Scientific Information

زندگي تكثير ثروتی است كه نامش محبت است

انرژی سیاه در اختر فیزیک
ساعت ۳:٥٧ ‎ب.ظ روز شنبه ۱٧ اسفند ۱۳۸٧  

به رغم مفاهیمى که هفتاد سال پیش مطرح و پذیرفته شدند، امروز پژوهشگران عقیده دارند که عالم به سرعت در حال گسترش است. آنها این انرژى تسخیرناپذیر دافعه را شاهدى بر وجود نوعى انرژى ناشناخته و داراى قدرت و حضور مطلق مى دانند...

آیا آلبرت اینشتین، پدر عالم شناسى مدرن، اشتباه مى کرد؟ آیا نظریه نسبیت اش خطا بود؟ امروز جامعه اخترشناسان جملگى بر این موضوع توافق دارند. مسلماً اینگونه نتیجه گیرى خالى از عیب و ایراد نیست. ولى ظاهراً هیچ چیز مانع حیات دوباره و باشکوه این علم نیست. ظرف چند سال دیدگاه فیزیکدانان اخترشناس به عالم شاهد دگرگونى هاى شگرفى بود. هفتاد سال است که همواره یک سخن را از فیزیکدانان مى شنویم: انبساط عالم به کندى مى گراید. به دلیل جاذبه ناشى از جرم بین کهکشان ها در عمل از سرعت دور شدن آنها از یکدیگر کاسته مى شود. با این حال، پدیده مذکور آثار و نتایج چندانى ندارد. بنابراین به رغم آنچه که انتظار مى رود انبساط جهان هردم سرعت بیشترى مى گیرد. یک نتیجه گیرى شگفتى آور این واقعیت آن است که نظریه پردازان ناچار شدند وجود نوعى «انرژى سیاه» اسرارآمیز را که قدرت دافعه فعال در سرتاسر عالم است فرض کنند.میشل کاسه از بخش فیزیک اخترشناسى وزارت انرژى اتمى فرانسه با شوق و شور ورود این تازه وارد را جشن مى گیرد. «این یک انقلاب است.» کتاب اولیه ژاکوب تحت عنوان ماده سیاه، انرژى سیاه روز 27 سپتامبر بر روى پیشخوان کتابفروش ها بود. نویسنده با لحنى حماسى از انرژى تازه متولد شده تعریف و تمجید مى کند: «رحمت، صعود، پرواز بر فراز چتر نجات، ضد جاذبه!» به قول نویسنده به شکرانه چنین پدیده اى مى توان تصویرى معقول از عالم پدید آورد. تصویر به غایت زیباتر از تمام آنچه که الهیون و اساطیر مذهبى به دست دادند.

ماجرا در سال 1988 آغاز شد. در این سال سول پرل موتر از دانشگاه هاى هاروارد و برکلى، پژوهشگر 28 ساله بسیار درخشان که به تازگى فارغ التحصیل شده بود، مبلغى بابت اندازه گیرى میزان کاسته شدن از سرعت انبساط جهان دریافت کرد. گروه کوچک چهار نفره وى براى آن که بتواند از عهده انجام این وظیفه برآید ناچار بود که یکى از تماشایى ترین پدیده هایى را که در آسمان رخ مى دهند- انفجار سوپرنوا- دنبال کند. هنگامى که عمر سوپرنوا به سر مى رسد، بزرگ ترین ستارگان به شدت درخشان و پرنور مى شوند و انرژى نورانى معادل یک میلیارد ستاره را به داخل فضا رها مى کنند. صحنه اى دیدنى ولى در عین حال نادر، ماجرایى که در طول یکصد سال در هر کهکشان حداکثر دو تا سه بار اتفاق مى افتد. مشاهده انفجار سوپرنوا براى پروژه سول پرل موتر لزوم صددرصد داشت. بدین ترتیب سوپرنواى مذکور تنها جسمى در عالم هستى است که «امکان اندازه گیرى دقیق فاصله اش با زمین وجود خواهد داشت، درست شبیه فانوس دریایى که آنقدر از ما دور است که نورش به صورت لکه اى تیره در مى آید.»

«اشتباه بزرگ» آلبرت اینشتین

به گفته سول پرل موتر، که هم اکنون استاد فیزیک در دانشگاه برکلى است پروژه ظرف سه سال آینده به نتیجه خواهد رسید. در واقع تاکنون حدود ده سال است که پروژه مذکور به طول انجامیده است. «لازم است دوربین هاى الکترونیک کاملاً مدرن در اختیار داشته باشیم و نرم افزارى را براى آن که بتوانیم تصاویر را در قوى ترین کامپیوترها به هر سو که بخواهیم بچرخانیم طراحى کنیم، تا 42 سوپرنوا تحت عنوان SNIa قابل بررسى باشند. با گذشت سالیان و انباشته شدن مشاهدات گروه سول پرل موتر، پروژه شناسایى سوپرنوا، و فیزیک پروژه دیگر تحت عنوان تیم جست وجوى سوپرنواى High-z که روى همین غبارها کار مى کرد. ناچار با نتیجه اى غیر منتظره روبه رو گردید. دورترین سوپرنواهاى SNIa رنگ پریده تر از آن که انتظار مى رود به نظر مى رسند. پس آیا انبساط عالم سرعت مى گیرد؟ در واقع «هنگامى که به سوپرنوا در جهانى که به سرعت در حال بزرگ تر شدن است مى نگریم، مى بینیم فوتون هایى که به ما مى رسند باید فاصله مکانى بیشترى از گذشته را طى کنند و بدین ترتیب خود سوپرنوا از نظر ما درخشندگى کمترى خواهد داشت. این آن چیزى است که پژوهشگران تصور مى کنند و روبرت کریشن عضو تیم High-z در کتاب خودش «عالم بدون مرز» انتشارات دانشگاه پرینستون 2002 آورده است.«ما شاید بهترین راه نزدیک شدن به خدا را در فیزیک یافته ایم.»هیچ یک از این دو گروه، که هردو هم آمریکایى هستند نمى تواند تصمیم بگیرد که اطلاعات مذکور را بپذیرد چه واژگون کننده تمام عقاید کنونى شان است. آنها از بیم آن که در صورت اشتباه مورد تمسخر دیگران قرار گیرند، محاسباتشان را از سر گرفتند و ماه ها حتى سال ها تلاش کردند که تصویرى را که ساخته بودند، بهبود بخشند. این تصویر علاوه بر آن که مفاهیم کاملاً جاافتاده را در ده جهانشناسى زیر و رو مى کند بلکه مى توان گفت تصور «جهان در حال گسترش هرچه سریع تر سوء قصد به جان اعلیحضرت است. «در سال هاى دهه ،1910 آلبرت اینشتین اصطلاح ثابت جهانى را وارد نظریه نسبیت کرد تا وفادارى خویش را به عقاید رایج در آن زمان نشان دهد. جهان ثابت بدون هیچ انبساطى» این سخن پیر آنیتلوگوس پژوهش گر «آزمایشگاه فیزیک هسته اى و انرژى هاى عالى» است لیکن در سال 1929 ادوین هابل فیزیکدان و ستاره شناس کشف کرد که کهکشان ها از یکدیگر دور مى شوند و لذا عالم منبسط مى شود. بلافاصله آلبرت اینشتین، طبق داستانى که از آن زمان سینه به سینه جهان شناسان منتقل شده، ثابت فوق را با گفتن این که «بزرگ ترین خطا»یى است که وى هیچ گاه حاضر به ارتکاب آن نیست، رد کرد پیر آنیتلوگوس مى گوید: «زمان درازى است که ما فیزیکدان ها که اساتید خویش را گرامى مى داریم نتوانسته ایم این ثابت را زیر سئوال ببریم، به همین سادگى»بالاخره در سال 1998 دو گروه آمریکایى مذکور بر آن شدند که کشف خویش را در مورد این که جهان همواره و با سرعتى فراتر از آن که «ثابت از عهده توصیف و توضیح آن برآید در حال گسترش است، اعلام کنند. امروزه تمامى جامعه علمى با این واقعیت وفق یافته اند. میشل کاسه که خود با بازگشت به ایده ثابت جهانى آتش بحث و مباحثه را دامن زد. به حرف یونانى لاندا (ى) اشاره مى کند که سمبل ریاضى پرواز عالم است، آنچه که امروز نمادى از انفجار عالم است. عنصر خالق ناپیدا و جهانى که هم اکنون پرده از رویش برداشته شده همانا لاندا است [...] بهترین راه نزدیک شدن به خدا در فیزیک.باید گفت که تاکنون شواهد و قرائن نیز به نفع تز سرعت گرفتن انبساط عالم به دست آمده است. در ابتدا مشاهده صدها سوپرنواى مکمل آن را تصدیق کرد. مهم تر از آن به نوشته میشل کاسه «انسجام نتایج آن اندازه خیره کننده است که مى توانیم به حق اعلام کنیم که سرانجام مدلى باورکردنى از عالم در اختیار داریم.» و بالاخره جامعه علمى پى به مزایاى عظیم آن برده است. برخى معماها که از سال هاى دهه 1990 مطرح شده اند به لطف این تز راه حلى هایى براى خود پیدا کرده اند. به عنوان مثال، سن عالم دیگر تناقضى با سن برخى ستارگان، که به نحو شگفت آورى پیرتر از آن به نظر مى رسند، ندارد.

بنابراین انرژى سیاه در آینده قطعه گم شده اى خواهد بود که دانشمندان براى بازسازى پازل بزرگ خویش از عالم در پى آنند تا بدان جا که این تز در مطالعاتى که توسط بالون هاى استراتوسفر مجهز به تلسکوپ و ماهواره اى آمریکایى موسوم به Wilkinson Microwave Anisotropy Probe به عمل آمده، مورد تایید قرار گرفته است تمام این پروژه یک ماموریت دارند. «اندازه گیرى» عالم و نتیجه گیرى شان تا حدى شگفت آور است. براساس نتایج حاصل از این ابزارهاى اندازه گیرى، ماده اى که مى شناسیم (ستارگان، سیارات، موجودات زنده یا اتم) در واقع نماینده تنها 5 درصد کل انرژى موجود در عالم است. اکنون مى توانیم حدود 25 درصد «ماده سیاه» را نیز به آن بیافزاییم. این احتمالاً از ذرات مجزایى تشکیل شده که اگر چه آثار حاصل از آنها قابل رویت است ولى تاکنون نتوانستیم خودشان را پیدا کنیم. در واقع جاذبه ایجاد شده به وسیله ماده کلاسیک قادر به توضیح دلیل حفظ ساختمان هاى عظیمى چون کهکشان ها یا لایه هاى کهکشانى در عالم نیست. باید ماده اى نامریى و ناشناخته، اعمال کننده چنین جاذبه اى باشد.خوب 70 درصد بقیه چه؟ قطعاً نمى تواند انرژى سیاه باشد، و این که بالاترین وزن را در صورتحساب عالم دارد. روشن است که قدر قدرت است، چرا که بر عالم حاکمیت مى کند و حتى سرعت گام هایش را نیز او تحمیل و دیکته مى کند. همه جا حاضر و محیط بر ماست و قوانین ماده اى را که ما جزء کوچکى از آن هستیم او تعیین مى کند و به قول میشل تورنه جهان شناس در دانشگاه شیکاگو و مبتکر اصطلاح «انرژى سیاه»: «با این همه هیچ چیز از آن نمى دانیم.» ماهیت آن براى ما ناشناخته است آیا این «انرژى خلأ» است؟ فیزیکدان ها دوست دارند این طور باشد چرا که خلأ که عالم را «پر مى کند» اصلاً نمى تواند وجود نداشته باشد. به عنوان مثال ذرات موسوم به «مجازى» مى توانند از آن به وجود آیند، به سرعت به صورت ذرات مادى درآیند و سپس نابود شده و به جایى که از آن جا آمده اند، بازمى گردند ولى این «خلاء کاذب» آن گونه که میشل کاسه آن را مى خواند، مى تواند پر از انرژى سیاه باشد.

اگر وضع از این قرار است، پس عواقبى هم در تاریخ انبساط عالم بر جاى خواهد گذاشت. دنیاى ما 7/13 میلیارد سال پیش به وجود آمد، زمان، مکان و انرژى به ناگهان دستخوش جنبش انبساط عمومى گردیدند. به همان اندازه که ماده در این فضاى همواره در حال حجیم تر شدن رقیق تر مى شود از قدرت جاذبه اش کاسته مى شود در حالى که انرژى خلأ باقى مى ماند. هر چند که 7 میلیارد سال است که این انرژى سیاه جاى خالى جاذبه را پر کرده است این درست زمانى است که انبساط عالم سرعت مى گیرد.

جهانى داراى پنج بعد

با این حال، این گزینه مشکل کوچکى نیز دارد: این فرضیه توضیح نمى دهد که در پى چه رویداد شگفتى آورى سرنوشت هاى انرژى ماده و انرژى سیاه یکى مى شوند. ده میلیارد سال است که ماده برترى خود را به عالم تحمیل کرده؛ حالا دیگر نوبت انرژى سیاه است با این حال معجزه اى باعث خواهد شد که بتوانیم لحظه اى را که جنگ بر سر برترى بین این دو دشمن دیرینه مغلوبه خواهد شد، بیابیم؟عالم شناسان علاقه اى به همزمانى ندارند. از این روست که برخى به فرضیه جوهر سره (اشاره به عنصر پنجم «اتر» که سابقاً تصور مى شد عالم از آن ساخته شده) روى آورده اند براساس این فرضیه انرژى سیاه نه «از» مکان بلکه «در» مکان است. انرژى سیاه مى تواند شکل خاصى باشد که تا زمانى که به صورت جرم درنیاید متوجه آن نمى شویم هر چند که تمامى همین جرم از آن تشکیل شده است. با این حال این جوهر سره این مزیت را دارد که مى توانیم شاهد تحول و تکامل انرژى آن در طول زمان باشیم طورى که به قول پیر آنتیلوگوس «شمایل موجود تعادل نسبى (70/30) دیگر یک استثناى لحظه اى نیست بلکه یک نتیجه گیرى منطقى صرف نظر از آن است که نقطه عزیمت ما کجا باشد.»یک امکان دیگر نیز وجود دارد هم اکنون فیزیکدان جوان از «انستیتو فیزیک اختر شناسى پاریس»، سدریک دفایه آن را مورد بررسى قرار مى دهد. یک تز سنت شکن که شامل حال تمامى انرژى خارجى مى شود و به تغییر نظریه نسبیت عمومى آلبرت اینشتین مى پردازد. باید دید چه مى کند! سدریک دفایه با کار هایش، که با همراهى و همکارى دانشمندان برجسته در دانشگاه نیویورک شروع کرد در تلاش است بعد پنجمى را به دنیاى چهار بعدى آلبرت اینشتین (سه بعد مکانى و یک زمانى) در چارچوب مفهوم مکان _ زمان بیفزاید در واقع در دنیاى پنج بعدى، خود مفهوم جاذبه دستخوش تغییر مى شود تغییرى که مى تواند توجیه کننده سرعت انبساط عالم که شاهدش هستیم باشد.اگر چنین بعد پنجمى وجود داشته باشد این بعد مکمل به نوعى و در مقیاسى کاملاً پایین تر از بعدى که در آن زندگى مى کنیم «به خود برخواهدگشت»، که احتمالاً دلیل آن است که تاکنون از حواس ما پنهان مانده است. سدریک دفایه توضیح مى دهد: «دقیقاً شبیه طناب کشیده اى که از نظر بندبازى که روى آن پیش مى رود جسمى است که تنها یک بعد دارد؛ در حالى که از نظر مورچه جسمى دوبعدى است، حیوان مى تواند هم در طول آن حرکت کند و هم در عرض آن.»در میان این فرضیات، کدام یک بهتر از همه است؟ پیش از آنکه پاسخى براى این پرسش پیدا شود، قطعاً بحث هاى طولانى در پیش خواهند بود. تا آن زمان اتفاقات عظیمى در آن سوى اقیانوس اطلس در شرف وقوع است. سول برلموتر قصد دارد با ماهواره اى به ارزش یک میلیون دلار به نام Supernova Acceleration Probe به فضا رود. در آن مکان که مشاهده هزاران سوپرنواى بسیار دور میسر است، پى بردن به تاریخ انبساط عالم هستى آسان تر خواهد بود و البته با شگفتى هاى بسیار. هیچ کس نمى تواند بگوید که در آن سوى انبساط عالم، وراى جاذبه و دافعه که ماده و انرژى سیاه اعمال مى کنند نیرو هاى پنهان و راز آمیز دیگرى وجود ندارند. مسلما این دنیایى به مراتب اسرار آمیزتر است.


کلمات کليدي: انرژی ،فیزیک ،نجوم و فیزیک ،نجوم