در اوایل دهه ۱۹۲۰، ما برای اولین بار متوجه شدیم که ابرهای های مارپیچی و بیضوی که در فضا دیده می شوند در حقیقت کهکشانی هستند که در خارج از کهکشان راه شیری قرار دارند. در اواخر دهه ۱۹۲۰، ما جهان در حال انبساط را کشف کرده بودیم
و با این حال، حتی نزدیک به ۱۰۰ سال بعد، تصورات اشتباه بزرگی در مورد اینکه انبساط کیهانی چه کار می کند و چه معنایی دارد داشته ایم،در مورد اینکه کدام اجرام و ساختارهای کیهان در حال انبساط هستند و کدام در حال انبساط نیستند.در بزرگترین مقیاس های کیهانی، کهکشان‌هایی که به خوبی فاصله گرفته اند،ناگزیر از یکدیگر دور می‌شوند.اما ساختارهای دیگر، از اتم‌ها تا ابرخوشه‌ها چطور؟ در نهایت، در اینجا، پاسخ است.
درست مانند خمیر کیک در حال پخت، که باعث می شود قسمت های مختلف خمیر کیک از یکدیگر دور شوند، بافت فضا-زمان نیز در مقیاس های کیهانی گسترش می یابد و ساختارهایی مانند کهکشان ها، گروه های کهکشانی، و خوشه های کهکشانی را از یک می جدا می کند. در جای دیگر با این حال، در این ساختارهای محدود، هیچ انبساط رخ نمی دهد.
تنها سه مدرک لازم بود تا تصویر ما را از جهان در اوایل قرن بیستم کاملاً متحول کند.ما قبلاً فرض کرده بودیم که جهان ثابت و تغییرناپذیر است و کل هستی در کهکشان راه شیری قرار دارد.سحابی‌های مارپیچی و بیضوی در آسمان، اجرامی برای تشکیل پیش‌ستاره‌های تازه تشکیل شده در کهکشان خودمان فرض می شد. و با این حال، در اواخر دهه ۱۹۲۰، حقایق در برابر ما ترکیبی از سه واقعیت بود:
۱-نسبیت عام انیشتین جایگزین قانون جهانی گرانش نیوتن به عنوان نظریه منتخب ما برای گرانش شد .
۲-ستارگانی که در آن سحابی‌های مارپیچی و بیضوی مشاهده می‌شوند، به ما اجازه می‌دهند ماهیت فرا کهکشانی آنها را تأیید کنیم و فاصله آنها را محاسبه کنیم.
۳- تغییر طیف خطوط اتمی به سمت طول موج های قرمزتر یا آبی تر از کهکشان های مارپیچی و بیضوی،
با این سه دلیل تصویر ما از جهان به کلی واژگون کرد، کیهان در بزرگترین مقیاس کیهانی، به هیچ وجه ثابت و بدون تغییر نیست، بلکه به طور پویا در حال انبساط است.
اگر این درست است، و جهان در حال انبساط است، پس چه چیز دیگری همراه با آن منبسط می شود؟ آیا کهکشان ما در حال گسترش است؟ منظومه شمسی، سیاره زمین یا حتی اتم های بدن خودمان چطور؟ این موضوع تحقیق این هفته توسط جیم رابیسون است که می پرسد:
ما بخشی از جهان در حال گسترش هستیم. آیا این بدان معناست که ما در حال گسترش با آن هستیم؟ آیا فاصله بین زمین و خورشید در حال گسترش است یا بین سانفرانسیسکو و نیویورک؟ آیا فاصله بین اتم های بدن من در حال گسترش است؟ آیا به همین دلیل است که من به یک کمربند بزرگتر نیاز دارم؟»
در حالی که بسیاری از ما با افزایش سن،خود را در حال جنگیدن با “شکم برآمده” خود می بینیم، نمی توان آن را به گردن جهان در حال انبساط انداخت. در اینجا نحوه درک اینکه چه چیزی تحت تأثیر انبساط کیهانی است – و نیست – آمده است:
شروع نظری
هنگامی که انیشتین برای اولین بار نظریه نسبیت عام خود را در اواخر سال ۱۹۱۵ ارائه کرد، گرانش را نه تنها به عنوان یک نیروی نامرئی و آنی بین دو جسم عظیم که از نظر فیزیکی از هم جدا شده اند (آنچه نیوتن آن را “تاثیر در فاصله” می نامید) دوباره تصور کرد، بلکه آن را بیشتر به عنوان یک پیامد از از ساختار خود فضا-زمان یعنی انحنای فضا در نظر گرفت.
به گفته انیشتین، جرم و انرژی، باعث می شود تا بافت فضا-زمان به شکلی خاص خمیده، اعوجاج و حتی تکامل پیدا کند و سپس هر ساختاری که فضا-زمان به خود بگیرد، چگونگی حرکت ماده و انرژی موجود در آن را تعیین می کند.
به تعبیر جان ویلر، ماده به فضا زمان می گوید که چگونه خمیده شود و پس آن خمیدگی فضا-زمان به ماده می گوید که چگونه حرکت کند.
از آنجایی که معادلات میدان انیشتین بسیار کلی هستند و می توانند هر برای هر فضا-زمانی قابل تصوری گه وجود داشته باشدراتوصیف کنند(حتی اگر فقط در تصورات ما وجود داشته باشد) ، این به ما بستگی دارد تابرای درک چگونگی خمیدگی فضا-زمان آنچه را که به عنوان “راه حل” برای آن معادلات شناخته می شود را استخراج کنیم.
ساده ترین راه حل دقیق،برای فضا-زمانِ کاملاً خالی،مسطح و غیر تکاملی است،یعنی فضا-زمان نسبیت خاص (مینکوفسکی).
ساده‌ترین راه‌حل بعدی،که توسط انیشتین نیز به دست آمد، برای حد میدان گرانشی ضعیف بود،یعنی دور بودن از یک جرم نقطه‌ای که فضا-زمان تقریباً شبیه گرانش نیوتنی خواهد بود (یک جرم در فاصله و گرانش حاصل از آن). اما طی چند ماه بعد و سال‌های بعد، تعدادی راه‌حل مهم و عجیب پیدا شد.
- در سال ۱۹۱۶، کارل شوارتزشیلد راه‌حل فضا-زمان را برای یک جرم نقطه‌ای بدون محدود شدن به فرضیات میدان ضعیف نوشت: اکنون با مورد سیاه‌چاله‌ی بدون چرخش برابری می‌کند.
- در سال ۱۹۱۷، ویلم دی سیتر (Willem de Sitter)راه حل فضا-زمان را برای یک جهان پُر از یک ثابت کیهانی نوشت: چیزی که ما اکنون فضای دی سیتر می نامیم که هم تورم کیهانی و هم انرژی تاریک را توصیف می کند.
- و در سال ۱۹۲۲، الکساندر فریدمن راه حل فضا-زمان را برای یک جهان پر – به طور یکنواخت – با هر گونه (یا حتی چندین گونه) از ماده و/یا انرژی نوشت.
در مورد یک سیاهچاله، یا هر فضا-زمان دیگری که تحت تسلط یک ساختار محدود است، فضا زمان منبسط نمی شود و اجرام درون آن از یکدیگر دور نمی شوند. با این حال، در دو مورد اخیر، معلوم می‌شود که فضا-زمان برای کیهانی که به طور یکنواخت پر از «مواد» است، خواه یک ثابت کیهانی، ماده، تشعشع یا هر گونه انرژی دیگر، نمی‌تواند ثابت و پایدار باشد، بلکه باید تکامل یابد و در طول زمان یا در حال گسترش یا انقباض است.
این تصور که فضازمان می تواند در طول زمان، وابسته به آنچه در آن است، تکامل یابد، تقریباً به قدمت خود نسبیت عام است و چیزی است که مستقیماً از معادلات اینشتین سرچشمه گرفته است. این بدان معنا نیست که به راحتی پذیرفته شد، از جمله توسط خود اینشتین.
تایید رصدی
در دهه ۱۹۱۰، ستاره شناس وستو اسلیفر از تکنیک طیف سنجی برای شکستن نور از منابع نجومی به طول موج های اجزای آن استفاده کرد. همانطور که انتظار دارید، هر زمان که طیف‌سنجی را در آزمایشگاه یا برای خورشید خودمان انجام می‌دادید، متوجه می‌شوید که اتم‌های یک گونه خاص – هیدروژن، هلیوم، کلسیم، پتاسیم و غیره – همیشه نور را به طور همزمان ساطع و جذب می‌کنند. مجموعه ای از طول موج ها: طول موج هایی که با انتقال کوانتومی الکترون ها در آن اتم مطابقت دارد.
با این حال، وقتی طیف‌سنجی را روی یکی از آن سحابی‌های مارپیچی یا بیضوی انجام می‌دهید، چیز متفاوتی می‌بینید: همه آن خطوط طیفی یکسان هنوز وجود دارند، اما همه آنها با یک عامل ضربی به سمت طول موج‌های بلندتر جابجا می‌شوند.(ضریب بزرگتر از ۱)
یا به سمت طول موج های کوتاه تر (اگر ضریب کمتر از ۱ باشد).
جابه‌جایی به طول موج‌های بلندتر به عنوان جابه‌جایی قرمز شناخته می‌شود، زیرا رنگ‌های قرمز در طول موج‌های طولانی‌تر هستند، در حالی که جابه‌جایی به طول‌موج‌های کوتاه‌تر به عنوان انتقال آبی شناخته می‌شوند، زیرا رنگ‌های آبی در طول موج‌های کوتاه‌تر هستند.
اکنون، این نقطه کلید مشاهدات اسلیفر بود: سحابی هایی که در آسمان بزرگتر و درخشان تر به نظر می رسند – احتمالاً به این دلیل است که نزدیکتر هستند و ترکیبی از تغییر رنگ قرمز و آبی و فقط در مقادیر کم بودند، اما سحابی هایی که کوچکتر و کم نورتر به نظر می رسند. همه به قرمز منتقل شدند و تعداد بسیار بیشتری داشتند.
ادامه دارد………………..
