تئوری بیگ بنگ چیست

جهان ما چگونه ایجاد شد؟ چگونه این مکان ظاهراً نامحدود به وجود آمده است و سرنوشت آن چه خواهد شد؟ این ها سوالاتی هستند که از همان ابتدا فیلسوفان و دانشمندان را متحیر کرده و منجر به پیدایش نظریه های بسیار جالب و بحث برانگیزی شده است. امروز، اتفاق نظر دانشمندان، ستاره شناسان و کیهان شناسان بر این است که جهان در یک انفجار عظیم ایجاد شده است که نه تنها اکثریت ماده را ایجاد می کند، بلکه قوانین فیزیکی حاکم بر کیهان رو به گسترش ما است. تئوری بیگ بنگ سعی می کند به این پرسش ها بهترین پاسخ را بدهد.

تئوری بیگ بنگ درباره چه چیزی صحبت می کند

این تئوری که به انگلیسی Big Bang Theory شناخته می شود. برای تقریباً یک قرن، توسط محققان و غیر دانشمندان به طور یکسان مطرح شده است. این موضوع تعجب آور نیست، زیرا قابل قبول ترین نظریه در مورد ریشه های پیدایش جهان است.

اما این تئوری دقیقاً به چه معناست؟ جهان ما چگونه در یک انفجار عظیم تصور شده است، چه مدرکی در این مورد وجود دارد و این نظریه درباره پیش بینی های طولانی مدت جهان ما چه می گوید؟

اصول نظریه بسیار ساده است. به طور خلاصه، فرضیه بیگ بنگ بیان می کند که همه مواد موجود و گذشته در جهان، تقریبا در ۱۳.۸ میلیارد سال پیش و به طور هم زمان به وجود آمده است.

در این زمان، تمام مواد به صورت یک توپ بسیار کوچک با چگالی بی نهایت و گرمای شدید فشرده می شدند که تکینگی (Singularity) نامیده می شد. ناگهان تکینگی گسترش یافت و جهان همانطور که می دانیم آغاز شد.

در حالی که این تنها نظریه مدرن در مورد چگونگی به وجود آمدن جهان نیست – به عنوان مثال، تئوری حالت ثابت یا نظریه جهان نوسانی وجود دارد – این تئوری بیگ بنگ است که به طور گسترده پذیرفته و محبوب شده است.

این مدل نه تنها منشأ تمام مواد شناخته شده، قوانین فیزیک و ساختار مقیاس بزرگ جهان را توضیح می دهد، بلکه گسترش جهان و طیف وسیعی از پدیده های دیگر را نیز به خود اختصاص می دهد.

تایم لاین یا جدول زمانی

دانشمندان با به عقب بردن وضعیت فعلی جهان، نظریه پردازی هایی انجام داده اند که بیان می کنند جهان باید در یک نقطه از چگالی بی نهایت و زمان محدود باشد که شروع به گسترش می کند.

پس از گسترش اولیه، این نظریه معتقد است که جهان به اندازه کافی سرد شده است تا اجازه تشکیل ذرات زیر اتمی و اتم های ساده بعدی را بدهد. ابرهای عظیم این عناصر اولیه بعداً از طریق نیروی جاذبه با هم ترکیب شده و ستاره ها و کهکشان ها را تشکیل داده اند.

همه این موارد تقریباً ۱۳.۸ میلیارد سال پیش آغاز شده و بنابراین عصر آغاز جهان محسوب می شود. دانشمندان از طریق آزمایش اصول نظری، آزمایش های مربوط به شتاب دهنده های ذرات و حالات پرانرژی و مطالعات نجومی که اعماق جهان را مشاهده کرده اند، جدول زمانی از وقایع را ساخته اند که با انفجار بزرگ آغاز شده و منجر به وضعیت فعلی تکامل کیهانی می شود.

با این حال، اولین ثانیه های تشکیل جهان، مورد گمانه زنی های گسترده ای است. با توجه به اینکه قوانین فیزیک در این زمان نمی توانستند وجود داشته باشند، درک این که چگونه جهان اداره می شود دشوار است.

علاوه بر این، آزمایشاتی که می توانند انواع انرژی های درگیر را ایجاد کنند، هنوز انجام نشده است. با این وجود، بسیاری از نظریه ها درباره آن چه در این لحظه اولیه در زمان اتفاق افتاده است، توضیحات قابل قبولی ارائه داده اند.

تکینگی (Singularity)

این دوره که به عنوان عصر پلانک نیز شناخته می شود، اولین دوره شناخته شده جهان است. در این زمان، همه مواد در یک نقطه واحد از چگالی بی نهایت و گرمای شدید متراکم شدند. در این دوره اعتقاد بر این است که اثرات کوانتومی گرانش بر فعل و انفعالات فیزیکی مسلط است و هیچ نیروی فیزیکی دیگری از قدرت جاذبه برابری نمی کند.

این دوره زمانی پلانک از نقطه ۰ تا تقریباً ^۴۳-۱۰ ثانیه امتداد داشته است! به دلیل بسیار کوچک و محدود بودن این زمان، پلانک نامگذاری شده است زیرا فقط در زمان پلانک قابل اندازه گیری است.

به دلیل گرما و تراکم شدید ماده، وضعیت جهان بسیار ناپایدار بود. بنابراین شروع به گسترش و خنک شدن کرد و منجر به تجلی نیروهای بنیادی فیزیک شد.

تقریباً از ^۴۳-۱۰ ثانیه و ^۳۶-۱۰، جهان شروع به عبور از دمای انتقال می کند. در این جا است که تصور می شود نیروهای بنیادی حاکم بر جهان شروع به جدا شدن از یکدیگر کرده اند. اولین قدم در این کار جدا کردن نیروی جاذبه از دیگر نیروها بود؛ نیروهایی که نیروی هسته ای قوی و ضعیف و الکترومغناطیس را تشکیل می داند.

دوره تورم (Inflation Epoch)

با ایجاد اولین نیروهای اساسی جهان ، دوره تورم آغاز شد و از ^۳۲-۱۰ ثانیه در زمان پلانک تا یک نقطه نامعلوم ادامه داشت. بیشتر مدل های کیهانشناسی نشان می دهد که جهان در این مرحله به طور همگن با تراکم انرژی بالا پر شده و درجه حرارت و فشار فوق العاده بالا باعث انبساط و خنک سازی سریع شده است.

این از ^۳۷-۱۰ ثانیه شروع شد، جایی که انتقال فاز که باعث جدایی نیروها شد نیز به دوره ای منجر شد که جهان به صورت تصاعدی رشد کرد. همچنین در این برهه از زمان بود که باریوژنز رخ داد، که به رویدادی فرضی اشاره دارد که در آن دما چنان بالا بود که حرکات تصادفی ذرات با سرعت نسبی رخ می داد.

در نتیجه، انواع مختلفی از جفت های ذره و ضد ذره به طور مداوم در حال ایجاد و از بین رفتن بودند. اعتقاد بر این است که این روند منجر به غلبه ماده بر پاد ماده در جهان فعلی شده است. پس 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 و ماده ها به هم پیوسته و شکل گرفتند.

دوره سرد شدن (Cooling Epoch)

در حالی که در جهان تراکم و دما کاهش می یابد، انرژی هر ذره شروع به کاهش می کند و انتقال فاز تا زمانی که نیروهای بنیادی فیزیک و ذرات بنیادی به شکل فعلی تغییر می کنند، ادامه می یابد.

از آن جا که انرژی ذرات به مقادیری کاهش می یابد که می توان با آزمایش های فیزیک ذرات به دست آورد، این دوره به بعد کم تر مورد حدس و گمان قرار می گیرد.

از آن جایی که دما به اندازه کافی بالا نبود تا بتواند جفت های جدید پروتون – آنتی پروتون ایجاد کند، بلافاصله نابودی جرم صورت گرفت و از هر ۱۰ به توان ۱۰ پروتونن، فقط یک پروتون و نوترون اصلی باقی ماند و هیچ یک از ذرات آن باقی نماند.

فرآیند مشابهی در حدود ۱ ثانیه پس از انفجار بزرگ برای الکترون ها و پوزیترون ها اتفاق افتاد. پس از این نابودی ها، پروتون ها، نوترون ها و الکترون های باقیمانده دیگر به صورت نسبی حرکت نمی کردند و چگالی انرژی جهان توسط فوتون ها تحت سلطه قرار گرفت.

چند دقیقه پس از انبساط، دوره معروف به نوکلئوسنتز بیگ بنگ نیز آغاز شد. به لطف کاهش دما تا ۱ میلیارد کلوین و تراکم انرژی تا حدودی معادل هوا، نوترون ها و پروتون ها شروع به ترکیب کردند تا اولین دوتریم (یک ایزوتوپ پایدار هیدروژن) و اتم های هلیم، جهان را تشکیل دهند. با این حال، بیشتر پروتون های جهان به عنوان هسته های هیدروژن بدون ترکیب باقی مانده اند.

پس از حدود ۳۷۹۰۰۰ سال، الکترون ها با این هسته ها ترکیب شده و اتم ها را تشکیل دادند که باز هم بیشتر آن ها هیدروژن بودند. این در حالی بود که تابش از ماده جدا شده و در فضا گسترش می یافت. اکنون این تشعشع زمینه تابش مایکروویو کیهانی (CMB) را تشکیل می دهد، که امروزه قدیمی ترین نور جهان را تشکیل می دهد.

دوره تشکیل ساختار (Structure Epoch)

در طی چندین میلیارد سال بعد، مناطق متراکم تر که تقریباً به طور یکنواخت در جهان توزیع شده بودند، جذب یکدیگر شدند. بنابراین حتی بیشتر متراکم شده و ابرهای گازی، ستاره ها، کهکشان ها و دیگر ساختارهای نجومی را که امروزه به طور منظم مشاهده می کنیم، تشکیل دادند.

این همان چیزی است که به عنوان دوره تشکیل شناخته می شود. زیرا در این زمان بود که جهان مدرن شکل گرفت. این ماده از ماده مرئی توزیع شده در ساختارهایی با اندازه های مختلف، از ستارگان و سیارات گرفته تا کهکشان ها، خوشه های کهکشان توزیع شد.

تاریخچه:

اولین نشانه های انفجار بزرگ در نتیجه مشاهدات در اعماق فضا در اوایل قرن ۲۰ رخ داده است. در سال ۱۹۱۲، منجم آمریکایی وستو اسلیفر مجموعه ای از مشاهدات کهکشانهای مارپیچی (که تصور می شد سحابی هستند) را انجام داد. تقریباً در همه موارد، کهکشان های مارپیچی در حال دور شدن از کهکشان ما، راه شیری بودند.

در سال ۱۹۲۲، الکساندر فریدمن کیهان شناس روسی، آن چه را که به عنوان معادلات فریدمن شناخته می شود، ساخت. این معادلات از معادلات اینشتین برای نسبیت عام الهام گرفته شده است. بر خلاف آن چه انیشتین در آن زمان از یک ثابت کیهانی طرفداری می کرد، کارهای فریدمن نشان داد که جهان احتمالاً در حالت انبساط است.

در سال ۱۹۲۴، اندازه گیری ادوین هابل از فاصله زیاد تا نزدیکترین سحابی مارپیچی نشان داد که این سیستم ها در واقع کهکشان های دیگری هستند. در همان زمان، هابل با استفاده از تلسکوپ هوکر ۱۰۰ اینچی (۲.۵ متری) در رصدخانه Mount Wilson شروع به توسعه یک سری شاخص های فاصله کرد. تا سال ۱۹۲۹، هابل همبستگی بین فاصله و سرعت را کشف کرد که اکنون به عنوان قانون هابل شناخته می شود.

سپس در سال ۱۹۲۷، ژرژ لمیتر فیزیکدان بلژیکی و کشیش کاتولیک، به طور مستقل همان نتایج معادلات فریدمن را به دست آورد و پیشنهاد کرد که استنباط کهکشان ها به دلیل گسترش جهان است.

در سال ۱۹۳۱، او مطالعات خود را گسترش داد و این پیشنهاد را مطرح کرد که گسترش فعلی جهان به این معنی است جهان کوچک تر خواهد شد. وی اظهار داشت، در برهه ای از گذشته، کل جرم جهان در یک نقطه متمرکز شده که تار و پود فضا و زمان از آن جا سرچشمه گرفته است.

این اکتشافات بحثی را در طول دهه های ۱۹۲۰ و ۳۰ بین فیزیکدانان به وجود آورد که اکثریت طرفدار این بودند که جهان در یک وضعیت ثابت است. در این مدل جدید، ماده جدید به طور مداوم با انبساط جهان ایجاد می شود، بنابراین یکنواختی و چگالی ماده در طول زمان حفظ می شود. در میان این دانشمندان، ایده انفجار بزرگ یا تئوری بیگ بنگ بیشتر الهیاتی به نظر می رسید تا علمی، از این رو اتهامات مغرضانه بر اساس سوابق مذهبی وی نسبت به لمیتر مطرح شد.

پس از جنگ جهانی دوم، این بحث بین طرفداران مدل ثابت جهان (Steady State) که توسط ستاره شناس فرد هویل رسمیت یافته بود و طرفداران تئوری بیگ بنگ که محبوبیت آن روز به روز بیشتر شد، به سر آمد. از قضا، این هویل بود که در هنگام پخش رادیوی بی بی سی در مارس ۱۹۴۹، عبارت “بیگ بنگ” را ابداع کرد.

سرانجام، شواهد مشاهده شده بیشتر به نفع بیگ بنگ بود. کشف و تأیید تابش زمینه مایکروویو کیهانی در سال ۱۹۶۵، بیگ بنگ را به عنوان بهترین نظریه مبدا و تکامل جهان مورد تایید قرار داد. از اواخر دهه ۶۰ تا دهه ۱۹۹۰، ستاره شناسان و کیهان شناسان با حل مشکلات نظری که مطرح بود، اعتبار این تئوری را افزایش دادند.

این ها شامل مقالاتی بود که توسط استیون هاوکینگ و سایر فیزیکدانان ارائه شده بود و نشان می داد که تکینگی ها شرط اولیه نسبی و عمومی اجتناب ناپذیر و مدل کیهان شناسی بیگ بنگ است.

امروزه، کیهان شناسان اندازه گیری های نسبتاً دقیقی درباره بسیاری از پارامترهای تئوری بیگ بنگ انجام داده اند. نیازی به گفتن از سن جهان نیست. همه چیز با مشاهدات یاد شده آغاز شد که اجرام عظیم ستاره ای و سایر اجرام در سال های نوری دور به آرامی از ما دور می شوند.

اگر چه هنوز مطمئن نیستیم که چگونه همه چیز به پایان خواهد رسید، اما می‌دانیم که در مقیاس کیهان شناسی، این مدت طولانی نخواهد بود!