تأثير متقابل کيهان شناسي و نسبيت عام در يک قرن اخير
نويسنده: رضا منصوري
اگر نسبيت نبود، کيهان شناسي چه مي شد؟ مجموعه اي از داده ها بدون چارچوبي براي درک و توضيح آن ها؟لابد! نسبيت عام با ابداع مفاهيم جديد و باز کردن راه مدل سازي براي عالم، عصر جديدي را براي کيهان شناسي به راه انداخت. کيهان شناسي پس از نسبيت عام با تصورات چند هزار سال پيش از آن قابل مقايسه نيست. اين تأثيرات چه هستند و چگونه رخ داده اند؟ اين تحولات را مي توان در قالب چند دهه بررسي کرد.
اکنون چگالي ماده به چگالي اتم ها نزديک مي شود. فاصله ي ميان اتم ها از ميان مي رود و انرژي جنبشي آن ها زياد مي شود، همچنين دماي عالم. تا به حدي که اين انرژي کفايت مي کند تا اتم ها بر اثر برخورد شکسته بشوند و پروتون ها و نوترون ها آزاد بشوند. به اين ترتيب، ماده ي عالم ديگر به صورت اتم هاي آزاد نيست، بلکه اين ذرات بنيادي هستند که تعيين کنده ي ماده ي عالم اند و چگالي عالم به چگالي هسته اي نزديک شده است. هنوز نيروهاي بنيادين طبيعت به همان صورت خود حفظ شده اند: برهم کنش هاي الکترومغناطيسي، هسته اي قوي،هسته اي ضعيف و گرانشي هنوز به تفکيک وجود دارند. ادامه ي اين فيلم به چه صورت خواهد بود؟ هنگامي که انرژي ذرات بنيادي بر اثر انقباض، بيشتر و بيشتر بشود و برخورد آن ها شديدتر بشود، چه اتفاقي خواهد افتاد؟ آيا آن ها نيز مانند اتم ها خواهند شکست؟ در اين صورت حاصل چيست؟
از چند دهه ي پيش نظريه پردازان ذره شناس مطرح کرده بودند که ذرات بنيادي از ذرات ديگري به نام کوارک تشکيل شده اند. اثبات تجربي اين نظريه و يافتن اين ذرات در همين دهه هاي اخير انجام شده است. پس حالا مي دانيم که ادامه ي فيلم به چه صورت خواهد بود. ذرات بنيادي مي شکند و آنچه مي ماند شوربايي از انواع کوارک است. پس از آن، چه مي شود؟ آيا نيرويي براي مقاومت در برابر انقباض وجود دارد؟ خير! پس بر اثر انقباض بيشتر، گرم تر شدن عالم، و افزايش انرژي جنبشي کوارک ها، آيا کوارک ها مي شکنند؟ ذره شناسان مي گويند خير! پس از آن ديگر تنها ميدان وجود دارد و کوانتوم هاي آن. ميدان ها در هم ادغام مي شوند و وحدت مي يابند. ما در اين جا افت ميدان و برهم کنش را مترادف هم به کار مي بريم. ابتدا برهم کنش الکترومغناطيسي و هسته اي ضعيف وحدت مي يابند. اين برهم کنش وحدت يافته را الکتروضعيف مي ناميم. پس از آن نوبت وحدت بر هم کنش هاي الکتروضعيف و هسته اي قوي است. اما آيا سرانجام به وحدت بزرگ، آرزوي بزرگ فيزيکدانان، يعني به وحدت گرانش با بر هم کنش هاي ديگر مي رسيم؟
نيرو يا برهم کنش گرانشي را هم مي شناسيم و داستان نيوتون و افتادن سيب از درخت را شنيده ايم. همچنين نيروي الکترومغناطيسي را، که امروزه، همانند نيروي گرانش، براي زندگي روزمره ي ما اجتناب ناپذير شده است. کيست که بتواند بدون راديو، تلويزيون، تلفن، کامپيوتر و انواع دستگاه هاي الکترونيکي ديگر زندگي کند. حضور و وجود ما مديون گرانش است، اما زندگي مدرن مديون الکترومغناطيس. برهم کنش هاي هسته اي، قوي و ضعيف، براي ما مجردتر هستند. آن ها را به اين راحتي حس نمي کنيم. اما فيزيکدان ها دائم با آن ها سرو کار دارند. در شتابگرها با پديده هايي سرو کار داريم که مرتبط با اين نيروها هستند. در هر صورت چه مردم عادي در زندگي روزمره، و چه فيزيکدان ها، همواره با چهار برهم کنش تفکيک شده سروکار دارند، مگر فيزيکداناني که با قلم و کاغذ در زمينه ي وحدت نيروها کار مي کنند، و فيزيکدان هايي که نظريه هاي وحدت را در شتابگرها مي آزمايند. اما آزمايشگاه عالم چيز ديگري است. در آن جا اين وحدت به وقوع مي پيوندد؛ يعني در ابتدا وحدت وجود داشته است.
انقباض را به سرعت دنبال مي کنيم تا به زمان پلانک مي رسيم؛ زماني که انتظار داريم در آن برهم کنش ها - به جز گرانش - وحدت يافته باشند. زمان پلانک زمان بسيار کوچکي است. اگر با اعداد کسري و اعداد با توان منفي سر وکار نداشته باشيد تصورش براي تان مشکل است. اين عدد ده به توان 45- است. يعني يک تقسيم بر عددي که از يک و 45 صفر در جلويش تشکيل شده است! چه تصوري از چنين زماني داريد؟ پيش از آن چه بوده است؟ بگذاريد فعلاً راجع به پيش از آن صحبتي نکنيم. فعلاً براي مهار کردن هيجان ديدن اين فيلم بار ديگر آن را از زمان پلانک به جلو، يعني در جهت تحول واقعي عالم نگاه بکنيم. به آنچه ابتدا مي بينيم اصطلاحاً شورباي اوليه يا آغازين مي گويند. حتي به آن «کف» آغازين هم گفته شده است. به اين معني که هندسه ي فضا - زمان ساختار مشخص ندارد. خود فضا - زمان هم مانند ميدان هاي ديگر کوانتومي است، و در هندسه ي آن افت و خيزهايي مشاهده مي شود. اکنون اين شوربا منبسط مي شود، با سرعتي بسيار زياد، در حالي که دماي آن نيز بسيار زياد است؛ حدود 10 ميليارد درجه ي کلوين. انبساط، عالم را سرد مي کند. پس از مدتي مي رسيم به حدود زمان 10 به توان 34- ثانيه پس از آفرينش. در اين حدود عالم به حد کافي منبسط شده است، چگالي، انرژي و دماي آن تا به آن حدّ کم شده است که وحدت برهم کنش قوي و الکتروضعيف به هم بخورد. پس از آن سه برهم کنش گرانش، هسته اي قوي، و الکتروضعيف را داريم. فيلم به جلو مي رود تا به زمان 10 به توان 8- ثانيه پس از آفرينش مي رسيم، يعني لحظه اي که سنّ عالم يک صد ميليونيوم ثانيه است! در اين جا دما به حدّي کم شده است که برهم کنش هاي الکترومغناطيسي و هسته اي ضعيف هم از يکديگر جدا مي شوند. پس از آن است که ما با چهار برهم کنش بنيادي سرو کار داريم. اما هنوز ميدان ها در عالم حاکم اند و هنوز هيچ نوع ذره اي به وجود نيامده است، و بايد هنوز خيلي صبر کرد. حدود يک دهم ثانيه پس از آفرينش، باريون ها (يعني پروتون ها و نوترون ها) از کوارک ها به وجود مي آيند. پس از آن به مرور دوران حضور ماده به صورت ذرات بنيادي و سپس اتم ها در عالم شروع مي شود.
به چند دقيقه پس از آفرينش رسيده ايم. دماي عالم، که سرد شده است، به حدود صد ميليون رسيده است، که البته هنوز بسيار زيادتر از تصورات ما است. ايجاد عناصر سبک، مانند هيدروژن و هليوم، شروع مي شود. به مرور که عالم سرد مي شود احتمال تشکيل عناصر بيشتر مي شود. در کنار آن فوتون ها، کوانتوم هاي ميدان الکترومغناطيسي، وجود دارند و دائماً با ماده در حال برهم کنش اند. اکنون روند رويدادهاي عالم کندتر مي شود. به جاي کسر کوچکي از ثانيه، صد هزار سال صبر مي کنيم و فيلم را به جلو نمايش مي دهيم تا رويداد مهم بعدي را ببينيم. اکنون عالم به قدري سرد شده است که فوتون ها ديگر برهم کنشي با ماده ندارند. از آن پس ماده و فوتون ها، يعني تابش الکترومغناطيسي، تحولي جدا از يکديگر دارند. هر دو بر اثر انبساط سرد مي شوند، اما با قوانين متفاوت. به همين علت اگر تا آن زمان به سبب برهم کنش دماي يکساني داشتند، پس از آن دماي متفاوتي خواهند داشت. اين مجموعه فوتون هاي مستقل همان چيزي است که امروز به آن تابش زمينه ي کيهاني مي گوييم و قبلاً با آن آشنا شديم. به اين ترتيب از حدود صد هزار سال پس از آفرينش تا کنون از يک سو تحول ماده را داريم و از سوي ديگر تحول تابش را. اين تابش به صورت گازي عمل مي کند که بر اثر انبساط سرد مي شود و دماي آن امروزه به 2/7 درجه ي کلوين رسيده است، و ما آن را به نام تابش زمينه ي کيهاني مي شناسيم و رصد مي کنيم.
در دهه ي بعد تحول عمدتاً قابل ذکر مربوط به کاري است که در سال 1948/1327 ژرژگاموف، فيزيکدان روسي که از شوروي از طريق ايران فرار کرده بود و در ايالات متحده ساکن شده بود، بر مبناي همين فيلم که توصيفش را خوانديد، محاسبه کرد: بايد تابش الکترومغناطيسي در عالم وجود داشته باشد با دمايي حدود 10 کلوين! اين دمانزديک است به دماي واقعي تابش زمينه ي کيهاني که در سال 1965/1344، سالي که من شروع به تحصيل نجوم در دانشگاه وين کردم، کشف شد.
بسياري از محاسبات گاموف براي پيشگويي پديده اي به نام تابش زمينه ي کيهاني را شايد مي شد پيش از ابداع نسبيت عام اينشتين هم انجام داد. پس اين تنها اطلاعات جنبي از فيزيک هسته اي يا الکترومغناطيس نبود که براي محاسبه کافي باشد، بلکه تفکر انتزاعي نسبيتي و مدل هاي کيهاني ناشي از آن بود که فيزيکدان ها را به اين سمت هدايت کرد که بپذيرند عالم در گذشته منقبض بوده و شرايط فيزيکي کاملاً متفاوتي داشته است. اين يکي از موارد گويا از برهم کنش نظر و عمل، مدل و رصد است که از آن صحبت کردم و تأکيد مي کنم که توجه به آن بسيار اهميت دارد.
برهم کنش اين دو کشف عمده پس از جنگ جهاني دوم، آرامش اجتماعي و شروع بازسازي پس از اتمام جنگ، همراه با جابه جايي دانشمندان در اروپا، روسيه و آمريکا بر اثر رويدادهاي اجتماعي پيش از جنگ و در دوران جنگ، و نيز سرمايه گذاري سنگين ايالات متحده ي آمريکا در زمينه هاي علم و فناوري همگي دست به دست هم دادند و دوران جديدي از تحولات، نه تنها در کيهان شناسي، که از بيشتر علوم فيزيکي را پس از آن شاهد هستيم. تأثير سندي را که در سال 1948/1327 توسط وانوار بوش با عنوان «مرزهاي بي انتها» براي توسعه ي علمي در آمريکا با تأکيد بر علوم پايه منتشر شد نبايد از نظر دور داشت. اين گونه شد که از دهه ي 1330 شاهد تحولات عظيم علمي، به ويژه در کيهان شناسي، در دنيا هستيم. متأسفانه کشور ما در اين سال ها درگير تلاطم هاي سياسي شديد، دوران مصدق و تحولات پس از آن، بود و جز راه اندازي دانشگاه هاي اصفهان، تبريز، و مشهد، که قطعاً در رشد آموزش در کشور موثر بوده اند، توجهي به اين جهش هاي علمي جهاني و پژوهش، به معناي مدرن آن، نمي بينيم.
تا آن زمان هنوز کيهان شناسان مدل مهبانگ را به عنوان مدل عالم نپذيرفته بودند و چند مدل ديگر، از جمله مدل عالم پايا از گولد، بوندي، و فرد هويل به همان اندازه طرفدار داشت. در اين مدل عالم منبسط مي شد، اما اين انبساط از يک انفجار بزرگ ناشي نشده بود، بلکه کيهان همواره شکل خود را حفظ مي کرد و به همين دليل لازم بود ماده دائم خلق شود. در اين مدل تابش زمينه ي کيهاني وجود نداشت، پس کشف آن مهم ترين دليل بر رد اين مدل براي عالم بود. از آن پس اخترفيزيکدانان، و نيز فيزيکداناني از شاخه هاي ديگر، مانند فيزيک ذرات و فيزيک هسته اي که به کيهان شناسي روي آوردند، مشغول بررسي نتيجه هاي ديگر مدل مهبانگ شدند. اين شروع تثبيت مدل مهبانگ به عنوان مدل استاندارد کيهان شناسي بود. به خاطر دارم هنگامي که در سال 1968/1347 نخستين درس کيهان شناسي را در رصدخانه ي وين گرفتم، استاد هنوز بخش عمده ي درس را به نظريه ي مدل پاياي گولد و بوندي اختصاص داد!
به علاوه، رصد ابرنواختران توسط دو گوره و تعيين فاصله ي آن ها نشان داد که اين فاصله ها بيش از آن چيزي است که مدل استاندارد کيهان شناسي پيش بيني مي کند. تنها توضيح معقول اين بودکه نوع ديگري ماده که اثر پادگرانش دارد بايد در کيهان حضور داشته باشد. پادگرانش شايد لفظ مناسبي نباشد چون از آن سوء تعبيرهايي مي شود! اما به هر حال اين نوع ماده ي جديد به جاي اين که شتاب انبساط را کند کند، تند مي کند. پس چون انرژي دارد، مادي است، يعني از جنس هندسه نيست. اما چون اثر پادگرانشي دارد باشد فشار منفي داشته باشد، و ديده هم نمي شود، يعني تاريک است. چون با ماده ي تاريک که فشار مثبت دارد متفاوت است، آن را انرژي تاريک ناميدند. يک دهه است که اين مفهوم ابداع شده است و حکايت از معمايي مي کند که کيهانشاسان را به شدت مشغول کرده است. به نظر مي رسد که اين راز ظاهراً پيچيده ترين معضل علوم فيزيکي است، که قطعاً روزي حل خواهد شد. خوشا به حال کساني که به هنگام حل اين معضل، و شناخت راز انرژي تاريک زنده اند. و شاهد تحولي عظيم، نه تنها در کيهان شناسي که در علوم فيزيکي هستند حتي اگر روزي معلوم شود که اين پديده، اشتباهي ناشي از روش هاي علمي بوده است، باز هم بايد خوشحال بود که علم و علوم رصدي به يافته هاي مهمي دست يافته اند.
اکنون ما در دهه ي 2010/1390 هستيم. انرژي تاريک مسئله ي عمده ي کيهان شناسي است. چندين رصد با ابزارهاي جديد و قديم طراحي شده اند. نظريه پردازان به شدت مشغول يافتن انواع توضيح ها هستند. از طرف ديگر فناوري همگرايي گرانشي، دوراني را طي مي کند شبيه به دهه ي پنجاه / هفتاد و شصت / هشتاد و وضعيت تابش زمينه ي کيهاني. اين فناوري جديد همراه با داده هاي رصدي، اطلاعات ارزشمندي را از جزييات کيهان به دست خواهد داد.
هنوز نسبيت عام توان بالقوه اي دارد براي دستاوردهاي نظري مرتبط با کيهان شناسي که همگرايي گرانشي آخرين آنها نيست. عبرتي که از اين تاريخ هفتاد ساله مي گيريم اين است که نمي توان مفهوم سازي، مدل سازي، و نظريه پردازي را دست کم گرفت. نه به اين معني که در بحثهاي گه گاهي در مورد اهميت نظر و عمل بخواهيم به نفع يک طرف رأي بدهيم، بلکه به اين معني که هيچ يک بدون ديگري معني ندارد. انسان ها علائق متفاوت و توانائي هاي متفاوتي دارند، و به ويژه قرن هاي اخير نشان داده است که همکاري همه با هم است که توسعه و تحول ايجاد مي کند و مديريت اين همکاري ها است که بينش هاي جديد مي خواهد.
منبع: نجوم، شماره 191
دهه ي 1920/1300 : کيهان مدل دار مي شود
اکنون چگالي ماده به چگالي اتم ها نزديک مي شود. فاصله ي ميان اتم ها از ميان مي رود و انرژي جنبشي آن ها زياد مي شود، همچنين دماي عالم. تا به حدي که اين انرژي کفايت مي کند تا اتم ها بر اثر برخورد شکسته بشوند و پروتون ها و نوترون ها آزاد بشوند. به اين ترتيب، ماده ي عالم ديگر به صورت اتم هاي آزاد نيست، بلکه اين ذرات بنيادي هستند که تعيين کنده ي ماده ي عالم اند و چگالي عالم به چگالي هسته اي نزديک شده است. هنوز نيروهاي بنيادين طبيعت به همان صورت خود حفظ شده اند: برهم کنش هاي الکترومغناطيسي، هسته اي قوي،هسته اي ضعيف و گرانشي هنوز به تفکيک وجود دارند. ادامه ي اين فيلم به چه صورت خواهد بود؟ هنگامي که انرژي ذرات بنيادي بر اثر انقباض، بيشتر و بيشتر بشود و برخورد آن ها شديدتر بشود، چه اتفاقي خواهد افتاد؟ آيا آن ها نيز مانند اتم ها خواهند شکست؟ در اين صورت حاصل چيست؟
از چند دهه ي پيش نظريه پردازان ذره شناس مطرح کرده بودند که ذرات بنيادي از ذرات ديگري به نام کوارک تشکيل شده اند. اثبات تجربي اين نظريه و يافتن اين ذرات در همين دهه هاي اخير انجام شده است. پس حالا مي دانيم که ادامه ي فيلم به چه صورت خواهد بود. ذرات بنيادي مي شکند و آنچه مي ماند شوربايي از انواع کوارک است. پس از آن، چه مي شود؟ آيا نيرويي براي مقاومت در برابر انقباض وجود دارد؟ خير! پس بر اثر انقباض بيشتر، گرم تر شدن عالم، و افزايش انرژي جنبشي کوارک ها، آيا کوارک ها مي شکنند؟ ذره شناسان مي گويند خير! پس از آن ديگر تنها ميدان وجود دارد و کوانتوم هاي آن. ميدان ها در هم ادغام مي شوند و وحدت مي يابند. ما در اين جا افت ميدان و برهم کنش را مترادف هم به کار مي بريم. ابتدا برهم کنش الکترومغناطيسي و هسته اي ضعيف وحدت مي يابند. اين برهم کنش وحدت يافته را الکتروضعيف مي ناميم. پس از آن نوبت وحدت بر هم کنش هاي الکتروضعيف و هسته اي قوي است. اما آيا سرانجام به وحدت بزرگ، آرزوي بزرگ فيزيکدانان، يعني به وحدت گرانش با بر هم کنش هاي ديگر مي رسيم؟
نيرو يا برهم کنش گرانشي را هم مي شناسيم و داستان نيوتون و افتادن سيب از درخت را شنيده ايم. همچنين نيروي الکترومغناطيسي را، که امروزه، همانند نيروي گرانش، براي زندگي روزمره ي ما اجتناب ناپذير شده است. کيست که بتواند بدون راديو، تلويزيون، تلفن، کامپيوتر و انواع دستگاه هاي الکترونيکي ديگر زندگي کند. حضور و وجود ما مديون گرانش است، اما زندگي مدرن مديون الکترومغناطيس. برهم کنش هاي هسته اي، قوي و ضعيف، براي ما مجردتر هستند. آن ها را به اين راحتي حس نمي کنيم. اما فيزيکدان ها دائم با آن ها سرو کار دارند. در شتابگرها با پديده هايي سرو کار داريم که مرتبط با اين نيروها هستند. در هر صورت چه مردم عادي در زندگي روزمره، و چه فيزيکدان ها، همواره با چهار برهم کنش تفکيک شده سروکار دارند، مگر فيزيکداناني که با قلم و کاغذ در زمينه ي وحدت نيروها کار مي کنند، و فيزيکدان هايي که نظريه هاي وحدت را در شتابگرها مي آزمايند. اما آزمايشگاه عالم چيز ديگري است. در آن جا اين وحدت به وقوع مي پيوندد؛ يعني در ابتدا وحدت وجود داشته است.
انقباض را به سرعت دنبال مي کنيم تا به زمان پلانک مي رسيم؛ زماني که انتظار داريم در آن برهم کنش ها - به جز گرانش - وحدت يافته باشند. زمان پلانک زمان بسيار کوچکي است. اگر با اعداد کسري و اعداد با توان منفي سر وکار نداشته باشيد تصورش براي تان مشکل است. اين عدد ده به توان 45- است. يعني يک تقسيم بر عددي که از يک و 45 صفر در جلويش تشکيل شده است! چه تصوري از چنين زماني داريد؟ پيش از آن چه بوده است؟ بگذاريد فعلاً راجع به پيش از آن صحبتي نکنيم. فعلاً براي مهار کردن هيجان ديدن اين فيلم بار ديگر آن را از زمان پلانک به جلو، يعني در جهت تحول واقعي عالم نگاه بکنيم. به آنچه ابتدا مي بينيم اصطلاحاً شورباي اوليه يا آغازين مي گويند. حتي به آن «کف» آغازين هم گفته شده است. به اين معني که هندسه ي فضا - زمان ساختار مشخص ندارد. خود فضا - زمان هم مانند ميدان هاي ديگر کوانتومي است، و در هندسه ي آن افت و خيزهايي مشاهده مي شود. اکنون اين شوربا منبسط مي شود، با سرعتي بسيار زياد، در حالي که دماي آن نيز بسيار زياد است؛ حدود 10 ميليارد درجه ي کلوين. انبساط، عالم را سرد مي کند. پس از مدتي مي رسيم به حدود زمان 10 به توان 34- ثانيه پس از آفرينش. در اين حدود عالم به حد کافي منبسط شده است، چگالي، انرژي و دماي آن تا به آن حدّ کم شده است که وحدت برهم کنش قوي و الکتروضعيف به هم بخورد. پس از آن سه برهم کنش گرانش، هسته اي قوي، و الکتروضعيف را داريم. فيلم به جلو مي رود تا به زمان 10 به توان 8- ثانيه پس از آفرينش مي رسيم، يعني لحظه اي که سنّ عالم يک صد ميليونيوم ثانيه است! در اين جا دما به حدّي کم شده است که برهم کنش هاي الکترومغناطيسي و هسته اي ضعيف هم از يکديگر جدا مي شوند. پس از آن است که ما با چهار برهم کنش بنيادي سرو کار داريم. اما هنوز ميدان ها در عالم حاکم اند و هنوز هيچ نوع ذره اي به وجود نيامده است، و بايد هنوز خيلي صبر کرد. حدود يک دهم ثانيه پس از آفرينش، باريون ها (يعني پروتون ها و نوترون ها) از کوارک ها به وجود مي آيند. پس از آن به مرور دوران حضور ماده به صورت ذرات بنيادي و سپس اتم ها در عالم شروع مي شود.
به چند دقيقه پس از آفرينش رسيده ايم. دماي عالم، که سرد شده است، به حدود صد ميليون رسيده است، که البته هنوز بسيار زيادتر از تصورات ما است. ايجاد عناصر سبک، مانند هيدروژن و هليوم، شروع مي شود. به مرور که عالم سرد مي شود احتمال تشکيل عناصر بيشتر مي شود. در کنار آن فوتون ها، کوانتوم هاي ميدان الکترومغناطيسي، وجود دارند و دائماً با ماده در حال برهم کنش اند. اکنون روند رويدادهاي عالم کندتر مي شود. به جاي کسر کوچکي از ثانيه، صد هزار سال صبر مي کنيم و فيلم را به جلو نمايش مي دهيم تا رويداد مهم بعدي را ببينيم. اکنون عالم به قدري سرد شده است که فوتون ها ديگر برهم کنشي با ماده ندارند. از آن پس ماده و فوتون ها، يعني تابش الکترومغناطيسي، تحولي جدا از يکديگر دارند. هر دو بر اثر انبساط سرد مي شوند، اما با قوانين متفاوت. به همين علت اگر تا آن زمان به سبب برهم کنش دماي يکساني داشتند، پس از آن دماي متفاوتي خواهند داشت. اين مجموعه فوتون هاي مستقل همان چيزي است که امروز به آن تابش زمينه ي کيهاني مي گوييم و قبلاً با آن آشنا شديم. به اين ترتيب از حدود صد هزار سال پس از آفرينش تا کنون از يک سو تحول ماده را داريم و از سوي ديگر تحول تابش را. اين تابش به صورت گازي عمل مي کند که بر اثر انبساط سرد مي شود و دماي آن امروزه به 2/7 درجه ي کلوين رسيده است، و ما آن را به نام تابش زمينه ي کيهاني مي شناسيم و رصد مي کنيم.
دهه ي 1940/1320: محاسبه ي تابش زمينه ي کيهاني
در دهه ي بعد تحول عمدتاً قابل ذکر مربوط به کاري است که در سال 1948/1327 ژرژگاموف، فيزيکدان روسي که از شوروي از طريق ايران فرار کرده بود و در ايالات متحده ساکن شده بود، بر مبناي همين فيلم که توصيفش را خوانديد، محاسبه کرد: بايد تابش الکترومغناطيسي در عالم وجود داشته باشد با دمايي حدود 10 کلوين! اين دمانزديک است به دماي واقعي تابش زمينه ي کيهاني که در سال 1965/1344، سالي که من شروع به تحصيل نجوم در دانشگاه وين کردم، کشف شد.
بسياري از محاسبات گاموف براي پيشگويي پديده اي به نام تابش زمينه ي کيهاني را شايد مي شد پيش از ابداع نسبيت عام اينشتين هم انجام داد. پس اين تنها اطلاعات جنبي از فيزيک هسته اي يا الکترومغناطيس نبود که براي محاسبه کافي باشد، بلکه تفکر انتزاعي نسبيتي و مدل هاي کيهاني ناشي از آن بود که فيزيکدان ها را به اين سمت هدايت کرد که بپذيرند عالم در گذشته منقبض بوده و شرايط فيزيکي کاملاً متفاوتي داشته است. اين يکي از موارد گويا از برهم کنش نظر و عمل، مدل و رصد است که از آن صحبت کردم و تأکيد مي کنم که توجه به آن بسيار اهميت دارد.
برهم کنش اين دو کشف عمده پس از جنگ جهاني دوم، آرامش اجتماعي و شروع بازسازي پس از اتمام جنگ، همراه با جابه جايي دانشمندان در اروپا، روسيه و آمريکا بر اثر رويدادهاي اجتماعي پيش از جنگ و در دوران جنگ، و نيز سرمايه گذاري سنگين ايالات متحده ي آمريکا در زمينه هاي علم و فناوري همگي دست به دست هم دادند و دوران جديدي از تحولات، نه تنها در کيهان شناسي، که از بيشتر علوم فيزيکي را پس از آن شاهد هستيم. تأثير سندي را که در سال 1948/1327 توسط وانوار بوش با عنوان «مرزهاي بي انتها» براي توسعه ي علمي در آمريکا با تأکيد بر علوم پايه منتشر شد نبايد از نظر دور داشت. اين گونه شد که از دهه ي 1330 شاهد تحولات عظيم علمي، به ويژه در کيهان شناسي، در دنيا هستيم. متأسفانه کشور ما در اين سال ها درگير تلاطم هاي سياسي شديد، دوران مصدق و تحولات پس از آن، بود و جز راه اندازي دانشگاه هاي اصفهان، تبريز، و مشهد، که قطعاً در رشد آموزش در کشور موثر بوده اند، توجهي به اين جهش هاي علمي جهاني و پژوهش، به معناي مدرن آن، نمي بينيم.
دهه ي 1950/1330
دهه ي 1960/1940: کشف تابش زمينه ي کيهاني
تا آن زمان هنوز کيهان شناسان مدل مهبانگ را به عنوان مدل عالم نپذيرفته بودند و چند مدل ديگر، از جمله مدل عالم پايا از گولد، بوندي، و فرد هويل به همان اندازه طرفدار داشت. در اين مدل عالم منبسط مي شد، اما اين انبساط از يک انفجار بزرگ ناشي نشده بود، بلکه کيهان همواره شکل خود را حفظ مي کرد و به همين دليل لازم بود ماده دائم خلق شود. در اين مدل تابش زمينه ي کيهاني وجود نداشت، پس کشف آن مهم ترين دليل بر رد اين مدل براي عالم بود. از آن پس اخترفيزيکدانان، و نيز فيزيکداناني از شاخه هاي ديگر، مانند فيزيک ذرات و فيزيک هسته اي که به کيهان شناسي روي آوردند، مشغول بررسي نتيجه هاي ديگر مدل مهبانگ شدند. اين شروع تثبيت مدل مهبانگ به عنوان مدل استاندارد کيهان شناسي بود. به خاطر دارم هنگامي که در سال 1968/1347 نخستين درس کيهان شناسي را در رصدخانه ي وين گرفتم، استاد هنوز بخش عمده ي درس را به نظريه ي مدل پاياي گولد و بوندي اختصاص داد!
دهه ي 1970/1350: تثيت مدل استاندارد
دهه ي 1980/1360: تورم و ماده ي تاريک
دهه ي 1990/1370
به علاوه، رصد ابرنواختران توسط دو گوره و تعيين فاصله ي آن ها نشان داد که اين فاصله ها بيش از آن چيزي است که مدل استاندارد کيهان شناسي پيش بيني مي کند. تنها توضيح معقول اين بودکه نوع ديگري ماده که اثر پادگرانش دارد بايد در کيهان حضور داشته باشد. پادگرانش شايد لفظ مناسبي نباشد چون از آن سوء تعبيرهايي مي شود! اما به هر حال اين نوع ماده ي جديد به جاي اين که شتاب انبساط را کند کند، تند مي کند. پس چون انرژي دارد، مادي است، يعني از جنس هندسه نيست. اما چون اثر پادگرانشي دارد باشد فشار منفي داشته باشد، و ديده هم نمي شود، يعني تاريک است. چون با ماده ي تاريک که فشار مثبت دارد متفاوت است، آن را انرژي تاريک ناميدند. يک دهه است که اين مفهوم ابداع شده است و حکايت از معمايي مي کند که کيهانشاسان را به شدت مشغول کرده است. به نظر مي رسد که اين راز ظاهراً پيچيده ترين معضل علوم فيزيکي است، که قطعاً روزي حل خواهد شد. خوشا به حال کساني که به هنگام حل اين معضل، و شناخت راز انرژي تاريک زنده اند. و شاهد تحولي عظيم، نه تنها در کيهان شناسي که در علوم فيزيکي هستند حتي اگر روزي معلوم شود که اين پديده، اشتباهي ناشي از روش هاي علمي بوده است، باز هم بايد خوشحال بود که علم و علوم رصدي به يافته هاي مهمي دست يافته اند.
اکنون ما در دهه ي 2010/1390 هستيم. انرژي تاريک مسئله ي عمده ي کيهان شناسي است. چندين رصد با ابزارهاي جديد و قديم طراحي شده اند. نظريه پردازان به شدت مشغول يافتن انواع توضيح ها هستند. از طرف ديگر فناوري همگرايي گرانشي، دوراني را طي مي کند شبيه به دهه ي پنجاه / هفتاد و شصت / هشتاد و وضعيت تابش زمينه ي کيهاني. اين فناوري جديد همراه با داده هاي رصدي، اطلاعات ارزشمندي را از جزييات کيهان به دست خواهد داد.
هنوز نسبيت عام توان بالقوه اي دارد براي دستاوردهاي نظري مرتبط با کيهان شناسي که همگرايي گرانشي آخرين آنها نيست. عبرتي که از اين تاريخ هفتاد ساله مي گيريم اين است که نمي توان مفهوم سازي، مدل سازي، و نظريه پردازي را دست کم گرفت. نه به اين معني که در بحثهاي گه گاهي در مورد اهميت نظر و عمل بخواهيم به نفع يک طرف رأي بدهيم، بلکه به اين معني که هيچ يک بدون ديگري معني ندارد. انسان ها علائق متفاوت و توانائي هاي متفاوتي دارند، و به ويژه قرن هاي اخير نشان داده است که همکاري همه با هم است که توسعه و تحول ايجاد مي کند و مديريت اين همکاري ها است که بينش هاي جديد مي خواهد.
منبع: نجوم، شماره 191