چگونه می‌توانیم اندازه جهان را درک کنیم؟

انسان‌ها در مقایسه با جهان قابل مشاهده با عرض ۹۲ میلیارد سال نوری، موجودات بسیار کوچکی هستند. چگونه می‌توانیم چنین مقیاس‌های بزرگی را درک کنیم.

این جا روی زمین، انسان‌ها معمولاً در زندگی روزمره خود مقیاس‌هایی به کوچکی یک میلی‌متر یا به بزرگی چند کیلومتر را تجربه می‌کنند. 
اما خود کیهان، حتی محدود به بخش قابل مشاهده، در مقیاس‌های بسیار وسیع‌تری ادامه دارد: ۹۲ میلیارد سال نوری وسعت دارد. 
شاید درک چنین مقیاس‌هایی غیرممکن به نظر برسد، اما ما به خودمان مدیونیم که با تجربیات محدودمان، تا جایی که می‌توانیم، آن را درک کنیم.

این جا روی زمین، انسان‌ها در مقیاس متر وجود دارند، و قد یک انسان معمولی کمی کمتر از دو متر است. تجربیات معمول ما ممکن است ما را سه یا چهار مرتبه از آن مقیاس دور کند: تا مقیاس‌های میلی‌متری یا کمی کوچکتر، و تا مقیاس‌های چند کیلومتری. با این حال، فراتر از آن، باید از فکر کردن به جهان در مقیاس‌هایی که تجربه می‌کنیم دست برداریم و بسیار انتزاعی شویم؛ این فراتر از چیزی است که ما روزانه با آن آشنا هستیم، و فراتر از چیزی است که حواس ما قادر به درک و فهم آن هستند.

اما در مورد کل جهان چطور؟ آیا با توجه به محدودیت‌های ما به عنوان انسان، راهی وجود دارد که چنین مقیاس‌های چشمگیری را درک کنیم؟ این همان چیزی است که اسکات برنر می‌خواهد بداند و در این مورد می‌نویسد:

«تلاش برای درک واقعی بزرگی جهان هستی، مانند تلاش مورچه‌ای برای فهمیدن فاصله‌ی مثلاً نیویورک از کالیفرنیا است. شاید بتوانید راه‌هایی برای فهمیدن این موضوع پیشنهاد دهید.»

به نظر می آید این سوال خیلی خوب و حتی خیلی مهم است، چون وقتی چیزی غیرقابل درک به نظر برسد، آن را غیرقابل دسترس‌تر می‌کند. و از آنجایی که کیهان ما را تشکیل می‌دهد و ما به عنوان بخشی از کیهان وجود داریم، باید کاملاً در آن احساس راحتی کنیم. شما می‌توانید با این روش به درک آن کمک کنید.

بدون شک برای بسیاری از ما، رفتن مستقیم به چنین مقیاس‌های باشکوه و بزرگی که ده‌ها میلیارد سال نوری را در بر می‌گیرند، می‌تواند طاقت‌فرسا باشد. به این فکر کنید که درک کوچکی جهان‌های میکروسکوپی، مولکولی و زیراتمی که اجزای ما در سطوح کوچک و کوچک‌تر در آن ساکن هستند، چقدر غیرقابل دسترس است. اگر قرار بود بدن خود را زیر میکروسکوپ بررسی کنید، متوجه می‌شدید که تا حد زیادی از سلول‌ها تشکیل شده‌اید: واحدهای بیولوژیکی که به هم متصل می‌شوند و در دستگاه های مختلف شما حرکت می‌کنند تا مجموعه‌ای ارزشمند از فرآیندهای حیاتی را انجام دهند. روی هم رفته، حدود ۸۰ تا ۱۰۰ تریلیون سلول در بدن یک انسان بالغ معمولی وجود دارد.

و با این حال، خود سلول‌ها – که معمولاً فقط ده‌ها تا صدها میکرون اندازه دارند – از اجزای کوچک‌تری تشکیل شده‌اند: اندامک‌ها، سیتوپلاسم، همراه با پروتئین‌های مختلف، اسیدهای نوکلئیک و سایر مولکول‌های ساده و پیچیده. خود مولکول‌ها از اتم‌هایی با قطر تنها ۱۰۰ پیکومتر ساخته شده‌اند، در حالی که اتم‌ها از الکترون‌های نقطه‌مانندی تشکیل شده‌اند که به دور هسته‌هایی با عرض تنها حدود ۱ فمتومتر می‌چرخند. هسته‌ها از پروتون‌ها و نوترون‌ها ساخته شده‌اند؛ هر یک از آنها از کوارک‌ها و گلوئون‌های نقطه‌ مانند ساخته شده‌اند، و در حالی که می‌دانیم الکترون‌ها، کوارک‌ها و گلوئون‌ها بزرگتر از حدود ۱۰ ^{به توان ۱۹} متر نیستند، واقعاً می‌توانند تا مقیاس‌های بی‌نهایت کوچک نیز وجود داشته باشند.

حقایق واقعی، جالب اما دشوار بسیاری وجود دارد که می‌توانیم در مورد اجزای تشکیل‌دهنده خود بیان کنیم. برای مثال:

• بیشتر جرم بدن انسان تنها از حدود ۴ تریلیون سلول تشکیل شده است که سیستم اسکلتی عضلانی، بافت‌های همبند و اندام‌های داخلی ما را تشکیل می‌دهند. حدود ۴۰ تریلیون سلول دیگر، سلول‌های خونی هستند که در بدن ما جریان دارند و حدود ۵۰ تریلیون سلول، سلول‌های باکتریایی هستند – که حتی توسط بدن خود ما ساخته نمی‌شوند – که در دستگاه گوارش ما زندگی می‌کنند.
•  روی هم رفته ۱۰ به توان ۲۸ اتم در بدن یک انسان وجود دارد ، و نزدیک به ۱۰ به توان ^۲۹ ذرات زیراتمی که هر یک از ما را تشکیل می‌دهند. این اعداد بسیار بزرگ هستند: حدود ۱۰ تا ۱۰۰ میلیون برابر تعداد کل ستارگان جهان.
• و اگر تصمیم بگیرید حجم یک انسان بالغ را به طور کامل با مثلاً نوترون پر کنید، می‌توانید بیش از ۱۰ به توان ^۴۳ نوترون را در آن جای دهید که جرم کل آن حدود ۲۰ تریلیون تُن می‌شود.

ما اطلاعات بسیار کمی داریم که به ما در درک اعداد یا مقیاس‌هایی که به طرز باورنکردنی با آنهایی که با آنها آشنا هستیم متفاوت هستند، کمک کند. اما برای یک کوارک، یک پروتون قابل درک است. برای یک پروتون یا نوترون، یک اتم مقیاس‌های قابل دسترسی را اشغال می‌کند. برای یک اتم، یک مولکول فقط کمی بزرگتر است. برای یک مولکول، اندامک‌ها چندان بد نیستند. برای یک اندامک، یک سلول به میزان معقولی بزرگتر است. برای یک سلول، یک استخوان یا اندام در دسترس است. و بدن انسان به طور کاملاً قابل دسترسی از آنها تشکیل شده است. برای درک مقیاس جهان، فقط باید هر بار کمی بزرگتر شویم.

یکی از راحت‌ترین راه‌ها برای شروع، رفتن از مقیاس انسان به مقیاس سیاره زمین است. اگرچه زمین در مقایسه با انسان بسیار بزرگ است، اما ساختن کمی از آن در یک زمان چندان بد به نظر نمی‌رسد. انسان‌ها قادر به بالا رفتن از کوه‌ها هستند و کوه‌ها به راحتی می‌توانند چندین کیلومتر از سطح دریا ارتفاع بگیرند. اگر با بالن هوای گرم یا هواپیما به هوا بلند شوید، می‌توانید به ارتفاعات ده‌ها کیلومتری برسید. در یک سفینه فضایی، می‌توانید به بالای جو زمین فرار کنید و به ارتفاعات صدها کیلومتری برسید، قابل مقایسه با آنچه از ایستگاه فضایی بین‌المللی می‌بینید.

و هرچه از زمین دورتر و دورتر می‌شوید، می‌توانید ببینید که واقعاً چیست. این یک توپ تقریباً کروی چرخان با قطر حدود ۱۳۰۰۰ کیلومتر است. از ده‌ها کیلومتری، می‌توانید انحنای آن را ببینید و وقتی چند هزار کیلومتر دورتر شدید، می‌توانید کل سیاره را در یک نیمکره در یک زمان ببینید. زمین در مقایسه با مقیاس یک انسان بسیار بزرگ است، اما انسان‌ها به اندازه کافی از سیاره زمین دور شده‌اند تا دقیقاً به این منظره دست یابند و پدیده‌ای به نام اثر نمای کلی را تجربه کنند: دلیل گریه ویلیام شاتنر هنگام سفر به فضا در سال ۲۰۲۱ همین بود .

باین حال، زمین در مقایسه با بسیاری از اجرام دیگر منظومه شمسی ما، در سمت کوچک قرار دارد. اورانوس و نپتون هر کدام حدود چهار برابر قطر زمین هستند، در حالی که مشتری و زحل بیشتر شبیه به ۱۰ تا ۱۱ برابر قطر سیاره ما هستند. خورشید – بزرگترین جسم منظومه شمسی ما – قطری حیرت‌انگیز به اندازه ۱.۴ میلیون کیلومتر دارد: حدود ۱۰۹ برابر قطر زمین و قادر است بیش از یک میلیون زمین را در خود جای دهد.

اما اگر از قبل به اندازه زمین باشید، درک تک تک اجرام آسان است. و از منظر زمین، نه تنها نگاه کردن به خود اجرام، بلکه بررسی مقیاس حرکت این اجرام به دور یکدیگر نیز منطقی است: در مقیاس مدارهای سیاره‌ای.

زمین، سیاره‌ای است که ما با آن بیشترین آشنایی را داریم: با میانگین فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتر (یا ۹۳ میلیون مایل). اما این فاصله، فاصله زمین تا خورشید، تنها کمی بیشتر از ۱۰۰ برابر اندازه خود خورشید است که خود تنها کمی بیشتر از ۱۰۰ برابر اندازه خود زمین است. ناگهان، با کمی بالاتر رفتن: از روی زمین به بالای جو زمین و با نگاه کردن به سایر اجرام منظومه شمسی، ما از مقیاس یک انسان ۱.۵ تا ۲ متری به مداری حدود ۱۵۰ میلیارد متری به دور خورشید خود رسیده‌ایم.

با این حال، زمین در مقایسه با بسیاری از اجرام دیگر منظومه شمسی ما، در سمت کوچک قرار دارد. اورانوس و نپتون هر کدام حدود چهار برابر قطر زمین هستند، در حالی که مشتری و زحل بیشتر شبیه به ۱۰ تا ۱۱ برابر قطر سیاره ما هستند. خورشید – بزرگترین جسم منظومه شمسی ما – قطری حیرت‌انگیز به اندازه ۱.۴ میلیون کیلومتر دارد: حدود ۱۰۹ برابر قطر زمین و قادر است بیش از یک میلیون زمین را در خود جای دهد.

اما اگر از قبل به اندازه زمین باشید، درک تک تک اجرام آسان است. و از منظر زمین، نه تنها نگاه کردن به خود اجرام، بلکه بررسی مقیاس حرکت این اجرام به دور یکدیگر نیز منطقی است: در مقیاس مدارهای سیاره‌ای.

زمین، سیاره‌ای است که ما با آن بیشترین آشنایی را داریم: با میانگین فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتر (یا ۹۳ میلیون مایل). اما این فاصله، فاصله زمین تا خورشید، تنها کمی بیشتر از ۱۰۰ برابر اندازه خود خورشید است که خود تنها کمی بیشتر از ۱۰۰ برابر اندازه خود زمین است. ناگهان، با کمی بالاتر رفتن: از روی زمین به بالای جو زمین و با نگاه کردن به سایر اجرام منظومه شمسی، ما از مقیاس یک انسان ۱.۵ تا ۲ متری به مداری حدود ۱۵۰ میلیارد متری به دور خورشید خود رسیده‌ایم.

البته، خورشید ما تنها یکی از ستارگان بسیار زیاد کهکشان راه شیری است، بنابراین گام بعدی، حرکت از مقیاس اجرام منظومه شمسی ما (مانند مدار زمین) به نزدیکترین ستارگان است. این یک جهش بزرگ است، اما اگر اکنون نقطه شروع خود را از جایی که آخرین نقطه پایانی ما متوقف شده بود، یعنی در مقیاس مدار زمین، آغاز کنیم، می‌توانیم آن را درک کنیم.

البته سیارات دیگر نسبت به زمین از خورشید دورتر هستند. مدار مشتری حدود ۵ برابر قطر زمین است؛ قطر زحل ۱۰ برابر؛ قطر اورانوس ۲۰ برابر و قطر نپتون ۳۰ برابر. کمربند کویپر تقریباً تا دو برابر مدار نپتون امتداد دارد و در حالی که اجرام دیگری نیز در آن سوی آن قرار دارند، برای رسیدن به درونی‌ترین بخش‌های ابر اورت، باید تا حدود ۱۰۰۰ برابر مدار زمین پیشروی کنید.

اما ابر اورت ده‌ها هزار برابر فاصله زمین تا خورشید از ما دور می‌شود: شاید حتی تا بیش از یک سال نوری کامل. و سپس، وقتی شروع به رسیدن به فواصل چند سال نوری می‌کنید، بالاخره به آن می‌رسید: نزدیکترین ستاره به زمین، پروکسیما قنطورس، که در فاصله ۴.۲ سال نوری قرار دارد.

ستارگان با فواصلی که معمولاً با سال نوری اندازه‌گیری می‌شوند، از هم جدا می‌شوند و این فواصل به سرعت افزایش می‌یابند. صدها ستاره در فاصله ۲۵ سال نوری از ما وجود دارند و اگر کره‌ای را تنها ۱۰۰ سال نوری به دور زمین رسم کنید، این تعداد به بیش از ۱۰۰۰۰ ستاره می‌رسد. در این مقیاس، متوجه می‌شویکه در فضا جهت‌هایی وجود دارد که ستاره‌های بیشتری در آنها وجود دارد و جهت‌های دیگر تعداد کمتری دارند: شما شروع به دیدن ساختار کهکشان راه شیری می‌کنید. در جهت مرکز کهکشان، و همچنین در سراسر صفحه کهکشان راه شیری و به ویژه در امتداد بازوهای مارپیچی آن، ستارگان متراکم‌تر و پرتعدادتر هستند؛ و در فاصله دورتر از آنها، تعداد کمتری وجود دارد.

روی هم رفته، یک کهکشان مجموعه‌ای از تعداد بسیار زیادی ستاره است، اما نه آنقدر بزرگ که نتوان آن را درک کرد. قطر کهکشان راه شیری کمی بیش از ۱۰۰۰۰۰ سال نوری است، به عبارت دیگر، اگر یک انسان با قد تقریبی ۱.۵ تا ۲ متر روی زمینی به قطر ۱۳۰۰۰ کیلومتر زندگی کند، این همان نسبت فاصله تا ابر اورت داخلی به اندازه کهکشان راه شیری است.

نسبت اندازه انسان به زمین، مانند نسبت اندازه زمین به فاصله تا ابر اورت درونی (۱۵میلیارد کیلومتر) و برابر با اندازه نسبت فاصله تا ابر اورت درونی به اندازه کهکشان راه شیری است. و باور کنید یا نه، از آنجا به بعد، کارها آسان‌تر می‌شوند .

ستارگان در مقایسه با فواصل بین آنها بسیار کوچک هستند. اگر خورشید یک گریپ فروت در سیاتل، واشنگتن باشد، نزدیکترین ستاره بعدی به آن یک گریپ فروت در نیویورک( فاصله سیاتل تا نیویورک ۴۱۹۴ کیلومتر) خواهد بود.

اما کهکشان‌ها در مقایسه با فواصل بینشان، کوچک نیستند. اگر راه شیری یک گریپ‌فروت در سیاتل، واشنگتن بود، آندرومدا – بزرگترین کهکشان گروه محلی که در فاصله ۲.۵ میلیون سال نوری قرار دارد – یک گریپ‌فروت در همان اتاق، تنها حدود ۱۰ فوت (۳ متر) دورتر، می‌بود. در واقع، ابرخوشه سنبله، که شاید صد میلیون سال نوری وسعت داشته باشد، شامل هزاران هزار کهکشان بزرگ است و این مانند این است که هزاران گریپ‌فروت در گروه‌هایی در طول تقریباً یک بلوک شهری ( مکعبی به ابعاد ۴۰ متر) گرد هم آمده و به هم چسبیده باشند.

در واقع، ساختار بزرگ‌مقیاس کیهان تقریباً به همین شکل است: صدها میلیارد گریپ‌فروت – و ده‌ها تریلیون مثلاً پرتقال، نارنگی و کامکوات که نسخه‌های کوچک‌تری از کهکشان‌ها هستند – در کمتر از ۵۰۰ بلوک شهری از این دست در همه جهات و در هر سه بعد توزیع شده‌اند، و خوشه کهکشانی سنبله در مرکز آن قرار دارد. اگر ۱۰۰ میلیون سال نوری در ابرخوشه محلی ما قرار داشته باشد، پس تنها ۴۶۰ برابر این فاصله تا لبه جهان قابل مشاهده است.

از مقیاس یک انسان تا مقیاس جهان قابل مشاهده، فوق‌العاده دلهره‌آور به نظر می‌رسد. انسان‌ها در مقیاس چند متری هستند؛ جهانی که می‌توانیم ببینیم، در تمام جهات حدود ۴۶ میلیارد سال نوری امتداد دارد. این بدان معناست که جهان قابل مشاهده – از نظر قطر – تقریباً ۲۷ مرتبه کامل از بزرگی یا ضریب یک اکتیلیون (۱,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰) بزرگتر از یک انسان است. به راحتی می‌توان فهمید که چرا این موضوع تا این حد غیرقابل درک است.

اما به همین دلیل است که ما همزمان از دو ترفند استفاده می‌کنیم:

1. ما مستقیماً و با یک جهش باشکوه از یک مقیاس قابل دسترس به بزرگترین یا کوچکترین مقیاس‌ها نمی‌رویم، بلکه تا جایی که ممکن است گام‌های معقولی برمی‌داریم تا هیچ دو «گامی» خیلی از هم دور نباشند.
2. و ما لزوماً به همه چیز در یک مقیاس عینی نگاه نمی‌کنیم، بلکه با هر گام متوالی، دیدگاه خود را تغییر می‌دهیم.

یکی از روش‌های شهودی‌تر برای برداشتن هر دوی این گام‌ها، به جای تفکر در فواصل مرسوم، اندیشیدن به فواصل از دیدگاه لگاریتمی است. در واقع، یک نقشه لگاریتمی از جهان ، مانند آنچه در زیر نشان داده شده است، می‌تواند به طور کامل عظمت جهان را در مقیاس‌های مختلف به طور همزمان به تصویر بکشد

رک مقیاس‌هایی به بزرگی جهان هستی از دیدگاه یک انسان نیست، بلکه از دیدگاه چیزی است که به خود جهان هستی مرتبط‌تر است. جهان هستی بزرگ است، اما تنها چند صد هزار برابر کهکشان راه شیری است. کهکشان راه شیری بزرگ است، اما تنها چند ده هزار برابر فاصله بین هر دو ستاره معمولی است. فاصله بین هر دو ستاره بسیار بزرگ است، اما تنها چند صد هزار برابر فاصله زمین تا خورشید است. و فاصله زمین تا خورشید تنها حدود ۱۰۰۰۰ برابر زمین است که بالاخره برای انسان‌ها قابل دسترس شده است.

اگر اصرار دارید که از خودمان به اندازه جهان قابل مشاهده جهش کنیم، به راحتی احساس بی‌اهمیتی می‌کنیم. اما ما بخشی از چیزهای مهم بسیاری هستیم که در مقیاس‌های بزرگتر بهتر جا می‌افتند؛ می‌توانیم خودمان را به عنوان موجوداتی از زمین، اعضای منظومه شمسی، جزئی از کهکشان راه شیری و ساکنان این جهان ببینیم. این مکان به طور غیرقابل تصوری بزرگ نیست؛ بلکه به بهترین شکلی که می‌شناسیم، تمام وسعت خانه ماست و اجرام نزدیک و دور فراتر از سیاره خودمان، همسایگان و بستگان کیهانی ما هستند. اگرچه ممکن است به طور غیرقابل تصوری دور به نظر برسند، اما از منظر کیهان، هر چیزی که می‌توانیم ببینیم، در واقع از نظر کیهانی درست در همسایگی ماست.