آزمون اصل کوپرنیکی

انقلاب های علمی همیشه و به طور مداوم اتفاق نمی افتند, اما قطعا کتاب «در باب انقلاب اجرام آسمانی» که در سال ۱۵۴۳ منتشر شد آغازگر یک انقلاب علمی بود

انقلاب‌های علمی همیشه و به طور مداوم اتفاق نمی‌افتند، اما قطعا کتاب «در باب انقلاب‌ اجرام آسمانی» که در سال ۱۵۴۳ منتشر شد آغازگر یک انقلاب علمی بود. در این کتاب که اثر نیکلاس کوپرنیک بود، مدل زمین-مرکزی در مورد منظومه خورشیدی کنار گذاشته شد و دیدگاه جایگزینی ارائه داد که در آن زمین به دور خورشید می‌چرخید. حالا هیچ‌کس این واقعیت را زیر سوال نمی‌برد که خورشید مرکز منظومه خورشیدی ماست و همچنین به نظر نمی‌رسد کسی تصور کند ما در مرکز عالم هستیم. در حقیقت، این ایده‌ها همگی در «اصل کوپرنیکی» خلاصه شده است که زمین هیچ موقعیت ممتاز و ویژه‌ای در عالم ندارد. این نظریه به عنوان یک اصل پیش‌فرض در بین دانشمندان پذیرفته شد و البته زمان بسیاری برای جاافتادن آن سپری شد. اما چگونه می‌توان آن را آزمود؟ (در واقع سوال این است که چگونه می‌توان نشان داد هیچ مکان ممتاز و مرجحی در عالم وجود ندارد و جهان به طور همگن و همسانگرد بر طبق نظریه‌های کیهان‌شناسی در حال انبساط است.) دو گروه مستقل از فیزیک‌دان‌ها ادعا می‌کنند که جواب این سوال را می‌دانند و راه‌حل‌های خود را در دو مقاله متوالی در مجله فیزیکال ریویو لترز منتشر کرده‌اند.

● جسم سیاه و تابش زمینه

در مقاله اول، رابرت کالدول از کالج دارتموس و آلبرت ستبینس از آزمایشگاه ملی فرمی در آمریکا توضیح داده‌اند که چگونه بررسی طیف تابش ریزموج زمینه کیهانی (Microwave Background Radiation) می‌تواند برای آزمودن اصل کوپرنیکی به کار گرفته شود. تابش ریزموج زمینه کیهانی تنها ۳۸۰هزار سال پس از مهبانگ به وجود آمده است. (این تابش قسمتی از امواج الکترومغناطیس است که همه با آن آشنایی داریم، زیرا همان موجی است که در فر مایکرو-ویو برای تحریک و گرم‌کردن مولکول‌های آب به کار می‌رود.)

کیهان‌شناسانی مانند کالدول و ستبینس به اصل کوپرنیکی علاقه‌مند هستند برای اینکه نقش مهمی در تفسیر مشاهدات فیزیکی از شتاب عالم و انرژی تاریک دارد. اگر اصل کوپرنیکی نادرست باشد، آنگاه به نظر می‌رسد نیازی به انرژی تاریک نیست. یعنی برای توضیح مشاهدات مبتنی بر شتاب گرفتن عالم ما باید در مرکز حفره‌ای خالی از ماده زندگی می‌کردیم. در ضمن این حفره باید تابش ریزموج کیهانی منتشر می‌کرد برای اینکه یک جسم سیاه نباشد. کالدول توضیح می‌دهد که این دقیقا بنیادی‌ترین چیزی است که نیاز به آزمون آن داریم.

برای اندازه‌گیری و آزمایش اینکه آیا چنین فرضیه‌ای درست است یا نه، این گروه تحقیقاتی پیشنهاد داده‌اند تا ماهیت تابش جسم سیاه را در تابش ریزموج کیهانی دقیق‌تر از قبل اندازه بگیرند. این حفره‌ باید به پراکندگی ناهمسانگردی از نور منجر شود که از تابش ریزموج کیهانی می‌آید و آن را از تابش جسم سیاه متمایز می‌کند. اما اگر شواهد دیگری ببینیم مبنی بر اینکه تابش ریزموج همان تابش جسم سیاه است، آنگاه شاهدی خواهد بود برای اینکه اصل کوپرنیکی درست است. (هر جسم جامدی مقدار معینی از انرژی تابشی بر سطح خود را جذب می‌کند و بقیه را بازمی‌تاباند. یک جسم سیاه ایده‌آل ماده‌ای است که تمام تابش فرودی را بدون هیچ بازتابی جذب می‌کند. در فیزیک کوانتومی، جسم سیاه ماده‌ای است که تعداد زیادی تراز انرژی کوانتیده در طیف وسیعی از انرژی دارد. جسم سیاه کوانتومی هر ذره‌ای را با هر فرکانسی جذب می‌کند. چون انرژی جذب شده به وسیله یک ماده دمای آن را افزایش می‌دهد، اگر هیچ انرژی از آن تابش نشود پس یک جذب‌کننده کامل یا یک جسم سیاه، یک تابش‌کننده کامل هم هست. پس در واقع طیف جسم سیاه در هر فرکانسی تابش دارد و مقایسه تابش زمینه کیهانی با تابش جسم سیاه از این جهت اهمیت دارد.)

با این‌حال، در حال حاضر این موضوع پذیرفته شده است که تابش ریزموج یک تابش جسم سیاه است. در حقیقت جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۰۶ به این خاطر به جان ماتر و جرج اسموت تعلق گرفت که نشان دادند تابش ریزموج یک جسم سیاه است. ضمن اینکه ناهمسانگرد بودن این تابش را هم نشان دادند. این تحقیقات برنده جایزه نوبل بر اساس داده‌های کاوشگر تابش کیهانی ناسا(COBE) انجام شده بود که طیف کامل جسم سیاه را ثبت کرده ‌است. کالدول و ستبینس فکر می‌کنند ماموریت‌های بعدی ناسا می‌توانند تغییرات ممکن در رفتار جسم سیاه تابش میکروموج زمینه کیهانی را با حساسیتی بیش از کاوشگرهای قبلی ثبت کنند. کالدول می‌گوید «ما باید تابش زمینه را در فرکانس‌های مختلف اندازه‌گیری کنیم؛ کاری که ماموریت‌های قبلی ناسا قادر به انجامش نبودند.»

● انتقال به سرخ

در یک مقاله جداگانه، ژان فیلیپ اوزان از دانشگاه پیر و ماری کوری در فرانسه به همراه کریس کلارکسون و جورج الیس از دانشگاه کیپ تاون آفریقای جنوبی، روش دیگری برای آزمون اصل کوپرنیکی پیشنهاد کرده‌اند. طرح آنها مبتنی بر اندازه‌گیری انتقال سرخ کهکشان‌ها به طور بسیار دقیق در طول زمان است. انتقال به سرخ به معنای زیاد شدن طول موج نور گسیل شده از اجرام آسمانی مانند کهکشان‌هاست که همراه با زیاد شدن سرعت آنها رخ می‌دهد. این پدیده نشان‌دهنده دورشدن با شتاب کهکشان‌ها از یکدیگر است. تغییرات انتقال به سرخ در طول زمان اهمیت زیادی برای این تحقیق دارد.

این گروه از کیهان‌شناسان ادعا می‌کنند داده‌های حاصل از تغییرات انتقال به سرخ می‌توانند با اندازه‌گیری‌ فاصله کهکشان‌ها ترکیب شوند. از تمام این اطلاعات می‌توان نتیجه گرفت عالم به طور مکانی همگن است که این دقیقا همان اصل کوپرنیکی است. با این‌حال به نظر می‌رسد مرزهای کیهان‌شناسی به این سرعت جابه‌جا نخواهند شد. این را پاول اشتینهارت که کیهان‌شناسی از دانشگاه پرینستون است، می‌گوید: «من شرط می‌بندم نتایج آزمایش‌ها تهی خواهد بود، یعنی اصل کوپرنیکی در مقیاس‌هایی که ما می‌توانیم مشاهده کنیم معتبر است. اما به هر حال فکر می‌کنم آزمایش‌ها باید انجام شوند.»

Physicsworld.com ,May ۲۵, ۲۰۰۸

میشل بانکس

ترجمه: مریم جعفر اقدمی