انرژی تاریک چیست؟ بررسی برخی از اصلی ترین تئوری ها در رابطه با دارک انرژی

در این مقاله قصد داریم به زبان بسیار ساده و قابل فهم به یک سوال کلی، پاسخی جامع و کامل دهیم. سوال این است: انرژی تاریک چیست؟ و پاسخ هم چیزی است که ادامه مطالعه خواهید کرد!

پیش از پاسخ دادن به این سوال که انرژی تاریک چیست؟ بهتر است ابتدا به این موضوع بپردازیم که اصلا چرا باید چیستی انرژی تاریک برای ما اهمیت داشته باشد؟

طبق تخمین‌های دقیق دانشمندان، تمام چیزهایی که ما به چشم خودمان دیدیم و تمام اجرام آسمانی که در فضای بی‌کران، تلسکوپ‌های ما موفق به رویت و ثبت آن‌ها شده‌اند، با تمام عظمت خودشان، کمتر از 5 درصد از کیهان یا بهتر بگوییم، 5 درصد از جهان قابل مشاهده ما را تشکیل داده‌اند. منظور از جهان قابل مشاهده، منطقه‌ای فرضی از کیهان است که ما انسان‌ها می‌توانیم با قوی‌ترین تلسکوپ‌هایمان آثار برجای مانده از آن را ثبت کنیم و هرچیزی که خارج از این منطقه فرضی قرار گرفته، احتمالا تا ابد از درک ما خارج خواهد ماند. برای توضیحات بیشتر در این رابطه می‌توانید مقاله‌ای که در ادامه معرفی می‌شود را مطالعه کنید:

اما همانطور که گفته شد، تمام شناخته‌های بشر روی هم رفته 5 درصد از کیهان را تشکیل داده‌اند. 95 درصد باقیمانده توسط یک ماده و یک انرژی مرموز تشکیل داده شده است. از آنجایی که بشر هیچ ایده‌ای در رابطه با ظاهر این دو ندارد، و البته چون فیزیکدانان خلاقیت کمی در انتخاب نام دارند، به آن‌ها ماده تاریک یا دارک متر (Dark Matter) و انرژی تاریک یا دارک انرژی (Dark Energy) گفته می‌شود! البته در دفاع از نحوه نام‌گذاری فیزیکدانان می‌توان به این موضوع هم اشاره کرد که ماده تاریک و انرژی تاریک در قبال نور، هیچ عکس‌العملی از خودشان نشان نمی‌دهند و طبیعتا چیزی که هرگز نتواند “نورانی” شود، قطعا یک چیز “تاریک” است!

اما نکته جالب در رابطه با ماده و انرژی تاریک این است که ماده تاریک 27 درصد از جهان قابل مشاهده ما را تشکیل داده اما انرژی تاریک چیزی حدود 68 درصد از جهان ما را در بر گرفته است. پس با یک حساب سرانگشتی هم می‌توان متوجه شد که حتی اگر ما از تمام اسرار هستی هم سر دربیاوریم اما کماکان از ماهیت انرژی تاریک بی‌خبر باشیم، باز هم تنها 32 درصد از کیهان را شناخته‌ایم! اما از آن طرف اگر صرفا انرژی تاریک را بشناسیم، آنگاه بیش از نیمی از اسرار کیهان را حل کرده‌ایم! پس به تعبیری می‌توان گفت که مهمترین سوال حال حاضر بشریت این است: انرژی تاریک چیست؟

انرژی تاریک چیست؟

حدودا 90 سال پیش و در سال 1929 اِدوین هابل (Edwin Hubble)، ستاره‌شناس افسانه‌ای و بسیار مشهور که نام تلسکوپ هابل هم برگرفته از شخص او است، به این نتیجه رسید که کهکشان‌های دور دست، درحال دورتر شدن از سیاره زمین هستند. اما او می‌دانست که زمین مرکز کائنات نیست و به همین علت متوجه شد که تمام اجرام آسمانی با یک سرعت مشخص و معین در حال دورتر شدن از یکدیگر هستند. در نتیجه او جزو اولین کسانی بود که به طور رسمی، از انبساط کیهان سخن گفت.

به مرور زمان و با پیشرفته شدن علم و تکنولوژی، بسیاری از دانشمندان به این نتیجه رسیدند که احتمالا هابل در یک زمینه اشتباه می‌کرده و آن هم این است که کیهان با سرعتی ثابت در حال منبسط شدن نیست. آن‌ها معتقد بودند بخاطر جاذبه‌ای که در سرتاسر کیهان وجود دارد، سرعت انبساط کیهان هم سرعتی کاهنده خواهد بود و در نهایت به میزانی نزدیک به صفر خواهد رسید.

به همین علت در اواخر دهه 1990 میلادی، یک تیم از دانشمندان به رهبری برایان اِشمیت (Brian Schmidt) و آدام رِیِس (Adam Riess) تصمیم گرفتند این فرضیه را ثابت کنند که سرعت انبساط کیهان ذره ذره در حال کاهش یافتن است. اما چیزی که آن‌ها کشف کردند، چیزی بود که تقریبا هیچکس انتظار آن را نداشت، نه تنها سرعت انبساط کیهان در حال کاهش نیست، بلکه به صورت افزاینده‌ای هم درحال بیشتر شدن است! آقای اشمیت حسی که در آن لحظه به او و هم‌تیمی‌هایش دست پیدا کرد را اینگونه توصیف می‌کند:

داده‌هایی که بدست آوردیم، با چیزی که جامعه علمی به آن ایمان داشت، در تضاد بود. به همین دلیل همه ما ایستاده بودیم و از روی حیرت و ترس، خنده‌های عصبی سر می‌دادیم!

کشف آقای اشمیت و آقای ریس در نهایت دو دستاورد عظیم به همراه داشت، یک دستاورد برای خودشان و یک دستاورد برای جامعه علمی. دستاوردی که نصیب خود این دو نفر شد، جایزه نوبلی بود که در سال 2011 بخاطر این کشفشان کسب کردند و دستاوردی که علاوه‌بر آن‌ها، نصیب جامعه علمی هم شد، گذاشته شدن سنگ بنای مفهومی بود که در نهایت با نام “انرژی تاریک” از آن یاد شد.

به طور کلی دانشمندان برای درک علت انبساط کیهان، از مفهومی بنام انرژی تاریک یاد می‌کنند. در نتیجه حتی خود دانشمندان هم مطمئن نیستند که واقعا انرژی تاریک چیست؟ همه چیزی که آن‌ها در رابطه با انرژی تاریک می‌دانند این است که اولا 68 درصد کیهان را تشکیل داده و دوم هم اینکه عامل اصلی دورتر شدن تمام ذرات هستی از یکدیگر است. به همین دلیل و از آن جایی که این موضوع، حداقل در ظاهر، بنظر نقطه مقابل بحث جاذبه می‌آید، در نتیجه اگر بخواهیم خیلی کلی انرژی تاریک را شرح دهیم، می‌توانیم بگوییم که انرژی تاریک، انرژی دافعه است! یعنی عاملی است که دقیقا در نقطه مقابل جاذبه قرار می‌گیرد.

پس به طور کلی در پاسخ به این سوال که انرژی تاریک چیست؟ می‌توانیم بگوییم همانگنه که انرژی جاذبه در تلاش است تا اجسام را به یکدیگر نزدیک کند، انرژی تاریک هم در تلاش است تا اجسام را از یکدیگر دور کند. از آنجایی که انرژی تاریک بخش اعظم کیهان را تشکیل داده، در نتیجه خیلی ساده بخواهیم بگوییم، زور این انرژی از انرژی جاذبه بیشتر است و به همین علت هم اجسام درحال دور شدن از یکدیگر هستند.

با کمی دقت متوجه می‌شویم که همین موضوع، عامل افزاینده بودن سرعت انبساط کیهان هم هست. اصل جاذبه و به طور کلی اصولی که در نظریه نسبیت انیشتین با آن‌ها مواجه هستیم، به ما می‌گویند که دو عامل اصلی در بوجود آمدن انرژی جاذبه میان دو جسم، اثر گذار است. یکی از آن‌ها اندازه این دو جسم است و دیگری هم فاصله‌ای است که آن‌ها با یکدیگر دارند. هرچه اندازه این دو جسم بزرگتر باشد و هرچه فاصله میان آن‌ها کمتر باشد، جاذبه‌ای که بینشان شکل می‌گیرد هم قوی‌تر می‌شود.

پس با توجه به مفهوم کلی انرژی تاریک و همچنین اصل جاذبه در فیزیک، می‌توان علت بیشتر شدن سرعت انبساط کیهان را اینگونه توضیح داد:

انرژی تاریک دائما در حال دورتر کردن اجسام از یکدیگر است. از آن طرف هرچه فاصله میان دو جسم بیشتر باشد، جاذبه میان آن‌ها هم کمتر می‌شود. پس هرچه از طول عمر کیهان می‌گذرد و اجسام فاصله بیشتری نسبت به یکدیگر می‌گیرند، جاذبه آن‌ها کمتر و درنتیجه سرعت دورتر شدن آن‌ها از یکدیگر هم بیشتر می‌شود. به همین دلیل نه تنها کیهان در حال منبسط شدن است، بلکه سرعت این انبساط هم ثابت نیست و به صورت افزاینده‌ای در حال بیشتر شدن است.

ماهیت انرژی تاریک

اگر صرفا به دنبال یافتن پاسخی برای سوال انرژی تاریک چیست؟ بودید، احتمالا تا همین حالا هم پاسخ خودتان را یافته‌اید. اما اگر اکنون قصد دارید یک قدم جلوتر بروید و می‌خواهید ماهیت انرژی تاریک را درک کنید، می‌توانید از ادامه مقاله هم لذت ببرید!

پیش از هرچیزی باید به این موضوع اشاره کنیم که خود دانشمندان هم دقیقا نمی‌دانند که ماهیت انرژی تاریک چیست؟ ؛ به همین علت، تئوری‌های فراوانی در رابطه با ماهیت انرژی تاریک مطرح شده که ما در ادامه قصد داریم برخی از مشهورترین و البته مهمترین آن‌ها را معرفی کنیم. فقط لطفا به این موضوع بسیار مهم هم توجه کنید که این تئوری‌ها توسط برخی از نوابغ دنیای علم مطرح شده‌اند و انقدر پیچیده هستند که می‌توان در رابطه با هرکدام از آن‌ها یک کتاب قطور نوشت! به همین علت ما در این مقاله صرفا قصد معرفی این تئوری‌ها را داریم و توضیح کامل آن‌ها واضح است که از چارچوب این مقاله خارج است. اما برویم سراغ برخی از مهمترین تئوری ها در رابطه با ماهیت انرژی تاریک…

درود بر انیشتین!

یکی از مهمترین و پرطرفدارترین تئوری‌ها در رابطه با ماهیت انرژی تاریک که شاید حتی بتوان ادعا کرد که از بقیه تئوری‌ها هم کمی پرطرفدارتر و موجه‌تر است، به مقوله‌ای اشاره دارد که انیشتین ده‌ها سال پیش وجود آن را پیش‌بینی کرده بود! انیشتین در نظریه نسبیت عام خودش از مفهومی به نام ثابت کیهانی یا ثابت کیهان شناسی (Cosmological Constant) یاد کرده بود.

انیشتین صرفا به این دلیل ثابت کیهان شناسی را در تئوری خودش گنجاند چون از اثر انرژی جاذبه با خبر بود ولی در عین حال معتقد بود که جهان ثابت است (یعنی در حال انبساط یا انقباض نیست). از آنجایی که او نتوانست یک انرژی در کیهان پیدا کند که دقیقا هم‌اندازه با جاذبه ولی در جهت مخالف آن باشد تا اثر جاذبه را خنثی کند، در نتیجه از ثابت کیهان شناسی در تئوری خودش استفاده کرد.

پس می‌توان گفت که ثابت کیهان شناسی درواقع یک ثابت فرضی است که انیشتین در اصل برای اثبات فرضیه خودش مبنی بر ثابت بودن کیهان آن را وارد معاملات خودش کرد. او معتقد بود که خود فضا یا بهتر بگوییم، خود خلاء هم دارای انرژی است. انیشتین میزان و قدرت این انرژی را صرفا در حدی می‌دانست که بتواند اثر جاذبه را خنثی کند اما اکنون طرفداران او معتقدند که این انرژی، یا همان ثابت کیهان شناسی، قوی‌تر از انرژی جاذبه است و در نتیجه کیهان هم درحال انبساط و گسترده‌تر شدن است.

دلیل افزاینده بودن سرعت انبساط کیهان هم توسط این تئوری قابل توجیه است. درواقع کافی است دوباره به همان مفهوم ثابت کیهان شناسی اشاره کنیم، اگر فرض را بر این بگذاریم که واقعا ثابت کیهانی وجود دارد و فضای خالی هم دارای انرژی منحصر به فرد خودش است، در نتیجه هرچه این فضا بزرگتر شود، انرژی موجود در آن هم بیشتر می‌شود و این افزایش انرژی هم دوباره باعث بزرگتر شدن فضا و ادامه پیدا کردن این روند می‌شود. به همین علت با گذشت زمان، سرعت انبساط کیهان هم بیشتر و بیشتر می‌شود.

4 + 1 نیروی بنیادی!

در دنیای فیزیک باور بر این است که 4 نیروی بنیادی، سرتاسر هستی را تشکیل داده‌اند. این نیروهای بنیادی (Fundamental Force) عبارتند از نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی، نیروی الکترومغناطیس و نیروی جاذبه یا همان گرانش. ما انسان‌ها اثر هر 4 نیرو را به چشم خودمان مشاهده کرده‌ایم. بعضی از این نیروها تنها در ابعاد میکرو و زیر اتمی مشاهده می‌شوند و برخی دیگر هم در ابعاد ماکرو و در میان اجرام آسمانی عظیم وجود دارند.

اما برخی فیزیکدانان معتقدند که یک نیروی بنیادی پنجمی هم در میان نیروهای بنیادی طبیعت وجود دارد که بشر هنوز موفق به کشف آن نشده است. به عقیده آن‌ها، این نیروی جدید تنها در ابعادی بسیار عظیم عملی می‌شود؛ انقدر عظیم که بشر هرگز نتوانسته و احتمالا هم نخواهد توانست متوجه اثر آن در محیط آزمایشگاهی یا هر محیط دیگری شود. آن‌ها معتقدند که این نیروی ناشناخته، درواقع همان انرژی تاریک است.

نکته جالب این است که فیزیکدانان موافق این نظریه معتقدند که نیروی پنجم، ممکن است اثرگذاری موقت داشته باشد. به عنوان مثال ممکن است تنها تا رسیدن کیهان به یک اندازه بخصوص ادامه پیدا کند و پس از آن، دیگر اثر خاصی در کیهان نداشته باشد. پس می‌توان گفت که بر اساس این تئوری، انبساط کیهان یک امر دائمی نیست و ممکن است در آینده متوقف شود. هنگامی که متوقف شود، نیروی جاذبه وارد عمل خواهد شد و جهان را منقبض و کوچک خواهد کرد. هنگامی که جهان منقبض شود، دوباره نیروی پنجم وارد عمل خواهد شد و کیهان را منبسط خواهد کرد! این اتفاقی است که به عقیده طرفداران این تئوری، تا ابد ادامه پیدا خواهد کرد!

ذرات روح!

ما انسان‌ها هرگز نتوانسته‌ایم وجود روح را اثبات کنیم اما طبق اصول مکانیک کوانتوم، سرتاسر هستی مملو از روح است! در مکانیک کوانتوم باور بر این است که در ابعاد میکرو، ذرات می‌توانند در یک لحظه ظاهر و در لحظه دیگر غیب شوند. به عنوان مثال الکترون که یکی از سه جزء اصلی اتم هم به حساب می‌رود، دقیقا همین ویژگی را دارد. طبق مکانیک کوانتوم، الکترون در یک لحظه ظاهر می‌شود، یک حرکت مشخص را انجام می‌دهد و بعد ناپدید می‌شود!

با استناد به همین موضوع، برخی دانشمندان که البته اکثریت قریب به اتفاق آن‌ها را فیزیکدانانی تشکیل دادها‌ند که علاقه‌مند به حوزه فیزیک ذرات هستند، معتقدند انرژی تاریک عملا وجود ندارد و چیزی که باعث انبساط کیهان می‌شود، یک ذره کوانتومی ناشناخته است که دائما در حال ظاهر شدن و ناپدید شدن در فضا است. این ظاهر و ناپدید شدن دائمی باعث ایجاد آزاد شدن انرژی می‌شود و این انرژی هم چیزی است که ذرات را از یکدیگر دور می‌کند. هنگامی که ذرات تشکیل دهنده کیهان از یکدیگر دور شوند، واضح است که کیهان هم بزرگتر می‌شود!

طرفداران این تئوری معتقدند تا زمانی که فرایند غیب و ظاهر شدن این ذره بخصوص که عامل گسترده‌تر شدن کیهان است، ادامه پیدا کند، انبساط کیهان هم ادامه پیدا خواهد کرد.

اشتباه انیشتین!

اگر از برخی فیزیکدانان بپرسید که ” انرژی تاریک چیست؟ ” پاسخی که از آن‌ها می‌شنوید این است که انرژی تاریک اصلا وجود ندارد! این فیزیکدانان معتقدند نظریه نسبیت عام انیشتین و درکی که ما با استناد به این نظریه راجع به مقوله جاذبه داریم، کاملا اشتباه است! این افراد هیچ نظریه جدیدی در رابطه با مفهوم جاذبه ارائه نمی‌کنند اما به هرحال معتقدند که درک کنونی ما در رابطه با جاذبه اشتباه است و بهتر است بجای پافشاری بر این درک اشتباه، به سراغ تئوری‌های جدید و درست‌تری در این رابطه برویم.

اگر واقعا درکی که ما نسبت به جاذبه داریم اشتباه باشد، آنگاه ممکن است دستیابی به یک تئوری جدید بتواند انرژی تاریک و حتی ماده تاریک را از حالت مجهول یا همان “تاریک” خودشان خارج کند و آن‌ها را به یک اصل کاملا قابل درک در دنیای فیزیک تبدیل کند.

به طور کلی نمی‌توان از این فیزیکدانان صرفا بخاطر اینکه حرفی خارج از عرف جامعه علمی می‌زنند، انتقاد کرد چرا که نباید فراموش کنیم هزاران سال است که جامعه علمی به یک سری نتایج پی می‌برد و سپس این نتایج توسط دانشمندان بعدی زیر سوال می‌رود. اما با تمام این حرف‌ها، این واقعیت را نیز هرگز نباید فراموش کنیم که قانون نسبیت انیشتین در حال حاضر توانایی توصیف هر پدیده‌ای در کیهان را دارد. درواقع حتی باوجود اینکه ماده تاریک و انرژی تاریک برای بشر ناشناخته هستند، اما وجود آن‌ها به انواع مختلف در نظریه نسبیت انیشتین پیش‌بینی شده است. ضمن اینکه بسیاری پدیده‌های دیگر هم هستند که انیشتین به وجود آن‌ها اشاره کرده بود و ده‌ها سال بعد مشخص شد که حق با او بوده است.

پس به طور کلی با وجود اینکه طبیعتا نظریه نسبیت عام انیشتین هم مانند هر نظریه دیگری ممکن است اشتباه باشد، اما از آنجایی فیزیکدانان با استناد به این نظریه توانسته‌اند حتی ناشناخته‌های کیهان را نیز تا حد قابل قبولی درک و حتی پیش‌بینی کنند، در نتیجه زیر سوال بردن این نظریه مانند زیر سوال بردن پایه و اساس فیزیک مدرن است. اگر روزی ثابت شود که نظریه نسبیت انیشتین اشتباه بوده، آنگاه همین اتفاق به تنهایی می‌تواند یکی از بزرگترین و مهمترین کشف‌های علمی تاریخ بشریت باشد چرا که با این اتفاق، تقریبا هر آنچه که ما اکنون از سرتاسر جهان هستی می‌دانیم، زیر سوال خواهد رفت!

نیروی پنجم + ثابت کیهانی = بوم!

نظریه آخری که در این مقاله قصد داریم به آن بپردازیم، انقدر پیچیده است که حتی دانشجویان رشته فیزیک هم به سختی می‌توانند آن را درک کنند! این نظریه در زبان انگلیسی با نام کوئینتِسِنس (Quintessence) و در زبان علمی کشور خودمان به “اثیر” شناخته می‌شود. پیش از ادامه بحث، حتما به این موضوع دقت کنید که “اثیر” را با “اسیر” به معنای “تحت اسارت” اشتباه نگیرید؛ اثیر در زبان علمی کشور ما، یک نوع عنصر ناشناخته است که بعضا از آن به عنوان عنصر پنجم هم یاد شده است.

همانطور که اشاره شد، این تئوری به معنی واقعی کلمه پیچیده و سطح بالا است اما با این حال می‌توان یک توصیف بسیار ساده هم برایش ارائه داد. این تئوری درواقع ترکیبی از تئوری اول و دومی است که در این مقاله به آن‌ها اشاره کردیم. به طور کلی می‌توان گفت که کوئینتِسِنس یا اثیر، ورژن تغییر یافته نیروی پنجم و همچنین ثابت کیهانی است.

به عقیده برخی از طرفداران این تئوری، اثیر همان نیروی بنیادی پنجم است. اما بر خلاف تئوری مربوط به نیروی پنجم که در همین مقاله هم به آن پرداختیم، اثیر در سرتاسر کیهان پخش شده و اینگونه نیست که تنها در یک ابعاد معین خودش را نشان دهد. اما اثیر در آن واحد که نیروی پنجم است، ثابت کیهانی هم به شمار می‌رود! ولی یک تفاوت بسیار مهم را نیز با ثابت کیهانی دارد و آن هم این است که اثیر برخلاف ثابت کیهانی، یک مقدار ثابت نیست و به مرور زمان و بسته به مکانی که در آن قرار دارد، افزایش پیدا می‌کند.

درنتیجه می‌توان عنوان کرد که انرژی موجود در تمام اثیرها یا همان کوئینتِسِنس‌های کیهان، حتی آن دسته از کوئینتِسِنس‌هایی که سرتاسر سیاره خود ما را نیز در بر گرفته‌اند، به مرور زمان افزایش پیدا خواهد. اما سطح انرژی تمام کوئینتِسِنس‌های کیهان در آن واحد با یکدیگر برابر نیستند و ممکن کوئینتِسِنس‌هایی که در نقطه دیگری از کیهان قرار دارند، انرژی بیشتری از کوئینتِسِنس‌های اطراف ما داشته باشند.

نکته بسیار مهم و شاید ترسناک در رابطه با کوئینتِسِنس این است که به عقیده موافقان این تئوری، میزان افزایش سطح انرژی اثیر دارای هیچ حد و مرزی نیست. در نتیجه ممکن است انرژی موجود در تک تک کوئینتِسِنس‌های موجود در کیهان، به مرور زمان انقدر زیاد شود که در نهایت اتم‌های کیهان توانایی تحمل آن را نداشته باشند و از درون منفجر شوند. نیازی به توضیح نیست که چه اتفاقی می‌افتد اگر تک تک اتم‌های کیهان، به یکباره منفجر شوند!

در پایان این مقاله، باید بار دیگر به این موضوع اشاره کنیم که هنوز دانشمندان از چیستی یا ماهیت انرژی تاریک مطمئن نیستند. اما می‌دانند یک چیزی در کیهان وجود دارد که باعث دورتر شدن اجزای سازنده جهان هستی از یکدیگر می‌شود و نام این “چیز” را، انرژی تاریک گذاشته‌اند. پس این سوال که واقعا ” انرژی تاریک چیست؟ ” سوالی است که حداقل در حال حاضر، علم بشر پاسخی قطعی برای آن ندارد.

اما به نظر شما کاربران گجت نیوز انرژی تاریک چیست؟ کدام یک از تئوری‌هایی که در این مقاله مطرح شد، از نظر شما منطقی‌تر است؟