بیگ‌بنگ چیست و چگونه رخ داده است؟

از بين تمام سؤالاتي که تاکنون ذهن بشر را به خود مشغول کرده است (از جمله «بودن يا نبودن، مسئله اين است!»)، شايد مهم‌ترين آن‌ها اين باشد:

جهان چگونه آغاز شد؟

اکثر فيزيکدانان معتقدند که عالم ۱۳/۸ ميليارد سال پيش در اثر يک انفجار بزرگ يا بيگ بنگ متولد شده است. در اين مدل قبل از اين انفجار انرژي تشکيل دهنده همه اجسام و اجرام در کيهاني که امروز مي‌بينيم، در داخل يک فضاي کوچک غير قابل تصور فشرده شده بوده است (بسيار ريزتر از يک دانه شن، يا حتي يک اتم). سپس اين ديگ داغ، متراکم و غيرقابل تصور به هر دليلي با سرعت زياد منبسط و تبديل به يک بالون شد.

در اولين ثانيه وجود جهان درک ما از آنچه اتفاق مي‌افتد به طرز شگفت انگيزي خوب است. ما مي‌دانيم که مفاهيم زمان، مکان و قوانين فيزيک خيلي سريع تحکيم شدند. از آنجا بود که رويداد پديده‌ها از هرج و مرج و حرکات تصادفي بيرون آمد و اولين ذرات زير اتمي مانند کوارک شکل گرفتند.

سپس ذرات بزرگتر مانند پروتون و نوترون شکل گرفتند و حدود سه دقيقه بعد جهان تا ۱ ميليارد درجه سانتيگراد سرد شده بود. اين امر باعث شد تا پروتون‌ها و نوترون‌ها از طريق همجوشي به هم برسند و هسته‌هايي را تشکيل دهند که هسته‌هاي اتم هستند.

اما بعد از ۲۰ دقيقه جهان ديگر به اندازه کافي براي همجوشي گرم نبود و آنچه باقي مانده بود يک سوپ گرم و ابري از الکترون‌ها و هسته‌هاي هيدروژن و هليوم بود. اين مرحله حدود ۳۸۰,۰۰۰ سال به طول انجاميد. سرانجام کيهان به اندازه کافي سرد شد تا الکترون‌ها با هسته‌ها جفت شوند و اولين اتم‌ها را بسازند. پس از آن صد‌ها ميليون سال طول کشيد تا اولين ستاره‌ها شکل بگيرند و تاريکي را روشن کنند و بالاخره به شکلي که امروز آن را مي‌بينيم برسند.

جهان ما چگونه ايجاد شده است؟ چگونه اين مکان ظاهراً نامحدودي که امروزه آن را مي‌شناسيم به وجود آمده است؟ و در سال‌هاي آينده چه اتفاقي براي آن خواهد افتاد؟ اين‌ها سوالاتي است که از همان ابتدا فيلسوفان و دانشمندان را درگير کرده و منجر به پيدايش نظريه‌هاي بسيار بکر و جالب شده است. امروزه دانشمندان، ستاره شناسان و کيهان شناسان بر اين موضوع اتفاق نظر دارند که جهان همانطور که مي‌دانيم در يک انفجار عظيم يا بيگ بنگ ايجاد شده است که نه تنها سبب ايجاد ماده شده است بلکه قوانين فيزيکي حاکم بر کيهان در حال انبساط ما را پديد آورده است.

اين تئوري که با نام نظريه بيگ بنگ يا بيگ بنگ شناخته مي‌شود براي تقريباً يک قرن توسط محققان و ديگران مورد بحث و گفتگو بود. اين موضوع زماني که مي‌توان امروزه ميزان مقبوليت اين نظريه را در جامعه ديد عجيب نيست. اما سوالي که مطرح است اين است که اين اصطلاح دقيقاً به چه معنا است؟ جهان ما چگونه در يک انفجار عظيم تصور شده است، چه مدرکي در اين مورد وجود دارد و اين نظريه درباره طرح‌هاي طولاني مدت جهان ما چه مي‌گويد؟

اصول اين نظريه بسيار ساده است. به طور خلاصه، نظريه بيگ بنگ بيان مي‌کند که همه مواد موجود و گذشته در جهان همزمان يعني تقريبا از ۱۳/۸ ميليارد سال پيش وجود داشته است. در اين زمان تمام مواد به صورت يک توپ بسيار کوچک با چگالي بي نهايت و گرماي شديد فشرده شده‌اند که تکينگي ناميده مي‌شوند. در اين نظريه ناگهان تکينگي گسترش يافته و جهان همانطور که مي‌دانيم آغاز شده است.

در حالي که اين تنها نظريه مدرن در مورد چگونگي به وجود آمدن جهان نيست و نظريه‌هاي ديگري مانند نظريه عالم در حالت ثابت يا نظريه جهان داراي نوسان نيز وجود دارد، اين نظريه به طور گسترده پذيرفته شده و محبوب است.

نظريه بيگ بنگ نه تنها منشأ تمام مواد شناخته شده، قوانين فيزيک و ساختار مقياس بزرگ جهان را توضيح مي‌دهد بلکه گسترش جهان و طيف وسيعي از پديده‌هاي ديگر را نيز به خود اختصاص مي‌دهد.

چه کسي بيگ بنگ را کشف کرد؟

ژرژ لميتر کيهان شناس بلژيکي و کشيش کاتوليک اولين کسي بود که نظريه بيگ بنگ را مطرح کرد. اين نظريه که امروزه تقريباً توسط همه منجمان پذيرفته شده است خروج اساسي از ارتدوکسي علمي در دهه ۱۹۳۰ بود. با اين حال در آن زمان بسياري از ستاره شناسان هنوز با اين ايده که جهان در حال گسترش است راحت نبودند و اين که کل جهان مشاهده شده کهکشان‌ها با يک انفجار آغاز شده است مزاحم به نظر مي‌رسيد. همچنين اصطلاح بيگ بنگ اولين بار توسط فرد هويل در يک برنامه راديويي استفاده شد.

شواهد بيگ‌بنگ

ابزار‌هاي فعلي به ما اجازه نمي‌دهند که از بدو تولد کيهان به عقب برگرديم. بسياري از آنچه که ما درباره نظريه بيگ بنگ مي‌دانيم از فرمول‌ها و مدل‌هاي رياضي است، اما تنها اين رياضيات نيست که اين نظريه را تاييد مي‌کند. مي‌توان اثرات انبساط و گسترش کيهان را از طريق پديده‌اي به نام تابش زمينه کيهاني مشاهده کرد. در سال ۲۰۱۳ تصاوير پرتو‌هاي پس زمينه‌اي که از بيگ بنگ بجا مانده ثبت شده است.

البته نخستين شواهد تجربي از بيگ بنگ توسط قانون هابل بود. در سال ۱۹۲۹ هابل طبق مشاهدات پژوهش‌هاي مرتبط با انتقال به سرخ چندين کهکشان و مقايسهٔ آن‌ها با هم متوجه شد کهکشان‌هاي دورتر با سرعت بيشتري در حال دور شدن از يکديگر هستند. پيش از آن هم اين موضوع در معادلات اينشتين پيش بيني شده بود. (لومتر نيز قبلاً نشان داده بود که اين موضوع با استفاده از اصل کيهان‌شناختي قابل پيش‌بيني است.) دانشمندان پس از کشف اين موضوع به اين نتيجه رسيدند که کيهان شروع داشته است. به اين دليل که گفتيم اگر هرچه به عقب‌تر برگرديم جهان کوچک‌تر مي‌شود، تا جايي که به يک جرم کوچک مي‌رسيم که بسيار پر حرارت و با چگالي فوق العاده بالاست و تمام کيهان فعلي از آنجا شروع مي‌شود؛ با نوع خاص و منحصر بفردي از انفجار که پس از آن کيهان با تورم اوليه منبسط مي‌شود.

ثابت هابل (H) در کيهان شناسي نشانگر سرعت انبساط کيهان است. يعني از لحظه آغاز کيهان تاکنون آهنگ انبساط تمام اجرام کيهان قابل محاسبه است. طبق آخرين مشاهدات ماهواره پلانک سرعت انبساط کيهان حدودا برابر با ۶۷ کيلومتر در هر ثانيه در هر مگاپارسِک (parsec) است. پارسک يکي از واحد‌هاي سنجش مسافت در اخترشناسي است. يک پارسک برابر با ۳۰.۹ تريليون کيلومتر و معادل ۳.۲۶ سال نوري است.

پايه اي‌ترين ”شواهد تجربي مستقيم” از بيگ بنگ؛ انبساط نوع هابل، اندازه گيري جزئيات تابش پس زمينه کيهاني، فراواني نسبتا زياد عناصر سبک در روند هسته زايي بيگ بنگ و همچنين سازوکار نقشه و تکامل اجرام در مقياس بزرگ است. اين چهار شواهد تجربي مستقيم در تاييد نظريه بيگ بنگ مي‌باشد و علاوه بر اين انبوهي از شواهد ريز و درشت غير مستقيم که باعث شد اکثر کيهان شناسان امروز، بيگ بنگ را بپذيرند و مدل‌هاي رقيب، تاکنون از کيهان شناسي استاندارد کنار گذاشته شوند.

عالم بيش از بيگ‌بنگ

هاوکينگ در مصاحبه‌اي در برنامه «استارتاک» (StarTalk) که از شبکه نشنال جئوگرافيک در سال ۲۰۱۸ پخش شد گفت: از آنجا که حوادث قبل از انفجار بزرگ يا بيگ بنگ هيچ پيامد قابل مشاهده‌اي ندارند مي‌توان آن‌ها را از تئوري و نظريه‌ها خارج کرد و گفت که زمان از بيگ بنگ آغاز شده است.

با اين حال شايد قبل از بيگ بنگ چيز ديگري وجود داشته که قابل تأمل است. يک ايده ديگر اين است که انفجار بزرگ يا بيگ بنگ نقطه شروع زمان نيست بلکه مقارن با لحظه تقارن عالم است. در اين نظريه قبل از انفجار بزرگ يا بيگ بنگ جهان ديگري وجود داشته که با اين جهان يکسان بوده، اما آنتروپي يا بي نظمي در آن به جاي اينکه به سمت آينده افزايش داشته باشد به سمت گذشته افزايش داشته است.

افزايش آنتروپي يا افزايش بي نظمي در يک سيستم اساساً جهت پيکان زمان است، بنابراين در اين جهان آينه‌اي زمان بر خلاف جهت زمان در جهان مدرن جريان مي‌يابد و جهان ما در گذشته خواهد بود. طرفداران اين نظريه همچنين معتقدند که ساير خصوصيات جهان در اين جهان آينه‌اي معکوس مي‌شود. به عنوان مثال «ديويد اسلوان» (David Sloan) فيزيکدان، در وبلاگ علمي دانشگاه آکسفورد نوشته است که عدم تقارن مولکول‌ها و يون‌ها در جهان آينه‌اي در جهت مخالف آنچه در جهان ما قرار دارد خواهد بود.

يک نظريه مرتبط ديگر معتقد است که انفجار بزرگ آغاز همه چيز نبوده است بلکه لحظه‌اي از زمان بوده که جهان از يک دوره انقباض به يک دوره انبساط تبديل شده است. اين نظريه که با عنوان «بيگ بانس» (Big Bounce) شناخته مي‌شود، نشان مي‌دهد که با گسترش، انقباض و گسترش دوباره عالم مي‌توان بيگ بنگ‌هاي بي‌نهايت داشت.

برخي فيزيکدانان معتقدند که مشکل اين ايده‌ها و نظريه‌ها اين است که هيچ توضيحي در مورد اينکه چرا و چگونه يک جهان در حال انبساط منقبض شده و به حالت آنتروپي پايين‌تر برمي‌گردد وجود ندارد.

«شان کارول» (Sean Carroll) و همکارش «جنيفر شن» (Jennifer Chen)، فيزيکدانان نظري در انستيتو تکنولوژي کاليفرنيا، بيگ بنگ را يک لحظه در زمان مي‌دانند و اظهار مي‌کنند اين اتفاق يک نقطه در فضا و مکان نيست. اين دو نظريات جالبي براي پيش از بيگ بنگ دارند، از نظر آن‌ها شايد جهان همانطور که مي‌دانيم فرزند يک جهان مادر است که کمي از زمان و مکان آن جدا شده است.

بر اساس نظر کارول اين فرضيه مانند يک هسته راديواکتيو است که از خود تابش ساطع مي‌کند. بر اين اساس وقتي هسته از خود تابش ساطع مي‌کند يک ذره آلفا يا بتا مي‌پراکند. عالم والد نيز مي‌تواند همين کار را انجام دهد و فقط به جاي ذره، ممکن است بي نهايت عالم کودک پراکنده کند. بر اساس اين نظريه اين اتفاق ناشي از يک نوسان کوانتومي است که اجازه مي‌دهد اين رويداد رخ دهد. بر اين اساس جهان‌هاي کودک، جهان‌هايي به معناي واقعي کلمه موازي هستند و با يکديگر تعامل و برهمکنش ندارند.

با اين همه هنوز دانشمندان راهي براي تصوير مجدد حتي در لحظه انفجار بزرگ را ندارند و طبيعي است که تصور و تصوير آن چه قبل از بيگ بنگ نيز رخ داده است آسان نيست و جاي تحقيق و کار فراوان دارد.

مشاهده امواج گرانشي از برخورد قدرتمند کهکشان‌ها در سال ۲۰۱۵، اين احتمال را به وجود آورد که بتوان از اين امواج براي حل رمز و راز‌هاي اساسي در مورد انبساط جهان در همان ثانيه‌هاي اول استفاده کرد. با اين حال فيزيکدانان در اين زمينه معتقدند که ساز و کار برخي نيرو‌هاي کوانتومي مانند گرانش کوانتومي بايد با دقت بيشتري بررسي شوند. بر اساس صحبت‌هاي کارل ما در اين مسئله تا زماني که نظريه‌اي نداشته باشيم نمي‌دانيم که به دنبال چه چيز هستيم.

جهان چه طور تمام مي‌شود؟

دانستن نقطه شروع جهان، چيزي درباره نقطه پايان و مرگ آن به ما نمي‌گويد. مه‌بانگ مي‌گويد ميليارد‌ها سال پيش، بين «گرانش» که مي‌خواست جلوي انبساط افسارگسيخته جهان را بگيرد و «انبساط» اوليه که مي‌خواست همه چيز را از هم دور کند، رقابتي درگرفت که همچنان ادامه دارد؛ اما خود بيگ بنگ مشخص نمي‌کند سرنوشت اين مسابقه چه خواهد بود. براي دانستن اين جواب بايد بدانيم جهان دقيقا از چه ساخته شده است. مثلاً با کشف انرژي تاريک که همين ۲۳ سال پيش اتفاق افتاد، اين نظريه مطرح شد که نه‌تن‌ها برد احتمالا با انبساط است، بلکه کهکشان‌هاي بسيار دور با سرعت بيشتري به دور شدن از ما ادامه خواهند داد و جهان در آخر سرد، تاريک و خالي خواهد بود.

فيزيکدان‌ها مي‌گويند تمام جهان احتمالا روزي با يکي از اين چهار سناريو به پايان خواهد رسيد: انجماد بزرگ، فشردگي بزرگ، تغيير بزرگ يا شکاف بزرگ.

سناريوي انجماد بزرگ يا مرگ حرارت (Big Freeze) مي‌گويد زماني دماي همه چيز در همه جا يکسان مي‌شود، تمام فعل و انفعالات در جهان متوقف مي‌شود، آنتروپي در بالاترين حد خود قرار مي‌گيرد و در اين حالت جهان تا ابد مرده است.

سناريوي فشردگي بزرگ يا مه‌رمب (Big Crunch) در واقع معکوس پديده‌ي انفجار بزرگ است و زماني را توصيف مي‌کند که گرانش، نيروي غالب در دنيا خواهد شد؛ جهان شروع به منقبض شدن مي‌کند. کهکشان‌ها به سمت يکديگر کشيده مي‌شوند، با هم ادغام مي‌شوند و جهان کوچک‌تر و کوچک‌تر مي‌شود؛ و، چون جهان کوچک‌تر، داغ‌تر خواهد بود، دما در همه جا به‌طور هم‌زمان افزايش مي‌يابد تا اينکه همه چيز به جهنمي بسيار فشرده تبديل مي‌شود.

تغيير بزرگ يا زوال خلأ (Big Change) مي‌گويد حباب مرگ ناشي از آزادسازي انرژي بالقوه‌ي ميدان هيگز، همه چيز را سر راه خود پاک و ماهيت ذرات و قوانين فيزيکي را عوض مي‌کند.

سناريوي چهارم براي پايان دنيا به شکاف بزرگ (مه‌گسست) يا بيگ‌ريپ (Big Rip) مشهور است که در آن مقدار انرژي تاريک با سرعتي بيشتر از انبساط جهان افزايش يابد. با گذشت زمان، چگاليِ انرژي تاريک ممکن است افزايش يابد و تاروپود جهان را از هم بشکافد.

مواردي که در مورد بيگ بنگ مطرح شد، درباره چگونگي پيدايش جهان است، نه چرايي آن. اين نظريه مي‌گويد جهان ما از حالتي داغ‌تر، متراکم‌تر و يکدست‌تر از حالا در زمان گذشته وجود داشته است. ديگر اين ايده که فضا و زمان از نقطه تکينگي حدود ۱۴ ميليارد سال پيش به وجود آمد، پذيرفته نيست، بلکه پيش از آن فضايي با انرژي ذات خود بود که در اثر تورم کيهاني، شرايط را براي وقوع بيگ بنگ مهيا کرد. به عبارت ديگر، بيگ بنگ شايد شروع کل جهان نباشد اما بخش مهمي از داستان کيهاني جهاني است که تمام ما را به هم متصل مي‌کند.