اگر جهان از قبل بی‌نهایت است، درون چه چیز منبسط می‌شود؟

وقتی قرص نان یا کیکی را می‌پزید، خمیر را درون تابه می‌ریزید. وقتی خمیر در فر می‌پزد، درون تابه منبسط می‌شود. هر تکه شکلات یا میوه درون خمیر کیک، با منبسط شدن خمیر از یکدیگر دور می‌شوند.

گسترش جهان را می‌توان تاحدی شبیه انبساط خمیر درون تابه درنظر گرفت، اما در اینجا تفاوت مهمی وجود دارد: درحالی‌که خمیر درون سینی فر منبسط می‌شود، جهان قالب بیرونی ندارد تا درون آن منبسط شود. جهان فقط درون خودش گسترش پیدا می‌کند و فاصله‌ی میان اجزای آن بیشتر می‌شود.

گسترش جهان به شکلی که توضیح دادیم، می‌تواند مانند بازی فکری به نظر برسد، اما جهان کل چیزهایی است که درونش قرار دارند. در جهان درحال گسترش تابه‌ای در کار نیست و فقط خود خمیر وجود دارد. حتی اگر تابه‌ای هم وجود داشت، آن هم بخشی از جهان بود؛ بنابراین همراه آن گسترش پیدا می‌کرد.

روش دیگر برای فکر کردن به انبساط جهان این است که به نحوه‌ی حرکت کهکشان‌ها نسبت به کهکشان راه شیری فکر کنیم. دانشمندان می‌دانند جهان درحال انبساط است؛ چون می‌توانند دور شدن کهکشان‌های دیگر از کهکشان راه شیری را دنبال کنند.

دانشمندان انبساط جهان را با درنظر گرفتن سرعت دور شدن کهکشان‌های دیگر از کهکشان راه شیری تعریف می‌کنند. این تعریف به آن‌ها کمک می‌کند گسترش جهان را بدون نیاز به درنظرگرفتن فضایی برای گسترش یافتن به درون آن، تجسم کنند.

جهان حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش با رویدادی به نام بیگ‌بنگ آغاز شد؛ زمانی که تمام ماده و انرژی در نقطه‌ای بسیار کوچک، فوق‌العاده داغ و متراکم متمرکز بود. این نقطه‌ی کوچک به ناگهان و با سرعت شروع به گسترش کرد و همه جای جهان رو به بیرون منبسط شد. اما اصطلاح بیگ‌بنگ گمراه‌کننده است؛ زیرا برخلاف آنچه نامش نشان می‌دهد، بیگ بنگ انفجاری بزرگ نبود، بلکه زمانی بود که در آن جهان با سرعت زیادی شروع به گسترش کرد. سپس جهان به سرعت فشرده و سرد شد و شروع به ساختن ماده و نور کرد. درنهایت کیهان به شکلی که امروز با آن آشنا هستیم، تکامل پیدا کرد.

ایده‌ای که بیان می‌دارد جهان ما ثابت نیست و ممکن است درحال انبساط یا انقباض باشد، اولین بار توسط فیزیکدانی به نام الکساندر فریدمن در سال ۱۹۲۲ مطرح شد. او از نظر ریاضی ثابت کرد جهان درحال انبساط است. درحالی که فریدمن ثابت کرد جهان حداقل در برخی نقاط درحال گسترش است، ادوین هابل بود که به‌طور دقیق سرعت گسترش جهان را مورد مطالعه قرار داد.

بسیاری از دانشمندان دیگر تایید کرده بودند کهکشان‌های دیگر درحال دور شدن از کهکشان‌های راه شیری هستند؛ اما در سال ۱۹۲۹ هابل مقاله معروف خود را منتشر و ثابت کرد کل جهان درحال گسترش و سرعت گسترش آن نیز درحال افزایش است. اما پدیده‌ای که به جهان امکان می‌دهد تا نیروی گرانش را کنار بزند و درعین‌حال باعث گسترش آن و دور کردن اجسام از هم بشود، چیست؟

بسیاری از دانشمندان برای توصیف نحو‌ه‌ی سرعت‌گرفتن انبساط جهان از زمان بیگ بنگ آن را به «قیف انبساط» تشبیه می‌کنند. به این صورت که در ابتدا، بعد از بیگ بنگ، انبساط جهان کند بوده و سپس به مرور زمان شتاب بیشتری گرفته است. در این مدل، قسمت باریک قیف نشان‌دهنده آغاز انبساط و قسمت گشادتر آن نشان‌دهنده گسترش سریع‌تر جهان در طول زمان است. قسمت باریک قیف نشان‌دهنده آغاز جهان است. هرچه به سمت دیگر بروید، یعنی در زمان به سمت جلو حرکت می‌کنید و گشاد شدن قیف نشانگر انبساط جهان است.

دانشمندان نتوانسته‌اند منبع انرژی را که موجب انبساط شتاب‌دار جهان می‌شود، به‌طور مستقیم اندازه‌گیری کنند. از آنجا که آن‌ها نمی‌توانند این نوع انرژی را مستقیما مشاهده یا اندازه‌گیری کنند، به آن انرژی تاریک می‌گویند.

براساس مدل‌های پژوهشگران، انرژی تاریک باید فراوان‌ترین نوع انرژی در جهان باشد و حدود ۶۸ درصد کل انرژی جهان را تشکیل دهد. انرژی مربوط به ماده‌ی روزمره که زمین، خورشید و هرآنچه را که می‌توانیم ببینیم، فقط حدود ۵ درصد از کل انرژی را شامل می‌شود.

دانشمندان شواهدی از وجود چیزی فراتر از جهان شناخته‌شده‌ی ما در دست ندارند. بااین‌حال برخی پیشنهاد می‌کنند که ممکن است جهان‌های متعددی موجود باشد. مدلی که شامل چندین جهان می‌شود، می‌تواند برخی از مسائلی را که دانشمندان با مدل‌های کنونی جهان درگیر آن هستند، حل کند.

یکی از چالش‌های اساسی در فیزیک امروزی، ناتوانی پژوهشگران در ادغام مکانیک کوانتوم که رفتار فیزیک در مقیاس‌های بسیار کوچک را توضیح می‌دهد با گرانش یا نیروی حاکم بر مقیاس‌های بزرگ است.

قوانین مربوط به نحوه‌ی رفتار ماده در مقیاس کوچک به احتمال و مقادیر کوانتیده (ثابت) انرژی بستگی دارد. در این مقیاس (معمولاً در ابعاد بسیار کوچک، مانند مقیاس ذرات زیراتمی)، طبق قوانین مکانیک کوانتومی اشیا یا ذرات می‌توانند به‌طور ناگهانی ظاهر و سپس دوباره ناپدید شوند یا ماده می‌تواند مانند موج رفتار کند. دنیای کوانتومی بسیار متفاوت از چیزی است که ما در دنیای عادی می‌بینیم.

در مقیاس‌های بزرگ‌تر که فیزیکدانان آن را مکانیک کلاسیک می‌نامند، اشیاء همانطور که در زندگی روزمره می‌بینیم و انتظار داریم رفتار می‌کنند. در این مقیاس اجسام گسسته نیستند و می‌توانند مقادیر پیوسته‌ای داشته باشند. به عبارت دیگر آن‌ها به‌طور ناگهانی ظاهر یا به‌طور ناگهانی ناپدید نمی‌شوند.

در دنیای کوانتومی، انرژی فقط می‌تواند به‌طور گسسته و در مقادیر خاصی وجود داشته باشد؛ مثل کلید برق که فقط دو حالت روشن و خاموش دارد. اما در دنیایی که می‌بینیم و با آن تعامل داریم، انرژی می‌تواند به‌طور پیوسته تغییر کند (مانند کلید دیمر) و امکان تنظیم تمام سطوح انرژی را فراهم می‌کند.

وقتی پژوهشگران می‌خواهند گرانش را در سطح کوانتومی مطالعه کنند، با مشکلاتی مواجه می‌شوند. در مقیاس کوچک فیزیکدانان باید فرض کنند گرانش هم حالت کوانتیده دارد. اما پژوهش‌های آن‌ها از این ایده حمایت نمی‌کنند.

یکی از روش‌ها برای ترکیب نظریه‌های گرانش و دنیای کوانتومی، نظریه‌های چندجهانی است. این نظریه‌ها به بررسی جهانی فراتر از جهان فعلی ما می‌پردازند تا توضیح دهند چگونه گرانش و کوانتوم می‌توانند با هم هماهنگ عمل کنند. برخی از این نظریه‌ها شامل نظریه ریسمان، کیهان‌شناسی غشایی و نظریه کوانتوم حلقه‌ای هستند. اما صرف‌نظر از هر نظریه یا توضیحی، جهان همچنان به انبساط خود ادامه خواهد داد؛ به‌طوری‌که فاصله‌ی بین کهکشان راه شیری و اکثر کهکشان‌های دیگر با گذشت زمان بیشتر و بیشتر می‌شود.