آيا کيهان شناسي به پايان مي رسد؟
نويسنده: لارسن کراوس و رابرت شِرِر
ترجمه: سليمان فرهاديان
ترجمه: سليمان فرهاديان
هر عالم شتاب داري، همه ي نشانه هاي آغاز خود را محو مي کند.
صدسال پيش، اگر مقاله اي درباره ي تاريخ و ساختار بزرگ مقايس عالم در مجلات معتبر اخترشناسي به چاپ مي رسيد، حتماً سراسر اشتباه بود. دانشمندان در سال 1908 ميلادي گمان مي کردند کلّ عالم فقط کهکشان ماست. آن ها کهکشان ما را به صورت «عالمي جزيره اي» در نظر مي گرفتند، به بيان ديگر آن را خوشه اي از ستارگان مي دانستند که خلأيي بي نهايت آن را در بر گرفته است. اما اکنون مي دانيم که کهکشان ما تنها يک کهکشان در ميان 400 ميليارد کهکشان درعالم قابل ديدن است. در سال 1908، دانشمندان اتفاق نظر داشتند که عامل ايستا و ازلي و ابدي است. آغاز شدن عالم با انفجاري بزرگ و آتشين حتي به ذهنشان خطور نمي کرد. توليد عنصرها در نخستين لحظه هاي انفجار بزرگ و درون هسته ي ستارگان را هنوز نشناخته بودند. انبساط فضا و امکان انحناي آن در واکنش به حضور ماده را حتي در خواب نمي ديدند. براي درک اين حقيقت که همه جاي فضا غرق در تابش است (موضوعي که تصويري شبح گون از پس تاب سرد خلقت در اختيار ما گذاشت) مي بايست منتظر ابداع فناوريهاي نويني مي ماندند که نه براي اکتشاف ابديت، بلکه براي برقراري تماس تلفني با خانه عرضه شد.
دشوار بتوان حوزه اي از پژوهش هاي فکري را يافت که بيش از کيهان شناسي طي قرن گذشته دستخوش تغيير شده باشد و همين تغيير بود که نگرش ما را نسبت به عامل عوض کرد. اما آيا علم بايد در آينده هميشه دانش تجربي بيشتري نسبت به گذشته در اختيار ما بگذارد؟ طبق دستاوردهاي پژوهش هاي کنوني، پاسخ در مقياس هاي کيهاني منفي است. شايد ما در تنها دوره اي از تاريخ عالم زندگي مي کنيم که دانشمندان مي توانند به درک درستي از ماهيت واقعي عالم برسند.
کشف هيجان انگيزي در تقريباً يک دهه ي پيش، انگيزه ي پژوهش ما بود. دو گروه از اخترشناسان، انبساط عالم طي پنج ميليارد سال گذشته را بررسي کردند و دريافتند که گويا انبساط در حال شتاب گرفتن است. برخي فکر مي کنند شايد منشأ اين پادگرانش کيهاني شکل جديدي از «انرژي تاريک» مرتبط با فضاي خالي باشد. برخي از نظريه پردازان، از جمله يکي از نويسندگان همين مقاله (کراس)، واقعاً اين نتايج جديد را بر مبناي اندازه گيري هاي غير مستقيم پيش بيني کرده بودند اما در فيزيک فقط مشاهده هاي مستقيم ارزش دارند. شتاب گرفتن عالم بيانگر آن است که فضاي خالي تقريباً سه برابر ساختارهاي کيهاني، که امروزه مي بينيم يعني کهکشان ها، خوشه ها و اَبَر خوشه هاي کيهاني، انرژي دارد. در اصل آلبرت اينشتين نخستين کسي بود که فرض وجود انرژي از اين نوع را براي ايستا ماندن عالم مطرح کرد. وي اين انرژي را ثابت کيهان شناختي ناميد.
انرژي تاريک در آينده ي عالم تأثير بسيار مهمي دارد. کراس همراه با کيهان شناسان ديگر وابستگي سرنوشت حيات در عالم به ثابت کيهان شناختي را کشف کرد. اين وابستگي چشم انداز چندان خوبي ندارد. چنين عالمي به مکان بسيار نامساعد براي استقرار حيات تبديل مي شود. ثابت کيهان شناختي «افق رويداد» مشخصي دارد. افق رويداد، سطحي فرضي است که از وراي آن هيچ گونه ماده يا تابشي نمي تواند به ما برسد. از اين لحاظ عالم تا حدودي شبيه سياه چاله اي پشت و رو است که ماده و تابش به جاي درون افق رويداد بيرون از آن به دام افتاده اند. اين يافته به اين معناست که عالم قابل ديدن فقط شامل مقدار محدودي اطلاعات است و در نتيجه پردازش اطلاعات (و حيات) نمي تواند تا ابد پايدار بماند.
مدت ها پيش از اين که اين محدوديت اطلاعات به معضلي تبديل شود، تمام ماده ي در حال انبساط عالم به بيرون از افق رويداد کشيده مي شود. آبراهام لوب و کِنتارو ناگاماين، هر دو از دانشگاه هاروارد، اين فرايند را بررسي کردند و دريافتند که گروه محلي کهکشان ها (متشکل از راه شيري، آندرومدا و تعداد زيادي کهکشان کوتوله) بر خود فرو مي ريزد و تبديل به اَبَر خوشه ي بسيار بزرگي از ستاره ها مي شود. همه ي کهکشان هاي ديگر هم در نيستي وراي افق رويداد ناپديد مي شوند. اين فرايند حدود صد ميليارد سال طول مي کشد که شايد طولاني به نظر برسد، اما در مقايسه با عظمت ابديت نسبتاً کوتاه است.
نخستين ستون نظريه ي نسبيت عام اينشتين است. طي حدود 300 سال، نظريه ي گرانش نيوتون مبنايي براي کلّ اخترشناسي بود. نظريه ي نيوتون مي تواند حرکت اجرام در مقياس هاي گوناگون (از بسيار کوچک و زميني تا بسيار بزرگ و کهکشاني) را به طرز بسيار مناسبي پيش بيني کنند، اما براي پيش بيني رفتار مجموعه ي بي نهايت بزرگ ماده کاملاً ناتون است. نسبيت عام بر چنين محدوديت هايي چيره شده است. مدت کوتاهي پس از آن که اينشتين نظريه اش را در سال 1916 ميلادي عرضه کرد، ويلِم دوسيتِر فيزيک دان هلندي معادله هاي نسبيت عام را براي عالم ساده شده اي حل کرد که شامل ثابت کيهان شناختي بود. پژوهش هاي دوسيتر ديدگاه رايج آن زمان درباره ي عالم را موجب شد، يعني کهکشاني به شکل جزيره اي منفرد و جدا که خلأيي بزرگ و ايستا آن را در بر گرفته است.
کيهان شناسان خيلي زود دريافتند که ايستا بودن، درک نادرستي از کيهان است. در حقيقت عالم دوسيتر تا ابد گسترش مي يابد. همان گونه که ژرژ لومتر، فيزيک دان بلژيکي بعدها نشان داد، معادله هاي اينشتين پيش بيني مي کنند که عالمِ نامتناهي، هَمگن و ايستا ناممکن است. عالم بايد يا منبسط شود يا منقبض. با درک اين موضوع، نظريه اي متولد شد که بعدها انفجار بزرگ يا مهبانگ نام گرفت.
دومين ستون در دهه ي 1920/1300 بنا شد؛ زماني که اخترشناسان انبساط عالم را آشکار کردند. نخستين کسي که شواهد رصدي براي گسترش عالم عرضه کرد، اخترشناس آمريکايي وِستو اسليفِر بود. اسليفر از طيف ستارگان براي اندازه گيري سرعت کهکشان هاي نزديک استفاده مي کرد. امواج نور ستاره اي که به سمت زمين حرکت مي کند فشرده تر و در نتيجه طول موجش کوتاه تر و رنگش آبي تر مي شود. امواج نور جرمي که از ما دور مي شد کشيده تر و در نتيجه طول موجش بلندتر و رنگش قرمزتر مي شود. اسليفر مي توانست با اندازه گيري فشردگي يا کشيدگي امواج نور گسيل شده از کهکشان هاي دوردست تعيين کند که اين کهکشان ها به سوي ما مي آيند يا از ما دور مي شوند و سرعت آن ها چقدر است (در آن زمان اخترشناسان حتي مطمئن نبودند لکه هاي مبهم نور، که ما آن ها را «کهکشان» مي ناميم، واقعاً مجموعه ي مستقلي از ستارگان اند يا فقط ابرهايي از گازند که درون کهکشان ما قرار دارند). اسليفر دريافت که تقريباً همه ي اين کهکشان ها از ما دور مي شوند. به نظر مي رسيد که ما در مرکز اين گسترش فراگير قرار داريم.
اما کسي که اعتبار کشف انبساط عالم را از آن خود کرد، نه اسليفر که اخترشناسي آمريکايي به نام ادوين هابل بود (آيا تاکنون چيزي درباره ي تلسکوپ فضايي اسليفر خوانده يا شنيده ايد؟!). هابل افزون بر سرعت، فاصله ي کهکشان هاي نزديک را نيز اندازه گرفت. اندازه گيري هاي او دو نتيجه ي مهم در برداشت که موجب شهرت وي شد. نخست آن که هابل نشان داد کهکشان ها چنان دورند که هر کدام از آن ها را واقعاً مي توان مجموعه اي مستقل دانست، درست مانند کهکشان خود ما. دوم آن که رابطه ي سده اي بين فاصله ي کهکشان ها و سرعت حرکت آن ها کشف کرد. سرعت کهکشان ها با فاصله شان از ما نسبت مستقيم دارد، به بيان ديگر اگر فاصله ي کهکشان ديگر باشد، سرعت دور شدنش از ما هم دو برابر سرعت دور شدن کهکشان ديگر است. اين ارتباط بين سرعت و فاصله دقيقاً همان چيزي است که در پديده ي انبساط عالم روي مي دهد. از آن زمان تاکنون اندازه گيري هاي هابل تصحيح شده اند، به ويژه در سال هاي اخير با رصد اَبَرنواخترهاي دوردست که به کشف انرژي تاريک منجر شده است.
ستون سوم، تابش ضعيف ريز موج زمينه ي کيهان است. اين پديده را آرنو پنزياس و رابرت ويلسون فيزيک دانان آزمايشگاه بِل در سال 1965/1344 با خوش اقبالي و به هنگام رديابي منشأ تداخل هاي راديويي کشف کردند. خيلي زود معلوم شد که اين تابش اثرات باقي مانده از مراحل نخستين انبساط عالم است. اين دستاورد نشان مي دهد که عالم با وضعيتي داغ و چگال آغاز شد و از آن پس سرد و رقيق شد.
آخرين ستون رصدي براي اثبات انفجار بزرگ آن است که عالم نخستين داغ و چگال، مکان مناسبي براي همجوشي هسته اي بوده است. زماني که دماي عالم بين يک تا ده ميليارد درجه ي کلوين بود، هسته هاي سبک تر با انجام فرايند همجوشي به هسته هاي سنگين تر تبديل مي شدند. اين فرايند را با نام هسته سازي انفجار بزرگ مي شناسيم. فقط چند دقيقه فرصت بود که چنين فرايندي انجام شود چرا که پس از آن عالم منبسط و سرد شد، بنابراين فرايند همجوشي فقط منحصر به سبک ترين عنصرها بود. بيشتر هليوم عالم نيز درست مانند دوتريوم يا هيدروژن سنگين در آن هنگام توليد شد. اندازه گيري فراواني هليوم و دوتريوم با نتيجه ي پيش بيني هاي حاصل از فرايند هسته سازي انفجار بزرگ همخواني دارد و همانند تخمين هاي درست فراواني پروتون و نوترون در عالم، شاهد ديگري براي اين نظريه فراهم مي آورد.
ناپديد شدن کهکشان هاي دوردست يک باره اتفاق نمي افتد، بلکه تدريجي است. هنگامي که اين کهکشان ها به افق رويداد نزديک مي شوند، انتقال به سرخ آن ها نيز بسيار زياد مي شود. بر اساس محاسبات کراوس واستارکمَن، پس از صد ميليارد سال انتقال به سرخ به همه ي کهکشان ها از 5000 هم بيشتر مي شود و تا ده هزار ميليارد سال ديگر مقدار انتقال به سرخ به 10 (به توان 53) (عددي که حتي تصورش بسيار دشوار است) مي رسد. در آن هنگام انتقال به سرخِ حتي پُر انرژي ترين پرتوهاي کيهاني چنان بزرگ مي شود که طول موج آن ها بزرگ تر از اندازه ي افق رويداد خواهد شد. در آن هنگام اين اجسام به راستي از ديد ما ناپيدا مي شوند.
در نتيجه تجربه ي درک پديده ي انبساط عالم، يعني کشف بسيار مهم هابل، تکرار نشدني مي شود. همه ي ماده ي در حال انبساط عالم به وراي افق رويداد مي رود و از نظر ناپديد مي شود و همه ي آن چه باقي مي ماند، بخشي از خوشه ي ستاره اي مي شود که به سبب نيروي گرانش گرد هم جمع شده است. براي اين اخترشناسان آينده، عالم قابل ديدن بسيار شبيه «عالم جزيره اي» سال 1908 است: يعني مجموعه ي بسيار بزرگي از ستاره هاي ابدي و پايدار که فضاي خالي آن را در برگرفته است.
تجربه هاي خود ما نشان مي دهند حتي زماني که داده هايي در اختيار داريم، مدل صحيح کيهان شناسي چندان هم آشکار و واضح نيست. مثلاً از دهه ي 1940/1320 تا ميانه ي دهه ي 1960/1340، که بناي کيهان شناسي رصدي فقط بر کشف هابل درباره ي انبساط عالم استوار بود، برخي اختر فيزيک دانان درصدد احياي فکر عالم ابدي بودند و ايده ي عالم پايا را مطرح کردند. در اين عالم، همگام با انبساط عالم ماده ي جديد توليد مي شود، به طوري که با گذشت زمان کل عالم تغيير نمي کند. بعدها ثابت شد که اين ايده به بن بست علمي ختم مي شود، اما در عين حال نشان دهنده ي آن نوع مفاهيم اشتباهي بود که ممکن است در غياب داده هاي رصدي کافي سر برآورند.
اخترشناسان آينده در چه جاهاي ديگري مي توانند شواهدي از انفجار بزرگ را جست و جو کنند؟ آيا تابش پس زمينه ي ريز موج کيهان امکان پژوهش درباره ي ديناميک عالم را فراهم مي کند؟ متأسفانه خير. همچنان که عالم گسترش مي يابد، طول موج تابش پس زمينه کشيده تر و تابش پراکنده تر مي شود. هنگامي که عالم به صد ميليارد سالگي مي رسد، طول موج تابش پس زمينه به حدّ متر هم مي رسد و به جاي آن که ريز موج باشد، شبيه امواج راديويي مي شود. با ضريب يک هزار ميليون از شدت تابش کاسته مي شود و شايد هيچ گاه ديگر نتوان اين امواج را آشکار کرد.
در آينده هاي پس از آن، تابش پس زمينه ي کيهان به راستي غير قابل مشاهده مي شود. فضاي ميان ستاره اي در کهکشان ما شامل گاز يونيزه شده اي پُر از الکترون است. امواج راديويي کم بسامد نمي توانند در چنين گازي نفوذ کنند. اين امواج يا جذب يا بازتابيده مي شوند. به علت مشابهي مي توان دريافت چرا امواج ايستگاه هاي راديوييAM را در شب مي توان در شهرهايي بسيار دور از شهرِفرستنده ي اين امواج دريافت کرد. امواج راديويي از يون کره بازتاب مي شوند و به سمت زمين بر مي گردند. فضاي ميان ستاره اي را مي توان به صورت يون کره ي بسيار بزرگي در نظر گرفت که کهکشان ما را پُر کرده است. هر موج راديويي با بسامد کمتر از يک کيلوهرتز (طول موج هاي بلندتر از 300 کيلومتر) نمي تواند به درون کهکشان ما نفوذ کند. اخترشناسي راديويي زير يک کيلوهرتز همواره در کهکشان ما ناممکن است. هنگامي که سنّ کهکشان ما دو برابر سنّ کنوني آن شود، تابش پس زمينه ي ريز موج کشيده مي شود و طول موج آن از اين هم بيشتر و در نتيجه براي ساکنان آن زمان کهکشان ما تشخيص ناپذير مي شود. حتي پيش از آن، طرح هاي ظريف موجود در اين تابش پس زمينه، که چنين اطلاعات مفيد و فراواني براي کيهان شناسان امروزي فراهم کرده است، چنان محو مي شود که بررسي آن ناممکن خواهد بود.
اکنون فراواني دوتريوم بهترين ابزار براي پژوهش درباره ي هسته سازي انفجار بزرگ محسوب مي شود. بهترين اندازه گيري هاي ما از فراواني دوتريوم اوليه بر اساس رصد ابرهاي هيدروژن روشن شده از نور اختروش ها به دست آمده است. اختروش ها «نورافکن هاي» بسيار دوردست و نوراني اند که گمان مي رود انرژي آن ها را سياهچاله ها فراهم مي کنند. اما در آينده هاي دور عالم، هم ابرهاي هيدروژن و هم اختروش ها به وراي افق رويداد مي روند و تا ابد از ديد ما پنهان مي شوند. شايد فقط بتوان دوتريوم کهکشاني را مشاهده کرد. اما ستارگان، دوتريوم را نابود مي کنند و فقط مقدار کمي باقي مي ماند. حتي اگر اخترشناسان آينده دوتريوم را مشاهده کنند، به احتمال بسيار آن را به انفجار بزرگ نسبت نمي دهند. شايد در آن زمان هم پذيرفتن اين نکته که واکنش هاي هسته اي شامل پرتوهاي پُر انرژي کيهاني، منشأ اين دوتريوم ها هستند موجه تر باشد چرا که امروزه هم دانشمندان آن ها را دست کم منشأ بخشي از دوتريوم مشاهده شده در عالم مي دانند.
هر چند فراواني رصدي عنصرهاي سبک، هيچ شاهد مستقيمي براي وقوع انفجار بزرگي آتشين ارائه نخواهد کرد، اما يکي از تفاوت هاي کيهان شناسي آينده با کيهان شناسي موهوم يک قرن پيش خواهد بود. اخترشناسان و فيزيک داناني که به درکي از فيزيک هسته اي دست يابند، به درستي نتيجه مي گيرند که ستارگان سوخت هسته اي مي سوزانند. اگر آن ها (به اشتباه) نتيجه بگيرند تمام هليومي که مشاهده مي کنند در نسل هاي پيشين ستاره ها توليد شده است، مي توانند حدّ بالايي براي سنّ عالم معين کنند. بنابراين آن ها به درستي در مي يابند که عالم کهکشاني آنان ابدي نيست، بلکه سنّي متناهي دارد. با اين همه منشأ ماده اي که مي بينند در هاله اي از اسرار پنهان مي ماند.
تکليف ايده اي که اين مقاله را با آن شروع کرديم - يعني اين که نظريه ي نسبيت اينشتين، عالمِ در حال گسترش و در نتيجه انفجار بزرگ را پيش بيني مي کند - چه مي شود؟ ساکنان آينده هاي دور عالم مي توانند با اندازه گيري هاي دقيق گرانش در منظومه ي خورشيدي خود نظريه ي نسبيت عام را دوباره کشف کنند. بهره بردن از اين نظريه براي پي بردن به انفجار بزرگ، به رصدهايي درباره ي ساختارهاي بزرگ مقياس عالم بستگي دارد. فقط در صورتي که عالم همگن باشد نظريه اينشتين، عالم در حال انبساط را پيش بيني مي کند. عالمي که نوادگان ما درباره ي آن پژوهش مي کنند شبيه هر چيزي است به جز عالمي همگن. اين عالم جزيره اي از ستارگان است که خلايي پهناور آن را فرا گرفته است. در حقيقت، اين عالم شبيه عالم جزيره اي دوسيتر است. سرنوشت نهايي عالم رصدپذير اين است که بِرُمبَد و به سياه چاله تبديل شود؛ يعني در حقيقت دقيقاً همان چيزي که در آينده اي دور براي کهکشان ما رخ مي دهد.
ناظران بلند پرواز آينده ممکن است کاوشگرهايي بفرستند که از مرزهاي اَبَر کهکشان بگذرد و همانند نقطه هاي مرجع براي آشکارسازي انبساط کيهان عمل کند. احتمال اين که آن ها چنين کاري انجام دهند بسيار کم است، اما حتي در صورت انجام دادن چنين کاري دست کم ميلياردها سال طول مي کشد تا کاوشگر به نقطه اي برسد که انبساط، تأثيري چشمگير بر سرعت آن بگذارد. افزون بر اين، براي آن که کاوشگر بتواند از چنين فاصله ي دوري با سازندگان خود ارتباط برقرار کند، به منبع انرژي اي مانند ستارگان نياز دارد. احتمال اين که سازمان هاي حامي علم در آينده از اين گونه «پرتاب هاي تيري در تاريکي» حمايت کند بسيار کم است، دست کم تجربه هاي خود ما بيانگر چنين چيزي است.
بنابراين ناظران آينده به جاي آن که، به موجب ثابت کيهان شناختي، پيش بيني کنند عالم به انبساط ابدي خود ادامه مي دهد، به احتمال بسيار پيش بيني مي کنند که عالم در نهايت با رُمبِش بزرگ به پايان مي رسد. عالم محدود آن ها، به جاي آن که بي سر و صدا تمام شود، طي فرايندي پُر سر و صدا به پايان خود مي رسد.
برخي نتايج بسيار عجيب براي ما اجتناب ناپذير است. شايد در حقيقت پنجره اي که ناظران هوشمند بتوانند از وراي آن به ماهيت درست عالم در حال گسترش ما پي ببرند، بسيار کوچک باشد. شايد برخي تمدن ها از بايگاني هاي بسيار تاريخي حفاظت کنند، شايد هم خود همين مقاله اي که اکنون مي خوانيد در يکي از اين تمدن ها يافت شود- البته اگر از ميليون ها سال جنگ، انفجار اَبَرنواختري، سياه چاله و بي شمار خطرهاي ديگر جان سالم به در ببرند. البته اين که آن ها موضوع اين مقاله را بپذيرند يا نه خود بحث ديگري است. شايد تمدن هايي که به چنين بايگاني هايي دسترسي ندارند، تا ابد از وقوع انفجار بزرگ بي خبر بمانند.
چرا عالم کنوني ما تا اين حدّ خاص است؟ بسياري از پژوهشگران استدلال کرده اند که وجود حيات اثري گزينشي ايجاد مي کند که شايد همزماني اتفاقات در زمان حاضر را تفسير کند. ما از پژوهش هاي خود درس هاي بسياري مي آموزيم.
اول آن که به احتمال بسيار اين نخستين بار نيست که به علت انبساط شتاب دار، اطلاعاتي درباره ي عالم گم مي شود. اگر از ابتداي تشکيل عالم دوره اي از تورم رخ داده باشد، انبساط سريع طي اين دوره تقريباً همه ي جزييات درباره ي ماده و انرژي موجود در زمان پيش از آن را از عالم رصدپذير کنوني ما محو کرده است. در حقيقت يکي از انگيزه هاي اوليه براي ارائه ي مدل تورمي، اين بود که از شرّ اجرام کيهان شناختي مزاحمي مانند تک قطبي هاي مغناطيسي - که شايد زماني به وفور وجود داشته اند - خلاص شويم.
از اين مهم تر آن که بي شک بسيار خوش اقباليم که در زمانه اي زندگي مي کنيم که ستون هاي رصدي انفجار بزرگ هنوز مشاهده پذيرند، اما به سادگي ممکن است با اين حقيقت مواجه شويم که امروز برخي ديگر از جنبه هاي اصلي عالم مان مشاهده پذير نيستند. ما تا همين جا چه چيزهايي از دست داده ايم؟ به جاي آن که از خود راضي باشيم، بايد فروتني پيشه کنيم. شايد روزگاري متوجه شويم درک کنوني ما از عالم، که امروزه دقيق و کامل به نظر مي رسد، به راستي ناقص است.
صدسال پيش، اگر مقاله اي درباره ي تاريخ و ساختار بزرگ مقايس عالم در مجلات معتبر اخترشناسي به چاپ مي رسيد، حتماً سراسر اشتباه بود. دانشمندان در سال 1908 ميلادي گمان مي کردند کلّ عالم فقط کهکشان ماست. آن ها کهکشان ما را به صورت «عالمي جزيره اي» در نظر مي گرفتند، به بيان ديگر آن را خوشه اي از ستارگان مي دانستند که خلأيي بي نهايت آن را در بر گرفته است. اما اکنون مي دانيم که کهکشان ما تنها يک کهکشان در ميان 400 ميليارد کهکشان درعالم قابل ديدن است. در سال 1908، دانشمندان اتفاق نظر داشتند که عامل ايستا و ازلي و ابدي است. آغاز شدن عالم با انفجاري بزرگ و آتشين حتي به ذهنشان خطور نمي کرد. توليد عنصرها در نخستين لحظه هاي انفجار بزرگ و درون هسته ي ستارگان را هنوز نشناخته بودند. انبساط فضا و امکان انحناي آن در واکنش به حضور ماده را حتي در خواب نمي ديدند. براي درک اين حقيقت که همه جاي فضا غرق در تابش است (موضوعي که تصويري شبح گون از پس تاب سرد خلقت در اختيار ما گذاشت) مي بايست منتظر ابداع فناوريهاي نويني مي ماندند که نه براي اکتشاف ابديت، بلکه براي برقراري تماس تلفني با خانه عرضه شد.
دشوار بتوان حوزه اي از پژوهش هاي فکري را يافت که بيش از کيهان شناسي طي قرن گذشته دستخوش تغيير شده باشد و همين تغيير بود که نگرش ما را نسبت به عامل عوض کرد. اما آيا علم بايد در آينده هميشه دانش تجربي بيشتري نسبت به گذشته در اختيار ما بگذارد؟ طبق دستاوردهاي پژوهش هاي کنوني، پاسخ در مقياس هاي کيهاني منفي است. شايد ما در تنها دوره اي از تاريخ عالم زندگي مي کنيم که دانشمندان مي توانند به درک درستي از ماهيت واقعي عالم برسند.
کشف هيجان انگيزي در تقريباً يک دهه ي پيش، انگيزه ي پژوهش ما بود. دو گروه از اخترشناسان، انبساط عالم طي پنج ميليارد سال گذشته را بررسي کردند و دريافتند که گويا انبساط در حال شتاب گرفتن است. برخي فکر مي کنند شايد منشأ اين پادگرانش کيهاني شکل جديدي از «انرژي تاريک» مرتبط با فضاي خالي باشد. برخي از نظريه پردازان، از جمله يکي از نويسندگان همين مقاله (کراس)، واقعاً اين نتايج جديد را بر مبناي اندازه گيري هاي غير مستقيم پيش بيني کرده بودند اما در فيزيک فقط مشاهده هاي مستقيم ارزش دارند. شتاب گرفتن عالم بيانگر آن است که فضاي خالي تقريباً سه برابر ساختارهاي کيهاني، که امروزه مي بينيم يعني کهکشان ها، خوشه ها و اَبَر خوشه هاي کيهاني، انرژي دارد. در اصل آلبرت اينشتين نخستين کسي بود که فرض وجود انرژي از اين نوع را براي ايستا ماندن عالم مطرح کرد. وي اين انرژي را ثابت کيهان شناختي ناميد.
انرژي تاريک در آينده ي عالم تأثير بسيار مهمي دارد. کراس همراه با کيهان شناسان ديگر وابستگي سرنوشت حيات در عالم به ثابت کيهان شناختي را کشف کرد. اين وابستگي چشم انداز چندان خوبي ندارد. چنين عالمي به مکان بسيار نامساعد براي استقرار حيات تبديل مي شود. ثابت کيهان شناختي «افق رويداد» مشخصي دارد. افق رويداد، سطحي فرضي است که از وراي آن هيچ گونه ماده يا تابشي نمي تواند به ما برسد. از اين لحاظ عالم تا حدودي شبيه سياه چاله اي پشت و رو است که ماده و تابش به جاي درون افق رويداد بيرون از آن به دام افتاده اند. اين يافته به اين معناست که عالم قابل ديدن فقط شامل مقدار محدودي اطلاعات است و در نتيجه پردازش اطلاعات (و حيات) نمي تواند تا ابد پايدار بماند.
مدت ها پيش از اين که اين محدوديت اطلاعات به معضلي تبديل شود، تمام ماده ي در حال انبساط عالم به بيرون از افق رويداد کشيده مي شود. آبراهام لوب و کِنتارو ناگاماين، هر دو از دانشگاه هاروارد، اين فرايند را بررسي کردند و دريافتند که گروه محلي کهکشان ها (متشکل از راه شيري، آندرومدا و تعداد زيادي کهکشان کوتوله) بر خود فرو مي ريزد و تبديل به اَبَر خوشه ي بسيار بزرگي از ستاره ها مي شود. همه ي کهکشان هاي ديگر هم در نيستي وراي افق رويداد ناپديد مي شوند. اين فرايند حدود صد ميليارد سال طول مي کشد که شايد طولاني به نظر برسد، اما در مقايسه با عظمت ابديت نسبتاً کوتاه است.
فروپاشي ستون ها
نخستين ستون نظريه ي نسبيت عام اينشتين است. طي حدود 300 سال، نظريه ي گرانش نيوتون مبنايي براي کلّ اخترشناسي بود. نظريه ي نيوتون مي تواند حرکت اجرام در مقياس هاي گوناگون (از بسيار کوچک و زميني تا بسيار بزرگ و کهکشاني) را به طرز بسيار مناسبي پيش بيني کنند، اما براي پيش بيني رفتار مجموعه ي بي نهايت بزرگ ماده کاملاً ناتون است. نسبيت عام بر چنين محدوديت هايي چيره شده است. مدت کوتاهي پس از آن که اينشتين نظريه اش را در سال 1916 ميلادي عرضه کرد، ويلِم دوسيتِر فيزيک دان هلندي معادله هاي نسبيت عام را براي عالم ساده شده اي حل کرد که شامل ثابت کيهان شناختي بود. پژوهش هاي دوسيتر ديدگاه رايج آن زمان درباره ي عالم را موجب شد، يعني کهکشاني به شکل جزيره اي منفرد و جدا که خلأيي بزرگ و ايستا آن را در بر گرفته است.
کيهان شناسان خيلي زود دريافتند که ايستا بودن، درک نادرستي از کيهان است. در حقيقت عالم دوسيتر تا ابد گسترش مي يابد. همان گونه که ژرژ لومتر، فيزيک دان بلژيکي بعدها نشان داد، معادله هاي اينشتين پيش بيني مي کنند که عالمِ نامتناهي، هَمگن و ايستا ناممکن است. عالم بايد يا منبسط شود يا منقبض. با درک اين موضوع، نظريه اي متولد شد که بعدها انفجار بزرگ يا مهبانگ نام گرفت.
دومين ستون در دهه ي 1920/1300 بنا شد؛ زماني که اخترشناسان انبساط عالم را آشکار کردند. نخستين کسي که شواهد رصدي براي گسترش عالم عرضه کرد، اخترشناس آمريکايي وِستو اسليفِر بود. اسليفر از طيف ستارگان براي اندازه گيري سرعت کهکشان هاي نزديک استفاده مي کرد. امواج نور ستاره اي که به سمت زمين حرکت مي کند فشرده تر و در نتيجه طول موجش کوتاه تر و رنگش آبي تر مي شود. امواج نور جرمي که از ما دور مي شد کشيده تر و در نتيجه طول موجش بلندتر و رنگش قرمزتر مي شود. اسليفر مي توانست با اندازه گيري فشردگي يا کشيدگي امواج نور گسيل شده از کهکشان هاي دوردست تعيين کند که اين کهکشان ها به سوي ما مي آيند يا از ما دور مي شوند و سرعت آن ها چقدر است (در آن زمان اخترشناسان حتي مطمئن نبودند لکه هاي مبهم نور، که ما آن ها را «کهکشان» مي ناميم، واقعاً مجموعه ي مستقلي از ستارگان اند يا فقط ابرهايي از گازند که درون کهکشان ما قرار دارند). اسليفر دريافت که تقريباً همه ي اين کهکشان ها از ما دور مي شوند. به نظر مي رسيد که ما در مرکز اين گسترش فراگير قرار داريم.
اما کسي که اعتبار کشف انبساط عالم را از آن خود کرد، نه اسليفر که اخترشناسي آمريکايي به نام ادوين هابل بود (آيا تاکنون چيزي درباره ي تلسکوپ فضايي اسليفر خوانده يا شنيده ايد؟!). هابل افزون بر سرعت، فاصله ي کهکشان هاي نزديک را نيز اندازه گرفت. اندازه گيري هاي او دو نتيجه ي مهم در برداشت که موجب شهرت وي شد. نخست آن که هابل نشان داد کهکشان ها چنان دورند که هر کدام از آن ها را واقعاً مي توان مجموعه اي مستقل دانست، درست مانند کهکشان خود ما. دوم آن که رابطه ي سده اي بين فاصله ي کهکشان ها و سرعت حرکت آن ها کشف کرد. سرعت کهکشان ها با فاصله شان از ما نسبت مستقيم دارد، به بيان ديگر اگر فاصله ي کهکشان ديگر باشد، سرعت دور شدنش از ما هم دو برابر سرعت دور شدن کهکشان ديگر است. اين ارتباط بين سرعت و فاصله دقيقاً همان چيزي است که در پديده ي انبساط عالم روي مي دهد. از آن زمان تاکنون اندازه گيري هاي هابل تصحيح شده اند، به ويژه در سال هاي اخير با رصد اَبَرنواخترهاي دوردست که به کشف انرژي تاريک منجر شده است.
ستون سوم، تابش ضعيف ريز موج زمينه ي کيهان است. اين پديده را آرنو پنزياس و رابرت ويلسون فيزيک دانان آزمايشگاه بِل در سال 1965/1344 با خوش اقبالي و به هنگام رديابي منشأ تداخل هاي راديويي کشف کردند. خيلي زود معلوم شد که اين تابش اثرات باقي مانده از مراحل نخستين انبساط عالم است. اين دستاورد نشان مي دهد که عالم با وضعيتي داغ و چگال آغاز شد و از آن پس سرد و رقيق شد.
آخرين ستون رصدي براي اثبات انفجار بزرگ آن است که عالم نخستين داغ و چگال، مکان مناسبي براي همجوشي هسته اي بوده است. زماني که دماي عالم بين يک تا ده ميليارد درجه ي کلوين بود، هسته هاي سبک تر با انجام فرايند همجوشي به هسته هاي سنگين تر تبديل مي شدند. اين فرايند را با نام هسته سازي انفجار بزرگ مي شناسيم. فقط چند دقيقه فرصت بود که چنين فرايندي انجام شود چرا که پس از آن عالم منبسط و سرد شد، بنابراين فرايند همجوشي فقط منحصر به سبک ترين عنصرها بود. بيشتر هليوم عالم نيز درست مانند دوتريوم يا هيدروژن سنگين در آن هنگام توليد شد. اندازه گيري فراواني هليوم و دوتريوم با نتيجه ي پيش بيني هاي حاصل از فرايند هسته سازي انفجار بزرگ همخواني دارد و همانند تخمين هاي درست فراواني پروتون و نوترون در عالم، شاهد ديگري براي اين نظريه فراهم مي آورد.
آسمان تاريک
ناپديد شدن کهکشان هاي دوردست يک باره اتفاق نمي افتد، بلکه تدريجي است. هنگامي که اين کهکشان ها به افق رويداد نزديک مي شوند، انتقال به سرخ آن ها نيز بسيار زياد مي شود. بر اساس محاسبات کراوس واستارکمَن، پس از صد ميليارد سال انتقال به سرخ به همه ي کهکشان ها از 5000 هم بيشتر مي شود و تا ده هزار ميليارد سال ديگر مقدار انتقال به سرخ به 10 (به توان 53) (عددي که حتي تصورش بسيار دشوار است) مي رسد. در آن هنگام انتقال به سرخِ حتي پُر انرژي ترين پرتوهاي کيهاني چنان بزرگ مي شود که طول موج آن ها بزرگ تر از اندازه ي افق رويداد خواهد شد. در آن هنگام اين اجسام به راستي از ديد ما ناپيدا مي شوند.
در نتيجه تجربه ي درک پديده ي انبساط عالم، يعني کشف بسيار مهم هابل، تکرار نشدني مي شود. همه ي ماده ي در حال انبساط عالم به وراي افق رويداد مي رود و از نظر ناپديد مي شود و همه ي آن چه باقي مي ماند، بخشي از خوشه ي ستاره اي مي شود که به سبب نيروي گرانش گرد هم جمع شده است. براي اين اخترشناسان آينده، عالم قابل ديدن بسيار شبيه «عالم جزيره اي» سال 1908 است: يعني مجموعه ي بسيار بزرگي از ستاره هاي ابدي و پايدار که فضاي خالي آن را در برگرفته است.
تجربه هاي خود ما نشان مي دهند حتي زماني که داده هايي در اختيار داريم، مدل صحيح کيهان شناسي چندان هم آشکار و واضح نيست. مثلاً از دهه ي 1940/1320 تا ميانه ي دهه ي 1960/1340، که بناي کيهان شناسي رصدي فقط بر کشف هابل درباره ي انبساط عالم استوار بود، برخي اختر فيزيک دانان درصدد احياي فکر عالم ابدي بودند و ايده ي عالم پايا را مطرح کردند. در اين عالم، همگام با انبساط عالم ماده ي جديد توليد مي شود، به طوري که با گذشت زمان کل عالم تغيير نمي کند. بعدها ثابت شد که اين ايده به بن بست علمي ختم مي شود، اما در عين حال نشان دهنده ي آن نوع مفاهيم اشتباهي بود که ممکن است در غياب داده هاي رصدي کافي سر برآورند.
اخترشناسان آينده در چه جاهاي ديگري مي توانند شواهدي از انفجار بزرگ را جست و جو کنند؟ آيا تابش پس زمينه ي ريز موج کيهان امکان پژوهش درباره ي ديناميک عالم را فراهم مي کند؟ متأسفانه خير. همچنان که عالم گسترش مي يابد، طول موج تابش پس زمينه کشيده تر و تابش پراکنده تر مي شود. هنگامي که عالم به صد ميليارد سالگي مي رسد، طول موج تابش پس زمينه به حدّ متر هم مي رسد و به جاي آن که ريز موج باشد، شبيه امواج راديويي مي شود. با ضريب يک هزار ميليون از شدت تابش کاسته مي شود و شايد هيچ گاه ديگر نتوان اين امواج را آشکار کرد.
در آينده هاي پس از آن، تابش پس زمينه ي کيهان به راستي غير قابل مشاهده مي شود. فضاي ميان ستاره اي در کهکشان ما شامل گاز يونيزه شده اي پُر از الکترون است. امواج راديويي کم بسامد نمي توانند در چنين گازي نفوذ کنند. اين امواج يا جذب يا بازتابيده مي شوند. به علت مشابهي مي توان دريافت چرا امواج ايستگاه هاي راديوييAM را در شب مي توان در شهرهايي بسيار دور از شهرِفرستنده ي اين امواج دريافت کرد. امواج راديويي از يون کره بازتاب مي شوند و به سمت زمين بر مي گردند. فضاي ميان ستاره اي را مي توان به صورت يون کره ي بسيار بزرگي در نظر گرفت که کهکشان ما را پُر کرده است. هر موج راديويي با بسامد کمتر از يک کيلوهرتز (طول موج هاي بلندتر از 300 کيلومتر) نمي تواند به درون کهکشان ما نفوذ کند. اخترشناسي راديويي زير يک کيلوهرتز همواره در کهکشان ما ناممکن است. هنگامي که سنّ کهکشان ما دو برابر سنّ کنوني آن شود، تابش پس زمينه ي ريز موج کشيده مي شود و طول موج آن از اين هم بيشتر و در نتيجه براي ساکنان آن زمان کهکشان ما تشخيص ناپذير مي شود. حتي پيش از آن، طرح هاي ظريف موجود در اين تابش پس زمينه، که چنين اطلاعات مفيد و فراواني براي کيهان شناسان امروزي فراهم کرده است، چنان محو مي شود که بررسي آن ناممکن خواهد بود.
فراموشي کيهاني
تورم کيهاني
سياه چاله ها
اندازه گيري هاي کوانتومي
از ميان رفتن نشانه ها
اکنون فراواني دوتريوم بهترين ابزار براي پژوهش درباره ي هسته سازي انفجار بزرگ محسوب مي شود. بهترين اندازه گيري هاي ما از فراواني دوتريوم اوليه بر اساس رصد ابرهاي هيدروژن روشن شده از نور اختروش ها به دست آمده است. اختروش ها «نورافکن هاي» بسيار دوردست و نوراني اند که گمان مي رود انرژي آن ها را سياهچاله ها فراهم مي کنند. اما در آينده هاي دور عالم، هم ابرهاي هيدروژن و هم اختروش ها به وراي افق رويداد مي روند و تا ابد از ديد ما پنهان مي شوند. شايد فقط بتوان دوتريوم کهکشاني را مشاهده کرد. اما ستارگان، دوتريوم را نابود مي کنند و فقط مقدار کمي باقي مي ماند. حتي اگر اخترشناسان آينده دوتريوم را مشاهده کنند، به احتمال بسيار آن را به انفجار بزرگ نسبت نمي دهند. شايد در آن زمان هم پذيرفتن اين نکته که واکنش هاي هسته اي شامل پرتوهاي پُر انرژي کيهاني، منشأ اين دوتريوم ها هستند موجه تر باشد چرا که امروزه هم دانشمندان آن ها را دست کم منشأ بخشي از دوتريوم مشاهده شده در عالم مي دانند.
هر چند فراواني رصدي عنصرهاي سبک، هيچ شاهد مستقيمي براي وقوع انفجار بزرگي آتشين ارائه نخواهد کرد، اما يکي از تفاوت هاي کيهان شناسي آينده با کيهان شناسي موهوم يک قرن پيش خواهد بود. اخترشناسان و فيزيک داناني که به درکي از فيزيک هسته اي دست يابند، به درستي نتيجه مي گيرند که ستارگان سوخت هسته اي مي سوزانند. اگر آن ها (به اشتباه) نتيجه بگيرند تمام هليومي که مشاهده مي کنند در نسل هاي پيشين ستاره ها توليد شده است، مي توانند حدّ بالايي براي سنّ عالم معين کنند. بنابراين آن ها به درستي در مي يابند که عالم کهکشاني آنان ابدي نيست، بلکه سنّي متناهي دارد. با اين همه منشأ ماده اي که مي بينند در هاله اي از اسرار پنهان مي ماند.
تکليف ايده اي که اين مقاله را با آن شروع کرديم - يعني اين که نظريه ي نسبيت اينشتين، عالمِ در حال گسترش و در نتيجه انفجار بزرگ را پيش بيني مي کند - چه مي شود؟ ساکنان آينده هاي دور عالم مي توانند با اندازه گيري هاي دقيق گرانش در منظومه ي خورشيدي خود نظريه ي نسبيت عام را دوباره کشف کنند. بهره بردن از اين نظريه براي پي بردن به انفجار بزرگ، به رصدهايي درباره ي ساختارهاي بزرگ مقياس عالم بستگي دارد. فقط در صورتي که عالم همگن باشد نظريه اينشتين، عالم در حال انبساط را پيش بيني مي کند. عالمي که نوادگان ما درباره ي آن پژوهش مي کنند شبيه هر چيزي است به جز عالمي همگن. اين عالم جزيره اي از ستارگان است که خلايي پهناور آن را فرا گرفته است. در حقيقت، اين عالم شبيه عالم جزيره اي دوسيتر است. سرنوشت نهايي عالم رصدپذير اين است که بِرُمبَد و به سياه چاله تبديل شود؛ يعني در حقيقت دقيقاً همان چيزي که در آينده اي دور براي کهکشان ما رخ مي دهد.
گم کردن سرنخ عنصرهاي شيمايي
تنها در خلأ
ناظران بلند پرواز آينده ممکن است کاوشگرهايي بفرستند که از مرزهاي اَبَر کهکشان بگذرد و همانند نقطه هاي مرجع براي آشکارسازي انبساط کيهان عمل کند. احتمال اين که آن ها چنين کاري انجام دهند بسيار کم است، اما حتي در صورت انجام دادن چنين کاري دست کم ميلياردها سال طول مي کشد تا کاوشگر به نقطه اي برسد که انبساط، تأثيري چشمگير بر سرعت آن بگذارد. افزون بر اين، براي آن که کاوشگر بتواند از چنين فاصله ي دوري با سازندگان خود ارتباط برقرار کند، به منبع انرژي اي مانند ستارگان نياز دارد. احتمال اين که سازمان هاي حامي علم در آينده از اين گونه «پرتاب هاي تيري در تاريکي» حمايت کند بسيار کم است، دست کم تجربه هاي خود ما بيانگر چنين چيزي است.
بنابراين ناظران آينده به جاي آن که، به موجب ثابت کيهان شناختي، پيش بيني کنند عالم به انبساط ابدي خود ادامه مي دهد، به احتمال بسيار پيش بيني مي کنند که عالم در نهايت با رُمبِش بزرگ به پايان مي رسد. عالم محدود آن ها، به جاي آن که بي سر و صدا تمام شود، طي فرايندي پُر سر و صدا به پايان خود مي رسد.
برخي نتايج بسيار عجيب براي ما اجتناب ناپذير است. شايد در حقيقت پنجره اي که ناظران هوشمند بتوانند از وراي آن به ماهيت درست عالم در حال گسترش ما پي ببرند، بسيار کوچک باشد. شايد برخي تمدن ها از بايگاني هاي بسيار تاريخي حفاظت کنند، شايد هم خود همين مقاله اي که اکنون مي خوانيد در يکي از اين تمدن ها يافت شود- البته اگر از ميليون ها سال جنگ، انفجار اَبَرنواختري، سياه چاله و بي شمار خطرهاي ديگر جان سالم به در ببرند. البته اين که آن ها موضوع اين مقاله را بپذيرند يا نه خود بحث ديگري است. شايد تمدن هايي که به چنين بايگاني هايي دسترسي ندارند، تا ابد از وقوع انفجار بزرگ بي خبر بمانند.
چرا عالم کنوني ما تا اين حدّ خاص است؟ بسياري از پژوهشگران استدلال کرده اند که وجود حيات اثري گزينشي ايجاد مي کند که شايد همزماني اتفاقات در زمان حاضر را تفسير کند. ما از پژوهش هاي خود درس هاي بسياري مي آموزيم.
اول آن که به احتمال بسيار اين نخستين بار نيست که به علت انبساط شتاب دار، اطلاعاتي درباره ي عالم گم مي شود. اگر از ابتداي تشکيل عالم دوره اي از تورم رخ داده باشد، انبساط سريع طي اين دوره تقريباً همه ي جزييات درباره ي ماده و انرژي موجود در زمان پيش از آن را از عالم رصدپذير کنوني ما محو کرده است. در حقيقت يکي از انگيزه هاي اوليه براي ارائه ي مدل تورمي، اين بود که از شرّ اجرام کيهان شناختي مزاحمي مانند تک قطبي هاي مغناطيسي - که شايد زماني به وفور وجود داشته اند - خلاص شويم.
از اين مهم تر آن که بي شک بسيار خوش اقباليم که در زمانه اي زندگي مي کنيم که ستون هاي رصدي انفجار بزرگ هنوز مشاهده پذيرند، اما به سادگي ممکن است با اين حقيقت مواجه شويم که امروز برخي ديگر از جنبه هاي اصلي عالم مان مشاهده پذير نيستند. ما تا همين جا چه چيزهايي از دست داده ايم؟ به جاي آن که از خود راضي باشيم، بايد فروتني پيشه کنيم. شايد روزگاري متوجه شويم درک کنوني ما از عالم، که امروزه دقيق و کامل به نظر مي رسد، به راستي ناقص است.
