نظریه بیگ بنگ چیست؟ تاریخچه آغاز جهان

بیگ بنگ چیست؟ جهان ما چگونه ایجاد شد؟ چگونه این دنیایی که امروز در آن قرار داریم، اینقدر نامتناهی شد؟ یا در اعصار آینده چه اتفاقی برای آن خواهد افتاد؟ اینها سوالاتی هستند که از دیرباز فیلسوفان و دانشمندان را متحیر نموده و منجر به ارائه نظریه‌های متعدد و گاهی جالبی شده است. اکنون دانشمندان، ستاره شناسان و کیهان شناسان بر این باورند که جهان ما در یک انفجار عظیم ایجاد شده است. در این انفجار نه تنها بخش زیادی از ماده به وجود آمد بلکه قوانین فیزیک حاکم بر کیهان نیز ایجاد شدند.

این نظریه با نام بیگ بنگ (Big Bang) یا مهبانگ شناخته می‌شود. این اصطلاح تقریباً یک قرن است که توسط دانشمندان و سایر افراد به طور یکسان مطرح شده است، اما معنی دقیق آن چیست؟ جهان ما چگونه در یک انفجار عظیم متولد شده است، چه اثباتی در این مورد وجود دارد و این نظریه درباره پیش‌بینی‌های طولانی مدت برای جهان چه می‌گوید؟

اصول نظری، نظریه بیگ بنگ کاملاً ساده است. به طور خلاصه، این نظریه بیان می‌کند که همه مواد موجود در گذشته و امروز جهان، تقریباً ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش به صورت همزمان به وجود آمدند. در این زمان تمام مواد جهان به صورت یک نقطه بسیار کوچک با چگالی بی‌نهایت و گرمای بسیار شدیدی بود که تکینگی (Singularity) نام دارد. تکینگی ناگهان شروع به گسترش کرده و جهان آغاز شد.

این تئوری، تنها نظریه مدرن درباره چگونگی به وجود آمدن جهان نیست. به عنوان مثال نظریه حالت ثابت (Steady State Theory) یا نظریه جهان نوسانی (Oscillating Universe Theory) نیز وجود دارد که در میان برخی از دانشمندان به طور گسترده‌ای مورد قبول هستند. این مدل نه تنها منشأ همه مواد شناخته شده، قوانین فیزیک و ساختار مقیاس بزرگ جهان را توضیح می‌دهد، بلکه گسترش جهان و طیف وسیعی از پدیده‌های دیگر را نیز در برمی‌گیرد.

تماشا کنید: فیلم شکل گیری جهان پس از بیگ بنگ

گاهشمار بیگ بنگ

دانشمندان این نظریه را مطرح کرده‌اند که منشأ همه چیز در یک نقطه با چگالی بی نهایت و زمان محدود بوده است که از آنجا شروع به گسترش کرد. این نظریه معتقد است که پس از گسترش اولیه، جهان به اندازه کافی سرد شد 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 دادند.

همه اینها تقریباً ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش آغاز شد، به همین علت سن جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال برآورد می‌شود. دانشمندان از طریق آزمایش اصول نظری، آزمایش‌های مربوط به شتاب دهنده‌های ذرات (مانند شتاب دهنده هادرون و سرن) و حالت‌های پرانرژی و مطالعات نجومی درباره اعماق جهان، یک جدول زمانی از وقایع ساخته‌اند که با بیگ بنگ آغاز شده و منجر به وضعیت تکاملی کنونی کیهان شده است.

با این حال، اولین زمان‌های جهان تقریباً از ^۴۳-۱۰ تا ^۱۱-۱۰ ثانیه پس از بیگ بنگ به طول انجامید، موردی که محل گمانه‌زنی‌های گسترده‌ای است. با توجه به اینکه قوانین فیزیک به گونه‌ای که امروز می‌شناسیم در این زمان نمی‌توانستند وجود داشته باشند، درک اینکه چگونه جهان اداره می‌شد دشوار است.

تکینگی

تکینگی  که با عنوان دوره پلانک (Planck Era) نیز شناخته می‌شود ، اولین دوره زمانی شناخته شده جهان است. در این زمان کل ماده در یک نقطه با چگالی بی‌نهایت و گرمای شدید متراکم بود. اعتقاد بر این است که در دوره پلانک اثرات کوانتومی گرانش بر فعل و انفعالات فیزیکی غالب بوده و سایر نیروی‌های فیزیکی توان برابری با قدرت جاذبه را نداشتند.

دوره زمانی پلانک از لحظه ۰ تا تقریباً ^۴۳-۱۰ ثانیه ادامه داشت، این زمان بسیار کوتاه فقط در زمان پلانک قابل اندازه گیری می‌باشد به همین علت به نام دوره پلانک نامگذاری شده است. به دلیل گرما و تراکم شدید ماده، وضعیت جهان بسیار ناپایدار بود. بنابراین شروع به گسترش و خنک شدن کرده و منجر به ظهور نیروهای بنیادی فیزیک شد.

تقریباً از ^۴۳-۱۰ ثانیه و ^۳۶-۱۰ جهان شروع به عبور از دمای انتقال می‌کند. در اینجا است که تصور می‌شود نیروهای بنیادی حاکم بر جهان شروع به جدا شدن از یکدیگر کرده‌اند. اولین قدم در این کار نیروی جاذبه بود که از نیروهای هسته‌ای قوی، ضعیف و الکترومغناطیس جدا شد.

سپس از لحظه ^۳۶-۱۰ تا ^۳۲-۱۰ ثانیه پس از مهبانگ دمای جهان ۱۰^۲۸ درجه کلوین بود، که برای جدا شدن نیروهای الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف مناسب بود، بنابراین این دو نیروی مجزا تشکیل شدند.

دوران تورم

با ایجاد اولین نیروهای بنیادی جهان، دوران تورم آغاز شده و از لحظه ^۳۲-۱۰ ثانیه تا یک نقطه نامعلوم ادامه داشت. بیشتر مدل‌های کیهان شناسی نشان می‌دهند که جهان در این مرحله به طور همگن با چگالی انرژی بالا پر شده که در آن درجه حرارت و فشار فوق العاده زیاد باعث انبساط و خنک سازی سریع می‌شود. این اتفاق در لحظه ^۳۷-۱۰ ثانیه شروع شد، زمانی که انتقال فاز باعث جدایی نیروها از هم شده و منجر به دوره‌ای شد که در آن جهان به صورت تصاعدی رشد ‌کرد. همچنین در این برهه از زمان بود که باریوژنز (Baryogenesis) رخ داد، باریوژنز یک رویداد فرضی است که در آن دمای جهان چنان بالا بود که حرکات تصادفی ذرات با سرعت نسبی رخ می‌داد.

در دوره باریوژنز به علت شدت گرما و تراکم زیاد، انواع جفت‌های ماده و ضد ماده به طور مداوم تولید و در برخوردها نابود می‌شدند، گمان می‌رود این دوره منجر به غلبه ماده بر ضد ماده در جهان کنونی شد. بعد از متوقف شدن تورم، جهان از یک پلاسمای کوارک-گلوئون و همچنین سایر ذرات بنیادی تشکیل شد. از این مرحله به بعد جهان شروع به سرد شدن کرد، که در آن ماده بهم پیوسته و شکل گرفت.

دوران سرد شدن

همانطور که تراکم و دمای جهان کاهش می‌یافت، انرژی هر ذره شروع به کاهش کرده و فاز انتقال ادامه داشت تا اینکه نیروهای بنیادی فیزیک و ذرات بنیادی به شکل امروزی تغییر پیدا کردند. به علت این که در این دوره انرژی ذرات به مقداری کاهش یافت که آنها را می‌توان با آزمایش‌های فیزیک ذرات بدست آورد، رخدادهای این دوره کمتر مورد تردید هستند.

به عنوان مثال دانشمندان معتقدند که حدود ^۱۱-۱۰ ثانیه پس از بیگ بنگ، انرژی ذرات به طور قابل توجهی کاهش یافته است. در حدود  ^۶-۱۰ ثانیه کوارک‌ها و گلوئون‌ها با هم ترکیب شده باریون‌هایی مانند پروتون و نوترون را تشکیل دادند، در اینجا زیاد بودن کوارک نسبت به ضدکوارک منجر به افزایش نسبت باریون‌ها به آنتی‌باریون‌ها ‌شد.

از آنجایی که درجه حرارت به اندازه کافی بالا نبود تا بتواند جفت‌های جدید پروتون-آنتی‌پروتون (یا جفت‌های نوترون-آنتی‌نوترون) ایجاد کند، بلافاصله نابودی جرم صورت گرفته و از هر ۱۰^۱۰ پروتون و نوترون فقط یک پروتون و نوترون اصلی باقی ماند. در حدود ۱ ثانیه پس از بیگ بنگ فرآیند مشابهی برای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها رخ داد. پس از این نابودی، پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌های باقیمانده دیگر به طور نسبی حرکت نمی‌کردند و فوتون‌ها (و به میزان کمتری نوترینوها) چگالی انرژی جهان را تحت سلطه خود قرار دادند.

چند دقیقه پس از انبساط، دوره‌ای معروف به نوکلئوسنتز بیگ بنگ (Big Bang Nucleosynthesis) آغاز شد. نوکلئوسنتز مرحله‌ای بود که در آن هسته اتم‌های پیچیده‌تر از هیدروژن تشکیل شدند. به لطف کاهش دما تا ۱ میلیارد کلوین و تراکم انرژی، نوترون‌ها و پروتون‌ها شروع به ترکیب شدن کرده و اولین دوتریم جهان (ایزوتوپ پایدار هیدروژن) و اتم‌های هلیوم جهان را تشکیل داند. با این حال عمده پروتون‌های جهان به صورت هسته‌های هیدروژن بدون ترکیب باقی ماندند.

پس از حدود ۳۷۹۰۰۰ سال، الکترون‌ها با این هسته‌ها ترکیب شده و اتم‌ها را تشکیل دادند (باز هم عمدتاً هیدروژن)، در این حین تشعشعات از ماده جدا شده و بدون هیچ مشکلی در فضا گسترش می‌یافتند. این تشعشع، همان تابش زمینه کیهانی (CMB) بوده و قدیمی‌ترین نور جهان است. با گسترش تابش زمینه کیهانی، جهان به تدریج چگالی و انرژی خود را از دست داد و دمای آن به ۲۷۰٫۴۲۴- درجه سانتیگراد رسید، میزان تراکم انرژی در این مرحله l۰٫۲۵ eV/cm³تخمین زده می‌شود.

دوره تشکیل ساختار

در طی چند میلیارد سال در مناطقی از جهان که در آنها تراکم ماده تقریباً به صورت یکنواخت توزیع شده بود، مواد با گرانش خود شروع به جذب همدیگر کردند. به این ترتیب آنها حتی بیشتر متراکم شده و ابرهای گازی، ستاره‌ها، کهکشان‌ها و سایر ساختارهای نجومی را که امروزه به طور منظم مشاهده می‌کنیم، تشکیل دادند. این همان چیزی است که با عنوان دوره تشکیل ساختار شناخته می‌شود، زیرا در این زمان بود که جهان امروزی شکل گرفت. این ماده از ماده مرئی توزیع شده در ساختارهای با اندازه‌های مختلف ستاره‌ها و سیارات تا کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشانی و ابر خوشه‌ها، تشکیل شده است.

جزئیات این فرآیند به مقدار و نوع ماده موجود در جهان بستگی دارد، ماده تاریک سرد، ماده تاریک گرم، ماده تاریک داغ و ماده باریونیک چهار نوع ماده هستند که کیهان شناسان پیشنهاد کرده‌اند. با این حال، مدل ماده تاریک سرد لامبدا (Lambda-Cold Dark Matter) یا لامبدا-سی‌دی‌ام (Lambda-CDM) که در آن ذرات ماده تاریک در مقایسه با سرعت نور به آرامی حرکت می‌کنند، به عنوان بهترین مدل کیهان شناسی مهبانگ در نظر گرفته می‌شود، زیرا با داده‌های موجود در تناسب است.

در این مدل تخمین زده می‌شود که ماده تاریک سرد حدود ۲۳٪ ماده/انرژی جهان را تشکیل داده است، در حالی که ماده باریونیک حدود ۴٫۶٪ جهان را تشکیل می‌دهد. لامبدا به ثابت کیهان شناختی اشاره دارد، نظریه‌ای که ابتدا توسط انیشتین ارائه شد. در این نظریه انیشتین تلاش کرد تا نشان دهد که تعادل جرم-انرژی در جهان ثابت است. در این حالت کیهان شناسان آن را با انرژی تاریک مرتبط می‌دانند که برای تسریع انبساط جهان و حفظ ساختار بزرگ مقیاس آن تا حد زیادی یکنواخت است.

بیشتر بخوانید: ماده تاریک چیست؟ بررسی تاریخچه و ماهیت آن

پیش‌بینی‌های طولانی مدت مهبانگ

این فرضیه که در آن جهان دارای یک نقطه شروع است، طبیعتاً سوالاتی درباره یک نقطه پایان احتمالی برمی‌انگیزد. اگر جهان به عنوان یک نقطه کوچک با تراکم بی‌نهایت شروع به گسترش کرده است، 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 نقطه کوچک تبدیل شوند؟

از زمان آغاز بحث در مورد مدل صحیح جهان، پاسخ این سوال همواره مورد مناظره کیهان شناسان بوده است. با پذیرش نظریه بیگ بنگ، تا دهه ۱۹۹۰ کیهان شناسان در مورد دو سناریوی احتمالی برای پایان جهان مطرح کرده بودند.

در سناریوی اول که با نام بیگ کرانچ (Big Crunch) شناخته می‌شود، جهان منبسط شده و به حداکثر اندازه خود می‌رسد، سپس شروع به انقباض و فروریزش در خود می‌کند. این سناریو تنها درصورتی امکان‌پذیر 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 (^۲۶-۱۰ × ۳-۱ کیلوگرم ماده در هر متر مکعب)، جهان در نهایت منقبض می‌شود.

اما اگر چگالی در جهان برابر یا کمتر از چگالی بحرانی باشد، انبساط کند می‌شود اما هرگز متوقف نمی‌شود. در این سناریو که به انجماد بزرگ (Big Freeze) معروف است، جهان همچنان به انبساط خود ادامه می‌دهد تا این که در نهایت با مصرف تمام گازهای میان‌ستاره‌ای کهکشان‌ها، تشکیل ستاره‌های جدید متوقف شود. در همین حال، با به پایان رسیدن سوخت ستاره‌ها‌، آنها به کوتوله‌های سفید، ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله تبدیل می‌شوند.

به تدریج با برخورد سیاهچاله‌ها به یکدیگر، جرم آنها در سیاهچاله‌های بزرگ و بزرگتر انباشته می‌شود. در این دوره دمای متوسط جهان به صفر مطلق نزدیک می‌شود و سیاهچاله‌ها پس از انتشار آخرین تابش هاوکینگ تبخیر می‌شوند. سرانجام آنتروپی جهان تا حدی افزایش می‌یابد که هیچ شکل سازمان یافته‌ای از انرژی از آن خارج نمی‌شود (این سناریو به مرگ گرما هم معروف است).

مشاهدات امروزی که شامل وجود انرژی تاریک و تأثیر آن بر انبساط کیهانی است، به این نتیجه رسیده‌اند که با ادامه رشد، بخش زیادی از جهان قابل مشاهده از افق رویداد ما عبور کرده (محدوده‌ای از جهان که ما توانایی مشاهده ‌آن را داریم) و برای ما نامرئی خواهد شد (آیا جهان لبه دارد؟ آیا انسان قادر به مشاهده آن خواهد بود؟). نتیجه نهایی این سناریو در حال حاضر مشخص نیست، اما مرگ گرما نیز در این نظریه به عنوان یک نقطه پایان احتمالی در نظر گرفته شده است.

سایر توضیحات مربوط به انرژی تاریک، به نام نظریه‌های انرژی فانتوم ، حاکی از آن است که در نهایت خوشه‌های کهکشانی، ستارگان، سیارات، اتم‌ها، هسته‌ها و ماده به دلیل انبساط روز افزون از هم پاشیده می‌شوند. این سناریو به گسستگی بزرگ (Big Rip) یا مه‌گسست معروف است، که در آن گسترش جهان در نهایت به خودی خود خنثی خواهد شد.

تماشا کنید: ۳ سناریوی احتمالی برای پایان جهان (فیلم)

تاریخچه نظریه بیگ بنگ 

اولین نشانه‌های بیگ بنگ در نتیجه مشاهدات انجام شده در اوایل قرن ۲۰ صورت گرفت. در سال ۱۹۱۲ ستاره شناس آمریکایی وستو اسلیفر (Vesto Slipher) مجموعه‌ای از مشاهدات درباره کهکشانهای مارپیچی انجام داده و انتقال به سرخ دوپلر آنها را اندازه گیری کرد. تقریباً در همه موارد، کهکشانهای مارپیچی در حال دور شدن از کهکشان راه شیری بودند.

در سال ۱۹۲۲ کیهان شناس روسی الکساندر فریدمن (Alexander Friedmann)، با استفاده از معادلات نظریه نسبیت عام اینشتین معادلات فریدمن را بسط داد. برخلاف ثابت کیهان شناسی انیشتین، کارهای فریدمن نشان داد که جهان احتمالاً در حالت انبساط است.

در سال ۱۹۲۴ اندازه گیری ادوین هابل (Edwin Hubble) با اندازه گیری نزدیکترین سحابی مارپیچی نشان داد که این سیستم‌ها در واقع کهکشان‌های دیگری هستند. هابل با استفاده از تلسکوپ ۲٫۵ متری هوکر (Hooker telescope) یک سری از نشان دهنده‌های فاصله را توسعه داد. او در سال ۱۹۲۹ همبستگی بین فاصله دور شدن یک کهکشان و سرعت دور شدن آن را کشف کرد که اکنون به عنوان قانون هابل شناخته می‌شود. قانون هابل فرض می‌کند که جهان با یک سرعت ثابت که در تمام زمان‌ها یکسان می‌باشد، در حال گسترش است.

سپس در سال ۱۹۲۷ ژرژ لومتر (Georges Lemaitre) کشیش و فیزیکدان بلژیکی، به طور مستقل همان نتایج معادلات فریدمن را بدست آورده و به این نتیجه رسید که دور شدن کهکشان‌ها به دلیل گسترش جهان است. وی در سال ۱۹۳۱ پا را فراتر گذاشته و این پیشنهاد را مطرح کرد که گسترش فعلی جهان به این معنی است که جهان با برگشتن به گذشته، کوچکتر خواهد شد. لومتر اظهار کرد که در برهه‌ای از گذشته، کل جرم جهان در یک نقطه واحد متمرکز بود که تار و پود فضا و زمان از همانجا نشات گرفته است.

این اکتشافات در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ بحث‌های زیادی را در میان فیزیکدان‌ها برانگیخت زیرا در آن زمان اکثریت دانشمندان طرفدار این بودند که جهان در یک وضعیت ثابت قرار دارد. در این مدل، ماده جدید به طور مداوم با انبساط جهان ایجاد می‌شود، بنابراین یکنواختی و چگالی ماده در طول زمان حفظ می‌شود. در میان دانشمندان ایده بیگ بنگ بیشتر مذهبی به نظر می‌رسید تا علمی، از اینرو براساس سوابق لومتر اتهامات مغرضانه‌ای به او نسبت داده شد.

علاوه بر نظریه مهبانگ، نظریه‌های دیگری مانند مدل میلن (Milne model) و مدل جهان نوسانی (Oscillary Universe) نیز ارائه شده است. این دو نظریه براساس نظریه نسبیت عام بنا شده و معتقدند که جهان از چرخه‌های محدود یا نامحدود پایدار پیروی می‌کند.

پس از جنگ جهانی دوم درباره این نظریه‌ها در بین طرفداران نظریه حالت پایدار (Steady State) که توسط کیهان شناس فرد هویل مطرح شده بود، و طرفداران نظریه بیگ بنگ بحث‌های زیادی صورت گرفت. از قضا، این هویل بود که برای اولین بار در یک مصاحبه با رادیو بی بی سی در مارس ۱۹۴۹ عبارت “بیگ بنگ” را ابداع کرد. البته عده‌ای از دانشمندان اعتقاد داشتند که هویل برای تحقیر از این عبارت استفاده کرده است اما او این مسئله را انکار کرد.

سرانجام مشاهدات دانشمندان نظریه بیگ بنگ را تقویت نموده و نظریه حالت پایدار به دلیل منطبق نبودن با قوانین فیزیک رد شد. کشف و تأیید تابش زمینه کیهانی، بیگ بنگ را به عنوان بهترین نظریه مبدا و تکامل جهان تأیید کرد. از اواخر دهه ۱۹۶۰ تا دهه ۱۹۹۰، ستاره شناسان و کیهان شناس با حل مشکلات نظری بیگ بنگ، آن را توسعه داده‌اند. نظریاتی که توسط استیون هاوکینگ و سایر فیزیکدانان ارائه شده بود نشان داد که تکینگی شرط اولیه اجتناب ناپذیر نسبیت عام و یک مدل کیهان شناسی برای بیگ بنگ است. در سال ۱۹۸۱ آلن گوت (Alan Guth) این نظریه را مطرح کرد که یک دوره انبساط سریع کیهانی، مشکلات نظری بیگ بنگ را حل می‌کند.

از دهه ۱۹۹۰ ظهور نظریه انرژی و ماده تاریک تلاشی برای حل مسائل برجسته کیهان شناسی بود. این نظریه علاوه بر ارائه توضیح در مورد جرم مفقود شده جهان، به مسئله شتاب گرفتن کیهان نیز پرداخته است.

امروزه به لطف پیشرفت تلسکوپ‌ها، ماهواره‌ها و شبیه سازی‌های کامپیوتری ستاره شناسان و کیهان شناسان امکان دیدن بخش‌های بیشتری از جهان را داشته و درک بهتری از سن واقعی کیهان (۱۳٫۸ میلیارد سال) به دست آورده‌اند. تلسکوپ‌های فضایی مانند کاوشگر پس زمینه کیهانی (COBE)، تلسکوپ فضایی هابل، کاوشگر ناهمسان‌ گرد ریزموجی ویلکینسون (WMAP) و رصدخانه پلانک نیز از ارزش بی نظیری برای دانشمندان برخوردار هستند.

امروزه کیهان شناسان اندازه گیری‌های نسبتاً صحیح و بسیار دقیقی از پارامترهای مدل مهبانگ انجام داده‌اند. همه این موارد با این مشاهدات که اجرام عظیم ستاره‌ای با فواصل بسیار دور به آرامی از ما دور می‌شوند، آغاز شد. با وجود این که هنوز مطمئن نیستیم که جهان چگونه به پایان خواهد رسید، اما می‌دانیم که در مقیاس کیهان شناسی تا آن موقع زمان بسیار بسیار طولانی باقی مانده است!

.

بیشتر بخوانید: دنیا چگونه به پایان می‌رسد؟