ثابت کیهانشناختی، آن ضریب غریب که آلبرت اینشتین روزی آن را بزرگترین اشتباه عمرش لقب داد، امروز مرزهای دانش فیزیک را به شدت میلرزاند. این عدد که ابتدا بهعنوان یک چسب ریاضی برای متوقف کردن گسترش کیهان طراحی شد، پس از دههها طرد شدن، ناگهان به ستون فقرات مدل استاندارد کیهانشناسی تبدیل کرد. امروزه، این پارامتر سادهترین توضیح برای انرژی تاریک است، اما از سوی دیگر بزرگترین شکاف محاسباتی در تاریخ علم را رقم زده است. فاصله بین پیشبینیهای کوانتومی و مشاهدات رصدی به قدری عظیم است که بسیاری از فیزیکدانان آن را خرابکاریترین شکست نظری میدانند. حالا، ایدههای جدیدی که ریاضیات حالتهای عجیب ماده را به درک فضازمان پیوند میزنند، امید تازهای برای کنار گذاشتن این معما روشن کردهاند.
تولد یک اصلاحیه از سر ناآرامی
در سال 1917، اینشتین تازه نظریه نسبیت عام را نهایی کرده بود. معادلات میدانِ او، اگر به تنهایی حل میشدند، پیشبینی میکردند که جهان یا منبسط میشود یا تحت تأثیر گرانش در خود فرو میریزد. از آنجایی که تصور دوران، کیهانی ابدی و ایستا بود، اینشتین برای خنثی کردن نیروی گرانش، ضریبی به نام لامبدا (Λ) را به معادلاتش افزود. این ثابت نمایانگر انرژی ذاتی فضای خالی بود که اثری دافعه را در فضا ایجاد میکرد تا تعادل را حفظ کند.
اینشتین هرگز با این افزودنی راحت نبود. او بعدها اعتراف کرد که از لحظهای که این ضریب را وارد کرد، همواره احساس کرد معادلاتش آلوده شدهاند و باور نداشت چنین عبارت ریاضی زشتی در طبیعت تجلی یابد. اشتباه محاسباتی او اما تنها نبود؛ ثابت کیهانشناختی اصلاً جهان ایستا ایجاد نمیکند. این تعادل ذاتاً ناپایدار است و کوچکترین انحراف، کیهان را به سمت انبساط یا انقباض ابدی پرتاب میکند.
کشف هابل و طرد شدن یک معادله
در سال 1929، ادوین هابل با رصد کهکشانهای دوردست ثابت کرد که کیهان در حال گسترش است. نکته جالب اینجاست که این کشف، دقیقاً همان جوابی بود که الکساندر فریدمن سالها پیش تنها با استفاده از معادلات اصلی اینشتین (بدون افزودن لامبدا) به دست آورده بود. اینشتین مجبور شد اشتباه محاسباتیاش را بپذیرد و Λ را از فرمولهایش حذف کرد. گاموف بعداً اشاره کرد که این لحظه به عنوان بزرگترین شکست شهودی اینشتین در تاریخ فیزیک ثبت شد.
با این حال، روحِ ریاضی این مفهوم کمرنگ نشد. حتی پس از کنار گذاشتن لامبدا، فیزیکدانان بزرگی مثل آرتور ادینگتون و اروین شرودینگر ثابت کردند که ضرایب مشابه، به صورت طبیعی از اصول تغییر و ساختارهای هندسی فضا ناشی میشوند. نیوتن نیز در اصول خود سالها پیش، نیروهای متناسب با فاصله را شناسایی کرده بود که از نظر ریاضی معادل همین ثابت کیهانشناختی مدرن است.
انبساط شتابدار و احیای معادله
تبعید لامبدا تا اواخر دهه 1990 ادامه داشت. اما در سال 1998، تیمهای پژوهشی تحت رهبری سول پرلموتر، براین اشمیت و آدام ریس با رصد ابرنواخترهای نوع Ia به دنیای فیزیک شوک وارد کردند. آنها منتظر بودند اثر گرانش کیهان شتاب انبساط را کاهش دهد، اما دادهها نشان داد ابرنواخترها بسیار کمنورتر از انتظار هستند. کیهان نه تنها منقبض نمیشود، بلکه با شتاب در حال گسترش است.
چیزی نامرئی فضا را به سمت بیرون میکشد. ثابت کیهانشناختی، که قبلاً رد شده بود، ناگهان پادشاه بلامنازع شد. مدل استاندارد کیهانشناسی، که به نام مدل لامبدا-سیدیام شناخته میشود، با فرض وجود این ثابت، توضیح داد که حدود 68 درصد چگالی انرژی جهان در قالب انرژی تاریک نهفته است.
جدیترین شکاف 120 رقمی در تاریخ علم
احیای این ثابت، بحران عمیقی را در فیزیک نظری به همراه داشت. طبق چارچوب میدانهای کوانتومی (QFT)، فضای خالی خالی نیست. میدانهای کوانتومی دائماً در حالت پایه نوسان میکنند و ذرات مجازی مدام ظاهر و ناپدید میشوند. تمامی این آشوب کوانتومی باید به ثابت کیهانشناختی کمک کند. وقتی فیزیکدانان انرژی نقطه صفر فضا را محاسبه میکنند، عددی میآمیزند که به قدری عظیم است که 10 به توان 120 برابر بزرگتر از مقدار رصد شده در کیهان است.
این فاصله ریاضی، به معنای عملی یک خطای بیسابقه است. اگر محاسبات کوانتومی درست باشند، جهان باید در کسری از ثانیه پس از بیگبنگ متلاشی شده باشد. اگر مشاهدات رصدی درست باشند، مکانیزمهای فیزیکی کاملاً ناشناختهاند. این همان نقطهای است که ایدههای جدید وارد میدان میشوند.
آیندهی حل معمای فضا-زمان
محققان امروزی به جای نادیده گرفتن این شکاف، از ریاضیات حالتهای فیزیکی عجیب مثل چگالهای بوز-اینشتین یا تکسچرهای موضعی فضازمان، تخمین میزنند که انرژی خلاء میتواند در مقیاسهای کیهانی خود را خنثی کند. برخی نظریههای نوین حتی پیشنهاد میکنند که گرانش و ساختار کوانتومی فضا-زمان در سطوح بنیادین کاملاً متفاوت از آنچه امروز میبینیم عمل میکنند.
پاسخ به این پرسش که چرا جهان با این شتاب در حال گسترش است، مرزهای فیزیک را جابهجا خواهد کرد. اگر ثابت کیهانشناختی واقعاً یک عدد ساده باشد، معکوس شدن تمام دانش کیهانشناسی را به همراه دارد. اگر نه، احتمالاً با دروازهای به سمت قوانین جدیدی از گسترش هستی روبهرو هستیم که میتواند جایگاه ما در کیهان را برای همیشه تغییر دهد. رصد دقیقتر مأموریتهای فضایی نسل بعد و تلسکوپهای نوری جدید، به زودی تاریکترین لایههای این معما را از جا کنار میزنند.
