اگر جهان منبسط می‌شود، چرا ما تأثیرات آن را در سیاره‌های اطراف حس نمی‌کنیم؟

یکی از بزرگ‌ترین اکتشافات علمی در قرن بیستم، این بود که بالاخره ما پی بردیم عالم با شتابی تندشونده، در حال گسترده شدن است. کهکشان‌های دوردست، از ما دورتر می‌شوند و در مقایسه با کهکشان‌های نزدیک‌تر، سرعت دور شدن آن‌هایی که فاصله زیادی از ما دارند، بیشتر است. هم‌زمان با انبساط کیهانی، ساختار فضا نیز کشیده‌تر می‌شود. در مقیاس‌های بزرگ، چگالی ماده و انرژی موجود در جهان، برای میلیاردها سال است که روندی کاهشی در پیش گرفته و این روند همچنان با گذشت زمان ادامه دارد. اگر ما به دوردست‌ها نگاهی بیاندازیم، می‌بینیم کهکشان‌ها خیلی سریع‌ از ما دور می‌شوند و ما اگر چیزی را حتی با سرعت نور، به سمت آن‌ها ارسال کنیم، هرگز به آن‌ها نخواهد رسید. در این جملات تناقضی احساس نکردید؟

کِنت هادسون، پرسشی دارد که شاید برای همه ما پیش آمده باشد. وی می‌گوید:

اگر عالم با نرخی فراتر از سرعت نور در حال گسترده‌شدن است، چرا ما تأثیرات آن را در سامانه‌ی خورشیدی نمی‌بینیم؟ چرا فاصله‌ی سیاره‌های همسایه‌ی ما با خورشید تغییری نمی‌کند؟ چرا فاصله‌ی نسبی ستارگان و کهکشان‌ها افزایش نمی‌یابد؛ مگر ساختار فضا کشیده‌تر نمی‌شود؟

حق با کِنت هادسون است. با انبساط کیهان، تغییری در سامانه‌ی خورشیدی و فاصله‌ی سیاره‌ها و ستارگان ایجاد نمی‌شود. پس با انبساط کیهان، دقیقاً چه چیزی گسترش می‌یابد و این پدیده روی چه چیزی تأثیر می‌گذارد؟

وقتی که آیزاک نیوتن خواست برای نخستین‌بار جهان را تصور کند، فضا را به‌صورت شبکه‌ای تصویر کرد. نیوتن جهان را ثابت و مطلق فرض کرد و آن را مملو از اجرامی دانست که به وسیله‌ی گرانش با یکدیگر تعامل دارند. دیدگاه نیوتنی همچنان پابرجا بود تا این‌که شخصی به نام آلبرت اینشتین دیدگاه متفاوت خود را از جهان ارائه کرد. اینشتین گفت این ساختار شبکه‌ای، مطلق نیست و اصلاً آن‌طوری نیست که نیوتن تصور کرده است. اینشتین گفت  ساختار شبکه‌ای تصویر شده توسط نیوتن ایراداتی دارد. اینشتین، ساختاری تار و پود مانند برای جهان متصور شد و گفت این ساختار، خمیده است و در طول زمان، به علت وجود ماده و انرژی، مجبور به تکامل و تحریف است. علاوه بر این، انرژی و ماده‌ای که در این ساختار هستند، چگونگی خمیدگی فضا-زمان را توصیف می‌کنند.

اما اگر در فضا-زمان متصورشده توسط اینشتین، تنها توده‌ها وجود داشته باشند، قاعدتاً به ناچار روزی مجبور به فروپاشی می‌شوند و سیاه‌چاله‌ها را به وجود می‌آورند و جهان را از درون منفجر می‌کنند و منقبض می‌شوند. اینشتین در مورد دیدگاهی که داشت، دچار تردید شد. مدتی بعد، او دیدگاه خود را با افزودن یک اصلاحیه به نام «ثابت کیهانی»، کامل‌تر کرد و برای فضا-زمان توضیحی بهتر ارائه داد. این انرژی اضافه که به فضای خالی وارد می‌شد، از اتفاقاتی که برای توده‌های موجود در جهان ممکن بود رخ دهند، جلوگیری می‌کرد و جهان را ثابت نگه می‌داشت. این انرژی اضافه، از فروپاشی گرانشی جلوگیری می‌کرد و جهان را تا حد ممکن، تا ابد ثابت نگه می‌داشت.

اینشتین دیدگاه جالبی داشت؛ اما قرار نبود که همه از شنیدن آن شگفت‌زده شوند. بسیاری از افراد اصلاً دلیلی نمی‌دیدند که جهان تا ابدیت به‌صورت ثابت باقی بماند. یکی از این افراد، فیزیکدان و ریاضیدانی روسی به نام الکساندر فریدمان بود که نخستین جواب‌ها را برای ثابت کیهانی ارائه داد و انبساط کلی جهان را پیشنهاد کرد. فریدمان نشان داد که اگر ثابت کیهانی در نظر گرفته نشود و به طور کلی کنار گذاشته شود، آن‌چه باقی می‌ماند، جهانی مملو از چیزهای پرانرژی خواهد بود؛ چیزهایی مانند ماده، غبار، تابش، سیالات و... . در این صورت ما برای این جهان دو نوع پاسخ متفاوت خواهیم داشت: یک پاسخ برای جهانی در حال انقباض و یک پاسخ برای جهانی در حال انبساط و فریدمان روی پاسخ دوم تأکید می‌کرد.

محاسبات ریاضی،‌ تنها می‌توانند پاسخ‌های ممکن را پیشنهاد دهند و آن‌ها را در اختیار شما می‌گذارند؛ اما شما باید به جهان فیزیکی نگاهی بیاندازید تا ببینید کدام یک از این راه‌حل‌ها می‌توانند ما را توصیف کنند. فریدمان و اینشتین تنها به معادلات ریاضی تکیه کرده بودند و شاهدی فیزیکی برای پاسخ‌های خود نداشتند. در سال 1922 میلادی، ادوین هابل نخستین فردی بود که توانست در راه ارائه شاهدی فیزیکی، قدم بردارد. هابل نخستین فردی بود که فاصله چند ستاره را که در کهکشان‌های دیگر بودند، تا زمین اندازه گرفت. هم‌زمان با هابل، یک ستاره‌شناس به نام وستو اسلیفر نیز کار خود را آغاز کرد و پی برد که نور دریافتی از اکثر سحابی‌ها به سمت قرمز متمایل می‌شود. وقتی که نتایج اندازه‌گیری‌های هابل با کشفیات اسلیفر ترکیب شدند، مشخص شد که این اجرام آسمانی در حال تغییر دادن ماهیت اتمی خود هستند. پس از این کشف مهم، یک نتیجه‌ی تکان‌دهنده حاصل شد.

اگر نسبیت را کاملاً اشتباه فرض کنیم، پاسخ‌های فریدمان را نادیده بگیریم و فرض کنیم اصلاً وجود نداشته‌اند، آن‌گاه ما در مرکز جهان قرار می‌گیریم و همه چیز به صورت متقارن، از ما دور می‌شوند؛ اما اگر نسبیت کاملاً درست باشد و فریدمان هم پاسخ‌هایی صحیح ارائه کرده باشد، آن‌گاه نتایج هابل و اسلیفر کاملاً درست خواهند بود و هر چه یک کهکشان از ما دورتر باشد، با سرعت بیشتری به دور شدن ادامه می‌دهد؛ این یک کشف بسیار بزرگ بود، بسیار بزرگ‌تر از هر چیزی که تصور می‌کنیم. پس از این کشفیات بود که انبساط کیهان، از یک ایده‌ی ساده، به ایده‌ای برتر تبدیل شد که امروزه می‌تواند جهان ما را توصیف کند و این واقعاً شگفت‌انگیز است.

عملکرد انبساط کیهان، با چیزی که مطمئناً بسیاری از افراد فکر می‌کنند، متفاوت است. انبساط کیهانی در ساختار فضا اتفاق می‌افتد و هرچه که با گذشت زمان، ساختار فضا کشیده‌تر می‌شود، اجرامی که در آن فضا هستند از هم دورتر می‌شوند. هرچه که یک جرم از دیگری دورتر باشد، تأثیرات کشیدگی ساختار فضا بیشتر دیده می‌شود و به نظر می‌رسد که با سرعت بیشتری از یکدیگر فاصله می‌گیرند و این درست همان چیزی است که هابل گفت. فرض کنید در جهانی هستید که هموار است و تنها چیزی که وجود دارد، ماده است و به‌طور یکنواخت در سرتاسر آن پخش شده است. حال، چگالی این ماده با گذشت زمان در اثر انبساط کیهانی کاهش می‌یابد و مشاهده می‌کنید که هرچه زمان می‌گذرد، همه چیز به طور یکنواخت و برابر از هم دورتر می‌شوند.

اما جهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم، یکنواخت و هموار نیست. در این جهان ما مناطقی را مشاهده می‌کنیم که چگالی بسیار بالایی دارند، مانند: سیاره‌ها، ستاره‌ها، کهکشان‌ها یا حتی خوشه‌های کهکشانی. همچنین مناطقی مشاهده می‌شوند که چگالی بسیار ناچیزی دارند، مانند حفره‌های بزرگ کیهانی که در آن‌ها اصلاً هیچ جرم بزرگی وجود نداشته است. دلیل ناهمواری و یکنواخت نبودن کیهان این است که در کنار انبساط کیهانی، پدیده‌های دیگری نیز دخیل هستند. در مقیاس‌های کوچکی از جهان، مانند حیوانات، نیروهایی نظیر الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای تسلط بیشتری دارند؛ اما در مقیاس‌های بزرگی مانند کهکشان‌ها، سیاره‌ها و...، نیروهای گرانشی تسلط دارند. در بزرگ‌ترین مقیاس شناخته‌شده، یعنی مقیاس عالم، رقابت سنگینی بین انبساط کیهانی و کشش گرانشی موجود بین تمام ماده و انرژی وجود دارد. در این مقیاس بزرگ، انبساط کیهانی پیروز می‌شود و کشش گرانشی را شکست می‌دهد و به همین دلیل دورترین کهکشان‌ها با سرعت زیادی همچنان به دور شدن ادامه می‌دهند و ما اگر سیگنالی با سرعت نور به سمت آن‌ها ارسال کنیم، هیچ‌گاه به آن‌ها نخواهد رسید.

ابرخوشه‌های موجود در جهان (به چند خوشه‌ی کهکشانی بزرگ گفته می‌شود) که میلیاردها سال نوری عرض دارند، در اثر انبساط کیهانی، از یکدیگر دور می‌شوند و شاید با گذشت زمان آن‌قدر از هم دور شوند که دیگر خوشه نباشند. در فاصله 50 میلیون سال نوری از کهکشان راه شیری، یک خوشه‌ی کهکشانی بزرگ به نام «خوشه‌ی سنبله» قرار گرفته است که گرانش بسیار عظیمی دارد؛ اما گرانش این خوشه‌ی کهکشانی هیچ‌گاه نمی‌تواند کهکشان راه شیری را به دورن خود جذب کند؛ زیرا این مقیاسی بزرگ است و در مقیاس‌های بزرگ، انبساط کیهانی همواره پیروز میدان است. در این مورد خاص نیز انبساط کیهانی ما را همواره از خوشه‌ی سنبله دورتر می‌کند.

اما مقیاس‌های کوچک‌تری نیز وجود دارند که به نظر می‌رسد در آن‌ها انبساط کیهانی اثری ندارد. به عنوان مثال، خوشه‌ی سنبله به دلیل گرانش بسیار عظیمی که دارد، همواره یک خوشه باقی می‌ماند و در این مقیاس، انبساط کیهانی کاری نمی‌تواند انجام دهد. آن‌ها حتی به علت گرانش بسیار زیادی که دارند، به هم نزدیک‌ و با یکدیگر ترکیب می‌شوند. حتی سیاره‌ی زمین نیز همچنان در همین فاصله، به گردش خود به دور خورشید ادامه می‌دهد و اتم‌هایی که زمین را ساخته‌اند نیز تغییری نمی‌کنند؛ اما چرا؟

به دلیل آن‌که در مقیاس‌های کوچک، اگر نیروی دیگری (مانند نیروی هسته‌ای، مغناطیسی، گرانشی و...) وجود داشته باشد، انبساط کیهانی نمی‌تواند بر آن‌ها غلبه کند. اگر یک نیروی خاص توانسته است یک جرم را حفظ کند، انبساط کیهانی هیچ‌گاه نمی‌تواند روی آن جرم تأثیر بگذارد؛ زیرا نیروی دیگری دخیل است و مقیاس نیز بسیار کوچک است.

یک دلیل دیگر برای این موضوع، این است که انبساط کیهانی، یک نیرو نیست؛ بلکه یک نرخ است. فضا در تمام مقیاس‌ها (کوچک، متوسط، بزرگ) در حال گسترش است؛ اما این گسترش، تنها به‌صورت تجمعی روی چیزها اثر می‌گذارد. ما هنوز سرعت دقیق انبساط کیهان را نمی‌دانیم؛ اما این را می‌دانیم که به هر حال، کیهان با یک نرخ ثابت در حال گسترش است. دو نقطه را در نظر بگیرید، انبساط کیهانی با یک سرعت ثابت این دو نقطه را از هم دور می‌کند؛ اما اگر این سرعت، کمتر از سرعت فرار این دو نقطه از هم باشد یا یک نیروی دیگر بین این دو نقطه وجود داشته باشد، آن‌گاه انبساط کیهانی نمی‌تواند تغییری در فاصله‌ی این دو نقطه از یکدیگر به‌ وجود بیاورد؛ بنابراین، اجرامی که به‌صورت گروهی در کنار یکدیگر هستند، تأثیری از جانب انبساط کیهانی نمی‌پذیرند و همواره شکل ثابت خود را حفظ می‌کنند.

تا زمانی که جهان خواصی قابل اندازه‌گیری دارد، این قاعده ثابت باقی خواهد ماند. انرژی تاریک اگر وجود داشته باشد، ممکن است باعث شود کهکشان‌های دوردست با شتاب تندشونده‌ای از ما دور شوند؛ اما هیچ‌گاه نمی‌تواند اجرامی را که به هم نزدیک هستند و فاصله‌ی معینی از یکدیگر دارند (مانند سیاره‌های سامانه خورشیدی)، تغییر دهد و آن‌ها را از هم دور کند.

ساختار فضا همچنان با گذشت زمان به گسترش خود ادامه می‌دهد؛ اما تأثیر آن بر همه‌ی اجرام، یکسان و قابل اندازه‌گیری نیست. اگر نیرویی خاص، سیاره‌ی شما را در کنار دیگر سیارات یا ستاره‌ی مادر قرار داده است، مطمئن باشید که انبساط کیهان بر شما تأثیری نمی‌گذارد. در کل، تأثیرات انبساط کیهان تنها در مقیاس‌های بزرگ مشاهده می‌شود؛ یعنی همان جایی که نیروی بین اجرام بسیار ضعیف‌تر از نرخ هابل است. بنابراین، تنها در مقیاس‌های بزرگ می‌توان انبساط کیهان را مشاهده کرد. یک فیزیکدان به نام ریچارد پرایس می‌گوید:

شاید قد شما بلندتر و کمر شما کشیده‌تر شود؛ اما نمی‌توانید آن را به انبساط کیهانی ربط دهید.

نظر شما در این خصوص چیست؟ آیا شما دلیل ثابت بودن فاصله میان سیاره‌های سامانه خورشیدی را می‌دانستید؟