واندرز فارسی | جهان عجایب

قبل از شروع سفر خود برای کشف اسرار جهان، باید سن و اندازه کیهان را درک کنیم. این مبنایی برای درک انبساط جهان و پدیده هایی است که سریعتر از سرعت نور هستند. سن جهان با مشاهده تشعشعات پس زمینه مایکروویو کیهانی تخمین زده می شود. تشعشعات پس زمینه مایکروویو از بیگ بنگ باقی مانده و در هر گوشه جهان نفوذ می کند. با تجزیه و تحلیل نوسانات دما در تابش پس زمینه مایکروویو، دانشمندان می توانند تاریخ جهان را ردیابی کنند و تخمین بزنند که 13.8 میلیارد سال قدمت دارد. با این حال، اندازه جهان از شهود ما بیشتر است. همانطور که جهان به انبساط ادامه می دهد، فضا خود به انبساط ادامه می دهد و به نور اجازه می دهد مسافت های بیشتری را در طول تاریخ کیهان طی کند تا سن واقعی آن.

بنابراین، با وجود اینکه جهان 13.8 میلیارد سال سن دارد، قطر جهانی که مشاهده می کنیم هنوز به 93 میلیارد سال نوری می رسد. یکی از شواهد مستقیم انبساط جهان، قانون هابل است که حقیقتی ساده اما عمیق را آشکار می کند: هر چه کهکشان ها از ما دورتر باشند، سریعتر دور می شوند. این نرخ رگرسیون را می توان با مشاهده پدیده انتقال به سرخ اندازه گیری کرد. Redshift یا انتقال به سرخ به پدیده ای گفته می شود که در آن طول موج تابش الکترومغناطیسی یک جسم به دلایلی افزایش می یابد. این نتیجه مستقیم انبساط جهان است. دانشمندان علاوه بر انتقال به سرخ، انبساط کیهان را از طریق روش‌های دیگری نیز مشاهده می‌کنند، مانند مشاهدات دقیق کهکشان‌های دور که نشان می‌دهد چگونه نرخ انبساط جهان در طول زمان تغییر می‌کند. این مشاهدات نه تنها به دانشمندان کمک می کند تا مدل های دقیق تری از کیهان بسازند، بلکه مفاهیمی در مورد ماده تاریک و انرژی تاریک، اجزای نامرئی اما مهم جهان را نیز معرفی می کنند.

نسبیت و انبساط جهان

نظریه نسبیت اینشتین یکی از پایه های فیزیک مدرن است. از دو بخش نسبیت خاص و نسبیت عام تشکیل شده است. نسبیت خاص مفهوم سرعت نور را به عنوان سرعت ثابت پیشنهاد می کند، در حالی که نسبیت عام گرانش را به عنوان انحنای فضا-زمان ناشی از ماده در نظر می گیرد. یکی از مشهورترین نتیجه گیری های نظریه نسبیت این است که هیچ جسمی با جرم سکون نمی تواند به سرعت نور برسد یا از آن فراتر رود. این به این دلیل است که وقتی سرعت به سرعت نور می رسد، جرم جسم باید بینهایت شود و انرژی مورد نیاز آن نیز برای شتاب گرفتن بی نهایت خواهد بود.

با این حال، انبساط جهان شامل حرکت ماده در فضا نیست، بلکه انبساط خود فضا است. این بدان معنی است که کهکشان ها در فضا با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت نمی کنند، بلکه با گسترش فضا همراه می شوند. بنابراین، انبساط جهان محدودیت سرعت نور در نظریه نسبیت را نقض نمی کند. برای درک آسان تر، بیایید از یک قیاس برای ترسیم برخی نقاط در یک فاصله معین با یک نشانگر روی یک بالن باد نشده استفاده کنیم، این نقاط نشان دهنده کهکشان های جهان هستند. وقتی بادکنک باد نمی شود، تمام نقاط نسبتاً به هم نزدیک هستند. اما همانطور که شروع به باد کردن بالون می کنید، متوجه خواهید شد که فاصله بین نقاط شروع به افزایش می کند.

توجه داشته باشید که نقاط خود حرکت نمی کنند. مواضع نسبی آنها ثابت می ماند. در این مدل سطح توپ نمایانگر فضایی دو بعدی شبیه به فضای سه بعدی است. همانطور که بالون منبسط می شود، نقاط روی سطح فاصله خود را از یکدیگر افزایش می دهند. این به دلیل حرکت نقاط روی سطح نیست بلکه کل سطح در حال انبساط است. البته این مدل یک استعاره ساده است. جهان دو بعدی نیست بلکه سه بعدی است و انبساط آن ممکن است پیچیده تر از سطح یک بالن باشد. اما این مدل راهی بصری برای درک مفهوم اساسی انبساط جهان ارائه می دهد. در مدل بالون، اگر بادکنک بی نهایت منبسط شود، فاصله بین نقاط با سرعت بی نهایت افزایش می یابد. در جهان واقعی، به دلیل انبساط فضا، فاصله بین کهکشان ها می تواند سریعتر از سرعت نور افزایش یابد و این اصل نسبیت را نقض نمی کند، زیرا نظریه نسبیت «اجازه نمی دهد» ماده از سرعت نور فراتر رود، اما فضا اینطور نیست.

معنای عمیق تر انبساط جهان

انبساط جهان نه تنها یک پدیده قابل مشاهده است، بلکه قوانین فیزیک ما را نیز به چالش می کشد و ما را ملزم می کند که ماهیت جرم، انرژی، زمان و مکان را بازنگری کنیم. از آنجایی که فضا می تواند به طور نامحدود گسترش یابد، سوال مهم این است که آیا قوانین فیزیک ما نیاز به انطباق با این چارچوب نامحدود دارند یا خیر. تحقیقات در مورد انبساط جهان همچنین به مفاهیم ماده تاریک و انرژی تاریک منجر شد. اینها اشکالی از ماده و انرژی هستند که ما نمی توانیم مستقیماً آنها را مشاهده کنیم، اما از طریق تأثیر آنها بر انبساط جهان، می دانیم که آنها اکثریت کل انرژی در جهان را تشکیل می دهند.

ماده تاریک از طریق اثرات گرانشی بر سرعت چرخش کهکشان ها و حرکت خوشه های کهکشانی تأثیر می گذارد، در حالی که انرژی تاریک نیروی اسرارآمیزی است که انبساط شتاب یافته جهان را به حرکت در می آورد. نحوه تعامل آنها با انبساط جهان و ماهیت آنها یکی از هیجان انگیزترین زمینه های تحقیق در فیزیک مدرن است. انبساط جهان همچنین مشاهدات و نظریه های آینده ما را با چالش هایی مواجه می کند.

همانطور که جهان به گسترش خود ادامه می دهد، کهکشان های دور از ما دورتر و دورتر می شوند و ممکن است در نهایت از محدوده رصد ما فراتر بروند. این بدان معنی است که ما ممکن است پنجره خود را به تاریخ اولیه جهان از دست بدهیم، در حالی که درک خود را از سرنوشت نهایی آن محدود می کنیم. اگرچه انبساط جهان به طور گسترده ای به عنوان یک واقعیت اساسی کیهان شناسی پذیرفته شده است، مکانیسم دقیق پشت آن تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده است.