آيا مي توان از ميان مسئله هاي روز کيهان شناسي مسئله اي را درمقام مهم ترين بيرون کشيد؟ اختر شناسان وکيهان شناسان سالانه حدود 15000 مقاله منتشر مي کنند، پس به 15000موضوع مي پردازند. مهم ترين کدام است؟ کارساده اي نيست که ده هزار اختر فيزيک دان وکيهان شناس روي يک مسئله درمقام مهم ترين توافق کنند؛ اما کرده اند!«انرژي تاريک»، مفهومي که در آستانه ي قرن بيست ويکم براي رفع مشکلات داده هاي اختر فيزيکي ابداع شد. اين مهم ترين مسئله اي است که نه تنها کيهان شناسان، که متخصصان علوم فيزيکي برآن توافق دارند.
ماده وکيهان همواره در نظر مردم ارتباط تنگاتنگي با هم داشته اند. ماده را کمابيش به عالم خرد، اتم ها و ذرات زير اتمي نسبت مي دهيم وکيهان هم عالم کلان است. اگر ماده نبود عالم مي توانست باشد؟ مي توانيد عالمي بدون ماده تصورکنيد؟ مهم ترين ويژگي ماده، جرم وانرژي است. هزاران سال طول کشيده تا انسان اين دومفهوم را ابداع کرده، وتازه سيصد سال است که تصور کمابيش روشني از اين دو مفهوم داريم؛ وصد سال است که ديديم اين دو با هم مرتبط اند وگاهي هم در نظريه ي نسبيت آن دو را يکي مي گيريم. اما آيا واقعاً مي دانيم جرم چيست؟ وانرژي چيست؟
قرن چهاردهم/بيستم شاهد دو انقلاب علمي مرتبط با عالم خرد، عالم ذرات بنيادي، وعالم کلان، کيهان وساختارهاي آن، بود: انقلاب فيزيک نسبيتي وانقلاب فيزيک کوانتومي. علوم فيزيکي به معناي عام آن، که به اين هر دو مقوله مي پردازد، درقرن 14/20 تحولات عمده اي را پشت سرگذاشت، اما چند دهه ي آخراين قرن هم ازتحولات نظري بي نصيب نماند. پيدايش دو نظريه ي موفق مرتبط با عالم خردوکلان، يکي در ذرات بنيادي وديگري درکيهان شناسي، شايد مهم ترين اين تحولات نظري در سه دهه ي آخر قرن 14/20 بوده است.
مدل استاندارد ذرات بنيادي کمابيش همه ي پديده هاي فيزيک ابعاد کوچک را شامل مي شود؛ همچنين مدل استاندارد کيهان شناسي، مدل مهبانگ، تحول عالم رااز ابتداي آفرينش تاکنون، يعني درمدت زماني حدود 14 ميليارد سال، با جزييات توضيح ميدهد.اين دومدل گرچه به گسترده ي ابعاد بسيار کوچک وابعاد بسيار بزرگ وابسته اند در نهايت وابستگي تنگاتنگي به هم دارند. از يک سو، درک تحول ستاره ها به درک واکنش هاي هسته اي و نيز ويژگي هاي ذرات بنيادي وابسته است، واز سوي ديگر درک مدل مهبانگ دراوايل آفرينش وپس از آن نيز بدون شناخت ويژگي هاي ذرات بنيادي در انرژي هاي سيار زياد امکان پذير نيست. پس درک ابتداي آفرينش بدون درک فيزيک ذرات بنيادي ممکن نيست.اين است که پرسش هاي اساسي کيهان شناسي پرسش هاي اساسي ذرات بنيادي هم هستند:
1. منشأ زمان، فضا وعالم چيست؟
2. منشأ ماده ي روشن، ماده ي تاريک وانرژي تاريک چيست؟
3. آيا مفهوم کوانتوم برگرانش تعميم پذيراست؟
4. آيا فضا چهار بعد دارد؟
اين پرسش ها مستقل از هم نيستند، درهم تنيده اند، چه از منظر ذرات بنيادي نگاه کنيم، و چه ازنظر کيهان شناسي، اما پرسش اساسي کيهان شناسي، که همه ي ذهن ها را به خود مشغول کرده است -وانگار پاسخ دادن به آن زمان پرسش هاي ديگر را هم پاسخ خواهد داد- موضوع انرژي تاريک است. اما اين انرژي تاريک چيست؟
ماده ي موجود درعالم چگونه است؟
در دهه ي بيست قرن گذشته ي ميلادي، که نخستين مدل هاي کيهان شناختي ساخته شدند، تصوراين بود که ماده ي موجود در عالم از همان نوعي است که ما درمنظومه شمسي يا روي زمين مي بينيم: پروتون ونوترون، ماده ي باريوني، که گرانش دارد و ساختارمند است، يعني که همواره کلوخه اي مي شود وساختارهايي مانند سياره ها، ستاره ها، وکهکشان را به وجودمي آورد. به مرور که ماده ي تاريک کشف شد، به عبارتي ديگر هنگامي که متوجه شديم همه ي اين ماده اي که ديده مي شود نمي تواند حرکت يا ديناميک ستاره ها و ساختارهاي ديگر را توضيح بدهد، به دنبال رفع اين اشکال برآمديم: کجاست اين ماده ي تاريک، يا چيست اين ماده ي تاريک، که تصور مي کرديم 96 درصد کل عالم را تشکيل مي دهد؟ معضلي که هفتاد سال کيهان شناسان را مشغول به خود کرد.اين ماده ديده نمي شود اما هنوز خواص ماده ي معمولي را دارد: جرم دارد، فشار مثبت توليد مي کند، ودرنهايت گرانش توليد مي کند.اين معضل در آستانه ي قرن جديد ميلادي پيچيده تر شد هنگامي که معلوم شد انبساط عالم اخيراً، درچند ميليارد سال اخير، تندتر شده است؛ مگر مي شود؟
فشار وگرانش
تا به حال هيچ فکر کرده ايد که ماده ي گرانش داري، مانندماده ي موجود در عالم، منبسط شود وفشار هم داشته باشد چه مي شود؟ پيش ازاين که پاسخ من را بخوانيد، اول قدري فکر کنيد و ببينيد به چه نتيجه اي مي رسيد!
چه شد؟ آيا فشار، انبساط را تندتر مي کند يا کندتر؟ اگر مثال يک پيستون را در نظر بگيريد، فشار بايد به انبساط کمک کند. اما اين واقعيت براي گازهايي با جرم کم صادق است، يعني در مواردي که مقدار ماده آن قدر کم است که کلوخه اي نمي شود: گاز درون پيستون هنوز خيلي مانده است تا بتواند شبيه يک ستاره، کهکشان، چه رسد به کل عالم، عمل کند.در ابعاد کيهاني چنين است که فشار همچون انرژي يا ماده عمل مي کند وبه گرانش کمک مي کند، پس جلو انبساط را مي گيرد. اين پديده اي کاملاً نسبيتي است که خلاف شهود متعارف ماست! پس فشار شاره ي کيهاني، اگر ناصفر باشد مانند انرژي وجرم ماده، جلو انبساط را مي گيرد؛ اين است که کيهان شناسان همواره انتظار داشتند انبساط عالم کند شونده باشد. تا آستانه ي قرن بيستم هيچ کيهان شناسي انتظار نداشت انبساط عالم تند شونده بشود. با اين توضيحي که دادم شما انتظار داريد. انبساط عالم تند شونده باشد؟ اصلاً امکان آن هست؟
چه مي شود اگر فشار نوعي ماده منفي باشد؟ اول اين که اصلاً چنين ويژگي اي از ماده انتظار مي رود؟ فرض کنيد چنين ماده اي را بشناسيم، وفرض کنيد اين نوع ماده يا انرژي در شاره ي کيهاني غالب باشد. دراين صورت ممکن است اين انرژي انبساط کند شونده را به تند شونده تبديل کند! به همين سادگي. فيزيک دان ها مدت هاست که اين نوع ماده، يا بهتر است بگوييم انرژي، را مي شناسند وبه آن خلاً يا خلاً ميدان مي گويند. اين خلا با خلأ درفيزيک معمولي آزمايشگاهي متفاوت است. ويژگي اين خلأ آن است که انرژي مثبت اما فشار منفي دارد.
کشف شتاب عالم
سال ها بود که دو گروه رصد گر به دنبال اندازه گيري فاصله ي ابرنواختران نوع I بودند. اين ابرنواختران «شمع استاندارد» کيهان شناسي اند، يعني از روي درخشندگي ظاهري آن ها مي توان به فاصله ي آن ها پي برد. از طرف ديگر انتقال به سرخ اين ابرنواختران با توجه به مدل هاي کيهاني هم فاصله ي ديگري از اين اجرام آسماني به دست مي دهد. رصد هر دو گروه نشان داد که فاصله ي اين ابرنواختران دور دست دورتر از آن است که مدل هاي کيهاني مي گويند؛ يعني انگار عالم شروع کرده است به اين که تندتر منبسط بشود. واين ابرنواختران دورتر از آن اند که بايد باشند!
بهت کيهان شناسان شروع شده بود : انبساط عالم تندتر شده است؛ چراو چگونه ؟ پس لابد با نوعي ماده يا انرژي سروکار داريم که فشار منفي دارد. آيا اين مي تواند چيزي جز خلأ باشد؟ فرض خلأ مشکل داده هاي رصدي را به آساني حل مي کرد. ديگراين که چگالي انرژي اين خلأ بايد هفتاد درصد چگالي ماده ي عالم باشد، يعني از کل1=Ω مقدار 7/0 آن ازاين نوع است، که البته تاکنون ديده نشده است. پس با نوع ديگري از ماده ي تاريک سروکار داريم که، برخلاف «ماده ي تاريک: که قبلاً شناخته بوديم، شبيه به خلأ است وفشار منفي دارد که آن را «انرژي تاريک » ناميدند. مي بينيم که مفهوم انرژي تاريک، بيانگر عدم شناخت ماازعلت فاصله ي زياد ابرنواختران از ماست، زيادتراز آن که مدل هاي کيهاني با فرض 96 درصد ماده ي تاريک درعالم پيش بيني مي کنند( حالا بايد فرض کنيم 70 درصد محتواي شاره ي کيهاني انرژي تاريک است، فقط 26 درصد ماده ي تاريک، وبقيه ماده ي روشن متعارفي است که خوب مي شناسيم!).
زماني اينشتين براي اين که مدلي ايستا، نه درحال انبساط، براي عالم پيدا کند جمله اي به معادله ي نسبيت عام خود اضافه کرد که جمله اي کشف کردند، استنباط کلي کيهان شناسان ونسبيت دانان اين بود که اين جمله اضافي است وبايد آن را کنار گذاشت. رشد فيزيکي کوانتومي و سپس نظريه ي ميدان و سرانجام پذيرش مدلي استاندارد ذرات بنيادي در اواخر ذرات، حالت کمترين انرژي است. اين همان حالتي است که متناظراست با شاره اي با چگالي انرژي مثبت اما فشار منفي. آيا جمله ي کيهان شناختي اينشتين همان انرژي تاريک است؟ نمي دانيم.
جمله ي خلاً براي توصيف انرژي تاريک بي اشکال نيست، که مهم ترين اشکال آن اين است که نمي توان مقدارآن را از نظريه هاي ذرات بنيادي به دست آورد. آيا راه ديگري هم براي درک شتاب عالم وتند شدن انبساط آن وجود ندارد؟ نکند مدل هاي همگن کيهان شناسي واقعيت را بيان نمي کنند؟ نکند توصيف شاره ي ايده آل براي ماده ي کنوني عالم درست نيست؟ نکند معادله هاي ديناميکي اينشتين را بايد اصلاح کنيم؟
سردرگميم، نمي دانيم! دانش پيشگان و دانش گران درچنين شرايطي هر ايده اي را پيگيري مي کنند تا راه و ناراه شناخته شود. اين مسئله بالاخره حل خواهد شد، دراين شکي نيست، اما هيچ کس هنوز نمي داند چگونه! شايد شما بتوانيد در آينده راه حل را پيدا کنيد.اين گوي واين ميدان! به هر حال کيهان شناسان آرام نمي نشينند وهر رصدلازم را پيگيري مي کنند وهر تجهيزات لازم را مي کوشند براي رصد بسازند. خوشا به حال جوامعي که مردم وسياست گذاران و سياست مداران شان آمادگي نشان مي دهند که دراين زمينه ها هزينه کنند. ما چه مي کنيم؟
منبع:نشريه نجوم، شماره 198.