بیگ بنگ چیست؟

بيگ بنگ/ ر طول پنج قرن گذشته از قدرت مشاهدات و آزمايش‌ و استدلال‌هاي رياضي استفاده کرده‌ايم تا سد باورهاي اشتباه گذشته را بشکنيم. نوع بشر راهي طولاني و پر فراز و نشيب را در تغيير درک خود از عالم، پشت سر گذاشته است. از عالمي که زمين کوچک مرکز آن بود تا کيهان وسيعي که صدها ميليارد کهکشان چون ذرات گرد و غبار در آن پراکنده‌اند. سر آغاز اين هستي به وسيله نظريه بيگ بنگ شرح داده شده است. اين نظريه يک مدل کيهان شناسي است که تاکنون از ديدگاه آزمايشات و رصدهاي نجومي توانسته است بيشترين تائيدات را از سوي جامعه علمي بين المللي به دست آورد. کيهان شناسان با اصطلاح بيگ بنگ به شرح و تفسير اين ايده مي پردازند که جهان از يک حالت نخستين بي نهايت گرم تشکيل شده و تمام کائنات در يک هسته اتم ياحتي کوچکتر از آن جاي داشت و در يک لحظه اين فضا و زمان آغاز مي شود يعني اينکه يک انفجار بزرگ ( بيگ بنگ ) که حاصل گرانش شديد ناشي از فشردگي بوده، شروع شد. بطور کلي امروزه چنين پذيرفته مي شود که فضا، زمان، ماده، انرژي و قوانين طبيعت جملگي با بيگ بنگ پا به عرصه وجود گذاشته اند. شاهد و دليل وجود بيگ بنگ، قانون مشاهده شده هابل است. ادوين هابل (Edwin Hubble) در سال ۱۹۲۹ از طريق مشاهدات خود و بررسي روي انتقال به سرخ ۲۴ کهکشان و مقايسهٔ آنها با يکديگر به اين نتيجه رسيد که کهکشان‌هاي دورتر با سرعت بيشتري در حال دور شدن هستند، همانطوري که معادلات اينشتين پيش بيني کرده بودند. دانشمندان به اين فکر افتادند که اگر جهان در حال انبساط باشد، پس احتمالا آغازي دارد. اگر اين کهکشان ها در گذشته هاي دور، به زمين خيلي نزديک تر بودند. اگر حرکت کهکشان ها در زمان گذشته را در ذهن خود مسيريابي کنيم ، نه تنها به زماني مي رسيم که جهان آغاز شده، بلکه به اين مفهوم مي رسيم که کليه کهکشان ها بايد از يک حجم کوچکي شروع به حرکت کرده باشند. ثابت هابل ( H ) که يکي از مهمترين ثابت ها در علم کيهان شناسي محسوب مي شود، نشان مي دهد که جهان با چه سرعتي در حال انبساط است. به عنوان مثال، نوار ويدئويي ضبط شده از يک انفجار را در نظر بگيريد. در ويدئوي ضبط شده، ذرات ناشي از انفجار را در حال دور شدن از مرکز انفجار مي بينيم. به اين ترتيب مي توانيم سرعت دور شدن ذرات را از مرکز انفجار محاسبه کنيم. ولي از طرف ديگر همچنين مي توانيم ويدئو را به عقب باز گردانيم تا لحظه اي که تمام ذرات در يک نقطه متمرکز شوند. از آنجايي را که سرعت انبساط را از قبل مي دانيم، مي توانيم به عقب بازگشته و زماني را که در آن انفجار رخ داده است را محاسبه کنيم. از سن عالم تاکنون، ۱۳٫۸۲ ميليارد سال گذشته ( طبق مشاهدات جديد ماهواره پلانک که نشان داد کيهان نزديک به ۱۰۰ ميليون سال قديمي تر است ) طبيعي است براي بيان مرحله هاي اين تحول از زمان استفاده کنيم. ذره هايي مانند پروتون و نوترون، که در فيزيک آنها را با نام کلي باريون مي شناسيم، در همان يک ثانيه ي اول بعد ازبيگ بنگ به وجود آمده اند. شايد تصور کنيد يک ثانيه در مقابل ۱۳٫۸ ميليارد سال که اصلاً به حساب نمي آيد. اما در فيزيک اين طور نيست! کيهان زماني که يک ثانيه يا کسري از ثانيه سن داشته است بسيار داغ بوده است، يک ثانيه بعد از بيگ بنگ را به چند قسمت مي شود تقسيم کرد که معني داشته باشد؟ کوچکترين زماني که به لحاظ علم فيزيک از ثابت هاي جهاني که طبق گرانش نيوتن، پلانک، و نيز سرعت نور مي توان ساخت زمان پلانک ناميده مي شود و برابر ۲۳- ^۱۰ ثانيه، توجه کنيد يعني که ثانيه را به ۱۰۴۳ قسمت تقسيم کنيم و تنها يک قسمت از آن را بگيريم! اين زمان شاخص است براي محدوده اي از تحول عالم که انتظار مي رود گرانش کوانتومي شود؛ علت اين ادعا اين است که در محاسبه ي زمان پلانک ثابت پلانک که نشانه ي کوانتومي بودن است وارد مي شود. بنابراين اين زمان مرز اعتبار نظريه ي گرانش اينشتين را تعيين مي کند و انتظار داريم در زمان هاي کوتاه تر از آن، که عالم فشرده تر بوده است، گرانش کوانتومي بشود. هيچ رابطه يا فرمول فيزيکي شناخته شده اي وجود ندارد وفقط از اين زمان به بعد است که روابط فيزيکي وجود دارند. بعد از عبور از چند مرحله ويژه وکاهش تدريجي دما در زمان ده بتوان منفي ۱۲ چهار نيروي بنيادي شکل گرفته و در زمان ده بتوان منفي شش هم دما آنقدر پايين آمده تا شرايط براي شکل گيري هسته اتمها فراهم شود. دراين زمان عناصر طبيعي بويژه هليوم وهيدروژن شکل گرفته اند. بعد از گذشت سيصدهزار سال از لحظه آفرينش کيهان براي فوتونها شفاف شده وتابش از ماده جداشده است. با انبساط کيهان ماده ٬از تابش زمينه جداشده و اتمها تشکيل شده اند. گرانش موجب تغيير چگالي هاي موضعي شده و ستاره ها شکل گرفته اند. قديمي ترين و مستقيم ترين انواع شواهد تجربي عباراتند از انبساط نوع هابل که در انتقال سرخ کهکشانها مشاهده شده است، اندازه گيري‌هاي جزئيات تابش زمينه کيهاني و فراواني نسبي عناصر سبک که در جريان هسته زايي بيگ بنگ توليد شنده‌اند. امروزه توزيع، تشکيل و تکامل کهکشانها در مقياس بزرگ نيز به اين شواهد افزوده شده است. از اين موارد به عنوان چهار ستون نظريه بيگ بنگ ياد شده است. به تازگي نيز طبق مشاهدات ماهواره پلانک تخمين زده مي شود سرعت انبساط جهان که برابر ثابت هابل شناخته مي شود، برابر ۶۷٫۱۵ مثبت/منفي ۱٫۲ کيلومتر در ثانيه در مگا پارسک است. (پارسک يک واحد اخترشناسي است و تقريباً برابر ۳ ميليون سال نوري است). که کمتر از برآوردهاي قبلي به دست آمده از تلسکوپ هاي فضايي اسپيتزر ناسا و هابل ميباشد. ( داده هاي پيشين نشان مي داد که جهان با سرعت شگفت آور ۷۱ کيلومتر در ثانيه در مگا پارسک در حال انبساط است.) بيگ بنگ و تاريخچه تحول کيهاني يافته هاي ماهواره WMAP و ماهواره پلانک به دانشمندان اطمينان داد که آنان به سمت يک «مدل استاندارد» کيهان شناسي ، پيش روند. داده هاي جديد پلانک همچنين بيانگر اين است که انرژي تاريک کمتري و ماده ي تاريک و ماده ي معمولي بيشتري در کيهان وجود دارند.اين نقشه حاصل پانزده و نيم ماه خيره شدن به دماي و اندازه گيري تابش مايکرو ويو پس زمينه ي کيهان است. برابر برآورد جديدي ماده تاريک در جهان ۲۶٫۸ درصد است، که قبلا ۲۴ درصد بود، در حالي که انرژي تاريک به ميزان ۶۸٫۳ درصد ميباشد، در حالي که قبلا ۷۱٫۴ درصد بود. ماده ي معمولي در حال حاضر ۴٫۹ درصد براورد مي شود، که قبلا ۴٫۶ درصد بود. تابش پس زمينه کيهاني دقيق‌ترين نقشه از توزيع ماده در جهان اوليه است. اين نقشه، نوسانات ريز دمايي متناظر با تفاوت‌هاي اندک چگالي روزهاي اوليه نواحي مختلف عالم را نشان مي‌دهد. اين تفاوت‌هاي بذر ساختار آينده جهان را شکل دادند، يعني همان چيزي که نمود آن امروزه به شکل ستارگان و کهکشان‌ها در تمام کيهان پراکنده شده است. نقشه تهيه شده پلانک از CMB اخترشناسان و کيهان‌شناسان را قادر ساخته تا طيف وسيعي از مدل‌هاي مربوط به منشاء و تکامل کيهان را به بوته آزمايش بگذارند. ماهواره پلانک در زمستان سال ۲۰۰۹ به فضا پرتاب شد و مدت ۴٫۵ سال را به پيمايش و جستجوي آسمان پرداخت؛ تا روند تکامل ماده کيهاني را در طول زمان مطالعه کند. در نهايت روز ۱ آبان تلسکوپ فضايي پلانک به ماموريت تهيه نقشه تابش پس زمينه کيهاني پايان داد، پيش از پلانک ماهواره COBE و WMAP اين وظيفه را بر عهده داشتند. اگر چه هنوز شکافهاي زيادي وجود دارد ، با اين حال اختر فيزيکدانان با استفاده از داده هاي دريافتي، در حال ترسيم نماي کلي يک نظريه استاندارد هستند. با استفاده از تصاويري که ما امروز در کنار هم قرار مي دهيم، مي بينيم که سير تکاملي جهان، با خنک شدن آن مراحل متفاوت و مستقلي را پيموده است. گذار از اين مراحل مختلف بيانگر به هم ريختن تقارن و تجزيه يک نيروي واحد طبيعت است. در ادامه، مراحلي که تا به امروز شناخته شده اند، از اين قرارند : ۱ ) قبل از ۴۳- ^۱۰ ثانيه، عصر پلانک تقريبا هيچ چيز در مورد عصر پلانک مشخص نيست. در انرژي پلانک ( ۱۹^۱۰ ميليارد الکترون ولت ) ، نيروي گرانش به اندازۀ نيروهاي کوانتومي قوي بوده است. در نتيجه ، چهار نيروي جهان احتمالا در يک «ابر نيرو» متحد بوده اند. شايد جهان در فاز کاملي از «هيچ» يا فضاي خالي با ابعاد بيشتر، وجود داشته است. تقارن مرموزي که تمام اين چهار نيرو را با هم ترکيب مي کند باعث تغيير ناپذيري معادلات مي گردد، بيشتر «ابر تقارن» است. به دلايل ناشناخته، تقارن مرموزي که تمام چهار نيرو را متحد ساخته، شکسته شده و حباب کوچکي شکل گرفته است. اين حباب کوچک همان جهان جنيني ما است که شايد در نتيجه يک افت و خيز کوانتومي تصادفي ايجاد شده باشد. اندازۀ اين حباب برابر «طول پلانک» يعني ۳۳- ^۱۰ سانتيمتر، بوده است. ۲ ) ۳۴- ^۱۰ ثانيه ، عصر گات شکست تقارن حبابي به وجود آورد که به سرعت انبساط يافت. با متورم شدن حباب، چهار نيروي بنيادي به سرعت جدا شدند. گرانش، اولين نيرويي بود که از سه نيروي ديگر جدا شد و به اين ترتيب موج ضربه اي را در سراسر جهان آزاد کرد. تقارن اصلي ابر نيرو به تقارن کوچکتري شکسته شد، شايد به تقارن گات. بر هم کنشهاي قوي، ضعيف و الکترومغناطيسي باقي مانده، هنوز از طريق تقارن گات با هم متحد بودند. جهان در طي اين مرحله، به دلايلي که هنوز مشخص نيست، با ضريب بسيار بزرگي، حدود ۵۰^۱۰ متورم و باعث شد فضا سريع تر از سرعت نور منبسط شود. دما در اين حالت برابر ۳۲^۱۰ بوده است. ۳ ) ۲۴- ^۱۰ ثانيه ، پايان تورم با جدا شدن نيروي قوي از دو نيروي ديگر، دما به ۲۷^۱۰ درجه کاهش يافت. دورۀ تورم پايان يافت، جهان آرام گرفت و از آن پس با انبساط استاندارد فريدمن به کار خود ادامه داد. در اين حالت، جهان «سوپ» پلاسماي داغ شامل کوارک ها، گلئون ها و لپتون ها آزاد بود. کوارک هاي آزاد پس از تراکم به پروتون ها و نوترونهاي امروزي تبديل شدند. جهان ما در اين مرحله هنوز بسيار کوچک بود و ابعاد آن تنها به ابعاد فعلي منظومۀ شمسي مي رسيد. ماده و پاد ماده يکديگر را خنثي کردند، اما مقدار ماده نسبت به پاد ماده کمي بيشتر بود ( يک در ميليارد ) و باعث به وجود آمدن ماده اي شد که امروزه در اطراف خود مي بينيم. ( با مشاهدۀ ذره بوزون هيگز و چگونگي جرم دار شدن ماده که توسط برخود دهندۀ بزرگ هادرون انجام شد دانشمندان توانستند اين مرحله را بازسازي کنند. ) thebigbangجدول زماني جهان در مدت ۱۳٫۸ ميليارد سال ، از بيگ بنگ، دوران تاريک کيهاني، تشکيل نخستين ستارگان، و گسترش و انبساط کيهان تا دوران کنوني نشان مي دهد. ۴ ) سه دقيقه ، شکل گيري هسته ها دما به اندازۀ کافي براي شکل گرفتن هسته ها کاهش پيدا کرده است. طي فرايند همجوشي، هيدروژن به هليم تبديل شد. ( که نسبت ۷۵ درصد هيدروؤن به ۲۵ درصد هليم را در جهان ايجاد کرد. ) مقادير ناچيزي ليتيم شکل گرفت، ولي فرايند همجوشي عناصر بالاتر ، به دليل اينکه هسته هاي داراي ۵ ذره خيلي ناپايدار بودند، متوقف شد. جهان به دليل تفرق نور به وسيلۀ الکترون هاي آزاد غير شفاف بود. اين مرحله ، پايان عمر گوي آتشين اوليه محسوب مي شود. ۵ ) ۳۸۰۰۰۰ سال بعد ، اتم ها متولد مي شوند دما به ۳۰۰۰ درجه کلوين کاهش يافت. با جايگيري الکترون ها در اطراف هسته ها، اتم ها شکل گرفتند، بدون اينکه به دليل گرما از هم پاشيده شوند. فوتون ها هم اکنون مي توانستند بي آنکه جذب شوند، آزادانه حرکت کنند. اين همان تابشي است که به وسيلۀ COBE و WMAP اندازه گيري شده است. جهاني که زماني مات و مملو از پلاسما بود، حالا شفاف شد. آسمان بجاي سفيد، اکنون سياه بود. ۶ ) يک ميليارد سال بعد ، ستارگان متراکم مي شوند دما به ۱۸ درجه کلوين کاهش يافت. اختروش ها ، کهکشان ها و خوشه هاي کهکشاني، عمدتا به عنوان نتايج فرعي افت و خيزهاي کوچک کوانتومي در گوي آتشين اوليه، شروع به تراکم نمودند. عناصر سبک، مثل کربن ، اکسيژن و نيتروژن در ستارگان ساخته شدند. ستارگان شاخته شدند. ستارگان در حال انفجار ، عناصر بعد از آهن را در اسمانها پراکندند. اين دوره، دورترين دوره اي است که به وسيلۀ تلسکوپ هابل تصويربرداري شده و قابل تجسس و بررسي است. ۷ ) ۶٫۵ ميليارد سال ، انبساط دِسيتر انبساط فريدمن به تدريج پايان يافت و سرعت انبساط جهان رو به افزايش گذاشت. به اين ترتيب، جهان وارد مرحله اي به نام انبساط دِسيتر شد. در اين مرحله، نيروي مرموز ضد گرانشي که هنوز شناسايي نشده، جهان را به پيش مي راند. ۸ ) ۱۳٫۸ ميليار سال ، امروز اکنون دما به ۲٫۷ درجه کلوين کاهش يافته است. ما شاهد جهان امروزي، شامل کهکشانها، ستاره ها و سيارات هستيم. سرعت جهان، در يک حالت گريز، رو به افزايش است. بيگ بنگ و جهاني بر خاسته از هيچ ممکن است درنگاه اول با نظريه جهاني از هيچ و جهان هاي چندگانه مخالفت کنيم، زيرا به نظر مي رسد اين نظريه قوانين شناخته شده اي مثل قانون بقاي ماده و انرژي را به هم مي ريزد. در واقع، مجموع کل ماده به علاوه انرژي در جهان احتمالا خيلي کوچک است. درست است که مقدار ماده موجود در جهان شامل تمام ستارگان، سيارات و کهکشان ها مقداري مثبت و بزرگ است، بااين حال انرژي ذخيره شده در گرانش، ممکن است منفي باشد. اگر انرژي مثبت ماده را با انرژي منفي گرانش جمع کنيم، نتيجه عددي نزديک به صفر خواهد بود! از بعضي جهات مي توان گفت چنين جهان هايي آزاد هستند. آنها مي توانند از درون خلاء تقريبا بدون هيچ تلاشي، بيرون بجهند. در جهان بسيار شگفت انگيز مکانيک کوانتوم که به توصيف رفتارها در مقياس زير اتمي مي پردازد، نوسان ها و بي ثباتي هاي گاه به گاهي مي تواند ماده و انرژي را از هيچ پديد آورد و به گفتۀ محققان، اين در واقع مي تواند به پديد آمدن چيزهاي بسيار بزرگ هم بيانجامد. انرژي تمامي ذرات بنيادي در لحظه تولد جهان ( بيگ بنگ ) بدون جرم بوده‌ اند اما در کسر بسيار کوچکي از ثانيه پس از آن هنگامي که ذرات هيگز از « انرژي بيگ بنگ» پديد آمده و کل جهان را پُر کردند و ناگهان برخي از ذرات بنيادي به واسطه برهم‌ کنش با آنها جرمدار شدند و همچنان اين ذرات نامرئي در ميدان هيگز جهان انرژي ابتدايي خود را حفظ کرده اند. خوب حال سوال پيش مي آيد بيگ بنگ انرژي اش را چطور بدست آورده است؟ در مدل هاي کوانتومي به علت افت و خيزهاي ميدان گرانشي ناپايدار، باعث مي شود گذاري خود به خود به عالم در حال انبساط و ماده رخ دهد. ممکن است فکر کنيد خلق ماده و انبساط آن به مقداري انرژي نياز دارد و بنابراين اگر ماده از « فضاي خالي » به وجود آمده باشد؛ پايستگي انرژي که يکي از اصول مسلم فيزيک است، بر هم خواهد خورد. در واقع ، در فرايند هيچ؛ نقض پايستگي انرژي وجود ندارد. به ياد بياوريد که ميدان گرانشي داراي انرژي منفي است. ( حالتي مقيد به پروتون در حالتي با انرژي منفي وجود دارد؛ هر نيروي جاذبه اي چنين خصوصيتي دارد و نيروي گرانشي هميشه جاذبه اي است.) بنابراين مي توان به موقعيتي رسيد که انرژي گرانشي منفي با انرژي مثبت ماده ( و انبساط )در تعادل باشد که در نتيجه انرژي کل صفر مي شود. معادلات کيهان شناسي کوانتومي نشان مي دهند که عالم به علت افت و خيزهاي کوانتومي بطور خود به خودي از خلا به وجود آمده است و بيگ بنگ هاي متعدد در اعصار مختلف بوده و خواهد بود. منابع: جهان هاي موازي – ميچيو کاکو حيات هوشمند در کائنات- پيتر اولم اشنايدر پس از نخستين سه دقيقه – ت.پادمانايان ويکي پديا با کانال تلگرامي «آخرين خبر» همراه شويد