژی وجرم ماده، جلو انبساط را می گیرد؛ این است که کیهان شناسان همواره انتظار داشتند انبساط عالم کند شونده باشد. تا آستانه ی قرن بیستم هیچ کیهان شناسی انتظار نداشت انبساط عالم تند شونده بشود. با این توضیحی که دادم شما انتظار دارید. انبساط عالم تند شونده باشد؟ اصلاً امکان آن هست؟
چه می شود اگر فشار نوعی ماده منفی باشد؟ اول این که اصلاً چنین ویژگی ای از ماده انتظار می رود؟ فرض کنید چنین ماده ای را بشناسیم، وفرض کنید این نوع ماده یا انرژی در شاره ی کیهانی غالب باشد. دراین صورت ممکن است این انرژی انبساط کند شونده را به تند شونده تبدیل کند! به همین سادگی. فیزیک دان ها مدت هاست که این نوع ماده، یا بهتر است بگوییم انرژی، را می شناسند وبه آن خلاً یا خلاً میدان می گویند. این خلا با خلأ درفیزیک معمولی آزمایشگاهی متفاوت است. ویژگی این خلأ آن است که انرژی مثبت اما فشار منفی دارد.
سال ها بود که دو گروه رصد گر به دنبال اندازه گیری فاصله ی ابرنواختران نوع I بودند. این ابرنواختران «شمع استاندارد» کیهان شناسی اند، یعنی از روی درخشندگی ظاهری آن ها می توان به فاصله ی آن ها پی برد. از طرف دیگر انتقال به سرخ این ابرنواختران با توجه به مدل های کیهانی هم فاصله ی دیگری از این اجرام آسمانی به دست می دهد. رصد هر دو گروه نشان داد که فاصله ی این ابرنواختران دور دست دورتر از آن است که مدل های کیهانی می گویند؛ یعنی انگار عالم شروع کرده است به این که تندتر منبسط بشود. واین ابرنواختران دورتر از آن اند که باید باشند!
بهت کیهان شناسان شروع شده بود : انبساط عالم تندتر شده است؛ چراو چگونه ؟ پس لابد با نوعی ماده یا انرژی سروکار داریم که فشار منفی دارد. آیا این می تواند چیزی جز خلأ باشد؟ فرض خلأ مشکل داده های رصدی را به آسانی حل می کرد. دیگراین که چگالی انرژی این خلأ باید هفتاد درصد چگالی ماده ی عالم باشد، یعنی از کل1=Ω مقدار 7/0 آن ازاین نوع است، که البته تاکنون دیده نشده است. پس با نوع دیگری از ماده ی تاریک سروکار داریم که، برخلاف «ماده ی تاریک: که قبلاً شناخته بودیم، شبیه به خلأ است وفشار منفی دارد که آن را «انرژی تاریک » نامیدند. می بینیم که مفهوم انرژی تاریک، بیانگر عدم شناخت ماازعلت فاصله ی زیاد ابرنواختران از ماست، زیادتراز آن که مدل های کیهانی با فرض 96 درصد ماده ی تاریک درعالم پیش بینی می کنند( حالا باید فرض کنیم 70 درصد محتوای شاره ی کیهانی انرژی تاریک است، فقط 26 درصد ماده ی تاریک، وبقیه ماده ی روشن متعارفی است که خوب می شناسیم!).
زمانی اینشتین برای این که مدلی ایستا، نه درحال انبساط، برای عالم پیدا کند جمله ای به معادله ی نسبیت عام خود اضافه کرد که جمله ای کشف کردند، استنباط کلی کیهان شناسان ونسبیت دانان این بود که این جمله اضافی است وباید آن را کنار گذاشت. رشد فیزیکی کوانتومی و سپس نظریه ی میدان و سرانجام پذیرش مدلی استاندارد ذرات بنیادی در اواخر ذرات، حالت کمترین انرژی است. این همان حالتی است که متناظراست با شاره ای با چگالی انرژی مثبت اما فشار منفی. آیا جمله ی کیهان شناختی اینشتین همان انرژی تاریک است؟ نمی دانیم.
جمله ی خلاً برای توصیف انرژی تاریک بی اشکال نیست، که مهم ترین اشکال آن این است که نمی توان مقدارآن را از نظریه های ذرات بنیادی به دست آورد. آیا راه دیگری هم برای درک شتاب عالم وتند شدن انبساط آن وجود ندارد؟ نکند مدل های همگن کیهان شناسی واقعیت را بیان نمی کنند؟ نکند توصیف شاره ی ایده آل برای ماده ی کنونی عالم درست نیست؟ نکند معادله های دینامیکی اینشتین را باید اصلاح کنیم؟
سردرگمیم، نمی دانیم! دانش پیشگان و دانش گران درچنین شرایطی هر ایده ای را پیگیری می کنند تا راه و ناراه شناخته شود. این مسئله بالاخره حل خواهد شد، دراین شکی نیست، اما هیچ کس هنوز نمی داند چگونه! شاید شما بتوانید در آینده راه حل را پیدا کنید.این گوی واین میدان! به هر حال کیهان شناسان آرام نمی نشینند وهر رصدلازم را پیگیری می کنند وهر تجهیزات لازم را می کوشند برای رصد بسازند. خوشا به حال جوامعی که مردم وسیاست گذاران و سیاست مداران شان آمادگی نشان می دهند که دراین زمینه ها هزینه کنند. ما چه می کنیم؟
منبع:نشریه نجوم، شماره 198.