مرکز واقعی جهان کجا است؟

راز بقا: هرآنچه فراتر از خوشه کهکشانی محلی خود مشاهده می‌کنیم، به صورت همه‌جانبه از ما دور می‌شود. اگر جهان درحال انبساط باشد، پس مرکز آن کجا است؟

نکات مهم مقاله:

اگر بخواهید سرعت پس‌رفت و فاصله‌ی هر کهکشان در کیهان را اندازه بگیرید، می‌توانید منشاء همه چیز را تا نقطه‌ای واحد ردیابی کنید و شاید به‌طرز شگفت‌انگیزی دریابید که آن نقطه، متمرکز بر ما نیست.

بااین‌حال، آن نقطه که چندین میلیون سال نوری از ما فاصله دارد، فاقد اهمیت است و از هیچ جهت معناداری نمی‌توان آن را به درستی مرکز کیهان درنظر گرفت.

زیرا آنچه ما معمولاً به‌عنوان بیگ‌بنگ می‌شناسیم، در نقطه‌ای واحد از فضا رخ نداد، بلکه مدت‌ها پیش در همه‌جا و به یک‌باره به‌وقوع پیوست؛ یعنی در یک لحظه از زمان.

صرف‌نظر از اینکه به کدام جهت نگاه کنیم یا تلسکوپ‌ها و ابزارهایمان تا چه مسافت‌هایی را رصد کنند، جهان در مقیاس‌های کیهانی بزرگ، تقریبا یکسان به نظر می‌رسد. تعداد کهکشان‌ها، نوع کهکشان‌ها، جمعیت ستاره‌های داخل آن‌ها، چگالی ماده معمولی و ماده تاریک و حتی دمای پرتو‌هایی که می‌بینیم همه یکنواخت و مستقل از جهتی هستند که به آن‌ها نگاه می‌کنیم. در مقیاس‌های چند میلیارد سال نوری، میانگین تفاوت دو منطقه فقط ۰٫۰۰۳ درصد یا حدود یک قسمت در ۳۰هزار است.

بزرگ‌ترین تفاوت‌هایی که می‌بینیم در واقع تابع جهتی که به آن نگاه می‌کنیم، نیستند، بلکه به دوری مسافتی که رصد می‌کنیم، وابسته‌اند. هر چقدر به مسافت‌های دورتری نگاه کنیم در حال دیدن گذشته‌های دورتر جهان هستیم و در نتیجه مقدار بیشتری از نور آن اجرام دوردست به سمت طول موج‌های طولانی‌تر منتقل می‌شود. بسیاری از افراد با شنیدن این حقیقت، چنین تصویری را در ذهن خود تجسم می‌کنند: هر چه مقدار نور منتقل‌شده به سمت طول موج‌های طولانی‌تر بیشتر باشد، اجرام با سرعت بیشتری در حال دور شدن از ما هستند؛ بنابراین اگر به تمام جهت‌ها نگاه کنید و از خود بپرسید «در چه نقطه‌ای از فضا تمام جهت‌ها یکسان هستند؟» می‌توانید مرکز جهان را پیدا کنید.
‌
می‌توان تمرین فوق را اجرا کرد، اما قطعا مقصدی که به آن می‌رسیم، مرکز جهان نخواهد بود. پس درباره‌ی دانش بنیادی ما نسبت به مرکز جهان چه اتفاقی رخ داده است؟

اغلب ما می‌دانیم وقتی اجرام به سمتمان حرکت می‌کنند، موج‌های فشرده‌ای منتشر می‌کنند به‌طوری‌که قله و قعر موج‌ها به یکدیگر نزدیک هستند. به‌طور مشابه وقتی جرمی از شما دور می‌شود اجرام دقیقا دارای طول‌موج‌های فاصله‌دار می‌شوند. معمولا این تجربه را درباره‌ی صدا داریم، به طوری که با دور شدن ماشین آتش‌نشانی یا پلیس، متوجه تغییر گام آن می‌شویم. همین مسئله برای نور هم صدق می‌کند. به انتقال امواج بر اساس حرکت، اثر داپلر هم گفته می‌شود که برگرفته از نام کاشف آن است.

البته تغییر طول موج نور را نمی‌توان به معنی گام طولانی یا کوتاه تفسیر کرد، بلکه این تغییر به معنی انرژی کمتر یا بیشتر است. برای نور باید به موارد زیر دقت کنیم:

طول موج بلندتر به معنی فرکانس پائین‌تر، انرژی کمتر و رنگ‌های سرخ‌تر است. در حالی که طول‌موج‌های کوتاه‌تر به معنی فرکانس‌های بالاتر، انرژی بیشتر و رنگ‌های آبی‌تر است.

بر اساس ماهیت ماده در جهان، در هر جرمی که اندازه‌گیری می‌کنیم، اتم‌ها و یون‌های آشنایی وجود دارد. تمام اتم‌ها و یون‌ها نور را در طول موج‌های مشخصی جذب یا منتشر می‌کنند؛ اگر بتوانیم اتم‌های یک طول موج را شناسایی و انتقال آن‌ها در خطوط طیفی را اندازه‌گیری کنیم، آن‌گاه می‌توانیم به چگونگی انتقال به سرخ یا انتقال به آبی نور پی ببریم.

برای نزدیک‌ترین اجرام هم انتقال به سرخ و هم انتقال به آبی را می‌بینیم که معادل با سرعت‌هایی بین چند صد تا چند هزار کیلومتر بر ثانیه است. کهکشان‌هایی مثل راه شیری که به گروه‌های کلان‌جرم بزرگ یا خوشه‌های کهکشانی متصل نیستند، معمولا با سرعت کمتری به سقف سرعت می‌رسند؛ در حالی که کهکشان‌های بزرگ‌تر نزدیک به مرکز خوشه‌های کلان‌جرم می‌توانند به سرعت‌هایی معادل ۱ تا ۲ درصد سرعت نور برسند.

با دیدن مسافت‌های دورتر، محدوده‌ی یکسانی از سرعت را می‌بینیم. در واقع سرعت کهکشان‌ها معمولا از صد‌ها تا هزاران کیلومتر بر ثانیه متغیر است؛ اما هر چه کهکشانی از ما دورتر باشد، نور آن به سمت سرخ‌تر طیف تمایل پیدا می‌کند.

رصد‌ها بسیار شفاف هستند: هرچقدر جرمی از ما دورتر برود به‌طور میانگین، انتقال به سرخ آن بیشتر خواهد بود، اما آیا علت این مسئله حرکت جرم در فضا نسبت به ما است؟ یا اینکه به دلیل انبساط کلی در مقیاس‌های کیهانی رخ می‌دهد و باعث می‌شود نور همچنان در سفر طولانی خود به سمت سرخ طیف حرکت کند و ما را از جرم دلخواهمان دور کند؟

وقتی کهکشانی نوری را منتشر می‌کند، نور دریافتی ناظر دارای مجموعه‌ی خواص و طول‌موج‌های متفاوتی نسبت به لحظه‌ی انتشار نور است. دلیل این مسئله حرکت نسبی منبع نور نسبت به ناظر و همچنین انبساط کیهان است که بین منبع و ناظر رخ می‌دهد. هرچقدر فاصله با کهکشانی بیشتر باشد، انتقال به سرخ هم افزایش می‌یابد.

با اینکه درک سناریوی اول مبنی بر حرکت اجرام در فضا آسان است، سناریوی دوم نیاز به کمی توضیح دارد. بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، فضا یک پس‌زمینه‌ی ایستا نیست که ذرات و دیگر اجرام در آن حرکت می‌کنند، بلکه همراه با زمان بخشی از یک بافت است که بر اساس ماده و انرژی موجود در این بافت به تکامل می‌رسد. جرم بزرگی در یک موقعیت مشخص باعث خمیدگی بافت فضازمانی حول خود می‌شود و هر ذره‌ی موجود در فضا را وادار می‌کند بر اساس خمیدگی فضا حرکت کند. خمیدگی نور ستاره در اطراف خورشید در طول خورشیدگرفتگی، یکی از اولین آزمایش‌هایی بود که ثابت می‌کرد گرانش کاملا تابع پیش‌بینی‌های اینشتین بود و در تضاد با نظریه‌های قدیمی گرانش نیوتونی قرار داشت.

به علاوه، بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام، اگر جهانی داشته باشیم که به‌صورت یکپارچه با ماده و انرژی پر شده باشد، چنین جهانی نمی‌تواند دربردارنده‌ی فضازمان ایستا و غیرمتغیر باشد. در این صورت تمام راه‌حل‌ها برای این جهان به شدت ناپایدار هستند و جهان شما باید منبسط یا منقبض شود. با تکامل فضازمان، نور داخل آن هم به روش‌های زیر به تکامل می‌رسد:

با کوتاه‌شدن طول موج بر اثر انقباض بافت فضا
با کشیده‌شدن طول موج بر اثر انبساط بافت فضا

با حرکت نور در جهان، آثار تکاملی فضا روی تمام ویژگی‌های نوری که در مقابل دیدگان ما ظاهر می‌شود، نقش می‌بندد.

وقتی نور از یک منبع منتشر شود دارای طول موجی مشخص است. این نور تا زمانی که ناظری آن را جذب کند در جهان در حال انبساط حرکت می‌کند. هر چقدر فاصله بیشتر باشد، طول موج نور به سمت سرخی منتقل می‌شود یا به عبارتی کشیده می‌شود.

از دیدگاه تئوری هر دو اثر یادشده در حال وقوع هستند. بافت فضا در حال تکامل است و باعث حرکت نور و کشیده شدن آن می‌شود. از سوی دیگر کهکشان‌ها و دیگر اجرام منتشر‌کننده‌ی نور هم در جهان رو به تکامل حرکت می‌کنند و به انتقال‌های طیفی مبتنی بر حرکت می‌انجامند.

راهی وجود ندارد که بدانیم کدام یک از آثار فوق بیشترین تأثیر را بر جهان می‌گذارند. از دید ریاضی راه‌حل‌های متعددی برای یک معادله وجود دارند و معادله‌های نسبیت عام هم از این قاعده مستثنی نیستند. جهان هم می‌تواند در حال انقباض یا انبساط باشد. علاوه بر انتقال طیفی، انتظار داریم عامل حرکت اجرام در جهان بر اثر نیرو‌های گرانشی یا نیرو‌های دیگر ماده و انرژی را شناسایی کنیم.

هر انتقال طیفی که برای یک جرم مشخص می‌بینیم، در واقع ترکیبی از تمام آثار دیگر است. با اندازه‌گیری انتقال طیفی نور یک جرم مشخص نمی‌دانیم کدام مؤلفه‌ی نور کیهانی و کدام غیرکیهانی است؛ اما با رصد تعداد زیادی از اجرام در فاصله‌های مختلف می‌توانیم از روند‌های میانگین کل، به چگونگی تکامل کل جهان پی ببریم.

بر اساس شواهد مربوط به اواخر دهه‌ی ۱۹۲۰، جهان نه‌تن‌ها در حال انبساط است بلکه این انبساط با پیش‌بینی‌های نسبیت عام برای جهانی یکپارچه از انواع ماده و انرژی سازگار است. وقتی بدانیم جهانمان از چه چیزی ساخته شده و چگونه در حال انبساط است، معادله‌های نسبیت عام هم قابل پیش‌بینی می‌شوند. بر این اساس می‌توان مواردی مثل اندازه‌ی جهان در گذشته، فاصله و سرعت انبساط جهان در هر مقطعی در گذشته و حتی آینده را محاسبه کرد؛ بنابراین جهان در حال انبساط را نمی‌توان به یک انفجار گلوله‌مانند تفسیر کرد که همه چیز از آن با سرعتی متغیر به سوی بیرون حرکت می‌کند، بلکه چنین جهانی بیشتر مانند نان کشمشی در حال پف کردن است.

به‌این‌ترتیب، کهکشان‌ها کشمش‌های داخل نان و فضا خود نان است. با پف کردن نان، کشمش‌ها از یکدیگر دور می‌شوند، اما خود کشمش‌ها در نان حرکت نمی‌کنند. بلکه هر کشمش خود را در حالتی ایستا می‌یابد که شاهد دور شدن کشمش‌های دیگر است. در نتیجه، کشمش‌های دورتر با سرعت بیشتری دور می‌شوند؛

درست مانند کشمش‌های داخل قرص نان که با پف کردن نان از یکدیگر دور می‌شوند، کهکشان‌های جهان هم به همین ترتیب از یکدیگر فاصله می‌گیرند.

بنابراین از کجا بدانیم این قرص نان چقدر بزرگ است، ما در کدام نقطه‌اش قرار داریم و مرکزش کجاست؟ در صورتی می‌توان به این پرسش پاسخ داد که بتوانیم آن سوی لبه‌ی نان را ببینیم که نمی‌توانیم. بیگ‌بنگ که تقریبا ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش رخ داد به ما می‌گوید که حداکثر می‌توانیم ۴۶ میلیارد سال نوری را در تمام جهت‌ها ببینیم و حتی در آن محدوده‌ی فاصله، جهان به نظر یکپارچه می‌رسد. در نتیجه به موارد نامحدودی ازاین‌دست برمی‌خوریم:

قرص نان جهان ما چقدر ممکن است بزرگ باشد.
جهان مشاهده‌ناپذیر فراتر از حد دید ما چقدر بزرگ است.
توپولوژی و اتصال جهان نادیدنی چگونه است.
چه شکل‌هایی برای محدوده‌های جهان قابل قبول هستند؟

سؤال آخر شامل پرسش‌های فرعی مثل این است: آیا جهان ما مرکز دارد؟ آیا متناهی یا نامتناهی است و موقعیت ما نسبت به ساختار بزرگ‌تر جهان چیست. فعلا تنها نتیجه‌ای که می‌توان گرفت این است که جهان به شکل بی‌نقصی با نظریه‌ی نسبیت عام سازگار است و همان‌طور که کشمش‌های داخل قرص نان نمی‌توانند لبه‌ی نان را ببینند، هر ناظری در جهان صرفا می‌تواند شاهد دور شدن اجرام از خود باشد.

به طور کلی نمی‌توانیم بگوییم ما مرکز همه چیز هستیم. تنها نکته‌ی ممتاز درباره‌ی موقعیتمان در فضا این است که اجرام نزدیک به ما از قدیمی‌ترین و به تکامل رسیده‌ترین اجرام به شمار می‌روند و اجرام دوردست‌تر جوان‌ترند. سرعت انبساط اطراف ما در زمان حال کمتر از سرعت انبساط در فاصله‌های دورتر است و نوری که از نزدیک‌ترین اجرام به ما می‌رسد کمتر دچار انتقال به سرخ می‌شود و انتقال آن‌ها کمتر از اجرام دوردست تحت تأثیر مؤلفه‌ی کیهانی انتقال به سرخ قرار دارد.

در واقع اجرامی که در کل جهان وجود دارند، نمی‌توانند سیگنالی سریع‌تر از نور ارسال کنند و نوری که امروز از آن‌ها به ما می‌رسد در واقع متناظر با نوری است که سال‌ها پیش از آن‌ها منتشر شده است؛ بنابراین وقتی به فضا نگاه می‌کنیم گویی در حال نگاه کردن به گذشته هستیم و اجرامی با این خصوصیات را می‌بینیم:

اجرامی که گویی در گذشته هستند. اجرامی که جوان‌تر و نزدیک‌تر به بیگ‌بنگ هستند.

زمانی که جهان داغ‌تر و چگال‌تر بود، با سرعت بالاتری منبسط می‌شد؛ و در نهایت برای اینکه نوری به چشم‌های ما برسد، در طول سفر خود به سمت طول موج‌های بلندتر کشیده می‌شود.

با این‌حال تنها یک مدرک برای یکپارچه بودن جهان از تمام جهت‌ها داریم: تابش پس‌زمینه کیهانی که پرتوی باقی‌مانده از زمان بیگ‌بنگ است.

گرچه تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی در تمام جهت‌ها دارای دما یکسانی است، انحراف‌های اندکی هم در مشاهدات دیده می‌شوند.

در تمام موقعیت‌ها در فضا، شاهد تابش یکنواختی از پرتو‌ها در دمای دقیق ۲٫۷۲۵۵ کلوین هستیم. البته بر اساس جهتی که نگاه می‌کنیم، ممکن است شاهد تغییرات دمایی بین چند ده تا چند صد میکروکلوین باشیم. همچنین می‌بینیم که یک جهت نسبت به جهت مخالف خود داغ‌تر است. این پدیده به شکل دوقطبی در تابش پس‌زمینه کیهانی دیده می‌شود.

اما عامل این دوقطبی نسبتا بزرگ (تقریبا برابر با منفی یا مثبت ۳٫۴ میلی‌کلوین) چیست؟ ساده‌ترین توضیح به ابتدای بحث ما یا حرکت واقعی ما در جهان بازمی‌گردد. به عبارتی، در موقعیت فعلی باید با سرعت مشخص حرکت کنیم تا تابش پس‌زمینه یکپارچه به نظر برسد. در موقعیت فعلی زمین به سرعت مناسب نزدیک هستیم، اما کمی انحراف داریم. در نتیجه اگر با سرعت دقیقی شتاب بگیریم یا حرکت فعلی خود را حفظ کنیم و در عوض ۱۷ میلیون سال نوری جابه‌جا شویم، در نقطه‌ای تقریبا برابر با تعریف مرکز واقعی جهان قرار می‌گیریم.

حرکت کهکشان‌های نزدیک و خوشه‌های کهکشانی (که با خطوط در راستای سرعت نشان داده شده‌اند) بر اساس میدان جرمی مجاور نگاشته شده‌اند.

در وضعیت فعلی می‌توانیم در تمام جهت‌ها تقریبا ۴۶٫۱ میلیارد سال نوری را ببینیم و ۱۷ میلیون سال نوری جابه‌جایی از موقعیت فعلی تنها برابر است با ۰٫۰۳۷ درصد شعاع جهان؛ اما بر اساس حقیقتی واضح‌تر، فقط ما در نزدیکی مرکز جهان قرار نداریم، بلکه هر ناظری در کهکشان می‌تواند به این نتیجه برسد که در مرکز جهان یا نزدیک به آن قرار دارد. صرف‌نظر از اینکه در کدام نقطه از جهان هستیم، می‌دانیم فاصله‌ی قابل توجهی از بیگ‌بنگ داریم.

هرچیزی که می‌بینید مربوط به زمانی است که نور سفر خود را آغاز کرده است و در طول مسیر بر اثر حرکت نسبی که نسبت به خود مشاهده می‌کنید و همچنین انبساط جهان، دچار انتقال طیفی شده است. بر اساس محل زندگی شاهد یک دو قطبی در تابش پس‌زمینه کیهانی هستیم که متناظر است با حرکت صد‌ها یا حتی هزاران کیلومتر بر ثانیه در یک جهت مشخص. با جستجوی قطعه‌ی گمشده به جهانی می‌رسیم که از زاویه‌ی دید ما و در تمام جهت‌ها یکپارچه به نظر می‌رسد.

مدت زمانی که از بیگ‌بنگ می‌گذرد و فواصلی که می‌توانیم مشاهده کنیم، محدود است. بخشی از جهان که می‌توانیم به آن دسترسی داشته باشیم، تنها جزء کوچکی از کل چیزی است که آن بیرون وجود دارد. جهان ممکن است بزرگ باشد، ممکن است روی خودش برگشته باشد یا امکان دارد بی‌نهایت باشد؛ نمی‌دانیم.

تنها از یک چیز آن هم انبساط جهان مطمئن هستیم. تابش‌هایی که از جهان عبور می‌کنند، به طول موج‌های بلندتر کشیده می‌شوند، تراکم کمتری پیدا می‌کنند و به این ترتیب، گذشته‌ی اجرام دوردست بر ما ظاهر می‌شود. اینکه «مرکز جهان کجا است؟» پرسشی عمیق است؛ اما پاسخ واقعی که هیچ مرکزی وجود ندارد، شاید عمیق‌ترین نتیجه‌گیری ممکن باشد.

منبع: زومیت