کيهان شناسي نوين

برهم کنش نظر و رصد
 

ابزارهاي جديد آزمايشگاهي و رصدي و دقت آنها همواره نقش اساسي در پيشبرد علم داشته اند. جدول هاي کتاب صورالکواکب، زيجِ الغ بيک، و جدول هاي نجومي تيکو براهه نمونه ي قديمي نقش ابزارها در پيشبرد علم اند و نمونه هاي عصر جديد از دوربين گاليله تاکنون نيز فراوان اند. اما آيا اين تنها سخت افزارها هستند که ساخت آنها تعيين کننده در پيشرفت علم است؟ مفهوم سازي و نظريه پردازي چه نقشي دارد؟ آيا پيشرفت علم بدون هر يک قابل تصور است؟
تعامل نظر و عمل، تقابل نظر و عمل، و بر هم کنش نظر و تجربه ترجيع بندهاي کليشه شده اي است که زياد مي شنويم: بايد اهل عمل بود، نظر به چه کار مي آيد؛ به عمل کار برآيد به سخنداني نيست. اين گونه عبارت هاي قصار را مي شناسيد و لابد مي توانيد چند نمونه ي ديگر از همين مضمون ها را مثال بزنيد. اين کليشه ها در علم معنايي بنيادي دارند و نمي توان از کنارشان به راحتي گذشت. اين مضمون در علم با عبارت برهم کنش يا تعامل نظريه و تجربه بيان مي شود که در نجوم و کيهان شناسي رصد به جاي تجربه و آزمايش مي نشيند. در سيصد سال اخير پس از نيوتون آموخته ايم که در علم نوين نظريه و تجربه، يا نظريه و رصد، از يکديگر جدايي ناپذيرند؛ توأمان به آنها نياز داريم، هر يک به رشد ديگري کمک مي کند، و متفقاً تعيين کننده ي علم نوين اند. کيهان شناسي نوين شايد بهترين مثال براي اين برهم کنش و تأثير متقابل ميان نظر و عمل باشد.
تلسکوپ ها از گاليله تا دهه ي 1920/1300 اطلاعات پر ارزشي در اختيار ما قرار دادند، اما تا زماني که نظريه ي نسبيت عام اينشتين فرمول بندي نشد و مدل هايي براي کيهان از آن به دست نيامد شاهد تحول بنيادي در کيهان شناسي نبوديم. کيهان شناسي تا اين دهه نسبت به کيهان شناخت ارسطو و ابوريحان و ابن سينا پيشرفت قابل توجهي کرد، اما منجر به مفهوم سازي جديد نشد و مفهوم ديناميک، که در علوم فيزيکي نقش اساسي دارد، در آن وارد نشد. داده ها افزايش پيدا کرد اما بينش جديد و ساختار مفهومي جديد حاصل نشد تا از آن پرسش هاي جديدي برخيزد. دست کم در چند صد سال اخير دريافته ايم که مفهوم سازي چه نقش کليدي در پيشرفت علم دارد.
نظريه ي نسبيت تصور ما را از زمان، فضا، و هندسه ي فضا عوض کرد. براي فلاسفه، فلاسفه ي علوم طبيعي، و به تبع آن فيزيک دان ها تا ابداع نظريه ي نسبيت عام قابل تصور نبود که فضا خاصيت داشته باشد، انحنا داشته باشد، هندسه ي آن تحول يابد، و توپولوژي داشته باشد. اما ساختار مفهومي نسبيت عام اين گونه ويژگي هاي فضا و زمان را نه تنها ممکن ساخت، بلکه اندازه پذير و رصد پذير کرد. بنابراين فيزيک دان ها مي توانستند پرسش هاي جديدي مطرح کنند که هر يک احتياج به طراحي هاي پيچيده داشت براي انجام رصد به منظور يافتن پاسخ به اين پرسش ها: انبساط فضا، انحناي فضا، گذشته ي فشرده ي عالم، شروع انبساط، انتهاي انبساط، ترموديناميک انبساط، و مسير نور در فضاي خميده سئوال هايي نبودند که اجتماع علمي بتواند به سادگي درک کند چه رسد به اينکه پاسخ آنها را بيابد. همين سئوال ها منجر به شناخت جديدي از عالم شد. اين شناخت جديد از عالم را مديون اينشتين و نظريه ي نسبيت عام او هستيم. در واقع بايد اينشتين را بنيان گذار کيهان شناسي نظري و کيهان شناسي نوين دانست. وي مهم ترين قدم را در شناخت نظري عالم در مقياس بزرگ برداشت. نظريه ي نسبيت عام وي بيانگر رابطه ي ميان ماده و نيروي جاذبه ي گرانشي آن با هندسه ي فضاي اطراف ماده است.
اينشتين توانست، با ذهن کلي گراي خود، سئوال کند اگر فرض کنيم تمام ماده ي عالم به طور يکنواخت توزيع شده باشد، اين ماده چه شکلي به کل عالم مي دهد. اين اولين بار بود که انسان بر مبناي علوم طبيعي درصدد ارائه ي مدلي براي کل عالم برآمده بود. از اين بينش تا شناخت هندسه ي عالم فاصله ي چنداني نبود. محاسبات اوليه ي وي نشان مي داد که عالم با اين شرايط نمي تواند ايستا باشد، بلکه جواب هاي وي حاکي از انبساط عالم بودند. اما چون منجمان هنوز دليلي که حکايت از انبساط عالم بکند در رصدهاي خود نيافته بودند، وي معادلاتش را طوري تغيير داد که جواب ايستا براي کل عالم بيابد. اما همين جواب ها راه را براي گسترش افکار انسان ها و شناخت بهتر از عالم باز کرده بود. محاسبات اينشتين را فريدمان روسي تکامل بخشيد و يک دسته مدل هايي به دست آورد که امروزه به مدل هاي فريدمان معروف اند. بدين ترتيب شاخه ي جديدي از علوم پديد آمد که امروزه به کيهان شناخت نظري شهرت دارد. اما علوم نظري همواره به تأييدهاي تجربي نيازمندند. پس از اين تحول نظري بده بستان نظريه و رصد شکل جديد به خود گرفت و کيهان شناسي مدرن شکل گرفت.
در اوايل قرن بيستم، هنگامي که تحولات اساسي در علم فيزيک در حال شکل گيري بود، همزمان با شکل گيري سلطنت قاجار در ايران توسط آقا محمدخان، و نظريه ي کوانتوم و نسبيت ابداع شد، هنوز تصور روشني از شکل و ابعاد کهکشان نداشتيم. ويليام هرشل در قرن 18/12 از طريق شمارش ستاره ها مدلي به شکل يک قرص براي کهکشان پيشنهاد کرد. اما اولين مدل واقعي تر از هارلو شِيپلي (1918/1297) است، يعني در سال آخر جنگ جهاني اول و اشغال ايران توسط روس و انگليس در زمان احمدشاه و در همان سالي که اولين مدل نظري براي کيهان بر مبناي نسبيت عام به دست آمد. بررسي وي نشان داد که خورشيد بايد کنار لبه ي کهکشان قرار داشته باشد. اينکه کهکشان ما در حال دَوَران است تازه در سال 1927/1306 توسط اورت و ليندبلاد کشف شد يعني دو سال پس از به سلطنت رسيدن رضاشاه پهلوي، توجه داشته باشيد که در اين سال هنوز دانشگاه تهران تأسيس نشده بود و هيچ ايراني با فيزيک مدرن در سطح عالي آشنايي پيدا نکرده بود.
مهم تر از اين کشف، تشخيص سحابي ها به عنوان کهکشان هايي فراتر از کهکشان خودمان بود. اولين کسي که در تاريخ تشخيص داد بعضي ستاره ها پخشيده هستند، با ستاره هاي ديگر تفاوت دارند، و لفظ سحابي را براي آنها به کار برد عبدالرحمن صوفي، منجم قرن چهارم هجري در دربار آل بويه، است. عضدالدوله ي ديلمي براي وي رصدخانه اي در شيراز ساخت که از آن هيچ اثري نمانده است. کتاب صورالکواکب وي دقيق ترين متن تاريخي براي صورت هاي فلکي و مختصات ستاره هاي آنها است. وي در اين کتاب است که اولين بار ذکر مي کند ستاره يک سحابي است.
کانت اولين کسي بود که مطرح کرد سحابي هايي که آن زمان ديده شده بود ممکن است کهکشان هايي در بيرون از کهکشان ما باشند. اما هنوز در اوايل قرن بيستم بودند منجماني که، بر مبناي شواهد رصدي، ادعا مي کردند فراکهکشاني نبودن سحابي ها قطعي است. اين کشف نهايي نصيب هابل شد که، با توجه به رصدهاي منجمان ديگر و رصدهاي خودش، در سال هاي 15-36/1303-1924 با استفاده از تلسکوپ مونت ويلسون ستاره هاي قيفاووسي را در سحابي هاي مارپيچ ديگر تشخيص داد. اين ستاره ها همانند کيلومترنما يا شمع هاي استاندارد عمل مي کنند که فاصله را به راحتي به دست مي دهند. هابل با استفاده از رابطه ي ميان دوره ي تناوب و درخشندگي اين ستاره ها فاصله سحابي بزرگ مسلسله را حساب کرد و به رقم 800/000 سال نوري رسيد؛ براي سحابي هاي ديگر نيز ارقامي از اين مرتبه به دست آورد. اين بود که مشخص شد برخي از سحابي ها منظومه هاي ستاره اي اند مانند کهکشان خودمان و خارج از آن. اما هنوز رصدها حاکي از آن بود که کهکشان ما، نسبت به کهکشان هاي ديگر، غول پيکر است. اين خطاي رصدي تازه در سال 1952/1331 کشف شد که باده، منجم معروف، متوجه شد ستاره هاي قيفاووسي بر دو نوع اند و همين موجب اشتباه در محاسبه ي فاصله ي سحابي ها شده است. اين کشف مشخص کرد که کهکشان ما در اندازه ي بقيه کهکشان ها است و فاصله ي کهکشان هاي ديگر از ما چند برابر اندازه اي است که قبلاً تصور مي شد. بنابراين از شناخت ابعاد درست عالم تنها 50 سال مي گذرد. تازه از سال 1331 است که مي دانيم کهکشان هايي ديگر هم به اندازه ي کهکشان خودمان در عالم وجود دارد؛ و اين شروع دوران جديد کيهان شناسي فيزيکي است، که با اين شناخت شروع مي شود که نه تنها خورشيد ما در مقايسه با ستاره هاي ديگر ستاره اي معمولي است، بلکه کهکشان ما هم معمولي است. اين تشخيص به يک معني تعميم انقلاب کپرنيکي به عالم کهکشان ها است. توجه کنيد که اين تاريخ همزمان است با دوران مصدق و ملي شدن نفت در ايران!
با رصدهاي هابل دوران ديگري نيز از شناخت کيهان شروع مي شود. هابل از مطالعه ي طيف کهکشان ها دريافته بود که کهکشان ها در حال فرار از يکديگرند و سرعت فرار آنها متناسب است با فاصله ي آنها. نتيجه گيري او اين بود که پس عالم در حال انبساط است، چون جز اين نمي توان دور شدن کهکشان ها از هم را توضيح داد. همين کشف بود که اينشتين را بر آن داشت معادلات نسبيت عام خود را بدون تغيير بگذارد و جواب هايي را که از فرضيات خود به دست آورده بود به عنوان مدلي از عالم در حال انبساط بپذيرد. معلوم نيست اگر مدل هاي ديناميکي عالم بر مبناي نسبيت عام را هابل نمي شناخت آيا هنوز از طيف کهکشان ها استنباط انبساط براي کيهان را مي کرد؟ به هر حال پيشگامي نسبيت عام در اين تحولات نقش بي بديلي داشته است.
پس از آن مدل هاي نظري براي عالم، دست اندر دست رصدهاي کيهان شناختي پيش رفته اند. اين پيشرففت به قدري سريع بوده که فرهنگ عامه هنوز به کلي از آن منفک است و هنوز کمابيش برداشت هاي اسطوره اي از کيهان و کيهان شناسي در ميان مردمان رايج است. اما راه براي دانشمندان باز شد تا سئوال از شروع آفرينش عالم بکنند، از مهبانگ و از انفجار بزرگ بپرسند، و اينکه چون عالم در حال انبساط است، پس لابد روزي بسيار منقبض بوده و با يک انفجار بزرگ، مهبانگ، شروع شده است. اين زمان کي بوده است؟ ماده اي که امروز مي شناسيم، پروتون ها، الکترون ها، چه زمان و چگونه آفريده شدند؟ کهکشان ها کي به وجود آمدند؟ اين پرسش ها در اصل همان پرسش هاي زرواني و لوکرتيوسي است، اما ژرفاي پاسخ ها چيز ديگري است، ژرفايي به اندازه ي زحمت و پشتکار و استعداد ده ها هزار دانشمند در قرن هاي متمادي. دانشمنداني که با جديت، بدون ساده انگاري، و با بينش آينده نگرانه ي خود ما را از زروان به مهبانگ رسانده اند. از اين طرف نظريه پردازان مدل هاي گوناگون براي کيهان ساختند، گذشته ي عالم را بر مبناي وضع کنوني محاسبه کردند، فيزيک نظري را به طور کامل به کار گرفتند، از طرف ديگر رصدگران داده هاي بيشتر توليد کردند و به شناخت واقعي تر کيهان کمک کردند، به دنبال پاسخ به سئوال هايي گشتند که نظريه پردازان در چارچوب مدل ها توليد کرده بودند.
اين بده بستان تاکنون بسيار زياده بوده است. اهميت اين زايايي در توأمان بودن نظر و رصد بوده است و نبايد اشتباه کرد و تصور کرد يکي بر ديگري شرف دارد، بلکه هر يک بدون ديگري اَبتَر است. اين تنها پيچيدگي مسئله ها و فناوري ها است که تعيين مي کند براي هر بخش به چه اندازه نيرو و اعتبار مالي بايد هزينه کرد
*دکتر رضا منصوري، مدير مسئول ماهنامه ي نجوم، مجله ي فيزيک، و مجله ي پژوهش فيزيک، استاد کيهان شناس دانشگاه شريف، و مدير طرح رصدخانه ي ملي ايران است. وبگاه: www.rmansouri.ir
منبع: نشريه نجوم، شماره 188