ثابت کیهان‌شناختی که اینشتین زمانی آن را بزرگ‌ترین اشتباه خود می‌دانست، پس از کشف شتاب گرفتن انبساط جهان دوباره اهمیت پیدا کرد.
- اینشتین در سال ۱۹۱۷ برای حفظ حالت ایستای جهان، ثابت کیهان‌شناختی را به معادلات نسبیت عام اضافه کرد.
- پس از کشف شتاب گرفتن انبساط جهان در سال ۱۹۹۸، ثابت کیهان‌شناختی دوباره به یک توضیح مهم برای این پدیده تبدیل شد.
- مدل Lambda-CDM چارچوبی بسیار موفق برای توضیح تحول جهان است، اما ممکن است توضیح نهایی درباره کیهان نباشد.
مقاله
آنچه آلبرت اینشتین زمانی یکی از بزرگ‌ترین اشتباهات خود می‌دانست، سال‌ها بعد دوباره به مرکز توجه کیهان‌شناسی بازگشت. ثابت کیهان‌شناختی که اینشتین برای توضیح ایستایی جهان وارد معادلات خود کرده بود، پس از کشف شتاب گرفتن انبساط جهان در سال ۱۹۹۸ به یکی از توضیحات مهم برای این پدیده تبدیل شد.
چرا اینشتین ثابت کیهان‌شناختی را وارد معادلات کرد؟
آلبرت اینشتین مدت کوتاهی پس از توسعه نظریه نسبیت عام، در سال ۱۹۱۷ توجه خود را از گرانش به سرنوشت کل جهان معطوف کرد. او تلاش داشت بررسی کند معادلات جدیدش چگونه می‌توانند رفتار جهان را در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها توضیح دهند.
در کیهان‌شناسی، گرانش نیرویی اساسی است که رفتار ماده را در فاصله‌های بسیار بزرگ تعیین می‌کند. از آنجا که جهان به‌طور میانگین از نظر الکتریکی خنثی است، الکترومغناطیس در مقیاس‌های کیهانی نقش تعیین‌کننده‌ای ندارد. نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف نیز تنها در فاصله‌های بسیار کوتاه اثرگذارند.
معادلات اینشتین نشان می‌دادند که جهان نمی‌تواند برای همیشه در یک وضعیت ثابت باقی بماند. بر اساس نسبیت عام، جهان باید یا در حال انبساط باشد یا منقبض شود. این نتیجه با دیدگاه رایج آن زمان در تضاد بود؛ زیرا در آن دوره تصور می‌شد جهان ایستا است و در طول تاریخ کیهانی خود تغییر چندانی نکرده است.
افزودن یک ترم جدید به معادلات اینشتین
اینشتین برای آنکه جهان را در حالت ایستا نگه دارد، ترم جدیدی به معادلات خود اضافه کرد که ثابت کیهان‌شناختی نام گرفت. این ثابت با حرف لامبدا (λ) از الفبای یونانی نشان داده می‌شود و نوعی اثر گرانشی موجود در خود فضا-زمان در نظر گرفته می‌شود.
بسته به مقدار ثابت کیهان‌شناختی، این اثر می‌توانست جاذب یا دافع باشد. اینشتین مقداری را انتخاب کرد که اثر جاذبه ناشی از ماده را خنثی کند. به این ترتیب، او تصور می‌کرد جهان می‌تواند در وضعیت ثابت باقی بماند.
کشف انبساط جهان همه‌چیز را تغییر داد
چند سال بعد، ادوین هابل نشان داد که جهان در حال انبساط است. تقریباً در همان دوره، الکساندر فریدمان، کیهان‌شناس روس، با تفسیر مستقیم‌تر معادلات اینشتین، مطالعات نظری را توسعه داد که بعدها به یکی از پایه‌های نظریه مهبانگ تبدیل شد.
اینشتین به‌مرور از ایده ثابت کیهان‌شناختی دست کشید. او بعدها به دوستانش گفت که اضافه کردن این ترم به معادلاتش «بزرگ‌ترین اشتباه» بوده است.
اما در سال ۱۹۹۸، ثابت کیهان‌شناختی دوباره مطرح شد.
انبساط جهان کند نمی‌شد؛ بلکه سرعت می‌گرفت
در سال ۱۹۹۸، دو گروه مستقل از ستاره‌شناسان تلاش می‌کردند میزان ماده موجود در جهان را مشخص کنند. مشاهدات مختلف درباره مقدار ماده موجود در جهان، نتایج متفاوتی ارائه می‌دادند.
دانشمندان از قبل می‌دانستند که جهان در حال انبساط است. از آنجا که ماده باعث ایجاد گرانش می‌شود، انتظار می‌رفت انبساط جهان با گذشت زمان آهسته‌تر شود. پژوهشگران نیز قصد داشتند با اندازه‌گیری میزان کاهش سرعت انبساط، مقدار ماده موجود در جهان را تعیین کنند.
اما مشاهدات نتیجه‌ای کاملاً غیرمنتظره داشتند. انبساط جهان نه‌تنها کند نمی‌شد، بلکه سرعت می‌گرفت. این مشاهدات همچنین نشان می‌دادند که مقدار ماده موجود در جهان نسبتاً کم است. در نتیجه، دانشمندان به وجود اثر دیگری فکر کردند که باعث می‌شود سرعت انبساط جهان در طول زمان افزایش پیدا کند.
یکی از ساده‌ترین توضیحات برای این پدیده، همان ثابت کیهان‌شناختی بود که اینشتین سال‌ها پیش آن را کنار گذاشته بود.
انرژی تاریک به مرکز کیهان‌شناسی آمد
یک مؤلفه انرژی ثابت که در سراسر فضا وجود داشته باشد و در مقیاس کیهانی اثری دافعه ایجاد کند، می‌توانست شتاب گرفتن انبساط جهان را توضیح دهد. به این ترتیب، ثابت کیهان‌شناختی که اینشتین زمانی آن را اشتباه می‌دانست، چند دهه بعد به یکی از نظریه‌های مطرح برای توضیح مشاهدات جدید تبدیل شد.
چارچوب نظری حاصل، یعنی مدل Lambda-CDM، امروزه برای توضیح چگونگی تحول جهان از زمان مهبانگ استفاده می‌شود.
مدل Lambda-CDM چگونه کار می‌کند؟
در مدل Lambda-CDM، Lambda به ثابت کیهان‌شناختی اینشتین و همچنین مؤلفه‌ای گفته می‌شود که با عنوان انرژی تاریک شناخته می‌شود. CDM نیز مخفف «ماده تاریک سرد» است.
تصور می‌شود ماده تاریک سرد بخش بزرگی از جرم تقریباً تمام کهکشان‌ها را تشکیل می‌دهد. در مقابل، انرژی تاریک برای توضیح انبساط شتاب‌دار جهان به کار می‌رود.
مدلی موفق، اما نه لزوماً پاسخ نهایی
مدل Lambda-CDM یکی از چارچوب‌های بسیار موفق در کیهان‌شناسی به شمار می‌رود. این مدل در چارچوب نسبیت عام، بر تعداد محدودی پارامتر و فرض قابل تنظیم تکیه دارد. به همین دلیل، Lambda-CDM به یکی از جامع‌ترین و آزمایش‌شده‌ترین مدل‌های نظری در تاریخ علم تبدیل شده است.
با این حال، موفقیت بسیار زیاد این مدل به معنای آن نیست که حتماً توضیح نهایی و قطعی جهان است. دانشمندان امروزی به دلیل آنکه Lambda-CDM در توضیح برخی تنش‌ها و اختلاف‌هایی که در مشاهدات دیده می‌شود با دشواری روبه‌رو است، احتمال می‌دهند این مدل آخرین توضیح برای جهان نباشد.
سؤالات متداول
بزرگ‌ترین اشتباه اینشتین چه بود؟
اینشتین بعدها اضافه کردن ثابت کیهان‌شناختی به معادلات خود را «بزرگ‌ترین اشتباه» دانست.
چرا اینشتین ثابت کیهان‌شناختی را وارد معادلات کرد؟
او این ثابت را برای حفظ حالت ایستای جهان و خنثی کردن اثر جاذبه ناشی از ماده وارد معادلات کرد.
چه چیزی باعث شد ثابت کیهان‌شناختی دوباره مطرح شود؟
در سال ۱۹۹۸ مشاهدات نشان دادند که انبساط جهان به‌جای کند شدن، در حال سرعت گرفتن است.
Lambda-CDM چیست؟
Lambda-CDM مدل کیهان‌شناختی‌ای است که Lambda در آن به ثابت کیهان‌شناختی یا انرژی تاریک و CDM به ماده تاریک سرد اشاره دارد.
آیا مدل Lambda-CDM توضیح نهایی جهان است؟
هنوز مشخص نیست. این مدل بسیار موفق است، اما در توضیح برخی تنش‌های مشاهده‌شده با دشواری روبه‌رو است و ممکن است توضیح نهایی جهان نباشد.
جمع‌بندی
داستان ثابت کیهان‌شناختی نمونه‌ای جالب از تغییر نگاه علمی با گذشت زمان است. ایده‌ای که اینشتین زمانی آن را بزرگ‌ترین اشتباه خود می‌دانست، پس از کشف شتاب گرفتن انبساط جهان دوباره اهمیت پیدا کرد و در شکل‌گیری مدل Lambda-CDM نقش پیدا کرد. با این حال، هنوز مشخص نیست این مدل آخرین پاسخ به پرسش‌های مربوط به تحول جهان باشد.
برای آشنایی بیشتر با تازه‌ترین تحولات علم و کیهان‌شناسی، مطالب علمی جدید را دنبال کنید.
