نظریه بیگ‌ بنگ چیست؟ – به زبان ساده

تحریریه علم روز

ما جمعی از علاقمندان به علم و اندیشه هستیم که دوست داریم چیزهایی که در علم و فلسفه برای ما جذاب هست با شما به اشتراک بگذاریم. هدف ما ترویج دانش و گسترش آگاهی و اندیشه در بین جامعه است.

نظریه بیگ بنگ پذیرفته شده‌ترین تصویر ما از تحول و تکوین کیهان است. این نظریه که از یک تکینگی آغاز می‌شود تحول و تشکیل کیهان و ساختارهای کیهانی را از لحظاتی پس از تکینگیِ نخستین تاکنون را به خوبی توصیف می‌کند. نظریه بیگ‌بنگ تا کنون بارها مورد آزمون‌های تجربی و مشاهداتی گوناگون قرار گرفته و از اغلب آزمایش‌ها سربلند بیرون آمده است. ما در این مقاله سعی می‌کنیم نظریه بیگ‌بنگ را به زبان ساده شرح داده و سؤالات مختلف پیرامون سرآغاز و تکامل و پایان جهان را پاسخ دهیم.

اینها سوالاتی بودند که ذهن فیلسوفان و دانشمندان را از اوایل تمدن بشری تاکنون به خود مشغول کرده‌اند، و باعث مطرح شدن برخی نظریه‌های عجیب و جالب شده‌اند. امروزه چیزی که دانشمندان و کیهان‌شناسان بر آن توافق دارند این است که جهانی که ما می‌شناسیم، در یک انفجار بزرگ که نه تنها باعث تولید ماده شد بلکه قوانین فیزیک حاکم بر جهان ما نیز با آن پدید آمد، ایجاد شده است. این نظریه به نام نظریه‌ی مه‌بانگ (بیگ بنگ) شناخته می‌شود.

تقریباً یک قرن است که این اصطلاح توسط محققان و غیر محققان به کار می‌رود. که البته جای تعجب هم نیست به خاطر این که این نظریه مورد قبول‌ترین نظریه‌ی موجود است.

پیش از هر چیزی باید به این نکته دقت کنیم که نظریه بیگ‌بنگ، نظریه‌ی آفرینش و خلقت جهان نیست. بلکه نظریه‌ای درباره تاریخچه تحول کیهان است. در واقع نظریه بیگ‌بنگ تحول کیهان را از لحظات بسیار نخستین (و نه لحظه صفر!) روایت می‌کند و درباره لحظه صفر هیچ چیز نمی‌گوید.

پایه‌های نظریه بیگ‌بنگ بسیار ساده است. به طور کوتاه، نظریه‌ی مه‌بانگ می‌گوید که تمام ماده‌ی فعلی و پیشین در این جهان تقریباً  ۱۳.۸ میلیارد سال قبل یک‌جا به وجود آمدند. در این زمان، تمام ماده در یک توپ کوچک با چگالی تقریبا بی‌نهایت و گرمای فوق‌العاده زیاد جمع شده بود که تکینگی نامیده می‌شود. ناگهان تکینگی شروع به گسترش کرد و جهانی که ما می‌شناسیم آغاز شد.

البته که بیگ‌بنگ تنها تئوری مدرن راجع به چگونگی وجود جهان نیست، برای مثال «نظریه حالت پایا» نیز وجود دارد یا حتی نظریه چرخه‌ای اما نظریه بیگ‌بنگ است  که محبوب‌ترین و مورد قبول‌ترین نظریه موجود نسبت به این نظریه‌هاست که نه تنها خاستگاه ماده و جهان، قوانین فیزیک، اندازه و ساختار جهان را توضیح می‌دهد بلکه گسترش و انبساط کیهان و تعداد زیادی از پدیده‌ها را نیز توصیف می‌نماید.

اگرچه کلمه‌ی بیگ‌بنگ در فارسی به صورت «انفجار بزرگ» ترجمه شده اما نکته‌ی مهم درباره ایده‌ی بیگ‌بنگ این است که این انفجار شبیه به هیچ‌یک از انفجارهایی که تاکنون دیده‌اید نیست. برای مثال انفجار یک بمب هیدروژنی را در نظر بگیرید، که مرکز آن تقریبا ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد دما دارد، و در هوا به صورت شعاعی با سرعت ۳۰۰ متر بر ثانیه گسترش می‌یابد. اما کیهان‌شناسان معتقدند که بیگ‌بنگ انرژی را در تمام راستا‌ها با سرعت نور و با دمای همگنی به اندازه ۱۰۰۰ تریلیون درجه سانتی‌گراد و در کسری از ثانیه منتشر کرده است. حتی مرکز داغ‌ترین ستاره‌ها در جهان فعلی نیز بسیار سردتر از دمای آغاز عالم هستند.

خط زمانی نظریه بیگ بنگ

ما به صورت مستقیم نمی‌توانیم به فواصل دور کیهانی دسترسی داشته باشیم، و تنها از طریق نور دریافتی از اجرام و کهکشان‌های دوردست می‌توانیم درباره آن‌ها اطلاعات کسب کنیم. از آن‌جا که سرعت نور در خلاء مقداری مشخص و محدود است، هر چه به فواصل دورتری در کیهان نگاه کنیم و نور دریافتی از آن‌ها را بررسی کنیم، در واقع به زمان‌های قبل‌تری در کیهان نگاه می‌کنیم. یعنی مطالعه کهکشان‌های دورتر معادل نگاه کردن به زمان‌های گذشته‌تر در کیهان است. دانشمندان با نگاه کردن به فواصل دوتر و عقب رفتن در زمان از حالت فعلی کیهان به گذشته به این نظریه رسیدند که جهان باید از نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت و زمان محدود شروع به گسترش کرده باشد. طبق نظریه بیگ‌بنگ، بعد از انفجار اولیه، به تدریج جهان به اندازه کافی خنک شد تا به ذرات زیر اتمی اجازه شکل‌گیری دهد، و بعد از آن اتم‌های ساده پدیدار شدند. ابرهای غول پیکری از این عناصر اساسی بعداً توسط گرانش ادغام شدند تا ستاره‌ها و کهکشان‌ها را تشکیل دهند.

همه این اتفاقات تقریباً ۱۳.۸ میلیارد سال پیش شروع شد، و این زمان را به عنوان سن فعلی جهان در نظر می‌گیریم. از طریق آزمایشات متعدد فیزیک بنیادی، بطور مثال در شتاب‌دهنده‌های ذرات و فیزیک انرژی‌های بالا، و مطالعات نجومی که اعماق کیهان را مشاهده کرده‌اند، دانشمندان توانسته‌اند یک زمان‌خط از اغلب رویدادهایی که با بیگ‌بنگ آغاز و منتج به حالت فعلی تحول کیهانی شده‌اند را بسازند.

هرچند که نخستین لحظات پدیدار شدن کیهان- تقریبا از ^۴۳-۱۰ تا ^۱۱-۱۰ ثانیه پس از بیگ‌بنگ- تا حد زیادی حاصل حدس و گمان است. چرا که قوانین فیزیکی که ما در حال حاضر آن‌ها را می‌شناسیم نمی‌توانسته در آن زمان  وجود داشته باشد، بنابراین درک این‌که جهان چگونه اداره می‌شد سخت است. علاوه بر این، آزمایش‌هایی که بتوانند چنین انرژی‌هایی ایجاد کنند تاکنون انجام نشده‌اند. با این‌حال، نظریه‌های متعددی درباره آن‌چه که در این لحظات اولیه رخ داده است داریم که برخی از آن‌ها سازگارند.

تکینگی نخستین یا دوره پلانک در نظریه بیگ بنگ

این دوره یا حالت که همچنین با نام دوره‌ی پلانک نیز شناخته می‌شود، اولیه‌ترین دوره زمانی شناخته شده از کیهان است. در این زمان، تمام ماده در یک نقطه با چگالی بی‌نهایت و حرارت بسیار زیاد فشرده شده بود. باور کلی این است که در این دوره، اثرات کوانتومی گرانش بر فعل و انفعالات فیزیکی غالب بوده است و هیچ نیروی فیزیکی به اندازه گرانش شدت نداشته است.

دوره زمانی پلانک تقریبا از 0 تا ^۴۳-۱۰  ثانیه طول کشیده، و به همین دلیل دوره زمانی پلانک نامیده می‌شود چون فقط در زمان پلانک می‌توان آن را اندازه گرفت. به واسطه گرما و چگالی عظیم ماده، حالت کیهان به شدت ناپایدار بود. بنابراین شروع به گسترش و خنک شدن کرد، و منجر به پیدایش نیروهای بنیادین فیزیک شد.

تقریبا از ^۴۳-۱۰   تا  ^۳۶-۱۰، جهان شروع به گذار دمایی کرد. در این‌جاست که  نیروهای بنیادین حاکم بر جهان شروع به تفکیک شدن از یکدیگر کردند. در مرحله اول نیروی گرانش از نیروهای پیمانه‌ای که مسئول نیروهای هسته‌ای ضعیف و قوی و الکترومغناطیس شناخته می‌شوند جدا شد.

سپس در زمان ^۳۶-۱۰ تا ^۳۳-۱۰ بعد از بیگ‌بنگ، دمای جهان به اندازه کافی پایین آمد (۱۰^۲۸ کلوین) که نیروهای الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای ضعیف و قوی از هم جدا شوند.

دوره تورم کیهانی در نظریه بیگ‌بنگ

با پیدایش نیروهای بنیادین جهان، تورم کیهانی آغاز شد که از  حدود ^۳۳-۱۰ تا مدت نامعلومی ادامه داشت. اکثر مدل‌های کیهان‌شناسی پیشنهاد می‌دهند که جهان در این نقطه بطور همگنی با چگالی انرژی بالایی پر شده بود، و به دلیل دمای بالا و فشار زیاد شروع به گسترش و سرد شدن کرد. 

در دوره تورم کیهانی هر لحظه نسبت به لحظه قبل از مرتبه ۱۰^۲۶ بزرگتر می‌شد و دمای کیهان به سرعت کاهش می‌یافت. در پایان دوره تورم طی فرآیندی که به آن بازگرمایش (re-heating) گفته می‌شود، کیهان مجدد گرم شد و ذرات بنیادی از دل یک سوپ کیهانی به نام پلاسمای کوارک-گلوئون به تدریج شکل گرفتند. احتمالا ذرات ماده تاریک نیز در همین دوره پدیدار شده‌اند.

در لحظات نخستین کیهان، میزان خلق ذرات ماده و پاد-ماده یکسان بوده است و با برخورد مداوم به یکدیگر نابود شده و تبدیل به فوتون می‌شدند. اما به دلیل یک شکست تقارن (که هنوز دقیقا نمی‌دانیم) تعداد ذرات ماده به میزان کمی بر ذرات پاد-ماده فزونی یافت و ذرات پاد-ماده از بین رفتند و ماده در جهان غالب شد. به همین دلیل است که جهانی که اکنون ما در آن زندگی می‌کنیم از ماده تشکیل یافته است.

دوران سرد شدن کیهان

هم زمان با اینکه کیهان به کاهش دما و چگالی ادامه می‌داد، انرژی هر ذره شروع به کاهش کرد و تغییر فاز تا زمانی که نیروهای بنیادینِ فیزیک و ذرات بنیادی به حالت امروزی درآیند، ادامه یافت. از آن‌جا که انرژی ذرات به مقادیری کاهش یافت که می‌تواند توسط آزمایش‌های فیزیک ذرات به دست آید، از این دوره به بعد فیزیک ما کمتر وابسته به حدس و گمان است.

برای مثال، دانشمندان بر این باورند که حدود  ^۱۱-۱۰ ثانیه بعد از بیگ بنگ، انرژی ذرات بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافت. در ^۶-۱۰ ثانیه، کوارک‌ها و گلوئون‌ها به باریون‌هایی مثل پروتون و نوترون تبدیل شدند، و فزونی جزئی کوارک‌ها بر پاد-کوارک‌ها منجر به بیشتر شدن جزئی باریون‌ها بر پاد-باریون‌ها شد.

از آن‌جایی که دما آن‌قدر بالا نبود که جفت‌های جدیدی از پروتون و پاد-پروتون (یا نوترون و پاد-نوترون) تشکیل شود، و نابودی عظیمی فورا شروع شد و باعث شد که فقط یکی از ۱۰^۱۰ پروتون و نوترون اولیه بدون پاد ذراتشان باقی بماند. فرآیندی مشابه این اتفاق تقریباً یک ثانیه بعد از بیگ‌بنگ برای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها اتفاق افتاد. بعد از این نابودی‌ها الکترون، نوترون و پروتون‌های باقی‌مانده دیگر با سرعت‌های نسبیتی حرکت نمی‌کردند و چگالی انرژی جهان توسط فوتون‌ها و مقدار کمتری نوترینو هدایت می‌شد.

چند دقیقه پس از گسترش، دوره زمانی‌ای که بنام هسته‌زایی بیگ‌بنگ شناخته می‌شود آغاز شد. به لطف کاهش دما به یک میلیارد کلوین و کاهش تراکم انرژی به اندازه تراکم هوا، نوترون‌ها و پروتون‌ها شروع به ترکیب به شکل اولین دوتریوم جهان (ایزوتوپ پایدار هیدروژن) و اتم‌های هلیوم کردند. هرچند که بیشتر پروتون‌های جهان به شکل ترکیب نشده‌ای از هسته هیدروژن باقی ماند.

بعد از حدود ۳۷۹ هزار سال، الکترون‌ها با این هسته‌ها (بیشتر هیدروژن) ترکیب شدند و به شکل اتم درآمدند، هنگامی که تابش از ماده جدا شد و به گسترش در فضا بدون برهمکنش مؤثری ادامه داد. این تابش به عنوان تابش ریزموج پس‌زمینه کیهانی (CMB) شناخته می‌شود، که امروزه قدیمی‌ترین نور شناخته شده در جهان است.

هم‌زمان با این‌که تابش پس‌زمینه کیهانی گسترش می‌یافت، به تدریج تراکم و انرژی‌اش را از دست داد، و الان دمای آن ۰.۰۰۱۳ ±۲.۷۲۶۰ کلوین  (۲۷۰.۴۲۴- سلسیوس) و تراکم انرژی آن  0.25 الکترون ولت بر سانتی‌متر مکعب  (۴۰۰-۵۰۰ فوتون بر سانتی‌متر مکعب) می‌باشد. تابش CMB در تمام راستا‌ها در وسعتی به اندازه ۱۳.۸ میلیارد سال نوری دیده می‌شود، اما برآورد فاصله مکانی واقعی آن حدود ۴۶ میلیارد سال نوری از مرکز فرضی جهان است.

 

 

عصر تشکیل ساختار در نظریه بیگ‌بنگ

در طول دوره‌ای که چند میلیارد سال طول کشیده، مناطق کمی متراکم‌تر از توزیع نسبتا یکنواخت ماده در جهان، شروع به جذب گرانشی به سوی یکدیگر کردند. بنابراین آن‌ها بیشتر متراکم شدند، و ابرهای گازی، ستاره‌ها و کهکشان‌ها و دیگر ساختارهای نجومی که امروزه مشاهده می‌کنیم را تشکیل دادند.

این همان عصر ساختار است، زیرا در این دوره بود که جهان مدرن شروع به شکل گرفتن کرد. این دوران شامل ماده مرئی بود که در ساختارها با اندازه مختلف پخش می‌شد، با گستره‌ای از ستاره‌ها و سیاره‌ها تا کهکشان‌ها،خوشه‌های کهکشانی، ابر خوشه‌های کیهانی که توسط تهی‌جاهایی عظیم شامل فقط چند کهکشان از هم جدا می‌شوند.

جزئیات این فرایند بستگی به میزان و نوع ماده در جهان دارد، ماده تاریک سرد، ماده تاریک گرم، ماده تاریک داغ، و ماده باریونی چهار نوع پیشنهادی ماده‌اند. هرچند، مدل ΛCDM، که در آن ذرات ماده تاریک نسبت به سرعت نور بسیار کندتر حرکت می‌کنند، بعنوان مدل استاندارد کیهان‌شناسی بیگ‌بنگ در نظر گرفته می‌شود و با داده‌های امروزی تطابق دارد.

در این مدل تخمین زده می‌شود که، ماده تاریک سرد ۲۳ در صد از انرژی/ماده جهان باشد، در عین‌حال که ماده باریونی حدود 4.6 درصد است. مقدار باقی مانده از محتوای جهان را انرژی تاریک که با حرف Λ نمایش می‌دهیم تشکیل می‌دهد. لامبدا که اشاره به ثابت کیهانشناسی دارد، تئوری‌ای  است که توسط آلبرت اینشتین ارائه شد که تلاش می‌کرد تعادل بین جرم-انرژی را در جهان ایستا برقرار نماید. در این مورد، با انرژی تاریک مرتبط است، که باعث گسترش جهان و همگن نگه داشتن ساختار بزرگ-مقیاس آن شد.

آینده کیهان

این فرضیه که جهان یک نقطه شروع داشته طبعاً باعث بروز سؤال در رابطه با پایان آن نیز می‌شود. اگر جهان از یک نقطه با چگالی بی‌نهایت شروع به گسترش کرده است، به این معنا نیست که تا بی‌نهایت به گسترش ادامه می‌دهد؟ یا شاید روزی این نیروی گسترش دهنده تمام شود و جهان شروع به کوچک شدن کند تا زمانی که تمام ماده به اندازه یک توپ کوچک شود؟

پاسخ دادن به این سوالات یکی از مهم‌ترین موضوعات کیهان‌شناسان از زمانی که بحث راجع به اینکه کدام مدل پیشنهادی درست است، بود. با پذیرفتن نظریه بیگ‌بنگ، و مطالعه انرژی تاریک در سال‌های دهه ۱۹۹۰، کیهان‌شناسان به یک توافق بر روی دو سناریویی که بیشترین شانس را برای پایان جهان دارند رسیدند.

اولی،که به نام مه‌رمب (big crunch) مشهور است، در آن جهان به بیشترین حد از اندازه خود می‌رسد و سپس فرو می‌ریزد. این فقط زمانی اتفاق می‌افتد که چگالی (جرمی) جهان از چگالی بحرانی (چگالی آستانه) بیشتر باشد. به بیان دیگر تا زمانی که چگالی ماده بیشتر از مقدار مشخصی (1-3 × ^26-10 کیلو گرم بر متر مکعب) باشد جهان منقبض خواهد شد.

و درصورتی که چگالی برابر یا کمتر از چگالی بحرانی باشد، انبساط کاهش می‌یابد ولی متوقف نخواهد شد.

در سناریوی دیگر، اگر چگالی کیهان دقیقا برابر یا کمتر از چگالی آستانه (بحرانی) باشد، انبساط کند خواهد شد اما هرگز متوقف نخواهد شد. در این سناریو که با نام «انجماد بزرگ»  شناخته می‌شود، جهان بازهم به گسترش ادامه می‌دهد تا زمانی که تشکیل ستاره‌ای در نهایت بعلت مصرف گازهای میان‌ستاره‌ای در هر کهکشان متوقف شود. در این بین، تمام ستارگان موجود منفجر و تبدیل به کوتوله‌های سفید و ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها خواهند شد.

به تدریج، برخورد این سیاه‌چاله‌ها منجر به تشکیل سیاه‌چاله‌های بزرگ و بزرگ‌تری می‌شود. دمای میانگین جهان به صفر مطلق نزدیک می‌شود،و سیاه‌چاله‌ها بعد از انتشار آخرین تابش هاکینگ‌شان تبخیر می‌شوند. بالاخره، آنتروپی جهان به اندازه‌ای افزایش می‌یابد که هیچ نوعی از انرژی از آن استخراج نشود (که به نام  «مرگ گرمایی» شناخته می‌شود).

در مشاهده‌های امروزی که با در نظر گرفتن وجود انرژی تاریک و اثر آن بر انبساط کیهانی، منجر به این نتیجه‌گیری شده که بخش بیشتر و بیشتری از جهان مرئی کنونی از افق رویداد ما خارج خواهد شد (یعنی تابش CMB ، مرز چیزی است که می‌توانیم ببینیم) و برای ما نامرئی خواهد شد. نقطه‌ی نهایی این سناریو نامعلوم است اما مرگ گرمایی بعنوان یک رویداد نهایی احتمالی در نظر گرفته می‌شود.

بقیه توجیه‌های انرژی تاریک که به نام نظریه‌های انرژی فانتوم شناخته می‌شود پیشنهاد می‌کنند که در نهایت خوشه‌های کهکشانی، ستاره‌ها، سیاره‌ها، اتم‌ها، هسته‌ها و خود ماده نیز از هم جدا خواهند شد. این فرآیند که با نام مه‌گسست (big rip) شناخته می‌شود که گسترش جهان، باعث نابودی‌اش می‌شود.

تاریخچه‌ی نظریه بیگ‌بنگ

اولین نشانه‌ها از بیگ‌بنگ در اوایل قرن بیستم حین رصدهای عمیق از فضا اتفاق افتاد. در سال ۱۹۱۲، ستاره‌شناس آمریکایی بنام وستو اسلایفر مجموعه مشاهداتی از کهکشان‌های مارپیچی (که در آن زمان فکر می‌کردند ابرهایی هستند) با استفاده از اثر دوپلر انجام داد. تقریبا در همه آن‌ها، کهکشان‌های مارپیچی در حال دور شدن از کهکشان ما بودند.

در سال ۱۹۲۲، کیهان‌شناس روسی الکساندر فریدمان، معادلاتی را که امروزه به معادلات فریدمان مشهور هستند را از معادلات نسبیت عام اینشتین استخراج کرد. بر خلاف اینشتین که در آن زمان از ثابت کیهان‌شناسی و ایستا بودن جهان دفاع می‌کرد، تحقیقات فریدمان نشان داد که جهان احتمالا در حال انبساط است.

در سال ۱۹۲۴، اندازه‌گیری‌های ادوین هابل از فاصله‌های عظیم تا نزدیکترین سحابی‌های مارپیچی نشان داد که این سحابی‌های مارپیچی در واقع کهکشان‌های دیگر هستند. در همان زمان، هابل شروع به توسعه مجموعه‌ای از معیارهای فاصله‌سنجی با استفاده از تلسکوپ ۲.۵ متری هوکر در رصدخانه مونت ویلسون کرد. و در سال ۱۹۲۹، هابل یک همبستگی بین فاصله و سرعت دور شدن کهکشان که به نام قانون هابل شناخته می‌شود کشف کرد.

و سپس در سال ۱۹۲۷، ژرژ لومتر، یک فیزیک‌دان بلژیکی و کشیش کاتولیک، به تنهایی نتایجی مشابه فریدمان بدست آورد و نشان داد دور شدن کهکشان‌ها ناشی از یک انبساط کیهانی است. در سال ۱۹۳۱، فراتر رفت و مطرح کرد که انبساط فعلی کیهان بدین معناست که اگر در زمان به عقب برویم، جهان کوچک و کوچک‌تر خواهد شد. وی استدلال کرد که در نقطه‌ای خاص در گذشته تمام جرم جهان می‌توانست در یک نقطه متمرکز شده باشد، نقطه‌ای که بافت فضا و زمان از آن سرچشمه گرفته است.

این اکتشافات باعث بحث بین فیزیک‌دانان در طول سال‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ شد، که اکثریت طرفدار این بودند جهان در حالت پایا قرار دارد. در این مدل (جهان حالت پایا)، ماده جدید در حین گسترش جهان بطور مداوم ساخته می‌شود، در نتیجه باعث حفظ یکنواختی و تراکم ماده در طول زمان می‌شود.

نظریه‌های دیگری نیز در این زمان مورد حمایت قرار گرفتند مانند مدل میلنه و مدل جهانی نوسانی. هردوی این تئوری‌ها از روی نظریه نسبیت عام اینشتین ارائه شده بودند، و (دومی یعنی جهان نوسانی بعدا توسط خود اینشتین هم حمایت شد) مدعی بودند که جهان از چرخه‌های بی‌نهایت، یا نامعین، خود پایدار پیروی می‌کند.

پس از جنگ جهانی دوم، بحث بین طرفدارن نظریه حالت پایا و نظریه بیگ‌بنگ (که در حال رشد از نظر محبوبیت بود) شدت گرفت. از قضا، که فرد هویل، کیهان‌شناسی، عبارت بیگ‌بنگ (Big Bang) را در حین یک مصاحبه‌ با رادیو بی بی سی در مارچ  سال ۱۹۴۹ ابداع کرد.

در نهایت شواهد مشاهداتی به نفع بیگ‌بنگ شد. کشف و تایید تابش پس‌زمینه کیهانی در سال ۱۹۶۵،بیگ بنگ را به عنوان بهترین نظریه برای منشا تکامل جهان تایید کرد. از اواخر دهه ۶۰ تا ۱۹۹۰، ستاره‌شناسان و کیهان‌شناسان با حل کردن مشکلات نظری، تصویر بهتری از بیگ بنگ ارائه کردند.

که این‌ها شامل مقالات ارائه شده توسط استیون هاکینگ و دیگر فیزیک‌دانانی بود که نشان می‌داد تکینگی یک شرط اجتناب‌ناپذیر اولیه برای نسبیت عام و مدل بیگ ‌نگ است. در سال ۱۹۸۱ آلن گوث دوره‌ای از انبساط سریع کیهانی (همان دوره تورم) را نظریه‌پردازی کرد که باعث رفع ی کسری مشکلات تئوری شد.

در دهه ۱۹۹۰ نیز «انرژی تاریک» به عنوان تلاشی برای حل مسائل مهم کیهان‌شناسی مطرح گردید. علاوه بر ارائه توضیحی در مورد جرم گمشده جهان (همراه با ماده تاریک که ابتدا در ۱۹۳۲ توسط یان اورت مطرح شد)، همچنین جوابی برای این‌که چرا جهان هنوز در حال شتاب گرفتن است، و همچنین دیدگاهی برای مقدار ثابت کیهانی اینشتین ارائه داد .

پیشرفت قابل توجهی به لطف تلسکوپ‌ها، ماهواره‌ها، و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری بوجود آمده است که به کیهان‌شناسان و ستاره‌شناسان اجازه بیشتر دیدن جهان و درک بهتری از سن آن را داد. معرفی تلسکوپ‌های فضایی مانند کاوشگر زمینه کیهانی (COBE)، تلسکوپ فضایی هابل، کاوشگر WMAP، و رصدخانه پلانک بی‌اندازه ارزشمند بوده‌اند.

امروزه کیهان‌شناسان اندازه‌گیری‌های دقیقی از بسیاری از پارامترهای مدل بیگ‌بنگ و سن جهان دارند.

همه این‌ها با مشاهده‌ای از اجسام ستاره‌ای عظیم که سال‌های نوری با ما  فاصله دارند و به آرامی از ما دور می‌شوند آغاز شد. و در حالی‌که ما مطمئن نیستم که چگونه همه چیز پایان خواهد یافت، اما می‌دانیم در مقیاسی کیهان‌شناسی برای مدت طولانی اتفاق نخواهد افتاد.

چه شواهدی بیگ‌بنگ را تأیید می‌کنند؟

همان‌طور که ذکر شد در ۱۹۱۲ اولین بار وستو اسلایفر با اندازه‌گیری سرعت و راستای کهکشان‌های مارپیچی متوجه شد که کهکشان‌ها در حال دور شدن از ما هستند. و پس از آن ادوین هابل در ۱۹۲۴ با استفاده از ستارگان متغیر و اثر دوپلر فاصله و سرعت کهکشان‌های دیگر را اندازه گرفته و رابطه‌ای خطی بین سرعت و فاصله کهکشان‌ها کشف کرد. و دریافت که اغلب کهکشان‌ها در حال دور شدن از هم هستند و در واقع کیهان در حال انبساط است. پس اگر کهکشان‌های دوردست همگی در حال دور شدن از ما هستند پس باید در گذشته در نقطه‌ای کنار هم فشرده بوده باشند. این یعنی یک تکینگی نخستین وجود داشته است.

شاهد دیگر از فراوانی عناصر در کیهان می‌آید. در لحظات نخستین پس از بیگ‌بنگ تنها هیدروژن بود که در یک حجم کوچک با دما و فشاری بالا فشرده شده بود. کل کیهان مانند هسته‌ی یک ستاره عمل می‌کرد که هیدروژن را از طریق همجوشی هسته‌ای به هلیوم و دیگر عناصر تبدیل می‌کند. به این فرآیند «هسته‌زایی بیگ‌بنگ» گفته می‌شود. وقتی ستاره‌شناسان به جهان شناخته شده نگاه کردند و نسبت فراوانی عناصری مثل هیدروژن و هلیوم و دیگر عناصر سنگین‌تر را سنجیدند، دقیقا با آن‌چه که نظریه بیگ‌بنگ برای کل کیهان پیش‌بینی کرده بود منطبق بود.

شاهد رصدی دیگر از تابش ریزموج پس‌زمینه کیهانی (CMB) می‌آید. در دهه ۱۹۶۰ پنزیاس و ویلسون با استفاده از آنتن رادیویی ۶ متری تابشی در پس زمینه آسمان کشف کردند که در هر راستایی شدت تقریبا یکسانی داشت و همواره نیز وجود داشت. پیش از این رویداد، نظریه‌های کیهان‌شناسی وجود مقادیر عظیمی از تابش باقی مانده از بیگ‌بنگ را پیش‌بینی کرده بودند که این تابش پس از میلیاردها سال و انبساط کیهانی امروزه در طول موج ریزموج مشاهده می‌شود.

آخرین شاهد کشف شده در راستای تأیید نظریه بیگ‌بنگ از تشکیل ساختارهای کهکشانی می‌آید. حدود ۱۰۰۰۰ سال پس از بیگ‌بنگ، کیهان به حدی سرد شد که ماده تبدیل به جزء غالب در کیهان شد. این ماده در میلیون‌ها سال پس از بیگ‌بنگ به صورت اولین ستارگان و کهکشان‌ها تجمع یافته و ساختارهای بزرگ-مقیاس کنونی را تشکیل داد.

این‌ها ۴ ستون اصلی نظریه بیگ‌بنگ هستند. چهار شاهد مستقل که یکی از مؤثرترین نظریه‌ها در کیهان‌شناسی را می‌سازند. اما شواهد دیگری نیز وجود دارند. مانند افت‌وخیزهای تابش پس‌زمینه کیهانی، این‌که هیچ ستاره‌ای پیرتر از سن ۱۳.۸ میلیارد سال تاکنون ندیده‌ایم، و همچنین کشف ماده تاریک و انرژی تاریک نیز از جمله دیگر شواهد مؤید نظریه بیگ‌بنگ می‌باشند.

بیگ بنگ یک انفجار نبود

وقتی از بیگ‌بنگ (انفجار بزرگ) و انبساط صحبت به میان می‌آید، تصور نکردن یک انفجار کار سختی است. از آن‌جا که ما آن را “انفجار بزرگ” می‌نامیم به شکل اشتباهی آن را تصور می‌کنیم. کهکشان‌ها از یکدیگر دور می‌شوند به این دلیل که خود فضا در حال کشیده شدن است. شبیه به یک بادکنک که نقاط بر روی آن از هم دور می‌شوند چون فضایی که در آن قرار دارند در حال انبساط است. پس کهکشان‌ها مثل قطعات حاصل از یک انفجار مرکزی نیستند. در واقع هیچ مرکزی در مورد بیگ‌بنگ در کار نیست. جهان هیچ مرکزی ندارد. کیهان در همه راستاها به طور یکسان در حال انبساط است. هیچ راستای مرجحی وجود ندارد. (البته باید توجه داشت برخی حرکت‌های موضعی وجود دارد که ناشی از گرانش موضعی است. بطور مثال کهکشان اندرومدا در حال نزدیک شدن به راه شیری به واسطه گرانش راه شیری است.)

بیگ بنگ کجا اتفاق افتاد؟

وقتی یک ماده منفجره مثل دینامیت در جایی منفجر می‌شود، جرقه انفجار در یک مکان مشخص رخ می‌دهد و قطعات در یک فضا منتشر می‌شوند. اما در مورد بیگ‌بنگ، هیچ مرکز و هیچ فضای خالی پیشینی وجود ندارد، پس بیگ‌بنگ در یک «مکان» رخ نداده است. مکان خودش با بیگ‌بنگ آغاز شده و پیش از بیگ‌بنگ هیچ مکانی نبوده است و از بیگ بنگ است که مکان و فضا شروع به انبساط در همه راستاها کرده است.

چرا بیگ‌بنگ اتفاق افتاد؟

منشاء بیگ‌بنگ را می‌توان با فیزیک کوانتوم پاسخ داد، اما این بدان معنا نیست که شما این پاسخ را بپسندید.

بیگ‌بنگ لحظه‌ای است که مکان و زمان (یا مکان-زمان) بوجود آمد. پیش از بیگ‌بنگ هیچ مکان یا زمانی وجود نداشته است. پس در واقع پرسش از اینکه چه چیزی موجب بیگ‌بنگ شد بی معنا است. هیچ جهانی وجود نداشته که بتواند موجب بوجود آمدن چیزی شود.

به نظر نوعی فریبکاری می‌آید، اما دلایل دیگری نیز وجود دارد که فرض علت داشتن برای بیگ‌بنگ را رد می‌کند. فیزیک کوانتومی به ما نشان داده که برخی رویدادها هیچ علتی ندارند. برخی چیزها می‌توانند به صورت تصادفی، خود به خودی و بدون هیچ علت خاصی رخ دهند. این سرشت غیر قابل پیش‌بینی بودن و «بی علت» بودن جهان بطور تجربی نیز تأیید شده اما هیچ ارتباطی با ناتوانی ما در مشاهده درست ندارد- این یک ویژگی بنیادین جهان است. بنابراین، اگرچه ممکن است علتی برای بیگ‌بنگ وجود داشته باشد که ما از آن آگاه نیستیم، اما کیهان‌شناسی نوین علت برای بیگ‌بنگ را نه تعریف می‌کند و نه لازم می‌داند.

قبل از بیگ‌بنگ چه چیزی بوده است؟

این سؤال که پیش از پیدایش جهان چه چیز بوده است، در واقع به ۱۶۰۰ سال پیش از کیهان‌شناسی نوین باز می‌گردد. در قرن چهارم، فیلسوف دینی، آگوستین مقدس این سؤال را پرسید که پیش از این‌که خداوند جهان را بیافریند چه چیزی وجود داشت؟ نتیجه‌گیری آگوستین بر مبنای عبارت «در آغاز» در کتاب مقدس این بود که خداوند پیش از خلقت جهان هیچ چیزی نیافریده بود. به علاوه آگوستین استدلال می‌کرد که خداوند جهان را در لحظه‌ی مشخصی خلق نکرده است، بلکه زمان همراه با پیدایش جهان بوجود آمده است.

اما در قرن بیستم دو ستون اصلی فیزیک نوین یعنی نظریه نسبیت عام اینشتین و نظریه کوانتومی مبنای کیهان‌شناسی نوین را تشکیل دادند. نسبیت عام کیهان را در مقیاس‌های بزرگ به خوبی توصیف می‌کند و فیزیک کوانتومی دنیای ذرات زیراتمی و اجزای سازنده اتم را به زیبایی تصویر می‌کند. در تکینگی نخستین از آنجا که تراکم ماده بسیار زیاد بود و به بی‌نهایت میل می‌کرد باید از نسبیت عام استفاده کرد. از طرف دیگر ابعاد تکینگی بسیار کوچک بود پس پای مکانیک کوانتومی نیز به میان می‌آید. اما نسبیت عام یک نظریه موضعی است و در آن قطعیت وجود دارد در حالی که در مکانیک کوانتومی عدم قطعیت وجود دارد و مکان ذره را با دقت بی‌نهایت نمی‌توان تعیین کرد. در اینجا تناقضی بین مکانیک کوانتومی و نسبیت عام پدیدار می‌شود.

برای فهم چگونگی پدیدار شدن کیهان در لحظه صفر نیاز به توصیفی کوانتومی از گرانش داریم یک نظریه گرانش کوانتومی. یکی از نظریه‌های مدعی گرانش کوانتومی نظریه ریسمان است که در آن اجزای بنیادین سازنده جهان ریسمان‌های بسیار کوچکی در ابعاد پلانک هستند که در ۱۰ بعد فضا-زمانی ارتعاش می‌کنند.

اما در حال حاضر برخی ایده‌ها پیرامون آن‌چه که «پیش از بیگ‌بنگ» نامیده می‌شود وجود دارد. ما در ادامه به برخی از این ایده‌ها به اختصار می‌پردازیم.

بیگ‌بنگ یا واجهش بزرگ

یکی از بزرگترین نظریه پردازان فیزیک، سر راجر پنروز از دانشگاه آکسفورد، ایده‌ای را به صورت سلسله‌ای از کیهان‌های در حال تحول مطرح کرده است. طبق این ایده که به نام «کیهان‌شناسی چرخه‌های همدیس» شناخته می‌شود، بیگ‌بنگ در واقع یک «جهش» یک گذار از حالت قبلی است، که جهانی در حال رمبش و فروریزش به درون یک تکینگی، به صورت یک جهان منبسط شونده‌ی دیگر شبیه به جهان ما از آن پدیدار می‌شود. پنروز اخیرا ادعا کرده است که ممکن است شواهدی از جهان‌های پیش از جهان ما در تابش CMB در واقع وجود داشته باشد.

پنروز اولین شخصی نیست که استدلال می‌کند که بیگ‌بنگ آغاز نخستین زمان نبوده است و بلکه جهان‌هایی پیش از ما نیز وجود داشته است. در سال ۲۰۰۱ ، پائول اشتینهارت از دانشگاه پرینستون و نیل توراک از موسسه پریمتر در کانادا، بنیان مدل چرخه‌ای جهان را گذاشتند. مدل آن‌ها از دل چیزی به نام نظریه‌ی M که نسخه‌ای از نظریه ریسمان است بیرون آمده است. در مدل چرخه‌ای آن‌ها، جهان ما یکی از جهان‌های متعددی است که به موازات هم در محدوده‌ای به نام bulk در فضایی با ابعاد بالاتر غوطه‌ور هستند.

در مدل اشتینهارت و توراک از جهان چرخه‌ای، جهان‌ها بطور متناوب با یکدیگر برخورد می‌کنند و هر برخورد یک بیگ‌بنگ جدید را پدید می‌آورد. این در حالی است که مدل استاندارد بیگ‌بنگ تنها یک تکینگی در لحظه آفرینش را مطرح می‌کند. مدل پنروز پیشنهاد می‌کند که ما در «جهانی که تا ابد در حال ایجاد و باز ایجاد است» زندگی می‌کنیم.

آیا جهان ما درون یک سیاه‌چاله است؟

برخی از ایده‌ها حول چگونگی ایجاد خود تکینگی پیش از بیگ‌بنگ بحث می‌کنند. سیاه‌چاله‌ها به عنوان اجرامی که همه چیز را درون خود فشرده می‌کنند شناخته می‌شوند و این خاصیت فشردگی فوق‌العاده زیاد و وجود تکینگی در مرکزشان، آن‌ها را به عنوان یک گزینه برای تشکیل تکینگی بیگ‌بنگ پیشنهاد می‌دهد. در واقع ایده این است که جهان ما از دل تکینگی یک سیاه‌چاله در جهانی دیگر بوجود آمده که آن تکینگی در جهان ما به صورت یک سفیدچاله شناخته می‌شود. سفیدچاله موجوداتی فرضی هستند که معکوس سیاه‌چاله هستند. بطوری که از تکینگی یک سیاه‌چاله شما نمی‌توانید به هیچ‌وجه فرار کنید اما در سفیدچاله همه چیز رو به بیرون پرتاب می‌شود و شما نمی‌توانید وارد تکینگی آن شوید.

برخی از دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که جهان ما در واقع درون یک سیاه‌چاله است و درون هر سیاه‌چاله یک جهان جدید متولد می‌شود.

تورم کیهانی، چندجهانی، و زمان رو به عقب

اگر حق با اشتینهارت و توراک باشد، گیتی در زمان بسیار فراتر از آنچه در جهان فعلی می‌بینیم گسترش دارد. دیگر نظریه پردازان پیشنهاد کرده‌اند که گیتی بطور مشابه در مکان نیز گستردگی دارد، این‌که ما در یک چندجهانی زندگی می‌کنیم، در یک آرایه از جهان‌ها که جهان ما تنها یک بخش کوچک از یک واقعیت بسیار عظیم‌تر است (اگرچه اشتینهارت منتقد این ایده است). در هر دو صورت، بیگ‌بنگ مطمئنا آغاز نخستین جهان نیست.

یک استدلال مشابه از نظریه‌ی تورم می‌آید که به دهه ۱۹۸۰ باز می‌گردد. ایده‌ی اصلی این است که کیهان به صورت شدیدی در نخستین لحظات (کسری از یک ثانیه) از ابعاد یک پروتون تا ابعاد یک گریپ فروت گسترش یافت.

هیچ‌کس نمی‌داند که چه چیز موجب تورم شد. برخی فیزیکدانان از جمله آندره لینده از دانشگاه استنفورد معتقدند که هر چیزی که موجب این تورم کیهانی شده باشد این تورم نمی‌توانسته فقط یک بار رخ دهد بلکه بارها و بارها رخ داده است و منجر به تشکیل جهان‌های بسیار شده است. اگر این نظریه «تورم ابدی» درست باشد، کیهان بطور مداوم به خلق جهان‌های جدید ادامه می‌دهد مانند حباب‌هایی که در آب در حال جوش پدید می‌آیند.

اما یک نظریه گیج کننده دیگر در سال ۲۰۱۳ توسط فیزیکدان بریتانیایی جولیان باربور و تیم کوزولسکی از دانشگاه نیو برانسویک و فلاویو مرکاتی از مؤسسه پریمتر کانادا مطرح شد. این سه دانشمند یک شبیه‌سازی رایانه‌ای از مجموعه‌ای ساده از ذرات انجام دادند و رفتار و حرکت این ذرات در پاسخ به گرانش را طی زمان مورد بررسی قرار دادند. مدل رایانه‌ای آن‌ها به درستی چیزی شبیه به جهان در حال انبساط ما را توصیف کرد اما علاوه بر آن یک نوع از جهان آینه‌ای که در آن زمان در راستای مخالف جهان ما جریان دارد را نیز نشان داد. (آن‌ها خط جدا کننده‌ی این دو جهان را «نقطه‌ی ژانوس» که به نام خدای دو چهره‌ی رومی است نامیدند.)

باربور می‌گوید اگر این نظریه درست باشد، جهان دیگری در سمت دیگر بیگ‌بنگ وجود دارد که در آن راستای زمان خلاف چیزی است که ما در جهان خودمان تجربه می‌کنیم.

آیا اصلا پیش از بیگ‌بنگ معنا دارد؟

احتمال دیگر این است که زمان خودش در لحظه بیگ‌بنگ آغاز شده باشد. اگر این‌طور باشد، اصلا هیچ «پیش از» معنا ندارد و وجود نداشته است.

استیون هاکینگ که در سال ۲۰۱۸ درگذشت ایده‌های پیش از بیگ‌بنگ را با ایده‌ی «جنوب قطب جنوب» مقایسه می‌کند. هیچ چیز جنوب‌تر از نقطه قطب جنوب معنا ندارد. سطح کره صرفا به پایان می‌رسد. تصور این مسأله سخت است، و شاید هیچ زمانی پیش از بیگ بنگ وجود نداشته است.

انتقادات به نظریه بیگ‌بنگ چیست؟

یکی از انتقاداتی که به نظریه بیگ‌بنگ وارد می‌شود آن است که قانون اول ترمودینامیک را نقض می‌کند که طبق این قانون نمی‌توان ماده یا انرژی را خلق یا نابود کرد، پایستگی ماده و انرژی همواره برقرار است. این انتقاد ناظر به این است که نظریه بیگ بنگ دلالت بر آن دارد که جهان از هیچ آغاز شده است؛ پیش از این جهان هیچ چیز نبوده است. از سوی دیگر مدافعان نظریه بیگ بنگ می‌گویند که چنین انتقادی به دو دلیل وارد نیست. اول آن‌که بیگ بنگ درباره خلقت و آفرینش جهان چیزی نمی‌گوید، بلکه درباره تحول آن صحبت می‌کند. دلیل دیگر آن‌که از آن‌جا که وقتی به لحظه صفر آفرینش نزدیک می‌شوید قوانین علم دچار فروشکست می‌شوند، هیچ دلیلی نداریم که بپذیریم قانون اول ترمودینامیک در لحظه صفر برقرار بوده است.

خلاصه و نتیجه‌گیری

نظریه بیگ‌بنگ موفق‌ترین توصیف و تصویر ما از تحول و تکامل کیهان است. این نظریه درباره آفرینش جهان نیست بلکه سیر تحول کیهان از لحظاتی پس از تکینگی نخستین را بیان می‌دارد. این نظریه بر مبنای دو نظریه بزرگ فیزیک یعنی نسبیت عام و مکانیک کوانتومی بنا نهاده شده است. در این دیدگاه تحول کیهان از یک حالت چگال و داغ اولیه آغاز شده و پس از طی مراحلی از انبساط تورمی و کیهان تابش-غالب و ماده-غالب به دوران فعلی که در آن انرژی تاریک-غالب است می‌رسد.

کشف تابش پس‌زمینه کیهانی تأثیر بسیار مهمی در تأیید نظریه بیگ‌بنگ داشت و کیهان‌شناسی را وارد دوره «علم دقیق» کرد. همچنین تأیید فراوانی عناصر در ستارگان و ساختارها بر اساس پیش‌بینی نظریه بیگ‌بنگ نیز یک مهر تأیید دیگر بر این نظریه بود. همچنین کشف افت‌وخیزهای کوچک در تابش پس‌زمینه کیهانی نیز یک مدرک دیگر به نفع نظریه بیگ‌بنگ و مدل تورمی بود.

با وجود همه موفقیت‌ها و دستاوردهای بیگ‌بنگ، اما این نظریه چگونگی پدیدار شدن کیهان از لحظه صفر را توضیح نمی‌دهد. در واقع این سؤال تاکنون پاسخ روشنی نداشته است و کیهان‌شناسان در تلاشند تا توجیهی برای لحظه صفر آفرینش بیابند. این یک تلاش بی‌پایان است که نیازمند ادغام نظریه‌های بزرگ فیزیک یعنی نسبیت عام و فیزیک کوانتومی است. در واقع برای فهم لحظه صفر آفرینش نیازمند درک درستی از رفتار کوانتومی گرانش و داشتن نظریه گرانش کوانتومی هستیم.

سؤالات متداول پیرامون نظریه بیگ بنگ

به اشتراک بگذارید