کیهان چیست و اجزای کیهان کدام است؟
کیهان به‌کل جهان هستی، شامل تمامی کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیارات، سیاهچاله‌ها و ماده و انرژی موجود در آن گفته می‌شود.
کیهان (Cosmos) مفهوم جایگزین برای عالم یا طبیعت با نظمی شگفت‌انگیز در قالب سیستمی پیچیده است. کیهان به‌عنوان سیستمی منظم در علمی به نام «کیهان‌شناسی» مطالعه می‌شود. در این مقاله، قصد داریم با مفهوم کیهان آشنا شویم و اجزای آن را بررسی کنیم.
کیهان چیست؟
معمای جهان هستی جذاب و درعین‌حال ترسناک است. سال‌هاست برای کشف اسرار عالم تحقیقات علمی انجام می‌شود اما بشر برای درک حتی کسری از جهان محسوس راه درازی پیش رو دارد. کیهان در تعریفی ساده، سیستمی پیچیده اما منظم است که برخی عقیده دارند کلمه «عالم» مترادف آن است.
این اصطلاح را اولین بار «فیثاغورث»، فیلسوف یونان باستان، استفاده کرد تا نظم جهان هستی را نشان دهد. کلمه کیهان پس از آنکه جغرافی‌دانی بزرگ به نام «الکساندر فون هومبولت» آن را از متون یونان باستان استخراج کرد، وارد لیست واژگان مدرن شد. امروزه کیهان به عالم به‌عنوان واحدی منسجم و منظم اشاره می‌کند.
کیهان‌شناسی چیست؟
در علم نجوم، دانشمندان می‌کوشند اجزای مشهود عالم را درک کنند و رفتار آنها با قوانین کشف‌شده علم فیزیک را توضیح بدهند. از طرف دیگر، کیهان‌شناسی علم مطالعه عالم از اولین لحظات شکل‌گیری آن در طول انفجار بزرگ تا زمان حال است. این علم تلفیقی از اخترفیزیک و فیزیک است که هدف آن بررسی ماهیت عالم است.
ویژگی هیجان‌انگیز کیهان‌شناسی این است که این رشته حتی گاهی وارد دین و فلسفه نیز می‌شود تا بتواند به برخی سؤالات بی‌پاسخ دانشمندان درباره کیهان (عالم) پاسخ دهد.
کیهان یا عالم؛ تفاوت این دو مفهوم در چیست؟
بیشتر اوقات از کلمه کیهان و عالم به‌جای یکدیگر استفاده می‌کنیم اما این دو تفاوت‌هایی دارند. کیهان در نجوم کلی هماهنگ و منظم است، سیستمی که قوانین فیزیک باید آن را توضیح بدهند. در علم نجوم و کیهان‌شناسی، واژه کیهان به اجرامی گفته می‌شود که به‌صورت طبیعی وجود دارند، به‌ویژه آنهایی که در آسمان هستند. اصطلاح کیهان 2 مشتق دارد: این کلمه از کلمه یونانی «kosmos» به معنای نظم و آرایش منظم گرفته شده است و معنای دوم این کلمه از فعل «kosmein» به معنای آرایش یا آرایش‌کردن می‌آید.
در مقابل، مفهوم عالم به هر چیزی ازجمله تمام ماده و انرژی موجود اشاره دارد. این می‌تواند شامل هر چیزی باشد که قابلمشاهده هست یا نیست! برای مثال، اجرام فرازمینی، انواع انرژی، کهکشان‌ها و هر آنچه میان آنها قرار دارد، عالم را تشکیل می‌دهد. طبق تعریف دانشمندان، عالم 3 عنصر دارد: فضا-زمان، ماده و انرژی. قوانین فیزیکی حاکم بر این عناصر طی تاریخ همواره ثابت بوده است.
اجزای کیهان چیست؟
سال ۱۸۳۵، فیلسوف فرانسوری، «آگوست کنت»، گفت هیچ‌کس هرگز نخواهد دانست ستارگان از چه چیزی ساخته شده‌اند. او دراین‌باره نوشت: «میتوانیم فصل‌ها را تعیین کنیم، اندازه آنها را تخمین بزنیم یا حرکتشان را پیش‌بینی کنیم اما هرگز قادر نخواهیم بود ماهیت حقیقی آنها را مطالعه کنیم.»
بشر امروزه می‌داند کیهان بسیار بزرگ‌تر و عجیب‌تر از چیزی است که گمان می‌رود. امروزه می‌دانیم کیهان فقط محدود به ستاره‌ها و سیارات نیست و اجرام متعدد دیگری در گستره بینهایت آن حضور دارند.
کیهان ساختارهای سازمان‌یافته در مقیاس‌های مختلف است. منظومه‌های کوچکی مانند زمین و منظومه شمسی، تا کهکشان‌هایی که تریلیون‌ها ستاره دارند و درنهایت ساختارهای بسیار بزرگی که میلیاردها کهکشان را در خود جای داده‌اند. چگونگی و چرایی شکل‌گیری این ساختارهای سازمان‌یافته و نحوه تأثیرگذاری آنها بر یکدیگر، موضوع اصلی مطالعات اخترفیزیک‌دانان و کیهان‌شناسان است.
هرآنچه انسان می‌تواند در عالم مشاهده کند، از کوچک‌ترین تا بزرگ‌ترین ساختارها، همگی از ماده ساخته شده است. ماده به چیزی گفته می‌شود که جرم دارد و فضا را اشغال می‌کند. اما در عالم، ساختارهایی فراتر از ماده هم وجود دارد که انسان نمی‌تواند آنها را با چشم غیرمسلح مشاهده کند؛ برای مثال، انرژی تاریک و ماده تاریک. این 2 ساختار مرموز و اسرارآمیز بر کیهان تأثیر می‌گذارند و دانشمندان می‌کوشند آنها را کشف کنند. به‌طور کلی، اجزای کیهان را می‌توان این‌طور دسته‌بندی کرد:
ماده باریونی که از آن با نام «ماده معمولی» نیز یاد می‌کنند؛ همان چیزی که با چشم غیرمسلح میتوانیم مشاهده کنیم. میتوانیم این نوع ماده را در نور مریٔی با چشمان خود یا حتی از طریق تلسکوپ -اگر در فاصله بسیار زیادی باشد- مشاهده کنیم. بیشتر مواد طبیعی از ذرات اتمی تشکیل شده‌اند: پروتون، نوترون و الکترون. این مواد می‌تواند به‌صورت گاز، جامد و مایع وجود داشته باشند. جالب است بدانید این نوع ماده کمتر از ۵ درصد کل محتوای عالم را تشکیل می‌دهد.
این نوع ماده همانند ماده معمولی عالم را اشغال کرده است اما نمی‌توان آن را مشاهده کرد؛ زیرا نور را بازتاب یا جذب و تابش نمی‌کند. دانشمندان فقط به کمک اثرات گرانشی این ماده در فضا می‌توانند آن را شناسایی کنند. دانشمندان تخمین زده‌اند ماده تاریک حدود ۲۷ درصد محتوای کیهان را تشکیل داده است اما دانشمندان هنوز نمی‌دانند ماده تاریک واقعاً چیست. نظریه‌های مختلفی وجود دارند که تلاش می‌کنند ماده تاریک و ماهیت آن را بررسی کنند.
اخترفیزیک‌دانان حتی تا قرن بیستم نمی‌دانستند ماده تاریک وجود دارد. دهه ۱۹۳۰، «فریتز زویکی» ستاره‌شناس سویٔیسی، این واژه را هنگام مطالعه خوشه کهکشانی شامل هزار کهکشان به کار برد. سرعت حرکت کهکشان‌های درون خوشه کهکشانی با جرم و اندازه کل خوشه ارتباط دارد. زویکی متوجه شد کهکشان‌های این خوشه سریع‌تر از آنچه محاسبات نشان میدهند، حرکت می‌کنند، درحالی‌که هیچ علتی برای آن وجود نداشت و مقدار ماده موجود نمی‌توانست این رفتار را توضیح دهد.
دهه ۱۹۷۰، منجم آمریکایی، «ورا روبین»، با مطالعه نحوه چرخش کهکشان‌های منفرد، وجود ماده تاریک را تأیید کرد. او و همکارانش دریافتند کهکشان‌های منفرد احتمالاً حاوی جرم نامریٔی هستند که ماده تاریک نام دارد.
نوع دیگری از ماده که عالم را پر کرده است، انرژی تاریک است. انرژی تاریک یکی از اسرارآمیزترین و ناشناخته‌ترین اجزای عالم است. براساس مشاهدات کیهان‌شناسی، این انرژی حدود ۶۸ درصد محتوای جهان را تشکیل می‌دهد اما ماهیت آن هنوز دقیق مشخص نشده است. انرژی تاریک برخلاف ماده معمولی، نه از ذرات شناخته‌شده تشکیل شده نه می‌توان آن را مستقیم آشکار کرد. بااین‌حال، تأثیر آن بر عالم کاملاً مشهود است؛ زیرا مسئول انبساط شتابدار جهان محسوب می‌شود.
پدیده انبساط کیهان را اولین بار دهه ۱۹۲۰ ادوین هابل کشف کرد. او مشاهده کرد که کهکشان‌ها از یکدیگر دور می‌شوند و هرچه فاصله آنها بیشتر باشد، سرعت دور شدنشان نیز بیشتر است. این کشف نشان داد جهان درحال گسترش است. اما دهه ۱۹۹۰، 2 گروه مستقل از اخترشناسان که ابرنواخترهای دوردست را مطالعه می‌کردند، دریافتند انبساط کیهان نه‌فقط ادامه دارد، بلکه با گذشت زمان سریع‌تر هم می‌شود. این یافته غیرمنتظره، مفهوم انرژی تاریک را مطرح کرد.
مهم‌ترین نظریه درباره انرژی تاریک آن را به ثابت کیهانی (Λ) که اولین بار آلبرت اینشتین در نظریه نسبیت عام پیشنهاد کرده بود، مرتبط می‌داند. اینشتین این ثابت را نیروی دافعه در نظر گرفته بود که تعادل کیهان را حفظ می‌کند. هرچند او بعدها آن را «بزرگ‌ترین اشتباه خود» خواند، کشف شتاب انبساط کیهان در اواخر قرن بیستم، نشان داد شاید ثابت کیهانی واقعاً وجود داشته باشد و مسئول رفتار مرموز انرژی تاریک باشد.
انرژی تاریک هنوز کاملاً درک نشده و نظریه‌های دیگری نیز برای توضیح آن مطرح شده‌اند. برخی دانشمندان معتقدند این پدیده می‌تواند نشانه‌ای از میدان اسکالر ناشناخته یا حتی اثر کوانتومی جدید باشد که در مقیاس‌های بزرگ کیهان عمل می‌کند. برخی دیگر پیشنهاد کرده‌اند شاید نظریه گرانش ما ناقص است و نیاز به اصلاحاتی دارد که بتواند رفتار کیهان را در مقیاس‌های کیهانی توضیح دهد.
درحال‌حاضر، یکی از اهداف اصلی کیهان‌شناسان درک ماهیت انرژی تاریک و اثر آن بر آینده کیهان است. اگر انرژی تاریک همان ثابت کیهانی باشد، جهان تا ابد به انبساط خود ادامه خواهد داد. اما اگر خواص آن طی زمان تغییر کند، ممکن است سناریوهای دیگری رخ دهد که در آن انرژی تاریک به قدری قوی می‌شود که تمام کهکشان‌ها، ستاره‌ها و حتی اتم‌ها را از هم جدا می‌کند. پژوهش‌های آینده، به کمک رصدخانه‌های فضایی پیشرفته و بررسی تابش پس‌زمینه کیهانی می‌توانند پرده از رازهای انرژی تاریک بردارند و سرنوشت نهایی جهان را روشن کنند.
کیهان چه زمانی متولد شد؟
دانشمندان امروزه می‌دانند عالم حدود ۱۳ میلیارد و 800 میلیون سال قبل و در کسری از یک‌میلیاردم ثانیه در پی انفجار بزرگ شکل گرفت. مدل «بیگ‌بنگ» یا انفجار بزرگ، توضیح می‌دهد که عالم از نقطه‌ای بینهایت داغ و کوچک آغاز شده است تا به وضعیتی پایدار و متراکم برسد.
کیهان‌شناسان تاکنون موفق شده‌اند به کمک روابط ریاضیاتی پیچیده، ساختارهای بزرگ مقیاس عالم را توصیف کنند.
آنها قوانین جدیدی از فیزیک را کشف کرده‌اند که بر فضا -ساختارهای بزرگ مقیاس- حاکم هستند؛ مانند نسبیت عام که بسیار عجیب‌تر از قوانین فیزیک کلاسیک است.
سرنوشت عالم چیست؟
هیچ‌کس واقعاً نمی‌داند سرنوشت کیهان چیست و چه اتفاقی برای آن خواهد افتاد. دانشمندان تلاش کرده‌اند به کمک داده‌های موجود و نظریه‌های مطرح، سناریوهای پایان عالم را شرح دهند.
یکی از سناریوهای احتمالی برای سرنوشت کیهان رمبش بزرگ است. این نظریه بیان می‌کند که اگر نیروی گرانش ناشی از ماده و انرژی در کیهان به‌اندازه کافی قوی باشد، می‌تواند بر انبساط کیهان غلبه کند و باعث شود گسترش کیهان درنهایت متوقف شود. در چنین حالتی، کهکشان‌ها به‌تدریج حرکت رو‌به‌بیرون خود را کاهش داده و تحت‌تأثیر گرانش، شروع به نزدیک شدن به یکدیگر خواهند کرد. این فرایند در مقیاس‌های کیهانی می‌تواند میلیاردها سال زمان ببرد بینجامد.
با ادامه این روند، کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیارات درنهایت به‌سمت یکدیگر سقوط می‌کنند و چگالی و دمای کیهان به‌طرز چشمگیری افزایش می‌یابد. در مراحل پایانی، ماده به‌شدت فشرده شده و جهان وارد حالت فوق‌العاده داغ و چگال می‌شود، مشابه حالتی که ابتدای بیگ بنگ وجود داشت. این سناریو در واقع نشان‌دهنده چرخه بسته برای کیهان است که در آن، کیهان پس از دوره انبساط، دوباره فروپاشیده و شاید چرخه‌ای جدید از بیگ بنگ و انبساط آغاز شود.
برای وقوع این نوع سناریو، چگالی ماده در کیهان باید به اندازه‌ای باشد که نیروی گرانش بر انرژی تاریک غلبه کند. مشاهدات اخیر از انبساط شتابدار کیهان نشان می‌دهد انرژی تاریک بخش عمده‌ای از جهان را تشکیل می‌دهد و مانع این رمبش می‌شود؛ بنابراین براساس داده‌های فعلی، احتمال وقوع بیگ کرانچ بسیار کم است، مگر آنکه در آینده درک ما از انرژی تاریک تغییر کند.
سناریوی گسست بزرگ براساس رفتار خاص انرژی تاریک شکل گرفته است. در این مدل، انرژی تاریک نه‌فقط عامل انبساط کیهان است، بلکه با گذشت زمان قدرت آن افزایش می‌یابد. اگر انرژی تاریک خاصیتی موسوم به فشار منفی فزاینده باشد، می‌تواند باعث شود انبساط کیهان نه‌فقط ادامه یابد، بلکه در آینده‌ای دور با سرعتی بسیار بیشتر از امروز رخ دهد.
در این سناریو، ابتدا کهکشان‌ها از یکدیگر دور می‌شوند سپس جاذبه داخلی که آنها را کنار هم نگه داشته، ضعیف‌تر از نیروی انبساط می‌شود. این امر باعث می‌شود کهکشان‌ها از هم متلاشی شوند. در مراحل بعدی، سیستم‌های ستاره‌ای مانند منظومه شمسی نیز از هم پاشیده می‌شوند؛ زیرا انرژی تاریک نیروی گرانشی میان ستاره‌ها و سیارات را از بین می‌برد. درنهایت، حتی مولکول‌ها و اتم‌ها نیز به‌دلیل افزایش شدید انبساط کیهان از هم جدا خواهند شد.
بیگ ریپ درصورتی رخ می‌دهد که پارامتر معادله حالت انرژی تاریک (w) کمتر از منفی یک باشد. در این حالت، انرژی تاریک به شکلی افراطی از انرژی فانتوم تبدیل خواهد شد. طبق این نظریه، اگر چنین چیزی واقعاً اتفاق بیفتد، کیهان طی حدود ۲۰ تا ۳۰ میلیارد سال آینده کامل نابود خواهد شد. البته هنوز هیچ شواهد قطعی برای تأیید این مدل وجود ندارد و بررسی‌های بیشتر درباره ماهیت انرژی تاریک می‌تواند سرنوشت این نظریه را مشخص کند.
یکی از محتمل‌ترین سناریوها برای سرنوشت کیهان مرگ حرارتی (Heat Death) است. در این مدل، کیهان همچنان به انبساط خود ادامه خواهد داد اما برخلاف بیگ ریپ، این انبساط با سرعتی ثابت یا کاهش‌یافته رخ می‌دهد. این روند باعث می‌شود کهکشان‌ها به‌تدریج از یکدیگر فاصله بگیرند و جهان به محیطی سرد، تاریک و بدون ساختار تبدیل شود.
با گذشت زمان، ستاره‌ها یکی پس از دیگری خاموش شده و به کوتوله‌های سفید، ستاره‌های نوترونی یا سیاهچاله‌ها تبدیل می‌شوند. ازآنجایی‌که سوخت ستاره‌ها محدود است، پس از تریلیون‌ها سال دیگر هیچ منبع گرمای فعالی در کیهان باقی نمی‌ماند. حتی سیاهچاله‌ها نیز بر اثر تابش هاوکینگ به‌آرامی تبخیر شده و از بین خواهند رفت. درنهایت، کیهان به مرحله‌ای می‌رسد که فقط ذرات زیراتمی و پرتوهای کم‌انرژی در آن باقی می‌مانند.
مرگ حرارتی بر پایه دومین قانون ترمودینامیک استوار است که بیان می‌کند انتروپی (بی‌نظمی) در سیستم بسته همیشه افزایش می‌یابد. در بیگ فریز، انتروپی کیهان به حداکثر مقدار ممکن می‌رسد و دیگر امکان وقوع هیچ فرایند ترمودینامیکی نخواهد بود؛ یعنی پایان تمام فعالیت‌های فیزیکی و شیمیایی در کیهان، جایی که هیچ ستاره‌ای نمی‌درخشد و هیچ ساختار فعالی باقی نمی‌ماند.
یکی دیگر از نظریه‌های پیشنهادی برای سرنوشت کیهان Big Bounce یا بازگشت ابدی است. این نظریه بر این ایده استوار است که کیهان در چرخه‌ای بی‌پایان از انبساط و انقباض قرار دارد. در این مدل، کیهان ابتدا دچار انبساط می‌شود، سپس تحت‌تأثیر گرانش یا تغییراتی در انرژی تاریک، دوباره فروپاشیده و بیگ بنگ جدیدی رخ می‌دهد که چرخه جدیدی از کیهان را آغاز می‌کند.
این نظریه معمولاً در چارچوب مدل‌های اصلاح‌شده نسبیت عام بحث می‌شود. در برخی از این مدل‌ها، هنگام فروپاشی کیهان به نقطه‌ای چگال، قوانین فیزیک کلاسیک دیگر اعمال نمی‌شوند و اثرات کوانتومی مانع رسیدن چگالی به مقدار بینهایت می‌شوند؛ درنتیجه، به‌جای تکینگی گرانشی، کیهان پس از فروپاشی، مرحله جدیدی از انبساط را تجربه خواهد کرد.
اگرچه بیگ باونس می‌تواند جایگزین بیگ بنگ باشد و از بروز تکینگی جلوگیری کند اما هنوز شواهد تجربی کافی برای تأیید این مدل وجود ندارد. برای اثبات چنین چرخه‌ای دانشمندان نیاز به نشانه‌هایی از جهان‌های پیشین در تابش پس‌زمینه کیهانی دارند که تاکنون چنین شواهدی یافت نشده است. اگر این مدل صحیح باشد، نشان می‌دهد جهان ما فقط یکی از چرخه‌های بی‌پایان کیهانی است و کیهان هرگز کامل پایان نخواهد یافت.
جمع‌بندی
کیهان به‌کل جهان هستی، شامل تمامی کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیارات، سیاهچاله‌ها و ماده و انرژی موجود در آن گفته می‌شود. دانشمندان بر این باورند که عالم حدود ۱۳ میلیارد و 800 میلیون سال پیش با پدیده‌ای به نام بیگ بنگ شکل گرفته است و از آن زمان تاکنون درحال انبساط است. اجزای اصلی عالم شامل ماده معمولی (ستارگان، کهکشان‌ها، سیارات و گازهای بین‌ستاره‌ای)، ماده تاریک (ماده‌ای نامرئی که از طریق گرانش تأثیر می‌گذارد) و انرژی تاریک (عامل انبساط شتابدار کیهان) هستند.
کیهان قابلمشاهده (آنچه میتوانیم ببینیم) شعاعی حدود ۴۶.۵ میلیارد سال نوری دارد اما ممکن است فراتر از این مقدار ادامه داشته باشد. اندازه واقعی کیهان هنوز مشخص نیست و برخی نظریهها احتمال میدهند بینهایت باشد.
ماده تاریک نوعی ماده نامرئی است که تأثیر گرانشی دارد و باعث شکل‌گیری کهکشان‌ها می‌شود اما انرژی تاریک نیرویی ناشناخته است که باعث انبساط شتابدار کیهان می‌شود. ماده تاریک حدود ۲۷ درصد و انرژی تاریک ۶۸ درصد محتوای کیهان را تشکیل میدهند.
