انبساط عالم

«... و از آنجا خفيري دو بگرفتيم، هر يک به ده دنيار، تا ما را به ميان قومي ديگر برد. قومي عرب بودند که پيران هفتاد ساله مرا حکايت کردند که در عمر خويش به جز شير شتر چيزي نخورده بودند. چه در اين باديه چيزي نيست الا علفي شور که شتر مي خورد و ايشان خود گمان برند که همه عالم چنان باشد.» سفرنامه ي ناصرخسرو
در نسبت عام ديديم که چگونه فيزيک دان ها قانون هايي را که روي زمين کوچک کشف کرده اند به تمام عالم و به زمان هاي گذشته و آينده تعميم مي دهند؛ و اين گونه است که کيهان شناسان جرأت مي کنند براي کل عالم مدل بسازند و به آن همچون آزمايشگاهي بزرگ نگاه کنند که قوانين معتبر روي زمين را مي توان در آن نيز آزمود. عالمي که در آن هستيم به شيئي آزمايشگاهي تبديل مي شود که آن را هم با قانون هاي فيزيک بررسي اش مي کنيم. اگر کهکشان هاي نزديک ما ويژگي معيني نشان دادند آن را به بقيه ي کهکشان هاي دوردست هم تعميم مي دهيم.هر چه اطراف ماست بايد گواه آن چه باشد که در دوردست است! نکند ما هم همان اشتباه را بکنيم که ناصرخسرو متوجه اش شد! اما اين طور نيست.
اثر دوپلر زميني را به کهکشان ها هم نسبت مي دهيم، حتي هنگامي که بدانيم نسبيت عام اين اثر را تصحيح مي کند و تعبير آن را عوض مي کند! نود سال پيش را تجسم کنيد: اواخر دوران قاجار است و تازه جنگ جهاني اول تمام شده است. آمريکا که کمابيش از صحنه ي جنگ دور بوده و خرابي هاي جنگ را تجربه نکرده است دوران شروع رشد علم و فناوري مدرن را تجربه مي کند. رصدخانه ي مونت ويلسون، بزرگ ترين رصدخانه ي زمان است و منجمان آن طيف کهکشان ها را بررسي مي کنند. مدتي است که ديده شده است اکثر- اگرنه همه ي کهکشان ها - خطوط طيفي جابه جا شده از خود نشان مي دهند؛ خط هاي طيفي به سمت سرخ طيف جابه جا شده اند. انگار طول موج ها بلندتر شده اند. چرا؟ آن ها که اثر دوپلر را خوب مي شناختند، و از اثر دوپلر نسبيتي ناشي از گرانش هم شنيده بودند، اين انتقال به سرخ خط هاي طيفي را اين گونه تعبير کردند: کهکشان ها از ما دور مي شوند. کهکشان راه شيري ما هنوز مرکز عالم بود. گويي عالم ما در حال انبساط بود و همه چيز از ما دور مي شد. نکند عالم ايستا نباشد، ديناميک داشته باشد، يعني ما در عالمي در حال تغيير، در حال بزرگ شدن هستيم؟ اعلام اين گزاره بسيار جسارت علمي مي خواست. ادوين هابل اين جسارت را داشت و اعلام کرد بر مبناي شواهد رصدي، عالمِ ما در حال انبساط است. همين گزاره ي ساده که اکنون با آن خو گرفته ايم، آن زمان بسيار عجيب و سخت باور بود.
چند هزار سال بود انسان ها عالم را بدون تغيير فرض مي کردند، به آن هندسه ي ويژه اي نسبت مي دادند؛ فضا بود، هميشه بود و يکسان بود. فضا خاصيت نداشت! تخت بود. اما حالا منجمان مي گفتند عالم در حال انبساط است. مگر مي شود؟ انبساط در چه؟ کيهان «در کجا» قرار دارد که منبسط مي شود؟ خوشبختانه مدل گرانش نسبيت عامي امکان نظري و رياضياتي اين تصور را فراهم مي کرد.
خط کشي را در نظر بگيريد که از ماده اي کاملاً کشسان ساخته شده باشد، و بتوان آن را به هر اندازه کشيد. روي اين خط کش به فاصله هاي مساوي علامت گذاري شده است: 1، 2، 3، ... . خط کش را در حال کشيدن، يعني کِشان، در نظر مي گيريم. نقطه هاي 1، 2 و 3 همچون مختصات روي خط کش اند که فاصله ي آن ها مساوي مي ماند، گرچه فاصله ي ميان هر دو نقطه بر اثر کشيدن - انبساط - بيشتر مي شود. نقطه هاي 1، 2 و3 را در عرفِ نسبيت مختصات همراه مي نامند، يعني همراه باکش آمدن خط کش - عالم - حرکت مي کنند. مي گوييم فاصله ي همراه دو نقطه 1 و 2 ثابت است، اما فاصله ي «فيزيکي» آن ها با انبساط، با کش آمدن، تغيير مي کند. گيريم ناظري روي نقطه ي 2 به نقطه ي 1، 3 و 4 نگاه مي کند. اگر او از کش آمدن خط کش ناآگاه باشد، مي بينيد که نقطه هاي 1 و 3 که از او هم فاصله اند با سرعت يکسان از او دور مي شوند، اما نقطه ي 4 که فاصله اش از او دو برابر فاصله ي نقطه - کهکشان - 2 است با سرعت دو برابر دور مي شود.
آن چه در عالم رخ مي دهد شباهت دارد به رفتار اين خط کشِ درحال آمدن که يک بُعدي است. خط کش مادي است، اما عالم چطور؟ فضا - زمان چطور؟ کهکشان ها نقش نقطه هاي روي خط کش را دارند، پس درون کهکشان، ستاره ها و سياره ها، در اين مقياس که صحبت مي کنيم اصلاً به حساب نمي آيند. نسبيت عام زمينه را براي درک اين ويژگي فضا - زمان براي ما فراهم کرده است. فضا - زمان را ماده ي موجود شکل داده است. هندسه ي اين فضا - زمان در حال انبساط را ماده ي موجود در عالم تعيين مي کند، و از رياضيات مي دانيم چگونه اين فضا - زمان چهار بعدي و هندسه ي آن را درک کنيم بدون اين که به فضاي با بُعد بيشتر نياز داشته باشيم. پس عالم در حال انبساط دو تفاوت عمده با خط کش کشان دارد. نخست اين که به خط کش خاصيت کشساني نسبت مي دهيم که فضا آن را لازم ندارد. خود ماده ي در حال انبساط فضا - زمان را، يعني مشابه چهار بعدي خط کش را، به وجود مي آورد. دوم اين که خط کش يک بعدي (يا دو بعدي) در فضاي سه بعدي قرار دارد؛ که در اصطلاح رياضي مي گوييم خط کش در فضاي سه بعدي غوطه ور است. اما عالمِ چهار بعدي ما لازم نيست در فضايي يا بُعد بيشتر غوطه ور باشد. توجه کنيد، هنگامي که از عالم، هندسه ي آن، تحولات آن، ديناميک آن صحبت مي کنيم هيچ گاه به فکر اين نباشيد که اين فضا کجاست! جايي نيست؛ خودش است! پس به همين علت هم مرزي ندارد. اين طرف و آن طرف هم ندارد.
به اين ترتيب کشفيات رصدي با کشفيات نظري نسبيت عام دست به دست هم دادند تا مفهوم انبساط عالم درک و پذيرفته شود. هابل ابتدا از فرار کهکشان ها صحبت مي کرد. کهکشان ها از ما فرار مي کنند، سرعت فرار آن ها هم متناسب با فاصله ي آن هاست. بنا بر داده هاي اوليه ي هابل، اين سرعت به گونه اي بود که اگر کهکشاني در فاصله ي يک ميليون پارسک از ما باشد سرعت قرار آن برابر 500 کيلومتر در هر ثانيه مي شود. مي دانيم که هر پارسک برابر 3/3 سال نوري است. اين عدد، 500 بنا بر رصدهاي هابل، براي تحول عالم بسيار تعيين کننده است. چرا؟ چون اگر استدلال هاي تاکنون ما درست باشد، ماده ي موجود در عالم بايد باعث کُند شدن اين فرار کهکشان ها يا انبساط عالم باشد، که درگذشته شروع شده است. پس بايد بتوانيم با داشتن اين عدد، گذشته ي عالم را حساب کنيم. از جمله از اين طريق بايد بتوانيم سنّ عالم را تخمين بزنيم. آنگاه خواهيم دانست که اين عدد اشتباه است، چون در اين صورت سن عالم کمتر از سن زمين يا خورشيد مي شد! امروزه مي دانيم که اين عدد حدود 70 کيلومتر بر ثانيه است که با سن 13/7 ميليارد سالي کيهان سازگار است.
مي دانيم که هر چه در عالم به دورترها نگاه کنيم گذشته ي کيهان را مي بينيم که علت آن ثابت بودن سرعت نور است. به همين سبب است که هر چه کهکشان ها از ما دورتر باشند، با سرعت بيشتري از ما دور مي شوند، چون در گذشته ي قرار دارند که سرعت انبساط عالم تندتر بوده است. پس سازگاري ميان فاصله و زمان را اين جا هم مي بينيم. پس اگر بتوانيم خيلي به دورترها نگاه کنيم، به عبارت درست تر دورترها را ببينيم، شايد بتوانيم ابتداي آفرينش، يا مهبانگ، را هم رصد کنيم! استدلال درستي است، به شرطي که بدانيم «ديدن» يعني چه! ديدن يعني اين که نور، يا سيگنالي قابل آشکارسازي، به ما برسد. آيا هيچ نور يا سيگنالي از ابتداي آفرينش دريافت مي کنيم؟ پرسش جالبي است، نه؟
براي آن که نور، يا فوتون، از زمان هاي خيلي دور دريافت کنيم دو شرط لازم است. يکي اين که اصلاً فوتوني وجود داشته باشد؛ دوم اين که اين فوتون در برخورد با ذره ها و اتم هاي ديگر جذب نشود و بتواند راه طولاني رسيدن به ما را طي کند! هيچ يک از اين دو شرط در ابتداي مهبانگ، يا انفجار بزرگ، برقرار نيست. اتفاق هاي بسيار پيچيده اي افتاده است تا فوتون به وجود آمده است، و بعد هم زماني طولاني، به قياس تعداد رخدادها در ابتداي آفرينش عالم، لازم بوده است تا اين که فوتون ها بتوانند آزادانه حرکت کنند تا انساني به وجود بيايد که بتواند آن ها را کشف کند! اين زمان، يعني زماني که فوتون هاي آغازين از ماده «واجفت شده اند» و به ما رسيده اند حدود 350.000 سال پس از مهبانگ بوده است. پس ما فوتون هايي از کيهان دريافت مي کنيم که بيش از 13/5 ميليارد سال در راه بوده اند. اين فوتون ها را تابش زمينه ي کيهاني مي ناميم. توجه داشته باشيم که در اين زمان هنوز ساختارهايي که امروزه در رصدهايمان به صورت کهکشان و ستاره مي بينيم به وجود نيامده بودند. دورترين ساختارهايي که تاکنون کشف شده اند، از نوع اختروش ها، به نظر مي رسد کمي بيش از 13 ميليارد سال سن دارند! پيش از ايجاد اين اختروش ها و پيش از آزاد شدن تابش زمينه ي کيهاني از انبساط چه مي دانيم؟
آيا شک نکرده ايد که اين تصور از انبساط عالم ما را در جايگاه ممتازي قرار مي دهد و اصل همگن بودن عالم، يعني اصلي که انقلاب کوپرنيکي بر آن متکي است، خدشه دار خواهد شد؟ اين طور نيست. به همان مدل خط کش فکر کنيد. در توضيح تصوير فرض کردم ما، ناظر، در نقطه ي صفر قرار داريم. حالا اگر به نقطه ي 1 يا 2 هم برويم برداشت ما از انبساط خط کش تفاوتي نمي کند؛ پس براي تعبير انبساط لازم نيست ما در مرکز عالم و ممتاز باشيم. البته، توجه داشته باشيم هنگامي که هابل ايده ي انبساط عالم يا فرار کهکشان ها را مطرح کرد هنوز تصور مي شد ما مرکز عالم هستيم و کهکشان ما بزرگ ترين است. حدود 3 سال بعد، يعني در دهه ي 1950/1330 منجمان به اشتباه خود در اندازه گيري فاصله ها و ابعاد کهکشان ها پي بردند و معلوم شد کهکشان ما نه ابعادش ممتاز است و نه جاي آن در عالم! اين است که مفهوم انبساط عالم را عموم کيهان شناسان باور دارند.
اطلاعات ما درباره ي کيفيت انبساط عالم در دوره هاي پيش از تابش زمينه ي کيهاني کمابيش غيرمستقيم است. از فراواني بعضي اتم ها مانند هليوم و دوتريوم، که در ثانيه هاي آغازين عالم توليد شده اند مي توانيم به چگونگي انبساط عالم پي ببريم. ما حتي اين انبساط را تا حدود زماني برابر 10 به (توان 43-) ثانيه براي سنّ عالم، که به آن زمان پلانک مي گويند، مي توانيم تعقيب کنيم و سازگاري انبساط را با رفتار ماده که از فيزيک ذرات بنيادي مي شناسيم ببينيم. گرچه در حدود زمان پلانک ابهام هايي در فيزيک ذرات است که انتظار داريم با تحليل داده هاي برخورد دهنده ي بزرگ هادروني (LHC) روشن شود، اما به طور قطع انتظار داريم چگونگي انبساط در زمان پلانک و پيش از آن با آن چه از دوران آزاد شدن تابش زمينه ي کيهاني مي شناسيم متفاوت باشد چگونه؟ حدس بزنيد! شايد بُعد فضا - زمان 4 نبوده است؛ شايد فضا و زمان يک مجموعه پيوسته، پيوستار، نبوده است؛ شايد اصلاً زمان وجود نداشته است؛ شايد چند زمان وجود داشته است. مي توانيد حدس هاي ديگر بزنيد؟ کار کيهان شناس اين است که اين تخيل ها را به مدل و نظريه تبديل کند و بکوشد راهي براي آزمودن آن پيدا کند.
مدلي که از انبساط عالم داريم و مبتني است بر نسبيت عام، همراه با داده هايي از ترموديناميک و فيزيک ذرات مجموعاً مدل استاندارد کيهان شناسي ناميده مي شود. مشکلات اين مدل تنها در زمان پلانک ظاهر نمي شود. اين مدل براي دوره ي بعد از زمان پلانک هم مشکلاتي دارد که براي آن راهي انديشيده شده است. رفع اين مشکلات مدل استاندارد کيهان شناسي در چارچوبي درک مي شود که به آن تورم مي گويند. از معناي تورم مي توانيد حدس بزنيد که لابد کيهان شناسان انبساطي خيلي سريع تر از انبساط عالم، که در فراز کهکشان ها رصد شده است، در نظر دارند. همين طور است! جرم و انرژي موجود در عالم مي خواهد جلوي انبساط ناشي از مهبانگ، ناشي از انفجار بزرگ، را بگيرد. پس انبساط عالم بايد همواره کند شونده باشد. در بينش تورم دوره اي کوتاه براي عالم اوليه در نظر گرفته مي شود که انبساط بسيار سريع و تند شونده بوده است که اين از عجايب وجود نوعي ماده است که به آن خلأ مي گويند! از خلأ نترسيد! از اين واژه نهراسيد! مفهومي بسيار ساده است. در فيزيک هنگامي که با انرژي هاي خيلي زياد - که در فيزيک به آن انرژي هاي بالا مي گويند - سروکارداريم، مفاهيم جديدي جايگزين مفاهيمي مانند نيرو، مفاهيم ترموديناميکي و هيدروديناميکي مي شود. آن چه تعيين کننده است مفهوم ميدان و پتانسيل ميدان است. پتانسيل ميدان شرايط و چَنديِ انرژي ميدان را تعريف مي کند. اين پتانسيل يک يا چند کمينه دارد که به آن خلأ مي گويند. عالم اوليه که به هنگام انباسط سرد مي شود گاهي شرايطي ايجاد مي کند که ميدان هاي موجود در آن در حالت کمينه ي پتانسيل، يا خلأ، قرار مي گيرند. آن وقت، اين خلأ که شرايط نامتعارفي براي نوع ماده ايجاد مي کند باعث مي شود انبساط عالم تند بشود، گويي نوعي پادگرانش «کليد مي خورد»! حضور اين خلأ تنها در آغاز عالم تعيين کننده نبوده است. رصدهاي گوناگون در دهه هاي گذشته نشان داده است که انبساط کنوني عالم هم تند شونده است. اما اين حالت را تورم نمي ناميم، تا با شرايط عالم آغازين اشتباه گرفته نشود. مي گوييم اين انبساط تندشونده بايد ناشي از نوعي ماده يا انرژي باشد که آن را نمي شناسيم، پس به آن انرژي تاريک مي گوييم. پس مفهوم انرژي تاريک بيانگر عدم شناخت ما از علت انبساط تند شونده ي کنوني است.
برگرديم به زمان پلانک و قبل از آن. هنگامي که به زمان صفر مدل استاندارد کيهان شناسي نزديک مي شويم، به زمان هاي کوچک تر از زمان پلانک، تمام کميت هاي فيزيک به سمت بي نهايت يا صفر مي روند: چگالي انرژي عالم، زمان عالم، و فاصله ي فيزيکي نقطه هاي فضا که به سمت صفر مي روند. اين ها واقعيت هايي نيستند که در فيزيک آن را بپذيريم. فيزيک دان ها واژه اي از رياضيدان ها وام گرفته اند که بيانگر اين عدم شناخته ما از چگونگي شرايط در عالم آغازين است: تَکيِنگي! مي گوييم در آغاز عالم با يک تکينگي سروکار داريم، يا مهبانگ از تکينگي شروع مي شود (شکل 3). انرژي تاريک مفهومي است بيانگر عدم شناخت ما از علت انبساط تند شونده ي کنوني، که بزرگ ترين معضل علوم فيزيک در شرايط کنوني است. همين طور تکينگيِ آغازين مفهومي است ناشي از عدم شناخت ما از آغاز آفرينش عالم که درک آن بسيار طول خواهد کشيد. بسيار کيهان شناس لازم است پژوهش کنند، بسيار هزينه لازم است بشر تقبّل کند، بسيار تجهيزات لازم است بسازد، و لازمه ي همه ي آن ها آرامش روان فردي و اجتماعي است تا اين همه اتفاق بيفتد. خوشا به حال نسلي که اين آرامش را خواهد داشت و خوشا به حال نسلي که نقشي در ايجاد اين آرامش دارد!

منبع:نشريه نجوم، شماره 193.