چرا آسمان شب تاریک است

معمای به ظاهر ساده‌ی تاریکی آسمان که پارادوکس البرس نامیده می‌شود، قرن‌ها ذهن ستاره‌شناس‌ها را به خود مشغول کرده بود.

گاهی پرسشی ساده که حتی طرح آن می‌تواند احمقانه به نظر برسد، ما را به یک دیدگاه برجسته و جالب کیهانی می‌رساند. برای مثال: چرا آسمان، هنگام شب تاریک است؟

شاید در واکنش، چنین پرسشی را شوخی و پاسخ آن را بدیهی بدانید. بله همه می‌دانیم که تعداد زیادی ستاره در آسمان وجود دارند. ستاره‌های دورتر کم‌نورتر هستند؛ بنابراین فضای سیاه زیادی بینشان وجود دارد و چیزی برای درخشیدن در این فضا نیست؛ بنابراین بدیهی است که آسمان هنگام شب تاریک باشد.

بااین‌حال پاسخ فوق غلط یا در بهترین حالت ناقص است. وضعیت واقعی آسمان حتی برای دانشمندان برجسته‌ی یک قرن گذشته یا قبل‌تر نیز آشکار نبود. شخصی که برای اولین بار این راز را حل کرد یا حداقل پاسخی علمی به‌صورت مکتوب برای آن ارائه داد، تقریبا به‌طور قطع کسی نیست که انتظارش را داشته باشید.

برای روشن‌شدن موضوع باید گفت که آسمان هنگام شب به‌صورت کامل تاریک نیست. جو زمین حتی از دورافتاده‌ترین موقعیت‌های روی زمین دارای درخششی اندک است. بااین‌حال در اینجا منظور ما تاریکی کیهانی است؛ خود جهان که در وضعیتی بدون روشنی قرار دارد. منابعی برای نور پس‌زمینه در جهان وجود دارند؛ ستاره‌های دوردست و کهکشان‌ها‌ی کوچک و کم‌نوری که هرکدام به‌صورت تک‌تک دیده می‌شوند، بااین‌حال به نظر می‌رسد آسمان در مقایسه با سطح خورشید بسیار سیاه است. شاید این مقایسه منطقی به نظر نرسد، اما قلب مسئله است.

ستاره‌شناس‌های قرن نوزدهم تصور می‌کردند جهان همیشه ایستا بوده است.
ستاره‌شناس‌ها در طول تاریخ این فرضیه را قبول داشتند که جهان در فضا و زمان نامتناهی است و تا ابد ادامه دارد. جهان هستی همیشه همین‌طور بوده و همین‌گونه ثابت باقی خواهد ماند. ستاره‌شناس‌های قرن نوزدهمی چنین ذهنیتی داشتند.

ستاره‌شناس‌های قرن ۱۹ دلایل خود را برای باور به ثابت‌بودن جهان داشتند. آن‌ها راه شیری را کل جهان می‌پنداشتند و به دیدگاه بطلیموس درمورد ثابت‌بودن همه چیز باور داشتند. البته قطعا ماه وارد فازهای مختلف می‌شد و هر سیاره مطابق با ریشه‌شناسی یونانی اسم خود، در آسمان سرگردان بود؛ اما ستاره‌ها همیشه یک‌جا بودند و همیشه همان‌جا باقی می‌ماندند.

اما چنین ذهنیتی مشکل‌ساز بود. اگر جهان در فضا نامتناهی است و ستاره‌ها به‌صورت مساوی در سرتاسر آن توزیع شده‌اند، پس آسمان باید براساس هندسه‌اش بسیار روشن باشد؛ خیلی خیلی روشن.

فرض کنید کل ستاره‌ها را درون یک پوسته‌ی کروی نازک جمع‌آوری کنید که مرکزیت آن زمین باشد. این پوسته دارای دیواره‌هایی با یک سال نوری ضخامت و ۱۰۰۰ سال نوری فاصله است. اگر به پوسته‌ی دیگری با دو برابر فاصله (۲۰۰۰ سال نوری) و ضخامت یکسان نگاه کنید، ریاضیات حکم می‌کند که حجم آن چهار برابر و در نتیجه تعداد ستاره‌های درونش هم چهار برابر بیشتر باشد. حجم چنین پوسته‌ی نازکی با مربع فاصله‌ی آن افزایش می‌یابد.

دورشدن به معنی کم‌نور شدن ستاره است که از قانون مربع معکوس پیروی می‌کند: به‌گونه‌ای که روشنایی به‌عنوان مربعی از فاصله کاهش می‌یابد؛ بنابراین ستاره‌ای با دو برابر فاصله، دارای یک‌چهارم درخشش است.

بنابراین هر پوسته‌ای را که انتخاب کنید صرف‌نظر از فاصله، درخشش یکسانی دارد. نزدیک یا دور، افزاش حجم و کاهش درخشش دقیقا یکدیگر را خنثی می‌کنند. تا این‌جا به نظر می‌رسد مشکلی وجود ندارد، اما به خاطر داشته باشید که در تفکر قرن نوزدهمی، جهان نامتناهی است؛ به‌گونه‌ای که تعداد بی‌نهایتی از پوسته‌ها و ستاره‌ها وجود دارند. در این سناریو، صرف‌نظر از اینکه تا چه حد دوردست را نگاه کنید، خط دید شما همیشه به یک ستاره برخورد خواهد کرد و فرقی نمی‌کند که آن محدوده‌ی آسمان چقدر کوچک باشد. بر اساس این ذهنیت کل آسمان به‌اندازه‌ی یک ستاره درخشان است!

جهان از زمان بیگ‌بنگ همواره در حال انبساط بوده است.
بااین‌حال تفکر فوق واقعیت ندارد. آسمان تاریک است؛ اما چگونه این مسئله ممکن است؟ خب شاید فکر کنید که سحابی‌ها یا همان ابرهای گاز و غبار موجود در فضا عامل این تاریکی هستند. این اجرام می‌توانند نور ستاره‌های دوردست را مسدود کنند و آسمان را تاریک نگه دارند. متأسفانه چنین ذهنیتی جواب نمی‌دهد، زیرا ابرهای گاز و غبار بر اثر جذب تابش‌ها داغ می‌شوند و به اندازه‌ی ستاره‌های دیگر می‌درخشند؛ بنابراین با افزودن سحابی نمی‌توانید مسئله را حل کنید، بلکه صرفا آن را به تأخیر می‌اندازید.

به تناقض آسمان تاریک، پارادوکس البرس گفته می‌شود که برگرفته از نام ستاره‌شناس آلمانی، هاینریش ویلهلم البرس است. او در سال ۱۸۲۳ در رساله‌ی «در باب شفافیت فضا» به این پدیده اشاره کرد. البته باید خاطرنشان کرد که این پدیده در فرهنگ نام‌گذاری غربی بدین نام خوانده می‌شود. درواقع البرس اولین شخصی نبود که به این موضوع اشاره کرد و ستاره‌شناس‌های دیگر هم در دوره‌های قبل به آن پرداخته‌ بودند. برای مثال توماس دیگز، ستاره‌شناس قرن شانزدهم در نظریه‌ی خود درباره‌ی ماهیت نامتناهی جهان، به پارادوکس آسمان تاریک اشاره کرد.

پژوهشگرهای مختلفی مسئله پارادوکس البرس را بررسی کردند، اما هیچ‌کدام به راه‌حل علمی قابل‌قبول برای آن نرسیدند. این روند در سال ۱۸۴۸ تغییر کرد. در آن زمان، نویسنده‌ای آمریکایی رساله‌ای با عنوان «اورکا: شعر منثور» را منتشر کرد. او در این اثر می‌نویسد، جهان از نظر وسعت نامتناهی نیست و نور زمان کافی را برای رسیدن به ما ندارد. به نقل از این کتاب:

بنابراین خلاهایی که تلسکوپ‌ها در جهت‌های بی‌شمار پیدا می‌کنند، تنها در صورتی قابل درک است که فرض کنیم فاصله‌ی پس‌زمینه‌ی نامرئی بسیار زیاد است، به‌گونه‌ای که هیچ پرتویی از آن قادر نیست به ما برسد.
گرچه اثر یادشده راه‌حل ریاضی را ارائه نمی‌دهد، در حالت کلی صحیح است و دو بخش کلیدی دارد. نویسنده‌ی این رساله کسی نبود جز ادگار آلن پو، نویسنده و شاعر آمریکایی. شرط می‌بندم که اصلا تصور نمی‌کردید کاشف معما، چنین شخصی باشد. چند دهه بعد، لرد کلوین، فیزیکدان مطرح بریتانیایی راه‌حل ریاضی مسئله را نیز ارائه داد.

بخش دیگری از پاسخ نشان می‌دهد جهان همیشه وجود نداشته است. ستاره‌شناس‌ها در اوایل قرن بیستم میلادی بالاخره به سرنخ‌هایی رسیدند که نشان می‌دادند جهان می‌تواند بسیار فراتر از راه شیری باشد. کشف انبساط کیهانی فرضیه‌ی کیهان ایستا و ثابت‌بودن جهان را رد کرد و همراه با رصد‌های بعدی راه را برای مدل فعلی بیگ‌بنگ هموار ساخت. مدل بیگ‌بنگ مانعی برای بی‌نهایت بودن جهان نیست، بلکه علاوه بر تأیید فرضیه آلن پو، یک ابتدا و روز اول کیهانی را برایش پیش‌بینی می‌کند.

جالب اینجاست که اگر انبساط کیهانی در جهانی با وضعیت پایدار رخ می‌داد، باز هم می‌توانست علت تاریکی آسمان را توجیه کند. اگر کل جهان رشد می‌کرد، انبساط، ستاره‌ها را با سرعتی بالا از ما دور می‌کرد؛ به‌گونه‌ای که نور آن‌ها به ما نمی‌رسید؛ بنابراین این‌گونه نیست که آسمان تاریک مدل بیگ‌بنگ را ثابت می‌کند، بلکه بیگ‌بنگ جنبه‌ای کلیدی برای درک اتفاقات آسمان به شمار می‌رود.

امروز می‌دانیم جهان سفر خود را تقریبا ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش آغاز کرد و دید ما از اجرام دوردست‌تر محدود شده است. انبساط باعث می‌شود نور ستاره‌ها کاهش پیدا کند، به طوری که انرژی آن‌ها در طول مسیر به زمین از بین رفته و به اصطلاح دچار انتقال به سرخ می‌شوند. از سویی ستاره‌ها طول عمری متناهی دارند و زمانی که کل گاز سحابی برای شکل‌گیری آن‌ها مصرف شد، جهان تاریک می‌شود و آسمان تاریک امروز، تاریک‌تر هم خواهد شد.

لرد کلوین می‌گوید هیچ تناقضی در علم وجود ندارد؛ بلکه این تناقض‌ها در واقع ناسازگاری‌های واهی هستند که به خاطر محدودیت درک ما رخ می‌دهند. هرچقدر بیشتر درباره جهان یاد بگیریم، تناقض‌ها نیز از بین می‌روند.