نظریه بیگ بنگ
بینگ یا همان نظریه مشهور مِه بانگ در زبان فارسی در حال حاضر در جهان علم، معتبرترین مدل مابین مدلهای کنونی کیهانشناسی (دریای سیاهچاله، جهانهای متناوب و جهان از هم گسسته) است که وجود جهان قابل مشاهده را از ابتداییترین دوران شناختهشده در سراسر دورهه تکامل آن توضیح میدهد. این مدل توصیف میکند که چگونه جهان از یک وضعیت نخستین با دما و چگالی بسیار زیاد در گذر زمان انبساط یافتهاست و برای طیف گستردهای از پدیدههای مشاهدهشده، از جمله فراوانی عناصر سبک، تابش زمینه کیهانی و ساختار بزرگ مقیاس، توضیح جامعی ارائه میدهد. مهمتر از همه این پدیدهها سازگاری این نظریه با قانون هابل-لومتر است: هرچه کهکشانها از زمین دورتر هستند، سرعت دور شدن آنها از زمین نیز بیشتر است. با برونیابی انبساط جهان به سمت عقب در طول زمان و با استفاده از قوانین شناخته شدهی فیزیک، جهان متراکمتر و متراکمتر میشود تا به یک نقطه تکینگی میرسیم که در آن زمان و فضا معنی خود را از دست میدهند (این نقطه با نام تکینگی مهبانگ شناخته میشود). اندازهگیریهای جزئی نرخ انبساط جهان این نقطه تکینگی را حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش نشان میدهد، که میتوان این رقم را سن جهان در نظر گرفت. پس از انبساط اولیهه جهان به اندازه کافی سرد شد که امکان پیدایش ذرات زیراتمی و بعدها اتمهای ساده، پدید آید. به هم پیوستن ابرهای غولپیکر از عناصر اولیه (بیشتر از همه هیدروژن به همراه مقداری هلیم و لیتیم) بر اثر نیروی گرانش، باعث پیدایش ستارگان و کهکشانها شد. در کنار این عناصر سازندهه نخستین، اخترشناسان آثار گرانشی مربوط به یک مادهه تاریک ناشناخته که کهکشانها را احاطه کرده، را نیز مشاهده نمودهاند. به نظر میرسد که بیشتر پتانسیل گرانشی جهان در این شکل است و نظریه مهبانگ و سایر مشاهدات مختلف دلالت بر این دارند که این پتانسیل گرانشی اضافی از مادهه باریونی (مثل اتمهای عادی) ناشی نمیشود. اندازهگیری پدیدهه انتقال به سرخ (رد شیفت) نشان داد که انبساط جهان شتابدار است و شتابدار بودن آن نیز به وجود انرژی تاریک مربوط میشود.
نظریه بیگ بنگ
تاریخچه بیگ بنگ
ژرژ لومتر، کشیش و اخترشناس بلژیکی، نخستینبار در سال ۱۹۲۷ این ایده را مطرح نمود که انبساط جهان را میتوان در زمان رو به عقب دنبال نمود تا به نقطه اولیه رسید، که وی آن را اتم نخستین مینامید. در سال ۱۹۲۹، ادوین هابل با بررسی پدیدهه انتقال به سرخ در کهکشانها به این نتیجه دست یافت که کهکشانها در حال دور شدن از یکدیگر هستند. این کشف مهمی بود که با فرضیهه جهان در حال انبساط سازگار بود. تا چندین دهه جامعه علمی به دو دسته طرفداران نظریه مهبانگ یا همان بیگ بنگ و نظریه حالت پایدار تقسیم میشد که هر دو نظریه انبساط جهان را توضیح میداد اما نظریه حالت پایدار برخلاف مهبانگ که عمر جهان را متناهی میدانست، جهانی ازلی و بدون نقطه ابتدایی را توصیف میکرد. در سال ۱۹۶۴ تابش زمینه کیهانی کشف شد، که بسیاری از اخترشناسان را مجاب نمود که نظریه حالت پایدار ابطال شده است. بر خلاف نظریه حالت پایدار، نظریه مهبانگ وجود یک تابش یکنواخت پسزمینه در سراسر جهان را پیشبینی کرده بود که دلیل وجود آن را دماها و چگالیهای بالا در گذشته دور میداند. با استفاده از قوانین فیزیکی شناختهشده میتوان جزئیات ویژگیهای جهان را در گذشته تا حالت نخستین چگالی و دمای بسیار بالا محاسبه نمود. مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین (CFA) میگوید: سناریوی مهبانگ درباره منشأ جهان هستی کاملاً خاموش است.
چه نظریه هایی درمورد سرآغاز دنیا وجود دارد؟
در مورد پیدایش جهان، چند دیدگاه عمده در بین کیهانشناسان وجود دارد که عبارتند از:
- نظریه شماره یک: نظریه مهبانگ (انفجار بزرگ یا Big bang) این نظریه از سال 1900 میلادی پیشنهاد شد و هم اکنون از سوی اکثر اخترشناسان به عنوان بهترین نظریه موجود تلقی میشود. خلاصه این نظریه آن است که حدود بیست میلیون سال قبل تمام ماده و انرژی موجود در جهان، در نقطهای بسیار کوچک و فشرده متمرکز بوده است. این نقطه کوچک و بینهایت چگال و مرکب از ماده و انرژی، با سرعت نزدیک به سرعت نور در همه سو منتشر شد. پس از مدت کمی، ماده و انرژی از هم تفکیک شدند و تمام اجزاء گوناگون جهان امروز از درون این انفجار نخستین بیرون ریختهاند.
- نظریه شماره دو: نظریه حالت پایدار: در سال 1940 میلادی توسط “فردهویل”، اختر فیزیکدان انگلیسی پیشنهاد شد. خلاصه این نظریه آن است که جهان نه تنها از نظر فضایی یکنواخت است (اصل کیهانشناسی)، بلکه در طول زمان نیز تغییر ناپذیر هست. این نظریه به حادثه خاصی نظیر انفجار بزرگ وابسته نیست. در این نظریه ستارهها و کهکشانها ممکن است تغییر کنند اما در هر زمان، تصویر کلی جهان با تصویر امروزی آن، تفاوتی ندارد.
- نظریه شماره سه: نظریه پلاسما: تعداد کمی از اخترشناسان، خلقت جهان را با مدل “هانس آلفون” دانشمند سوئدی میبینند. خلاصه این نظریه آن است که 99 درصد جهان قابل مشاهده (عمدتاً ستارگان) از پلاسما ساخته شده است. پلاسما گاز یونیدهای است که بارهای الکتریکی آن از هم جدا شدهاند. همچنین، پلاسما را گاهی حالت چهارم ماده میدانند. صاحبان این نظریه معتقند که انفجار بزرگ هیچ گاه رخ نداده است، بلکه جهان ازلی بوده و به وسیله نیروی برقاطیس اداره میشود. پس جهان آغازی معین و انجامی قابل پیشبینی ندارد.
- نظریه شماره چهار: کهبانگ (انفجار کوچک): گروهی از اخترشناسان میگویند ماده بطور پیوسته در خلال انفجارهای کوچک خلق شدهاند. در این نظریه جهان به تدریج انبساط مییابد و کهکشانها شکل میگیرند.
- نظریه شماره پنج: نظریه لاپلاس (1749-1827م): در قرن هیجدهم میلادی “لاپلاس” فرانسوی، عالم مشهور ریاضیات و هیئت، به استناد اصل گازی بودن سحابیها و اینکه عده زیادی از آنها کشف شده بود، این فرضیه را اعلام نمود که عموم کرات آسمانی در ابتدای خلقت، از تودههای گاز بوده، پس از جدا شدن از یکدیگر و از دست دادن التهاب اولیه، رفته رفته سرد شده و کرات امروزی را تشکیل دادهاند.
توضیحاتی که مه بانگ درمورد سرآغاز دنیا به ما میدهد
نظریه مهبانگ توضیح کاملی درباره طیف گستردهای از پدیدههای مشاهدهشده، از جمله فراوانی عناصر سبک، تابش زمینه کیهانی (CMB)، وجود ساختارهای بسیار بزرگ و قانون هابل؛ ارائه میدهد. این نظریه بر دو فرض اساسی استوار است: جهانشمول بودن قوانین فیزیک و اصل کیهانشناختی. جهان شمول بودن قوانین فیزیکی جزو اصول زیربنایی نظریه نسبیت هستند. اصل کیهانشناختی بیان میکند که در مقیاسهای بزرگ، جهان همگن و همسانگرد است؛ یعنی از تمام جهات و مکانها یکسان به نظر میرسد. در آغاز این ایدهها به عنوان اصولی پذیرفتهشده بودند، اما امروزه تلاشهایی برای آزمودن درستی آنها در جریان است؛ مثلاً این مشاهده که بیشترین انحراف از ثابت ساختار ریز در قسمت عمدهای از عمر جهان در حد ۱۰−۵ است، آزمونی برای فرض نخست بهشمار میرود. همچنین نسبیت عام نیز آزمونهای دشواری را در مقیاس منظومه شمسی و ستارگان دوتایی پشت سر گذارده است. جهان بزرگ وقتی از روی زمین مشاهده شود همسانگرد به نظر میرسد. اگر واقعاً همسانگرد است، باید بتوانیم اصل کیهانشناختی را از اصل سادهتری به نام اصل کوپرنیکی نتیجهگیری کنیم. بنا بر اصل کوپرنیکی، هیچ مشاهدهکننده برتر یا نقطه مشاهده برتر و ویژهای وجود ندارد. تا امروز، اصل کیهانشناختی از طریق مشاهدات دمای تابش زمینه کیهانی تا حد ۱۰−۵، تأیید شدهاست. بنا بر اندازهگیریهای انجام شده در سال ۱۹۹۵، جهان در مقیاسهای بزرگ با حد بالای ۱۰٪ ناهمگنی، همگن است.
بیگ بنگ و انبساط فضا
در حال انبساط بودن جهان نخستین بار از مشاهدات نجومی اوایل قرن بیستم نتیجهگیری شد و از اجزای اصلی نظریه مهبانگ است. نظریه نسبیت عام، از نگاه ریاضیاتی، فضازمان را توسط یک متریک توصیف میکند که فاصلهای که نقاط نزدیک به هم را از یکدیگر جدا کرده، تعیین میکند. این نقاط که ممکن است کهکشان، ستاره یا اجسام دیگر هستند، در یک شبکه یا دستگاه مختصات که کل فضازمان را پوشش داده است؛ مشخص میشوند. از اصل کیهان شناختی چنین برمیآید که این متریک باید همسانگرد و همگن باشد و این شرط تنها با متریک فریدمان لومتر رابرتسون واکر همخوانی دارد. این متریک یک فاکتور مقیاس دارد که توصیف میکند اندازه جهان چگونه با زمان تغییر میکند. این به ما این امکان را میدهد دستگاه مختصات ویژهای به نام دستگاه مختصات همراه تعریف کنیم.
در این دستگاه مختصات، شبکه مختصات همگام و همراستا با انبساط جهان منبسط میشود و از این رو اجسامی که تنها دلیل حرکتشان، انبساط جهان است، در این دستگاه نقاط ثابتی هستند و حرکتی ندارند. در حالیکه فاصله مختصاتی (فاصله همراه) آنها ثابت میماند، فاصله فیزیکی آنها متناسب با فاکتور مقیاس گیتی افزایش مییابد مهبانگ مانند یک انفجار مادی نیست که مواد به سمت خارج پرتاب شوند و یک جهان خالی از پیش موجود را پر کنند، بلکه در این مورد، خود فضا نیز با گذر زمان منبسط میشود و فاصله فیزیکی بین دو نقطه همراه افزایش مییابد. به بیان دیگر مهبانگ انفجاری در فضا نیست بلکه انبساط خود فضاست. از آنجاییکه متریک فریدمان لومتر رابرتسون واکر (FLRW) بر پایه فرض توزیع یکنواخت ماده و انرژی استوار است، تنها در مقیاسهای بزرگ مصداق دارد و تودههای محلی ماده مانند کهکشان ما چون در دام گرانش محدود هستند، الزاماً انبساطی همسرعت با انبساط جهان ندارند.
افقها در بیگ بنگ
یکی از ویژگیهای مهم مهبانگ یا همان بیگ بنگ، وجود افق هاست. از آنجا که سن گیتی متناهی است و نور نیز با سرعتی متناهی حرکت میکند، ممکن است رویدادهایی در گذشته رخ دادهاند که هنوز نور آنها زمان کافی برای رسیدن به ما را نداشتهاست. این موضوع محدودیتی از نظر دورترین جسمی که قابل مشاهده است، بهوجود میآورد که افق گذشته خوانده میشود. و همچنین بالعکس چون گیتی در حال انبساط است و اجسام دورتر حتی با سرعت بیشتری از ما دور میشوند نوری که از جانب ما منتشر شود ممکن است هرگز به اجسام دور نرسد زیرا این اجسام نیز پیوسته در حال عقب رفتن هستند. این محدودیت یک افق آینده تعریف میکند که محدوده رویدادهایی در آینده که میتوانیم تحت تأثیر قرار دهیم را تعیین میکند. وجود هر یک از این افقهای گذشته و آینده وابسته به جزئیات مدل متریک فریدمان لومتر رابرتسون واکر است که گیتی را توصیف میکند. درکی که ما از گیتی در دوران بسیار قدیم آن داریم پیشنهاد میکند که افق گذشته وجود دارد هرچند که در عمل عدم شفافیت گیتی در دوران بسیار دور گذشته نیز دید ما را محدود میکند. پس اگرچه افق ما در فضا عقبنشینی میکند، دید ما هرگز نمیتواند به گذشته دورتر برسد. اگر گیتی به انبساط شتابدارش ادامه دهد یک افق آینده نیز وجود خواهد داشت.
تعادل گرمایی و بیگ بنگ
برخی فرایندها در لحظات آغازین با سرعت بسیار کمی نسبت به نرخ انبساط جهان رخ میدادند؛ تا به تعادل ترمودینامیکی تقریبی برسند. برخی دیگر به اندازه کافی سرعت داشتند که به تعادل گرمایی برسند. پارامتری که معمولاً برای تشخیص اینکه فرایندی در جهان اولیه به تعادل گرمایی رسیده است، استفاده میشود؛ نسبت میان نرخ فرایند(معمولاً نرخ تصادم بین ذرات) و پارمتر هابل است. هر چه این نسبت بزرگتر شود؛ ذرات بیشتری باید قبل از اینکه خیلی از هم دور شوند، به تعادل گرمایی برسند.
شکلگیری نظریه بیگ بنگ
نظریه مهبانگ از مشاهدات ساختار گیتی و بررسیهای نظری شکل گرفت. در سال ۱۹۱۲ وستو اسلیفر اثر دوپلر را در یک سحابی مارپیچی (سحابی مارپیچی نامی منسوخشده برای کهکشان مارپیچی است) اندازهگیری کرد و خیلی زود دریافت که تمام این سحابیها در حال دور شدن از زمین هستند. او در آن زمان متوجه جنبههای کیهان شناختی این کشف نشد. در واقع در آن زمان بحثی داغ پیرامون اینکه این کهکشانها ممکن است جهانهای جزیرهمانند دیگری هستند، در جریان بود. ده سال بعد یک کیهانشناس و ریاضیدان روسی به نام الکساندر فریدمان بر پایه معادلات میدان نسبیت عام اینشتین معادلات فریدمان را ارائه داد که نشان میداد برخلاف مدل جهان ایستا که اینشتین نیز از آن حمایت میکرد، جهان ممکن است در حال انبساط است. در سال ۱۹۲۴ اندازهگیری فاصله بزرگ ما تا نزدیکترین کهکشان مارپیچی توسط ادوین هابل نشان داد که این اجسام در حقیقت کهکشانهای دیگری هستند.
نقش هابل در شکل گیری نظریه بیگ بنگ
از همان سال ادوین هابل با تلاش بسیار در رصدخانه کوه ویلسون سریهایی از نمایشگرهای فاصله تدوین کرد که در واقع پایه نردبان فاصله کیهانی بودند. این به وی اجازه میداد که فاصله تا کهکشانهایی که انتقال به سرخ آنها قبلاً اغلب توسط اسلیفر اندازهگیری شده بود را تخمین بزند. در سال ۱۹۲۹ هابل کشف کرد که رابطهای میان فاصله و سرعت دور شدن وجود دارد، که امروزه به نام قانون هابل شناخته میشود. در آن زمان لومتر قبلاً نشان داده بود که این موضوع با استفاده از اصل کیهانشناختی، قابل پیشبینی است. در سال ۱۹۲۷ ژرژ لومتر؛ فیزیکدان و کشیش کاتولیک بلژیکی؛ در تلاشی جداگانه و با نتیجهگیری از معادلات فریدمان پیشنهاد داد که دور شدن کهکشانها ناشی از انبساط کیهان است. در سال ۱۹۳۱ لومتر پارا فراتر نهاد و پیشنهاد کرد که اگر انبساط جهان را در زمان به عقب برگردانیم، هر چه عقبتر رویم جهان کوچکتر میشود و در نهایت در یک زمان متناهی در گذشته کل جهان در یک نقطه فشرده میشود؛ یک اتم نخستین که درآن لحظه و از آنجا فابریک زمان و فضا به وجود آمد. در دهههای ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ تقریباً تمام کیهان شناسان برجسته نظریه حالت پایدار و جهان ازلی را ترجیح میدادند و گروهی نیز اعتراض داشتند که ایده «آغاز زمان» که از نظریه مهبانگ نتیجهگیری میشود مفاهیم مذهبی را وارد فیزیک نمودهاست.
این اعتراض بعدها نیز توسط طرفداران نظریه حالت پایدار دوباره مطرح شد. این واقعیت که ژرژ لومتر، بنیانگذار اصلی نظریه مهبانگ، یک کشیش کاتولیک بود، به این اعتراضات دامن میزد. آرتور ادینگتون با ارسطو همرای بود که جهان نقطه آغازی در زمان ندارد و ماده ابدی است. نقطه آغازی برای زمان در نظر وی غیرقابل قبول مینمود. اما لومتر با او موافق نبود و بر این باور بود که اگر دنیا از یک کوانتوم تنها شروع شده است مفاهیم زمان و فضا نمیتوانند در آغاز معنا پیدا کنند؛ آنها تنها زمانی میتوانند معنی پیدا کنند که کوانتوم اولیه به تعداد کافی از کوانتاها تقسیم شدهاند. اگر این پیشنهاد درست شود، آغاز دنیا کمی قبل از شروع زمان و مکان رخ دادهاست. در خلال دهه ۱۹۳۰ نظریههای دیگری همچون کیهانشناسیهای غیر استاندارد برای توضیح مشاهدات هابل مطرح شدند که از جمله این مدلها میتوان به مدل میلن، مدل چرخهای (که در ابتدا توسط فریدمان مطرح شد اما توسط انیشتین و ریچارد تولمان حمایت شد) و فرضیه نور خسته فریتز زوئیکی اشاره کرد.
نظریه بیگ بنگ پس از جنگ جهانی دوم
پس از جنگ جهانی دوم دو مدل متمایز وجود داشت. یکی مدل حالت پایدار فرد هویل بود که بنابراین نظریه طی انبساط جهان ماده جدید بهوجود میآید. در این مدل گیتی تقریباً در همه زمانها یکسان است. مدل دیگر نظریه مهبانگ ژرژ لومتر بود که توسط جرج گاموف حمایت شد و توسعه یافت. گاموف فردی بود که هستهزایی مهبانگ را معرفی نمود و همکاران او، رالف آشر آلفر و رابرت هرمان، تابش زمینه کیهانی را پیشبینی نمودند. این هویل بود که واژه Big Bang را برای اشاره به نظریه لومتر به کار برد. او این واژه را در یک برنامه رادیویی بیبیسی در مارس ۱۹۴۹ در حالیکه از نظریه لومتر به عنوان این ایده انفجار بزرگ یاد میکرد ابداع نمود. تا مدتی حمایت دانشمندان بین این دو نظریه تقسیم شده بود اما در نهایت شواهد تجربی (مهمتر از همه تعداد منابع رادیویی) به تدریج رأی به برتری نظریه مهبانگ داد. کشف و تأیید تابش زمینه کیهانی در سال ۱۹۶۴ جایگاه نظریه مهبانگ را به عنوان بهترین نظریه در توضیح آغاز و تکامل کیهان مستحکم نمود. بخش بزرگی از تلاشهای امروز در زمینه کیهانشناسی صرف فهمیدن چگونگی شکلگیری کهکشانها در نظریه مهبانگ، درک فیزیک جهان در زمانهای قبلتر و قبلتر و هماهنگسازی مشاهدات با نظریهها میشود.
نقش استیون هاوکینگ در نظریه بیگ بنگ
در سالهای ۱۹۶۸ و ۱۹۷۰ راجر پنروز، استیون هاوکینگ و جرج الیس مقالاتی منتشر نمودند که در آنها نشان دادند که تکینگیهای ریاضی شرایط اولیه اجتناب ناپذیری برای مدلهای نسبیتی مهبانگ هستند. پس از آن از دهه ۱۹۷۰ تا ۱۹۹۰، کیهانشناسان بر روی توصیف ویزگیهای جهان مهبانگ و حل مسائل حل نشده کار کردند. در سال ۱۹۸۱ آلن گوت با معرفی دوره انبساط سریع در جهان نخستین، با که او آن را دوره تورم کیهانی نامید؛ باعث پیشرفتی در تلاشهای نظری برای حل برخی مسایل حلنشده در مورد مهبانگ شد. در خلال این دههها دو پرسش کیهانشناسی مشاهدهای که سبب بحثها و اختلاف نظرهای بسیاری شدند، در مورد مقدار دقیق ثابت هابل و چگالی ماده جهان(پیش از کشف انرژی تاریک گمان میرفت که مهمترین عامل تعیین سرنوشت جهان است) بودند. در اواسط دهه ۱۹۹۰ از مشاهده برخی خوشههای ستارهای کروی چنین به نظر میرسید که این خوشهها در حدود ۱۵ میلیارد سال عمر دارند و این با سنی که برای جهان تخمین زده میشد در تناقض بود. این مشکل بعدها با شبیهسازیهای کامپیوتری جدید که آثار کاهش جرم بر اثر بادهای ستارهای را در نظر میگرفتند؛ حل شد و سن بسیار کمتری برای این خوشهها محاسبه شد. به دلیل پیشرفت در فناوری تلسکوپها و تحلیل دادههای ماهوارههایی همچون کاوشگر زمینه کیهان تلسکوپ فضایی هابل و دبلیومپ از اواخر دهه ۱۹۹۰ به بعد پیشرفتهای قابل توجهی در کیهانشناسی مهبانگ حاصل شدهاست. اکنون کیهان شناسان اندازهگیریهای نسبتاً دقیقی از بسیاری از پارامترهای مدل مهبانگ در دست دارند و متوجه این واقعیت غیرمنتظره شدند که به نظر میرسد سرعت انبساط جهان رو به افزایش است.
قرآن و بیگ بنگ، آیا قرآن نظریه بیگ بنگ را تایید میکند؟
خانم ابتسام باضریس، یک پژوهشگر زن سعودی که در بزرگترین تجربه علمی جهان برای شناخت آغاز پیدایش شرکت دارد، در پاسخ به سؤالی در باره میزان اعتقاد او به انفجار بزرگ (بیگ بنگ) گفت:” در قرآن کریم آمده است ( أَوَلَمْ يَرَ الَّذِينَ كَفَرُوا أَنَّ السَّمَاوَاتِ وَالْأَرْضَ كَانَتَا رَتْقاً فَفَتَقْنَاهُمَا وَجَعَلْنَا مِنَ الْمَاء كُلَّ شَيْءٍ حَيٍّ أَفَلَا يُؤْمِنُونَ )، این آیه به آن معناست که آسمان و زمین قبل از جدا شدن شیئ واحدی بوده است. او در پاسخ به این سؤال که آیا تخصص وی در فیزیک باعث نشده است که همچون بسیاری از دانشمندان دیگر به نظریه ماتریالیستی پیدایش معتقد شود، بیان داشت :”به عنوان یک مسلمان، قرآن را ترجیح میدهم و همواره گفته پیامبر (ص) را بیاد دارم که فرموده است (هر آنکه راه کسب علم را بپیماید خداوند راه وی به بهشت را آسان میسازد) لذا باید علم را برای شناخت جهان اطراف خود بکار گیریم و با بازگشت به قرآن به علم خود بیفزاییم.
ارسال پاسخ