چرا فواصلی که می‌بینیم با سن جهان همخوانی ندارند؟

در مورد جهان شناخته‌شده، چند حقیقت وجود دارد که به ریشه‌ی پیدایش آن، تاریخ و آن‌چه اکنون هست، اشاره می‌کنند. درک این حقایق از عهده‌ی همگان برنمی‌آید و نیاز به مقالات متعددی دارد؛ اما یکی از این حقایق، بسیار مهم و مورد توجه است. مه‌بانگ، بیگ‌بنگ یا انفجار بزرگ، نامی است که به این حقیقت فرضی داده‌اند و آن را منشأ پیدایش جهان می‌دانند؛ یعنی انفجاری که اجازه داد جهان ما وجود داشته باشد. جهانی که در آن زندگی می‌کنیم، از آن لحظه به بعد توضیح داده می‌شود. تمام مواد و تابش موجود در جهان، از آن لحظه به بعد به وجود آمدند و به‌تدریج ستاره‌ها، سیاره‌ها، کهکشان‌ها و حتی انسان‌ها را شکل دادند. موادی که بدن ما را تشکیل می‌دهند، در ستارگان نیز می‌توان یافت و همین موضوع نشان می‌دهد که ما نیز بخشی از این کیهان هستیم و از همان ماده‌ی اولیه تشکیل شده‌ایم.

ما تا چه فاصله‌ای از جهان را می‌‌توانیم ببینیم؟ سرعت نور، حد سرعت جهان است؛ بنابراین ممکن است با خود فکر کنید بیشترین فاصله‌ای که ما می‌توانیم به کمک ابزار رصد کنیم، ۱۳.۸ میلیارد سال نوری خواهد بود؛ زیرا سن جهان ۱۳.۸ میلیارد سال است؛ اما کاملاً در اشتباه هستید. ۱۳.۸ میلیارد سال نوری، در مقایسه با دورترین فاصله‌ای که ما می‌بینیم، رقمی بسیار کوچک است. در همین لحظه و به کمک ابزاری که در اختیار داریم، می‌توانیم در تمام جهات، فاصله‌ای برابر با ۴۶ میلیارد سال نوری را رصد کنیم و با یک محاسبه‌ی ساده، می‌توان پی برد که قطر جهان قابل مشاهده، ۹۲ میلیارد سال نوری است.

به‌راستی چرا این‌گونه است؟ چرا سن جهان با فواصلی که می‌بینیم هم‌خوانی ندارد؟ چگونه ممکن است جهان ۱۳.۸ میلیارد سال سن داشته باشد؛ اما دورترین نقطه در فاصله‌ی ۴۲ میلیارد سال نوری قرار گرفته باشد؟ روش‌های زیادی وجود دارند که علت این مشکل را توضیح می‌دهند؛ اما تنها یک روش وجود دارد که ما را به دقیق‌ترین پاسخ می‌رساند. در ادامه تمامی توضیحات را بررسی می‌کنیم.

مواد همه‌جا هستند و نور با سرعت نور حرکت می‌کند

این یک حالت پیش‌فرض است که همگان آن را در نظر می‌گیرند. جهان ما مملو از ستاره‌ها و کهکشان‌ها است و هر جا که بنگریم، می‌توانیم آن‌ها را ببینیم. این ستاره‌ها و کهکشان‌ها، تقریباً در همان لحظات اولیه‌ی تولد جهان شروع به شکل‌گیری کرده‌اند و شاید بتوان گفت شکل‌گیری آن‌ها پیش از هر چیز دیگری آغاز شد. هرچه ما صبر و حوصله داشته باشیم و انتظار بکشیم، می‌توانیم فواصل دورتری را ببینیم؛ زیرا نورهمواره در خط مستقیم و با سرعت نور حرکت می‌کند. بنابراین پس از گذشت ۱۳.۸ میلیارد سال، انتظار داریم بتوانیم آن‌چه ۱۳.۸ میلیارد سال پیش رخ داده است، مشاهده کنیم و شکل‌گیری ستاره‌ها و کهکشان‌ها را پس از مه‌بانگ ببینیم.

مواد همه‌جا هستند، نور با سرعت نور حرکت می‌کند و همه‌چیز در حرکت است

توضیح دوم، یک لایه دیگر به مشکل ما اضافه می‌کند. نه‌تنها جهان مملو از اجرام مختلف است و این اجرام از خود نوری ساطع می‌کنند که با سرعت نور حرکت می‌کند؛ بلکه این اجرام می‌توانند نسبت به یکدیگر حرکت داشته باشند. این اجرام تقریباً با سرعتی نزدیک به سرعت نور در حرکت هستند و نور ساطع‌شده از آن‌ها نیز با سرعت نور و در یک مسیر مستقیم، به سمت من و شما حرکت می‌کند؛ بنابراین با توجه به نظریه‌ی نسبیت خاص، مادامی که نور آن اجرام به سمت شما حرکت می‌کند، می‌توانید فاصله‌ای تا دو برابر مرحله‌ی قبلی را مشاهده کنید. یعنی اگر در مرحله‌ی نخست تصور شما دیدن فاصله‌ی ۱۳.۸ میلیارد سال نوری بود، اکنون ۲۷.۶ میلیارد سال نوری را می‌توانید ببینید. این اجرام اکنون در فاصله‌ی ۲۷.۶ سال نوری قرار دارند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور، از ما فاصله می‌گیرند.

مواد همه‌جا هستند، نور با سرعت نور حرکت می‌کند، همه‌چیز در حرکت است و جهان منبسط می‌شود

اکنون وقت آن است که یک لایه‌ی دیگر نیز به مشکل ما اضافه شود؛ لایه‌ای که مدت زیادی افرادی را سخت به خود مشغول کرده است. در حالات پیشین، ما دانستیم که جهان مملو از ماده است که ستاره‌ها، کهکشان‌ها و ما را شکل داده؛ همچنین دانستیم سرعت نوری که از این اجرام ساطع می‌شود و در خلأ حرکت می‌کند، حد سرعت عالم است. دانستیم این تمام این مواد در فضا نسبت به یکدیگر حرکت دارند و از گرانش یکدیگر تأثیر می‌پذیرند. تمام این‌ها را در مراحل پیشین دانستیم؛ اما یک مورد مهم دیگر نیز وجود دارد که باید بدانیم. فضایی که تمام این مواد و نور در آن قرار گرفته‌اند، منبسط می‌شود.

وقتی به یک کهکشان دوردست می‌نگرید، می‌بینید که آن کهکشان، قرمزتر از حد معمول است. حتماً در دوران تحصیل با پدیده‌ای به نام اثر دوپلر آشنا شده‌اید. اثر دوپلر بیان می‌کند که فرکانس ظاهری یک موج، بر اثر حرکت فرستنده یا گیرنده، دچار تغییراتی می‌شود. ما معمولاً از این اثر برای مطالعه‌ی امواج صوتی استفاده می‌کردیم؛ اما در تعریف این اتفاق، درستی آن در امواج الکترومغناطیسی (نور) نیز اثبات شده است. در خصوص نور، اگر منبع ساطع‌کننده‌ی نور از شما فاصله بگیرد، طول موج‌های بلندتری ارسال خواهد کرد و این یعنی نور منبع، به سرخی متمایل خواهد شد. به این اتفاق، اثر انتقال به سرخ می‌گویند و هرچه اجرام از ما بیشتر فاصله بگیرند، به سمت فروسرخ میل خواهند کرد. این بخشی از انبساط جهان است و بخش دیگر انبساط، توسط نسبیت عامتوضیح داده می‌شود.

نسبیت عام، بیشتر بر بافت فضا-زمان تمرکز دارد؛ بنابراین در مورد انبساط جهان نیز می‌توان از آن استفاده کرد. طبق این نظریه، هرچه جهان انبساط می‌یابد، بافت فضا-زمان کشیده‌تر می‌شود و طول موج آن نورهایی که از سوی اجرام ساطع می‌شوند نیز کشیده و بلندتر می‌شود. ممکن است فکر کنید تشخیص این‌که انتقال به سرخ در اثر حرکت خود اجرام اتفاق افتاده یا در اثر انبساط جهان بوده، دشوار است؛ اما این‌گونه نیست. شما می‌توانید به‌راحتی و به کمک ابزار ویژه، طول موج نوری را که می‌بینید، اندازه بگیرید؛ اما چگونه می‌توانید بگویید تغییرات طول موج در اثر حرکت آن جرم است یا در اثر کشش بافت فضا-زمان؟

دورترین کهکشان شناخته‌شده در جهان که تنها ۴۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ شکل گرفته است

با توجه به آزمایش‌های انجام‌شده‌، مشخص می‌شود که رابطه‌ای بین اثر انتقال به سرخ و درخشش یک کهکشان وجود دارد که این رابطه، تابع فاصله است. در جهانی که منبسط نمی‌شود، همان‌طوری که در مرحله‌ی نخست در نظر گرفتیم، بیشترین فاصله‌ای که می‌توانیم مشاهده کنیم قطعاً ۲۷.۶ میلیارد سال نوری خواهد بود که دو برابر سن فعلی جهان است؛ اما این در حالی است که ما امروزه می‌توانیم کهکشان‌هایی را مشاهده کنیم که دورتر از ۲۷.۶ میلیارد سال نوری هستند!

اگر تمام این توضیحات را کنار هم بگذاریم و مشاهداتی که انجام شده‌اند نیز در نظر بگیریم، باید بگوییم که در هر جهت، می‌توانیم کهکشان‌هایی را مشاهده کنیم که ۴۶ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارند و این یعنی قطر جهان قابل مشاهده، به ۹۲ سال نوری می‌رسد و همچنان گسترده‌تر از قبل خواهد شد؛ به گونه‌ای که برخی از قسمت‌های آن از دید ما پنهان می‌شوند، زیرا نور نمی‌تواند از آن‌ها به ما برسد و به زمان بیشتری نیاز دارد. اگر همین امروز با سرعت نور شروع به حرکت کنید، می‌توانید تنها یک‌سوم از مسیر را بپیمایید که برابر است با ۳ درصد از حجم کل جهان. به عبارت دیگر، ۹۷ درصد از حجم جهان به دلیل انبساط و وجود انرژی تاریک، غیر قابل دسترس خواهد بود و حتی اگر با سرعت نور حرکت کنید، هرگز به آن بخش‌ها نخواهید رسید.

جهان ما ۱۳.۸ میلیارد ساله است؛ اما اکنون ۹۲ میلیارد سال نوری قطر دارد که دقیق‌ترین رقم محاسبه‌شده تا به امروز است. جهانی با قطر ۹۲ میلیارد سال نوری که تمام کهکشان‌ها، ستاره‌ها، مواد، سیاره‌ها، قوانین نظریه نسبیت عام و… را در خود جای داده و مملو از ماده‌ی قابل رؤیت و ماده‌ی تاریک است و همچنان گسترش می‌یابد. حقیقت این است که فضا گسترش می‌یابد و این گستردگی در فواصل میان خوشه‌های کهکشانی رخ می‌دهد و در فواصل کوچک‌تر (مانند فاصله بین دو سیاره یا ستاره) نمی‌توان این انبساط را مشاهده کرد. انبساط بافت فضا-زمان در مقیاسی بزرگ‌تر از آن‌چه چشمان ما می‌توانند ببینند رخ می‌دهد.