نگاهی به بیگ بنگ

 

نویسنده : امیرسجاد رضایی

مقدمه

حتما ما می دانیم که جهان آغازی داشته است ، هرچند که این علم از جستجوی بشر برای بهتر فهمیدنش چندان راضی نیست . کنجکاوی های ما باعث می شود که این سؤال در ذهن ما ایجاد شود که جایگاه ما در جهان چیست و یا اینکه جایگاه خود جهان کجا است . در سراسر زمان ما این سؤالات را از خومان داشته ایم که جهان چطور آغاز شد ؟ و یا اینکه سن جهان چند سال است ؟ دیگر سؤال مطرح این است که ماده چگونه پدید آمد . این سؤالات آسان نیستند و ما در طول عمرمان در تاریخ این سیاره در تلاش هستیم که سرنخ هایی را به دست آوریم . اما هنوز با صرف این همه انرژی « چرا » های بسیاری باقی است که ما فقط می توانیم در آنها تأمل کنیم .

ما راه های بسیاری را برای کشف چگونگی آغاز کیهان و خواستگاه جهان هستی پیموده ایم که بسیار طولانی نیز بوده اند . از میان درک های علمی نوین ما این امکان را داریم که تعدادی تئوری را برای پاسخ به این سؤالات آماده کنیم که آنها را فرضیه می خوانیم . طبیعت صحیح علم بدین گونه است که اکثریت این پاسخ ها فقط در حد یک تئوری هستند که در آن سؤالات پیچیده ای نیز وجود دارد . شاید این امری ذاتی باشد که خداوند در ما قرار داده است که به دنبال علت سؤالات می رویم تا اینکه به بتوانیم به هستی ادامه دهیم .

اگر چه در این مقاله ی کوتاه قادر نخواهیم بود که به تمام این سؤالات درباره ی آفرینش هرچیز پاسخ دهیم ، در صورتی که واقعیت ها هستند ولی سعی می کنیم که پاسخی معین و قابل قبول برای این سؤالات ارائه کنیم . این موضوع مهم است که این اطلاعات در ذهن به خاطر بسپاریم . این سؤالات به فهم دوباره ی جهان به طور شفاف کمک خواهند کرد . در میان این موضوعات در مورد بیگ بنگ ، سن جهان و اولین اتمها بحث خواهیم کرد . باور ما این است که قادریم به چند سؤال کلیدی پاسخ دهیم .

بیگ بنگ

یکی از سؤالات همیشه پایدار در طول زندگی انسان ها این بوده است که :

جهان چگونه آفریده شده است ؟

عده ای بر این عقیده اند که جهان آغازی نداشته است و پایان آن نیز بی نهایت خواهد بود . در میان این نظریه ها ، تئوری بیگ بنگ دارای اعتباری بیشتری است . حدود 15 میلیارد سال قبل در انفجاری فوق العاده عظیم انبساط جهان آغاز شد . این انفجار اصطلاحا" به بیگ بنگ Big Bang معروف است که در زبان فارسی معادلی به نام مهبانگ برای آن وجود دارد . در نقطه ای که این رویداد انجام پذیرفت تمام ماده و انرژی جهان متمرکز بود ؛ چه چیز قبل از این رویداد وجود داشت آیا ماده ای خالص بود ، هنوز ما کاملا" نمی دانیم و در فکریم . این رخداد یک انفجار مرسوم نبود . فضا پس از این رویداد پر از ذرات شد . بیگ بنگ کاملا" به انفجار فضا در خودش بستگی داشت و این انفجار برخلاف انفجار یک بمب است که به طرف خارج تکه هایی را پرتاب می کند . در آن زمان کهکشان ها و یا خوشه ها وجود نداشتند . ولی در کل بیگ بنگ بنیاد جهان را پایه گذاری کرد .

منشأ تئوری بیگ بنگ را می توان ادوین هابل دانست . هابل به این موضوع پی برد که جهان پیوسته در حال گسترش است . همچنین او به این موضوع پی برد که سرعت کهکشان ها با فاصله یشان متناسب است . یعنی مثلا" کهکشان هایی که دو برابر از ما دورترند دوبرابر سریع تر حرکت می کنند . دیگر نتیجه این بود که جهان در همه جهت در حال گسترش است . این بدان معنا است که هر کهکشان با مقدار حرکت یکسان از زمان برای حرکت از موقعیتی یکسان و مشترک می آیند . با توجه به مشاهدات ادوین هابل تنها تئوری بیگ بنگ می تواند این موضوعات را شرح دهد .

بعد از بیگ بنگ جهان پیوسته در حال انبساط بوده است و بدین سان رفته رفته فاصله ی خوشه های کهکشانی بیشتر و بیشتر شد . این پدیده خارق العاده که کهکشان های همواره از هم فاصله می گیرند را انتقال به قرمز می گویند . یعنی نور کهکشان های دور وقتی به زمین یا هر کهکشان دیگر نزدیک می شود طول موج آن کشیده می شود ، در واقع افزایش می یابد .

این سرعت کهکشان ها به فهم این موضوع کمک می کند که همه از یک نقطه نشأت گرفته اند . مدرکی دیگر نیز برای بیگ بنگ وجود دارد ؛ در سال 1964 دو ستاره شناس به نامهای آرنو پزیانس و رابرت ویلسون در یک کوشش مشترک امواج میکروموج را از فضای بیرونی جو کشف کردند . آنها به طور اتفاقی منشأ جار و جنجال های بیرون را کشف کردند . این سر و صداها به نظر نمی آمد که از یک نقطه نشاأت گرفته باشند در عوض از همه ی جهات به یک اندازه می آمد . آنها از دورترین نقطه ی جهان می آمدند که بعد بیگ بنگ آنها محل واقعه را ترک کرده بودند . این کشف و که نتیجه نخستین انفجار و پرتوافشانی بوده است اعتماد به بیگ بنگ را افزایش میدهد .

اخیرا" ماهواره ی COBE ناسا میکروموج هایی را کشف کرد که از بیرون جهان منشأت گرفته بودند . هرچند که این ماهواره کشف کرد که جهان در سردی آغاز شده که هنوز در حال انبساط یافتن بود نوسانات کم به علت تفاوت دمایی وجود را آغاز کرد . این نوسانات محاسبات نخستین از امکان سرما و پیشرفت جهان در کسری از ثانیه بعد از بیگ بنگ را ثابت می کند . این نوسانات در جهان برای توصیف و شرح لحظه ای بعد از بیگ بنگ آماده شده است . همچنین به شکل گیری کهکشان هایی که در فصل های آینده در مورد آن بحث می کنیم کمک خواهند کرد .

در تئوری بیگ بنگ برای هریک از سؤالات مهم راه حلی قابل قبول ارائه شده است . این موضوع در فهم آن مهم است که در این تئوری ثابت شده تجدید نظر شده است . چون مشاهدات کامل تر شده اند و پژوهش ها نیز افزایش یافته است ، تئوری بیگ بنگ تکامل یافته است و اطلاعات ما از منشأ جهان اساسی تر شده است .

نخستین اتم ها

حال که در تلاش های بسیار دانشمندان توانسته چگونگی ساخته شدن جهان را مورد بررسی قرار دهند سؤال منطقی دیگر اینجا است که پس از آن چه رخ داد ؟ در کسر بسیار کوچکی از نخستین ثانیه آفرینش بود که خلاء کامل آغاز شد جایی که امروزه می دانیم که جهان در آن رشد کرده است . در این لحظه بسیار کوتاه جهان آشامه ای از پلاسما بود . ما از این لحظه ی کوتاه چه می دانیم ؟ علم تدابیری برای این لحظات دارد که پایه ای بر آنچه است که امروز می دانیم .

بی درنگ پس از بیگ بنگ ، چنانکه هر کس می تواند تصور کند جهات به طور عجیبی گرم بود چنانکه به به سرعت ماده و ضد ماده در جهات مختلف انتشار یافتند . همچنین آن سرما در زمانی در حدود 43- ^ 10 ثانیه بعد از آفرینش به مقداری ماده و ضد ماده تبدیل شد که هنوز کیهان شناسی با این مقدار نامتقارن است . همچنین این دو نوع با یکدیگر آفریده شدند ؛ آنها با یکدیگر برخورد می کردند و نابود می شدند و در عوض انرژی خالص پدید می آمد . خوشبختانه برای ما یک عدم تقارن ، توجه ماده وجود داشت . همچنین نتیجه صحیح از فزونی که حدودا" یک قسمت در میلیون است . جهان می تواند در راهی مساعد برای ایستادگی ماده رشد کند . از این گذشته جهان از آغاز با منبسط شدن همراه بود ، این تفاوت باعث رشد وسیع آن شد . ذراتی که در جهان به وجود آمده بودند به ترتیب آفریده می شدند و دوباره به همراه ضد ذرات نابود می شدند .

برای ذراتی که در جهان به وجود آمدند نامگذاری خاصی داریم این ذره ها هر کدام به تنهایی نامی دارند از جمله نوترینو ها ، باریون ها ، الکترون ها و کوارک ها که هر کدام از اینها سازنده ی کالبد ماده ی زندگی است که امروزه ما آنها را می شناسیم . هنگام آغاز دوره ی باریون ها ذرات سنگین قابل شناخت وجود نداشت زیرا هنوز بسیار داغ بود . در این لحظه فقط آشامه ی کوارک وجود داشت چون جهان به سردی آغاز شد و انبساط یافت ، ما فهم این مطلب را دقیقا" واضح آغاز می کنیم .

بهد دمای جهان در خدود 300میلیارد درجه کلوین رو به نزول گذاشت . اگر بخواهیم تشبیه نسبتا" خوبی به کار ببریم می توانیم بگوئیم همانند آبی که تبدیل به یخ شده باشد . حال جهان ترکیبی از نوترون ها و فوتون ها است که آنها را هادرون می خوانیم . هنوز ماده ی پیچیده ای در این دما وجو ندارد . اگر چه ذرات بار دار یا همان لپتون ها نیز وجود داشتند ولی از واکنش دادن با هادرون ها منع می شدند که البته ماده ی پیچیده تری نیز هستند . به زودی لپتون ها که شامل الکترون ها نیز هستند می توانند به هادرون ها متصل شوند و اتصال و اتحادی را بین خود به وجود آورند که در واقع همان ماده ی مشترک است .

در حدود یک تا سه دقیقه پس از آفرینش جهان نوترون ها و پروتون ها با هم واکنش نشان دادند و هسته ی دوتریوم که ایزوتوپی از هیدروژن است را می افریند به زودی دوترویوم نوترون دیگری را نیز جذب می کند و هسته ی تریتیوم را نیز می سازد تریتیوم نیز یکی دیگر از ایزوتوپ ها هیدروژن است . به سرعت به پیروی از این واکنش پروتون ها و نوترون های دیگری نیز افزوده می شود که پس از تریتیوم با اضافه شدن پروتون هسته ی هلیوم ساخته می شود . دانشمندان بر این عقیده اند که در نخستین سه دقیقه آفرینش برای هر هسته ی هلیوم ده پروتون وجود داشت . بعد از افزایش سرما این پروتون ها می توانستند الکترون ها برای آفریده شدن هیدروژن معمولی اسیر کنند . نتیجه آن جهان امروز که به اعضای هر هلیوم یازده اتم هیدروژن موجود می باشد .

می دانیم که بیشتر این اطلاعات صحیح از حدس انسان سرچشمه می گیرند . با تحقیقاتی که امروزه در جهان صورت گرفته است می توانیم درباره گذشته آن توضیحی دهیم . تلاش های بسیاری فهم شکل گیری باریون ها و تعداد آنها صورت گرفته است . از میان پاسخ به سوالات مدرن امروزی نقش های بیگ بنگ و گذشته آن قابل قبول است . متعاقب مطالعات در زمینه ی چگونگی شکل کردن اتمهای ساده در آزمایشگاه می توانیم چند حدس جالب دیگر بزنیم همانند چگونه این منشأ جهان شکل داده شد . هرچند که تلاش های بسیاری برای چگونگی شکل کردن نخستین اتم ها و همچنین آفریده جهان صورت گرفته است با این حال ما هنوز از اینها کاملا" مطمئن نیستیم .

سن جهان

حالا ما دو پاسخ مهم برای دو تا از سؤالات خود داریم که در رابطه با جهان هستند . هرچند که هنوز یک سؤال عمده باقی مانده است ؛ اگر جهان به راستی متناهی است چند سال وجود دارد ؟ دوباره علم از روی شواهد و قرائن موجود می تواند سن جهان را از بیگ بنگ تا کنون حدس بزند . با به کار بستن معادله های مشترک و معمولی فیزیک از فاصله و سرعت برابر با زمان که دوباره از مشاهدات هابل استفاده می شود ، نسبیتا" می توان سن آن را به طور صحیح تخمین زد .

دو اندازه گیری به فاصله حرکت کهکشان ها از ما و انتقال به قرمز کهکشان نیازمند بودند . شکست نخستین کوشش ها باعث جستجوی مسافت از میان مثلثات شد . دانشمندان این امکان را داشتند تا ضخامت مدار زمین را به دور خورشید محاسبه کنند که حرکات خورشید را در کهکشان خودمان تقویت می کرد . متأسفانه این محاسبات به تنهایی قادر نبودند تا فاصله هنگفت بین کهکشان ما و آن جسم را تعیین کنند تا سن جهان تخمین زده شود و این هم خطایی معنی دار و مهم بود .

گام بعد فهم ارتعاش ستاره ها بود . آن مشاهدات در زمینه ی ستارگانی بوده است که دارای درخشش یکسان هستند و سوسو زدن آنها نیز یکسان بوده است . دانشمندان فرض می کنند که ستاره هایی که در کهکشان خودمان هستند و چشمک زدن یکسانی نیز دارند همچون اجرامی هستند در مقدار فاصله یکسانی در فاصله های کهکشانی باید باشند که شدت یکسانی دارند . استفاده از روش مثلثات محاسبه ی فاصله ی ستاره از کهکشان ما را امکان پذیر می سازد . از این رو فاصله ی کهکشان های دور با مطالعات مختلفی قابل محاسبه است البته سختی این کارها همانند تعیین فاصله ی دو اتومبیل در شب ظلمانی است . فرض کنید چراغ جلوی دو اتومبیل شدت تابش یکسانی دارد . از دید ناظر نور اتومبیلی واضح تر به نظر می رسد که از او فاصله ی کمتری داشته باشد و آن اتومبیلی که از او دورتر است کم فروغ تر به نظر می رسد . باز هم این راه حل نمی تواند مسافت های بسیار زیاد کهکشان ها را به تنهایی مورد محاسبه قرار دهد . در فاصله ها خاص غیر ممکن است که فاصله ی کهکشان را از یک ستاره مشخص سازیم . زیرا انتقال به قرمز زیاد این کهشکان ها باید یک روش داشته باشد تا فاصله تمام خوشه ها کهکشانی از یک ستاره به تنهایی اندازه گیری کند .

با مطالعه ی خوشه های کهکشانی که به ما نزدیک هستند می توانند از عقیده جود اندازه ی دیگر خوشه ها بهره مند شوند . نتیجه ی آن می تواند پیشگویی فاصله راه شیری از آنها باشد . بنابراین محاسبات برای بدست آوردن فاصله ی خوشه و انتقال به قرمز آن ، نظری پایانی است که تعیین می کند کهکشان چند سال از ما در حال حرکت بوده است . تک تک این اعداد می توانند به صورت تک تک محاسبه شوند و زمانی که این دو کهکشان در یک مکان و یک زمان بودند را بازگرداند که در واقع همان لحظه ی بیگ بنگ است . معادله ی عمومی که برای محاسبه سن جهان استفاده می شود به صورت زیر است :

منبع : پارس اسکای

(distance of a particular galaxy) / (that galaxys velocity) = (time)

or

4.6 x 10^26 cm / 1 x 10^9 cm/sec = 4.6 x 10^17 sec

حاصل این معادله برابر 17 ^ 10 × 6.4 ثانیه است که با اندکی محاسبات بسیار ساده ریاضی می توانیم آن را به عددی که تقریبا" برابر پانزده میلیارد سال است تبدیل نمود . این محاسبه تقریبا" برای هر کهکشانی که قابل مطالعه است صدق می کند . هرچند که اندازه گیری این مقدارها که در معادلات به دست آمده اند که تخمینی از سن جهان می باشند می توانند صحیح باشند . در صورتیکه برآورد سن جهان فرایندی پیچیده است . این دستاورد در این علم گامی بحرانی است .

و حالا چه ؟

خلاصه ما نخستین موضوعات را که دانشمندان در زمینه ی جهان کشف کرده اند را شرح دادیم . درک ما از بیگ بنگ و چگونگی آن ، نخستین اتمها و سن جهان به طور معیوب آشکار است ؛ در واقع در این زمینه مباحث زیادی برای بحث وجود دارد . در زمینه زمان نیز سؤالات بی انتهایی وجود دارد که هنوز برای پاسخ به آنها باید کمی صبوری کنیم . هنوز بسیار از مفاهیم پایه ای جهان پیچیده هستند و جای تفکر در آنها باقی است .

بعد از درک این موضوع تئوری بیگ بنگ به پایداری افراد را به مبارزه و رقابت می طلبد . این تئوری رقیب های خود را به سویی راهنمایی می کند که جستجوی بیشتر باعث می شود که ثابت شود این تئوری صحیح است در واقع به آن ها مدارکی قابل ارائه می کند . در سر فصل هایی از این مقاله مدارکی را مورد بررسی قرار دادیم که آزموده شده بودند و از جهات مختلفی جستجو شده بودند ، در هر صورت باعث می شوند که تصویر نسبتا" کاملی از جهان در ذهن داشته باشیم .

اخیرا" ناسا موضوعاتی را کشف نموده است که انسان را متحیر و انگشت به دهان می کند . در واقع دلایلی بر وجود بیگ بنگ هستند . بیشتر ستاره شناسان و فیزیکدانان از رصدخانه ی استرو 2 استفاده می کردند این رصدخانه می توانست یکی از نیازمندی های پایه ای جهان را در بیگ بنگ تأیید کند . در ژوئن 1995 دانشمندان تونستند نخستین هلیم را کشف کنند ، همچون دتریوم در فاصله های دور جهان . این کشف با یکی از نمود های مهم بیگ بنگ هماهنگ است که در آغاز خلقت هلیوم و هیدروژن با یکدیگر ترکیب شدند .

بعد در مشاهدات تلسکوپ فضایی هابل این سرنخی معین برای عناصر باقیمانده ای است که ما امروزه می شناسیم . دانشمندان با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل دریافته که در ستاره های کهن عنصر بور زیادی موجود بوده است . آنها فرض کردند که وجودش می تواند عامل هرکدام از این دوتا باشد . می تواند باقیمانده رویداد نیرومند تولد کهکشان یا اینکه نشان دهنده ی این است که حتی بور تاریخ آن به قبل از بیگ بنگ برمی گردد . اگر دومی صحیح باشد ، دانشمندانی باید دوباره سعی کنند تا تئوری جدیدی برای تولد جهان ارائه کنند همچنین برای رویداد های پس از آن . بر طبق تئوری های کنونی در آن زمان امکان وجود اتم های سنگین و پیچیده وجود نداشته است .

در این روش آنچه را که می بینیم هرگز درست نیست . اشتیاق ما برای دریافتن این علم هرگز فرونشانده نمی شود . با این حال پاسخ سؤال حالا چه ؟ در حال حاضر غیر ممکن است . در این دوره ما نمی توانیم پاسخ این سؤالات را به کار ببندیم .

افکار عمیق

این گمان بسیار مشکل است که این موضوع را از افکار روزانه جدا کنیم . هر کس در هر نقطه از زمان به سختی می تواند با این موضوع ستیز کند که چرا ما اینجا هستیم ؟ برخی در فلسفه ی طبیعی محض به دنبال پناهگاهی برای این سؤال هستند ، در صورتیکه اکثریت برای پاسخ این سؤال به دلایل علمی نزدیک می شوند . این افراد خاص در سطح های بالاتر به دنبال پاسخ این سؤال هستند و فقط در وجود انسانی تمرکز نمی کنند بلکه هر چیز را که واقعی می دانند مد نظر قرار می دهند .

اگر شما در مکانی بنشینید و سعی کنید تمام جهان را تصور کنید متحیر خواهید شد . هرچند که حالا علم می تواند در رابطه با جهان به بحث بپردازد ؛ درباره ی چگونگی آغاز آن و آینده ی صحبت کند و ... . این موضوع آسان به نظر می رسد تا در مقیاس های بزرگ در رابطه با سالها ( میلیارد ) بحث کنیم . ما از میان زندگی خود به اینجا سفر می کنیم و دوباره از همان میان به آسمان ها بازمیگردیم .

در این مقاله سعی کردیم که تا حدودی کمی جهان را به تقد و بررسی بگذاریم . این موضوع نیز جالب است که ما هنوز به طور کامل نمی دانیم که چه طور به وجود آمده ایم و تمام این حرفهایی را که گفتیم در حد یک نظریه است که امکان دارد درست باشد و یا اینکه غلط نمایان گر شود . خداوند این توانایی را در هر انسان سالمی قرار داده است که تفکر کند و بهترین حدس را بزند . از میان این گمان ها ما می توانیم درست ترین آنها را مشخص کنیم و مبنا قرار دهیم.

نقل از سی پی اچ تئوری