دکتر محمد حیدری ملایری، نوبل فیزیک برای تقدیر از تحقیقاتی پیرامون تحول و آینده گیتی

دکتر محمد حیدری ملایری، اخترفیزیک‏دان رصدخانه‏ ی پاریس:
نوبل فیزیک برای تقدیر از تحقیقاتی پیرامون تحول و آینده گیتی
جایزه ‏ی نوبل فیزیک سال ۲۰۱۱ به گروهی دانشمند، متشکل از دو پژوهش‏گر امریکایی و یک پژوهش‏گر امریکایی استرالیایی‏ تبار اعطا گشت. این سه اخترفیزیک‏دان که همگی حدوداً ۵۰ ساله هستند، برای تحقیقات‏شان پیرامون کیهان‏ شناسی و خصوصاً تحول گیتی مورد تقدیر قرار گرفته‏ اند. رادیو فرانسه، سائول پرلماتر، رییس طرح کیهان‏ شناسی ابرنو اختر دانشگاه کالیفرنیا است و دو برنده‏ ی دیگر جایزه‏ ی نوبل فیزیک سال 2011، یعنی آدام رایس و برایان اشمیت، جزو دانشمندان برجسته‏ ی مرکز اخترفیزیک ‏شناسی دانشگاه هاروارد به‏ حساب می‏ آیند.
  روشنگری بیشتر با دکتر محمد حیدری ملایری، اخترفیزیک‏دان رصدخانه‏ ی پاریس:

پژوهش این برندگان جایزه ‏ی نوبل در زمینه ‏ی کیهان ‏شناسی است و دست‏ آورد آن‏ها نظر ما را نسبت به "فرگشت" یا تحول گیتی و به ‏ویژه آینده ‏ی گیتی تغییر داده است.
مقصود از گیتی سراسر هستی است. گیتی از میلیاردها کهکشان پدید آمده که هر کهشکان خود از میلیاردها ستاره درست شده است و می‏دانیم که هر ستاره خورشیدی است. قبلاً اشاره کنم که در اخترشناسی، نباید گیتی را با کیهان و جهان اشتباه کرد. هر کدام معنای ویژه ‏ای دارند.
گفتیم که گیتی همه ‏ی هستی است و از همه‏ ی کهکشان‏ها تشکیل شده است. کیهان بخشی از گیتی است و جهان به محیط سیاره‏ ها گفته می‏شود. مانند کره‏‏ ی زمین که جهان ماست و در گیتی جهان‏ های بسیاری وجود دارند.
برای پی بردن به اهمیت کار این اخترفیزیک‏دانان باید ببینیم که پیش از دست‏ آورد آن‏ها میزان دانسته‏ های ما در زمینه ‏ی کارشان چه بوده است. می‏دانیم که همه‏ ی کهکشان‏ها دارند با سرعت سرسام‏ آوری -هزاران کیلومتر در ثانیه- دارند از هم دور می‏شوند. هرچه کهکشان‏ها دورتر بشوند، سرعت گریزشان بیشتر است. دورترین کهکشان‏ ها با سرعت نزدیک به نور، یعنی 300هزار کیلومتر در ثانیه حرکت می‏کنند.
این پدیده و چند پدیده ‏ی مهم دیگر که در این‏جا به آن‏ها نمی ‏پردازیم، بر این دلالت دارند که در گذشته ‏ی بسیار دور، 13-14 میلیارد سال پیش، چیزی روی داده که منشاء این گریز و یا دور شدن کهکشان‏ها از هم است. در واقع، این روی‏داد که "بیگ‏ بنگ" نامیده می‏شود، سرآغاز گیتی است ...
در آن موقع، همه ‏ی انرژی و ماده‏ ی گیتی در نقطه ‏ی بسیار کوچکی، به اندازه‏ی ذره‏ ی اتمی، متمرکز بوده است. چگالی و دما آن‏قدر زیاد بوده که به تصور نمی‏ گنجد. منتها این ذره در جایی قرار نداشته است. چون نه فضا وجود داشته، نه زمان. فضا و زمان با بیگ ‏بنگ به‏ وجود آمدند.
این ذره‏ ی آغازین، بنا بر علتی، نوسان‏ های کوانتومی، حالت پیشین خود را از دست داده و شروع کرده به بزرگ شدن و یا گسترش، با سرعتی سرسام‏ آور. در نتیجه، انرژی‏ ای که در آن نقطه مهار بوده، رها شده است. در آغاز به سبب دمای میلیاردها میلیارد درجه، همه چیز به صورت انرژی بوده است. با گذشت زمان، بخشی از انرژی به ماده تبدیل شده است. یک صدم ‏ثانیه پس از بیگ ‏بنگ، دما به صدهزار میلیارد درجه فروافتاده و الکترون‏ها و بعد ذره‏ های دیگر به ‏وجود آمده‏ اند. سه دقیقه‏ ی بعد نخستین اتم‏ها و صدها میلیون سال بعد، نخستین ستاره‏ گان و کهکشان‏ها هستی یافته‏ اند. به سبب آن پرتاب شدن آغازین، کهکشان‏ها همگی دارند از هم دور می‏شوند.
حال برگردیم به کشف این اخترفیزیک‏دانان؛ تا پیش از این کشف، درست نمی‏ دانستیم که آینده ‏ی گیتی چه خواهد شد. مدل‏های نظری پیش ‏بینی می‏کردند که گسترش گیتی می‏ تواند همین‏طور ادامه پیدا کند. یا رفته‏ رفته سرعت‏ اش کند شود و گیتی شروع کند به برگشتن و کوچک شدن. این‏که کدام حالت پیش بیاید، بستگی دارد به چگالی یا میزان ماده در گیتی. اگر ماده زیاد باشد، می‏تواند با نیروی گرانشی خود، از گسترش بیشتر گیتی جلوگیری کند.
کشف این کیهان ‏شناسان در سال 1988 نشان داده که گسترش گیتی نه تنها آهسته نخواهد شد، بلکه هرچه زمان می‏گذرد، شتاب آن افزایش خواهد یافت و این چیزی است که پیش‏ بینی نمی‏شد.
چطور این کیهان‏ شناسان موفق شدند این مسئله را کشف کنند و چرا پیش از این افراد، پژوهش‏گران و دانشمندان دیگری که در این زمینه تحقیق می‏کردند، موفق نشدند به چنین نتایجی دست پیدا کنند؟
این مربوط می‏شود به اندازه‏ گیری دقیق فاصله‏ ی دورترین کهکشان‏ها. ولی اندازه‏ گیری فاصله‏ ها کار بسیار دشواری است. شما برای این‏که فاصله‏ ها را اندازه بگیرید، باید از منبعی نورانی استفاده کنید که در هرکجای کیهان که باشد و در هر شرایطی، انرژی یا نور یکسانی از خود گسیل کند.
مثالی بزنیم: شما اگر لامپ یا چراغی داشته باشید که میزان تابش آن را در ثانیه بدانید، با آن می‏توانید فاصله‏ ی لامپ را اندازه بگیرد. این لامپ هرچه از شما دورتر باشد، کم‏ نورتر دیده می‏شود. چون مقدار انرژی کم‏تری از آن به شما می‏رسد. نوری که دریافت می‏کنید، نسبت عکس دارد با مربع فاصله‏. پس اگر انرژی نوری دریافت‏ شده را اندازه بگیرید و در ضمن بدانید که انرژی واقعی لامپ چه اندازه است، می‏ توانید فاصله‏ ی لامپ را حساب کنید. ولی اگر نور لامپ متغیر باشد و کم و زیاد بشود، شما دیگر نمی‏ توانید به این وسیله‏، فاصله‏ ها را اندازه بگیرید.
در اخترشناسی هم همین‏طور؛ شما باید منبعی داشته باشید که همیشه به‏ طور یکسان بتابد، در هرکجای گیتی که باشد. چنین منبعی را دیگران چند سال پیش از آغاز کار این اخترشناسان کشف کردند و آن نوعی "ابرنواختر" است. یعنی ستاره‏ای که در پایان عمرش منفجر می‏شود و انرژی شگرفی از خود می‏ گسیلد. انرژی آن‏قدر زیاد است که می‏شود این ابرنواخترها را در کهکشان‏های بسیار دوردست هم دید یا بهتر گفته باشیم، نپاهید.
پژوهش اخترفیزیک‏دانان پیش از این گروه، نشان داد که این نوع ابرنواخترها همیشه انرژی یکسانی را هنگام انفجار از خود بیرون می‏دهند و این نکته‏ ی بسیار مهمی است. البته این‏گونه ابرنواخترها بسیار نادرند، ولی برندگان جایزه‏ ی نوبل توانستند پروژه‏ای را به‏ کار ببندند که تعداد زیادی از آن‏ها را بنپاهند که در این‏جا وارد جزییات آن نمی‏شویم.
این‏که چرا دیگران نتوانستند این‏کار را بکنند، به این علت بود که این نوع منبع نورانی شناخته نشده بود و نمی‏دانستند که نور این‏ها ثابت است. چیز عجیبی که این‏ها کشف کردند، این بود که این ابرنواخترها هرچه فاصله‏ شان دورتر باشد، انرژی‏ ای که از خود بیرون می‏دهند، کم‏تر است. حال آن‏که این انرژی می‏ بایست ثابت باشد.
بعد از مدت‏ها پژوهش، به این نتیجه رسیدند که در واقع این انرژی نیست که تغییر می‏کند، این فاصله است که باید بیش از آن چیزی باشد که نظریه‏ ی گسترش یک‏نواخت گیتی پیش‏بینی می‏کند. به سخنی دیگر، باید سرعت گسترش گیتی در آن فاصله‏ های دوردست، بیشتر از آن باشد که تا آن موقع فکر می‏کردند؛ و عجیب‏تر این‏که هرچه فاصله بیشتر باشد، شتاب گسترش گیتی بیشتر است و چیزی که موجب این پدیده می‏شود، انرژی است ، نه ماده؛ آن‏چنان که قبلاً فکر می‏کردند و این انرژی را "انرژی تاریک" می‏گویند.
از انرژی تاریک صحبت کردید. ممکن است توضیح بدهید که این انرژی تاریک چیست؟
در واقع نمی‏دانیم که این انرژی چیست و به همین سبب است که به آن "انرژی تاریک" می‏گویند! اما نکته‏ ی بسیار عجیب این است که 73درصد انرژی گیتی که مقدار بسیار زیادی است، از این نوع انرژی تاریک است. هم‏ اکنون پژوهش‏های فراوانی در فیزیک بنیادین و اخترفیزیک در جریان‏ اند، برای پی بردن به چیستی این انرژی ناشناخته. آن‏چه مسلم است، این است که این انرژی ضد نیروی گرانشی است. یعنی کهکشان‏‏ها را از هم می‏راند.
جالب این‏جاست که کشف این انرژی، برای نخستین بار، ممکن است کار انشتین باشد. داستان از این قرار است که انشتین یک سال پس از برپا کردن نگره‏ی "نسبیت همگانی"، تصمیم گرفت که این نگره را برای مطالعه‏ ی فرگشت یا تحول گیتی به‏ کار ببرد. وقتی معادله‏ ها را نوشت، به این نتیجه رسید که گیتی نمی‏تواند تعادل داشته باشد و باید زیر بار جرمش فرو بریزد.
انشتین انتظار داشت که معادله‏ هایش نشان‏ دهنده‏ ی پایداری و ثبات گیتی باشند، چیزی که ظاهراً انسان می‏بیند. ولی این‏طور نبود. در آن زمان هنوز اخترشناسان پدیده ‏ی گریز کهکشان‏ها را کشف نکرده بودند و انشتین می‏پنداشت که گیتی باید ایستا و همیشه هم‏سان باشد. بنابراین جمله‏ ریاضی‏ را به معادله‏ ها افزود که اثرش پایدار نگه داشتن گیتی بود و بر ضد نیروی گرانش کار می‏کرد. این جمله‏ ی ریاضی را "پایای کیهان ‏شناختی" می‏گویند.
پنج سال بعد، ریاضی‏دان روس، الکساندر فریدمن، با به‏ کار بردن معادله‏ های انشتین، ثابت کرد که گیتی حتی با به‏ کار بردن پایای کیهان‏ شناختی پایدار نیست و باید در گسترش باشد. بعدها که هابل "گریز کهکشان‏ها" را کشف کرد، انشتین گفت که اختراع این پایای کیهان ‏شناختی از بزرگ‏ترین اشتباهات زندگی‏ اش بوده است. ولی امروزه با پیدا شدن مفهوم انرژی تاریک، پایای انشتین دوباره اهمیت گرفته است. چون همان کاری را می‏کند که انرژی تاریک.
بنا بر محاسبه‏ ها، انرژی تاریک در آغاز گیتی اهمیت زیادی نداشته است. تاثیر آن از هفت میلیارد سال پیش شروع شده و هرچه زمان بگذرد -البته در مقیاس کیهانی- اهمیت آن بیشتر و بیشتر خواهد شد. یعنی کهکشان‏ها با شتاب هرچه فزایند‏ه تری از هم دور خواهند شد.
بدین ترتیب، آینده‏ ی گیتی چه خواهد شد، زمانی که این کهکشان‏ها از هم دور و دورتر خواهند شد؟
این دور شدن ادامه خواهد یافت و کهکشان‏ها هرچه بیشتر و بیشتر از هم دور می‏شوند. ممکن است در آینده‏ ی دور (بنا بر محاسبه‏ ها 30میلیارد سال دیگر) زمانی برسد که هیچ کهکشانی در آسمان دیده نشود. این بستگی دارد به نحوه‏‏ ی بیشتر و بیشتر شدن انرژی تاریک در آینده که اطلاع زیادی از آن نداریم.
اگر اندازه‏ ی انرژی تاریک از حدی بگذرد، خیلی بیشتر بشود، حتی ممکن است که ستاره‏های کهکشان هم ازهم رانده بشوند و کهکشان‏ها از هم بپاشند و ستاره‏ ها هرکدام به یک طرفی بروند. حتی منظومه ‏ی خورشیدی هم از هم گسیخته شود و چیزی روی بدهد که در آن به انگلیسی "بیگ ریپ" می‏گویند. به فارسی "مه‏ گسست" و یا "گسست بزرگ" نامیده می‏شود. البته در این زمینه، نادانسته‏ های ما بسیار زیاد است.