انرژی تاریک، قدرت ناشناخته عالم

در دنیای علوم، چشمگیرترین تحولات بنیادین غالبا از اتفاقات و تحرکات کوچک آغاز شده است. در قرن شانزدهم میلادی و بر اساس اسناد و مدارک موجود گفته می‌شود که کوپرنیک این‌گونه پیشنهاد داد که زمین مرکز عالم نیست. در عصر حاضر نیز انقلابی از این دست روی داده است. 11 سال پیش بود که پرونده جدید و بی‌سابقه علمی باز شد مبنی بر این‌که دنیا در حال انبساط و گسترش است و جالب این است که این روند در حال شدت یافتن است و نه کاهش. تنها انحراف جزئی در درخشندگی ستارگان در حال انفجار، اخترشناسان را به این نتیجه رسانده است که هیچ نظری درباره ترکیبات سازنده 70 درصد از عالم ندارند. تنها چیزی که آنها می‌توانند بگویند این است که فضا مملو از ماده‌ای است که برخلاف آنچه که ما از ماده می‌شناسیم و با اعمال فشار، موجب گسترش عالم می‌شود، وجود دارد. این ماده به عنوان انرژی تاریک شناخته شده است.

اکنون بیش از یک دهه از مطرح شدن این موضوع می‌گذرد و حیات انرژی تاریک هنوز هم آنقدر گیج‌کننده است که برخی اخترشناسان معتقدند که باید تغییر نگرش‌های بنیادینی در این زمینه به خرج داد تا پیش از طرح هرگونه موضوع دیگری حداقل به این نـتـیـجـه رسـیـد که «آیا انرژی تاریک واقعا وجود دارد یا نه؟» اخترشناسان بر این باورند که پیش از هر چیز باید ابتدا به این پرسش اساسی پاسخ قطعی داده شود. یکی از این نظریات بنیادین که البته محصول تحولات تاریخی قرن شانزدهم به حساب می‌آید این موضوع است: اصل کوپرنیک، زمین مرکز عالم نبوده و از آن گذشته جایگاه ویژه‌ای نیز در آن ندارد. اگر بخواهیم این اصل را در نظر نگیریم، تصویر متفاوت و حیرت‌آوری از مشاهداتمان ظهور پیدا می‌کند.

انرژی تاریک همواره برای اخترشناسان موضوعی پیچیده بوده است. این ماده‌ای است که تاکنون مستقیما مورد اندازه‌گیری واقع نشده است. از آن گذشته این ماده از ویژگی‌هایی برخوردار است که با هیچ ویژگی دیگری که تاکنون در مواد دیگری دیده‌ایم، همخوانی ندارد. نکته جالب این است که این ماده از تراکم انرژی‌ای برخوردار است که حدودا 10 هزار و 120 بار کمتر از آن چیزی است که مورد پیش‌بینی است.

فیزیکدان‌ها ایده‌هایی برای این تناسب عجیب دارند، اما همچنان چند دستگی قابل توجهی در این میان دیده می‌شود. در کل این‌گونه باید گفت که دانش بشری درباره انرژی تاریک بسیار تاریک است. این مسائل موجب شده است تا محققان روی طیف وسیعی از پروژه‌های تحقیقاتی زمینی و فضایی پرهزینه و البته به نوعی جاه‌طلبانه کار خود را آغاز کنند. آنها به دنبال آن هستند تا بر دانش خود درباره انرژی تاریک و مشخصه‌های آن بیفزایند. از نگاه بسیاری از صاحب‌نظران و کارشناسان علمی، رمزگشایی از انرژی تاریک چالش برانگیزترین موضوعی است که در برابر کیهان‌شناسی مدرن قرار دارد.

آغاز داستان انرژی تاریک

همه چیز به سال 1998 بازمی‌گردد. در حقیقت داستان انرژی تاریک از این سال آغاز شد و آن زمانی بود که دو تیم مستقل از اخترشناسان تلاش تحقیقاتی امیدوارانه‌ای را برای جستجو در ابرنواختر دوردستی آغاز کرده بودند. آنها امیدوار بودند که نرخ در حال کاهش سرعت گسترش عالم را اندازه‌گیری کنند. اما در ادامه بـررسی‌ها آنها به یافته‌هایی دست یافتند که موجب شوک و حیرتشان شد: مشاهدات نشان می‌دادند که گسترش عالم همچنان در حال بیشتر شدن است. در حقیقت عالم از مدت‌ها پیش یعنی زمانی در حدود 10 میلیارد سال پیش شروع به گسترش کرده است.

همچون کارآگاهان، اخترشناسان در سراسر جهان به دنبال ارائه تعریفی درست و منطقی از علت و چگونگی این انبساط مستمر بوده‌اند. ماده تاریک دو سوم از تراکم انرژی کیهانی را تشکیل می‌دهد و کیهان‌شناسان به این نتیجه رسیده‌اند که ماده‌ای با ویژگی دافعه گرانشی است که البته هیچگاه به صورت خوشه‌ای (دسته‌ای) در کهکشان‌ها ظاهر نمی‌شود.

عقیده کیهان‌شناسان بر این است که وجود انرژی تاریک می‌تواند پیامدهای چشمگیری بر فیزیک بنیادین داشته باشد. در این میان نــظـــریـــات و پــیــشــنـهــادات مـتـعــددی مـطــرح شــده اســت کــه محافظه‌کارانه‌ترین آنها این است که عالم مملو از دریای واحدی از انرژی صفر کوانتومی است. به عبارتی دیگر می‌توان آن را تراکمی از ذرات دانست که چگالی بین 10 تا 39 برابر کوچک‌تر از الکترون دارد.

در حال حاضر انرژی تاریک 70 درصد از عالم را تشکیل می‌دهد و این در حالی است که ماده تاریک نیز تشکیل‌دهنده حدود 25 درصد از عالم است. زمین و هر آنچه که دیده می‌شود و به آنها عنوان ماده معمولی را می‌دهند تنها 5 درصد از عالم را تشکیل می‌دهد. این تفاوت نسبت‌ها موجب شده تا کیهان‌شناسان در اطلاق عنوان «ماده معمولی» به زمین و نظایر آن دچار تردید شوند. دانشمندان درخصوص انبساط عالم نمودارهای متعددی را ارائه کرده‌اند. در این نمودارها بخوبی دیده می‌شود که هرچه منحنی‌های مربوط به این نمودارها دچار افت‌وخیز زیادی باشد، نرخ، سرعت انبساط عالم نیز بیشتر می‌شود. در یکی از معروف‌ترین نمودارها از این دست، کیهان‌شناسان به این نتیجه رسیده‌اند که از 5/7 میلیارد سال پیش این نرخ سرعت شتاب قابل توجهی گرفته است. نظریه‌ای که در این خصوص مطرح می‌شود این‌گونه است که این شتاب چشمگیر به واسطه انرژی تاریکی است که به طرز مرموزانه‌ای در حال از هم باز کردن کهکشان‌ها و در کل عالم است.

یکی از توضیحاتی که کیهان‌شناسان درباره انرژی تاریک ارائه می‌کنند بر این اعتقاد استوار است که این انرژی در حقیقت بخشی از کل عالم به حساب می‌آید. آلبرت انیشتن نخستین کسی بود که تشخیص داد فضای خالی، هیچ چیز نیست. فضا از ویژگی‌های منحصربه‌فردی برخوردار است که البته بشر اکنون در ابتدای شناخت تنها شمار بسیار محدودی از آنهاست. نخستین ویژگی که انیشتین کشف کرد این بود که امکان یافتن فضای بیشتر وجود دارد.

نسخه‌ای از نظریه جاذبه انیشتن، نسخه‌ای که شامل استواری کیهانی است و به پیش‌بینی دومی منتهی می‌شود، می‌گوید: «فضای خالی» میتواند انرژی خاص خود را داشته باشد. از آنجا که این انرژی مشخصه‌ای از فضای خود است نمی‌توان این گونه متصور شد که با انبساط این فضا، انرژی تاریک آن محدود شود. هرچه فضای بیشتری حیات پیدا می‌کند، انرژی بیشتری نیز در این فضا ظاهر می‌شود، در نتیجه این شکل از انرژی موجب می‌شود که عالم سریع‌تر و سریع‌تر منبسط شود. اما توضیح جالب توجه دیگر در این زمینه به ظهور و ناپدید شدن ذرات بازمی‌گردد. بر اساس این توضیح که به چگونگی پیدایش انرژی از تئوری کوانتومی ذرات مربوط می‌شود، «فضای خالی» مملو از ذرات موقتی است که به صورت مستمر ظاهر و ناپدید می‌شوند. اما زمانی که فیزیکدانان تلاش می‌کنند تا مقدار انرژی که به این فضای خالی تزریق می‌شود را محاسبه کنند، پاسخ بسیار نادرستی به دست می‌آید، بسیار نادرست. این عدد 10 هزار و 120 بار بیشتر بزرگ‌تر است، برای درک بهتر این رقم، عدد یک را با 120 صفر در مقابل آن در نظر بگیرید. از این رو نباید تعجب کرد که این راز همچنان ادامه دارد.

اما این‌که گفته می‌شود انرژی تاریک می‌تواند نوع جدیدی از جریان یا میدان انرژی دینامیکی باشد، بیش از هر توضیح دیگری مورد توجه کیهان‌شناسان قرار گرفته است. این جریان یا میدان چیزی است که تمام فضا را پر کرده است، اما تأثیرش بر انبساط عالم متفاوت از انرژی عادی و ماده به معنای شناخته شده است. برخی نظریه‌پردازان این جریان را «ستون پنجم» و برگرفته از فلاسفه یونانی نام گذاشته‌اند با این حال اگر عنصر پنجم پاسخ باشد، ما هنوز نمی‌دانیم که شبیه چه چیزی است و حتی چرا وجود دارد. بنابراین این راز همچنان لاینحل باقی می‌ماند.

آخرین احتمال این است که نظریه اینیشتین را نادرست فرض کنیم. این احتمال نه تنها انبساط عالم را تحت تأثیر قرار می‌دهد بلکه رفتار مواد عادی در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را نیز تحت شعاع قرار می‌دهد. اگر این گونه فرض کنیم، نتیجه به دست آمده راهی را باز می‌کند که بر این اساس بتوان آن را راه حلی برای رمزگشایی از چرایی انرژی تاریک عنوان کرد و حتی نظریه جدیدی در زمینه گرانش مطرح نمود. اما اگر به این نتیجه برسیم که باید تئوری جدید جاذبه مطرح کرد، آن تئوری چه نوع تئوری باید باشد. از آن گذشته این نظریه چگونه می‌تواند بدرستی حرکت ذرات و اجرام در منظومه شمسی را توصیف کند. در حالی که همگان می‌دانیم نظریه انیشتین درباره جاذبه صحت دارد، اما اگر بخواهیم این نظریه جدید را بپذیریم آنگاه پیش‌بینی‌های متفاوتی از عالم خواهیم داشت. در کل کیهان‌شناسان با تئوری‌های متفاوت و متنوعی روبه‌رو هستند، اما هیچ یک قانع‌کننده نبوده‌اند. بنابراین راز انرژی تاریک همچنان باقی می‌ماند.

اما باید راه چاره‌ای وجود داشته باشد. در حقیقت ابزاری که برای تصمیم‌گیری مناسب میان احتمالات مختلف انرژی تاریک یعنی مشخصه‌ای از فضا، جریان دینامیک جدید یا تئوری جدیدی درباره جاذبه چیزی نیست جز دسترسی به اطلاعات بهتر. ناسا از جمله سازمان‌ها و مراکزی است که در این زمینه تحقیقات و پروژه‌های متعددی داشته است. یکی از این پروژه‌ها مأموریت مشترک انرژی تاریک موسوم بهJDEM است. در این مأموریت دانشمندان ناسا با همکاری وزارت انرژی امریکا اهداف مختلفی را دنبال می‌کنند. دنبال کردن اهداف این مأموریت، کیهان‌شناسان را در دستیابی به مـشـاهـدات بـهـتـر از عـالـم رهـنـمـون مـی‌سازد و از آن گذشته نظریه‌پردازان این امکان را خواهند یافت تا به بررسی این احتمالات پرداخته و در نهایت قابل قبول‌ترین آنها را به عنوان راه‌حلی برای رمزگشایی از معمای انرژی تاریک ارائه کنند.

پروژه‌ای برای اندازه‌گیری مقدار انرژی تاریک

همان‌طور که گفته شد انرژی تاریک بخش اعظمی از عالم را تشکیل می‌دهد از این رو اندازه‌گیری مقدار آن به کیهان‌شناسان در پـی پـردن بـه پـیـدایـش اولـیـه عـالـم کـمـک زیادی خواهد کرد. پروژهWiggleZ از جمله این پروژه‌هاست. کیهان‌شناسان استرالیایی از جمله پیشگامان مسابقه درک بهتر موجودیت انرژی تاریک به حساب می‌آیند. آنها بتازگی و با استفاده از تجهیزات فوق مدرنی که به همراه تلسکوپAnglo-Australian Telescope در نیوساوت ولز این کشور به کار گرفته‌اند در تلاش هستند تا مقدار انرژی تاریک را حدس بزنند. این پروژه به بررسی دقیق حدود 200 هزار کهکشان می‌پردازد. یکی از مهم‌ترین اهدافی که در این پروژه مدنظر قرار گرفته است، اندازه‌گیری فاصله این کهکشان‌ها از یکدیگر است. کیهان‌شناسان بر این باورند که در لابه‌لای چنین اندازه‌گیری‌هایی می‌توان به مقدار انرژی تاریک موجود در گوشه و کنار عالم پی برد.

اما یکی از نقاط عطف یک دهه اخیر در زمینه شناخت دقیق انرژی تاریک، استفاده از تلسکوپ فضایی هابل و یافته‌های آن است. اخترشناسان چند سال پیش و با استفاده از این تلسکوپ فضایی دریافتند که انرژی تاریک از زمان پیدایش عالم وجود داشته است و از آن موقع تا به اکنون موجب شده است تا عالم انبساط مستمری داشته باشد. در کنار این یافته‌ها، اخترشناسان به این نتیجه رسیده‌اند که ابرنواخترها نیز در گذشته موجب منبسط شدن عالم شده‌اند. آنها در سال‌های اخیر این داده‌ها را با یافته‌های به دست آمده از تلسکوپ فضایی هابل ترکیب کرده‌اند تا به نتیجه‌گیری منطقی درخصوص عمر عالم دست پیدا کنند. تمرکز فعلی اخترشناسان روی ابرنواخترهایی است که بیش از 90 میلیارد سال عمر داشته و نور آنها در عصر حاضر به زمین می‌رسد.

گرچه انرژی تاریک برای کیهان‌شناسان چالش علمی بزرگی به حساب می‌آید اما در سال‌های اخیر یافته‌های امیدوارکننده‌ای نیز در زمینه شناخت بهتر آن صورت گرفته است. کیهان‌شناسان در گذشته تصور می‌کردند که انرژی تاریک از نیروی نه چندان قدرتمندی برخوردار است، اما همزمان با پیشرفت‌های صورت گرفته در شناخت هر چه بهتر این انرژی، آنها به این نتیجه رسیده‌اند که از زمان آغاز پیدایش عالم این نیرو قدرتمندتر از گذشته شده است. این روند افزایش از زمانی بوده است که نیروی انرژی تاریک حتی از نیروی جاذبه کمتر بوده اما اکنون بسیار بیشتر از آن شده است و از آن گذشته اکنون که کیهان‌شناسان از این حقیقت مطمئن هستند که سرعت انبساط عالم در گذشته بسیار کمتر از زمان حال بوده است، این اطمینان ایجاد شده است که عالم در آینده و همزمان با افزایش نیروی انرژی تاریک منبسط‌تر از هر زمان دیگری خواهد شد.

اکنون تنها کمی بیش از یک دهه از حیات انرژی تاریک در محافل علمی جهان می‌گذرد اما در همین مدت اندک انبوهی از نظریه‌های درخصوص موجودیت و تأثیرگذاری آن بر عالم و شکل‌گیری کهکشان‌ها مطرح شده است. بی‌شک انرژی تاریک را باید قدرت ناشناخته عالم نامید. البته گرچه این قدرت ناشناخته بسختی رمزگشایی می‌شود اما به نظر می‌رسد کیهان‌شناسان در مقایسه با یک دهه گذشته با اطمینان بیشتری در خصوص موجودیت انرژی تاریک صحبت می‌کنند. آنها دنیایی را تصور کنند که با سرعت نور حرکت می‌کند. ما در آینده ستارگان درخشان راه شیری و کهکشان آندرومدا (که در حال نزدیک شدن به ماست) را در بالای سر خود خـواهـیـم داشـت، اما به گفته بسیاری از این دانشمندان شاید چند 10 میلیارد سال بعد این تنها چیزی باشد که از دنیای مرئی برای ما باقی می‌ماند.

فاطمه پورمزرعه

1917: آلبرت اینشتین با استفاده از نسبیت عام بزرگ‌مقیاس کیهان را بررسی می‌کند و ثابت‌کیهانی را معرفی می‌کند.

1927: ورنر هایزنبرگ اصل عدم‌قطعیت خود را منتشر می‌کند و نشان می‌دهد که فضای خالی مملو از انرژی تاریک است.

1929: ادوین هابل می‌فهمد جهان در حال انبساط است و نشان می‌دهد نیازی به ثابت کیهانی نیست.

1948: هنریک کازیمیر پیش‌بینی می‌کند فضای خالی نیرویی تولید می‌کند که دو صفحه فلزی را به‌سوی یکدیگر می‌کشاند.

1981: آلن گاث ازMIT پیشنهاد می‌دهد جهان نخستین به‌وسیله نوعی انرژی تاریک اولیه متورم شده است.

1984: استیفن هاوکینگ نظریه‌ای ارائه می‌کند که توضیح می‌دهد چرا در جهان امروز خبری از انرژی تاریک نیست.

1988: استیون وینبرگ از ناآگاهی فیزیکدانان در مورد ثابت‌کیهانی و انرژی تاریک به‌عنوان بحران‌واقعی فیزیک یاد می‌کند.

1998: تلسکوپ فضایی هابلابرنواختر ff 1997 را کشف می‌کند و دلیلی محکم بر وجود انرژی تاریک که انبساط عالم را شتاب می‌بخشد، می‌یابد.

2003: ماهواره WMAP در این ‌نقشه‌ هندسه ‌بزرگ‌ مقیاس عالم تخت است و انرژی تاریک، 75درصد کل انرژی عالم را تشکیل می‌دهد.