نظریه بیگ بنگ چیست؟ همه چیز درباره زمان رخداد بیگ بنگ

«نظریه بیگ بنگ» محتمل‌ترین توضیح برای آغاز و پیدایش عالم ماست. هرچند نظریه‌های متفاوت دیگری مانند نظریه «جهان نوسانی» نیز تلاش دارند تا چنین مسئله‌ای بنیادی و مهمی را حل کنند، اما در میان تمام این‌ها، نظریه بیگ بنگ با ویژگی‌های خاص خود و همخوانی با داده‌های کیهانی توانسته دقیق‌ترین توصیف را برای شروع عالم ارائه دهد. در این مقاله، به این سوال پاسخ می‌دهیم که نظریه بیگ بنگ چیست؟ و چطور قادر است آغاز عالم را برای ما شرح دهد.

نظریه بیگ بنگ

نظریه بیگ بنگ که آن را با نام «انفجار بزرگ» نیز می‌شناسیم، نظریه‌ای است که توضیح می‌دهد عالم ما چطور شروع شده و ساختارها در آن چطور شکل گرفته‌اند. به بیان ساده‌، این نظریه عقیده دارد عالم ما از یک نقطه یکتای بی‌نهایت داغ آغاز شده است و در طی 13.8 میلیاد سال به کیهانی که هم‌اکنون می‌بینیم، تبدیل شده است. پس از همین‌جا درمی‌یابیم که مطابق این نظریه، عالم ما ۱۳.۸ میلیارد سال سن دارد.

این کیهان حالا در مرحله انبساط شتابدار است و به صورت پیوسته کِش می‌آید! این را اخترشناس مشهور آمریکایی «ادوین هابل» به اثبات رساند. به عبارت دیگر، او دریافت که عالم درحال انبساط است و این انبساط شتابدار است. هابل این مسیٔله را به صورت اتفاقی در مطالعه سرعت کهکشان‌های نزدیک دریافت. نکته اینجاست که هرچه کهکشان دورتر باشد، با سرعت بیشتری نیز از ما دور می‌شود. پس اگر حالا همه چیز در حال دور شدن از هم است، زمانی در عالم وجود داشته که همه چیز بهم نزدیک بوده است. اگر به اندازه کافی به عقب بازگردیم، درمی‌یابیم که زمانی تمام عالم در یک نقطه یکتای بی‌نهایت متمرکز بوده است. این دقیقا همان چیزی است که نظریه بیگ‌ بنگ به آن باور دارد.

اصول حادثه بیگ بنگ

نظریه بیگ بنگ بر دو فرض استوار است. اولین مورد این است که نظریه نسبیت عام «آلبرت اینشتین» به درستی تعامل گرانشی مواد در عالم را توصیف می‌کند.

فرض دوم که «اصل کیهانشناسی» نامیده می‌شود که مطابق آن عالم همگن و همسانگرد است. به بیان دیگر، ناظر از جهان نه به جهت نگاهش بستگی دارد و نه به مکان او. هر ناظری در هرجای عالم، همان چیزی را می‌بیند که ناظر دیگری مشاهده می‌کند. البته در نظر داشته باشید که این اصل در مقیاس‌های بزرگ عالم - فواصل بیشتر از صد مگا پارسک - صادق است. پس طبق اصل کیهانشناسی، عالم در مقیاس‌های با فواصل بیشتر از صد مگاپارسک یک دست، یک ریخت و یک شکل است.

نظریه بیگ بنگ همچنین عقیده دارد عالم ما هیچ مرزی و لبه‌ای ندارد، به‌طوری که منشا بیگ بنگ (انفجار بزرگ) نه در یک نقطه خاص از فضا، بلکه در سراسر فضا به صورت همزمان در یک لحظه رخ داده است. همین نکته، محاسبه سن عالم را برای ما ممکن می‌سازد.

کیهان متولد می‌شود؛ زمان بیگ بنگ!

حدود 13.8 میلیارد سال پیش، همه چیز در کل عالم در یک نقطه بی‌نهایت کوچک متراکم شده بود. دما و چگالی در این نقطه بی‌نهایت بود. عالم در این مرحله شباهتی با هیچ چیز که اکنون می‌شناسیم نداشت.

ناگهان یک انبساط انفجاری بزرگ آغاز شد و جهان ما را با سرعتی بیشتر از سرعت نور منبسط کرد - این انبساط که با خنک شدن همراه بود، «تورم کیهانی» یا «Cosmological Inflation» نام دارد. این رخداد تنها در چند میلیونیوم ثانیه رخ داد. پس تنها کسری از ثانیه طول کشید تا پایان بپذیرد.

هنگامی که تورم کیهانی پایان یافت، عالم ما سرد، تاریک و خاموش بود. پس نیاز به اتفاقی احساس می‌شد که عالم را گرم کند تا شرایط برای بوجود آمدن ماده معمولی فراهم شود. پس از آن، دوره «بازگرمایش» یا «Reheating» آغاز شد و با گرم شدن مجدد عالم، شرایط برای به بوجود آمدن ذرات بنیادی مهیا شد.

در نظر داشته باشید که تمام این رخدادها تنها در چند ثانیه - حدودا سه ثانیه - اولیه شکل‌گیری عالم صورت گرفت. در این لحظات عالم به شدت داغ بود و دمایی در حدود 5.5 میلیارد درجه سانتیگراد داشت.

زمانی که امکان شکل‌گیری ذرات بنیادی فراهم شد، ذرات بنیادی مانند الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها عالم ما را پر کردند. کیهانشناسان این ترکیب را «سوپ کیهانی» می‌نامند. این ذرات بنیادی را می‌توان به عنوان مواد خامی در نظر گرفت که بلوک‌های اولیه ساختارهای کیهانی کنونی را شکل دادند. متاسفانه جمع‌آوری داده از این بلوک‌های ارزشمند غیرممکن است، زیرا هیچ نور مرئی از آن در عالم به جا نمانده است.

با گذشت زمان، دمای عالم تا جایی کاهش یافت که فوتون‌های تولید شده در واکنش‌های میان ذرات از قید الکترون‌ آزاد شده و در عالم پراکنده شدند. این همان تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی (CMB) است که در ادامه با آن بیشتر آشنا می‌شویم. در این مرحله بود که عالم بلاخره از فاز تاریکی خارج شد. به این مرحله از دوره شکل‌گیری عالم، دوره «تابش غالب» می‌گویند. این زمان حدود ۳۸۰ هزار سال طول کشید. پس عالم حدود ۳۸۰ هزار سال پس از بیگ بنگ روشن شد.

همینطور که عالم روشن و سرد می‌شد، ماده بر پادماده غلبه کرد -اکنون نیز می‌دانیم که ماده در عالم بر پادماده غالب است. ذرات به مرور زمان در کنار یکدیگر قرار گرفتند تا اولین اتم‌ها را در حدود یک میلیون سال پس از بیگ بنگ شکل دهند. نظریه بیگ بنگ باور دارد هیدروژن، هلیوم و لیتیوم اولین عناصر تولید شده در عالم هستند. به همین منوال، اولین ستاره‌ها، کهکشان و هر آنچه امروزه عالم ما را پر کرده است، بوجود آمد. در این مرحله، عالم در فاز «ماده غالب» قرار گرفت. در این مقاله ستاره‌ها را به تفصیل مورد بحث قرار داده‌ایم.

لازم به ذکر است که این نظریه برای اولین‌بار توسط فیزیکدان برجسته‌ای به نام «آلن گوث» در سال 1980 مطرح شد. البته پیش از آن، اخترشناسی به نام «ژرژ لماتر» در سال 1927 گفت: «جهان ما به عنوان یک نقطه شروع شده است. سپس کیهان کشیده شد و منبسط شد تا به اندازه‌ای کنونی برسد».

CMB چطور به این سوال پاسخ می‌دهد: تیٔوری بیگ بنگ چیست؟

CMB اولین بار توسط «رالف آلفر» و همکارانش در سال 1948 پیش‌بینی شد اما تقریبا 20 سال بعد به‌طور تصادفی کشف شد. این کشف تصادفی زمانی اتفاق افتاد که «آرنو پنزیاس» و «رابرت ویلسون» در آزمایشگاه‌های خود در «نیوجرسی» در سال 1965 مشغول ساخت یک گیرنده رادیویی بودند.

آن‌ها در آزمایشات خود اختلالاتی مشاهده کردند که در ابتدا گمان می‌شد در اثر لانه‌سازی کبوترها در مسیر آنتن بوجود آمده است. آن‌ها با رفع موارد احتمالی و انجام آزمایشات گوناگون دریافتند آنچه سیگنال‌هایش را دریافت می‌کنند - و سبب اختلال در اندازه‌گیری‌هایشان شده است - همان CMB یا تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی است.

همانطور که گفتیم، CMB قدیمی‌ترین نور باقی‌مانده در عالم است. کیهانشناسان به کمک داده‌هایی که CMB در اختیارشان قرار می‌دهد، می‌توانند صحت مدل‌های ریاضیاتی که تلاش دارند عالم را توصیف کنند، را بررسی کنند. اما این داده‌ها چطور جمع‌آوری می‌شوند؟

تاکنون ماهواره‌های متعددی با هدف مطالعه CMB و جمع‌آوری داده از آن به فضا پرتاب شده‌اند. «ماهواره کاوشگر پس‌زمینه کیهانی» که به اختصار «COBE» نیز نامیده می‌شود، یکی از این ماهواره‌ها است. این ماهواره در دهه ۱۹۹۰ از تابش پس‌زمینه کیهانی عالم نقشه‌برداری کرد.

پس از آن کاوشگر «ناهمسانگردی ریزموج ویلکینسون» ناسا یا به اختصار «WMAP» و ماهواره «پلانک» آژانس فضایی اروپا نیز به مطالعه CMB پرداختند.

ماهواره پلانک که برای اولین بار مشاهدات خود را در سال 2013 منتشر کرد، نقشه CMB را با جزئیات منحصربه‌فردی ترسیم کرد و نشان داد کیهان 13.8 میلیارد سال سن دارد - پیش از این گمان می‌شد کیهان 13.7 میلیارد ساله است. علاوه بر آن، این نقشه جدید اسرار جدیدی را برملا کرد. مانند اینکه چرا نیمکره جنوبی نقشه عالم کمی قرمزتر از نیمکره شمالی است. نظریه بیگ بنگ باور دارد CMB بدون توجه به اینکه به کجا نگاه می‌کنید، با دقت بالایی همدست و یکسان است، اما ناهمسانگردی‌هایی جزیٔی نیز در آن قابل تحلیل است.

انبساط در مقابل انفجار!

ما بیگ بنگ را به معنای «انفجار بزرگ» می‌شناسیم. اما این یک توصیف گمراه کننده است. در یک انفجار، قطعات در نقطه مرکزی به بیرون پرتاب می‌شوند. این درحالی است که در نظریه بیگ بنگ عالم ما، فضای بیرونی در زمان شکل‌گیری عالم وجود نداشته است و همه چیز همان نقطه بوده است.

اگر عالم ما در لحظات اولیه دچار انفجار می‌شد و ما در نقطه مرکزی آن ایستاده بودیم، می‌دیدیم که همه چیز به بیرون رانده می‌شود.

اما بیگ بنگ (انفجار بزرگ) اینطور نیست. رخداد بیگ بنگ خود گسترش فضا است و این مفهومی است که در نسبیت عام معنا می‌یابد و تناظر کلاسیکی ندارد.

انبساط عالم همچنان ادامه دارد!

حالا که با نظریه بیگ بنگ و مفهوم انبساط عالم آشنا شدیم، لازم است ذکر کنیم عالم ما هم‌اکنون نیز درحال انبساط است. پس از پایان دوره ماده غالب که در آن ساختارهای مادی شکل گرفتند، عالم وارد یک دوره انبساطی شد. اما این انبساط یک انبساط معمولی نیست، بلکه شتابدار است.

این بدان معناست که با گذشت زمان، سرعت انبساط عالم به صورت پیوسته افزایش می‌یابد. در این حالت، همواره شاهد دور شدن کهکشان‌های دور هستیم. دانشمندان باور دارند که نوعی انرژی که قابل دیدن نیست و تنها از طریق اثرات گرانشی می‌توانیم به حضور آن پی ببریم، مسبب رفتار انبساطی شتابدار عالم است. این انرژی را امروزه «انرژی تاریک» می‌نامیم و این دوره از عالم را دوره «انرژی تاریک غالب» نامگذاری می‌کنیم.

پس اگر به اندازه کافی صبر کنیم، درنهایت یک کهکشان با سرعت نور از ما دور خواهد شد. بیاید به این جمله جور دیگری فکر کنیم. اگر کهکشانی با سرعت نور از ما دور شود چه معنایی دارد؟ این یعنی حتی نور نیز نمی‌تواند هیچوقت فاصله‌ای که میان ما و آن کهکشان در اثر دور شدنش ایجاد می‌شود، طی کند. پس اگر فرازمینی‌ها در یک کهکشان دور سکونت داشته باشند، آن‌ها هیچگاه قادر نخواهند بود برای ارتباط با ما سیگنالی به زمین ارسال کنند زیرا این سیگنال هیچ‌گاه به ما نخواهد رسید.

شبیه‌سازی کیهان تازه متولد شده

از آنجایی که ما قادر نیستیم کیهان تازه متولد شده را ببینیم، دانشمندان به روش‌های مختلف در تلاش هستند تا آن را شبیه‌سازی کنند. به عنوان مثال، کیهانشناسان 400 نسخه از عالم کنونی را شبیه‌سازی و در یک ابرکامپیوتر اجرا کرده‌اند تا بتوانند لحظات اولیه کیهان را مشاهده کنند و مهر تاییدی بر نظریه بیگ بنگ بزنند. به گفته محققان این مطالعه، این کار همانند حدس زدن کودکی یک فرد از روی قدیمی‌ترین عکس‌هایش است.

در روشی دیگر، کیهانشناسان درتلاش هستند تا با درک نحوه تعامل نیروهای مختلف در جهان اولیه، آن را شبیه‌سازی کنند. در یک مطالعه که در سال 2020 انجام شد، محققان این کار را با بررسی تفاوت‌های موجود میان ماده و پادماده انجام دادند.

آن‌ها عقیده دارند عدم تعادل در مقدار ماده و پادماده در عالم به حضور ماده تاریک مرتبط می‌شود - ماده‌ای ناشناخته که تنها از طریق اثرات گرانشی در عالم می‌توان به وجود آن پی برد. این دسته از محققان باور دارند در لحظات اولیه پس از انفجار بزرگ عالم تحت تاثیر نیروی ضدماده قرار گرفته است.

در صورتی که این شبیه‌سازی‌ها بتوانند نتایجی منطقی را ارائه دهند، دانش ما از عالم اولیه ارتقا خواهد یافت و چه بسا نظریه بیگ بنگ تبدیل به یک اصل علمی شده و یا به‌طور رد شود و نظریه‌های دیگری جای آن را بگیرند.