بیگ بنگ چیست؟

ادوین هابل کاشف انبساط کیهان

بطور کلی امروزه چنین پذیرفته می شود که فضا، زمان، ماده، انرژی و قوانین طبیعت جملگی با بیگ بنگ پا به عرصه وجود گذاشته اند. شاهد و دلیل وجود بیگ بنگ، قانون مشاهده شده هابل است. ادوین هابل (Edwin Hubble) در سال ۱۹۲۹ از طریق مشاهدات خود و بررسی روی انتقال به سرخ ۲۴ کهکشان و مقایسهٔ آنها با یکدیگر به این نتیجه رسید که کهکشان‌های دورتر با سرعت بیشتری در حال دور شدن هستند، همانطوری که معادلات اینشتین پیش بینی کرده بودند. دانشمندان به این فکر افتادند که اگر جهان در حال انبساط باشد، پس احتمالا آغازی دارد. اگر این کهکشان ها در گذشته های دور، به زمین خیلی نزدیک تر بودند. اگر حرکت کهکشان ها در زمان گذشته را در ذهن خود مسیریابی کنیم ، نه تنها به زمانی می رسیم که جهان آغاز شده، بلکه به این مفهوم می رسیم که کلیه کهکشان ها باید از یک حجم کوچکی شروع به حرکت کرده باشند.

ثابت هابل ( H ) که یکی از مهمترین ثابت ها در علم کیهان شناسی محسوب می شود، نشان می دهد که جهان با چه سرعتی در حال انبساط است. به عنوان مثال، نوار ویدئویی ضبط شده از یک انفجار را در نظر بگیرید. در ویدئوی ضبط شده، ذرات ناشی از انفجار را در حال دور شدن از مرکز انفجار می بینیم. به این ترتیب می توانیم سرعت دور شدن ذرات را از مرکز انفجار محاسبه کنیم. ولی از طرف دیگر همچنین می توانیم ویدئو را به عقب باز گردانیم تا لحظه ای که تمام ذرات در یک نقطه متمرکز شوند. از آنجایی را که سرعت انبساط را از قبل می دانیم، می توانیم به عقب بازگشته و زمانی را که در آن انفجار رخ داده است را محاسبه کنیم.(این مثال برای درک موضوع است و بیگ بنگ قابل مقایسه با هیچ  انفجاری نیست، چون جهان پس از بیگ بنگ، تورم یافت و منبسط شد)

این گرافیک زمان بندی شکل گیری جهان را طبق نظریه بیگ بنگ و تورم کیهانی نشان می دهد.

خط زمانی بیگ بنگ و کیهان شناسی  نوین

از سن عالم  تاکنون، ۱۳٫۸۲ میلیارد سال گذشته ( طبق مشاهدات جدید ماهواره پلانک که نشان داد کیهان نزدیک به ۱۰۰ میلیون سال قدیمی تر است ) طبیعی است برای بیان مرحله های این تحول از زمان استفاده کنیم. ذره هایی مانند پروتون و نوترون، که در فیزیک آنها را با نام کلی باریون می شناسیم، در همان یک ثانیه ی اول بعد ازبیگ بنگ به وجود آمده اند. شاید تصور کنید یک ثانیه در مقابل ۱۳٫۸ میلیارد سال که اصلاً به حساب نمی آید. اما در فیزیک این طور نیست! کیهان زمانی که یک ثانیه یا کسری از ثانیه سن داشته است بسیار داغ بوده است، یک ثانیه بعد از بیگ بنگ را به چند قسمت می شود تقسیم کرد که معنی داشته باشد؟ کوچکترین زمانی که به لحاظ علم فیزیک از ثابت های جهانی که طبق گرانش نیوتن، پلانک، و نیز سرعت نور می توان ساخت زمان پلانک نامیده می شود و برابر ۲۳- ^۱۰ ثانیه، توجه کنید یعنی که ثانیه را به ۱۰۴۳ قسمت تقسیم کنیم و تنها یک قسمت از آن را بگیریم!

این زمان شاخص است برای محدوده ای از تحول عالم که انتظار می رود گرانش کوانتومی شود؛ علت این ادعا این است که در محاسبه ی زمان پلانک ثابت پلانک که نشانه ی کوانتومی بودن است وارد می شود. بنابراین این زمان مرز اعتبار نظریه ی گرانش اینشتین را تعیین می کند و انتظار داریم در زمان های کوتاه تر از آن، که عالم فشرده تر بوده است، گرانش کوانتومی بشود. هیچ رابطه یا فرمول فیزیکی شناخته شده ای وجود ندارد وفقط از این زمان به بعد است که روابط فیزیکی وجود دارند. بعد از عبور از چند مرحله ویژه وکاهش تدریجی دما در زمان ده بتوان منفی ۱۲ چهار نیروی بنیادی شکل گرفته و در زمان ده بتوان منفی شش هم دما آنقدر پایین آمده تا شرایط برای شکل گیری هسته اتمها فراهم شود. دراین زمان عناصر طبیعی بویژه هلیوم وهیدروژن شکل گرفته اند. بعد از گذشت سیصدهزار سال از لحظه آفرینش کیهان برای فوتونها شفاف شده وتابش از ماده جداشده است. با انبساط کیهان ماده ٬از تابش زمینه جداشده و اتمها تشکیل شده اند. گرانش موجب تغییر چگالی های موضعی شده و ستاره ها شکل گرفته اند.

قدیمی ترین و مستقیم ترین انواع شواهد تجربی عباراتند از انبساط نوع هابل که در انتقال سرخ کهکشانها مشاهده شده است، اندازه گیری‌های جزئیات تابش زمینه کیهانی و فراوانی نسبی عناصر سبک که در جریانهسته زایی بیگ بنگ تولید شنده‌اند. امروزه توزیع، تشکیل و تکامل کهکشانها در مقیاس بزرگ نیز به این شواهد افزوده شده است. از این موارد به عنوان چهار ستون نظریه بیگ بنگ یاد شده است.

به تازگی نیز طبق مشاهدات ماهواره پلانک تخمین زده می شود سرعت انبساط جهان که برابر ثابت هابل شناخته می شود، برابر ۶۷٫۱۵ مثبت/منفی ۱٫۲ کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک است. (پارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر ۳ سال نوری است). که کمتر از برآوردهای قبلی به دست آمده از تلسکوپ های فضایی اسپیتزر ناسا و هابل میباشد. ( داده های پیشین نشان می داد که جهان با سرعت شگفت آور ۷۱ کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک در حال انبساط است.)

بیگ بنگ و  تاریخچه تحول کیهانی

یافته های ماهواره WMAP و ماهواره پلانک به دانشمندان اطمینان داد که آنان به سمت یک «مدل استاندارد» کیهان شناسی ، پیش روند. داده های جدید پلانک همچنین بیانگر این است که انرژی تاریک کمتری و ماده ی تاریک و ماده ی معمولی بیشتری در کیهان وجود دارند.این نقشه حاصل پانزده و نیم ماه خیره شدن به دمای و اندازه گیری تابش مایکرو ویو پس زمینه ی کیهان است. برابر برآورد جدیدی ماده تاریک در جهان ۲۶٫۸ درصد است، که قبلا ۲۴ درصد بود، در حالی که انرژی تاریک به میزان ۶۸٫۳ درصد میباشد، در حالی که قبلا ۷۱٫۴ درصد بود. ماده ی معمولی در حال حاضر ۴٫۹ درصد براورد می شود، که قبلا ۴٫۶ درصد بود.

تابش پس زمینه کیهانی دقیق‌ترین نقشه از توزیع ماده در جهان اولیه است. این نقشه، نوسانات ریز دمایی متناظر با تفاوت‌های اندک چگالی روزهای اولیه نواحی مختلف عالم را نشان می‌دهد. این تفاوت‌های بذر ساختار آینده جهان را شکل دادند، یعنی همان چیزی که نمود آن امروزه به شکل ستارگان و کهکشان‌ها در تمام کیهان پراکنده شده است. نقشه تهیه شده پلانک از CMB اخترشناسان و کیهان‌شناسان را قادر ساخته تا طیف وسیعی از مدل‌های مربوط به منشاء و تکامل کیهان را به بوته آزمایش بگذارند. ماهواره پلانک در زمستان سال ۲۰۰۹ به فضا پرتاب شد و مدت ۴٫۵ سال را به پیمایش و جستجوی آسمان پرداخت؛ تا روند تکامل ماده کیهانی را در طول زمان مطالعه کند. در نهایت روز ۱ آبان تلسکوپ فضایی پلانک به ماموریت تهیه نقشه تابش پس زمینه کیهانی پایان داد، پیش از پلانک ماهواره COBE و WMAP این وظیفه را بر عهده داشتند.

نقشه  پلانک از قدیمی ترین نور در جهان که به نام پس زمینه کیهانی شناخته می شود ، با دقت بی سابقه ای انجام شد

اگر چه هنوز شکافهای زیادی وجود دارد ، با این حال اختر فیزیکدانان با استفاده از داده های دریافتی، در حال ترسیم نمای کلی یک نظریه استاندارد هستند. با استفاده از تصاویری که ما امروز در کنار هم قرار می دهیم، می بینیم که سیر تکاملی جهان، با خنک شدن آن مراحل متفاوت و مستقلی را پیموده است. گذار از این مراحل مختلف بیانگر به هم ریختن تقارن و تجزیه یک نیروی واحد طبیعت است. در ادامه، مراحلی که تا به امروز شناخته شده اند، از این قرارند :

۱ ) قبل از ۴۳- ^۱۰ ثانیه، عصر پلانک

تقریبا هیچ چیز در مورد عصر پلانک مشخص نیست. در انرژی پلانک ( ۱۹^۱۰ میلیارد الکترون ولت ) ، نیروی گرانش به اندازۀ نیروهای کوانتومی قوی بوده است. در نتیجه ، چهار نیروی جهان احتمالا در یک «ابر نیرو» متحد بوده اند. شاید جهان در فاز کاملی از «هیچ» یا فضای خالی با ابعاد بیشتر، وجود داشته است. تقارن مرموزی که تمام این چهار نیرو را با هم ترکیب می کند باعث تغییر ناپذیری معادلات می گردد، بیشتر «ابر تقارن» است. به دلایل ناشناخته، تقارن مرموزی که تمام چهار نیرو را متحد ساخته، شکسته شده و حباب کوچکی شکل گرفته است. این حباب کوچک همان جهان جنینی ما است که شاید در نتیجه یک افت و خیز کوانتومی تصادفی ایجاد شده باشد. اندازۀ این حباب برابر «طول پلانک» یعنی ۳۳- ^۱۰ سانتیمتر، بوده است.

۲ ) ۳۴- ^۱۰ ثانیه ، عصر گات

شکست تقارن حبابی به وجود آورد که به سرعت انبساط یافت. با متورم شدن حباب، چهار نیروی بنیادی به سرعت جدا شدند. گرانش، اولین نیرویی بود که از سه نیروی دیگر جدا شد و به این ترتیب موج ضربه ای را در سراسر جهان آزاد کرد. تقارن اصلی ابر نیرو به تقارن کوچکتری شکسته شد، شاید به تقارن گات. بر هم کنشهای قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی باقی مانده، هنوز از طریق تقارن گات با هم متحد بودند. جهان در طی این مرحله، به دلایلی که هنوز مشخص نیست، با ضریب بسیار بزرگی، حدود ۵۰^۱۰ متورم و باعث شد فضا سریع تر از سرعت نور منبسط شود. دما در این حالت برابر ۳۲^۱۰ بوده است.

۳ ) ۲۴- ^۱۰ ثانیه ، پایان تورم

با جدا شدن نیروی قوی از دو نیروی دیگر، دما به ۲۷^۱۰ درجه کاهش یافت. دورۀ تورم پایان یافت، جهان آرام گرفت و از آن پس با انبساط استاندارد فریدمن به کار خود ادامه داد. در این حالت، جهان «سوپ» پلاسمای داغ شامل کوارک ها، گلئون ها و لپتون ها آزاد بود. کوارک های آزاد پس از تراکم به پروتون ها و نوترونهای امروزی تبدیل شدند. جهان ما در این مرحله هنوز بسیار کوچک بود و ابعاد آن تنها به ابعاد فعلی منظومۀ شمسی می رسید. ماده و پاد ماده یکدیگر را خنثی کردند، اما مقدار ماده نسبت به پاد ماده کمی بیشتر بود ( یک در میلیارد ) و باعث به وجود آمدن ماده ای شد که امروزه در اطراف خود می بینیم. ( با مشاهدۀ ذره بوزون هیگز و چگونگی جرم دار شدن ماده که توسط برخود دهندۀ بزرگ هادرون انجام شد دانشمندان توانستند این مرحله را بازسازی کنند. )

جدول زمانی جهان در مدت ۱۳٫۸ میلیارد سال ، از بیگ بنگ، دوران تاریک کیهانی، تشکیل نخستین ستارگان، و گسترش و انبساط کیهان تا دوران کنونی نشان می دهد.

۴ ) سه دقیقه ، شکل گیری هسته ها

دما به اندازۀ کافی برای شکل گرفتن هسته ها کاهش پیدا کرده است. طی فرایند همجوشی، هیدروژن به هلیم تبدیل شد. ( که نسبت ۷۵ درصد هیدروؤن به ۲۵ درصد هلیم را در جهان ایجاد کرد. ) مقادیر ناچیزی لیتیم شکل گرفت، ولی فرایند همجوشی عناصر بالاتر ، به دلیل اینکه هسته های دارای ۵ ذره خیلی ناپایدار بودند، متوقف شد. جهان به دلیل تفرق نور به وسیلۀ الکترون های آزاد غیر شفاف بود. این مرحله ، پایان عمر گوی آتشین اولیه محسوب می شود.

۵ ) ۳۸۰۰۰۰ سال بعد ، اتم ها متولد می شوند

دما به ۳۰۰۰ درجه کلوین کاهش یافت. با جایگیری الکترون ها در اطراف هسته ها، اتم ها شکل گرفتند، بدون اینکه به دلیل گرما از هم پاشیده شوند. فوتون ها هم اکنون می توانستند بی آنکه جذب شوند، آزادانه حرکت کنند. این همان تابشی است که به وسیلۀ COBE و WMAP اندازه گیری شده است. جهانی که زمانی مات و مملو از پلاسما بود، حالا شفاف شد. آسمان بجای سفید، اکنون سیاه بود.

۶ ) یک میلیارد سال بعد ، ستارگان متراکم می شوند

دما به ۱۸ درجه کلوین کاهش یافت. اختروش ها ، کهکشان ها و خوشه های کهکشانی، عمدتا به عنوان نتایج فرعی افت و خیزهای کوچک کوانتومی در گوی آتشین اولیه، شروع به تراکم نمودند. عناصر سبک، مثل کربن ، اکسیژن و نیتروژن در ستارگان ساخته شدند. ستارگان شاخته شدند. ستارگان در حال انفجار ، عناصر بعد از آهن را در اسمانها پراکندند. این دوره، دورترین دوره ای است که به وسیلۀ تلسکوپ هابل تصویربرداری شده و قابل تجسس و بررسی است.

۷ ) ۶٫۵ میلیارد سال ، انبساط دِسیتر

انبساط فریدمن به تدریج پایان یافت و سرعت انبساط جهان رو به افزایش گذاشت. به این ترتیب، جهان وارد مرحله ای به نام انبساط دِسیتر شد. در این مرحله، نیروی مرموز ضد گرانشی که هنوز شناسایی نشده، جهان را به پیش می راند.

۸ ) ۱۳٫۸ میلیار سال ، امروز

اکنون دما به ۲٫۷ درجه کلوین کاهش یافته است. ما شاهد جهان امروزی، شامل کهکشانها، ستاره ها و سیارات هستیم. سرعت جهان، در یک حالت گریز، رو به افزایش است.

بیگ بنگ و جهانی بر خاسته از هیچ

ممکن است درنگاه اول با نظریه جهانی از هیچ و جهان های چندگانه مخالفت کنیم، زیرا به نظر می رسد این نظریه قوانین شناخته شده ای مثل قانون بقای ماده و انرژی را به هم می ریزد. در واقع، مجموع کل ماده به علاوه انرژی در جهان احتمالا خیلی کوچک است. درست است که مقدار ماده موجود در جهان شامل تمام ستارگان، سیارات و کهکشان ها مقداری مثبت و بزرگ است، بااین حال انرژی ذخیره شده در گرانش، ممکن است منفی باشد. اگر انرژی مثبت ماده را با انرژی منفی گرانش جمع کنیم، نتیجه عددی نزدیک به صفر خواهد بود! از بعضی جهات می توان گفت چنین جهان هایی آزاد هستند. آنها می توانند از درون خلاء تقریبا بدون هیچ تلاشی، بیرون بجهند. در جهان بسیار شگفت انگیز مکانیک کوانتوم که به توصیف رفتارها در مقیاس زیر اتمی می پردازد، نوسان ها و بی ثباتی های گاه به گاهی می تواند ماده و انرژی را از هیچ پدید آورد و به گفتۀ محققان، این در واقع می تواند به پدید آمدن چیزهای بسیار بزرگ هم بیانجامد.

انرژی تمامی ذرات بنیادی در لحظه تولد جهان ( بیگ بنگ ) بدون جرم بوده‌ اند اما در کسر بسیار کوچکی از ثانیه پس از آن هنگامی که ذرات هیگز از « انرژی بیگ بنگ» پدید آمده و کل جهان را پُر کردند و ناگهان برخی از ذرات بنیادی به واسطه برهم‌ کنش با آنها جرمدار شدند و همچنان این ذرات نامرئی در میدان هیگز جهان انرژی ابتدایی خود را حفظ کرده اند. خوب حال سوال پیش می آید بیگ بنگ انرژی اش را چطور بدست آورده است؟ در مدل های کوانتومی به علت افت و خیزهای میدان گرانشی ناپایدار، باعث می شود گذاری خود به خود به عالم در حال انبساط و ماده رخ دهد. ممکن است فکر کنید خلق ماده و انبساط آن به مقداری انرژی نیاز دارد و بنابراین اگر ماده از « فضای خالی » به وجود آمده باشد؛ پایستگی انرژی که یکی از اصول مسلم فیزیک است، بر هم خواهد خورد.

در واقع ، در فرایند هیچ؛ نقض پایستگی انرژی وجود ندارد. به یاد بیاورید که میدان گرانشی دارای انرژی منفی است. ( حالتی مقید به پروتون در حالتی با انرژی منفی وجود دارد؛ هر نیروی جاذبه ای چنین خصوصیتی دارد و نیروی گرانشی همیشه جاذبه ای است.) بنابراین می توان به موقعیتی رسید که انرژی گرانشی منفی با انرژی مثبت ماده ( و انبساط )در تعادل باشد که در نتیجه انرژی کل صفر می شود. معادلات کیهان شناسی کوانتومی نشان می دهند که عالم به علت افت و خیزهای کوانتومی بطور خود به خودی از خلا به وجود آمده است و بیگ بنگ های متعدد در اعصار مختلف بوده و خواهد بود.