بیگ بنگ چیست و چگونه رخ داده است؟ — تئوری بیگ بنگ به زبان ساده

بیگ بنگ یا انفجار بزرگ از نظر بسیاری از فیزیکدانان نقطه آغازین و شروع عالم بوده است. در این مطلب از مجله فرادرس سعی می‌کنیم به زبان ساده و علمی جنبه‌های مختلف این نظریه را بررسی کنیم. خواندن این مطلب به علاقه‌مندان به نجوم و کیهان شناسی توصیه می‌شود.

جهان چگونه آغاز شد؟

اکثر فیزیکدانان معتقدند که عالم 13/8 میلیارد سال پیش در اثر یک انفجار بزرگ یا بیگ بنگ متولد شده است. در این مدل قبل از این انفجار انرژی تشکیل دهنده همه اجسام و اجرام در کیهانی که امروز می‌بینیم، در داخل یک فضای کوچک غیر قابل تصور فشرده شده بوده است (بسیار ریزتر از یک دانه شن، یا حتی یک اتم). سپس این دیگ داغ، متراکم و غیرقابل تصور به هر دلیلی با سرعت زیاد منبسط و تبدیل به یک بالون شد.

در اولین ثانیه وجود جهان درک ما از آنچه اتفاق می‌افتد به طرز شگفت انگیزی خوب است. ما می‌دانیم که مفاهیم زمان، مکان و قوانین فیزیک خیلی سریع تحکیم شدند. از آنجا بود که رویداد پدیده‌ها از هرج و مرج و حرکات تصادفی بیرون آمد و اولین ذرات زیر اتمی مانند کوارک شکل گرفتند.

سپس ذرات بزرگتر مانند پروتون و نوترون شکل گرفتند و حدود سه دقیقه بعد جهان تا 1 میلیارد درجه سانتیگراد سرد شده بود. این امر باعث شد تا پروتون‌ها و نوترون‌ها از طریق همجوشی به هم برسند و هسته‌هایی را تشکیل دهند که هسته‌های اتم هستند.

اما بعد از 20 دقیقه جهان دیگر به اندازه کافی برای همجوشی گرم نبود و آنچه باقی مانده بود یک سوپ گرم و ابری از الکترون‌ها و هسته‌های هیدروژن و هلیوم بود. این مرحله حدود 380,000 سال به طول انجامید. سرانجام کیهان به اندازه کافی سرد شد تا الکترون‌ها با هسته‌ها جفت شوند و اولین اتم‌ها را بسازند. پس از آن صدها میلیون سال طول کشید تا اولین ستاره‌ها شکل بگیرند و تاریکی را روشن کنند و بالاخره به شکلی که امروز آن را می‌بینیم برسند.

جهان ما چگونه ایجاد شده است؟ چگونه این مکان ظاهراً نامحدودی که امروزه آن را می‌شناسیم به وجود آمده است؟ و در سال‌های آینده چه اتفاقی برای آن خواهد افتاد؟ این‌ها سوالاتی است که از همان ابتدا فیلسوفان و دانشمندان را درگیر کرده و منجر به پیدایش نظریه‌های بسیار بکر و جالب شده است. امروزه دانشمندان، ستاره شناسان و کیهان شناسان بر این موضوع اتفاق نظر دارند که جهان همانطور که می‌دانیم در یک انفجار عظیم یا بیگ بنگ ایجاد شده است که نه تنها سبب ایجاد ماده شده است بلکه قوانین فیزیکی حاکم بر کیهان در حال انبساط ما را پدید آورده است.

این تئوری که با نام نظریه بیگ بنگ یا بیگ بنگ شناخته می‌شود برای تقریباً یک قرن توسط محققان و دیگران مورد بحث و گفتگو بود. این موضوع زمانی که می‌توان امروزه میزان مقبولیت این نظریه را در جامعه دید عجیب نیست . اما سوالی که مطرح است این است که این اصطلاح دقیقاً به چه معنا است؟ جهان ما چگونه در یک انفجار عظیم تصور شده است، چه مدرکی در این مورد وجود دارد و این نظریه درباره طرح‌های طولانی مدت جهان ما چه می‌گوید؟

اصول این نظریه بسیار ساده است. به طور خلاصه، نظریه بیگ بنگ بیان می‌کند که همه مواد موجود و گذشته در جهان همزمان یعنی تقریبا از 13/8 میلیارد سال پیش وجود داشته است. در این زمان تمام مواد به صورت یک توپ بسیار کوچک با چگالی بی نهایت و گرمای شدید فشرده شده‌اند که تکینگی نامیده می‌شوند. در این نظریه ناگهان تکینگی گسترش یافته و جهان همانطور که می‌دانیم آغاز شده است.

در حالی که این تنها نظریه مدرن در مورد چگونگی به وجود آمدن جهان نیست و نظریه‌های دیگری مانند نظریه عالم در حالت ثابت یا نظریه جهان دارای نوسان نیز وجود دارد، این نظریه به طور گسترده پذیرفته شده و محبوب است.

نظریه بیگ بنگ نه تنها منشأ تمام مواد شناخته شده، قوانین فیزیک و ساختار مقیاس بزرگ جهان را توضیح می‌دهد بلکه گسترش جهان و طیف وسیعی از پدیده‌های دیگر را نیز به خود اختصاص می‌دهد.

جدول زمانی عالم به چه صورت است؟

دانشمندان با بررسی زمان‌های اولیه عالم و بازگشت به این دوران ابتدایی از وضعیت فعلی جهان، به این نتیجه رسیده‌اند که ماده باید در یک نقطه از چگالی بی نهایت و زمان محدود بوده باشد و سپس شروع به گسترش کرده است. پس از گسترش اولیه، این تئوری معتقد است که جهان به اندازه کافی سرد شده است تا اجازه تشکیل ذرات زیر اتمی و اتم‌های ساده بعدی را بدهد. ابرهای عظیم این عناصر اولیه بعداً از طریق نیروی جاذبه با هم ترکیب شده و ستاره‌ها و کهکشان‌ها را تشکیل داده‌اند.

همه این اتفاقات تقریباً 13/8 میلیارد سال پیش آغاز شده و بنابراین به عنوان سن عالم محسوب می‌شود. دانشمندان به وسیله بررسی اصول نظری، آزمایش‌های مربوط به شتاب دهنده‌های ذرات و حالات پرانرژی و مطالعات نجومی که اعماق جهان را مشاهده کرده‌اند یک جدول زمانی از حوادثی ساخته‌اند که با انفجار بزرگ یا بیگ بنگ آغاز شده و منجر به وضعیت فعلی تکامل کیهانی شده است.

با این حال اولین لحظه‌های آغاز عالم یعنی تقریباً از $$10^{-43}$$ تا $$10^{-11}$$ ثانیه پس از بیگ بنگ مورد شک و تردیدهای گسترده‌ای است. با توجه به اینکه قوانین فیزیک همانطور که می‌دانیم در این زمان نمی‌توانستند وجود داشته باشند درک اینکه چگونه جهان اداره می‌شود دشوار است.

علاوه بر این آزمایشاتی که می‌توانند انواع انرژی‌های موجود در عالم امروزی را بررسی کنند هنوز انجام و تائید نشده است. با این حال هنوز بسیاری از نظریه‌ها درباره آنچه در این لحظه‌های اولیه در عالم اتفاق افتاده مورد بحث است اما بسیاری از آن‌ها با هم سازگار هستند. در ادامه دوره‌های مختلف عالم بعد از بیگ بنگ را بررسی و معرفی می‌کنیم.

تکینگی عالم یا دوره پلانک چیست؟

این دوره که به عنوان عصر پلانک (یا دوره پلانک) نیز شناخته می‌شود، اولین دوره شناخته شده جهان است. در این زمان همه مواد در یک نقطه واحد از چگالی بی نهایت و گرمای شدید متراکم شده‌اند. اعتقاد بر این است که در این دوره اثرات کوانتومی گرانش بر فعل و انفعالات فیزیکی غالب است و هیچ نیروی فیزیکی دیگری با قدرت جاذبه برابر نیست.

این دوره زمانی پلانک از نقطه 0 تا تقریباً $$10^{-43}$$ ثانیه ادامه دارد و به این دلیل به این نام شناخته می‌شود که فقط در زمان پلانک قابل اندازه‌گیری است. به دلیل گرما و تراکم شدید ماده، وضعیت عالم در این دوره بسیار ناپایدار بوده است. بنابراین شروع به گسترش و خنک شدن کرده و منجر به تجلی و ظهور نیروهای بنیادی فیزیک شده است.

تقریباً از $$10^{-43}$$ تا $$10^{-36}$$ ثانیه جهان شروع به عبور از دمای انتقال می‌کند. در این بازه است که تصور می‌شود نیروهای بنیادی حاکم بر عالم شروع به جدا شدن از یکدیگر کرده‌اند. اولین جداسازی در این مورد نیروی جاذبه است که از نیروهای دیگر که نیروهای هسته‌ای قوی، ضعیف و الکترومغناطیس هستند جدا می‌شود.

سپس از $$10^{-36}$$ تا $$10^{-32}$$ ثانیه پس از انفجار بزرگ، دمای جهان به اندازه کافی پایین بوده است (یعنی 1028 درجه کلوین) که نیروهای الکترومغناطیسی (نیروی قوی) و نیروهای هسته‌ای ضعیف (برهمکنش ضعیف) توانایی جدا شدن از یکدیگر و تشکیل دو نیروی مجزا را داشته باشند.

دوره تورم عالم چیست؟

با ایجاد اولین نیروهای اساسی جهان دوره تورم آغاز شد و از $$10^{-32}$$ ثانیه در زمان پلانک تا یک نقطه نامعلوم ادامه داشت. بیشتر مدل‌های کیهانشناسی نشان می‌دهد که جهان در این مرحله به طور همگن با تراکم انرژی بالا پر شده است و درجه حرارت و فشار فوق العاده بالا باعث انبساط و خنک سازی یا کولینگ سریع می‌شود.

این دوره از ثانیه $$10^{-37}$$ آغاز شد، جایی که انتقال فاز که باعث جدایی نیروها شده بود به دوره‌ای منجر شد که جهان به صورت تصاعدی رشد کرد. همچنین در این برهه از زمان بود که«باریوژنز» (baryogenesis) رخ داد. باریوژنز به رویدادی فرضی اشاره دارد که در آن دما چنان بالا بوده است که حرکات تصادفی ذرات با سرعت نسبیتی رخ داده است.

در نتیجه دوره باریوژنز انواع مختلفی از جفت ماده و پاد ماده به طور مداوم در حال ایجاد و از بین رفتن هستند که گمان می‌رود منجر به غلبه ماده بر پاد ماده در جهان کنونی شده است. بعد از متوقف شدن دوره تورم جهان از یک پلاسمای کوارک-گلوئون و همچنین سایر ذرات بنیادی تشکیل شده است. بعد از این مرحله بود که جهان شروع به سرد شدن کرد و ماده به هم پیوست و شکل گرفت.

دوره سرد شدن یا کولینگ عالم چیست؟

همانطور که چگالی و دمای عالم کاهش می‌یابد انرژی هر ذره نیز شروع به کاهش می‌کند و انتقال فاز ادامه می‌یابد تا زمانی که نیروهای بنیادی فیزیک و ذرات بنیادی به شکل فعلی به وجود می‌آیند. از آنجا که در این دوره انرژی ذرات به مقادیری کاهش می‌یابد که می‌توان با آزمایش‌های فیزیک ذرات آن‌ها را مورد بررسی قرار داد، فرضیه‌ها و نظریه‌های احتمالی در مورد این دوره کمتر است و با قطعیت بیشتری می‌توان در مورد این دوره سخن گفت.

 

به عنوان مثال دانشمندان معتقدند که حدود $$10^{-11}$$ ثانیه پس از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ انرژی ذرات به طور قابل توجهی کاهش یافته است. در حدود $$10^{-6}$$ ثانیه کوارک‌ها و گلوئون‌ها با هم ترکیب شده و باریون‌هایی مانند پروتون و نوترون تشکیل داده‌اند و مقدار کمی کوارک بیش از آنتی کوارک منجر به وجود مقدار کمی باریون نسبت به آنتی باریون‌ها شده است.

از آنجایی که در این دوره دما به اندازه کافی بالا نبوده تا بتواند جفت‌های جدید پروتون-آنتی پروتون (یا جفت نوترون-آنتی نوترون) ایجاد کند، بلافاصله نابودی جرم صورت گرفته است و از هر $$10^{10}$$ پروتون و نوترون اولیه فقط یک پروتون و نوترون اولیه باقی مانده و هیچ یک از آنتی ذرات نیز باقی نمانده است. همچنین فرآیند مشابهی در حدود 1 ثانیه پس از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ برای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها نیز اتفاق افتاده است. پس از نابودی این ذرات، پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌های باقیمانده دیگر به صورت نسبیتی حرکت نمی‌کنند و چگالی انرژی عالم توسط فوتون‌ها و به میزان کمتری نوترینوها تحت سلطه قرار گرفت.

چند دقیقه پس از شروع انبساط، دوره معروف به نوکلئوسنتز بیگ بنگ نیز آغاز شد. به لطف کاهش دما تا 1 میلیارد درجه کلوین و کاهش تراکم انرژی به انرژی هوا، نوترون‌ها و پروتون‌ها شروع به ترکیب می‌کنند تا اولین دوتریم جهان (یک ایزوتوپ پایدار هیدروژن) و اتم‌های هلیم جهان را تشکیل دهند. با این حال بیشتر پروتون‌های عالم به عنوان هسته‌های هیدروژن بدون ترکیب باقی ماندند.

پس از حدود 379,000 سال، الکترون‌ها با این هسته‌ها ترکیب شده و اتم‌ها را تشکیل می‌دهند که باز هم بیشتر اتم‌ها هیدروژن هستند. این در حالی است که تشعشعات نیز از ماده جدا شده و تا حد زیادی بدون مانع در فضا گسترش می‌یابد. امروزه این تشعشع شناخته شده است و به نام تابش‌های پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) که امروزه قدیمی‌ترین نور در جهان است شناخته می‌شود.

با گسترش CMB، این تابش به تدریج چگالی و انرژی خود را از دست داد و در حال حاضر دما و چگالی انرژی آن به ترتیب $$2.7260 \pm 0.0013 \mathrm{~K}\left(-270.424^{\circ} \mathrm{C} /-454.763^{\circ} \mathrm{F}\right)$$ و $$0.25\left.\mathrm{eV} / \mathrm{cm}^{3} \text { (or } 4.005 \times 10^{-14} \mathrm{~J} / \mathrm{m}^{3} ; 400-500 \text { photons } / \mathrm{cm}^{3}\right)$$ تخمین زده می‌شود. این تابش پس زمینه کیهانی یا CMB را می‌توان در همه جهات و با فاصله تقریبی 13/8 میلیارد سال نوری مشاهده کرد، اما برآورد فاصله واقعی آن را در فاصله 46 میلیارد سال نوری از مرکز جهان قرار می‌دهد.

دوره ساختار عالم چیست؟

در طی چندین میلیارد سال پس از بیگ بنگ، مناطق کمی متراکم از ماده تقریباً یکنواخت توزیع شده در عالم شروع به جذب گرانشی یکدیگر کردند. بنابراین با افزایش چگالی در این مناطق ابرهای گازی، ستاره‌ها، کهکشان‌ها و دیگر ساختارهای نجومی که امروزه به طور منظم مشاهده می‌کنیم، تشکیل شد.

این دوره همان چیزی است که به عنوان دوره ساختاری عالم شناخته می‌شود، زیرا در این دوره بود که جهان مدرن شکل گرفت. این دوره شامل ماده مرئی توزیع شده در ساختارهایی با اندازه‌های مختلف از ستارگان و سیارات گرفته تا کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشان و خوشه‌های عظیم در جاهایی که ماده متمرکز شده، است. این اجرام توسط خلیج‌های عظیم که حاوی تعداد کمی کهکشان است از هم جدا شده‌اند.

جزئیات این فرآیند به میزان و نوع ماده موجود در جهان بستگی دارد. مواد موجود در عالم به چهار نوع ماده تاریک سرد، ماده تاریک گرم، ماده تاریک داغ و ماده باریونیک تقسیم شده‌اند. با این حال مدل ماده تاریک لامبدا سرد (Lambda-CDM) که در آن ذرات ماده تاریک به آرامی در مقایسه با سرعت نور حرکت می‌کنند، به عنوان بهترین مدل کیهان شناسی بیگ بنگ در نظر گرفته می‌شود زیرا به بهترین صورت داده‌های موجود را توضیح می‌دهد.

در این مدل، ماده تاریک سرد حدود $$0.23%$$ ماده-انرژی عالم را تشکیل می‌دهد در حالی که سهم ماده باریونیک حدود $$4.6%$$ است. لامبدا یا $$\Lambda$$ به ثابت كیهان شناختی اشاره دارد، ثابتی كه ابتدا و برای اولین بار توسط آلبرت انیشتین ارائه شد و تلاش كرد نشان دهد تعادل انرژی-جرم در جهان ثابت است. در این حالت، این ثابت را با انرژی تاریک مرتبط می‌دانند که باعث شتابدار شدن انبساط عالم و حفظ ساختار مقیاس بزرگ یکنواخت می‌شود.

پیش بینی‌های طولانی مدت برای بیگ بنگ

فرضیه اینکه جهان نقطه شروع دارد به طور طبیعی سوالاتی درباره یک نقطه پایان احتمالی ایجاد می‌کند. اگر جهان به عنوان یک نقطه کوچک از چگالی بی نهایت شروع به گسترش کند، آیا این بدان معناست که به طور نامحدود ادامه خواهد یافت؟ یا اینکه روزی نیروی انبساط آن تمام شده و شروع به عقب نشینی به سمت داخل می‌کند تا همه مواد دوباره به یک توپ کوچک تبدیل شوند؟

از زمان آغاز بحث در مورد مدل صحیح عالم و کیهان شناسی، پاسخ دادن به این سوال مورد توجه كیهان شناسان بوده است. با پذیرش نظریه بیگ بنگ و قبل از مشاهده انرژی تاریک در دهه 1990، کیهان شناسان در مورد دو سناریو به عنوان محتمل‌ترین نتایج برای عالم به توافق رسیده بودند.

در سناریوی اول که به عنوان سناریوی کرانچ بزرگ شناخته می‌شود جهان به حداکثر اندازه خود می‌رسد و سپس شروع به فروپاشی می‌کند. این تنها در صورتی امکان پذیر خواهد بود که چگالی جرم جهان از چگالی بحرانی بیشتر باشد. به عبارت دیگر تا زمانی که چگالی ماده در یک مقدار مشخص یا بالاتر از آن باقی بماند ($$1-3 \times 10^{-26}$$ کیلوگرم ماده در هر متر مکعب) جهان سرانجام منقبض می‌شود.

در حالت دیگر اگر چگالی در جهان برابر یا کمتر از چگالی بحرانی باشد انبساط کند می‌شود اما هرگز متوقف نمی‌شود. در این سناریو که معروف به یخ بزرگ است، جهان ادامه می‌یابد تا اینکه در نهایت با مصرف تمام گازهای بین ستاره‌ای در هر کهکشان تشکیل ستاره متوقف شود. در همین حال همه ستارگان موجود می‌سوزند و تبدیل به کوتوله‌های سفید، ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله می‌شوند.

به تدریج برخورد بین این سیاهچاله‌ها منجر به جمع شدن جرم در سیاهچاله‌های بزرگتر و بزرگتر می‌شود و دمای متوسط ​​جهان به صفر مطلق نزدیک می‌شود و سیاهچاله‌ها پس از انتشار آخرین تابش هاوکینگ خود تبخیر می‌شوند. سرانجام آنتروپی جهان تا حدی افزایش خواهد یافت که هیچ نوع شکل سازمان یافته‌ای از انرژی از آن استخراج نشود (سناریوهای معروف به مرگ گرما).

مشاهدات مدرن که شامل وجود انرژی تاریک و تأثیر آن بر انبساط کیهانی است به این نتیجه رسیده‌اند که بیشتر و بیشتر جهان قابل مشاهده فعلی از افق رویداد ما عبور کرده (یعنی CMB، لبه آنچه می‌توانیم ببینیم) و برای ما نامرئی می‌شود. نتیجه نهایی این سناریو در حال حاضر مشخص نیست اما مرگ گرما نیز در این سناریو به عنوان یک نقطه پایان احتمالی در نظر گرفته شده است.

سایر توضیحات مربوط به انرژی تاریک، به نام تئوری‌های انرژی فانتوم نشان می‌دهد که در نهایت خوشه‌های کهکشان، ستارگان، سیارات، اتم‌ها، هسته‌ها و ماده به دلیل گسترش روزافزون از هم پاشیده می‌شوند. این سناریو تحت عنوان ریپ بزرگ معروف است که در نهایت گسترش جهان سبب تمام شدن آن می‌شود.

تاریخچه نظریه بیگ بنگ

اولین نشانه‌های انفجار بزرگ یا بیگ بنگ در نتیجه مشاهدات در فضای عمیق انجام شده در اوایل قرن 20 رخ داده است. در سال 1912 منجم آمریکایی «وستو اسلیفر» (Vesto Slipher) مجموعه‌ای از مشاهدات کهکشان‌های مارپیچی (که تصور می‌شد سحابی هستند) را انجام داد و تغییر سرخ داپلر آن‌ها را اندازه‌گیری کرد. مشاهدات نشان داد که تقریباً در همه موارد کهکشان‌های مارپیچی در حال دور شدن از کهکشان ما بودند.

در سال 1922 الكساندر فریدمن، كیهان شناس روسی آنچه را كه به عنوان معادلات فریدمن شناخته می‌شود را توسعه داد كه در آن‌ها از معادلات نسبیت عام اینشتین استفاده کرده بود. بر خلاف اینکه در آن زمان اینشتین از یک ثابت کیهان شناسی طرفداری می‌کرد کارهای فریدمن نشان داد که جهان احتمالاً در حال انبساط است.

در سال 1924 اندازه‌گیری‌های ادوین هابل از فاصله زیاد تا نزدیکترین سحابی مارپیچی نشان داد که این سیستم‌ها در واقع کهکشان‌های دیگری هستند. در همان زمان هابل با استفاده از تلسکوپ هوکر 100 اینچی (2/5 متری) در رصدخانه مونت ویلسون شروع به توسعه مجموعه‌ای از شاخص‌های فاصله کرد و تا سال 1929 هابل همبستگی بین فاصله و کاهش سرعت را کشف کرد که اکنون به عنوان قانون هابل شناخته می شود.

در سال 1927 «ژرژ لمیتر» (Georges Lemaitre) فیزیکدان بلژیکی و کشیش کاتولیک روم، به طور مستقل همان نتایج معادلات فریدمن را بدست آورد و پیشنهاد کرد که کاهش سرعت استنباط شده کهکشان‌ها به دلیل گسترش و انبساط جهان است. در سال 1931 او مطالعات خود را بسط و گسترش داد و این پیشنهاد را مطرح کرد که گسترش فعلی جهان به این معنی است که عالم در گذشته کوچکتر بوده است در واقع در برهه‌ای از گذشته كل جرم جهان در یك نقطه واحد متمركز می‌شود و تار و پود فضا و زمان از آنجا سرچشمه می‌گیرد.

این اکتشافات بحثی را در طول دهه‌های 1920 و 30 بین فیزیکدانان ایجاد کرد و در آن زمان اکثریت طرفدار این نظریه بودند که جهان در یک وضعیت ثابت است. در این مدل ماده جدید به طور مداوم با انبساط جهان ایجاد می‌شود و بنابراین یکنواختی و چگالی ماده در طول زمان حفظ می‌شود. در میان این دانشمندان ایده انفجار بزرگ یا بیگ بنگ بیشتر مذهبی به نظر می‌رسید تا علمی و اتهامات مغرضانه‌ای بر اساس سوابق مذهبی لمیتر نسبت به او مطرح شد.

در این مدت نظریه‌های دیگری مانند مدل Milne و مدل عالم Oscillary نیز مطرح شد. هر کدام از این نظریه‌ها بر اساس نظریه نسبیت عام اینشتین بودند و معتقد بودند که جهان از چرخه‌های پایدار نامحدود یا نامشخص خود پیروی می‌کند.

پس از جنگ جهانی دوم این بحث بین طرفداران مدل عالم ثابت یا Steady State که توسط ستاره شناس «فرد هویل» (Fred Hoyle) رسمیت یافته بود و طرفداران نظریه بیگ بنگ که محبوبیت آن روز به روز بیشتر شد به انتها رسید و دلیلش این بود که از قضا هویل در هنگام پخش برنامه رادیویی از بی بی سی در مارس 1949 از عبارت انفجار بزرگ یا بیگ بنگ برای اولین بار استفاده کرد و در حقیقت این عبارت را ابداع کرد که به اعتقاد برخی از طرفدارانش باعث تنزل جایگاه او شد هر چند هویل همواره این موضوع را انکار می‌کرد.

سرانجام شواهد رصدی نیز به نفع بیگ بنگ نسبت به نظریه عالم ثابت به دست آمد. در حقیقت کشف و تأیید تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی در سال 1965 انفجار بزرگ را به عنوان بهترین نظریه مبدا و تکامل جهان تأمین کرد. از اواخر دهه 60 تا دهه 1990 ستاره شناسان و کیهانشناسان با حل مشکلات تئوری با استفاده از نظریه بیگ بنگ مقبولیت و صحت این نظریه را بیشتر تائید کردند.

شواهد و حل مشکلات تئوری با استفاده از نظریه بیگ بنگ که توسط مقالات استیون هاوکینگ و سایر فیزیکدانان ارائه شده بود، نشان می‌داد که تکینگی‌ها یک شرط اولیه نسبی عام و یک مدل بزرگ کیهان شناسی است. در سال 1981 «آلن گوت» (Alan Guth) فیزیکدان، نظریه‌ای را مطرح کرد که براساس آن یک دوره انبساط سریع کیهانی یا همان دوره تورم وجود داشت که سایر مشکلات نظری را حل می‌کرد.

در دهه 1990 ظهور و معرفی انرژی تاریک نیز تلاشی برای حل مسائل برجسته در کیهان شناسی بود. این نظریه علاوه بر ارائه توضیح در مورد جرم مفقود شده عالم به همراه ماده تاریک که در اصل توسط «ژان اورت» (Jan Oort) در سال 1932 ارائه شده بود، توضیحی در مورد دلیل شتاب گرفتن عالم و تحلیلی در مورد ثابت کیهان شناسی اینشتین ارائه داد.

به لطف پیشرفت در تلسکوپ‌ها، ماهواره‌ها و شبیه سازی‌های رایانه‌ای، ستاره شناسان و کیهان شناسان امکان دیدن بیشتر جهان و درک بهتری از سن واقعی آن را داشته‌اند و این موضوع سبب پیشرفت چشمگیری شده است. در این میان معرفی تلسکوپ‌های فضایی مانند کاوشگر پس زمینه کیهانی (COBE)، تلسکوپ فضایی هابل، کاوشگر ناهمسانگردی مایکروویو ویلکینسون (WMAP) و رصدخانه پلانک از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند.

امروزه کیهان شناسان اندازه گیری‌های نسبتاً دقیق بسیاری از پارامترهای مدل بیگ بنگ را انجام داده‌اند که یکی از این پارامترها سن عالم است. باید یادآوری کرد که منشاء تئوری بیگ بنگ با این بررسی آغاز شد که اجرام عظیم ستاره‌ای که سال‌های نوری از ما دور هستند به آرامی از ما دور می‌شوند و گرچه هنوز مطمئن نیستیم که همه چیز چگونه پایان می‌یابد اما می‌دانیم که در مقیاس کیهان شناسی این مدت طولانی نخواهد بود!

چه کسی بیگ بنگ را کشف کرد؟

ژرژ لمیتر کیهان شناس بلژیکی و کشیش کاتولیک اولین کسی بود که نظریه بیگ بنگ را مطرح کرد. این نظریه که امروزه تقریباً توسط همه منجمان پذیرفته شده است خروج اساسی از ارتدوکسی علمی در دهه 1930 بود. با این حال در آن زمان بسیاری از ستاره شناسان هنوز با این ایده که جهان در حال گسترش است راحت نبودند و این که کل جهان مشاهده شده کهکشان‌ها با یک انفجار آغاز شده است مزاحم به نظر می‌رسید. همچنین اصطلاح بیگ بنگ اولین بار توسط فرد هویل در یک برنامه رادیویی استفاده شد.

سن عالم چه قدر است؟

پس زمینه مایکروویو کیهانی یا CMB در بسیاری از ماموریت‌ها مشاهده شده است. یکی از مشهورترین مأموریت‌های فضایی با نام کشف و شناخت پس زمینه‌های کیهانی ناسا یا COBE بود که در دهه 1990 نقشه آسمان را ترسیم کرد.

چندین مأموریت دیگر نیز در مسیر COBE انجام شده‌اند که از میان آن‌ها می‌توان به ماموریت‌ BOOMERanG که شامل مشاهدات بالونی از تابش میلیمتری و خارج از کهکشانی و ژئوفیزیکی بود، ماموریت کاوشگر ناهمسانگردی مایکروویو ویلکینسون ناسا (WMAP) و  ماموریت ماهواره پلانک آژانس فضایی اروپا اشاره کرد.

مشاهدات ماهواره پلانک که برای اولین بار در سال 2013 منتشر شد با جزئیات بی‌سابقه‌ای پس زمینه کیهانی را ترسیم کرد و نشان داد که جهان نسبت به آنچه تصور می‌شود قدیمی‌تر است. در حقیقت این مشاهدات سن عالم را 13/82 میلیارد سال به جای 13/7 میلیارد سال تخمین زد. مأموریت‌های مربوط به مشاهدات پس زمینه کیهانی ادامه دارد و نقشه‌های جدید CMB به صورت دوره‌ای منتشر می‌شود.

این نقشه‌ها اسرار جدیدی را نیز به وجود می‌آورند از جمله اینکه چرا نیمکره جنوبی نسبت به نیمکره شمالی کمی قرمزتر (گرم‌تر) به نظر می‌رسد. با این حال نظریه بیگ بنگ می‌گوید که تابش پس زمینه کیهانی یا CMB در همه جا یکسان است و مهم نیست شما کجای عالم را نگاه می‌کنید.

بررسی CMB همچنین به منجمان سرنخی از ترکیبات عالم نیز می‌دهد. محققان تصور می‌كنند كه بیشتر كیهان از ماده و انرژی تشكیل شده است كه نمی‌توان آن‌ها را با ابزارهای متعارف حس كرد و این موضوع منجر به استفاده از نام‌هایی مانند ماده تاریک و انرژی تاریک می‌شود. بر این اساس فقط 5 درصد از جهان از مواد قابل مشاهده مانند سیارات، ستارگان و کهکشان‌ها تشکیل شده است.

صدای بیگ بنگ چگونه است؟

با توجه به تجزیه و تحلیل تابش باقی مانده از بیگ بنگ صدای انفجار بزرگ یا مه بانگ بیشتر شبیه به یک صدای وزوز کردن طولانی و عمیق بوده است.

فیزیکدان «جان کرامر» (John Cramer) از دانشگاه واشنگتن در سیاتل فایل‌های صوتی این رویداد را ایجاد و شبیه‌سازی کرده است که می‌تواند از طریق رایانه پخش شود. از نظر او این صدا بیشتر شبیه هواپیمای جت بزرگی است که در نیمه شب 30 متر بالاتر از خانه شما پرواز می‌کند.

امواج صوتی قوی و بلند از طریق ماده داغ سوزان که بلافاصله پس از انفجار بزرگ جهان را پر کرده منتشر می‌شوند. این مواد فشرده و کشیده شده مناطق کمپرس شده را گرم کرده و مناطق کم فشار و کم چگالی را سرد می‌کنند.

حتی اگر از آن زمان جهان در حال گسترش و خنک شدن باشد امواج صوتی اثر خود را به عنوان تغییرات دما پس از گلوله انفجار بزرگ که به اصطلاح به پس زمینه مایکروویو کیهانی مشهور است برجای گذاشته‌اند.

در ویدیوی بالا می‌توانید صدای بیگ بنگ را گوش دهید. این صدا که توسط جان کرامر شبیه سازی شده است تعداد سال‌های سپری شده از عمر زمین را نیز به همراه صدا نمایش می‌دهد.

نظرات جایگزین نظریه بیگ بنگ چه هستند؟

در این بخش نظریات جایگزین نظریه بیگ بنگ و دلایلی که دانشمندان بر اساس آن استنباط می‌کنند که بیگ بنگ رخ داده است را بررسی می‌کنیم.

عالم چیست؟

تقریباً 14 میلیارد سال پیش هیچ چیز و جایی وجود نداشت. در این زمان به دلیل یک نوسان تصادفی در یک خلاء کاملاً خالی، هستی منفجر شد و چیزی به اندازه ذره زیر اتمی در کسری از ثانیه به اندازه‌ای غیر قابل تصور بزرگ متورم شد که ذرات آن توسط انرژی خلاء فشار منفی از هم دور شدند. همان طور که گفتیم دانشمندان این نظریه را برای پیدایش جهان بیگ بنگ می‌نامند.

آنچه ما آن را جهان قابل مشاهده یا حجم هابل می‌نامیم ناحیه کروی است که قطر آن حدود 90 میلیارد سال نوری است و مرکز آن هر مشاهده‌گر مشخصی می‌تواند باشد. این تنها بخشی از جهان است که در طی 13/8 میلیارد سال از آغاز جهان نور وقت داشته تا به ناظر برسد. از آنجا که انبساط جهان در حال شتاب گرفتن است اجسام از حجم هابل زمین بیرون کشیده می‌شوند و در آینده برای انسان قابل شناسایی نیستند.

شعاع هابل بیش از 13/8 میلیارد سال نوری است زیرا گسترش فضا سریع‌تر از عبور نور باعث افزایش فاصله بین اجسام می‌شود.

چرا بیگ بنگ رخ داده است؟

ستاره‌شناسان بر اساس تئوری و مشاهده، سه فرض در مورد هستی ارائه می‌دهند:

• قوانین فیزیک جهانی هستند و با توجه به زمان یا مکان در فضا تغییر نمی‌کنند.
• جهان از هر جهت یکنواخت و یا تقریباً یکسان است (البته نه لزوماً برای همه زمان‌ها).
• انسان‌ها جهان را از مکانی خاص مانند مرکز آن مشاهده نمی‌کنند.

وقتی این فرضیات در معادلات آلبرت اینشتین اعمال می‌شوند نشان می‌دهد که جهان از این خصوصیات برخوردار است:

• عالم در حال انبساط است (چیزی که منجمان مشاهده می‌کنند این است که نور مناطق دور با گسترش فضای بین آن‌ها به سمت انتهای قرمز طیف منتقل می‌شود).
• جهان در گذشته و در برخی زمان‌های محدود از حالت داغ و متراکم به وجود آمده است.
• سبک‌ترین عناصر شناخته شده یعنی هیدروژن و هلیوم در اولین لحظات زمان ایجاد شده‌اند.
• پس زمینه‌ای از اشعه مایکروویو کل جهان را پر کرده است که نشانه‌ای از انتقال فاز است و هنگامی اتفاق می‌افتد که جهان داغ و اولیه به اندازه کافی برای تشکیل اتم‌ها سرد شود.

نظریات جایگزین نظریه بیگ بنگ چه می‌گویند؟

اگر هر یک از مفروضات اساسی ستاره شناسان که در بالا معرفی شدند اشتباه باشد نظریه بیگ بنگ خصوصیات این جهان را توضیح نمی‌دهد و این سوال به ذهن می‌رسد که آیا ممکن است هرگز انفجار بزرگ رخ نداده باشد؟

یکی از نظریه‌های جایگزین نظریه بیگ بنگ جهان حالت ثابت است. جهان حالت ثابت که رقیب اولیه تئوری بیگ بنگ است، ایجاد و تولید مداوم ماده در سراسر جهان را دلیلی برای گسترش ظاهری عالم می‌داند. این نوع جهان بی نهایت و بدون آغاز و پایان خواهد بود. با این حال کوهی از شواهد که از اواسط دهه 1960 پیدا شده نشان می‌دهد که این نظریه درست نیست.

گزینه دیگر نظریه تورم همیشگی است. پس از انفجار بزرگ جهان طی یک دوره کوتاه به نام تورم به سرعت گسترش یافت. نظریه تورم همیشگی معتقد است که تورم هرگز متوقف نشده و برای مدت زمان نامحدودی ادامه داشته است و در جایی حتی در حال حاضر نیز جهان‌های جدیدی در یک مجموعه وسیع به نام جهان‌های موازی یا مولتی ورس به وجود می‌آیند و بسیاری از این جهان‌ها می‌توانند قوانین فیزیکی مختلفی داشته باشند.

مدل نوسانی جهان شامل یک سری بی پایان از انفجارهای بزرگ است و به دنبال آن کرانچ‌های بزرگی که چرخه را دوباره و بدون وقفه شروع می‌کنند. مدل چرخه‌ای یا نوسانی مدرن شامل برخورد صفحه‌هایی با نام «برین» (branes) است که غشایی در حجم ابعاد بالاتر به نام بالک یا توده هستند.

پیامدهای یافت شده در گرانش کوانتوم و نظریه ریسمان به طرز ترسناک و عجیب عالمی را نشان می‌دهند که در واقعیت چیزی شبیه به آن چه مشاهده می‌کنیم نیست. بر اساس این نظریه‌ها به عنوان مثال عالم ممکن است در واقع یک هولوگرام مسطح باشد که روی سطح کره قرار گرفته است یا می‌تواند یک شبیه سازی کاملاً دیجیتالی باشد که در یک رایانه گسترده اجرا می‌شود.

قبل از بیگ بنگ چه بوده است؟

ممکن است که جهان قبل از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ انبوهی از ماده فوق العاده گرم و متراکم بوده باشد که در یک حالت ثابت باقی مانده تا اینکه به دلایلی انفجار بزرگ رخ داده است. بر اساس بررسی‌های انجام شده این جهان بسیار متراکم ممکن است توسط مکانیک کوانتوم که فیزیک در مقیاس بسیار کوچک است، اداره شده باشد. پس از آن انفجار بزرگ لحظه‌ای را نشان می‌دهد که فیزیک کلاسیک به عنوان محرک اصلی، تحول جهان را به عهده گرفته و قوانین کوانتومی تبدیل به مکانیک کلاسیک شده است.

برای استیون هاوکینگ به عنوان یک فیزیکدان این لحظه مهم بود، او می‌گفت قبل از انفجار بزرگ وقایع غیرقابل اندازه‌گیری و بنابراین تعریف نشده‌ بوده‌اند. هاوکینگ این حالت را عالم بدون مرز می‌خواند، از نظر او زمان و مکان محدود هستند اما هیچ مرز یا نقطه شروع یا پایانی ندارند. دقیقاً به همان صورت که سیاره زمین محدود است اما لبه ندارد.

 

هاوکینگ در مصاحبه‌ای در برنامه «استارتاک» (StarTalk) که از شبکه نشنال جئوگرافیک در سال 2018 پخش شد گفت: از آنجا که حوادث قبل از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ هیچ پیامد قابل مشاهده‌ای ندارند می‌توان آن‌ها را از تئوری و نظریه‌ها خارج کرد و گفت که زمان از بیگ بنگ آغاز شده است.

با این حال شاید قبل از بیگ بنگ چیز دیگری وجود داشته که قابل تأمل است. یک ایده دیگر این است که انفجار بزرگ یا بیگ بنگ نقطه شروع زمان نیست بلکه مقارن با لحظه تقارن عالم است. در این نظریه قبل از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ جهان دیگری وجود داشته که با این جهان یکسان بوده، اما آنتروپی یا بی نظمی در آن به جای اینکه به سمت آینده افزایش داشته باشد به سمت گذشته افزایش داشته است.

افزایش آنتروپی یا افزایش بی نظمی در یک سیستم اساساً جهت پیکان زمان است، بنابراین در این جهان آینه‌ای زمان بر خلاف جهت زمان در جهان مدرن جریان می‌یابد و جهان ما در گذشته خواهد بود. طرفداران این نظریه همچنین معتقدند که سایر خصوصیات جهان در این جهان آینه‌ای معکوس می‌شود. به عنوان مثال «دیوید اسلوان» (David Sloan) فیزیکدان، در وبلاگ علمی دانشگاه آکسفورد نوشته است که عدم تقارن مولکول‌ها و یون‌ها در جهان آینه‌ای در جهت مخالف آنچه در جهان ما قرار دارد خواهد بود.

یک نظریه مرتبط دیگر معتقد است که انفجار بزرگ آغاز همه چیز نبوده است بلکه لحظه‌ای از زمان بوده که جهان از یک دوره انقباض به یک دوره انبساط تبدیل شده است. این نظریه که با عنوان «بیگ بانس» (Big Bounce) شناخته می‌شود، نشان می‌دهد که با گسترش، انقباض و گسترش دوباره عالم می‌توان بیگ بنگ‌های بی‌نهایت داشت.

برخی فیزیکدانان معتقدند که مشکل این ایده‌ها و نظریه‌ها این است که هیچ توضیحی در مورد اینکه چرا و چگونه یک جهان در حال انبساط منقبض شده و به حالت آنتروپی پایین‌تر برمی‌گردد وجود ندارد.

«شان کارول» (Sean Carroll) و همکارش «جنیفر شن» (Jennifer Chen)، فیزیکدانان نظری در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا، بیگ بنگ را یک لحظه در زمان می‌دانند و اظهار می‌کنند این اتفاق یک نقطه در فضا و مکان نیست. این دو نظریات جالبی برای پیش از بیگ بنگ دارند، از نظر آن‌ها شاید جهان همانطور که می دانیم فرزند یک جهان مادر است که کمی از زمان و مکان آن جدا شده است.

بر اساس نظر کارول این فرضیه مانند یک هسته رادیواکتیو است که از خود تابش ساطع می‌کند. بر این اساس وقتی هسته از خود تابش ساطع می‌کند یک ذره آلفا یا بتا می‌پراکند. عالم والد نیز می‌تواند همین کار را انجام دهد و فقط به جای ذره، ممکن است بی نهایت عالم کودک پراکنده کند. بر اساس این نظریه این اتفاق ناشی از یک نوسان کوانتومی است که اجازه می‌دهد این رویداد رخ دهد. بر این اساس جهان‌های کودک، جهان‌هایی به معنای واقعی کلمه موازی هستند و با یکدیگر تعامل و برهمکنش ندارند.

با این همه هنوز دانشمندان راهی برای تصویر مجدد حتی در لحظه انفجار بزرگ را ندارند و طبیعی است که تصور و تصویر آن چه قبل از بیگ بنگ نیز رخ داده است آسان نیست و جای تحقیق و کار فراوان دارد.

مشاهده امواج گرانشی از برخورد قدرتمند کهکشان‌ها در سال 2015، این احتمال را به وجود آورد که بتوان از این امواج برای حل رمز و رازهای اساسی در مورد انبساط جهان در همان ثانیه‌های اول استفاده کرد. با این حال فیزیکدانان در این زمینه معتقدند که ساز و کار برخی نیروهای کوانتومی مانند گرانش کوانتومی باید با دقت بیشتری بررسی شوند. بر اساس صحبت‌های کارل ما در این مسئله تا زمانی که نظریه‌ای نداشته باشیم نمی‌دانیم که به دنبال چه چیز هستیم.

جمع بندی

در این مطلب از مجله فرادرس در مورد بیگ بنگ یا مه بانگ صحبت کردیم. طبق نظر فیزیکدانان و محققین بعد از بیگ بنگ دوره‌ها و بازه‌های زمانی متفاوتی رخ داده است تا عالم به شکل فعلی خود برسد. در این مطلب این دوره‌های زمانی را نیز معرفی کردیم. همچنین به بررسی آنچه پیش از بیگ بنگ بوده و تئوری‌های مختلف آن دوره نیز به صورت مختصر پرداختیم. در ادامه نظریات جایگزین بیگ بنگ و همچنین صدایی که برای بیگ بنگ در آزمایشگاه‌ها شبیه سازی شده را معرفی کردیم. تاریخچه پیدایش این نظریه از دیگر مواردی بود که در این مطلب مورد بررسی قرار گرفت.