بیگ بنگ: سفر 13.7 میلیارد ساله

چه چیزی باعث شد که جهان به شکل کنونی خود درآید؟ چگونه از یک نقطه‌ی داغ و متراکم به این وسعت بی‌پایان تبدیل شدیم؟ بیگ بنگ چیست؟ چرا جهان در حال گسترش است و این گسترش از چه زمانی آغاز شده است؟

این پرسش‌ها و بسیاری از دیگر سوالات بنیادی درباره‌ی آغاز کیهان، ذهن انسان‌ها را قرن‌ها به خود مشغول کرده است. پاسخ به این پرسش‌ها، در تئوری بیگ بنگ(مه بانگ) نهفته است.

تئوری بیگ بنگ، پذیرفته‌ترین توضیح کیهان‌شناسی برای چگونگی شکل‌گیری جهان است. در این مقاله، به بررسی دقیق‌تر این تئوری خواهیم پرداخت و به تحلیل نقش تابش پس‌زمینه کیهانی و شواهد علمی مرتبط با این نظریه خواهیم پرداخت تا به درک بهتری از چگونگی شکل‌گیری و تکامل جهان دست یابیم.

تولد جهان: 

حدود 13.7 میلیارد سال پیش، تمام اجزای جهان در یک تکینگی کوچک و بی‌نهایت متراکم و داغ فشرده شده بودند. ناگهان، یک انبساط انفجاری آغاز شد و جهان ما سریع‌تر از سرعت نور به سمت بیرون گسترش یافت. این دوره که به عنوان “تورم کیهانی” شناخته می‌شود، تنها کسری از ثانیه طول کشید—حدود 10^-32 ثانیه(عددی بسیار کوچک معادل یک تریلیونیم ثانیه)، بر اساس نظریه فیزیکدان آلن گاث در سال 1980 که برای همیشه نگاه ما به جهان را تغییر داد.

همچنین ژرژ لِمتر در سال 1931 نظریه‌ای را ارائه داد که بر اساس آن، کیهان از یک حالت اولیه بسیار داغ و متراکم به نام “اتم اولیه” آغاز شده است. لِمتر پیشنهاد کرد که این “اتم اولیه” در یک انفجار بزرگ به کیهان کنونی تبدیل شده و این فرآیند همچنان ادامه دارد.

جورج گاموف، فیزیکدان روسی-آمریکایی، به طور قابل توجهی به گسترش و توسعه نظریه بیگ بنگ یا همان مه بانگ کمک کرد. او در دهه 1940 و 1950، نظریات لِمتر را بهبود بخشید و به آن جنبه‌های جدیدی اضافه کرد. گاموف با همکاری دیگر فیزیکدانان، مدل بیگ بنگ را به یک نظریه جامع‌تر تبدیل کرد و به پیش‌بینی‌های جدیدی پرداخت. 

وقتی تورم کیهانی به طور ناگهانی و به شکلی همچنان اسرارآمیز به پایان رسید، توضیحات کلاسیک‌تری از بیگ بنگ مطرح شد. سیلی از ماده و تابش، که به عنوان “بازگرم‌شدن” شناخته می‌شود، شروع به پر کردن جهان ما با موادی کرد که امروز می‌شناسیم: ذرات، اتم‌ها، و موادی که به ستارگان و کهکشان‌ها تبدیل شدند و غیره. 

تمام این اتفاقات در اولین ثانیه پس از آغاز جهان رخ داد، زمانی که دمای همه چیز هنوز به شدت بالا بود، حدود ۱۰ میلیارد درجه فارنهایت (۵.۵ میلیارد درجه سلسیوس)، طبق گزارش ناسا. جهان در آن زمان شامل مجموعه‌ای وسیع از ذرات بنیادی مانند نوترون‌ها، الکترون‌ها و پروتون‌ها بود—مواد اولیه‌ای که به‌عنوان سنگ بنای تمام چیزهایی که امروز وجود دارند تبدیل شدند.

این “سوپ” اولیه را عملاً نمی‌شد دید، زیرا قادر به نگه‌داشتن نور قابل‌مشاهده نبود. ناسا بیان کرد: “الکترون‌های آزاد باعث پراکندگی نور (فوتون‌ها) می‌شدند، همان‌طور که نور خورشید از قطرات آب در ابرها پراکنده می‌شود.” اما با گذشت زمان، این الکترون‌های آزاد با هسته‌ها ترکیب شده و اتم‌های خنثی یا اتم‌هایی با بارهای مثبت و منفی مساوی را ایجاد کردند. این امر باعث شد که نور سرانجام پس از حدود ۳۸۰,۰۰۰ سال از بیگ بنگ عبور کند.  

این نور که گاهی به “پس‌تاب” بیگ بنگ معروف است، به‌طور دقیق‌تر به‌عنوان تابش مایکروویو کیهانی (CMB) شناخته می‌شود. اولین بار توسط رالف آلفر و دیگر دانشمندان در سال ۱۹۴۸ پیش‌بینی شد اما تقریباً ۲۰ سال بعد به‌طور تصادفی کشف شد. 

آیا نظریه بیگ بنگ ثابت شده است؟

این سوال به طور کلی قابل پاسخ‌گویی نیست. بهترین چیزی که می‌توانیم بگوییم این است که شواهد قوی برای نظریه بیگ بنگ وجود دارد و هر آزمایشی که به آن پرداخته‌ایم، از این نظریه حمایت می‌کند. ریاضیدان‌ها می‌توانند چیزها را اثبات کنند، اما دانشمندان تنها می‌توانند بگویند که شواهد از نظریه‌ای با درجه‌ای از اطمینان که همیشه کمتر از ۱۰۰٪ است، حمایت می‌کند.

به عبارت دیگر، تمامی شواهد مشاهده‌ای که جمع‌آوری کرده‌ایم با پیش‌بینی‌های نظریه بیگ بنگ سازگار است. سه مشاهده‌ی مهم عبارتند از: 

1. قانون هابل: این قانون نشان می‌دهد که اجسام دوردست از ما با نرخی متناسب با فاصله‌شان در حال دور شدن هستند — که وقتی انبساط یکنواخت در تمام جهات وجود دارد، رخ می‌دهد. این موضوع به تاریخچه‌ای اشاره دارد که در آن همه چیز به یکدیگر نزدیک‌تر بوده است.

2.ویژگی‌های تابش پس‌زمینه کیهانی (CMB): این تابش نشان می‌دهد که کیهان از گاز یونیده (پلاسمایی) به گاز خنثی تغییر وضعیت داده است. چنین تغییراتی به کیهان اولیه‌ی داغ و متراکم که با انبساط خنک شده، اشاره دارد. این تغییر وضعیت بعد از حدود ۴۰۰,۰۰۰ سال پس از بیگ بنگ رخ داده است. 

3. فراوانی نسبی عناصر سبک (He-4، He-3، Li-7، و دوتریوم): این عناصر در دوران هسته‌سازی بیگ بنگ (BBN) در چند دقیقه‌ی اول پس از بیگ بنگ تشکیل شده‌اند. فراوانی آن‌ها نشان می‌دهد که کیهان در گذشته بسیار داغ و بسیار متراکم بوده است (در مقایسه با شرایطی که CMB در آن شکل گرفته، که فقط داغ و متراکم معمولی بوده — تفاوت دمایی حدود یک میلیون برابر بین زمانی که BBN رخ داده و زمانی که CMB شکل گرفته وجود دارد). 

آیا نظریه بیگ بنگ به تمام سوالات درباره‌ی جهان پاسخ می‌دهد؟ 

نظریه بیگ بنگ بسیاری از پرسش‌های اساسی در مورد آغاز و تکامل جهان را توضیح می‌دهد و به عنوان مدل کیهان‌شناسی پذیرفته‌شده‌ای در این زمینه شناخته می‌شود. با این حال، این نظریه هنوز نمی‌تواند به تمام سوالات درباره جزئیات اولیه کیهان پاسخ دهد. به‌ویژه موضوعاتی مانند ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک که بیش از 95 درصد از ترکیب کیهانی را تشکیل می‌دهند، همچنان ناشناخته باقی مانده‌اند.

ماده تاریک و انرژی تاریک، نقش بسیار مهمی در ساختار و انبساط جهان ایفا می‌کنند، اما هنوز دانشمندان نمی‌دانند این نیروها و اجزای مرموز دقیقاً چه هستند و چگونه بر کیهان اثر می‌گذارند. علاوه بر این، پرسش‌هایی در مورد وضعیت دقیق جهان در لحظات نخستین پس از بیگ بنگ(مهبانگ) و اینکه چرا و چگونه انبساط کیهان به این شکل فعلی درآمده است، به‌طور کامل پاسخ داده نشده‌اند.

بنابراین، در حالی که نظریه بیگ بنگ چارچوبی گسترده و قدرتمند برای درک آغاز و توسعه کیهان فراهم می‌کند، نیاز به پژوهش‌های علمی بیشتر و مدل‌های تکمیلی همچنان احساس می‌شود تا پاسخ‌های دقیق‌تری به پرسش‌های اساسی درباره ساختار، ماهیت و سرنوشت نهایی جهان بیابیم.

پیدایش نظریه بیگ بنگ و بنیان‌گذاران آن

در سال 1929، ادوین هابل، ستاره‌شناس آمریکایی، مشاهداتی انجام داد که نشان می‌داد کهکشان‌ها در حال دور شدن از یکدیگر هستند. این مشاهدات هابل به شواهدی قوی برای نظریه انبساطی جهان تبدیل شد و به نوعی به عنوان تاییدی بر ایده‌ی لِمتر عمل کرد.

اصطلاح “بیگ بنگ” اولین بار در اواخر دهه 1940 توسط ستاره‌شناس انگلیسی، فرد هویِل، به کار رفت. جالب است که هویِل در ابتدا این اصطلاح را با حالتی طنزآمیز و انتقادی مطرح کرد، زیرا خودش از طرفداران نظریه “حالت پایدار” (Steady State Theory) بود که در آن، جهان بدون آغاز و بدون پایان در حالت ثابت و تغییرناپذیر فرض می‌شود. اما به‌مرور این اصطلاح رایج شد و تا دهه 1970، به عنوان مدل اصلی برای توصیف آغاز کیهان مورد پذیرش قرار گرفت.

در دهه 1960 و 1970، شواهدی مانند کشف تابش زمینه کیهانی (CMB) توسط آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون، اعتبار بیشتری به نظریه بیگ بنگ بخشید. این تابش به‌عنوان پژواکی از دوران اولیه کیهان شناخته شد و یکی از قطعی‌ترین شواهد برای تایید نظریه بیگ بنگ بود.

پرسش‌های معلق و نظریات جایگزین 

در حالی که نظریه بیگ بنگ به عنوان مدل اصلی برای آغاز کیهان شناخته می‌شود، هنوز هم پرسش‌هایی در مورد آن وجود دارد. یکی از بزرگ‌ترین سوالات این است که چه چیزی قبل از بیگ بنگ وجود داشت و آیا زمان وجود داشته است؟ برخی از دانشمندان بر این باورند که ممکن است مفهوم “قبل از بیگ بنگ” بی‌معنی باشد، زیرا زمان و فضا به طور همزمان با بیگ بنگ ایجاد شده‌اند. نظریات جایگزین مانند نظریه‌های چرخه‌ای کیهان، که پیشنهاد می‌کنند کیهان ممکن است بارها از یک حالت انقباضی به حالت انبساطی تبدیل شود، به بررسی این مسائل پرداخته‌اند. همچنین، نظریات مربوط به وجود یک “مولتی‌ورس” (چندجهانی) نیز به بررسی احتمال وجود کیهان‌های دیگر پرداخته‌اند. 

نتیجه‌گیری 

نظریه بیگ بنگ به‌عنوان مدلی جامع برای توضیح آغاز کیهان، به ما کمک کرده است تا درک بهتری از تاریخچه کیهانی و فرآیندهای اولیه‌ای که منجر به شکل‌گیری جهان امروزی شده‌اند، پیدا کنیم. ایده‌های پیشگامانی مانند ژرژ لِمتر و تلاش‌های علمی جورج گاموف نقش مهمی در شکل‌دهی، توسعه و تأیید این نظریه ایفا کرده‌اند و دیدگاه علمی ما را از یک جهان ایستا به جهانی در حال انبساط و تحول تغییر داده‌اند.

با این حال، نظریه بیگ بنگ با وجود شواهد و کشفیات متعدد، همچنان پرسش‌هایی اساسی و بی‌پاسخ درباره ماهیت دقیق آغاز کیهان، شرایط اولیه آن، و نیروهایی که در شکل‌گیری ساختارهای بزرگ کیهانی مؤثر بوده‌اند، باقی می‌گذارد. از جمله سوالات مهم در این زمینه می‌توان به ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک اشاره کرد که به‌طور اساسی بر انبساط کیهان تأثیر می‌گذارند اما هنوز ماهیت آن‌ها به‌طور کامل مشخص نشده است. این تردیدها و سوالات نشان می‌دهند که مسیر تحقیق و پژوهش درباره منشاء و تکامل کیهان همچنان باز است و دانشمندان به‌طور مداوم به بررسی و ارائه مدل‌های جدیدی می‌پردازند که بتوانند به درک عمیق‌تری از این معماهای کیهانی منجر شوند.