تبیان، دستیار زندگی

یه چراغ قوه بدین به من می خوام آسمونو ببینم!!!

آسمان چرا تاریک است ؟

آیا باید بگوییم آسمان سیاه ! یا آسمان ظلمانی (تاریک) بی نوری !

این سوالی که ذهن نجومی های تبیان رو به خودش مشغول کرده سوالیست که سالها پیش کپلر و دانشمندان دیگری رو به امر فکر کردن وا داشت !

و آلبرس پارادوکسی را بیان کرد که محدودیت و نامحدود بودن فضا را مورد بررسی قرار میدهد و پاسخ این سوال که چرا آسمان تاریک است در همین پاسخ گنجانده شده است . شایدم بهتره بگم این پاسخ خود سوالی بود که ذهن بشر را حتی تا به امروز درگیر خود کرده است .

نکته ی جالب این بحث برای من لاکرسیوس فیلسوف است که شعر طبیعت جهان او یا on the nature of the universe   ، تناقض آلبرس رو بیان کرد .  

بخونید و در تفکر دانشمندان بزرگی که قرنها پیش این سوال یا جواب را مطرح کرده اند سهیم باشید .

ساده ترین رویدادها غالباً غنی ترین آگاهی ها را با خود دارند. در 1610، كپلر راز سیاهی شب را از خود پرسیده و به خود گفته بود كه اگر كائنات بی پایان است، آسمان شبانگاهی، آنهنگام كه خورشید آنسوی كره زمین را روشن می كند نیز باید چون روز درخشان باشد. یك كائنات بینهایت باید حامل مقداری بینهایت ستاره و هر كدام به همان تابندگی آفتاب باشد. در یك كائنات بی پایان باید به هر سو می نگری با یك ستاره برخورد كنی و آسمان شبها بایستی تابندگی خورشید را داشته باشد. بنابراین كپلر نتیجه گرفت كه شب سیاه به معنای آن است كه كائنات بی پایان نیست.

در 1823 هاینریش البرس ستاره شناس آلمانی با تكیه بر ایده یك منجم سویسی به نام ژان فیلیپ دوشزو نظر داد كه روشنائی ستاره ها می بایستی در زمان سفرشان در فضا در جایی جذب شود و شب از این جهت تاریك است كه نور ستاره ها در حد كمال به ما نمی رسد. اما این توضیح كاملی نبود زیرا آنچه جذب می شود لاجرم باید بازپس داده شود زیرا نور گم شدنی نیست.

با كائنات بیگ- بنگ و قضیه تناقض البرس از راز ظلمت شب پرده برداشته شد. شب تاریك است زیرا برای پر كردن آسمان از روشنایی ستاره به اندازه كافی نیست. تعداد ستاره ها محدود است نه به این دلیل كه كائنات حد و مرز دارد بلكه به این دلیل كه ما تمام كائنات را نمی بینیم، به دلیل آنكه انتشار نور آنی و فوری نیست،‌فقط روشنایی ستاره هایی به ما می رسد كه در درون دایره افق ما واقع شده اند. از سوی دیگر تعداد ستارگان محدود است زیرا تا ابد نمی مانند. كائنات حدود 15 میلیارد سال عمر دارد حال آنكه عمر ستاره های نورانی چند میلیون یا حداكثر چند میلیارد سال است.

 دلیل دیگر بر تاریكی آسمان در شب گسترش كائنات است. هر چه مسافت كهكشانها از یكدیگر دورتر شود روشنایی نیز با دشوار ی بیشتری به ما می رسد و نور نیرو و قدرت خود را از دست می دهد و به قرمزی متمایل می شود و به این ترتیب نیروی روشن كننده در دایره افق كاهش می یابد.

چرا شب هنگام آسمان تاریک است؟!! این پرسشی ایست که اخترشناسان را چندین قرن بخود مشغول داشته است.

در سال 55 قبل از میلاد ، لاکرسیوس (2) در شعرش «طبیعت جهان» اندیشه ی جدید جهان نامحدود را مطرح کرد. در سال 1576 توماس گیگز (3) مطرح کرد که هرچند جهان نامحدود است ، ستاره های دور برای دیده شدن بسیار کم نورند. با توجه به اینکه ستاره ها همه جا هستند کم نورترین آنها روزنه تاریکی در آسمان شب ایجاد می کنند. در سال 1610 کپلردر پاسخ به کتاب «پیامبر پر ستاره» (4) نوشته گالیله نوشت که اگر جهان نامحدود بود ما باید در تمام جهات ستاره می دیدیم و آسمان شب هرگز تاریک نمی بود. بنابراین او نتیجه گرفت که چون آسمان شب تاریک دیده میشود جهان محدود است. ادموند هالی (5) آسمان تاریک شب را از نظرگاه ریاضی مورد بحث قرار داد. هالی یک جهان نامحدود را در نظر گرفت اما نشان داد بسیاری از ستارگان دوردست آنقدر کم نورندکه حتی با بزرگترین تلسکوپها هم قابل ثبت نیستند ، بنابراین ، ناحیه تاریک بین ستارگان همان گونه که دیده شده باید وجود داشته باشد! این استدلال نمی تواند درست باشد زیرا اگر تعداد ستارگان بینهایت باشد ، مجموع نور ستارگان ضعیف باید آسمانی درخشان و روشن را نتیجه دهد. مانند این واقعیت که ما نمی توانیم سقوط یک الکترون به لایه های پایین تر را در یک اتم منفرد مشاهده کنیم اما در تعدادبسیار زیادی از اتم ها نور بسادگی قابل رویت است.

در سال 1744 اخترشناس سویسی ، جین فیلیپ (6) ، مسئله آسمان تاریک را مورد مطالعه قرار داد. وی اظهار داشت که ناحیه کل آسمان 180000 بار بزرگتر از خورشید مشاهده شده است. او استنتاج کرد که اگر نور ستاره ای از تمام ستارگان به زمین برسد آسمان شب باید 180000 بار روشنتر از خورشید باشد!! او معتقد بود تاریکی آسمان شب بواسطه مواد جاذبی است که میان ما وستارگان دور قرار دارد.

روشن است که لرد کلوین (7) نیز در این مسئله دچار اشتباه شده است. اما منبع مناسبی برای کارش یافت نشده است. نهایتا ً در سال 1826 اخترشناس وینی ، هنریک البرس (8) بار دیگر این سوال بسیار اساسی اما دشوار را مطرح کرد که چرا آسمان شب تاریک است ؟ این پرسش اینک نام او را دنبال می کشد.

در ابتدا به عنوان یک سوال ساده پاسخ بدیهی مضحک و خنده دار به نظر میرسد ، «زیرا ما در شب پشت به خورشید داریم». به هر حال سوال عمیق است و پاسخ فراتر از بدیهیات است.

جواب اولی که در بالا بیان شد به شرط آن که کسی بتواند اثبات نماید که شدت نور ستارگان شب آنقدر کم است که سبب تاریکی آسمان میشود ؛ میتواند درست باشد. البرس با تعجب دریافت که این جواب صدق نمی کند. دلایل او بدین شرح است :

1- جهان در فضا تا بینهایت گسترده شده است.

2- سن جهان بینهایت است.

3- جهان شامل ستارگانی است که بطور مساوی پراکنده شده اند و همگی تقریبا ً درخشندگی یکسانی دارند.

4- هیچ ماده تیره کننده ای میان ما و ستارگان وجود ندارد.

برای یافتن درخشندگی آسمان شب ، ابتدا باید میزان نور دریافتی از تمام اجسام درخشان را محاسبه کرد. اجازه دهید در اینجا n به عنوان اشیای مورد نظر در واحد حجم باشد (n چگالی است) و بگذارید هر یک از آنها انرژی نورانی E را از خود ساطع کند. ما فضا را به تعدادی پوسته نازک کروی هم مرکز تقسیم می کنیم که ضخامت هر یک t و مرکز همه آنها زمین است. از آنجا که مساحت کره ای به شعاع r برابر است با 4лr^2 حجم چنین پوسته ای برابر 4лtr^2 است.

اگر چگالی اشیای نورانی درون هر پوسته n باشد بنابراین تعداد کل این اشیا درون پوسته باید 4лtnr^2=N
باشد.

حال اجازه دهید بپرسیم دقیقا ً چه مقدار انرژی از چنین پوسته ای به زمین ارسال میشود. از آنجا که ضخامت پوسته ها کم است منطقی است که همه پوسته ها را در فاصله r از زمین فرض کنیم. شدت I حاصل تقسیم انرژی E که از منبع در فاصله r انتشار می یابد بر مساحت مفروض است (از قانون عکس مجذوری تبعیت می کند) شدت کل دریافتی بر روی زمین از ستارگان I= E/4лr^2 واقع در پوسته ای به فاصله r واحد دورتر برابر است با حاصلضرب شدت هر منبع نوری در تعداد کل این منابع T= IN با جانشینی مقدار N که قبلا ً در بالا محاسبه شد خواهیم داشت ؛T= tnE می بینیم که انرژی دریافتی از هر پوسته دلخواه به فاصله آن از ما بستگی ندارد (r در رابطه مشاهده نمیشود). کل انرژی دریافتی از همه پوسته ها برابر مجموع سهم تک تک پوسته هاست. اگر M پوسته وجود داشته باشد انرژی کل برابر است با : S= MtnE .

اما بینهایت پوسته وجود دارد و بنابراین شدت کل بر روی زمین باید بینهایت شود. پس آسمان شب باید بطور خیره کننده ای روشن باشد!!

این نتیجه دانشمندان را بیش از یک قرن سردرگم کرده بود. واضح است که فرض یا فرض های غلطی بکار گرفته شده که این نتیجه حاصل شده است. بنظر میرسد که نباید بطور ساده روی سهم همه پوسته های هم مرکز جمع بست چرا که ستارگان دقیقا ً نقطه ای نیستند و مسلما ً آنهایی که نزدیکترند ستارگان دورتر را از نظر پنهان می کنند. اگر این درست باشد ، آسمان شب فقط باید به اندازه میانگین روشنایی سطحی یک ستاره نوعی روشن باشد. این لازم است اما کافی نیست و حال آسمان از روشنایی بینهایت به روشنایی یک ستاره نمونه ، بعنوان مثال خورشید ، تقلیل می یابد

ادامه دارد ...

تردیدی نیست که در عالم ، مواد تاریک وجود دارد و در وهله اول می توان استدلال کرد که این مواد از روشنایی محاسبه شده آسمان می کاهد. این ایده تامل آور است چرا که مواد تیره کننده ، هر جا که قرار دارند ، می توانند توسط انرژی ای که از منابع دوردست جذب می کنند داغ شوند و در آن ِ واحد خودشان انرژی تابش کنند. اگر عالم از نظر وسعت بینهایت نباشد ؛ پس پوسته ها نیز نمی توانند بینهایت باشند و از روشنایی آسمان کاسته میشود. اگر چه هنوز هیچ مدرکی دال براینکه جهان کراندار و محدود است وجود ندارد. در غیاب چنین مشاهداتی ما نمی توانیم مطمئن باشیم که فرض اول البرس نادرست است. فرض کنید که عالم سن نامحدود ندارد. فرض کنید که از X سال پیش آمده باشد. بنابراین سن عالم کران دارد. انرژی ای که ما دریافت می کنیم نمی تواند از فاصله ای دورتر از این انبساط آمده باشد. قبل از عقیده جهان منبسط شونده ، این حد بنیاد نهاده شده بود که برابر cX است که cدر اینجا سرعت حرکت نور است. در هر رویداد این مسئله مقدار کل انرژی را محدود می کند اما محاسبات نشان میدهد که این هم هنوز نمی تواند یک آسمان شب روشن را ایجاد کند. حل پارادوکس البرس از آنجا ناشی میشود که جهان در حال انبساط است ، فاصله مجموعه های کهکشانی از ما در حال افزایش است. این ادعا در کاهش نور این منابع دور که توسط قانون عکس مجذوری محاسبه میشوند تاثیر می گذارد. بعلاوه نور ستارگان دورشونده قرمزگرایی دارد و انرژی نور قرمز از انرژی نور آبی در یک شدت یکسان کمتر است ؛ بنابراین بخاطر این قرمزگرایی نه تنها نور قابل رویت کمتری به ما میرسد بلکه انرژی کل نیز کمتر خواهد بود. دو اثر آخر سهم نوری کهکشان های دور را به حد ناچیزی تقلیل میدهند و تنها ستارگان نزدیک را که ما آنها را بصورت نقاط روشنی در آسمان تاریک می بینیم باقی می گذارد

ادامه دارد...

پاسخ سوال اصلی ما : چرا آسمان شب تاریک است؟ آسمان شب تاریک است زیرا جهان در حال انبساط است. باید بپذیریم که این یک پاسخ تکان دهنده برای چیزی است که در ابتدا سوالی ساده و کهنه و بدیهی بنظر می رسید.
در محدوده ای وسیع تر ، آسمان در تمام طول موج ها واقعا ً تاریک نیست. تابش زمینه کیهانی ، نشان دهنده گستره ی نوری در ناحیه ریزموج (9) ، براستی بصورت همگن و سیل آسا همه جهان را فراگرفته است. بهرحال ما در دمای 2.8 درجه کلوین هستیم ، طبق قانون وین این دما انرژی کمتری را بالغ می شود و بنابراین ما نمی سوزیم و برشته نمی شویم. و آسمان شب همچنان تاریک است!!

1- Olbers Paradox
2- Lucretius
3- Thomas Gigges
4- Starry Massenger
5- Edmund Halley
6- Jean Philippe Loys de Cheseaux
7- Lord Kelvin
8- Heinrich Olbers
9- Microwave

 پایان