«انبساط جهان» چیست و چگونه اتفاق می‌افتد؟

وقتی نان یا کلوچه می‌پزید، خمیر را داخل تابه قرار می‌دهید و درون فرو میگذارید. داخل فر، خمیر درون قالب پهن می‌شود و تکه‌های شکلات یا میوه‌هایی که درون خمیر گذاشته‌اید با پف کردن خمیر از هم دورتر می‌شوند.

به گزارش فرادید، انبساط جهان از برخی جهات شبیه همین فرایند است. اما این تشبیه از یک جهت اشتباه است: خمیر درون «ظرف» در حال پف کردن و بزرگ شدن است، اما جهان چیزی ندارد که «درون آن» منبسط شود، پس یعنی درون خودش منبسط می‌شود.

به تعبیر دیگر، در جهان در حال انبساط، ظرفی وجود ندارد، بلکه فقط خمیر وجود دارد. حتی اگر ظرفی وجود داشت، بخشی از جهان بود و از این رو جهان با همان ظرف هم منبسط میشد.

حتی برای استادان فیزیک و نجوم که سال‌ها درباره جهان مطالعه کرده‌اند نیز درک این ایده‌ها سخت است. اینها چیزهایی نیستند که در زندگی روزمره تجربه‌شان کنید. مثل اینست که بپرسیم چه جهتی دورتر از قطب شمال است.

راه دیگر فکر کردن به انبساط کیهان اینست که فکر کنیم چگونه کهکشان‌های دیگر از کهکشان ما، یعنی کهکشان راه شیری دور می‌شوند. دانشمندان می‌دانند جهان در حال انبساط است چون می‌توانند سایر کهکشان‌ها را حین دور شدن از کهکشان ما ردیابی کنند. آن‌ها انبساط را از سرعت دور شدن کهکشان‌های دیگر از ما تعریف می‌کنند. این تعریف به آن‌ها اجازه می‌دهد انبساط را بدون نیاز به چیزی برای گسترش درون آن تصور کنند.

جهان شبیه فرایند پخته شدن کیک منبسط می‌شود. اجسام موجود در فضا از هم دورتر می‌شوند و فضای بیشتری بین آن‌ها ایجاد می‌شود 

جهان در حال انبساط

جهان ۱۳.۸ میلیارد سال پیش با انفجار بزرگ آغاز شد. این نقطه کوچک ناگهان یک انبساط سریع به نام تورم (inflation) را تجربه کرد که در آن، هر مکان در جهان به سمت بیرون منبسط شد. اما نام انفجار بزرگ یا Big Bang گمراه‌کننده است، چون برعکس نامش، یک انفجار عظیم نبود، بلکه منظور زمانی است که جهان به سرعت در حال انبساط بود. سپس جهان به سرعت متراکم و سرد شد و شروع به ساختن ماده و نور کرد. در نهایت، به چیزی تبدیل شد که ما امروز به عنوان جهان می‌شناسیم.

این ایده که جهان ما ساکن نیست و می‌تواند در حال انبساط یا انقباض باشد نخستین بار توسط الکساندر فریدمَن فیزیکدان در سال ۱۹۲۲ منتشر شد. او از دید ریاضیاتی تأیید کرد که جهان در حال انبساط است.

در حالی که فریدمن ثابت کرد جهان در حال انبساط است، حداقل در برخی جاها، این ادوین هابل بود که در سرعت انبساط دقیق‌تر شد. بسیاری از دانشمندان دیگر نیز تأیید کردند کهکشان‌های دیگر در حال دور شدن از کهکشان راه شیری هستند، اما سال ۱۹۲۹، هابل مقاله معروف خود را منتشر کرد که تأیید کرد کل جهان در حال انبساط است و سرعت انبساط آن در حال افزایش است.

این کشف هنوز موجب حیرت اخترفیزیکدانان است. چه پدیده‌ای به کیهان اجازه می‌دهد بر نیروی گرانش غلبه کند و آن را نگه دارد و در عین حال با جدا کردن اجسام در جهان منبسط شود؟ علاوه بر اینها، سرعت گسترش آن در طول زمان در حال افزایش است.

بسیاری از دانشمندان از تصویری به نام قیف انبساط برای توصیف چگونگی تندتر شدن سرعت انبساط جهان از زمان انفجار بزرگ استفاده می‌کنند. یک قیف عمیق با لبه پهن را تجسم کنید. سمت چپ قیف (انتهای باریک) بیانگر آغاز جهان است. همانطور که به سمت راست حرکت می‌کنید، در زمان به جلو حرکت می‌کنید. گشاد شدن مخروط قیف نمایانگر انبساط جهان است.

تصویر قیف انبساط که نشان می‌دهد چگونه سرعت انبساط جهان به مرور زمان افزایش یافته است. سمت چپ قیف، انفجار بزرگ است و از آن زمان، جهان با سرعت بیشتر و بیشتری منبسط شده است

دانشمندان نتوانستند مستقیماً اندازه‌گیری کنند انرژی ایجادکننده این انبساط فزاینده از کجا می‌آید. آن‌ها قادر به شناسایی یا اندازه‌گیری آن نبوده‌اند. از آنجا که نمی‌توانند این نوع انرژی را ببینند یا آن را مستقیماً اندازه‌گیری کنند، آن را انرژی تاریک (Dark Energy) می‌نامند.

طبق مدل‌های محققان، انرژی تاریک باید رایج‌ترین شکل انرژی در کیهان باشد و حدود ۶۸ درصد از کل انرژی جهان را تشکیل دهد. انرژی حاصل از ماده روزمره که زمین، خورشید و هر آنچه را که می‌بینیم تشکیل می‌دهد، تنها حدود ۵ درصد کل انرژی را تشکیل می‌دهد.

ماده تاریک و انرژی تاریک بیشتر کیهان را تشکیل می‌دهند

خارج از قیف انبساط

خارج از قیف انبساط چیست؟ دانشمندان شواهدی از چیزی ورای جهان شناخته‌شده خودمان ندارند. با این حال، برخی پیش‌بینی می‌کنند ممکن است جهان‌های متعددی وجود داشته باشد. مدلی که شامل چند جهان شود، می‌تواند برخی از مشکلاتی که دانشمندان در مدل‌های کنونی جهان ما با آن مواجه هستند، حل کند.

یک مشکل عمده فیزیک فعلی ما اینست که محققان نمی‌توانند مکانیک کوانتومی که نحوه عملکرد فیزیک در مقیاس بسیار کوچک را توصیف می‌کند با گرانش که بر فیزیک در مقیاس بزرگ حاکم است، ادغام کنند.

قوانین نحوه‌ی رفتار ماده در مقیاس کوچک به احتمال و مقادیر انرژی کوانتیزه یا ثابت بستگی دارد. در این مقیاس، اشیاء می‌توانند به وجود آیند و از وجود خارج شوند. ماده می‌تواند همچون موج رفتار کند. دنیای کوانتومی با نحوه‌ی نگاه ما به جهان بسیار فرق دارد.

در مقیاس‌های بزرگ که فیزیکدانان آن را مکانیک کلاسیک می‌نامند، اجسام همانطور که از آن‌ها انتظار داریم به صورت روزانه رفتار می‌کنند. اجسام کوانتیزه نیستند و می‌توانند مقادیر پیوسته‌ای از انرژی داشته باشند. اشیاء وارد هستی یا خارج از آن نمی‌شوند.

دنیای کوانتومی به نوعی مانند یک کلید برق رفتار می‌کند که در آن، انرژی فقط یک گزینه روشن و خاموش دارد. دنیایی که می‌بینیم و با آن تعامل داریم، مانند یک سوئیچ نور کم‌کن عمل می‌کند و تمام سطوح انرژی را مجاز می‌کند.

اما محققان وقتی می‌خواهند گرانش را در سطح کوانتومی مطالعه کنند با مشکلاتی مواجه می‌شوند. در مقیاس کوچک، فیزیکدانان باید گرانش را کوانتیزه فرض کنند. اما تحقیقاتی که بسیاری از آن‌ها انجام داده‌اند از این ایده پشتیبانی نکرده است.

یک راه برای اینکه کاری کنیم این نظریه‌ها با هم کار کنند، نظریه چندجهانی است. نظریه‌های زیادی مطرح شده که به ورای جهان کنونی خودمان نگاه می‌کنند تا توضیح دهند چگونه گرانش و جهان کوانتومی با هم کار می‌کنند. برخی از این نظریه‌های برجسته عبارتند از: نظریه ریسمان، کیهان‌شناسی غشایی، گرانش کوانتومی حلقه‌ای و بسیاری دیگر.

در هر صورت، جهان به انبساط خود ادامه خواهد داد و فاصله میان کهکشان راه شیری و بیشتر کهکشان‌های دیگر در طول زمان طولانی‌تر خواهد شد.