جهان آشفته‌تر می‌شود

احسان سنایی

جهان ما با تمام آتش‌بازی‌ها و شور بی‌تمامش، از رقص مرگ کهکشان‌ها تا فوران‌های هولناک سیاهچاله‌های شبح‌گون؛ همواره به‌طرز شگفت‌آوری دقیق و منظم بوده است.

با این حال اما سیارات، خورشید و دیگر ستارگان رنگارنگ آسمان، کهکشان‌ها و کل جهان در یک نگاه، همچون تک‌تک اجزای زندگی روزمره‌مان، نیازمند سوخت هستند و هرگاه اتومبیلی و یا ستاره‌ای سوخت خود را مصرف کند، ناگزیر یا در جاده می‌ماند و یا به سیاهچاله بدل می‌شود.

بنابر پژوهشی که توسط گروهی از اخترشناسان استرالیایی انجام پذیرفته، جهان ما تا ۳۰ بار از تصورات پیشین آشفته‌تر است و این یعنی که در سراشیب نابودی است.

شدت تمایل به آشفتگی یک محیط را «آنتروپی» آن می‌نامند؛ مفهومی پرکاردبرد که شالوده‌ی دومین قانون ترمودینامیک را تشکیل داده و قدمت حضورش در جهان فیزیک، به قریب به دو قرن می‌رسد.

آنتروپی املت از تخم مرغ بیشتر است؛ چراکه راه‌های بیشتری پیش روی مولکول‌های املت است تا با بازآرایی خود، همچنان ماهیت‌شان را حفظ نموده و همان املت بمانند. غنی‌ترین منابع آنتروپی کیهان، سیاهچاله‌ها هستند؛ چراکه برای انبوهی از اجسام محکوم به مرگی که در راه سقوط به اعماق دهان همیشه‌باز یک سیاهچاله‌اند، مادامی‌که سیاهچاله خصایص بنیادین‌شان از قبیل بار الکتریکی، جرم و اسپین را ثابت نگه می‌دارد؛ این اجسام، ده‌ها هزار راه پیش روی خود دارند تا آرایش میکروسکوپی اجزای ساختاری‌شان را سامان‌دهی کرده تا شاید از نابودی رها شوند.

سیاهچاله‌های ابرپرجرم¹، ماده‌ی تاریک و ستارگان، از کلیدی‌ترین بازیگران آنتروپی سراسری کیهان‌اند. برآوردهایی که در گذشته از این مؤلفه‌ی تعیین‌کننده صورت پذیرفته بود، تنها منحصر به محاسبات نارسایی از ویژگی‌های ساختاری و جمعیتی سیاهچاله‌های ابرپرجرم و نیز ابهاماتی در خصوص رفتارهای مرموز ماده‌ی تاریک بود.

اما چندی پیش، جمعی از فیزیکدانان پژوهشگاه ستاره‌شناسی و اخترفیزیک دانشگاه ملی استرالیا (ANU)، به سرپرستی «چاس اِگان» از دانشگاه کانبرا و «چارلی لاین‌ویور» (Charley Lineweaver) از دانشگاه نیوساوث‌ولز سیدنی، محاسبات نام‌برده را با درنظرگیری برآوردهای دقیق‌تری از عواملی چون تعداد و ابعاد سیاهچاله‌های پراکنده در گیتی به انجام رسانده و مشخص نمودند که جهان تا ۳۰ بار بیشتر از تصورات پیشین‌مان رو به زوال است.

تصویری حقیقی از فوران مواد از قرص برافزایشی پیرامون یک سیاهچاله‌ی ابرپرجرم در مرکز کهکشان M87. نقطه‌ی درخشان، محل گازهای شدیداً داغ و تابانی است که گرداگرد سیاهچاله را احاطه کرده اند و هر چند حین سقوط فراصوتشان به درون سیاهچاله اغلب توسط موج شوکی عظیمی به بیرون فوران می‌شوند؛ اما بخشی از آن‌ها نیز درون سیاهچاله سقوط کرده و ارتباطشان به کل با جهان پیرامون از میان می‌رود. ابرسیاهچاله‌ها، از بزرگترین منابع آنتروپی کیهان‌اند / NASA / تلسکوپ فضایی هابل

دانسته‌های فراوان ما در حوزه‌هایی چون کیهان‌شناسی و زیست‌شناسی، عمیقاً مرهون مفهوم آنتروپی است. ایجاد و پایداری حیات، همچون هر فرآیند شیمیایی یا فیزیکی دیگری، بی‌وجود آنتروپی بی‌معناست. هرچیز، از خوشه‌ای شدن کهکشان‌ها گرفته تا فرآیند‌های بیولوژیکی جاری در بدن‌ ما، در آنتروپی سراسری کیهان‌مان سهیم است. «اگان» در توضیح یافته‌ی اخیر تیم‌اش، این‌چنین می‌گوید:

«ما تمامی عوامل تأثیرگذار بر آنتروپی جهان قابل رؤیت را مدنظر قرار دادیم: ستارگان، نور ستارگان و تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی². ما حتی برآوردی از آنتروپی ماده‌ی تاریک نیز انجام دادیم. اما این آنتروپی سیاهچاله‌های ابرپرجرم است که بخش اعظم آنتروپی سراسر هستی را به خود اختصاص می‌دهد. هنگامی‌که از داده‌های جدیدی پیرامون تعداد و ابعاد سیاهچاله‌های ابرپرجرم استفاده کردیم؛ دریافتیم که آنتروپی جهان قابل رؤیت، تا ۳۰ بار از محاسبات پیشین بیشتر است.»

«راجر کلی» (Roger Clay)؛ اخترفیزیکدانی از آدلاید نیز می‌گوید: «کار اگان و لاین‌ویور، پیشرفت قابل توجهی در تعیین منابع آنتروپی جهان‌مان بود.»

اما چرا تعیین چنین مؤلفه‌ای حائز اهمیت است؟ همان‌گونه که پیش از این نیز اشاره‌ رفت، ابقای حیات و دیگر پدیده‌های پیچیده‌ی موجود، نیازمند شرایطی است که در آن آنتروپی جهان از حداکثر ممکن کمتر «باشد» و از این‌رو ما کنجکاویم آیا نهایتاً آشفتگی جهان این خط قرمز را پشت سر خواهد نهاد یا خیر. فیزیکدانان این شرایط را «مرگ حرارتی» جهان نامیده‌اند.

تمامی ذرات با گسیل تابش، از انرژی درونی خود می‌کاهند و در نتیجه‌ی چنین سازوکاری است که مفهوم آنتروپی پدید می‌آید. میزان تابش گسیلی از یک ذره معمولاً در ارتباط با دمایش است؛ آن‌چنان‌که دماهای بیشتر، معلولی از تشعشع بیشتر است.

مفهوم آنتروپی نیز منتج از تشعشعات الکترومغناطیسی یا گرانشی بوده و از این‌رو تعیین این معیار در پهنه‌ی گیتی، نیازمند شناسایی تعداد و ابعاد اجسامی است که بخش عمده‌ی تابش الکترومغناطیسی و گرانشی کیهان را از خود گسیل می‌کنند. با تعیین این مؤلفه، آنگاه می‌توان آنتروپی را با تبدیل دمای ذره‌ها به واحد انرژی، مشخص نمود.

«لاین‌ ویور»، جهان را به موتوری غول‌آسا تشبیه می‌کند ‌که هر چه بهره‌وری آن بیشتر باشد، آنتروپی آن متعاقباً کم‌تر است. یافته‌های وی نشان می‌دهد که در باک جهان ما، سوخت کمتری نسبت به آن‌چه که تا پیش از این تصور می‌شد، موجود است.

او می‌گوید: «درست مانند رانندگی است؛ گمان می‌کنید که نیمی از باک‌تان پر است، اما زمانی که پیاده شده و آن را با میله‌ای امتحان می‌کنید، می‌بینید که تنها یک‌سوم باک پر است.»

اگان و لاین‌ویور، با به‌کارگیری محاسبات اخیر پروفسور «استفان هاوکینگ» از تابع جرمی سیاهچاله‌های ابرپرجرم، توانستند آنتروپی را با برآورد دقیق‌تری تعیین نموده و نشان دهند که سیاهچاله‌‌های ابرپرجرمی که بعنوان نمونه یکی از آنها در قلب راه شیری خفته؛ بزرگترین عامل تحمیل این آشفتگی مازاد، در پهنه‌ی گیتی‌ است.

ویلیام تامسون؛ معروف به «لرد کلوین»؛ نخستین ایده‌پرداز فرضیه‌ی مرگ حرارتی جهان related-title=منبع:

در این پژوهش، آنتروپی تقریبی ماده‌ی تاریک ابتدا محاسبه گردید. هر چند این نوع مرموز از ماده هیچ تابشی گسیل نمی‌کند، اما می‌توان آن را با تأثیرات گرانشی‌اش بر ماده‌ی مرئی ردیابی نمود. به‌علاوه، عدم گسیل هیچ‌ نوعی از تابش الکترومغناطیسی، خود باعث شده ماده‌ی تاریک در قیاس با ماده‌ی مرئی، آنتروپی کمتری را به خود اختصاص دهد؛ اما با این حال حضور ۹۰ درصدی آن را در میان اجزای مادی شکل‌دهنده‌ی هستی نمی‌توان از قلم انداخت.

کلی می‌گوید: «در دوران اخیر، برخی از بلندآوازه‌ترین نام‌های حوزه‌ی اخترفیزیک نظری و کیهان‌شناسی را هم‌پیوند با تلاش برای فهم آنتروپی جهان و مرموزترین اعضایش؛ یعنی سیاهچاله‌ها و ماده‌ی تاریک می‌توان جست.»

برآوردهای پیشین از میزان آنتروپی جهان قابل رؤیت ما، ۱۰ به توان ۱۰۲ ضرب‌ در k تا ۱۰ به توان ۱۰۳ ضرب در k کیلوژول بر درجه‌ی سلسیوس بود که در آن k معرف ثابت «استفان -بولتزمن» است؛ ثابتی که پیوند میان دما و انرژی را برقرار می‌کند.

اما طبق پژوهش اخیر، این اعداد تا ۳۰ برابر از حقیقت کمترند؛ هرچند اعداد جدید نیز تنها یک میلیاردیم از یک میلیاردیم آنتروپی جهان در شرایط «مرگ حرارتی» را به خود اختصاص داده‌اند.

هیچ اصل فیزیکی شناخته‌شده‌ای، دلیل مقادیر این چنین اندک آنتروپی کائنات را ارائه نداده است؛ اما به‌هرحال این خبر خوبی است؛ چراکه همین مقادیر شدیداً اندک است که مسئول تمامی تجارب ما در گذر زمان است.

«سین کرول» (Sean Carroll)، اخترشناس انیستیتو فناوری کالیفرنیا (کلتک) می‌گوید: «جهان، به طرز شگفت‌آوری منظم‌تر از آن است که قانونی برای این وجود داشته باشد؛ اگان و لاین‌ویور نشان داده‌اند که جهان تنها «اندکی» بیشتر از آن‌چه تصورش می‌کردیم، آشفته‌تر است.»

پانوشت:

۱- به طور کلی در طبیعت دو نوع سیاهچاله وجود دارد: سیاهچاله‌های ستاره‌ای که بقایای مرگ ستارگانی با جرم حداقل ۸ برابر خورشید ماست؛ و سیاهچاله‌های ابرپرجرم که فقط آن‌ها را می‌توان در مرکز کهکشان‌های متوسط و بزرگ یافت. مکانیسم ایجاد چنین اجسام خوفناکی که حیات هر کهکشان بدانها وابسته است؛ همچنان در هاله‌ای از ابهام است. جرم ابرسیاهچاله‌ی مرکزی کهکشان ما که نسبتاً متوسط به حساب می‌آید، ۶/۳ میلیون برابر جرم خورشید بوده و فعلاً هیچ‌گونه فعالیت قابل توجهی (اعم از بلع تود‌های گازی) ندارد.

۲- تابش ‌پس‌زمینه‌ی کیهانی: نخستین نور پخش شده در گیتی. جهان تا ۳۷۹ هزار سال پس از انفجار بزرگ، آن‌چنان داغ و یونیزه بود که فوتون‌ها توان فرار از دست انبوه ذرات باردار پراکنده در فضا را نداشتند. با انبساط تدریجی جهان و افت دما، این ذرات به هم پیوسته، و اتم‌های خنثی را شکل دادند که در نتیجه فوتون‌ها نیز آزادانه آغاز به سیر در فضا کردند. فوتون‌ها این نور نخستین، همچنان در پهنه‌ی گیتی پراکنده‌اند و آنچنان سرد شده‌اند که فقط آن‌ها را می‌توان در ناحیه‌ی ریزموج طیف یافت. نام این تابش یکنواخت، «تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی» یا CMB است.