بیگ بنگ: در اوایل دهه 90 میلادی، یک چیز درباره انبساط عالم حتمی فرض می‌شد: ممکن است چگالی انرژی کیهان به اندازه‌ای باشد که انبساط متوقف شده و انقباض شروع شود. یا هم ممکن است آنقدر انرژی کم باشد که هیچ وقت از انبساط باز نایستد. البته فرض بر این بود که گرانش می‌تواند انبساط را کُند کند (چرا که جهان پر از جرم است و نیروی گرانش اجرام را به سمت یکدیگر می‌کشد). تئوری در هر دوی این حالت ها می‌گوید انبساط باید کند شود اما هنوز این کند شدن مشاهده نشده است.

به گزارش بیگ بنگ، در هر حال این اطمینان دیری نپایید چرا که در سال 1998 تلسکوپ فضایی هابل یک ابرنواختر بسیار دور را رصد کرد که نشان می‌داد گسترش جهان در گذشته بسیار کندتر از الان بوده است. این کشف با فرضیه های قبلی نمی‌خواند. حالا گرانش دیگر جلوی انبساط کیهان را نمی‌گرفت و مشخص شد که انبساط بدون توجه به گرانش در حال شتاب‌گیری بوده است. در آن زمان کسی انتظار چنین چیزی را نداشت و هیچکس هم علت را نمی‌دانست. باید چیزی باعث شتاب‌گیری کیهان شده باشد.

فیزیکدانان با سه فرضیه وارد میدان شدند: شاید این پدیده نتیجه نسخه‌ای از نظریه اینشتین بود. نسخه ای که حاوی عبارتی موسوم به “ثابت کیهانی” بود. یا شاید علت این پدیده جریان عجیبی و غریبی از انرژی باشد که فضا را پر کرده. یا شاید هم به کل نظریه گرانش اینشتین اشتباه باشد و بتوان نظریه ای پیدا کرد که شتاب‌گیری جهان را توضیح دهد. نظریه پردازان هنوز هم نمی‌دانند علت چیست. اما به آن نامی داده‌اند: انرژی تاریک.

انرژی تاریک چیست؟

انرژی تاریک بیش از آنکه شناخته شده باشد چیزی ناشناخته است. تنها چیز معلوم درباره انرژی تاریک مقدار آن در جهان است چون نحوه اثرش بر گسترش کیهان قابل اندازه گیری است. بیش از این، موضوع کاملا یک معماست. اما معمایی مهم. چیزی که مشخص است این میباشد که تقریبا 68 درصد کیهان را انرژی تاریک تشکیل می‌دهد. 27 درصد هم سهم ماده تاریک است. و بعد از این هر آنچه که روی زمین است به علاوه تمام آنچه که تا به حال با استفاده از ابزارآلات اکتشافیمان کشف کرده‌ایم، “مواد معمولی” هستند (بیایید رو راست باشیم، شاید نباید به این مقدار ناچیز کمتر از 5 درصد بگوییم ماده معمولی).

یک توضیح برای انرژی تاریک این است که بگوییم شاید این انرژی در واقع یک ویژگی فضا میباشد. اینشتین اولین کسی بود که فهمید فضای خالی در واقع “هیچ چیز” نیست. فضا ویژگی‌های شگفت انگیزی دارد و خیلی از آنها تازه در آغاز شناخته شدن هستند. یکی از این ویژگی‌ها که توسط اینشتین کشف شد، این است که فضا می تواند از هیچ به وجود بیاید. یک ویژگی دیگر این است که فضای خالی می‌تواند انرژی مخصوص به خود را داشته باشد.

این ویژگی از همان نسخه نظریه گرانش منتهی می شود که ثابت کیهانی در آن وجود دارد. واضح است که چون این انرژی ویژگی فضاست، با گسترش آن از غلظتش کم نمی‌شود. چرا که هرچه فضای بیشتری خلق شود، انرژی بیشتر هم به وجود می‌آید. همین عامل باعث می‌شود که سرعت گسترش فضا سریع و سریعتر شود. جالبی قضیه هم این است که هیچکس نمی‌داند اصلا چرا باید ثابت کیهانی در فرمول وارد شود و حتی اصلا چرا این ثابت دقیقا مقداری دارد که باعث می‌شود ما دقیقا شتاب انبساطی حال حاضر کیهان را مشاهده کنیم. (شگفتی در واقع از اینجاست که نظریه اینشتین قبل از اکتشاف های اخیر درباره انبساط کیهان ارائه شده و با تعجب می بینیم که پیش‌بینی اینشتین کاملا درست از آب در آمده است!)

یک توضیح دیگر برای اینکه چرا فضا انرژی بدست می‌آورد، به وسیله نظریه کوانتوم داده شده است. به این صورت که فضای خالی در واقع پر است از ذرات موقت که مرتبا وجود می‌آیند و نابود می‌شوند. اما مشکلی وجود دارد: وقتی فیزیکدانان سعی می‌کنند مقدار انرژی تولیدی این واکنش‌ها را محاسبه کنند، جواب اشتباه از آب در می‌آید. آن هم نه یک دهم و چند دهم. بلکه 10 به توان 120 برابر بزرگتر از مقدار واقعی! توضیح دیگر این است که انرژی تاریک نوعی جدید از جریان انرژی یا میدان است. چیزی که کل فضا را پر کرده است و به گونه ای عمل می‌کند که اثرش بر جهان ضد اثر ماده و انرژی معمولی است. این چیز عجیب جوهر یا عنصر پنجم نام گرفته است. به هر حال اگر پاسخ این عنصر پنجم باشد، هنوز هم نمی‌دانیم که شبیه چیست، چگونه عمل می‌کند و اصلا چرا وجود دارد.

توضیح آخر هم این است که شاید اصلا نظریه گرانش اینشتین اشتباه باشد. البته قضیه به این سادگی هم نیست. نظریه اینشتین تعداد زیادی از سوالات ما درباره کیهان را جواب می‌دهد. حالا اگر فرض کنیم اینشتین در اشتباه بوده باید فکری به حال جواب‌هایی که دوباره به سوال تبدیل می‌شوند بکنیم. فرض غلط بودن نظریه گرانش راهی را پیشنهاد می کند: آیا راه حل جدید برای حل مساله انرژی تاریک خود یک نظریه جدید گرانش است یا خیر. اگر فرض کنیم که واقعا به یک نظریه جدید گرانش نیاز داریم، باید به این سوال جواب دهیم که این نظریه احتمالا چه شکلی است؟ چگونه می‌تواند حرکت اجرام را در منظومه شمسی توضیح دهد و همچنان به ما پیش‌بینی‌های بدردبخوری درباره جهان بدهد. نظریه‌های جایگزین وجود دارند اما هیچکدام به اندازه کافی قانع کننده نیستند. چیزی که مشخص است این است که برای تصمیم‌گیری درباره شیوه برخورد با مساله انرژی تاریک، نیاز به داده‌های بیشتر و بهتری داریم.

ماده تاریک چیست؟

دانشمندن با استفاده از مدلی نظری و تطابق آن با ترکیبی از چند مشاهده کیهانی به اعدادی که ابتدا برای ترکیب جهان گفتیم رسیده‌اند: تقریبا 68 درصد انرژی تاریک، تقریبا 27 درصد ماده تاریک و حدود 5 درصد ماده معمولی. اما ماده تاریک چیست؟ بیشتر از اینکه بدانیم ماده تاریک چیست، می‌دانیم که چه چیزی نیست. اولا تاریک است. یعنی شکلی از ماده که ستارگان و سیارات را می‌سازد نیست. دوما به شکل ابرهای تاریک ماده معمولی نیست. چرا؟ خب همانطور که می‌دانید مواد از ذراتی تشکیل شده اند که باریون نام دارند. و ما به این دلیل می‌دانیم که به شکل ابرهای تاریک معمولی نیستند که می‌توانیم خاصیت باریونی آنها را مثلا از طریق آشکارسازی جذب تشعشع عبوری از میان آنها، تشخیص دهیم. سوما ماده تاریک، پادماده نیست. چرا که ما قادر به مشاهده امواج گامایی که از خنثی شدن بین ماده و پادماده به وجود می‌آیند نیستیم.

نهایتا می‌دانیم که ماده تاریک از جنس سیاهچاله های غول پیکر هم نیست. آن هم به این دلیل که اجرام بزرگ نور عبوری از کنار خود را خم می کنند. و ما برای اینکه بگوییم 27 درصد باقی مانده از مواد تشکیل دهندۀ کیهان از جنس سیاهچاله‌ها هستند، باید پدیده خم شدن را بیش از آنچه که تا به حال مشاهده کرده‌ایم، رصد کنیم. با این حال چیزی که در مورد ماده تاریک مشخص شده این است که اگر مواد در یک کوتوله قهوه‌ای یا به طور کلی در حجمی کوچک و چگال از چند عنصر، به هم متصل شوند، می‌توانند ماده تاریک را تولید کنند. این احتمالات با نام اشیا هاله‌ای متراکم عظیم یا MACHO شناخته می‌شوند. به هر حال متداول ترین نظر درباره ماده تاریک این است که باریونی نیست و به جای آن از ذرات شگفت‌انگیز دیگر یعنی اکسیون‌ها یا WIMP ها ساخته شده است. به نظر شما آیا فیزیکدانان به این زودی راهی برای حل معمای ماده و انرژی تاریک پیدا می کنند؟ و آیا این راه حل به کنار گذاشتن نظریه گرانش اینشتین می‌انجامد؟

ترجمه: تحریریه سایت علمی بیگ بنگ/ منبع: NASA