انرژي تاريک : معماي قرن !

راز سر به مهري که ذهن دانشمندان را مشغول نگه داشته است، چيست. آيا اين معما روز به روز ساده تر مي شود يا پيچيده تر ؟
ماده و کيهان همواره در نظر مردم ارتباط تنگاتنگي داشته اند. ماده کما بيش به عالم خرد، اتم ها، و ذرات زير اتمي مرتبط است و کيهان همان عالم کلان است. قرن بيستم شاهد دو انقلاب علمي مرتبط با عالم خرد، عالم ذرات بنيادي، و با عالم کلان، يعني کيهان و ساختارهاي کيهاني بود : انقلاب فيزيک نسبيتي و انقلاب فيزيک کوانتومي. فيزيک به معناي عام آن، که به هر دو مقوله مي پردازد، در قرن بيستم تحولات عمده اي را پشت سر گذاشت. اما در دو سه دهه ي آخر اين قرن هم از تحولات نظري از همين دست بي نصيب نماند. پيدايش دو نظريه ي موفق مرتبط با عالم خرد و عالم کلان، مرتبط با فيزيک ذرات بنيادي و کيهان شناسي، شايد مهم ترين اين تحولات نظري در 25 سال آخر قرن بيستم بود. مدل استاندارد ذرات بنيادي کما بيش همه ي پديده هاي فيزيک ابعاد کوچک را شامل مي شد. هم چنين مدل استاندارد کيهان شناسي، مدل مهبانگ، تحول عالم را از ابتداي آفرينش تاکنون يعني در حدود 14 ميليارد سال با جزئيات توضيح مي داد. اين دو مدل گرچه به گستره ي ابعاد بسيار کوچک و ابعاد بسيار بزرگ وابسته بودند، در نهايت وابستگي تنگاتنگي داشتند.از يک سو درک تحول ستاره ها به درک واکنش هاي هسته اي و نيز خصوصيت ذرات بنيادي وابسته بود؛ از سوي ديگر بر مبناي مدل مهبانگ، عالم در ابتدا بسيار چگال تر و گرم تر بوده است به گونه اي که درک آن شرايط به درک خصوصيت هاي ذرات بنيادي و انرژي هاي زياد وابسته است. پس درک ابتداي آفرينش بدون درک فيزيک انرژي هاي زياد و ذرات بنيادي ممکن نيست. در واقع پرسش هاي اساسي کيهان شناسي و فيزيک ذرات بنيادي نيز هستند :
1.منشأ زمان، فضا و عالم چيست؟
2.منشأ ماده ي باريوني، ماده ي تاريک و انرژي تاريک چيست ؟
3.آيا مفهوم کوانتوم بر گرانش تعميم پذير است ؟
4.آيا فضا – زمان چهار بعد دارد ؟
اين چهار پرسش درهم تنيده اند. بعضي از ديدگاه کيهان شناسي و بعضي از ديدگاه فيزيک ذرات به آن ها نگاه مي کنند. اما پرسش اساسي کيهان شناسي که همه ي ذهن ها را مشغول کرده است و به نظر مي رسد حل آن انقلابي ديگر در علوم به راه خواهد انداخت؛ مسئله ي انرژي تاريک است. اين انرژي در ميان پرسش هاي مربوط به ماده بيش از هر چيز ذهن کيهان شناسان را درگير کرده است و براي درک آن بيشترين هزينه مي شود.

ماده ي باريوني و ماده ي تاريک
 

مفهوم متعارف ماده در نتيجه ي کشف هاي نجومي در چند دهه ي اخير تغيير کرده است، دقيق تر بگوييم، ظريف تر شده است. ماده گرانش دارد و ساختارمند است. يعني همواره کلوخه اي مي شود و ساختارهايي مانند خوشه هاي کهکشاني، کهکشان ها، ستاره ها و منظومه هاي ستاره اي مانند منظومه ي شمسي خودمان را، به وجود مي آورد. اين ساختارها مشاهده شده اند. از سوي ديگر رصد ستاره ها داخل کهکشان و کهکشان هاي داخل خوشه ها نشان داده شده است که مجموع جرم ساختارها که رصد مي شود کم تر از آن است که بتواند ديناميک حرکت اين ساختارها را توجيه کند. ماده اي که ما مستقيما مي بينيم از نوع باريون ها است، يعني از پروتون و نوترون تشکيل شده است. اين ماده ي باريوني فقط چهار درصد ماده ي لازم براي توجيه ديناميک عالم را تشکيل مي دهد. پس 96درصد آن «ديده» نمي شود. تا حدود بيست سال پيش اين ماده ي ديده نشدني را «ماده ي ناپيدا»مي ناميدند که البته نام دقيقي نبود. علت نادقيق بودن وسعت معني واژه هاي «ديدن» «پيدا بودن» در علم است. آن چه ما رصد مي کنيم يا آشکار سازها و تلسکوپ هاي ما پس از پردازش داده ها نشان مي دهند امروزه نوعي «ديدن» تلقي مي شود. پس اطلاق واژه ي «ماده ي ناپيدا» يا ديده نشدني در علوم طبيعي امروز دقيق نيست. اين گونه بود که واژه ي «ماده ي تاريک» به جاي «ماده ي ناپيدا» رايج شد. تا 12 سال پيش تصور اين بود که همه ي 96درصد ماده ي عالم که ديده نمي شود نوعي ماده ي متعارف است که چگالي و فشار مثبت دارد اما «تاريک» است. پيش از اينکه رصدهاي جديد شکي در ماهيت اين 96درصد ماده ايجاد کنند در شبيه سازي هاي مرتبط با تشکيل ساختارناسازگاري هايي با داده هاي رصدي مشاهده شده بود. سرانجام کشف شتاب در انبساط عالم مفهوم جديد انرژي تاريک را به وجود آورد.

انرژي تاريک و شتاب عالم
 

فاصله اي که ساختارها، کهکشان ها، از ما دارند همواره نقش پراهميتي در شناخت عالم داشته است. در مبحث فاصله ي ساختارها مفهوم شمع استاندارد اساسي است. همين که ما از فواصل ستاره اي داخل کهکشان خودمان دور شديم ديگر روش اختلاف منظر براي اندازه گيري فاصله کارايي اش را از دست مي دهد. بايد «شمع استاندارد» پيدا کنيم يعني ساختارهايي پيدا کنيم که روشني مطلق آن ها را مي شناسيم و از روشنايي ظاهري آن ها مي توانيم فاصله ي آن ها را دريابيم. زماني ستاره هاي قيفاووسي شمع استاندارد بودند. اما براي فواصل کيهاني اين ستاره ها به کار نمي آيند کوچک اند و کم سو ! بايد به سراغ ساختارهايي پرنور تر رفت. ابر نواخترها با درخشاني ميليون ها برابر يک ستاره مي توانستند چنين نقشي به عهده بگيرند. ابر نواخترهاي نوع Ia از اين گونه اند. هر جا چنين ابرنواختري مشاهده شود مي توان فاصله ي آن را از درخشندگي ظاهري اش به دست آورد. از سوي ديگر از روي خطوط طيفي تفکيک ناپذير اين ابرنواخترها مي توان اندازه ي انتقال به سرخ خطوط طيفي آن ها را هم به دست آورد. از مدل هاي نسبيت عامي براي عالم مي دانيم چه رابطه اي ميان اين انتقال به سرخ و فاصله هست. پس از دو روش فاصله به دست مي آيد : يکي مستقيم با استفاده از شمع استاندارد، ديگري از روي مدل عالم مبتني بر خواص گرانش ماده. دو گروه کيهان شناسان با رصد طولاني حدود 180 ابرنواختر در فاصله هاي گوناگون به اين نتيجه رسيدند که فاصله اي کيهاني رصد شده بيش از آن چيزي است که با فرض وجود ماده ي معمولي در عالم از روي مدل هايي کيهاني به دست مي آيد؛ يعني انبساط عالم شتاب يافته است و فاصله ها بيشتر از آن است که بايد باشد.
زماني اينشتين براي اين که مدلي ايستا، نه در حال انبساط، براي عالم پيدا کند جمله اي به معادله هاي نسبيت عام خود اضافه کرد که ثابت کيهان شناختي نام گرفت. پس از اين که انبساط عالم را ادوين هابل و همکارانش کشف کردند، انبساط کلي کيهان شناسان و نسبيت دانان اين بود که اين جمله اضافي است و بايد آن را کنار گذاشت. رشد فيزيک کوانتومي و سپس نظريه ي ميدان ها و سرانجام پذيرش مدل استاندارد و ذرات بنيادي در اواخر دهه ي 1970/ 1350 اين جمله را دوباره زنده کرد : انرژي خلأ ! خلأ، بنا بر تعريف نوين آن در فيزيک ذرات، حالت کم ترين انرژي است. خلأ متعارف را با خلأ در فيزيک اشتباه نگيريد. براي هر نوع انرژي هم مي توان خواص مادي در نظر گرفت. خلأ ميدان شبيه به نوعي ماده، دقيق تر اشاره ي ايده آل، رفتار مي کند که انرژي مثبت اما فشاري برابر با منفي اين انرژي دارد.
پيستوني در نظر بگيريد که داخل آن ماده اي از جنس اين خلأ وجود داشته باشد. تصور معمول اين است که وقتي پيستون منبسط شود بايد روي آن کار را انجام داد، درست بر عکس ماده ي معمولي ! پس لابد انرژي تاريک همان خلأ ميدان است؛ اما نه ! هنوز مسئله حل نشده است. تمام شواهد نجومي حاکي از آن است که نوعي خلأ مي تواند جواب گوي انرژي تاريک و بقيه ي پرسش هاي کيهان شناسي مرتبط با آن باشد البته در صورتي که چگالي مادي اين انرژي خلأ بتواند تقريبا 70 درصد چگالي مادي لازم براي ديناميک عالم را تأمين کند. اما چگالي انرژي تاريک بسيار کم تر از آن مقداري است که فيزيک ذرات پيش بيني مي کند؛ اختلاف آن قدر نيست که بتوان آن را در چارچوب تقريب هاي فيزيک درک کرد : 120 مرتبه بزرگي؛ يعني چگالي خلأ ميدان در فيزيک ذرات 10 به توان 120 برابر چگالي انرژي تاريک است. پس معما هننوز باقي است ! اين، اگر نه بزرگ ترين، که يکي از بزرگترين چالش هاي علوم فيزيکي دوران معاصر ماست. پاسخ آن، هر چه باشد، تحولي عميق در علوم فيزيکي ايجاد خواهد کرد. ما چه نقشي در ايجاد اين تحول خواهيم داشت؟
توضيح شکل
بازمانده ي ابر نواختر ذات الکرسي - A، که از دسته ي ابر نواختر هاي نوع la است.
- آن چه ما از عالم مي بينيم ، ماده ي مرئي ، فقط 3 درصد از کل عالم را تشکيل داده است . 96 درصد بقيه از انرژي تاريک و ماده ي تاريک تشکيل شده است.
برگرفته از مجله نجوم شماره 213