آیا نور تا ابد زنده می‌ماند؟

در تمام هستی، تنها تعداد محدودی ذره هستند که همیشه پایدارند. برخی بر این باورند که فوتون (کوانتوم نور)، یکی از آنها است و عمر بی‌نهایت دارد. آیا نور تا ابد زنده می‌ماند؟

در این دنیای بسیار بزرگ که میلیاردها میلیارد سال از عمر آن می‌گذرد، به نظر می‌رسد که فوتون یکی از معدود ذراتی است که عمر نامحدودی دارد. فوتون‌ها در واقع کوانتوم‌هایی هستند که نور را تشکیل می‌دهند و در غیاب هرگونه فعل و انفعال دیگری که آنها را مجبور به تغییر ماهیت کند، تا ابد زنده می‌مانند و به ذره دیگری تبدیل نمی‌شوند.

آیا نور در آینده بسیار دور نابود می‌شود؟

جملات بالا بر پایه فرضیاتی استوار شده که نمی‌دانیم تا چه حد درست هستند و برای تایید پایداری و عمر آنها به شواهد و مدارک بیشتری نیاز داریم. یکی از قدیمی‌ترین ایدئولوژی‌ها در تمام کیهان این است که هر چیزی که اکنون وجود دارد روزی وجود نخواهد داشت.

ستاره‌ها، کهکشان‌ها و حتی سیاه‌چاله‌هایی که فضای کیهان ما را اشغال کرده‌اند همگی روزی می‌سوزند و محو می‌شوند و یا می‌پوسند و در واقع همان اتفاقی می‌‌افتد که ما آن را مرگ گرمای کیهان می‌نامیم. مرگ گرمای کیهان زمانی اتفاق می‌افتد که دیگر نمی‌توان انرژی بیشتری را از حالت تعادل و حداکثر آنتروپی استخراج کرد.

اما شاید در این میان استثناهایی هم وجود داشته باشد و برخی چیزها واقعا تا ابد زنده می‌مانند. یکی از این استثناها ممکن است نور باشد. تمام تشعشات الکترومغناطیسی که در کیهان وجود دارند از فوتون تشکیل شده‌اند و فوتون‌ها تا آنجا که ما می‌دانیم عمر بی‌نهایت دارند.

آیا این بدان معناست که نور واقعا تا ابد زنده خواهد ماند؟ این سوالی است که Anna-Maria Galante در پی پاسخ آن می‌گردد:

آیا فوتون‌های نور تا ابد زنده می‌مانند؟ یا می‌میرند و به ذره‌ای دیگر تبدیل می‌شوند؟ نوری که ما می‌بینیم از زمان‌های بسیار دور طی رویدادهای کیهانی فوران کرده است و در ظاهر می‌دانیم که از کجا می‌آید، اما به کجا می‌رود؟ چرخه زندگی فوتون چیست؟

این یک سوال بزرگ است که همه اطلاعاتی را که تا به امروز درباره جهان کسب کرده‌ایم به چالش می‌کشد. در این مقاله بهترین پاسخ علم به این پرسش آمده است.

دلیل اینکه اولین بار در رابطه با محدودیت عمر فوتون پرسشی مطرح شد این بود که دانشمندان شواهد مهمی درباره انبساط جهان کشف کرده بودند. در این اکتشاف متوجه شدند که سحابی‌های مارپیچی و بیضوی در آسمان کهکشان‌هایی خارج از کهکشان راه شیری قرار دارند که بسیار فراتر از مقیاس و محدوده کهکشان ما هستند.

این مجموعه متشکل از میلیون‌ها، میلیاردها یا حتی تریلیون‌ها ستاره است که حداقل میلیون‌ها سال نوری با ما فاصله دارند و خارج از کهکشان راه شیری هستند. علاوه بر این، دانشمندان به سرعت متوجه شدند که این اجسام نه تنها از ما خیلی دور هستند بلکه هر لحظه از ما دورتر هم می‌شوند زیرا به طور متوسط هرچه از ما دورتر شوند نوری که به طور سیستماتیک از آنها ساطع می‌شود به سمت طول موج قرمز و قرمزتر حرکت می‌کند.

البته زمانی که این اطلاعات در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ به طور گسترده در اختیار ما قرار گرفتند، پیشتر درباره ماهیت کوانتومی نور اطلاعاتی کسب کرده بودیم و می‌دانستیم که طول موج نور، میزان انرژی آن را تعیین می‌کند. ما همچنین درباره نسبیت عام و خاص آگاه بودیم و می‌دانستیم که وقتی نور منبع خود را ترک می‌کند تنها راهی که می‌توان فرکانس آن را تغییر داد یکی از موارد زیر است:

1. با نوعی ماده یا انرژی تعامل داشته باشد.
2. از ناظر بخواهید که از آن دور یا به آن نزدیک شود.
3. اینکه خواص انحنای فضا خودش تغییر کند مانند تغییر گرانش به سرخ یا آبی و یا انبساط و انقباض جهان

اولین راه منجر به ایجاد یک فرمول جذاب برای کیهان‌شناسی جایگزین به نام کیهان‌شناسی نور خسته شد. این فرمول اولین بار در سال ۱۹۲۹ توسط Fritz Zwicky مطرح شد. به احتمال زیاد با Fritz Zwicky آشنا هستید. او همان کسی است که اصطلاح ابرنواختر را ابداع و اولین بار فرضیه ماده تاریک را مطرح کرد و یک بار هم سعی کرد با شلیک تفنگ از طریق لوله تلسکوپ خود هوای متلاطم اتمسفر را ساکن و بی‌حرکت کند.

فرضیه نور خسته بیان می‌کند که نور در حال انتشار در اثر برخورد با سایر ذرات موجود در فضای بین کهکشان‌ها انرژی خود را از دست می‌دهد. طبق محاسبات، هرچه فضای بیشتری برای انتشار نور وجود داشته باشد، انرژی بیشتری برای این فعل و انفعلات هدر می‌رود و همین امر این مسئله را توجیه می‌کند که چرا به جای سرعت‌های عجیب و غریب یا انبساط کیهانی، نور برای اجسام دورتر قرمزتر به نظر می‌رسد. حال برای اینکه این سناریو صحت داشته باشد، دو فرضیه دیگر باید درست باشند.

۱- هنگامی که نور از یک محیط حتی یک محیط نامتراکم عبور می‌کند، سرعتش نسبت به حرکت در خلاء کاهش پیدا می‌کند. این کاهش سرعت نورها با فرکانس‌های متفاوت را با مقادیر متفاوتی تحت تاثیر قرار می‌دهد. همانطور که نوری که از منشور می‌گذرد به رنگ‌های مختلف تقسیم می‌ٰشود، نوری که از محیط بین کهکشانی عبور می‌کند و با آن برهم‌‌کنش انجام می‌دهد، باید نور با طول موج‌های مختلف را نشان دهد. هنگامی که نور دوباره وارد خلاء می‌شود، مجددا به سرعت پیشین خود باز می‌گردد.

با این حال با مشاهده نورهایی که از منابعی در فواصل مختلف می‌آمد متوجه شدیم که طول موج به میزان سرخ‌گرایی نور بستگی ندارد. در عوض، همه طول موج‌های نور ساطع شده در همه فواصل با یک عامل یکسان به سمت سرخی منتقل می‌شوند. این حرکت به سمت سرخی هیچگونه وابستگی به طول موج ندارد. به همین دلیل، اولین پیش‌بینی کیهان‌شناسی نور خسته رد می‌شود؛ اما دومین پیش‌بینی را هم باید بررسی کرد و به چالش کشید.

۲- اگر نور دورتر نسبت به نور نزدیک‌تر مسافت بیشتری در یک محیط پراتلاف طی کند، باید انرژی بیشتری را از دست بدهد و در نتیجه اجسام دورتر باید نسبت به اجسام نزدیک‌تر تارتر به نظر برسند. ولی باز هم وقتی این پیش‌بینی را بررسی می‌کنیم، متوجه می‌شویم که به هیچ وجه توسط مشاهدات تایید نمی‌شود.

کهکشان‌های دورتر وقتی در کنار کهکشان‌های نزدیک‌تر قرار می‌گیرند و با هم مقایسه می‌شوند وضوح و درخشندگی یکسانی دارند. برای مثال این موضوع درمورد کهکشان‌های پنج‌قلوی استفان صادق است. بنابراین این پیش‌بینی نیز رد می‌شود.

درحالیکه این مشاهدات برای رد فرضیه نور خسته به اندازه‌ای خوب و کافی هستند که بلافاصله می‌توانند آن را تکذیب کنند، یک راهی وجود دارد که می‌گوید نور تا ابد زنده نمی‌ماند و پایدار نیست. نور می‌تواند خاموش شود یا به ذره‌ای دیگر تبدیل گردد و چندین فرضیه جالب وجود دارد که به این احتمال دامن می‌زنند.

اولین مورد برگرفته از این حقیقت است که ما یک سرخ‌گرایی کیهانی داریم. تک تک فوتو‌ن‌هایی که تولید می‌شوند صرف‌نظر از اینکه چگونه تولید شده‌اند (چه از طریق گرما یا انتقال کوانتومی یا از هر برهم‌کنش دیگری) در کیهان جریان دارند تا زمانی که با کوانتوم انرژی دیگری برخورد و تعامل کند.

اما اگر یک فوتون از یک گذار کوانتومی ساطع شده باشد (مگر اینکه در واکنش کوانتومی معکوس به روش نسبتا سریع شرکت کند) شروع به سفر در فضای بین کهکشانی می‌کند و در عین حال به دلیل انبساط کیهان، طول موجش کش می‌آید.

اما اگر یک فوتون به اندازه کافی خوش‌شانس نباشد که توسط یک حالت محدود کوانتومی با فرکانس انتقال مناسب جذب شود، حرکت خود به سمت انتقال به سرخی را آنقدر ادامه می‌دهد تا به بلندترین طول موج ممکن برسد. پس از آن نیز این امکان را خواهد داشت که توسط چنین انتقالی دوباره جذب شود.

با این حال، احتمالات دیگری برای زندگی فوتون‌ها وجود دارد: آنها می‌توانند با یک ذره کوانتومی آزاد تعامل کنند و یک اثر متفاوت ایجاد کنند.

این حالت می‌تواند شامل پراکندگی باشد یعنی جایی که یک ذره باردار (معمولا الکترون) یک فوتون را جذب می‌کند و دوباره آن را ساطع می‌کند. در این موقعیت تبادل انرژی و تکانه اتفاق می‌افتد و می‌تواند ذره باردار یا فوتون را به سطوح بالاتر انرژی برساند؛ اما یکی از آنها به سطح انرژی پایین‌تر می‌رود.

در سطوحی که انرژی بالا است، برخورد یک فوتون با ذره‌ای دیگر و یا حتی یک فوتون دیگر (در صورتی که طبق فرمول E=mc2 اینشتین انرژی کافی در دسترس باشد) می‌تواند به طور خودبخودی یک جفت ذره-پاد ذره تولید کند. در واقع، پرتوهای کیهانی با بالاترین انرژی می‌توانند این کار را حتی با فوتون‌های بسیار کم انرژی که بخشی از تابش زمینه کیهانی هستند، انجام دهند. درست مانند بقایای انفجار بزرگ یا همان بیگ بنگ.

برای پرتوهای کیهانی بالاتر از 1017 eV در انرژی، یک فوتون معمولی در تابش زمینه کیهانی شانس تولید جفت الکترون-پوزیترون را دارد. در سطوح انرژی بالاتر مثل ۱۰۲۰ eV در انرژی، یک فوتون در تابش زمینه کیهانی شانس بسیار زیادی برای تبدیل شدن به یک پیون خنثی را دارد که به سرعت انرژی پرتوهای کیهانی را می‌رباید. این امر دلیل اصلی افت شدید جمعیت پرتوهای کیهانی با بالاترین انرژی است.

در واقع آنها بالاتر از آستانه حیاتی انرژی هستند. به عبارت دیگر، حتی فوتون‌های کم انرژی می‌توانند در اثر برخورد با ذرات دارای انرژی کافی به ذراتی غیر از فوتون تبدیل شوند.

به غیر از روش انبساط کیهانی یا تبدیل به ذراتی با جرم سکون غیر صفر، هنوز راه  سومی هم برای تغییر یک فوتون وجود دارد. این تغییر را می‌توان از طریق پراکنده کردن یک ذره ایجاد کرد که به تولید فوتون‌های بیشتر منجر می‌شود. در عمل، در هر برهم‌کنش الکترومغناطیسی یا برهم‌کنش بین یک ذره باردار و حداقل یک فوتون مواردی وجود دارد که در نظریه‌های میدان کوانتومی اصلاحات تابشی نام دارد.

برای هر برهم‌کنش استانداری که در آغاز و پایان آن تعداد فوتون‌های یکسانی وجود داشته باشد، کمتر از یک درصد احتمال دارد که در پایان یک فوتون اضافی‌تر از تعداد فوتون‌هایی که کار را با آنها شروع کردید، تابش داشته باشید. همچنین هر بار ذره‌ای پرانرژی داشته باشید که دارای جرم سکون مثبت و دمای مثبت باشد، آن ذرات هم فوتون‌ها را به بیرون پرتاب می‌کنند و با این کار در واقع به شکل فوتون انرژی از دست می‌دهند.

ایجاد فوتون‌ها بسیار آسان است و با اینکه جذب آنها از طریق ایجاد انتقال‌های کوانتومی مناسب امکان‌پذیر است، اکثر برانگیختگی‌ها پس از مدت معینی از بین می‌روند.

درست مانند این ضرب‌المثل قدیمی که می‌گوید فواره چون بلند شود سرنگون گردد، سیستم‌های کوانتومی که از طریق جذب فوتون‌ها به انرژی‌های بالاتر برانگیخته می‌شوند، درنهایت به حالت غیر برانگیخته برمی‌گردند و همان تعداد فوتون را معمولا با همان انرژی خالص که در وهله اول جذب کرده بودند، برجای می‌گذارند.

با توجه به اینکه راه‌های زیادی برای ایجاد فوتون‌ها وجود دارد، احتمالا به دنبال راه‌هایی برای از بین بردن آنها هم هستید. به هر حال، صرفا انتظار برای اینکه تاثیرات سرخ‌گرایی کیهانی به طور خودسرانه آنها را به سطح انرژی و چگالی مجانبی کم کاهش دهد، زمان‌بر است.

هربار که کیهان با ضریب ۲ بزرگ‌تر می‌شود، چگالی انرژی کل به شکل فوتون در ضریب ۱۶ کاهش می‌یابد: مضربی از ۲^۴. مضرب ۸ به این دلیل است که تعداد فوتون‌ها علیرغم همه راه‌هایی که برای ایجاد آنها وجود دارد، نسبتا پایدار می‌ماند و دوبرابر کردن فاصله بین اجسام، حجم جهان قابل مشاهده را به ضریب ۸ افزایش می‌یابد. در واقع فرمول آن اینگونه است: طول، عرض و عمق را هرکدام دو برابر کن.

چهارمین و آخرین عامل به انبساط کیهانی مربوط می‌شود که طول موج را تا دو برابر طول موج اصلی کشیده و در نتیجه انرژی هر فوتون را نصف می‌کند. در مقیاس‌های زمانی طولانی این امر موجب می‌شود که چگالی انرژی جهان به شکل فوتون به طور مجانبی به سمت صفر کاهش یابد، اما دقیقا به آن نقطه نمی‌رسد.

در این مرحله شاید تصور کنید که نوعی ذره عجیب با جرم بسیار پایین با فوتون ترکیب شده و به این ترتیب فوتون در شرایط مناسب به ذره دیگری تبدیل شود. شاید بوزون (ذرات بنیادی اتم) و یا آکسیون (ذراتی فرضی که گفته می‌شود بخشی از ماده تاریک هستند) به ذهنتان برسد؛ اما فراموش نکنید که برای تبدیل شدن فوتون به ذره‌ای با جرم سکون غیر صفر، باید حتما فوتون در سطح بالایی از انرژی باشد.

هرچند که وقتی فوتون دچار سرخ‌گرایی می‌شود و انرژی آن از سطح مشخصی پایین‌تر می‌آید، دیگر چنین چیزی جواب نمی‌دهد. به همین شکل شما ممکن است راه نهایی برای جذب شدن فوتون‌ها یعنی برخورد با یک سیاه‌چاله را بررسی کنید. اگر هر چیزی که به فضایی بیرونی تعلق دارد از مرز افق رویداد بگذرد، نه تنها دیگر راهی برای فرار نخواهد داشت، بلکه برای همیشه به انرژی جرم ساکن سیاه چاله اضافه خواهد کرد.

بله تعداد بسیار زیادی سیاه چاله در جهان شکل خواهند گرفت و با پیش رفتن زمان از نظر جرم و اندازه نیز رشد خواهند کرد؛ اما حتی این نیز تا حد مشخصی رخ می‌دهد. وقتی چگالی کیهان از یک آستانه مشخصی پایین‌تر رود، سیاه‌چاله‌ها نیز به خاطر پدیده‌ای به نام تابش هاوکینگ سریع‌تر از رشدشان بخار خواهند شد.

بدین ترتیب فوتون‌های بیشتری حتی نسبت به آنچه در مرحله اول وارد سیاه چاله شده بودند، تولید می‌شوند. در طول ^۱۰۰ ۱۰ سال آينده تمامی سیاه چاله‌های کیهان در نهایت به طور کامل بخار خواهند شد و بخش فوق‌العاده زیادی از باقیمانده آنها نیز فوتون خواهد بود. با این اوصاف آیا فوتون‌ها در نهایت مي‌میرند؟ با توجه به قوانین کنونی فیزیک پاسخ به این سوال خیر است.

در واقع شرایط از آنچه فکر می‌کردید، جدی‌تر است. شما می‌توانید تمامی فوتون‌هایی که در اتفاقاتی همچون بیگ بنگ، گذار کوانتومی، انتشار انرژی، اصلاح تابشی و بخار شدن سیاه چاله به وجود آمده یا به وجود خواهد آمد را در نظر بگیرید. حتی اگر همه این فوتو‌ن‌ها به خاطر انبساط جهان، به سطح بسیار پایینی از انرژی برسند، باز هم جهان خالی از فوتون نخواهد شد.

چرا چنین چیزی رخ می‌دهد؟ چون جهان هنوز در خود انرژی تاریک دارد. درست همانطور که جرمی با افق رویداد (مثلا سیاه‌چاله) به طور مرتب فوتو‌ن‌ها را به خاطر اختلاف شتاب در نزدیکی افق رویداد در مقایسه با بخش دورتر، به بیرون پرتاب می‌کند، هر جرم دیگری با افق کیهانی نیز همینطور رفتار خواهد کرد.

در اصل هم‌ارزی اینشتین گفته شده که ناظر نمی‌تواند تفاوت بین شتاب گرانشی و شتاب دیگر را تشخیص دهد و به خاطر حضور انرژی تاریک، اینگونه به نظر می‌رسد که هر دو موقعیت مکانی آزاد نسبت به یکدیگر شتاب دارند. بر اساس مقدار ثابت کیهان‌شناسی، طیف حاصل از تابش پرتوهای یک جسم سیاه با دمای تقریبی ^۳۰-۱۰ کلوین همیشه در فضا نفوذ خواهد کرد و مهم هم نیست که تا چه اندازه به بررسی آينده بپردازیم.

در نهایت هرچقدر هم که زمان پیش رود، جهان همیشه به تولید تشعشعات ادامه خواهد داد و هیچ‌وقت به صفر مطلق نمی‌رسد. در واقع جهان همیشه دارای فوتون خواهد بود و حتی اگر انرژی فوتون به پایین‌ترین حد ممکن برسد، به ذره دیگری تبدیل نشده و یا نابود نمی‌شود.

البته چگالی انرژی جهان همزمان با انبساط آن کاهش خواهد یافت و به همین ترتیب با گذر زمان انرژی ذاتی هر فوتون نیز کمتر می‌شود؛ اما با همه اینها چیزی بنیادی‌تر وجود ندارد که فوتون در مرحله آخر به آن تبدیل شود. هرچند می‌توان سناریو‌های عجیبی را در نظر گرفت که داستان را تغییر دهند.

مثلا شاید فوتون‌ها واقعا جرم سکون غیر صفر داشته باشند که باعث شود آنها پس از گذر زمانی مشخص کند‌تر و کندتر شوند. شاید فوتون‌ها واقعا ناپایدار هستند و ذره بی‌جرم دیگری (مثلا ترکیبی از گراویتون‌ها) وجود دارد که در نهایت به آن تبدیل شوند. یا شاید نوعی گذار فازی وجود داشته باشد که در آينده بسیار دور رخ دهد. در این هنگام فوتون ناپایداری واقعی خود را نشان می‌دهد و به یک وضعیت کوانتومی شناخته نشده تبدیل می‌رسد.

اما اگر تمامی چیزی که فعلا در اخیار داریم فوتون در مدل استاندارد باشد، می‌توان گفت که فوتون واقعا پایدار است. جهانی که از انرژی تاریک پر شده اطمینان حاصل می‌کند که حتی اگر فوتون‌ها به خاطر سرخ‌گرایی به سطوح انرژی بسیار پایینی برسند، فوتون‌های جدید همیشه خلق شوند تا در نهایت جهانی با تعداد بالا و البته محدودی فوتون طرف باشیم.

ما فقط می‌توانیم تا جایی که قوانین را ارزیابی کرده‌ایم، نسبت به آنها مطمئن باشیم؛ اما اگر یک تکه بزرگ از پازل باشد که ما هنوز کشف نکرده‌ایم وجود داشته باشد، شرایط کاملا تغییر خواهد کرد. در وضعیت فعلی می‌توان گفت که فوتون‌ها محو می‌شوند؛ اما به معنی واقعی کلمه هرگز نمی‌میرند. و این یعنی نور تا ابد زنده است!