بیگ بنگ ؛ آغاز جهان چگونه رخ داد؟

بیگ بنگ ؛ آغاز جهان چگونه رخ داد؟

نظریه بیگ بنگ توضیح اصلی در مورد چگونگی آغاز کیهان است. در ساده ترین حالت ، این نظریه می‌گوید جهان با یک تکینگی کوچک و نوعی انفجار خاص آغاز شده است ، سپس در طول 13.8 میلیارد سال تا امروز به کیهانی که امروزه می شناسیم گسترش یافته است.

تاریخچه ابتدایی نظریه بیگ بنگ

در سال ۱۹۱۲ وستو اسلیفر (Vesto Slipher) اثر دوپلر را در یک  سحابی مارپیچی (امروز آنها را به نام کهکشان های مارپیچس میشناسیم) اندازه‌گیری کرد و متوجه شد این سحابی‌ها از زمین دور می‌شوند. وی در آن زمان نتایج کیهان شناختی این کشف را متوجه نشد. در واقع در آن روزگار بحث بر سر اینکه این کهکشان‌ها ممکن است کیهان‌های جزیره‌ ای دیگری باشند، مطرح بود. یک دهه بعد یک بالکساندر فریدمان  کیهان‌شناس و ریاضیدان روسی بر پایه معادلات میدان نسبیت عام اینشتین  معادلاتی را ارائه داد که به معادلات فریدمان شهرت یافت.

این معادلات نشان می‌داد بر خلاف مدل جهان ایستا که اینشتین نیز از آن حمایت می‌کرد، جهان ممکن است در حال انبساط باشد. در سال 1924 اندازه‌گیری فاصله بزرگ ما تا نزدیکترین کهکشان مارپیچی توسط ادوین هابل نشان داد که این اجسام کهکشان هستند. در سال 1927 ژرژ لومتر بلژیکی، فیزیکدان و کشیش کاتولیک، با بکارگیری از معادلات فریدمان پیشنهاد کرد که دور شدن کهکشان‌ها ناشی از انبساط کیهان است.سپس در سال 1931 لومتر پیشنهاد داد که اگر انبساط کیهان را در زمان معکوس، به عقب برگردانیم، هر چه عقب‌تر می‌رویم جهان کوچکتر می‌شود و در نهایت در یک نقطه فشرده‌می‌شود.تا حدود 1930 اکثر کیهان شناسان برجسته نظریه حالت پایدار و جهان ابدی را ترجیح می‌دادند، اما شواهد بعدی که در ادامه به آن خواهیم رسید، کم کم این تصور را کم ‌رنگ کرد.

شواهد بیگ بنگ

ابزارهای فعلی به ما اجازه نمی‌دهند که از بدو تولد کیهان به عقب برگردیم. بسیاری از آنچه که ما درباره نظریه بیگ بنگ می‌دانیم از فرمول‌ها و مدل های ریاضی است، اما تنها این ریاضیات نیست که این نظریه را تایید می‌کند. می‌توان اثرات انبساط و گسترش کیهان را از طریق پدیده‌ای به نام تابش زمینه کیهانی مشاهده کرد . در سال 2013 تصاویر پرتوهای پس زمینه ای که از بیگ بنگ بجا مانده ثبت شده است.

البته نخستین شواهد تجربی از بیگ بنگ توسط قانون هابل بود. در سال 1929 هابل طبق مشاهدات پژوهش‌های مرتبط با انتقال به سرخ چندین کهکشان و مقایسهٔ آنها با هم متوجه شد کهکشان‌های دورتر با سرعت بیشتری در حال دور شدن از یکدیگر هستند. پیش از آن هم این موضوع در معادلات اینشتین پیش بینی شده بود.(لومتر نیز قبلاً نشان داده بود که این موضوع با استفاده از اصل کیهان‌شناختی قابل پیش‌بینی است.) دانشمندان پس از کشف این موضوع به این نتیجه رسیدند که کیهان شروع داشته است . به این دلیل که گفتیم اگر هرچه به عقب‌تر برگردیم جهان کوچک‌تر می‌شود، تا جایی که به یک جرم کوچک می‌رسیم که بسیار پر حرارت و با چگالی فوق العاده بالاست و تمام کیهان فعلی از آنجا شروع می‌شود؛ با نوع خاص و منحصر بفردی از انفجار که پس از آن کیهان با تورم اولیه منبسط می‌شود.

ثابت هابل ( H ) در کیهان شناسی نشانگر سرعت انبساط کیهان است. یعنی از لحظه آغاز کیهان تاکنون آهنگ انبساط تمام اجرام کیهان قابل محاسبه است.طبق آخرین مشاهدات ماهواره پلانک سرعت انبساط کیهان حدودا برابر با 67 کیلومتر در هر ثانیه در هر مگاپارسِک (parsec) است.پارسک یکی از واحدهای سنجش مسافت در اخترشناسی است. یک پارسک برابر با 30.9 تریلیون کیلومتر و معادل 3.26 سال نوری است.

پایه ای ترین ”شواهد تجربی مستقیم” از بیگ بنگ؛ انبساط نوع هابل، اندازه گیری‌ جزئیات تابش پس زمینه کیهانی، فراوانی نسبتا زیاد عناصر سبک در روند هسته زایی بیگ بنگ و همچنین سازوکار نقشه و تکامل اجرام در مقیاس بزرگ است. این چهار شواهد تجربی مستقیم در تایید نظریه بیگ بنگ می‌باشد و علاوه بر این انبوهی از شواهد ریز و درشت غیر مستقیم که باعث شد اکثر کیهان شناسان امروز، بیگ بنگ را بپذیرند و مدل‌های رقیب، تاکنون از کیهان شناسی استاندارد کنار گذاشته شوند.

قبل و پس از بیگ بنگ

(پیش از این در مطلبی به این موضوع پرداختیم که تقریباً هیچ چیزی در مورد قبل از دیوار پلانک نمی‌دانیم.در اینجا)در انرژی پلانک که معادل 19^10 میلیارد الکترون ولت است ، نیروی گرانش به میزان نیروهای دیگر ضعیف نبوده و احتمالاً چهار نیروی فعلی، هسته ای ضعیف، قوی، مغناطیس و گرانش در یک ابر نیرو جمع شده بودند.

طبق نظریه تقارن گات GUT یک ابرتقارن باعث اتحاد این چهارنیرو بود که پس از آن دچار شکست تقارنی می‌شود. در این موارد فرض ‌هایی مطرح است که تاکنون مدل مورد توافقی وجود ندارد. علت این ابهام نقطهٔ تکینگی در ابتدای کیهان است.یعنی ما اگر تا آغاز کیهان به عقب برگردیم به نقطه ای می‌رسیم به نام عصر پلانک یا دیوار پلانک که در آن قوانین فیزیک نقض می‌شود.به همین دلیل تاکنون نتوانسته ایم در این مورد اطلاعات کافی و مورد توافق بدست آوریم. البته یکی از بخش‌های مربوط با سوءبرداشت‌ها و کژفهمی‌ها در همینجاست. ( معمولاً این کژفهمی ها توسط کسانی که بدون تخصص دخالت های تخصصی دارند ایجاد می‌شود).

در ثانیه 34- ^10 شکست تقارن در چهار نیرویی که ذکر شد به اصطلاح حبابی را ایجاد کرد که با سرعت زیاد منبسط شد. با تورم این حباب، چهار نیروی بنیادی به سرعت تجزیه شدند. گرانش، اولین نیرویی بود که از سه نیروی دیگر جدا شد. ابرتقارن کوچکتر شد و کیهان در این لحظه، با ضریبی حدود 50^10 متورم شد. این تورم باعث شد فضا با سرعت فوق نور منبسط شود.

دما در این حالت 32^10 بوده است.در ثانیه 24- ^10 ثانیه تورم به اتمام رسید.با جدا شدن نیروی قوی از دو نیروی دیگر، دما تا 27^10درجه پایین آمد. جهان از حالت تورم خارج شد و با انبساط استاندارد فریدمن پیش رفت. در این حالت، کیهان پلاسمایی داغ بود که ابتدا در حدود 36^10 تا حدود 6^10 وارد عصر کوارک شد. کوارک ذره ای است که امروزه فقط در داخل ذرات دیگر یافت می شود. هیچ کوارک انفرادی تاکنون پیدا نشده است ، اما دلایل نظری خوبی برای این باور وجود دارد که آنها در کیهان جوان به عنوان ذرات مستقل وجود داشته‌اند.

علت این امر مربوط به گلئون ها است. مهمترین نیرو برای کوارک‌ها نیروی هسته‌ای قوی است که توسط گلئون ها ایجاد میشود، اما در آن لحظات کوارک‌ها بقدری نزدیک بودند که عملاً این نیرو را بسیار ضعیف و ناتوان می‌کرد.کوارک ها به حدی نزدیک بودند که گلون ها تقریبا هیچ تاثیری نداشتند و کوارک ها برای جابجایی در هر مکانی آزاد بودند سپس با جدا شدن و فاصله گرفتن کوارک ها ، نیروی هسته ای قوی بین آنها قوی تر شده و به همین ترتیب آنها را با قدرت بیشتری جمع می‌کند. به چنین حالتی ” پلاسمای کوارک-گلوئون ” گفته می شود .

پس از این مجموعه ای از کوارک‌ ها، گلئون ها و لپتون‌های آزاد ایجاد شد. کوارک‌های آزاد پس از تراکم به پروتون ها و نوترونهای امروزی تبدیل شدند. جهان ما در این مرحله هنوز بسیار کوچک بود و اندازهٔ آن حدوداً به اندازهٔ منظومۀ شمسی بود. ماده و پاد ماده یکدیگر را خنثی کردند، اما ماده باقی ماند. ( 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. )

هسته زایی دقایق نخستین

در کیهان‌شناسی به شکلگیری هسته‌های سنگین‌تر از هیدروژن در دقایق نخست کیهان-تا حدود سه دقیقه نخست- هسته زایی گفته می‌شود. در این دوره دوتریوم  (ایزوتوپ سنگین‌تر هیدروژن با نام کوتاه شدهٔ ‎H-2‎ یا D)، ایزوتوپ‌های ‎He-3‎ و ‎He-4‎ هلیوم و ایزوتوپ‌های ‎Li-6‎ و ‎Li-7‎ لیتیوم ساخته شدند. افزون بر این، هسته‌های پایدار، چند نوع هستهٔ ناپایدار (رادیواکتیو)، تریتیوم یا ‎H-3‎، بریلیوم 7 و 8 (8وBe7) در این دقایق شکل گرفت.درواقع کاهش دما این فرایند را ایجاد کرد. در طی این فرایند نسبت 75% هیدروژن به 25% هلیوم برقرار شد.

در واقع هیدروژن موجود در آب، قدمتی نزدیک به عمر کیهان دارد و اگر کمی فانتزی به موضوع نگاه کنیم، آب در نظر کیهان شناسان از قدیمی ترین پدیده های موجود در جهان ماست.فرایند همجوشی عناصر بالاتر ، به دلیل اینکه هسته های دارای ۵ ذره خیلی ناپایدار بودند، متوقف شد.تد در این دوره تا ۳۸۰۰۰۰ سال بعد ، یعنی زمانی که اتم ها متولد می‌شوند به دلیل پراکندگی نور توسط الکترون های آزاد، کیهان مات بود و شفافیت نداشت.دما در این دوران به ۳۰۰۰ درجه کلوین کاهش یافت و با استقرار الکترون در اطراف هسته ها، اتم‌ها بدون اینکه به دلیل گرما از هم پاشیده شوند، شکل گرفتند. فوتون ها در این دوره این امکان را یافتند که بدون این جذب شوند، حرکت کنند. این تابش توسط COBE و WMAP اندازه گیری شده است. جهانی که زمانی مات و حوای پلاسما بود، پس از این دوره شفاف شد.یعنی خلأ از اینجا به بعد به رنگ سیاه فعلی درآمد.

نقص نظریه بیگ بنگ

وقتی سخن از نقص این نظریه می‌شود به این معنا نیست که لزوماً این نظریه ایراد دارد. بلکه منظور کمبودهایی است که شاید با گسترش و پیشرفت‌‌های کیهان شناسی در این مورد برطرف شود، چرا که نشانه‌هایی که در تأیید این نظریه وجود دارند، از شواهد مستقیم و غیر مستقیم کلی تا شواهد مستقیم و غیر مستقیم جزئی، بیشمار هستند.

به عبارت دیگر مثل هر نظریه دیگر، بیگ بنگ نیز از این قاعده مستثنا نیست که همواره پرسش‌هایی جدید بر اثر پاسخ به پرسش‌های پیشین مطرح می‌شود.برای بعضی از این پرسش‌ها و ابهامات پاسخ‌هایی وجود دارند و برای پاسخ به برخی دیگر همچنان نیازمند پیشرفت و توسعهٔ کیهان شناسی هستیم. چند مسأله ای که در ابتدا بعنوان معضل نظریه بیگ بنگ مطرح بود،  مسئله تک قطبی مغناطیسی  مسئله تخت بودن و مسئله افق بود که با ارائه نظریه جهان تورمی حل می‌شود. اما خود این نظریه جهان تورمی نیز توسط برخی از دانشمندان مورد نقد واقع شده است.(جزییات بیشتر در مورد نظریه تورم)

اما مشکل دیگری که هنوز پاسخ مورد توافق ندارد، مسئله ماده  و پادماده (ضدماده) است. وقتی ماده با پادماده برخورد کند، یکدیگر را نابود می کنند و انرژی آنها به تابش تغییر می یابد. طبق درک فعلی ما، در کیهان جوان و بسیار داغ تعداد باریونها و پادباریون‌ها برابر بود.به عبارت دیگر احتمالاً ماده و پادماده بطور متعادل و یکسان بوده است،یعنی باید بطور کلی هم ماده و هم پادماده ازبین می‌رفت، در صورتیکه مشاهدات نشان می‌دهند که کیهان فعلی به‌طور کامل از ماده ساخته‌شده‌ است.

باید فرایندی ناشناخته به نام باریون‌زایی  این عدم تقارن را ایجاد کرده باشد. اما برای باریون‌زایی، باید سه شرط ساخاروف وجود داشته باشد.

۱-پایستگی عدد باریونی نقض شود

۲-تقارن سی و تقارن سی پی نقض شود.

۳-جهان از شرایط تعادل ترمودینامیکی فاصله بگیرد

علیرغم اینکه این شروط در مدل استاندارد وجود دارد؛ اثرات آن تا حدی نیست که عدم تقارن باریونی فعلی توجیه شود.باز هم در این مورد پیشنهاداتی ارائه شده که همچنان دسترسی کافی برای بررسی دقیق وجود ندارد و به همین دلیل مورد توافق و اجماع دانشمندان نیست.

برای مثال برخی پیشنهاد کرده‌اند که در فواصلی دور از ما ممکن است مناطقی از پادماده تشکیل شده باشد و  کهکشان‌های کاملی ساخته شده باشند. اما چون فواصل بسیاری از خلأ میان جهان ماده و آنها که از پادماده هستند، وجود دارد،از نابودی آنها محافظت شده باشد.بر اساس درک فعلی که ما از وقایع اولیه در کیهان داریم ، این احتمال کمی بعید به نظر می‌رسد، چون ذرات و ذرات ضد ذره در جهان جوان تقریباً با هم ایجاد شده‌اند و شرایط مناسبی برای چنین گسستی فراهم نبود.یک پیشنهاد دیگر این است که به دلیل ویژگی عجیب برخی از ذرات سنگین، ماده بیشتری از پادماده تولید شده باشد، که احتمال این مسأله بسیار کم است. به هرحال به نظر می‌رسد تاکنون پاسخ قانع کننده‌ای که مورد توافق و اجماع کیهان شناسان واقع شود، وجود ندارد.

آرین رسولی

آی دی کانال تلگرام: @arian_xboy

منابع برای مطالعه بیشتر

http://dx.doi.org/10.1111%2Fj.1749-6632.1989.tb50513.x

history of the universe.book…Sakharov، A.D. . «Violation of CP Invariance, C Asymmetry and Baryon Asymmetry of the Universe». Zhurnal Eksperimental’noi i Teoreticheskoi Fiziki, Pisma.  Journal of Experimental and 

http://adsabs.harvard.edu/abs/1931Natur.128..704L

space.com/big bang

برای مطالعات جزییات عمومی و غیر تخصصی به زبان فارسی پیرامون این موضوعات می‌توانید به کتب ترجمه شده‌ زیر رجوع کنید:

-پس از نخستین سه دقیقه نوشته: پادمانابان، انتشارات ققنوس یا سه دقیقه اول نوشته واینبرگ

-جهان تورمی نوشته آلن گوث؛ در مورد تورم کیهان

-آوای مهبانگ نوشته آمدئو بالبی،انتشارات مازیار ؛در مورد تابش زمینه کیهانی