دانستنی همه چیز درباره بیگ بنگ

[Like crazy<3]

جهان چگونه آغاز شد؟

اکثر فیزیکدانان معتقدند که عالم 13/8 میلیارد سال پیش در اثر یک انفجار بزرگ یا بیگ بنگ متولد شده است. در این مدل قبل از این انفجار انرژی تشکیل دهنده همه اجسام و اجرام در کیهانی که امروز می‌بینیم، در داخل یک فضای کوچک غیر قابل تصور فشرده شده بوده است (بسیار ریزتر از یک دانه شن، یا حتی یک اتم). سپس این دیگ داغ، متراکم و غیرقابل تصور به هر دلیلی با سرعت زیاد منبسط و تبدیل به یک بالون شد.

در اولین ثانیه وجود جهان درک ما از آنچه اتفاق می‌افتد به طرز شگفت انگیزی خوب است. ما می‌دانیم که مفاهیم زمان، مکان و قوانین فیزیک خیلی سریع تحکیم شدند. از آنجا بود که رویداد پدیده‌ها از هرج و مرج و حرکات تصادفی بیرون آمد و اولین ذرات زیر اتمی مانند کوارک شکل گرفتند.

سپس ذرات بزرگتر مانند پروتون و نوترون شکل گرفتند و حدود سه دقیقه بعد جهان تا 1 میلیارد درجه سانتیگراد سرد شده بود. این امر باعث شد تا پروتون‌ها و نوترون‌ها از طریق همجوشی به هم برسند و هسته‌هایی را تشکیل دهند که هسته‌های اتم هستند.

اما بعد از 20 دقیقه جهان دیگر به اندازه کافی برای همجوشی گرم نبود و آنچه باقی مانده بود یک سوپ گرم و ابری از الکترون‌ها و هسته‌های هیدروژن و هلیوم بود. این مرحله حدود 380,000 سال به طول انجامید. سرانجام کیهان به اندازه کافی سرد شد تا الکترون‌ها با هسته‌ها جفت شوند و اولین اتم‌ها را بسازند. پس از آن صدها میلیون سال طول کشید تا اولین ستاره‌ها شکل بگیرند و تاریکی را روشن کنند و بالاخره به شکلی که امروز آن را می‌بینیم برسند.

جهان ما چگونه ایجاد شده است؟ چگونه این مکان ظاهراً نامحدودی که امروزه آن را می‌شناسیم به وجود آمده است؟ و در سال‌های آینده چه اتفاقی برای آن خواهد افتاد؟ این‌ها سوالاتی است که از همان ابتدا فیلسوفان و دانشمندان را درگیر کرده و منجر به پیدایش نظریه‌های بسیار بکر و جالب شده است. امروزه دانشمندان، ستاره شناسان و کیهان شناسان بر این موضوع اتفاق نظر دارند که جهان همانطور که می‌دانیم در یک انفجار عظیم یا بیگ بنگ ایجاد شده است که نه تنها سبب ایجاد ماده شده است بلکه قوانین فیزیکی حاکم بر کیهان در حال انبساط ما را پدید آورده است.

این تئوری که با نام نظریه بیگ بنگ یا بیگ بنگ شناخته می‌شود برای تقریباً یک قرن توسط محققان و دیگران مورد بحث و گفتگو بود. این موضوع زمانی که می‌توان امروزه میزان مقبولیت این نظریه را در جامعه دید عجیب نیست . اما سوالی که مطرح است این است که این اصطلاح دقیقاً به چه معنا است؟ جهان ما چگونه در یک انفجار عظیم تصور شده است، چه مدرکی در این مورد وجود دارد و این نظریه درباره طرح‌های طولانی مدت جهان ما چه می‌گوید؟

اصول این نظریه بسیار ساده است. به طور خلاصه، نظریه بیگ بنگ بیان می‌کند که همه مواد موجود و گذشته در جهان همزمان یعنی تقریبا از 13/8 میلیارد سال پیش وجود داشته است. در این زمان تمام مواد به صورت یک توپ بسیار کوچک با چگالی بی نهایت و گرمای شدید فشرده شده‌اند که تکینگی نامیده می‌شوند. در این نظریه ناگهان تکینگی گسترش یافته و جهان همانطور که می‌دانیم آغاز شده است.

در حالی که این تنها نظریه مدرن در مورد چگونگی به وجود آمدن جهان نیست و نظریه‌های دیگری مانند نظریه عالم در حالت ثابت یا نظریه جهان دارای نوسان نیز وجود دارد، این نظریه به طور گسترده پذیرفته شده و محبوب است.

نظریه بیگ بنگ نه تنها منشأ تمام مواد شناخته شده، قوانین فیزیک و ساختار مقیاس بزرگ جهان را توضیح می‌دهد بلکه گسترش جهان و طیف وسیعی از پدیده‌های دیگر را نیز به خود اختصاص می‌دهد.

جدول زمانی عالم به چه صورت است؟

دانشمندان با بررسی زمان‌های اولیه عالم و بازگشت به این دوران ابتدایی از وضعیت فعلی جهان، به این نتیجه رسیده‌اند که ماده باید در یک نقطه از چگالی بی نهایت و زمان محدود بوده باشد و سپس شروع به گسترش کرده است. پس از گسترش اولیه، این تئوری معتقد است که جهان به اندازه کافی سرد شده است تا اجازه تشکیل ذرات زیر اتمی و اتم‌های ساده بعدی را بدهد. ابرهای عظیم این عناصر اولیه بعداً از طریق نیروی جاذبه با هم ترکیب شده و ستاره‌ها و کهکشان‌ها را تشکیل داده‌اند.

همه این اتفاقات تقریباً 13/8 میلیارد سال پیش آغاز شده و بنابراین به عنوان سن عالم محسوب می‌شود. دانشمندان به وسیله بررسی اصول نظری، آزمایش‌های مربوط به شتاب دهنده‌های ذرات و حالات پرانرژی و مطالعات نجومی که اعماق جهان را مشاهده کرده‌اند یک جدول زمانی از حوادثی ساخته‌اند که با انفجار بزرگ یا بیگ بنگ آغاز شده و منجر به وضعیت فعلی تکامل کیهانی شده است.
ی تکامل کیهانی شده است.


با این حال اولین لحظه‌های آغاز عالم یعنی تقریباً از 10−4310−43 تا 10−1110−11 ثانیه پس از بیگ بنگ مورد شک و تردیدهای گسترده‌ای است. با توجه به اینکه قوانین فیزیک همانطور که می‌دانیم در این زمان نمی‌توانستند وجود داشته باشند درک اینکه چگونه جهان اداره می‌شود دشوار است.

علاوه بر این آزمایشاتی که می‌توانند انواع انرژی‌های موجود در عالم امروزی را بررسی کنند هنوز انجام و تائید نشده است. با این حال هنوز بسیاری از نظریه‌ها درباره آنچه در این لحظه‌های اولیه در عالم اتفاق افتاده مورد بحث است اما بسیاری از آن‌ها با هم سازگار هستند. در ادامه دوره‌های مختلف عالم بعد از بیگ بنگ را بررسی و معرفی می‌کنیم.

تصویر 1: دوره‌های زمانی متفاوت بعد از بیگ بنگ به صورت مخروط نشان داده شده است. اعداد در بالای مخروط نشان دهنده دما و در پایین مخروط نمایشگر زمان هستند. در این تصویر اعداد با توان منفی به صورت 10- و اعداد با توان مثبت به صورت 10+ نمایش داده شده‌اند.

تکینگی عالم یا دوره پلانک چیست؟​

این دوره که به عنوان عصر پلانک (یا دوره پلانک) نیز شناخته می‌شود، اولین دوره شناخته شده جهان است. در این زمان همه مواد در یک نقطه واحد از چگالی بی نهایت و گرمای شدید متراکم شده‌اند. اعتقاد بر این است که در این دوره اثرات کوانتومی گرانش بر فعل و انفعالات فیزیکی غالب است و هیچ نیروی فیزیکی دیگری با قدرت جاذبه برابر نیست.

این دوره زمانی پلانک از نقطه 0 تا تقریباً 10−4310−43 ثانیه ادامه دارد و به این دلیل به این نام شناخته می‌شود که فقط در زمان پلانک قابل اندازه‌گیری است. به دلیل گرما و تراکم شدید ماده، وضعیت عالم در این دوره بسیار ناپایدار بوده است. بنابراین شروع به گسترش و خنک شدن کرده و منجر به تجلی و ظهور نیروهای بنیادی فیزیک شده است.

تقریباً از 10−4310−43 تا 10−3610−36 ثانیه جهان شروع به عبور از دمای انتقال می‌کند. در این بازه است که تصور می‌شود نیروهای بنیادی حاکم بر عالم شروع به جدا شدن از یکدیگر کرده‌اند. اولین جداسازی در این مورد نیروی جاذبه است که از نیروهای دیگر که نیروهای هسته‌ای قوی، ضعیف و الکترومغناطیس هستند جدا می‌شود.

سپس از 10−3610−36 تا 10−3210−32 ثانیه پس از انفجار بزرگ، دمای جهان به اندازه کافی پایین بوده است (یعنی 1028 درجه کلوین) که نیروهای الکترومغناطیسی (نیروی قوی) و نیروهای هسته‌ای ضعیف (برهمکنش ضعیف) توانایی جدا شدن از یکدیگر و تشکیل دو نیروی مجزا را داشته باشند.

تصویر 2: تایک لاین زمانی بعد از بیگ بنگ. در تصویر 10−3210−32 و 10−1110−11 به صورت 10-32 و 10-11 نمایش داده شده است.

دوره تورم عالم چیست؟​

با ایجاد اولین نیروهای اساسی جهان دوره تورم آغاز شد و از 10−3210−32 ثانیه در زمان پلانک تا یک نقطه نامعلوم ادامه داشت. بیشتر مدل‌های کیهانشناسی نشان می‌دهد که جهان در این مرحله به طور همگن با تراکم انرژی بالا پر شده است و درجه حرارت و فشار فوق العاده بالا باعث انبساط و خنک سازی یا کولینگ سریع می‌شود.

این دوره از ثانیه 10−3710−37 آغاز شد، جایی که انتقال فاز که باعث جدایی نیروها شده بود به دوره‌ای منجر شد که جهان به صورت تصاعدی رشد کرد. همچنین در این برهه از زمان بود که«باریوژنز» (baryogenesis) رخ داد. باریوژنز به رویدادی فرضی اشاره دارد که در آن دما چنان بالا بوده است که حرکات تصادفی ذرات با سرعت نسبیتی رخ داده است.

 

[Like crazy<3]

دوره سرد شدن یا کولینگ عالم چیست؟

همانطور که چگالی و دمای عالم کاهش می‌یابد انرژی هر ذره نیز شروع به کاهش می‌کند و انتقال فاز ادامه می‌یابد تا زمانی که نیروهای بنیادی فیزیک و ذرات بنیادی به شکل فعلی به وجود می‌آیند. از آنجا که در این دوره انرژی ذرات به مقادیری کاهش می‌یابد که می‌توان با آزمایش‌های فیزیک ذرات آن‌ها را مورد بررسی قرار داد، فرضیه‌ها و نظریه‌های احتمالی در مورد این دوره کمتر است و با قطعیت بیشتری می‌توان در مورد این دوره سخن گفت.
به عنوان مثال دانشمندان معتقدند که حدود 10−1110−11 ثانیه پس از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ انرژی ذرات به طور قابل توجهی کاهش یافته است. در حدود 10−610−6 ثانیه کوارک‌ها و گلوئون‌ها با هم ترکیب شده و باریون‌هایی مانند پروتون و نوترون تشکیل داده‌اند و مقدار کمی کوارک بیش از آنتی کوارک منجر به وجود مقدار کمی باریون نسبت به آنتی باریون‌ها شده است.
از آنجایی که در این دوره دما به اندازه کافی بالا نبوده تا بتواند جفت‌های جدید پروتون-آنتی پروتون (یا جفت نوترون-آنتی نوترون) ایجاد کند، بلافاصله نابودی جرم صورت گرفته است و از هر 10101010 پروتون و نوترون اولیه فقط یک پروتون و نوترون اولیه باقی مانده و هیچ یک از آنتی ذرات نیز باقی نمانده است. همچنین فرآیند مشابهی در حدود 1 ثانیه پس از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ برای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها نیز اتفاق افتاده است. پس از نابودی این ذرات، پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌های باقیمانده دیگر به صورت نسبیتی حرکت نمی‌کنند و چگالی انرژی عالم توسط فوتون‌ها و به میزان کمتری نوترینوها تحت سلطه قرار گرفت.

چند دقیقه پس از شروع انبساط، دوره معروف به نوکلئوسنتز بیگ بنگ نیز آغاز شد. به لطف کاهش دما تا 1 میلیارد درجه کلوین و کاهش تراکم انرژی به انرژی هوا، نوترون‌ها و پروتون‌ها شروع به ترکیب می‌کنند تا اولین دوتریم جهان (یک ایزوتوپ پایدار هیدروژن) و اتم‌های هلیم جهان را تشکیل دهند. با این حال بیشتر پروتون‌های عالم به عنوان هسته‌های هیدروژن بدون ترکیب باقی ماندند.
پس از حدود 379,000 سال، الکترون‌ها با این هسته‌ها ترکیب شده و اتم‌ها را تشکیل می‌دهند که باز هم بیشتر اتم‌ها هیدروژن هستند. این در حالی است که تشعشعات نیز از ماده جدا شده و تا حد زیادی بدون مانع در فضا گسترش می‌یابد. امروزه این تشعشع شناخته شده است و به نام تابش‌های پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) که امروزه قدیمی‌ترین نور در جهان است شناخته می‌شود.

تصویر 3: شبیه‌سازی تابش‌های پس زمینه کیهانی یا CMB
با گسترش CMB، این تابش به تدریج چگالی و انرژی خود را از دست داد و در حال حاضر دما و چگالی انرژی آن به ترتیب 2.7260±0.0013 K(−270.424∘C/−454.763∘F)2.7260±0.0013 K(−270.424∘C/−454.763∘F) و 0.25eV/cm3 (or 4.005×10−14 J/m3;400−500 photons /cm3)0.25eV/cm3 (or 4.005×10−14 J/m3;400−500 photons /cm3) تخمین زده می‌شود. این تابش پس زمینه کیهانی یا CMB را می‌توان در همه جهات و با فاصله تقریبی 13/8 میلیارد سال نوری مشاهده کرد، اما برآورد فاصله واقعی آن را در فاصله 46 میلیارد سال نوری از مرکز جهان قرار می‌دهد.

دوره ساختار عالم چیست؟​

در طی چندین میلیارد سال پس از بیگ بنگ، مناطق کمی متراکم از ماده تقریباً یکنواخت توزیع شده در عالم شروع به جذب گرانشی یکدیگر کردند. بنابراین با افزایش چگالی در این مناطق ابرهای گازی، ستاره‌ها، کهکشان‌ها و دیگر ساختارهای نجومی که امروزه به طور منظم مشاهده می‌کنیم، تشکیل شد.
این دوره همان چیزی است که به عنوان دوره ساختاری عالم شناخته می‌شود، زیرا در این دوره بود که جهان مدرن شکل گرفت. این دوره شامل ماده مرئی توزیع شده در ساختارهایی با اندازه‌های مختلف از ستارگان و سیارات گرفته تا کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشان و خوشه‌های عظیم در جاهایی که ماده متمرکز شده، است. این اجرام توسط خلیج‌های عظیم که حاوی تعداد کمی کهکشان است از هم جدا شده‌اند.
جزئیات این فرآیند به میزان و نوع ماده موجود در جهان بستگی دارد. مواد موجود در عالم به چهار نوع ماده تاریک سرد، ماده تاریک گرم، ماده تاریک داغ و ماده باریونیک تقسیم شده‌اند. با این حال مدل ماده تاریک لامبدا سرد (Lambda-CDM) که در آن ذرات ماده تاریک به آرامی در مقایسه با سرعت نور حرکت می‌کنند، به عنوان بهترین مدل کیهان شناسی بیگ بنگ در نظر گرفته می‌شود زیرا به بهترین صورت داده‌های موجود را توضیح می‌دهد.
در این مدل، ماده تاریک سرد حدود 0.230.23 ماده-انرژی عالم را تشکیل می‌دهد در حالی که سهم ماده باریونیک حدود 4.64.6 است. لامبدا یا ΛΛ به ثابت کیهان شناختی اشاره دارد، ثابتی که ابتدا و برای اولین بار توسط آلبرت انیشتین ارائه شد و تلاش کرد نشان دهد تعادل انرژی-جرم در جهان ثابت است. در این حالت، این ثابت را با انرژی تاریک مرتبط می‌دانند که باعث شتابدار شدن انبساط عالم و حفظ ساختار مقیاس بزرگ یکنواخت می‌شود.

تصویر 4: شبیه سازی عالم بدون ماده تاریک
برای آشنایی بیشتر با کیهان شناسی و گرانش، می‌توانید فیلم آموزش مبانی گرانش (Gravitation) را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده، لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

پیش بینی‌های طولانی مدت برای بیگ بنگ​

فرضیه اینکه جهان نقطه شروع دارد به طور طبیعی سوالاتی درباره یک نقطه پایان احتمالی ایجاد می‌کند. اگر جهان به عنوان یک نقطه کوچک از چگالی بی نهایت شروع به گسترش کند، آیا این بدان معناست که به طور نامحدود ادامه خواهد یافت؟ یا اینکه روزی نیروی انبساط آن تمام شده و شروع به عقب نشینی به سمت داخل می‌کند تا همه مواد دوباره به یک توپ کوچک تبدیل شوند؟
از زمان آغاز بحث در مورد مدل صحیح عالم و کیهان شناسی، پاسخ دادن به این سوال مورد توجه کیهان شناسان بوده است. با پذیرش نظریه بیگ بنگ و قبل از مشاهده انرژی تاریک در دهه 1990، کیهان شناسان در مورد دو سناریو به عنوان محتمل‌ترین نتایج برای عالم به توافق رسیده بودند.