ررنظریه بیگ‌بنگ: کیهان چگونه متولد شد؟

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.