آیا ماده و انرژی تاریک وجود دارند؟مقایسه‌ی تاریخی

خلاصه:

طبق دانش ما تا به امروز، ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک حدود نود و پنج درصد از جرم/انرژی دنیا را تشکیل می‌دهند. تا به حال، روش بهتری برای توضیح مشاهداتی که دلیل خلق این دو در نظریاتمان بودند را پیدا نکردیم. به همین دلیل خیلی از دانشمندان قانع شده‌اند که ماده‌ی تاریک وجود دارد. در این مقاله منشاء ورود ماده و انرژی تاریک به مدل‌های کیهان‌شناسی امروز را با ورود فلک‌های تدویر در کیهان‌شناسی باستان مقایسه می‌کنیم و شباهت زیادی که بین این دو وجود دارد را بررسی خواهیم کرد. با اضافه کردن فلک‌های تدویر به مدارهای دایروی سیارات، در حالی که زمین در مرکز گیتی قرار داشت، باستانیان توانسته بودند برای حدود دو هزار سال حرکت سیارات را با دقت خوبی بشناسند و پیش‌بینی کنند. اما در نهایت وجود افلاک تدویر رد شد. در این مجموعه مقالات شباهت بسیار زیادی که بین ماده و انرژی تاریک و فلک‌های تدویر در کیهان‌شناسی باستان وجود دارد را مرور خواهیم کرد تا دیدی کلی بر وضعیت دانش ما نسبت به این دو ارایه شود و ببینیم که چطور یک چیزی که هیچ وجود خارجی ندارد می‌تواند داده‌ها را خوب توضیح دهد.

موقعیت زمانی شخصیت های یاد شده در این مقاله

 پ.م: پیش از میلاد

 م: میلادی

تمدن بابلیان (اشاره‌هایی به قرار نداشتن زمین در مرکز گیتی): هزاره دوم پیش از میلاد.

فیثاغورس (اعتقاد به عدم مرکزیت زمین در گیتی):             ۵۷۰ پ.م. تا ۴۹۵ پ.م.

ارسطو (تاثیرگذارترین شخصیت در فیزیک پیش از گالیله):     ۳۸۴ پ.م. تا ۳۲۲ پ.م.

کلینتس (منتقد آریستارکوس):                                        ۳۳۰ پ.م. تا ۲۳۰ پ.م.

آریستارخوس (پیشنهاد برای مدل خورشید مرکزی):            ۳۱۰ پ.م. تا ۲۳۰ پ.م.

آپولونیوس(پیشنهاد مدل فلک‌های تدویر):                         ۲۶۲ پ.م. تا ۱۹۰ پ.م.

بطلمیوس(تصحیحگر مدل فلک‌های تدویر):                       ۹۰ م. تا ۱۶۸ م.

قطب‌الدین شیرازی(منتقد بطلمیوس):                            ۱۲۳۶ م. تا ۱۳۱۱ م.

ابن شاطر (منتقد بطلمیوس):                                         ۱۳۰۴ م. تا ۱۳۷۵ م.

کپرنیکوس (پیشنهاد مدل خورشید مرکزی):                       ۱۴۷۳ م. تا ۱۵۴۳ م.

گالیله (مخترع تلسکوپ و پایه‌گذار نجوم و فیزیک مدرن):     ۱۵۶۴ م. تا ۱۶۴۲ م.

کپلر (پیشنهاد مدارهای بیضوی در مدل خورشید مرکزی):       ۱۵۷۱ م. تا ۱۶۳۰ م.

مقدمه

این مقاله برای عموم مردمی نوشته شده است که علاقه‌مند به نجوم هستند، ولی با سایر مقالاتی که برای این نوع مخاطب نوشته می‌شود متفاوت است. ما به جای تاکید بر نکاتی که فکر می‌کنیم می‌دانیم به ندانسته‌هایمان خواهیم پرداخت. برای شروع اجازه دهید جواب نهایی این مقاله به پرسشی که در تیتر بیان شده است را همین ابتدا بیان کنیم: نمی‌دانیم! دانشمندان تا به امروز نمی‌دانند که ماده و انرژی تاریک وجود دارد یا نه. اگر از شنیدن این جواب نا امید شدید توصیه می‌کنیم دیگر به خواندن این مقاله ادامه ندهید. اما اگر این پاسخ شما را به آینده امیدوار کرد احتمالاً از خواندن این مقاله لذت خواهید برد. بگذارید برای آن دسته از خوانندگان که نا امید شدند اما هنوز مشغول خواندن هستند توضیح بدهیم که چطور این پاسخ می‌تواند ما را امیدوار کند: به این دلیل که همین جواب فرصتی برای ما و شما است تا بتوانیم تاثیری مثبت در دانش بشری داشته باشیم. به این دلیل که این جواب به ما می‌گوید یک مشکلی وجود دارد که هنوز حل نشده، این جواب در عمل دارد از شما خواهش می‌کند که «بیا کمک». راستش ما وقتی مقاله‌ای را می‌خوانیم که فقط دانسته‌ها را بیان می‌کند و با این حس تمام می‌کند که «دانشمندان چه قدر زیاد می‌دانند» نا امید می‌شویم! این نوع مقالات شدیداً ناامید کننده و مانند یک خیابان بن بست هستند. آنها هیچ راهی برای اثر گذاری ما (به عنوان خواننده)‌ باز نمی‌گذارند. پس این مقاله از این گونه مقالات نخواهد بود.

متاسفانه همه مدل‌های نظری ما در توضیح اصولی ماده و انرژی تاریک عاجزند و مشاهدات ما هم به هیچ‌وجه دقت لازم برای ایجاد مدلی جدید یا اصلاح مدل‌های فعلی را ندارد و به این زودی‌ها، حداقل تا ۲۰ سال دیگر، نخواهد داشت. در این مقاله هدف ما پیشنهاد مدلی جدید برای ماده یا انرژی تاریک نیست. ما هیچ پنجره‌ای به آینده نداریم که ببینیم آیا دانشمندان آینده  با تجربیات و ابزارهای بیشترشان، که ما به آنها خواهیم داد، خواهند توانست وجود ماده و انرژی تاریک را ثابت کنند یا نه.

اما داستان به این تاریکی نیست، خوشبختانه یک چراغ راه خوبی داریم که گذشتگان ما برای ما روشن کرده اند: بیایید فراموش نکنیم که ما آینده گذشتگان هستیم. ما همان مزیت‌هایی را نسبت به گذشتگان داریم که آیندگان نسبت به ما خواهند داشت. ما می‌دانیم که گذشتگان برای درک ندانسته‌هایشان چه تصمیم‌هایی گرفتند و چطور با آن تصمیم‎هایشان علم امروزی را شکل دادند. پس هدف ما در این مقاله یادگیری از تجربیات گذشتگان است. می‌خواهیم با استفاده از تجربیات آنان حدس بزنیم که چه آینده‌ای برای ماده و انرژی تاریک می‌توان ترسیم کرد. در این مقاله تلاش خواهیم کرد مروری بسیار کلی داشته باشیم بر طرز برخورد گذشتگان با مشاهداتی که با مدل پذیرفته شده زمانه تطابق نداشت.

از آنجایی که هدف نهایی ما مقایسه با ماده و انرژی تاریک است باید نمونه‌ای تاریخی را پیدا می‌کردیم که شباهت زیادی به ورود این دو به کیهان‌شناسی مدرن داشته باشد. مثالی که ما پیدا کردیم مدل فلک‌های تدویر بود که متفکران آن را برای حدود دو هزار سال به عنوان مدل اصلی برای شناخت گیتی تعریف می‌کردند. در قسمت دوم می‌بینیم که در نهایت چطور دانشمندان راضی شدند اشتباه بودن آن مدل را بپذیرند. جست‌وجو برای مدلی جدید در نهایت فیزیک کلاسیک را برای ما به ارمغان آورد. در قسمت نهایی این مجموعه مقاله خواهیم دید که چطور ماده و انرژی تاریک وارد مدل کیهان‌شناسی امروزی ما شد و چه شباهت‌هایی بین برخورد ما با آن و گذشتگان ما با فلک‌های تدویر وجود دارد. همانطور که در طول این سه بخش از مقاله خواهید دید، ما به این نتیجه خواهیم رسید که بزرگ‌ترین اشتباه گذشتگان، اعتقادی راسخ به مدل‌های اجدادشان و تعمیم مدل‌های خود به گیتی بود. خواهیم دید که چطور این نوع دید باعث می‌شود متفکران مدل‌های اجدادشان را بر داده‌هایی که با آن مدل ها سازگار نیستند را ترجیح بدهند.

 مقایسه‌ی کامل و دقیق تاریخی از حوصله این مقاله کوتاه و مخاطبانش خارج است و چه بسا چند کتاب نیز برای این کار کم باشد. پس ما به هیچ وجه ادعا نمی‌کنیم که تمام زوایا را پوشش خواهیم داد یا همه مسایل را بیان خواهیم کرد. البته این ضمانت را به شما می‌دهیم که تا جایی که دانش ما به ما می‌گوید مثال‌های تاریخی آورده شده، مشتی از خروار است و ما تا به حال مثالی نقض در تاریخ علم پیدا نکرده‌ایم که اشتباه بودن نتیجه نهایی ما را نشان دهد. اگر متنی تاریخی وجود دارد که غلط بودن نتیجه را نشان می‌دهد ما خیلی از کسی که آن را به ما معرفی کند متشکر خواهیم شد و آن را در مقاله اثر خواهیم داد. پس هدفمان فقط ارایه یک دیدگاه کلی تاریخی از برخورد دانشمندان با ندانسته‌هایشان است.

در نهایت لازم است برای یک خواننده علاقه‌مند ذکر شود که تمام مطالب تاریخی که در این مقاله ذکر شده اند با منابع موجود در ویکی‌پدیا چک شده است. با جست‌وجوی کلمه‌های کلیدی هر بخش در آن دانش‌نامه آزاد می‌توانید اطلاعاتی بسیار فراوان در آن زمینه بدست بیاورید.

خلق فلک‌های تدویر در کیهان شناسی باستان

برای باستانیان زمین در مرکز گیتی قرار داشت، با چند دلیل مشاهداتی و فلسفی باستانیان برای پذیرفتن مرکزیت زمین در ادامه آشنا خواهیم شد. از طرفی باستانیان علاقه خاصی به دایره داشتند و کامل بودن آن را دلیل بر این می‌دانستند که در افلاک فقط باید دایره وجود داشته باشد. در نظر داشته باشید که کامل بودن دایره نیز یک تعریف زیبایی‌شناسانه‌ی ساخته ‌ی‌خود ما بود تا طبیعت. امروز ما این نوع دید را بیشتر متاثر از فیزیک ارسطو می‌دانیم که می‌گفت دنیای افلاک با دنیای روی زمین متفاوت است.
بر اساس همین دو فرض، باستانیان شکل سیارات را کُره فرض می‌کردند و مدار آن‌ها به دور زمین را نیز یک دایره. این وضعیت شناخت اغلب منجمان باستان از گیتی بود: زمین در مرکز است و هفت سیاره دارند در مدارهای دایروی به دور زمین می‌چرخند. سیارات (حرکت کنندگان) در مدل باستانیان به ترتیب فاصله از زمین، که در مرکز قرار داشت، به این شکل بودند: ماه، عطارد، زهره، خورشید، مریخ، مشتری و زحل.

عکس ۱: مدل زمین مرکزی در یونان باستان: زمین در مرکز قرار دارد و مدار سیارات به دور زمین دایروی است

پس اصولی که باستانیان در اختیار داشتند تا یک مدلی برای گیتی بسازند این دو نکته بود: زمین در مرکز است و در افلاک فقط دایره می‌تواند وجود داشته باشد. امروز می‌دانیم که هر دوی این اصول اشتباه بودند. اما با دانش و دقت آن زمان این دو اصل خیلی زیبا بیشتر مشاهدات را توضیح می‌داد. اما یک مشکل (از چندین مشکل) که در این مدل بسیار ساده و زیبا وجود داشت این بود که در حالی که حرکت کلی مریخ به سمت شرق بود اما هر چند وقت یک بار برای یک مدت کوتاهی مریخ به سمت غرب حرکت می‌کرد و بعد دوباره به حرکتش به سمت شرق ادامه می‌داد. شکل زیر:

عکس ۲: حرکت بازگشتی مریخ: امروزه می‌دانیم که به دلیل اینکه فاصله‌ی مدار زمین کوچک‌تر از مدار مریخ به دور خورشید است این حرکت بازگشتی مریخ برای ناظر زمینی پیش می‌آید

توضیح این حرکت عجیب مریخ با آن مدل ساده و زیبا که زمین در مرکز بود و مدارها دایروی بودند امکان نداشت. در قرن سوم قبل از میلاد دو پیشنهاد برای حل این مشکل در توضیح مدار سیارات به میان آمد. آپولونیوس پیشنهاد داد که مدار سیارات دایروی است و زمین در مرکز گیتی است اما خود سیارات روی دایره‌ای که زمین در مرکز آن است نمی‌گردند. بلکه خود سیارات روی دایره‌ی دیگری می‌گردند که مرکز آن روی دایره اول قرار دارد (عکس ۳). اسمی که برای این مدارهای ثانویه انتخاب شد فلک‌های تدویر بود.

عکس ۳: فلک تدویر برای مریخ در یک گیتی زمین مرکزی

اما این تنها پیشنهاد نبود. قبل از آپولونیوس، آریستارخوس پیشنهاد داده بود که اگر زمین در مرکز گیتی نباشد این مشکل حل می‌شود: تقریباً مانند تصویر امروز ما (پانویس ۱). پس متفکران باید از بین این دو مدل یکی را انتخاب می‌کردند: یا سیارات را از مدارهای اصلی بردارند و آنها را روی فلک‌های تدویر بگذارند، یا اینکه زمین را از مرکزیت گیتی بردارند و خورشید را در این مکان قرار دهند. متفکران باستان جواب اول را ترجیح دادند و پاسخ دوم، که امروز می‌دانیم پاسخ درست بود، برای ۱۸۰۰ سال، تا زمان کاپرنیکوس، کنار گذاشته شد.

البته پذیرفتن جواب اول (فلک‌های تدویر) زیاد هم بی‌دلیل نبود. مدل زمین‌مرکزی پلی بسیار مستحکم  بین مشاهدات و کیهان‌شناسی آن موقع بود. به عنوان مثال، همانطور که در شکل اول می‌بینید، باستانیان اعتقاد داشتند که تمام ستارگان روی یک پوسته‌ی کروی درست بعد از زحل (آخرین سیاره‌ای که می‌شناختند) قرار دارند. پس اگر زمین در حال حرکت است، چرا ستارگان نسبت به هم حرکت نمی‌کردند؟ ما امروزه به این اثر پارالاکس می‌گوییم. به زبان دیگر چون زمین در حال حرکت است و ستارگان نیز در مدل آنان نسبتاً به زمین نزدیک هستند، در مواقعی از سال، زمین به بعضی از ستارگان نزدیک‌تر خواهد بود و در مواقعی دیگر به ستارگانی دیگر نزدیک‌تر خواهد بود، پس چرا شکل صور فلکی در فصول مختلف سال تغییر نمی‌کرد؟

مثال دیگر از شواهدی که استحکام‌دهنده مدل زمین‌مرکزی به شمار می‌آمد، نور سیاره‌ی زهره (پرنور ترین سیاره از دید ما)‌ بود که تقریباً همیشه ثابت است. اگر زمین و زهره در حال چرخش به دور خورشید بودند باید نور زهره خیلی تغییرات بیشتری می‌کرد: وقتی نزدیک بود خیلی روشن‌تر می‌شد و وقتی دور بود خیلی کم نور‌تر.

از لحاظ فلسفی نیز، دلیلی که ارسطو برای قرار داشتن زمین در مرکز گیتی آورده بود بسیار قانع کننده بود. آن استدلال حتی کروی بودن زمین را نیز ثابت می‌کرد. ارسطو می‌گفت که خاک سنگین‌ترین عنصر است و همیشه باید زیر آب قرار داشته باشد (شکل ۱). آب هم از هوا سنگین‌تر است پس همیشه به سمت قرار گرفت روی خاک و زیر هوا حرکت خواهد کرد و هوا هم از آتش سنگین‌تر پس روی آب و زیر آتش قرار دارد. در نهایت نیز او اعتقاد داشت که افلاک فقط از اثیر تشکیل شده‌اند که ماده‌ای است سبک‌تر از همه چهار تای قبلی. چون هیچ کدام از این عناصر نمی‌توانند در افلاک وجود داشته باشند پس زمین، و موجودات روی آن که از این عناصر تشکیل شده‌اند، فقط می‌تواند در مرکز گیتی قرار داشته باشد. از طرف دیگر تنها شکلی که زمین می‌تواند داشته باشد کُره است چون تنها در این حالت خاک می‌تواند زیر هر عنصر دیگری (نزدیک‌تر به مرکز) قرار داشته باشد.

امروز می‌دانیم پاسخ مشکل اول این است که فاصله‌ی ستارگان نسبت به سیارات خیلی از ما دورتر است. به عنوان مثال نزدیک‌ترین ستاره به ما حدود ۲۳هزار برابر از زحل دورتر است. آریستارخوس دقیقاً برای توضیح عدم تغییر صور فلکی همین دلیل را می‌آورد. البته این استدلال او برای اغلب متفکران قابل قبول نبود. کلینتس (از فیلسوفان هم عصر او) حتی پیشنهاد دادگاهی کردن او را برای این پیشنهاد داد! شاید برای شما شک برانگیز شود که چطور ستارگان نمی‌توانستند دورتر از زحل باشند. این یکی از دگم‌های زمانه بود که یکی از دلایل رد کردن نظریه‌ی خورشید مرکزی بود. مشاهدات آن زمان هیچ امیدی به یافتن پاسخ برای فاصله‌ی ستارگان از زمین نداشتند. پس متفکران زمان نیز تصمیم گرفتند «ساده»‌ترین پاسخ را انتخاب کنند: ستارگان درست بعد زحل قرار دارند. بر مبنای آن نیز این استدلال آریستارخوس را غیر قابل قبول می‌دانستند.

پاسخ مشکل دوم هم این بود که هلال‌های زهره در مواقعی که خیلی به زمین نزدیک می‌شود، و در نتیجه باید نورش خیلی بیشتر شود، اجازه بیشتر شدن نورش را نمی‌دهند: مانند هلال اول ماه قمری، و موقعی که آن طرف خورشید قرار دارد هلال کامل دارد: مانند ماه شب ۱۴. پس هلال‌ها باعث می‌شوند که نور زهره تقریباً ثابت بماند. گالیله حدود ۱۹۰۰ سال بعد از آریستارکوس توانست با تلسکوپ دست سازش هلال‌ها را ببیند! در مورد مدل ارسطو نیز همانطور که امروز می‌دانیم گیتی از چهار عنصر تشکیل نشده و این رابطه‌ای که او بین آنها فرض می‌کرد درست نبوده.

پس می‌بینیم که حداقل در این سه مثال، دلایلی که باستانیان مدل خورشید مرکزی را رد می‌کردند بر مبنای تفاسیری غلط از مشاهدات بوده: به عنوان مثال، چرا ستارگان نمی‌توانستند خیلی دورتر از زحل باشند؟ در واقع چون نمی‌توانستند خلاف آن را آن زمان ثابت کنند اغلب متفکران ترجیح دادند مدلی را قبول کنند که بیشتر با اعتقادات غیر علمی زمانه سازگار بود.

شاید احساس کنید که داریم خیلی از بحث ماده و انرژی تاریک دور می‌شویم اما بیان این جزییات و درک تصویر بزرگ‌تر برای مقایسه‌ی متفکران گذشته با متفکران امروزی برای استدلال نهایی ما لازم است. ما هم امروز دگم‌های زیادی داریم که متاسفانه کمتر مورد مطالعه، بررسی و شک قرار می‌گیرند. در نهایت خواهیم دید که چطور برخورد متفکران قرن بیستم میلادی با دو مشکل عظیمی که به دلیل مشاهدات در کیهان‌شناسی روبه‌روی آن‌ها سبز شده بود دقیقاً همین برخورد باستانیان بود. درست مانند متفکران باستان، متفکران قرن بیستم هم تصمیم گرفتند به جای شک به اصولی که از نسل‌های قبل به ارث برده بودند (مکانیک کوانتم و نسبیت عام)‌ فقط اصلاحاتی بسیار سطحی و پوسته‌ای بر آن بکنند تا این مشکل را دور بزنند. در قسمت نهایی این مقاله به چگونگی این برخوردشان خواهیم رسید. فعلاً اما اجازه بدهید برگردیم به سرنوشت این انتخاب گذشتگان.

سرنوشت فلک های تدویر

فلک‌های تدویر خیلی زیبا (از دید متفکران باستان) توانسته بودند آن مشکل بزرگی که در مدل کیهان‌شناسی آن‌ها پیش آمده بود را بدون هیچ تغییر بنیادین توضیح بدهد. منظورمان از تغییر بنیادین تغییر در آن دو اصل کیهان‌شناسی باستان است. یا همان قرار داشتن زمین در مرکز گیتی و دایره بودن همه چیز در افلاک. این دو اصل دست نخورده باقی ماند و مشکل حرکت بازگشتی مریخ هم با فلک‌های تدویر حل شد! همه‌ی دانشمندان راضی بودند و به نظر می‌آمد که خیلی زیبا توانسته بودند حرکت سیارات را پیش‌بینی کنند.

تاریخ بهترین شاهد برای این ادعا است که طبیعت لزوماً بر مبنای مدل‌هایی که ما برایش می‌سازیم کار نمی‌کند. متفکران زمان خیلی سریع مجبور شدند، این مدل را پیچیده و پیچیده‌تر کنند تا با مشاهداتی که داشت دقیق و دقیق‌تر می‌شد سازگاری پیدا کند. چون اضافه کردن یک دایره به دایره‌ی قبلی یک بار مساله را حل کرده بود، مسلماً ساده‌ترین کار برای تطابق مشاهدات و نظریه‌ها اضافه کردن یک دایره دیگر بود. دانشمندان باستان هم دقیقاً همین کار را کردند! پس هر بار که حس کردند مشاهدات دارند زیاد از نظریات فاصله می‌گیرند، یک فلک تدویر دیگر اضافه می‌کردند.(شکل ۴)

شکل ۴: اضافه کردن یک فلک تدویر به فلک تدویر قبلی برای یک سیاره.

به این ترتیب هر بار عدم تطابق داده و مدل پیش می‌آمد یک فلک تدویر به آن سیاره اضافه می‌کردند و مشکل حل می‌شد. در واقع طبیعت از طریق مشاهدات دقیق‌تر داشت خیلی رک و پوست کنده به متفکران زمانه می‌گفت که این مدل شما اشتباه هست، اما دانشمندان با سلاحی که از اجدادشان به ارث برده بودند، خیلی راحت یک فلک تدویر به فلک‌های تدویر قبلی اضافه می‌کردند و مساله را حل شده می‌پنداشتند. این جریان (اضافه کردن فلک‌های تدویر) چیزی حدود ۲۰۰۰ سال به طول انجامید، بعضی از اوقات دانشمندان حتی به وجود ۸۰ فلک تدویر در یک منظومه‌ای که فقط هفت سیاره متحرک دارد راضی شده بودند! البته بعداً توانستند کمی تعداد آنها را کم کنند و در نهایت در زمان کپرنیکوس (قرن ۱۶ میلادی)‌ حدود چهل فلک تدویر برای توضیح حرکت سیارات نیاز بود. در شکل پنج می‌توانید فلک‌های تدویر را در دو نمونه از دوره‌ی اسلامی ببینید.