راز بزرگ نیستی: چطور پوچی، کلید فهمیدن همه چیز است؟
آیا تا به حال درباره کیهانشناسی چیزی خواندهاید؟ اگر اینطور باشد، حتماً با یک آمار حیرتآور مواجه شدهاید: تمام مادهای که اطراف ما را فرا گرفته، هر چیزی که میبینیم و لمس میکنیم، هر ستاره، ابر گازی و سیارهای، تنها ۵ درصد از انرژی موجود در جهان را تشکیل میدهد.
از مابقی، حدود ۲۵ درصد از ماده تاریک و باقیمانده – یک رقم سرسامآور ۷۰ درصد از هر آنچه وجود دارد – از انرژی تاریک تشکیل شده است.
کیهانشناسان میگویند که این مسئله باید به دلیل نحوه انبساط جهان صادق باشد. اما موضوع فقط این نیست که جهان در حال انبساط است؛ بلکه انبساط شتاب میگیرد و چیزی باید محرک آن باشد. ما این نیروی ناشناخته را انرژی تاریک مینامیم.
اما یک حوزه تخصصی در تحقیقات کیهانشناسی وجود دارد که این توضیح را زیر سوال میبرد. این شاخه استدلال میکند که به دلیل اشتباه در درک ما از گرانش، به نظر میرسد که همه چیز با سرعت بیشتری در حال انبساط است. فراتر از این، این شاخه همچنین پیشنهاد میکند که شاید انرژی تاریک اصلاً وجود نداشته باشد.
فرضیات نادرست درباره انرژی تاریک
هیلی مکفرسون (Hayley Macpherson)، محقق نسبیت عام و کیهانشناسی در دانشگاه شیکاگو، میگوید: «اساساً فرضیاتی که ما در نسبیت عام در کیهانشناسی انجام میدهیم، این است که جهان تقریباً در همه جا و در تمام جهات یکسان است.»
به عبارت دیگر، همانطور که کیهانشناسان بیان میکنند، فرض بر این است که جهان همگن و همسانگرد است.
این فرض وقتی که به مراحل اولیه جهان نگاه میکنیم، زمانی که کوچک و متراکم بود، شبیه به یک سوپ ازلی، منطقی به نظر میرسد.
اما با تکامل و انبساط جهان، بیشتر شبیه چیزی شد که امروزه میبینیم – دارای مناطقی که پر از مواد، مانند ستارگان و کهکشانها هستند و مناطق دیگری که بسیار خالیتر هستند.
آیا این فرضیات همگنی و همسانگردی هنوز معتبر هستند؟ بدیهی است که به معنای واقعی کلمه نه – جهان به وضوح شبیه سوپ نیست – اما آیا این فرضیات برای کیهانشناسی به اندازه کافی خوب هستند؟ این سوال کلیدی است که محاسبات را تحت تأثیر قرار میدهد.
برخی از نظریهپردازان، مانند پروفسور دیوید ویلتشایر (David Wiltshire) در دانشگاه کانتربری، استدلال میکنند که این فرضیات آنقدر از واقعیت دور هستند که باعث میشوند جهان را به روشی نادرست ببینیم.
او میگوید که کار خود را به عنوان یک فیزیکدان نظری آغاز کرد و وقتی شروع به بررسی کیهانشناسی کرد، به طور خاص به دنبال انتقاد از مدل استاندارد نبود.
او میگوید: «فقط هرچه بیشتر در آن فرو رفتم و شروع به صحبت با افرادی کردم که واقعاً مشاهدات را انجام میدهند، بیشتر متوجه شدم که ما در حال سادهسازیهای عظیمی هستیم.»
او ادامه میدهد: «در جستجوی یک مفهوم متوسط از همسانگردی و همگنی، ما واقعاً به جای تلاش برای توضیح آن، پاسخ را فرض میکنیم.»
از نظر او، اگر کار اینشتین را جدی بگیرید، باید انبساط را به عنوان چیزی در نظر بگیرید که وابسته به «تودهای بودن» جهان است.
گرانش زمان را کند میکند، بنابراین زمان در مناطقی از جهان که ماده بیشتری دارند، متفاوت از قسمتهایی است که ماده کمتری دارند، میگذرد. قسمتهای مختلف جهان بر اساس میزان موادی که در آنها وجود دارد – یعنی اینکه به یک دسته کهکشان نگاه میکنید یا یک فضای خالی – با سرعتهای متفاوتی منبسط میشوند.
بنابراین شاید اصلاً به مفهوم انرژی تاریک نیازی نداشته باشیم. شاید انبساط جهان فقط به این دلیل سریعتر به نظر میرسد که ما به فضاهای خالی نگاه میکنیم که در آن انبساط سریعتر به نظر میرسد، نه به مناطقی که کهکشانها در آنها وجود دارند و در آن انبساط کندتر به نظر میرسد.
شاید همه اینها فقط نتیجه اثرات خلاف شهود گرانش بر زمان باشد.
ویلتشایر میگوید: «این واقعاً به این معناست که این اثر در نظریه اینشتین وجود دارد که قبلاً به آن فکر نکردهایم.»
داستانی با بخشهای گمشده
کیهانشناسان جریان اصلی منکر ناهمگن بودن جهان یا وجود سادهسازیهایی در مدل استاندارد نیستند.
آنها بیشتر با نسخهای از نسبیت عام کار میکنند که از یک اصطلاح به نام لامبدا (Lambda)، همچنین به عنوان ثابت کیهانشناسی شناخته میشود، استفاده میکند، که معادلات نسبیت عام را برای یک جهان در حال انبساط کارآمد میکند. در مجموع، این مدل برای دههها کار سازنده کافی بوده است.
جسیکا مویر (Jessica Muir)، محقق انرژی تاریک و استادیار دانشگاه سینسیناتی، میگوید: «ما این نوع توصیف ساده از جهان را داریم، این مدل کیهانشناسی حداقل لامبدا CDM که برای حدود ۲۵ سال از زمان کشف انرژی تاریک، کار بسیار خوبی در پیشبینی بیشتر مشاهدات انجام داده است. اما ما فکر نمیکنیم که این تمام ماجرا باشد.»
در مدل استاندارد کیهانشناسی، ناهنجاریهای بسیاری وجود دارد. «تنش هابل» (Hubble Tension) وجود دارد، که در آن شتاب انبساط جهان به نظر میرسد بسته به اینکه از چه روشی برای اندازهگیری آن استفاده میکنید، با سرعت متفاوتی رخ میدهد.
همچنین چیزی در مورد توزیع منابع رادیویی روشن، به نام کوازارها (Quasars)، وجود دارد که به نظر نمیرسد با نحوه انبساط جهان مطابقت داشته باشد. این موضوع به عنوان «ناهنجاری دوقطبی کوازار» (quasar dipole anomaly) شناخته میشود.
اما شاید بزرگترین مسئلهای که مدل استاندارد کیهانشناسی با آن روبروست – حداقل، چیزی که بیشتر مردم برای درک آن تلاش میکنند – این است که ما تقریباً هیچ چیز درباره ماده تاریک و انرژی تاریکی که اکثریت جهان را تشکیل میدهند، نمیدانیم.
مویر میگوید: «چیزهایی در مدل ما وجود دارد که منطقی نیستند. این واقعاً رضایتبخش نیست که ما نمیدانیم ۹۵ درصد از جهان از چه چیزی ساخته شده است.»
با این حال، این واقعیت که مدل فعلی از برخی جهات نارضایتی ایجاد میکند، لزوماً به این معنی نیست که اشتباه است.
معادلات دشوار نسبیت عام قطعاً با فرضیاتی ساده شدهاند تا قابل استفاده شوند، اما بیشتر کیهانشناسان میگویند که هر گونه اثراتی که این فرضیات داشته باشند آنقدر کوچک هستند که احتمالاً بیاهمیت هستند.
مویر میگوید: «بسیار هیجانانگیز خواهد بود اگر بگوییم، “اوه، ما این موضوع را از دست دادیم و معلوم شد که به یک ماده مرموز که دارای فشار منفی است و ۷۰ درصد از جرم و انرژی جهان را تشکیل میدهد، نیازی نداریم”.»
اما وقتی صحبت از زیر سوال بردن فرضیات مربوط به نسبیت عام میشود، مویر میگوید: «این فرضیات قبلاً به طور جدی بررسی شدهاند، تا حدی که من شخصاً متقاعد نشدهام که ثابت کیهانشناسی مورد نیاز نیست.»
ساخت مدلهای بهتر
بنابراین، چرا این مفهوم را آزمایش نکنیم و دریابیم که اثرات این فرضیات درباره نسبیت عام واقعاً چقدر بزرگ هستند؟
این دقیقاً همان کاری است که مکفرسون در حال حاضر انجام میدهد و با ایجاد شبیهسازیهایی از جهان که بر اساس یک توصیف پیچیدهتر از گرانش ساخته شدهاند و بسیاری از سادهسازیهایی که معمولاً روی نسبیت عام اعمال میشوند، را حذف کرده است.
او میگوید: «تمام هدف کار من این است که یک توصیف پیچیدهتر از گرانش را در مدلسازی کیهانشناسی بگنجانم، کاری که معمولاً انجام نمیدهیم.»
اکنون، با دادههای بیشتر از همیشه درباره جهان و ابررایانههای قدرتمندتری برای اجرای شبیهسازیها، «ما این آزادی را به دست میآوریم که بتوانیم برخی از این فرضیات را حذف کنیم و ببینیم آیا میتوانیم یک مدل بهتر بسازیم.»
اغلب، هنگامی که کیهانشناسان مشکلات مربوط به مدل استاندارد را میبینند، اولین غریزه آنها این است که سعی کنند چیزی را معرفی کنند – نوع جدیدی از انرژی، یک ثابت جدید، یک سادهسازی – برای رفع مشکل مدل.
اما رویکرد مکفرسون متفاوت است: «در دامنه همه کیهانشناسان، این موضوع بسیار نادرتر است که بگوییم، “هی، ما این مدل را بر اساس تقریبهای سادهسازی شده ساختهایم. شاید تمام این چیزهای عجیب و غریب فقط نتیجه از بین رفتن این تقریبهای خاص باشد”.»
اگرچه کار شبیهسازی هنوز در حال انجام است، اما تاکنون نتایج به این سمت متمایل شدهاند که اثرات فرضیات مربوط به گرانش بسیار کوچک و ناچیز هستند.
با وجود این، مکفرسون میگوید: «مانند هر نوع علم، یا به ویژه در این نوع مدلسازی عددی، یک میلیارد شرط برای این گفته وجود دارد. هنوز کارهای زیادی باید انجام شود تا بتوان با اطمینان گفت که آیا این فرضیات مهم هستند یا خیر.»
ثابت در حال تغییر
حتی کسانی که از مدل استاندارد کیهانشناسی حمایت میکنند نیز با کمال میل اعتراف میکنند که انرژی تاریک عجیب است.
ماده تاریک به اندازه کافی گیجکننده است، با عدم تعاملش با نور، اما ما همچنان میتوانیم آن را از طریق اثرات گرانشی آن شناسایی کنیم و آن را، احتمالاً، تا حدودی مشابه ماده معمولی در نظر بگیریم.
درک انرژی تاریک دشوارتر است. برجستهترین نظریهها این است که این انرژی، خاصیتی از خود فضاست: اینکه چیزی در مورد وجود فضاهای خالی وجود دارد که به بیرون فشار میآورد. یا، همانطور که کیهانشناسان به طور کلی میگویند، این انرژی دارای فشار منفی است.
اما سوالات بسیاری در اینجا وجود دارد.
چرا فضا این چگالی انرژی خاص را دارد، نه هیچ مقدار دیگری؟ چگونه این را به مکانیک کوانتومی مرتبط کنیم، که پیشبینی میکند یک خلاء خالی باید دارای چگالی انرژی باشد که مرتبههای بزرگی بزرگتر از چیزی است که ما واقعاً میبینیم؟
اگرچه بیشتر کیهانشناسان موافق هستند که انرژی تاریک اصطلاح مفیدی برای توصیف نیرویی است که باید به دلیل انبساط جهان وجود داشته باشد، اما اینکه این نیرو واقعاً چیست، توضیح بسیار دشوارتر است.
مویر میگوید: «دلایل زیادی وجود دارد که فکر کنیم فیزیک عمیقتری در پس انرژی تاریک وجود دارد.»
یافتههای اخیر حاصل از مشاهدات انجام شده توسط «ابزار طیفسنجی انرژی تاریک» (Dark Energy Spectroscopic Instrument) و «بررسی انرژی تاریک» (Dark Energy Survey)، که مویر در آن کار میکند، همچنین از نظریهای دیرینه حمایت میکنند که انرژی تاریک میتواند در طول زمان تغییر کند.
ایده این نیست که فقط با انبساط جهان، فضای خالی بیشتری وجود دارد و این فضای بزرگتر به معنای انرژی تاریک بیشتر است. بلکه چگالی خود انرژی تاریک در طول زمان در حال تغییر است.
در این حالت، انرژی تاریک را نمیتوان فقط با یک ثابت کیهانشناسی، لامبدا، نشان داد، زیرا ثابت نیست – زمانهایی در جهان وجود داشته است که مقدار کمتری داشته است و ممکن است زمانهایی در آینده وجود داشته باشد که مقدار بیشتری داشته باشد. این موضوع به سختی در مدل استاندارد فعلی جای میگیرد.
دکتر والریا پتورینو (Valeria Pettorino)، نظریهپرداز انرژی تاریک در آژانس فضایی اروپا، میگوید: «تغییر جزئی ثابت کیهانشناسی دشوار است، زیرا واقعاً نظریهای در پس آن وجود ندارد. این یک ثابت است. وجود دارد. کمی با دست اضافه شده است.»
ایده فرض ثابت بودن انرژی تاریک تاکنون برای تحقیقات مفید بوده است. اما اینکه این ثابت در مقیاسهای مختلف و در سناریوهای مختلف چقدر خوب عمل میکند، موضوعی است که در حال حاضر بسیار مورد بحث است.
پتورینو میگوید: «مشکل این است که اگر در مقیاسهای بسیار بزرگ باشیم، چه اتفاقی میافتد؟ در آینده یا گذشته چه اتفاقی میافتد؟ آیا همیشه اینطور بوده است؟ آیا همیشه اینطور خواهد بود؟»
این موضوع منجر به یک مفهوم جذابتر میشود: شاید انرژی تاریک فقط یک چیز نباشد. این انرژی میتواند مجموعهای از نیروها باشد که به روشهای پیچیده با هم کار میکنند تا بر انبساط جهان تأثیر بگذارند.
پتورینو میگوید: «جهانی که ما میشناسیم، آن پنج درصد، پر از ذرات مختلف، نیروهای مختلف است. بنابراین، تصور کنید این ۷۰ درصد انرژی تاریک را. احتمالاً ترکیبی از چیزهای مختلف است. من تعجب میکنم اگر ببینم این ۷۰ درصد فقط از یک چیز ساخته شده است.»
ترکهایی در نما
ما به لطف بررسیهای زمینی و تلسکوپ فضایی اقلیدس (Euclid) که به تازگی پرتاب شده است، بیش از هر زمان دیگری به درک انرژی تاریک نزدیک میشویم.
اقلیدس بلندپروازانهترین مأموریت تا به امروز برای درک ماده تاریک و انرژی تاریک است و قصد دارد نقشهای از ساختار بزرگمقیاس جهان با جزئیات بسیار زیاد ایجاد کند.
مویر میگوید: «در عمل، رویکرد ما به این صورت است که سعی میکنیم پیشبینیهای این مدل حداقلی را با دقت بیشتر و بیشتری آزمایش کنیم.»
او ادامه میدهد: «امید این است که اگر ترکهایی در این نما پیدا کنید که در آن پیشبینیهای سادهترین مدل با مشاهدات مطابقت نداشته باشد، این میتواند سرنخی برای این باشد که به کجا نیاز دارید فراتر از آن توصیف ساده بروید.»
برای ایجاد یک نقشه با نوع دقت سطح بالایی که برای آزمایش این مدلها مورد نیاز است، تلسکوپ اقلیدس باید ابزارهای فوقالعاده دقیقی مانند دوربین ۶۰۰ مگاپیکسلی خود داشته باشد.
اقلیدس میتواند نرخ انبساط جهان را با استفاده از دو روش ارزیابی کند: هم مشاهده انفجارهای ابرنواختری (که یک الگوی نوری قابل پیشبینی را ساطع میکنند) و هم الگوهای باقیمانده در توزیع کهکشانها از اولین مراحل جهان، که نوسانات صوتی باریونی (baryon acoustic oscillations) نامیده میشوند.
با داشتن این دو روش، امید است که اندازهگیریهای نرخ انبساط قطعیتر باشند. دادههای حاصل میتوانند امیدوارانه نشان دهند که کدام یک از مدلهای متعدد انرژی تاریک بهترین مطابقت را دارند.
ویلتشایر با لبخند میگوید: «مأموریت اقلیدس میتواند معادله فریدمن (Friedmann equation) [اساس مدل استاندارد کیهانشناسی] را آزمایش کند و میتواند مدل من را نیز آزمایش کند. بنابراین، اگر اشتباه کنم، میتوانم ظرف پنج سال بازنشسته شوم.»
نتایج حاصل از اقلیدس هر چه باشد، قرار است انقلابی در کیهانشناسی ایجاد کند.
مویر میگوید: «ما لزوماً فکر نمیکنیم که لامبدا تمام ماجرا باشد. بنابراین، ما میخواهیم به دنبال انحرافاتی از آن باشیم که بتواند اطلاعات بیشتری به ما بدهد.»
به عنوان مثال، درک پیچیدهتر از گرانش میتواند نحوه تفکر ما درباره انرژی تاریک را تغییر دهد. اما مویر همچنین هشدار میدهد: «ادعاهای خارقالعاده، شواهد خارقالعاده میخواهند.»