پیشگفتار کتاب کتابچۀ کیهان
صفحات پیش رو پیشدرآمدی است بر کیهانشناسی مدرن، یعنی مطالعۀ جهان[1] در بزرگترین مقیاسهای فضا و انرژی و زمان. امید میرود مطالب این کتاب برخی از ویژگیهای بنیادین آنچه را که دربارۀ جهان میدانیم- از جمله ترکیب، هندسه، روند تکامل و قوانین فیزیکی که آن را توصیف میکنند- بیان کنند و همچنین نشان دهند که چگونه به این دانش رسیدهایم.
وقتی موضوع مطالعه جهان باشد با انواع و اقسام نظریهها و گمانهزنیهای عجیب و غریب مواجه هستیم، اما شاید اینها جنبۀ شگفتانگیز موضوع را پنهان کنند: اینکه میتوانیم با اندازهگیریهایی با دقت یکصدم، جهان را در بزرگترین مقیاسهایش درک کنیم.
خواهیم دید که جهان در بزرگترین مقیاسها و دوران ابتدایی بهطور حیرتانگیزی ساده است و تنها با چند پارامتر توصیفشدنی است.
درک جهان بسیار سادهتر است از درکِ مثلاً زمین پیچیدۀ شگفتانگیز (برای نمونه میتوان به فاکتورهایی مانند جو، اقیانوسها، قارههای متحرک و میدان مغناطیسیاش اشاره کرد که باعث میشوند درک زمین سختتر باشد).
تلاش میکنم در این کتاب نهتنها مشاهدات و اندازهگیریهای معمول را شرح دهم، که نحوۀ ترکیب آنها را از طریق توصیفهای فیزیکی در قالب یک تصویر یکپارچه بیان کنم. تصویری که شرح میدهم الزاماً تنها تصویر ممکن نیست، اما دادهها را با کمترین مجموعۀ فرضیات توضیح میدهد. درستی یا نادرستی این چارچوب را مشاهدات مستمر آشکار خواهد کرد.
دانش ما از جهان در چیزی که آن را مدل معیار کیهانشناسی[2] مینامیم گنجانده شده و بهخوبی با مشاهدات مطابقت دارد. این مدل میتواند سناریوهای مختلف را پیشبینی کند، بسنجد و درصورت لزوم ثابت کند که فرضیه اشتباه بوده یا باید اصلاح شود.
این مدل از جمله میگوید که جهان از حدود 5 درصد مواد اتمی (موادی که ما از آن ساخته شدهایم)، حدود 25 درصد «مادۀ تاریک » و 70 درصد «انرژی تاریک» تشکیل شده است. براساس نظریۀ گرانشی اینشتین[3]، مدل معیار مشخص میکند که چگونه اجزای مختلف جهان از زمانهای بسیار دور تاکنون تطور یافتهاند.
بهبیان دیگر، نسبیت عام، شیوهای برای اندیشیدن به فضا فراهم میآورد که میتوان آن را بنیانی برای تبیین سازگاری اجزای کیهانی- تابش، اتم، ماده تاریک و انرژی تاریک- در ساختارِ جهانِ مشاهدهپذیر دانست. با وجود این موارد و هرچند مدل فوقالعادهای از جهان داریم، هنوز درک اساسی از اجزای تشکیل دهندۀ آن پیدا نکردهایم.
سؤالات بسیار هیجانانگیزی دربارۀ کیهانشناسی وجود دارد که همچنان دانشمندان در سراسر جهان آنها را بررسی میکنند و در پایان این کتاب به آنها میپردازیم.
به پیروی از مسیری که خود در یادگیری کیهانشناسی طی کردم، کتاب بر شناخت جهان از طریق اندازهگیری «تابش ریزموج زمینۀ کیهانی» (CMB)[4] (گرمای ضعیف باقیمانده از زمان شروع جهان) تمرکز دارد.
برای پشتیبانی از این تفسیر شواهد قوی وجود دارد. هرچند تابش زمینۀ کیهانی شبیه گرمای تابشی خورشید یا اجاق برقی است، اما در مقایسه با اینها، دمای بسیار بسیار سردتری دارد. با توجه به منشأ بسیار قدیمیِ آن تنها 725/2 درجه سانتیگراد بالاتر از صفر مطلق یا 725/2 کلوین است.[5] ولی تابش زمینۀ کیهانی، به جز دمایش، نکات خیلی بیشتری دارد.
در واقع، بیشتر مواردی که از آن میآموزیم ناشی از تغییرات جزئی دمای آن در جایجای آسمان است. برای مثال، (اگر جهت دلخواه را انتخاب کنیم) تابش زمینۀ کیهانی در قطبهای آسمانی شمال و جنوب کمی متفاوت است.
از آنجا که تابش زمینۀ کیهانی را میتوان با این جزئیات دقیق اندازه گرفت، وقتی به درکی پذیرفتنی از آن برسیم، پایه و اساس مدل کیهانی ما را شکل میدهد. بااینهمه، پیش از بررسی ویژگیهای مختلف تابش زمینۀ کیهانی و چیزهایی که در موردش میگویند، ابتدا باید چند مفهوم اساسی را دربارۀ نحوۀ تفکر دربارۀ کیهان بیاموزیم.
در فصل اول، با راهنما قرار دادنِ دو مشاهده، مبانی را بیان میکنیم و به برخی مطالب پایهای دربارۀ کیهان میپردازیم: یکی اینکه سرعت نور محدود است و دیگر اینکه جهان در حال گسترش است.
از تلفیق این دو واقعیت به چارچوبی دست مییابیم که در فصلهای بعد استفاده میشود. در فصل دو ساخت و ترکیب جهان را بررسی میکنیم نه با تمام جزئیات، بلکه با تمرکز بر اجزایی که در دورههای مختلف تاریخ کیهانی ما غالب بودهاند. این ساخت و ترکیب جهان است که به آن میگوید چگونه تطور یابد.
دربارۀ چگونگی همکاری و تعامل اجزای جهان برای تشکیل ستارگان، کهکشانها و خوشههای کهکشانی نیز بحث میکنیم. به این موارد در کیهانشناسی «ساختار» میگویند. کل فرایند شکلگیری ساختار در مهبانگ یا بیگبنگ ریشه دارد و در نهایت باعث پیدایش زمین و ما شد. در فصل 3 تغییرات دماییِ کمِ تابش زمینۀ کیهانی را که در عکس نجومی 1 نشان داده شده توضیح میدهیم. اگر این تصویر را درک کنیم بخش وسیعی از جهان را فهمیدهایم.
سپس در فصل چهارم تکهها را کنار هم قرار میدهیم و مدل معیار کیهانشناسی را ارائه میدهیم. هرچند مدل معیار قدرت شگفتانگیزی در پیشبینی دارد، مسائل بسیار زیادی ناشناخته باقی میماند. درنهایت، در فصل پنجم، برخی مرزهای تحقیقات نظری و تجربی کیهانشناسی را شرح میدهیم.
کیهانشناسی رشتهای پرجنبوجوش و هیجانانگیز است. جستوجو در پی علم در هر دو جبهۀ نظری و تجربی بیش از هر زمان دیگری ادامه دارد. برای مشاهدهگران کیهان، مانند خودم، تابش زمینۀ کیهانی همچنان میتواند اطلاعات تازهای به ما بدهد و حتی ممکن است عناصر تازهای به مدل معیارمان ببخشد و شاید ما را بهسمت اکتشافهای جدید هدایت کند.
پیش از شروع، اجازه دهید نکتۀ مختصری دربارۀ سطح این کتاب اضافه کنم. یکی از چالشها در زمینۀ توضیح پیشرفتهای اخیر علم ارائۀ مفاهیم در سطحی مناسب برای خواننده است. درحالیکه در طول کتاب اصطلاحات و مفاهیم مختلف علمی را تعریف میکنم، با خود پیشفرضهایی دربارۀ دانش پیشزمینۀ خوانندگان و سطح کلی علاقهمندی آنها دارم.
بدین منظور چند ضمیمه با جزئیات بیشتری در مورد برخی موضوعات افزودهام تا درصورت نیاز استفاده شود. برای مثال فرض من بر این است که خوانندگان میدانند که نور یک موج با طول موجی مشخص است که حامل انرژی است، بااینهمه در صورتی که خواننده اطلاعات بیشتری دربارۀ این موضوع بخواهد؛ ضمیمۀ الف-1، با عنوان «طیف الکترومغناطیسی» راهنمایی مختصری دربارۀ منابع مختلف تابش[6] و طول موج آنها عرضه میکند. انتظار دارم بیشتر خوانندگان بدانند که سرعت نور متناهی است و یک شاخص ثابت اساسی طبیعت است.
ولی آنچه کمتر به آن اشاره میشود این است که صرف نظر از اینکه کجای جهان هستید یا با چه سرعتی حرکت میکنید، سرعت نور در خلأ را 300.000 کیلومتر بر ثانیه اندازهگیری خواهید کرد. این موضوع یکی از پایههای نظریۀ نسبیت خاص اینشتین است.
برای اینکه حجم کتاب زیاد نشود خیلی عمیق وارد مسئلۀ نسبیت نمیشوم (کتابهای دیگری در این زمینه وجود دارند که خوب به این مسئله پرداختهاند) یا موضوعات دیگری از این قبیل را عمیق بررسی نمیکنم؛ اما همانطور که پیش میرویم، مفاهیم فیزیکی مربوط به بحثمان از کیهان را با جزئیاتی قدری بیش از آنکه شاید قبلاً دیده باشید توضیح خواهم داد.
بهناچار در اینجا پای محاسبات به میان میآید، اما اطمینان داشته باشید که ریاضیات مورد نیاز در حد رابطه سادهای چون: فاصله = سرعت × زمان خواهد بود و بیشتر اوقات از اعداد تقریبی برای فهم سادهتر استفاده میکنیم.
یک بخش دشوار کیهانشناسی این است که فاصلهها و مقیاسهای زمانی آنقدر بزرگ و طولانیاند که تصورشان سخت است. برای اینکه درکشان سادهتر شود، چیزها را با ابعاد میلیاردی میشماریم.
برای اینکه در مورد این ابعاد یک پیشزمینه به دست بیاورید، بگویم که بیش از هفتمیلیارد نفر روی زمین زندگی میکنند، نوک انگشت شما حدود یکمیلیارد سلول دارد و یکمیلیارد شکلات ام اند ام[7] میتواند مکعبی به ضلع حدوداً شش متر را کاملاً پر کند.
چون که این کتاب در ردۀ آثار ترویج علم قرار میگیرد، (امیدوارم همکارانم مرا ببخشند) ارجاعدهی علمی رعایت نشده و منبع بیشتر ایدهها و یافتههای علمی ذکر نشده است.
در این کتاب کوچک قرار است به یک چیز بزرگ بپردازیم، کلّ جهان. پس به پیش!
اگر علاقهمند شدی کتاب رو بخونی، اینجاست!
[2]. Standard Model of Cosmology
[3]. Einstein’s theory of gravity
[4]. Cosmic Microwave Background
[5]. تابش زمینۀ کیهانی اغلب «پسزمینه 3 کلوین» نامیده میشود، زیرا 725/2 کلوین تقریباً 3 کلوین است. میزان درجۀ سانتیگراد بالای صفر مطلق با مقیاس دمای کلوین مطابقت دارد. یعنی 1 درجۀ سانتیگراد بالای صفر مطلق 1 کلوین است.
[6]. تابش و نور اینجا هممعنی بهکار میروند.
[7]. M&Ms