نویسنده و گردآورنده : شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

در سال های ۱۹۲۰ هنگامی که ستاره شناسان طیف نوری ستارگان کهکشان های دیگر را بررسی می کردند، چیزی بس عجیب نظرشان را جلب کرد: مجموعه رنگ هایی که در طیف نوری آنان حذف شده بود، همانند ستارگان کهکشان ما بود، اما همگی بطور نسبی بمقدار یکسانی به سوی انتهای سرخ طيف جابجا شده بودند .برای آنکه به نتایج ضمنی این پدیده پی ببریم،  نخست باید با اثر «دوپلر» آشنا شویم. همچنانکه دیده ایم، نور مرئی از نوسان ها یا موج هائی در میدان الکترومغناطیس تشکیل میشود.بسامد (یا تعداد موج در ثانیه) نور بسیار زیاد است:از چهار تا هفت صد ملیون ملیون موج در ثانیه، بسامدهای مختلف به دیده ما بصورت رنگهای مختلف ظاهر میشود. پائینترین بسامد در انتهای سرخ طیف نوری و بالاترین بسامد در انتهای آبی آن پدیدار میگردد. حالا تصور کنید منبع نوری مثلا یک ستاره در فاصله ثابتی از ما قرار دارد و نوری با بسامد ثابت بسوی ما گسیل میکند.بدیهی است، بسامد امواج دریافتی با بسامد امواج ارسالی برابر است (میدان گرانشی کهکشان باندازه کافی بزرگ نیست و تأثیر چندانی ندارد). حالا فرض کنید منبع نور به سوی ما شروع بحرکت کند، وقتی که دومین تاج موج را گسیل میکند ،خود در فاصله کمتری از ما قرار دارد، بنابراین مدت زمانی که طول میکشد تا تاج موج به ما برسد کمتر از وقتی است که ستاره ساکن بود. در نتیجه زمان بین دریافت دو تاج موج بوسیله ما، کوتاهتر است، و بنابراین تعداد موجهایی که در هر ثانیه( یعنی بسامد) دریافت میکنیم از وقتی که ستاره ثابت بود ،بیشتر است. به همین ترتیب، اگر منبع نوراز ما دور شود، بسامد امواج دریافتی کمتر خواهد بود .بنابراین با توجه به پدیده فوق متوجه میشویم که طیف نوری ستارگانی که از ما دور میشوند، به سوی انتهای سرخ طيف جابجا میشود (انتقال یافته به سرخ) و ستارگانی که به ما نزدیک می شوند، طیف نوریشان به سوی انتهای آبی جابجا میگردد. در تجربه روزمره نیز به این ارتباط میان بسامد و سرعت که اثر دوپلر نامیده می شود، بسیاربرمی خوریم، به صدای ماشینی که از خیابان میگذرد، گوش کنید: وقتی بما نزدیک می شود، (صدای موتور بخاطر زیاد شدن بسامد امواج صوت) با  دانگ( Pitch) بیشتری شنیده میشود و چون از ما دور میگردد، دانگ صدا گاهش می یابد. رفتار نور و امواج رادیوئی نیز بهمین سان است. در واقع پلیس با استفاده از اثر دو پلر و تعیین بسامد امواج رادیونی بازتابیده از اتوموبیل ها، سرعت آنها را مشخص میکند.

هابل پس از اثبات وجود کهکشان های دیگر، سالهای باقی عمر را صرف فهرست کردن فاصله و مطالعه طیف نوری آنها نمود. در آن هنگام بیشتر مردم انتظار داشتند که کهکشانها خط سیری کاملا تصادفی را بپیمایندو در نتیجه شمار طیفهای انتقال یافته به سرخ با طیف های انتقال یافته به آبی برابر باشد. اما با کمال تعجب، طیف بیشتر کهکشانها انتقال یافته به سرخ از کار درآمد: تقریباً همگی از ما دور می شدند! حیرت آورتر از آن چیزی بود که هایل در سال ۱۹۲۹ منتشر کرد: حتی میزان انتقال به سرخ طیف ها نیز کمیتی تصادفی نیست، بلکه مستقیماً با فاصله کهکشان از ما متناسب است. به عبارت دیگر هر چه کهکشان از ما دورتر است، با سرعت بیشتری از ما فاصله می گیرد! این اکتشاف به معنای آن بود که بر  خلاف تصور رایج آنزمان، جهان ایستا نیست و در حقیقت مرزهای آن در حال گسترش است. فاصله کهکشانهای مختلف از یکدیگر همواره در حال افزایش است.

کشف اینکه جهان در حال گسترش است، یکی از انقلاب های فکری بزرگ قرن بیستم بود. اگر ما وقع را دوباره مرور کنیم، از این که زودتر از اینها کسی به این موضوع پی نبرد، دچار شگفتی میشویم. نیوتن و دیگران بایستی باین فکر می افتادند که جهانی ایستا بزودی زیر تأثیر گرانش شروع به انقباض می کند. اما فرض کنیم جهان در حال گسترش است. اگر سرعت آن نسبتاً پائین باشد، سرانجام نیروی گرانش موجب توقف و سپس انقباض آن خواهد گردید. در صورتی که جهان با سرعتی بیش از یک سرعت بحرانی در حال گسترش باشد، گرانش هرگز نخواهد توانست آن را متوقف کند و جهان تا ابد به گسترش خود ادامه خواهد داد. این تا حدودی همانند پرتاب موشک از سطح زمین است،اگر سرعت موشک نسبتاً کم باشد، گرانش سرانجام آن را از حرکت باز خواهد داشت و موشک سقوط خواهد کرد. از طرف دیگر، اگر سرعت موشک از حد معین بیشتر باشد (تقریباً هفت مایل در ثانیه) گرانش نخواهد توانست آن را باز پس بکشد و در نتیجه موشک همواره از زمین دور خواهد شد. این رفتار جهان ،در قرن نوزدهم ،هجدهم یا حتی در اواخر قرن هفدهم، از تئوری گرانش نیوتن قابل استنباط بود. با اینهمه، باور به ایستایی جهان چنان نیرومند بود که تا اوایل قرن بیستم پایدار ماند. حتی انشتین، هنگام فرمول بندی نظریه نسبیت عام در سال ۱۹۱۵، چنان به ایستا بودن جهان اطمینان داشت که اصلاحاتی در تئوری خود به عمل آورد تا آنرا امکان پذیر سازد. او در معادلات خود، ثابتی بنام ثابت کیهانی وارد کرد و نیرویی بنام پادگرانش را معرفی نمود که برخلاف دیگر نیروها، از منبع خاصی ناشی نمیشد بلکه در کالبد فضا– زمان نهفته بود .او ادعا کرد که فضا –زمان گرایشی درونی به گسترش دارد که دقیقاً در تقابل با خاصیت جاذبه هـمه اجسام موجود در جهان، موجب ثبات و قرار عالم میشود. بنظر می رسد تنها یک نفر مایل بود نسبیت عام را با همان شکل و شمایل دست نخورده اش بپذیرد. هنگامی که انشتین و دیگر فیزیکدانان در جستجوی راهی بودند تا مانع از پیش بینی جهانی پویا بوسیله نسبیت عام شوند، فیزیکدان و ریاضیدان روسی، الکساندر فریدمان دست به توضیح و تبیین آن زد.

فریدمان دو فرض بسیار ساده دربارۀ عالم مطرح نمود: به هر سوی جهان که نظر بیاندازیم ،با دیگر بخشهای آن تفاوتی ندارد و دیگر آنکه از هر نقطه دیگری نیز جهان را مورد بررسی قرار دهیم، فرض اول همچنان صادق است. با استفاده از همین دو فرض، فریدمان نشان داد که نباید انتظار داشته باشیم جهان ساکن و ایستا باشد. در واقع سالها پیش از کشف ادوین هابل، فریدمان دقیقاً کشفیات او را پیش بینی کرده بود!

اینکه جهان در هر سویکسان بنظر میرسد، به وضوح فرض درستی نیست. مثلا همانطور که دیدیم، ستارگان دیگر در کهکشان ما باند نوری متمایزی در آسمان شبانگاهی تشکیل میدهند که راه شیری نام دارد. اما اگر به کهکشانهای دوردست نگاه کنیم، بنظر میرسد کمابیش شمار یکسانی از آنان وجود داشته باشد. بنابراین بشرط آنکه جهان را در ابعاد بسیار بزرگ، در مقایسه با فاصله میان کهکشان ها در نظر آوریم، و اختلاف های موجود در ابعاد خرد را نادیده بگیریم ،از هر سو که به جهان نظر کنیم، تصویری تقریباً یکسان دارد. این مطلب برای مدتی دراز، توجیه مناسبی برای فرض فریدمان به شمار میرفت– یعنی تقریبی نسبی از جهان واقعى. اما اخيراً، حادثه خوش یمنی نشان داد که فرض فریدمان در واقع توصیف دقیقی از جهان ما بدست میدهد.

در سال ۱۹۶۵ دو فیزیکدان آمریکایی در آزمایشگاه تلفن بل در نیوجرسی، بنامهای آرنوپنزیاس و رابرت ویلسن، یک آشکارساز بسیار حساس مایکرو ویو را آزمایش میکردند .(امواج مایکروویو درست مثل امواج نورند اما بسامد آنها از مرتبه ده هزار ملیون در ثانیه است). آندو متوجه شدند که آشکارساز آنان، بیش از آنکه انتظار میرفت، نوفه (Noise) بر می گیرد و مشخص نبود نوفه از کدام سو به انان میرسد. نخست مواردی از نقص فنی در آشکار سازشان پیدا شد و آنها به دنبال عیوب احتمالی دیگر، دستگاهشان را مجدداً مورد بازرسی قرار دادند و بزودی معلوم شد که دستگاه بخوبی کار میکند. آنها میدانستند که نوفه ای که منبع آن درون جو باشد، وقتی آشکارساز مستقیماً رو به بالا نباشد، قویتر از هنگامی است که رو به بالا باشد، زیرا اشعه نوری که در نزدیکی افق دریافت شود، در مقایسه با نوری که مستقیماً از بالای سرمان دریافت میکنیم، مسافت بیشتری را درون جو پیموده است. آشکارساز را به هر سو که برمی گرداندند، نوفه اضافی تغییری نمی کرد، بنابراین می بایست از خارج جو آمده باشد، همچنین میزان نوفه اضافه در طول شب و روز و در سراسر سال با وجود آنکه زمین گرد محور خودش و دور خورشید در حال چرخیدن است، ثابت باقی میماند. در نتیجه سرچشمه آن باید خارج از منظومه شمسی و حتی خارج از کهکشان ما باشد، چرا که در غیر این صورت، حرکت زمین جهت آشکار ساز را تغییر میداد و باعث تغییر نوفه اضافه میگردید. در واقع میدانیم که این نوفه باید بیشتر قسمتهای جهان مشاهده پذیر را بپیماید تا به ما برسد و از آنجا که در جهت های مختلف، ثابت است ،جهان نیز باید در همه جهات، هر چند در مقیاس کلان، یکسان باشد. اکنون معلوم شده است که به هر سوئی نظر کنیم، تغییرات این نوفه هیچگاه بیشتر از یک در ده هزار نمیشود –بنابراین پنزیاس و ویلسون بدون نقشه قبلی گواه نیرومندی در تأیید فرض اول فریدمان فراهم آوردند.

تقریباً همزمان با پنزیاس و ویلسون ، و در نزدیکی آنها، دوفیزیکدان آمریکایی دیگر بنام «باب دیک» و «جیم پی بلز» در دانشگاه پرینستون به میکرو موج ها علاقمند شده بودند. آنها مشغول کار روی موضوعی بودند که جرج گاموف (که زمانی شاگردفریدمان بود) مطرح نموده بود. او گفته بود که در آغاز، جهان باید بسیار چگال و گداخته بوده باشد، چندان گداخته که نورسفید از آن منتشر می شده. «دیک» و «پی بلز» استدلال میکردند که ما هنوز باید بتوانیم تابش جهان آغازین را ببینیم زیرا نور بخش های بسیار دوردست آن، تازه دارد بما می رسد. اما بدلیل گسترش یافتن جهان ،نور مورد نظر باید چندان انتقال یافته به سرخ باشد که اصلا بصورت میکروموج به نظر ما برسد. « دیگ»  و «پی بلز» داشتند خود را برای جستجوی این میکروموج آماده می کردند که بنزپاس و ویلسون از کار آنها خبردار شدند و متوجه گردیدند که قبلا آن را یافته اند. ازینرو جایزه نوبل سال ۱۹۷۸ به آنان اهدا شد(این امر ظاهرا باید بر دیک و پی بلز تا حدی گران آمده باشد، تا چه رسد به جرج گاموف!).

ادامه دارد..