درباره بیگ بنگ و نظریه تولد کیهان چه می‌دانید؟

«نظریه بیگ بنگ» محتمل‌ترین توضیح برای آغاز و پیدایش عالم ماست. هرچند نظریه‌های متفاوت دیگری (مانند جهان نوسانی) نیز تلاش دارند تا به چنین مسئله‌ای بنیادی و مهمی پاسخ دهند، اما در میان تمام این‌ها نظریه بیگ بنگ با ویژگی‌های خاص خود و همخوانی با داده‌های کیهانی توانسته دقیق‌ترین توصیف را برای شروع عالم ارائه دهد.

در این مقاله، نظریه بیگ‌ بنگ (انفجار بزرگ) را باهم مرور می‌کنیم و می‌بینیم چطور این نظریه قادر است آغاز عالم را برای ما شرح دهد.

 

نظریه بیگ بنگ

نظریه بیگ بنگ که آن را با نام «انفجار بزرگ» نیز می‌شناسیم، توضیحی برای چگونگی شروع عالم ماست. به بیان ساده‌تر، این نظریه عقیده دارد عالم ما از یک نقطه یکتای بی‌نهایت داغ آغاز شده است که در طی 13.8 میلیاد سال به کیهانی که هم‌اکنون می‌بینیم، تبدیل شده است.

این کیهان حالا در مرحله انبساط شتابدار است و به صورت پیوسته کِش می‌آید! («ادوین هابل» کسی بود که شتابدار بودن انبساط عالم را با بررسی سرعت دور شدن کهکشان‌های نزدیک کشف کرد. نکته اینجاست که هرچه کهکشان دورتر باشد، با سرعت بیشتری نیز از ما دور می‌شود.) پس اگر حالا همه چیز در حال دور شدن از هم است، زمانی در عالم وجود داشته که همه چیز بهم نزدیک بوده است.

نظریه بیگ بنگ بر دو فرض استوار است. اولین مورد این است که نظریه نسبیت عام «آلبرت اینشتین» به درستی تعامل گرانشی همه مواد را توصیف می‌کند. فرض دوم که «اصل کیهانشناسی» نامیده می‌شود، بیان می‌کند دیدگاه ناظر از جهان نه به جهت نگاهش بستگی دارد و نه به مکان او. این اصل در مقیاس‌های بزرگ عالم (فواصل بیشتر از صد مگاپارسک) صدق می‌کند. به عبارت دیگر، این اصل به همگن و همسانگرد بودن عالم در مقیاس‌های با فواصل بیشتر از صد مگاپارسک باور دارد.

نظریه بیگ بنگ عقیده دارد عالم ما هیچ مرزی و لبه‌ای ندارد، به‌طوری که منشا انفجار بزرگ (بیگ بنگ) نه در یک نقطه خاص از فضا، بلکه در سراسر فضا به صورت همزمان در یک لحظه رخ داده است. این دو فرض، محاسبه سن عالم را برای ما ممکن می‌سازد - اکنون می‌دانیم عالم ما 13.8 میلیارد سال سن دارد.

فناوری تلسکوپ‌های زمینی و فضایی هنوز آنقدر پیشرفت نکرده است که به اخترشناسان و کیهانشناسان اجازه دهد به معنای واقعی کلمه به تولد کیهان نگاهی بیندازند. بدین ترتیب، هرآنچه ما از ثانیه‌های اول شکل‌گیری عالم می‌دانیم ناشی از مدل‌های ریاضیاتی و فرمول‌بندی آن‌هاست.

این مدل‌ها با داده‌های قدیمی‌ترین نور موجود در کیهان مقایسه می‌شوند. این نور، همان «تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی» یا «Cosmic Microwave Background» - به اختصار CMB - است که سیصد و هشتاد هزار سال پس از بیگ بنگ، شکل گرفت و در عالم پراکنده شد.

کیهان متولد می‌شود!

حدود 13.8 میلیارد سال پیش، همه چیز در کل عالم در یک نقطه بی‌نهایت کوچک متراکم شده بود. دما و چگالی در این نقطه بی‌نهایت بود. عالم در این مرحله شباهتی با هیچ چیز که اکنون می‌شناسیم نداشت.

ناگهان یک انبساط انفجاری بزرگ آغاز شد و جهان ما را با سرعتی بیشتر از سرعت نور منبسط کرد - این انبساط که با خنک شدن همراه بود، «تورم کیهانی» یا «Cosmological Inflation» نام دارد. این رخداد تنها در چند میلیونیوم ثانیه ابتدایی شکل‌گیری عالم رخ داد و تنها کسری از ثانیه طول کشید تا پایان بپذیرد - این نظریه را «آلن گوث» فیزیکدان برجسته در سال 1980 مطرح کرده است.

البته پیش از آن، اخترشناسی به نام «ژرژ لماتر» در سال 1927 گفت: «جهان ما به عنوان یک نقطه شروع شده است. سپس کیهان کشیده شد و منبسط شد تا به اندازه‌ای کنونی برسد». این نظریه دیدگاه ما نسبت به بیگ بنگ را برای همیشه تغییر داد.

هنگامی که تورم کیهانی پایان یافت، عالم ما سرد، تاریک و خاموش بود. پس نیاز به اتفاقی احساس می‌شد که عالم را گرم کند تا شرایط برای بوجود آمدن ماده معمولی فراهم شود. دوره «بازگرمایش» یا «Reheating» آغاز شد و با گرم کردن مجدد عالم به بوجود آمدن ذرات بنیادی اولیه کمک کرد.

جالب اینجاست که تمام این اتفاقات تنها در چند ثانیه (حدودا سه ثانیه) اولیه شکل‌گیری عالم رخ داد. در این لحظات دمای عالم به‌طرز دیوانه‌واری گرم بود - حدود 5.5 میلیارد درجه سانتیگراد.

ذرات بنیادی مانند الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها عالم ما را پر کرده بودند - کیهانشناسان این ترکیب را «سوپ کیهانی» می‌نامند. این ذرات را می‌توان به عنوان مواد خامی در نظر گرفت که بلوک‌های اولیه ساختارهای کیهانی کنونی را شکل دادند. مشاهده این سوپ کیهانی (جمع‌آوری داده از آن) غیرممکن است زیرا هیچ نور مرئی از آن در عالم به جا نمانده است.

با گذشت زمان، دمای عالم کاهش یافت تا جایی که فوتون‌های تولید شده در واکنش‌های میان ذرات از قید الکترون‌ آزاد شده و در عالم پراکنده شوند. این همان تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی (CMB) است که در بالا به آن اشاره کردیم و سیصد و هشتاد هزار سال پس از بیگ بنگ عالم را بلاخره روشن کرد.

همینطور که عالم روشن و سرد می‌شد، ماده بر پادماده غلبه کرد (همانطور که اکنون نیز در عالم ماده بر پادماده غلبه دارد) ذرات به مرور زمان در کنار یکدیگر قرار گرفتند تا اولین اتم‌ها را (حدود یک میلیون سال بعد از بیگ بنگ) شکل دهند - نظریه بیگ بنگ باور دارد هیدروژن، هلیوم و لیتیوم اولین عناصر تولید شده در عالم بودند. به همین منوال، اولین ستاره‌ها، کهکشان و هر آنچه امروزه عالم ما را پر کرده است، بوجود آمد.

در این مقاله ستاره‌ها را به تفصیل مورد بحث قرار داده‌ایم.

تابش زمینه ریزموج کیهانی

CMB اولین بار توسط «رالف آلفر» و همکارانش در سال 1948 پیش‌بینی شد اما تقریبا 20 سال بعد به‌طور تصادفی کشف شد. این کشف تصادفی زمانی اتفاق افتاد که «آرنو پنزیاس» و «رابرت ویلسون» در آزمایشگاه‌های خود در «نیوجرسی» در سال 1965 مشغول ساخت یک گیرنده رادیویی بودند.

آن‌ها در آزمایشات خود اختلالاتی مشاهده کردند که در ابتدا گمان می‌شد در اثر لانه‌سازی کبوترها در مسیر آنتن بوجود آمده است. آن‌ها با رفع موارد احتمالی و انجام آزمایشات گوناگون دریافتند آنچه سیگنال‌هایش را دریافت می‌کنند - و سبب اختلال در اندازه‌گیری‌هایشان شده است - همان CMB است.

انبساط در مقابل انفجار در نظریه بیگ بنگ

ما بیگ بنگ را به معنای «انفجار بزرگ» می‌شناسیم. اما این یک توصیف گمراه کننده است. در یک انفجار، قطعات در نقطه مرکزی به بیرون پرتاب می‌شوند. این درحالی است که در نظریه بیگ بنگ عالم ما، فضای بیرونی در زمان شکل‌گیری عالم وجود نداشته است و همه چیز همان نقطه بوده است.

اگر عالم ما در لحظات اولیه دچار انفجار می‌شد و ما در نقطه مرکزی آن ایستاده بودیم، می‌دیدیم که همه چیز به بیرون رانده می‌شود.

اما بیگ بنگ (انفجار بزرگ) اینطور نیست. این خود گسترش فضا بود - مفهومی که در نسبیت عام معنا می‌یابد و تناظر کلاسیکی ندارد. این بدان معناست که تمام فواصل در جهان با سرعت یکسان در حال کشیده شدن هستند. پس این تعریفی است که برای انبساط اولیه عالم (تورم کیهانی) داریم.

انبساط مداوم عالم

حالا که با نظریه بیگ بنگ و مفهوم انبساط عالم آشنا شدیم، لازم است ذکر کنیم عالم ما هم‌اکنون نیز درحال انبساط است. اما این انبساط یک انبساط معمولی نیست، بلکه شتابدار است. این بدان معناست که با گذشت زمان، سرعت انبساط عالم به صورت پیوسته افزایش می‌یابد. در این حالت، همواره شاهد دور شدن کهکشان‌های دور هستیم.

پس اگر به اندازه کافی صبر کنیم، درنهایت یک کهکشان با سرعت نور از ما دور خواهد شد. بیاید به این جمله جور دیگری فکر کنیم. اگر کهکشانی با سرعت نور از ما دور شود چه معنایی دارد؟ این یعنی حتی نور نیز نمی‌تواند هیچوقت فاصله‌ای که میان ما و آن کهکشان در اثر دور شدنش ایجاد می‌شود، طی کند. فرازمینی‌های آن کهکشان هرچقدر برای ارتباط با ما سیگنال ارسال کنند، هیچگاه به ما نخواهد رسید.

شواهدی از عالم اولیه

با آنکه مشاهده عالم اولیه به صورت مستقیم امکان‌پذیر نیست، زیرا همانطور که گفتیم نوری از آن به ما نمی‌رسد، اما شواهدی وجود دارد که به کمک آن می‌توان به مطالعه عالم اولیه پرداخت. درحقیقت کیهانشناسان به کمک این شواهد، مدل‌های ریاضیاتی خود را می‌سنجند.

CMB و نظریه بیگ بنگ

همانطور که گفتیم، CMB قدیمی‌ترین نور باقی‌مانده در عالم است. کیهانشناسان به کمک داده‌هایی که CMB در اختیارشان قرار می‌دهد، قادر هستند صحت مدل‌های ریاضیاتی خود در توصیف عالم اولیه را بررسی کنند. اما این داده‌ها چطور جمع‌آوری می‌شوند؟

تاکنون ماهواره‌های متعددی با هدف مطالعه CMB و جمع‌آوری داده از آن به فضا پرتاب شده‌اند. ماهواره کاوشگر پس‌زمینه کیهانی (COBE) یکی از این‌هاست که در دهه 1990 از تابش پس‌زمینه کیهانی عالم نقشه‌برداری کرد.

پس از آن کاوشگر ناهمسانگردی ریزموج ویلکینسون ناسا (WMAP) و ماهواره پلانک آژانس فضایی اروپا نیز به مطالعه CMB پرداختند.

ماهواره پلانک که برای اولین بار مشاهدات خود را در سال 2013 منتشر کرد، نقشه CMB را با جزئیات منحصربه‌فردی ترسیم کرد و نشان داد کیهان 13.8 میلیارد سال سن دارد - پیش از این گمان می‌شد کیهان 13.7 میلیارد ساله است. علاوه بر آن، این نقشه جدید اسرار جدیدی را برملا کرد. مانند اینکه چرا نیمکره جنوبی کمی قرمزتر از نیمکره شمالی است - نظریه بیگ بنگ باور دارد CMB بدون توجه به اینکه به کجا نگاه می‌کنید، همدست و یکسان است.

چند جهانی

برخی از فیزیکدانان باور دارند کیهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم، یکی از چندین کیهان موجود در عالم است. این مدل که «چند جهانی» نام دارد، وجود جهان‌های مختلف مانند حباب در کنار یکدیگر را ممکن می‌داند.

بر طبق این نظریه، در دوره تورم کیهانی بخش‌های مختلف فضا-زمان با سرعت‌های متفاوتی منبسط شده‌اند و همین باعث شده تا جهان‌های متفاوت - با قوانین مختلف فیزیکی - ایجاد شوند (هنوز نمی‌دانیم آیا هرکدام از این عوالم نظریه بیگ بنگ مرتبط با خود را دارند یا خیر)

این ایده غیرممکن نیست اما شواهد قوی برای اثبات آن وجود ندارد.

جهان نوسانی

در میان نظریه‌های مختلفی که تلاش دارند تا عالم اولیه را توصیف کنند و به نوعی نظریه بیگ بنگ را کنار بزنند، نظریه‌ای با نام «نظریه جهان نوسانی» وجود دارد که باور دارد کیهان ما همواره در چرخه‌های منظم افزایش نرخ تورم و کاهش نرخ تورم بوده است و حالا ما در یکی از این دوره‌ها هستیم. در این صورت، عالم در مرحله بعدی خود وارد فاز کاهش تورم می‌شود و برای مدتی نیز در آن فاز ادامه می‌دهد.

این نظریه نیز طرفداران خود را دارد و برخی به دنبال شبیه‌سازی یا اثبات آن هستند.

شبیه‌سازی کیهان تازه متولد شده

از آنجایی که ما قادر نیستیم کیهان تازه متولد شده را ببینیم، دانشمندان به طرق مختلف در تلاش هستند تا آن را شبیه‌سازی کنند. به عنوان مثال، کیهانشناسان 400 نسخه از عالم کنونی را شبیه‌سازی و در یک ابرکامپیوتر اجرا کردند تا بتوانند لحظات اولیه کیهان را مشاهده کنند و مهر تاییدی بر نظریه بیگ بنگ بزنند. به گفته محققان این مطالعه، این کار همانند حدس زدن کودکی یک فرد از روی قدیمی‌ترین عکس‌هایش است.

در روشی دیگر، کیهانشناسان درتلاش هستند تا با درک نحوه تعامل نیروهای مختلف در جهان اولیه، آن را شبیه‌سازی کنند. در یک مطالعه که در سال 2020 انجام شد، محققان این کار را با بررسی تفاوت‌های موجود میان ماده و پادماده انجام دادند.

آن‌ها عقیده دارند عدم تعادل در مقدار ماده و پادماده در عالم به حضور ماده تاریک مرتبط می‌شود - ماده‌ای ناشناخته که تنها از طریق اثرات گرانشی در عالم می‌توان به وجود آن پی برد. این دسته از محققان باور دارند در لحظات اولیه پس از انفجار بزرگ عالم تحت تاثیر نیروی ضدماده قرار گرفته است.

در صورتی که این شبیه‌سازی‌ها بتوانند نتایجی منطقی را ارائه دهند، دانش ما از عالم اولیه ارتقا خواهد یافت و چه بسا نظریه بیگ بنگ تبدیل به یک اصل علمی شده و یا به‌طور رد شود و نظریه‌های دیگری جای آن را بگیرند.

کیهانشناسان چطور به مطالعه عالم اولیه می‌پردازند؟

تابش زمینه کیهانی که از سیصد و هشتاد هزار سال پس از بیگ بنگ به جای مانده است، یک منبع غنی از اطلاعات است که به ما اجازه می‌دهد عالم اولیه را مطالعه کنیم. تاکنون ماهواره‌های کاوشگر متعددی مانند COBE، WMAP و پلانک به مطالعه این تابش زمینه‌ای پرداخته‌اند تا به کمک داده‌هایی که از آن جمع‌آوری می‌شود، بتوانیم عالم اولیه را مطالعه کنیم.

درحقیقت کیهانشناسان مدل‌های ریاضیاتی خود که عالم اولیه را به صورت نظری توصیف می‌کند، با داده‌های CMB مقایسه می‌کنند تا از صحت آن‌ها اطمینان حاصل کنند.

کیهان چه دوره‌هایی را از ابتدا پشت سر گذاشته است؟

براساس نظریه بیگ بنگ، کیهان پس از تولد وارد فاز انبساطی به نام «تورم کیهانی» شده است. این دوره که سبب شد عالم ما گسترده شود، تنها چند میلیاردم ثانیه طول کشید. پس از آن عالم ما سرد و تاریک بود تا اینکه دوره «بازگرمایش» با گرم کردن مجدد کیهان، محیط را برای تولد ذرات بنیادی آماده کرد.

این دوره را «تابش غالب» می‌نامند. پس از آن ذرات در ترکیب با یکدیگر توانستند هسته‌های اتمی و مواد را پدید آورند. در این مرحله عالم وارد فاز «ماده غالب» شد.

در مرحله ماده غالب ستاره‌ها، کهکشان‌ها و ساختارهای کیهانی شکل گرفتند. اکنون عالم ما در مرحله «انبساط شتابدار» قرار دارد و با سرعت فزاینده‌ای درحال منبسط شدن است.

آیا چند جهانی اثبات شده است؟

نظریه چند جهانی که یکی از نظریه‌های توصیف کننده کیهان ماست، هنوز به اثبات نرسیده است. با این‌حال، طرفداران این نظریه باور دارند در مرحله تورم کیهانی قسمت‌های مختلف فضا-زمان با سرعت‌های متفاوتی منبسط شده‌اند و همین باعث شده تا چندین و چند جهان مختلف با قوانین فیزیکی متفاوت داشته باشیم./ دیجیاتو