عالم تخت
آيا عالم واقعا تخت است؟
تاثير‌گذاري انرژي تاريك روي شكل عالم، سرنوشت كيهان را نامعين كرده است
پدرو فريرا
ما در دوران ويژه‌اي زندگي مي‌كنيم. از دو دهه پيش تاكنون، من به همراه تعداد زيادي از دانشجويانم در اين خيال بوديم كه مي‌توان همه چيز را راجع به عالم فهميد. مي‌توان به مقدار ماده و انرژي در عالم پي برد. باور ما اين بود كه عالم تخت است. مي‌توان رد پاي تاريخ را تنها پس از گذشتن چند لحظه از وقوع انفجار بزرگ پيدا كرد و حتي مي‌توان به سرنوشت عالم پي برد. يا حداقل فكر مي‌كرديم كه بتوانيم.
اما چرا اين‌قدر مطمئن بوديم؟
نتايج آزمايش‌هاي دقيق روي اندازه‌گيري پرتوهايي كه از زمان انفجار بزرگ باقي مانده بود، ما را واداشت تا باور كنيم كه مي‌توانيم معماي خميدگي عالم را حل كنيم. ما در عمل، مقدار انرژي كلي را كه عالم مي‌تواند داشته باشد محاسبه كرديم، كه بخش زيادي از آن انرژي تاريك بود و همان باعث انبساط عالم است.
در هر حال، نتايج تحقيقاتي كه اخيرا انجام شده‌اند نشان داده است كه اين ادعا نادرست است. هرچه بيشتر در مورد انرژي تاريك و تاثيرش روي فضا-زمان مي‌فهميم، متوجه مي‌شويم كه انرژي تاريك و شكل -و هندسه– عالم به طرز نگران‌كننده‌اي در هم پيچيده‌اند.
با تغيير دادن ادعاهايمان در مورد انرژي تاريك، مي‌توانيم خواسته‌هاي خود را روي شكل عالم اجرا كنيم.
در واقع، بدون افزايش دادن ضريب دقت در محاسبه كردن هندسه عالم ناممكن است كه بتوانيم به ماهيت و سير تكامل انرژي تاريك پي‌ببريم. البته تا حدي تصور ما از عالم بهتر شده است. تغيير تصور ما نسبت به عالم، تاثير عميقي بر چگونگي انجام تحقيقات روي كيهان گذاشته است. درهمين راستا، ماموريت‌هايي به منظور شناسايي دقيق‌تر انرژي تاريك در حال برنامه‌ريزي هستند؛ اما احتمال بي‌نتيجه ماندن تحقيقات هم وجود دارد، حتي با بالا بردن دقت محاسبات در هندسه فضا.
اينشتين مي‌گفت چيزي كه ما به آن "گرانش" مي‌گوييم، در واقع هندسه خاصي در فضا-زمان است. نسبيت عام اينشتين توضيح مي‌دهد كه چگونه فضا-زمان بر اثر اجرام موجود در آن در هم مي‌پيچد. در كل، تمام اجرام موجود در عالم ميان گره‌هاي فضا-زمان به دام افتاده‌اند. اگر نظريه اينشتين در مورد فضا-زمان را بپذيريم، به اين نتيجه مي‌رسيم كه عالم ما در حال انقباض است.
هندسه عالم مي‌تواند يكي از سه شكل تخت، خميدة مثبت يا خميدة منفي را داشته باشد؛ كه هر شكل بستگي به كل جرم و انرژي در واحد حجم دارد. اگر در عالم ميزان جرم و انرژي بسيار زياد باشد، در اين‌صورت خميدگي عالم مثبت خواهد بود، شبيه به يك توپ گرد كه مي‌تواند به صورت انفجاري مهيب از بين برود.
اگر ميزان جرم و انرژي خيلي كم باشد، خميدگي عالم منفي خواهد بود؛ مثل زين يك اسب كه بر اثر گرانش نابود خواهد شد.
تنها در صورتي كه عالم چگالي صحيح را داشته باشد (تعداد اندكي پروتون در هر متر مكعب)، مي‌تواند بدون خميدگي و در نتيجه، "تخت" باشد. چنين عالمي مي‌تواند تا بي‌نهايت منبسط شود.
يكي از اهداف بزرگ علم كيهان‌شناسي، پي‌بردن به نوع خميدگي عالم است؛ به اين علت كه دانستن آن، به فهم سير تدريجي تحول عالم كمك مي‌كند. تا پيش از سال 1990 ميلادي، همه بر اين باور بودند كه عالم تخت است و اين نتيجه‌گيري بر اساس اطلاعات نه چندان دقيق آن زمان بود. حتي در همايش‌‌هاي علمي هم سخني از خميدگي به ميان نمي‌آمد. موضوع همايش‌ها دو چيز بود: عالم تخت با ماده تاريك، عالم تخت با انرژي تاريك. پس از گذشت چند سال، اندك افرادي به فكر خميدگي منفي افتادند. اما تاكنون بحث‌هاي استوار و دقيقي درباره مثبت بودن خميدگي عالم نشده است.
باورها در مورد تخت بودن عالم در سال 1960 تغيير كرد. در اين سال دانشمندي به نام "ياكو زلدوويچ" اهل شوروي سابق، به همراه گروهي از دانشمندان، با ارائه مقاله‌اي نشان داد كه نقشه‌اي دقيق و همچنين صحيح از تابش زمينه ريزموج كيهاني مي‌تواند تركيب ويژه‌اي داشته باشد، اين نقشه بايد شامل نقاط داغ و سردي باشد كه به طور نامنظم توزيع شده‌اند.
گروه زلدوويچ اندازه لكه‌ها را در 370هزار سالگي عالم محاسبه كرد، يعني زماني كه 370هزار سال از وقوع انفجار بزرگ (مه‌بانگ) گذشته بود. اين زمان، دوره‌اي در تاريخ كيهان‌شناسي است كه به آن دوره جفت‌گيري يا هماوندي گفته مي‌شود. اندازه اين لكه‌ها ارتباط مستقيم با سرعت انبساط يا انقباض عالم دارد. با در نظر گرفتن يك فرض معقول از آن‌چه كه عالم، از آن تشكيل شده است، مي‌توان با تقريب خوبي فاصله تا اين لكه‌ها را محاسبه كرد. با داشتن فاصله و تخت فرض كردن عالم، مي‌توان با استفاده از مثلثات، اندازه زاويه‌اي اين لكه‌ها را در آسمان محاسبه كرد.
گفتيم با فرض اين‌كه عالم تخت باشد؛ حال اگر فرض خود را تغيير دهيم و به عالم خميدگي بدهيم، بايد از روابط و فرمول‌هاي ديگري استفاده كرد. اندازه تقريبي اين لكه‌ها در آسمان بايد حدود 1 درجه باشد (ماه كامل در آسمان نيم درجه قوسي است).
حال اگر اندازه واقعي لكه‌ها از اندازه‌اي كه در محاسبات به‌دست آمده بزرگ‌تر بود، عالم خميدگي مثبت دارد و اگر از اندازه محاسبه شده كوچك‌تر بود، خميدگي عالم منفي است.
در سال 1992 ماهواره COBE ناسا براي نخستين بار يك نقشه از تمام لكه‌هاي داغ و سرد آسمان تهيه كرد. اما تصاوير اين ماهواره بيش از حد تيره و تار بود و نمي‌شد بر اساس آنها به هندسه عالم پي برد. با اين حال، گروه نااميد نشد و به تحقيقاتش ادامه داد، به اين اميد كه اندازه زاويه‌اي لكه‌ها همان 1 درجه باشد.
در سال 1995 در دانشگاه كاليفرنيا گروهي از كيهان‌شناسان روي تابش زمينه ريزموج كيهاني تحقيق مي‌كردند. اين گروه، دو بالن به نام‌هاي "ماكسيما" و "بومرنگ" داشتند كه وظيفه اين دو، دريافت و ثبت اين تابش بود.
هر دو بالن مجهز به تجهيزاتي با حساسيت بسيار بالا بود و تا پيش از آن از چنين تجهيزات پيشرفته‌اي استفاده نشده بود. هركدام از آنها به تلسكوپي مجهز شده بود كه آنها هم از تلسكوپ ماهواره COBE قوي‌تر بودند. اين دو قابليت، يعني قدرتمند بودن در يافتن تابش زمينه و توانايي بالاي تلسكوپ‌ها، به ترسيم نقشه‌اي دقيق‌تر از اين تابش كمك كرد.
در آزمايشMAT/TOCO كه در سال دو هزار ميلادي انجام شد، همچنان آثار لكه‌هاي سال 1997 به چشم مي‌خورد و در تصاوير اين آزمايش هم اندازه لكه‌ها همان 1 درجه قوس بود. با مقايسه اين دو آزمايش، نتيجه‌اي كه دانشمندان گرفتند اين بود كه ما در دنيايي تخت زندگي مي‌كنيم.
نتايج دو آزمايش WMAPو MAT/TOCO شك و ترديد در مورد هندسه عالم را تا حد زيادي كاهش داد. همين نتايج، كارها را براي دانشمندان و كيهان‌شناسان ساده‌تر كرد. آنها در حال تحقيق روي تئوري‌هاي مختلف نوع زندگي بشر در انواع مختلف از هندسه عالم بودند؛ اين كه مثلا زندگي انسان در عالمي با خميدگي مثبت چگونه است. اما پس از به دست آمدن نتيجه آزمايش‌ها، آنها فقط در يك مورد مي‌نوشتند: عالم تخت است.
در نهايت، همه به اين باور رسيده بودند كه عالم ما تخت و بدون خميدگي است.
داستان غم‌انگيز بعدي، پس از مطمئن شدن از وضعيت خميدگي عالم شروع شد. تمام دانشمندان مي‌دانستند كه تعداد اتم‌هاي موجود در ستاره‌ها، گاز‌ها و گرد و غبار ميان ستاره‌‌اي روي هم تنها 4 درصد از مجموع جرم و انرژي است كه طبق محاسبات در عالم وجود دارد. حتي با محاسبه ماده تاريك باز هم اين عدد به 100 نرسيد و براي تخت بودن عالم كافي نبود.
با اين محاسبات، آنها حدود 70درصد ماده موجود در عالم را شناسايي كرده بودند و اگر اين عدد درست مي‌بود، عالم ما بايد خميدگي منفي مي‌داشت. باز هم شك‌ها برانگيخته شد كه بيرون از زمين، جايي در اعماق كيهان، بايد چيزي باشد كه اين كمبود را جبران كند.
ماده دفع‌كننده
در سال 1998، دو گروه مجزا هم‌زمان به جواب اين سوال رسيدند. آنها آثاري از يك ابرنواختر بسيار دور را پيدا كردند و متوجه شدند اين ابرنواختر از چيزي كه بايد ديده شود تاريك‌تر و كم نورتر به نظر مي‌رسد. بالاخره آنها با يك توضيح ساده، گفتند كه عالم با شتاب در حال انبساط است.
حال اگر عالم با شتاب در حال انبساط است، پس چيزي بايد وجود داشته باشد كه فضا-زمان را تحت فشار قرار دهد. اينشتين يك نامزد مناسب براي اين نوع انرژي دافع پيشنهاد كرده است: ثابت كيهاني يا«لاندا». لاندا توسط بسياري از كيهان‌شناسان پذيرفته شده است. مدلي هم براي آن ساخته شد كه امروزه به نام ماده سرد و تاريك شناخته مي‌شود و يكي از ويژگي‌هاي اصلي‌اش اين است كه در آن، عالم به صورت تخت فرض مي‌شود.
مفهوم لاندا آن‌قدر‌ها هم ساده نيست. اگر بخواهيم صادقانه بگوييم، هيچ كس به خوبي نمي‌داند لاندا در فيزيك چه مي‌گويد. حتي بهترين حدس‌ها با بالاترين مقدار دقت هم به ما جواب غلط مي‌دهند، به برنامه‌هاي ما مهر ابطال مي‌زنند و ما را مجبور مي‌كنند از راه و روش ديگري استفاده كنيم: شايد انرژي تاريك در فضا-زمان ثابت نباشد!
پس آيا هنوز هم مي‌توان عالم را تخت فرض كرد؟ تا چند وقت پيش، عقيده من همين بود؛ تا اين‌كه اكتشافي در اين زمينه مرا شگفت زده كرد.
"كريس كلاركسون" و همكارانش در دانشگاه كيپ تاون در آفريقاي جنوبي به اين فكر افتادند كه تاثير فهم ما از انرژي تاريك را روي محاسبان درباره خميدگي فضا و بالعكس، بررسي كنند.
براي پي بردن به نتايج اين گروه، طرز محاسبه خميدگي فضا ـ زمان با استفاده از اندازه لكه‌ها در تصاوير تابش زمينه را به ياد بياوريد. اندازه ظاهري لكه‌ها براي دانشمندان به دو مجهول بستگي دارد: نور آنها چه مسيري را طي كرده تا به ما برسد، و همچنين هندسه فضا – زمان.
با افزودن ثابت كيهاني، مي‌توان اين فاصله را با حل كردن معادلات نسبيت عام با دقت خوبي به‌دست آورد. اما هنوز نمي‌توان با قاطعيت گفت كه انرژي تاريك، ثابت كيهاني است. اگر انرژي تاريك يك حقيقت با سير تكاملي پيچيده باشد، بايد گفت كه ما هيچ چيزي راجع به فاصله تا مكان هماوندي نمي‌دانيم، و بدون داشتن فاصله تا لكه‌هاي سرد و داغ تصاوير تابش زمينه ريزموج كيهاني، نمي‌توان نوع خميدگي عالم را مشخص كرد.
سپس در يك دايره ناقص به دام مي‌افتيم: براي دانستن نوع هندسه عالم نياز به مشخص كردن ماهيت انرژي تاريك داريم، و براي مشخص كردن مقدار انرژي تاريك در عالم، بايد هندسه عالم را دانست! دانستن يكي بدون پي بردن به ديگري، بيهوده و پوچ است.
به ياد داشتن اين نتايج، دانشمندان را هُشيار مي‌كند. يدك كشيدن كشف بزرگ هزاره، كه عالم تخت است، باعث شد خود من در مسيري كه آمده‌ام به عقب برگردم و احساسي در من پديد آيد كه اشتباه مي‌كردم و شايد هيچ گاه بشر نتواند نوع خميدگي عالم را همان‌طور كه دوست دارد، مشخص كند.
هيچ كس فكر نمي‌كرد انسان وارد دوره‌اي جديد و در عين حال بلندپروازانه از كيهان‌شناسي شود. در سال‌هاي دهه 1990 اين علم تنها در پي محاسبه نوع هندسه عالم بود، اما امروزه كيهان‌شناسان به دنبال كشف ماهيت مجهولي بزرگ‌تر هستند: ماده تاريك.
چطور مي‌توان به ماهيت ماده تاريك بدون دانستن هندسه فضا پي برد؟
خوشبختانه براي دانشمندان همه چيز به صورت علامت سوال نيست، و اطلاعاتي هست كه بتوان به صحت آنها اطمينان كرد. هم اينك برخي از آزمايش‌ها در حال طراحي هستند تا به‌وسيله آنها بتوان به رخدادهاي گوشه و كنار كيهان پي برد و از سير تكامل عالم اطلاعات بيشتري به‌دست آورد.
هرچه اطلاعات بيشتري از مراحل مختلف تكامل عالم به دست آوريم، راحت‌تر مي‌توان هم به عملكرد ماده تاريك در زمان‌هاي مختلف پي برد و هم به عملكرد هندسه فضا در مكان‌هاي مختلف.
برنامه‌هايي در جريان هستند تا راديو تلسكوپ "گارگانتوآن" ساخته شود كه آرايه‌اي به شكل مربع است و قرار است در استراليا يا آفريقاي جنوبي به بهره‌برداري برسد؛ كه به دانشمندان و كيهان‌شناسان، قدرت مكان‌يابي ميلياردها ستاره را در آسمان مي‌دهد.
همچنين، يك ماموريت ماهواره‌اي جديد توسط ناسا و سازمان فضايي اروپا در حال برنامه‌ريزي است تا در آينده اجرا شود و هدف آن، بررسي چگونگي تاثير‌گذاري انرژي تاريك روي سير تكاملي كهكشان‌ها و تاثير متقابل آنها در فواصل زياد است.
اين پروژه‌ها قرار است در كمتر از يك دهه به بهره‌برداري برسند. در همين دوره، پروژه‌هاي كوچك‌تري در حال اجرا هستند يا اجرا خواهند شد. به‌راستي آيا تحقيقات و آزمايش‌هاي جديد روزي ثمر مي‌دهند؟ و آيا ما بالاخره خواهيم توانست هندسه فضا را به طور كامل درك كنيم و دريابيم؟ البته اين هدف كمي بيش از آن‌چه فكر مي‌كنيم طول خواهد كشيد.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
پدرو فريرا كيهان‌شناس در دانشگاه آكسفورد انگلستان و نويسنده كتاب "حالتِ عالم" (منتشر شده در سال 2006) است.
منبع : دانشمند
