تئوری بیگ بنگ چیست؟
درباره تئوری بیگ بنگ(انفجار بزرگ)و آغاز جهان چه چیزی میدونید؟
7 جواب
بیگ بنگ چیست؟
توسط
-
۱۳۹۲/۰۹/۰۱
بیگ بنگ: در طول پنج قرن گذشته از قدرت مشاهدات و آزمایش و استدلال‌های ریاضی استفاده کرده‌ایم تا سد باورهای اشتباه گذشته را بشکنیم. نوع بشر راهی طولانی و پر فراز و نشیب را در تغییر درک خود از عالم، پشت سر گذاشته است. از عالمی که زمین کوچک مرکز آن بود تا کیهان وسیعی که صدها میلیارد کهکشان چون ذرات گرد و غبار در آن پراکنده‌اند. سر آغاز این هستی به وسیله نظریه بیگ بنگ شرح داده شده است. این نظریه یک مدل کیهان شناسی است که تاکنون از دیدگاه آزمایشات و رصدهای نجومی توانسته است بیشترین تائیدات را از سوی جامعه علمی بین المللی به دست آورد. کیهان شناسان با اصطلاح بیگ بنگ به شرح و تفسیر این ایده می پردازند که جهان از یک حالت نخستین بی نهایت گرم تشکیل شده و تمام کائنات در یک هسته اتم یاحتی کوچکتر از آن جای داشت و در یک لحظه این فضا و زمان آغاز می شود یعنی با یک بیگ بنگ که حاصل گرانش شدید ناشی از فشردگی بوده، شروع شد.
ادوین هابل کاشف انبساط کیهان
بطور کلی امروزه چنین پذیرفته می شود که فضا، زمان، ماده، انرژی و قوانین طبیعت جملگی با بیگ بنگ پا به عرصه وجود گذاشته اند. شاهد و دلیل وجود بیگ بنگ، قانون مشاهده شده هابل است. ادوین هابل (Edwin Hubble) در سال 1929 از طریق مشاهدات خود و بررسی روی انتقال به سرخ 24 کهکشان و مقایسهٔ آنها با یکدیگر به این نتیجه رسید که کهکشانهای دورتر با سرعت بیشتری در حال دور شدن هستند، همانطوری که معادلات اینشتین پیش بینی کرده بودند. دانشمندان به این فکر افتادند که اگر جهان در حال انبساط باشد، پس احتمالا آغازی دارد. اگر این کهکشان ها در گذشته های دور، به زمین خیلی نزدیک تر بودند. اگر حرکت کهکشان ها در زمان گذشته را در ذهن خود مسیریابی کنیم ، نه تنها به زمانی می رسیم که جهان آغاز شده، بلکه به این مفهوم می رسیم که کلیه کهکشان ها باید از یک حجم کوچکی شروع به حرکت کرده باشند.
ثابت هابل ( H ) که یکی از مهمترین ثابت ها در علم کیهان شناسی محسوب می شود، نشان می دهد که جهان با چه سرعتی در حال انبساط است. به عنوان مثال، نوار ویدئویی ضبط شده از یک انفجار را در نظر بگیرید. در ویدئوی ضبط شده، ذرات ناشی از انفجار را در حال دور شدن از مرکز انفجار می بینیم. به این ترتیب می توانیم سرعت دور شدن ذرات را از مرکز انفجار محاسبه کنیم. ولی از طرف دیگر همچنین می توانیم ویدئو را به عقب باز گردانیم تا لحظه ای که تمام ذرات در یک نقطه متمرکز شوند. از آنجایی را که سرعت انبساط را از قبل می دانیم، می توانیم به عقب بازگشته و زمانی را که در آن انفجار رخ داده است را محاسبه کنیم.(این مثال برای درک موضوع است و بیگ بنگ قابل مقایسه با هیچ انفجاری نیست، چون جهان پس از بیگ بنگ، تورم یافت و منبسط شد)
این گرافیک زمان بندی شکل گیری جهان را طبق نظریه بیگ بنگ و تورم کیهانی نشان می دهد.
خط زمانی بیگ بنگ و کیهان شناسی نوین
از سن عالم تاكنون، 13.82 ميليارد سال گذشته ( طبق مشاهدات جدید ماهواره پلانک که نشان داد کیهان نزدیک به 100 میلیون سال قدیمی تر است ) طبيعي است براي بيان مرحله هاي اين تحول از زمان استفاده كنيم. ذره هايي مانند پروتون و نوترون، كه در فيزيك آنها را با نام كلي باريون مي شناسيم، در همان يك ثانيه ي اول بعد ازبیگ بنگ به وجود آمده اند. شايد تصور كنيد يك ثانيه در مقابل 13.8 ميليارد سال كه اصلاً به حساب نمي آيد. اما در فيزيك اين طور نيست! كيهان زماني كه يك ثانيه يا كسري از ثانيه سن داشته است بسيار داغ بوده است، يك ثانيه بعد از بیگ بنگ را به چند قسمت مي شود تقسيم كرد كه معني داشته باشد؟ كوچكترين زماني كه به لحاظ علم فيزيك از ثابت هاي جهاني که طبق گرانش نيوتن، پلانك، و نيز سرعت نور مي توان ساخت زمان پلانك ناميده مي شود و برابر 43- ^10 ثانيه، توجه كنيد يعني كه ثانيه را به 1043 قسمت تقسيم كنيم و تنها يك قسمت از آن را بگيريم!
اين زمان شاخص است براي محدوده اي از تحول عالم كه انتظار مي رود گرانش كوانتومي شود؛ علت اين ادعا اين است كه در محاسبه ي زمان پلانك ثابت پلانك كه نشانه ي كوانتومي بودن است وارد مي شود. بنابراين اين زمان مرز اعتبار نظريه ي گرانش اینشتين را تعيين مي كند و انتظار داريم در زمان هاي كوتاه تر از آن، كه عالم فشرده تر بوده است، گرانش كوانتومي بشود. هیچ رابطه یا فرمول فیزیکی شناخته شده ای وجود ندارد وفقط از این زمان به بعد است که روابط فیزیکی وجود دارند. بعد از عبور از چند مرحله ویژه وکاهش تدریجی دما در زمان ده بتوان منفی 12 چهار نیروی بنیادی شکل گرفته و در زمان ده بتوان منفی شش هم دما آنقدر پایین آمده تا شرایط برای شکل گیری هسته اتمها فراهم شود. دراین زمان عناصر طبیعی بویژه هلیوم وهیدروژن شکل گرفته اند. بعد از گذشت سیصدهزار سال از لحظه آفرینش کیهان برای فوتونها شفاف شده وتابش از ماده جداشده است. با انبساط کیهان ماده ٬از تابش زمینه جداشده و اتمها تشکیل شده اند. گرانش موجب تغییر چگالی های موضعی شده و ستاره ها شکل گرفته اند.
قدیمی ترین و مستقیم ترین انواع شواهد تجربی عباراتند از انبساط نوع هابل که در انتقال سرخ کهکشانها مشاهده شده است، اندازه گیری‌های جزئیات تابش زمینه کیهانی و فراوانی نسبی عناصر سبک که در جریان هسته زایی بیگ بنگ تولید شنده‌اند. امروزه توزیع، تشکیل و تکامل کهکشانها در مقیاس بزرگ نیز به این شواهد افزوده شده است. از این موارد به عنوان چهار ستون نظریه بیگ بنگ یاد شده است.
به تازگی نیز طبق مشاهدات ماهواره پلانک تخمین زده می شود سرعت انبساط جهان که برابر ثابت هابل شناخته می شود، برابر 67.15 مثبت/منفی 1.2 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک است. (پارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر 3 سال نوری است). که کمتر از برآوردهای قبلی به دست آمده از تلسکوپ های فضایی اسپیتزر ناسا و هابل میباشد. ( داده های پیشین نشان می داد که جهان با سرعت شگفت آور 71 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک در حال انبساط است.)
بیگ بنگ و تاریخچه تحول کیهانی
یافته های ماهواره WMAP و ماهواره پلانک به دانشمندان اطمینان داد که آنان به سمت یک «مدل استاندارد» کیهان شناسی ، پیش روند. داده های جدید پلانک همچنین بیانگر این است که انرژی تاریک کمتری و ماده ی تاریک و ماده ی معمولی بیشتری در کیهان وجود دارند.این نقشه حاصل پانزده و نیم ماه خیره شدن به دمای و اندازه گیری تابش مایکرو ویو پس زمینه ی کیهان است. برابر برآورد جدیدی ماده تاریک در جهان 26.8 درصد است، که قبلا 24 درصد بود، در حالی که انرژی تاریک به میزان 68.3 درصد میباشد، در حالی که قبلا 71.4 درصد بود. ماده ی معمولی در حال حاضر 4.9 درصد براورد می شود، که قبلا 4.6 درصد بود.
تابش پس زمینه کیهانی دقیق‌ترین نقشه از توزیع ماده در جهان اولیه است. این نقشه، نوسانات ریز دمایی متناظر با تفاوت‌های اندک چگالی روزهای اولیه نواحی مختلف عالم را نشان می‌دهد. این تفاوت‌های بذر ساختار آینده جهان را شکل دادند، یعنی همان چیزی که نمود آن امروزه به شکل ستارگان و کهکشانها در تمام کیهان پراکنده شده است. نقشه تهیه شده پلانک از CMB اخترشناسان و کیهان‌شناسان را قادر ساخته تا طیف وسیعی از مدل‌های مربوط به منشاء و تکامل کیهان را به بوته آزمایش بگذارند. ماهواره پلانک در زمستان سال 2009 به فضا پرتاب شد و مدت 4.5 سال را به پیمایش و جستجوی آسمان پرداخت؛ تا روند تکامل ماده کیهانی را در طول زمان مطالعه کند. در نهایت روز 1 آبان تلسکوپ فضایی پلانک به ماموریت تهیه نقشه تابش پس زمینه کیهانی پایان داد، پیش از پلانک ماهواره COBE و WMAP این وظیفه را بر عهده داشتند.
نقشه پلانک از قدیمی ترین نور در جهان که به نام پس زمینه کیهانی شناخته می شود ، با دقت بی سابقه ای انجام شد
اگر چه هنوز شکافهای زیادی وجود دارد ، با این حال اختر فیزیکدانان با استفاده از داده های دریافتی، در حال ترسیم نمای کلی یک نظریه استاندارد هستند. با استفاده از تصاویری که ما امروز در کنار هم قرار می دهیم، می بینیم که سیر تکاملی جهان، با خنک شدن آن مراحل متفاوت و مستقلی را پیموده است. گذار از این مراحل مختلف بیانگر به هم ریختن تقارن و تجزیه یک نیروی واحد طبیعت است. در ادامه، مراحلی که تا به امروز شناخته شده اند، از این قرارند :
1 ) قبل از 43- ^10 ثانیه، عصر پلانک
تقریبا هیچ چیز در مورد عصر پلانک مشخص نیست. در انرژی پلانک ( 19^10 میلیارد الکترون ولت ) ، نیروی گرانش به اندازۀ نیروهای کوانتومی قوی بوده است. در نتیجه ، چهار نیروی جهان احتمالا در یک «ابر نیرو» متحد بوده اند. شاید جهان در فاز کاملی از «هیچ» یا فضای خالی با ابعاد بیشتر، وجود داشته است. تقارن مرموزی که تمام این چهار نیرو را با هم ترکیب می کند باعث تغییر ناپذیری معادلات می گردد، بیشتر «ابر تقارن» است. به دلایل ناشناخته، تقارن مرموزی که تمام چهار نیرو را متحد ساخته، شکسته شده و حباب کوچکی شکل گرفته است. این حباب کوچک همان جهان جنینی ما است که شاید در نتیجه یک افت و خیز کوانتومی تصادفی ایجاد شده باشد. اندازۀ این حباب برابر «طول پلانک» یعنی 33- ^10 سانتیمتر، بوده است.
2 ) 34- ^10 ثانیه ، عصر گات
شکست تقارن حبابی به وجود آورد که به سرعت انبساط یافت. با متورم شدن حباب، چهار نیروی بنیادی به سرعت جدا شدند. گرانش، اولین نیرویی بود که از سه نیروی دیگر جدا شد و به این ترتیب موج ضربه ای را در سراسر جهان آزاد کرد. تقارن اصلی ابر نیرو به تقارن کوچکتری شکسته شد، شاید به تقارن گات. بر هم کنشهای قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی باقی مانده، هنوز از طریق تقارن گات با هم متحد بودند. جهان در طی این مرحله، به دلایلی که هنوز مشخص نیست، با ضریب بسیار بزرگی، حدود 50^10 متورم و باعث شد فضا سریع تر از سرعت نور منبسط شود. دما در این حالت برابر 32^10 بوده است.
3 ) 24- ^10 ثانیه ، پایان تورم
با جدا شدن نیروی قوی از دو نیروی دیگر، دما به 27^10 درجه کاهش یافت. دورۀ تورم پایان یافت، جهان آرام گرفت و از آن پس با انبساط استاندارد فریدمن به کار خود ادامه داد. در این حالت، جهان «سوپ» پلاسمای داغ شامل کوارک ها، گلئون ها و لپتون ها آزاد بود. کوارک های آزاد پس از تراکم به پروتون ها و نوترونهای امروزی تبدیل شدند. جهان ما در این مرحله هنوز بسیار کوچک بود و ابعاد آن تنها به ابعاد فعلی منظومۀ شمسی می رسید. ماده و پاد ماده یکدیگر را خنثی کردند، اما مقدار ماده نسبت به پاد ماده کمی بیشتر بود ( یک در میلیارد ) و باعث به وجود آمدن ماده ای شد که امروزه در اطراف خود می بینیم. ( با مشاهدۀ ذره بوزون هیگز و چگونگی جرم دار شدن ماده که توسط برخود دهندۀ بزرگ هادرون انجام شد دانشمندان توانستند این مرحله را بازسازی کنند. )
جدول زمانی جهان در مدت 13.8 میلیارد سال ، از بیگ بنگ، دوران تاریک کیهانی، تشکیل نخستین ستارگان، و گسترش و انبساط کیهان تا دوران کنونی نشان می دهد.
4 ) سه دقیقه ، شکل گیری هسته ها
دما به اندازۀ کافی برای شکل گرفتن هسته ها کاهش پیدا کرده است. طی فرایند همجوشی، هیدروژن به هلیم تبدیل شد. ( که نسبت 75 درصد هیدروؤن به 25 درصد هلیم را در جهان ایجاد کرد. ) مقادیر ناچیزی لیتیم شکل گرفت، ولی فرایند همجوشی عناصر بالاتر ، به دلیل اینکه هسته های دارای 5 ذره خیلی ناپایدار بودند، متوقف شد. جهان به دلیل تفرق نور به وسیلۀ الکترون های آزاد غیر شفاف بود. این مرحله ، پایان عمر گوی آتشین اولیه محسوب می شود.
5 ) 380000 سال بعد ، اتم ها متولد می شوند
دما به 3000 درجه کلوین کاهش یافت. با جایگیری الکترون ها در اطراف هسته ها، اتم ها شکل گرفتند، بدون اینکه به دلیل گرما از هم پاشیده شوند. فوتون ها هم اکنون می توانستند بی آنکه جذب شوند، آزادانه حرکت کنند. این همان تابشی است که به وسیلۀ COBE و WMAP اندازه گیری شده است. جهانی که زمانی مات و مملو از پلاسما بود، حالا شفاف شد. آسمان بجای سفید، اکنون سیاه بود.
6 ) یک میلیارد سال بعد ، ستارگان متراکم می شوند
دما به 18 درجه کلوین کاهش یافت. اختروش ها ، کهکشان ها و خوشه های کهکشانی، عمدتا به عنوان نتایج فرعی افت و خیزهای کوچک کوانتومی در گوی آتشین اولیه، شروع به تراکم نمودند. عناصر سبک، مثل کربن ، اکسیژن و نیتروژن در ستارگان ساخته شدند. ستارگان شاخته شدند. ستارگان در حال انفجار ، عناصر بعد از آهن را در اسمانها پراکندند. این دوره، دورترین دوره ای است که به وسیلۀ تلسکوپ هابل تصویربرداری شده و قابل تجسس و بررسی است.
7 ) 6.5 میلیارد سال ، انبساط دِسیتر
انبساط فریدمن به تدریج پایان یافت و سرعت انبساط جهان رو به افزایش گذاشت. به این ترتیب، جهان وارد مرحله ای به نام انبساط دِسیتر شد. در این مرحله، نیروی مرموز ضد گرانشی که هنوز شناسایی نشده، جهان را به پیش می راند.
8 ) 13.8 میلیار سال ، امروز
اکنون دما به 2.7 درجه کلوین کاهش یافته است. ما شاهد جهان امروزی، شامل کهکشانها، ستاره ها و سیارات هستیم. سرعت جهان، در یک حالت گریز، رو به افزایش است.
بیگ بنگ و جهانی بر خاسته از هیچ
ممکن است درنگاه اول با نظریه جهانی از هیچ و جهان های چندگانه مخالفت کنیم، زیرا به نظر می رسد این نظریه قوانین شناخته شده ای مثل قانون بقای ماده و انرژی را به هم می ریزد. در واقع، مجموع کل ماده به علاوه انرژی در جهان احتمالا خیلی کوچک است. درست است که مقدار ماده موجود در جهان شامل تمام ستارگان، سیارات و کهکشان ها مقداری مثبت و بزرگ است، بااین حال انرژی ذخیره شده در گرانش، ممکن است منفی باشد. اگر انرژی مثبت ماده را با انرژی منفی گرانش جمع کنیم، نتیجه عددی نزدیک به صفر خواهد بود! از بعضی جهات می توان گفت چنین جهان هایی آزاد هستند. آنها می توانند از درون خلاء تقریبا بدون هیچ تلاشی، بیرون بجهند. در جهان بسیار شگفت انگیز مکانیک کوانتوم که به توصیف رفتارها در مقیاس زیر اتمی می پردازد، نوسان ها و بی ثباتی های گاه به گاهی می تواند ماده و انرژی را از هیچ پدید آورد و به گفتۀ محققان، این در واقع می تواند به پدید آمدن چیزهای بسیار بزرگ هم بیانجامد.
انرژی تمامي ذرات بنيادي در لحظه تولد جهان ( بیگ بنگ ) بدون جرم بوده اند اما در كسر بسيار كوچكي از ثانيه پس از آن هنگامي كه ذرات هيگز از « انرژي بیگ بنگ» پديد آمده و كل جهان را پُر كردند و ناگهان برخي از ذرات بنيادي به واسطه برهم كنش با آنها جرمدار شدند و همچنان این ذرات نامرئی در میدان هیگز جهان انرژی ابتدایی خود را حفظ کرده اند. خوب حال سوال پیش می آید بیگ بنگ انرژی اش را چطور بدست آورده است؟ در مدل های کوانتومی به علت افت و خیزهای میدان گرانشی ناپایدار، باعث می شود گذاری خود به خود به عالم در حال انبساط و ماده رخ دهد. ممکن است فکر کنید خلق ماده و انبساط آن به مقداری انرژی نیاز دارد و بنابراین اگر ماده از « فضای خالی » به وجود آمده باشد؛ پایستگی انرژی که یکی از اصول مسلم فیزیک است، بر هم خواهد خورد.
در واقع ، در فرایند هیچ؛ نقض پایستگی انرژی وجود ندارد. به یاد بیاورید که میدان گرانشی دارای انرژی منفی است. ( حالتی مقید به پروتون در حالتی با انرژی منفی وجود دارد؛ هر نیروی جاذبه ای چنین خصوصیتی دارد و نیروی گرانشی همیشه جاذبه ای است.) بنابراین می توان به موقعیتی رسید که انرژی گرانشی منفی با انرژی مثبت ماده ( و انبساط )در تعادل باشد که در نتیجه انرژی کل صفر می شود. معادلات کیهان شناسی کوانتومی نشان می دهند که عالم به علت افت و خیزهای کوانتومی بطور خود به خودی از خلا به وجود آمده است و بیگ بنگ های متعدد در اعصار مختلف بوده و خواهد بود.
بیگ بنگ چیست؟ جهان ما چگونه ایجاد شد؟ چگونه این دنیایی که امروز در آن قرار داریم، اینقدر نامتناهی شد؟ یا در اعصار آینده چه اتفاقی برای آن خواهد افتاد؟ اینها سوالاتی هستند که از دیرباز فیلسوفان و دانشمندان را متحیر نموده و منجر به ارائه نظریه‌های متعدد و گاهی جالبی شده است. اکنون دانشمندان، ستاره شناسان و کیهان شناسان بر این باورند که جهان ما در یک انفجار عظیم ایجاد شده است. در این انفجار نه تنها بخش زیادی از ماده به وجود آمد بلکه قوانین فیزیک حاکم بر کیهان نیز ایجاد شدند.
این نظریه با نام بیگ بنگ (Big Bang) یا مهبانگ شناخته می‌شود. این اصطلاح تقریباً یک قرن است که توسط دانشمندان و سایر افراد به طور یکسان مطرح شده است، اما معنی دقیق آن چیست؟ جهان ما چگونه در یک انفجار عظیم متولد شده است، چه اثباتی در این مورد وجود دارد و این نظریه درباره پیش‌بینی‌های طولانی مدت برای جهان چه می‌گوید؟
اصول نظری، نظریه بیگ بنگ کاملاً ساده است. به طور خلاصه، این نظریه بیان می‌کند که همه مواد موجود در گذشته و امروز جهان، تقریباً ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش به صورت همزمان به وجود آمدند. در این زمان تمام مواد جهان به صورت یک نقطه بسیار کوچک با چگالی بی‌نهایت و گرمای بسیار شدیدی بود که تکینگی (Singularity) نام دارد. تکینگی ناگهان شروع به گسترش کرده و جهان آغاز شد.
این تئوری، تنها نظریه مدرن درباره چگونگی به وجود آمدن جهان نیست. به عنوان مثال نظریه حالت ثابت (Steady State Theory) یا نظریه جهان نوسانی (Oscillating Universe Theory) نیز وجود دارد که در میان برخی از دانشمندان به طور گسترده‌ای مورد قبول هستند. این مدل نه تنها منشأ همه مواد شناخته شده، قوانین فیزیک و ساختار مقیاس بزرگ جهان را توضیح می‌دهد، بلکه گسترش جهان و طیف وسیعی از پدیده‌های دیگر را نیز در برمی‌گیرد.
تماشا کنید: فیلم شکل گیری جهان پس از بیگ بنگ
گاهشمار بیگ بنگ
دانشمندان این نظریه را مطرح کرده‌اند که منشأ همه چیز در یک نقطه با چگالی بی نهایت و زمان محدود بوده است که از آنجا شروع به گسترش کرد. این نظریه معتقد است که پس از گسترش اولیه، جهان به اندازه کافی سرد شد 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 دادند.
همه اینها تقریباً ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش آغاز شد، به همین علت سن جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال برآورد می‌شود. دانشمندان از طریق آزمایش اصول نظری، آزمایش‌های مربوط به شتاب دهنده‌های ذرات (مانند شتاب دهنده هادرون و سرن) و حالت‌های پرانرژی و مطالعات نجومی درباره اعماق جهان، یک جدول زمانی از وقایع ساخته‌اند که با بیگ بنگ آغاز شده و منجر به وضعیت تکاملی کنونی کیهان شده است.
با این حال، اولین زمان‌های جهان تقریباً از ۴۳-۱۰ تا ۱۱-۱۰ ثانیه پس از بیگ بنگ به طول انجامید، موردی که محل گمانه‌زنی‌های گسترده‌ای است. با توجه به اینکه قوانین فیزیک به گونه‌ای که امروز می‌شناسیم در این زمان نمی‌توانستند وجود داشته باشند، درک اینکه چگونه جهان اداره می‌شد دشوار است.
تکینگی
تکینگی که با عنوان دوره پلانک (Planck Era) نیز شناخته می‌شود ، اولین دوره زمانی شناخته شده جهان است. در این زمان کل ماده در یک نقطه با چگالی بی‌نهایت و گرمای شدید متراکم بود. اعتقاد بر این است که در دوره پلانک اثرات کوانتومی گرانش بر فعل و انفعالات فیزیکی غالب بوده و سایر نیروی‌های فیزیکی توان برابری با قدرت جاذبه را نداشتند.
دوره زمانی پلانک از لحظه ۰ تا تقریباً ۴۳-۱۰ ثانیه ادامه داشت، این زمان بسیار کوتاه فقط در زمان پلانک قابل اندازه گیری میباشد به همین علت به نام دوره پلانک نامگذاری شده است. به دلیل گرما و تراکم شدید ماده، وضعیت جهان بسیار ناپایدار بود. بنابراین شروع به گسترش و خنک شدن کرده و منجر به ظهور نیروهای بنیادی فیزیک شد.
تقریباً از ۴۳-۱۰ ثانیه و ۳۶-۱۰ جهان شروع به عبور از دمای انتقال می‌کند. در اینجا است که تصور می‌شود نیروهای بنیادی حاکم بر جهان شروع به جدا شدن از یکدیگر کرده‌اند. اولین قدم در این کار نیروی جاذبه بود که از نیروهای هسته‌ای قوی، ضعیف و الکترومغناطیس جدا شد.
سپس از لحظه ۳۶-۱۰ تا ۳۲-۱۰ ثانیه پس از مهبانگ دمای جهان ۱۰۲۸ درجه کلوین بود، که برای جدا شدن نیروهای الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف مناسب بود، بنابراین این دو نیروی مجزا تشکیل شدند.
دوران تورم
با ایجاد اولین نیروهای بنیادی جهان، دوران تورم آغاز شده و از لحظه ۳۲-۱۰ ثانیه تا یک نقطه نامعلوم ادامه داشت. بیشتر مدل‌های کیهان شناسی نشان می‌دهند که جهان در این مرحله به طور همگن با چگالی انرژی بالا پر شده که در آن درجه حرارت و فشار فوق العاده زیاد باعث انبساط و خنک سازی سریع می‌شود. این اتفاق در لحظه ۳۷-۱۰ ثانیه شروع شد، زمانی که انتقال فاز باعث جدایی نیروها از هم شده و منجر به دوره‌ای شد که در آن جهان به صورت تصاعدی رشد کرد. همچنین در این برهه از زمان بود که باریوژنز (Baryogenesis) رخ داد، باریوژنز یک رویداد فرضی است که در آن دمای جهان چنان بالا بود که حرکات تصادفی ذرات با سرعت نسبی رخ می‌داد.
در دوره باریوژنز به علت شدت گرما و تراکم زیاد، انواع جفت‌های ماده و ضد ماده به طور مداوم تولید و در برخوردها نابود می‌شدند، گمان می‌رود این دوره منجر به غلبه ماده بر ضد ماده در جهان کنونی شد. بعد از متوقف شدن تورم، جهان از یک پلاسمای کوارک-گلوئون و همچنین سایر ذرات بنیادی تشکیل شد. از این مرحله به بعد جهان شروع به سرد شدن کرد، که در آن ماده بهم پیوسته و شکل گرفت.
دوران سرد شدن
همانطور که تراکم و دمای جهان کاهش می‌یافت، انرژی هر ذره شروع به کاهش کرده و فاز انتقال ادامه داشت تا اینکه نیروهای بنیادی فیزیک و ذرات بنیادی به شکل امروزی تغییر پیدا کردند. به علت این که در این دوره انرژی ذرات به مقداری کاهش یافت که آنها را می‌توان با آزمایش‌های فیزیک ذرات بدست آورد، رخدادهای این دوره کمتر مورد تردید هستند.
به عنوان مثال دانشمندان معتقدند که حدود ۱۱-۱۰ ثانیه پس از بیگ بنگ، انرژی ذرات به طور قابل توجهی کاهش یافته است. در حدود ۶-۱۰ ثانیه کوارک‌ها و گلوئون‌ها با هم ترکیب شده باریون‌هایی مانند پروتون و نوترون را تشکیل دادند، در اینجا زیاد بودن کوارک نسبت به ضدکوارک منجر به افزایش نسبت باریون‌ها به آنتی‌باریون‌ها شد.
از آنجایی که درجه حرارت به اندازه کافی بالا نبود تا بتواند جفت‌های جدید پروتون-آنتی‌پروتون (یا جفت‌های نوترون-آنتی‌نوترون) ایجاد کند، بلافاصله نابودی جرم صورت گرفته و از هر ۱۰۱۰ پروتون و نوترون فقط یک پروتون و نوترون اصلی باقی ماند. در حدود ۱ ثانیه پس از بیگ بنگ فرآیند مشابهی برای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها رخ داد. پس از این نابودی، پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌های باقیمانده دیگر به طور نسبی حرکت نمی‌کردند و فوتونها (و به میزان کمتری نوترینوها) چگالی انرژی جهان را تحت سلطه خود قرار دادند.
چند دقیقه پس از انبساط، دوره‌ای معروف به نوکلئوسنتز بیگ بنگ (Big Bang Nucleosynthesis) آغاز شد. نوکلئوسنتز مرحله‌ای بود که در آن هسته اتمهای پیچیده‌تر از هیدروژن تشکیل شدند. به لطف کاهش دما تا ۱ میلیارد کلوین و تراکم انرژی، نوترون‌ها و پروتون‌ها شروع به ترکیب شدن کرده و اولین دوتریم جهان (ایزوتوپ پایدار هیدروژن) و اتمهای هلیوم جهان را تشکیل داند. با این حال عمده پروتون‌های جهان به صورت هسته‌های هیدروژن بدون ترکیب باقی ماندند.
پس از حدود ۳۷۹۰۰۰ سال، الکترون‌ها با این هسته‌ها ترکیب شده و اتمها را تشکیل دادند (باز هم عمدتاً هیدروژن)، در این حین تشعشعات از ماده جدا شده و بدون هیچ مشکلی در فضا گسترش می‌یافتند. این تشعشع، همان تابش زمینه کیهانی (CMB) بوده و قدیمی‌ترین نور جهان است. با گسترش تابش زمینه کیهانی، جهان به تدریج چگالی و انرژی خود را از دست داد و دمای آن به ۲۷۰٫۴۲۴- درجه سانتیگراد رسید، میزان تراکم انرژی در این مرحله l۰٫۲۵ eV/cm3تخمین زده می‌شود.
دوره تشکیل ساختار
در طی چند میلیارد سال در مناطقی از جهان که در آنها تراکم ماده تقریباً به صورت یکنواخت توزیع شده بود، مواد با گرانش خود شروع به جذب همدیگر کردند. به این ترتیب آنها حتی بیشتر متراکم شده و ابرهای گازی، ستاره‌ها، کهکشانها و سایر ساختارهای نجومی را که امروزه به طور منظم مشاهده می‌کنیم، تشکیل دادند. این همان چیزی است که با عنوان دوره تشکیل ساختار شناخته می‌شود، زیرا در این زمان بود که جهان امروزی شکل گرفت. این ماده از ماده مرئی توزیع شده در ساختارهای با اندازه‌های مختلف ستاره‌ها و سیارات تا کهکشانها، خوشه‌های کهکشانی و ابر خوشه‌ها، تشکیل شده است.
جزئیات این فرآیند به مقدار و نوع ماده موجود در جهان بستگی دارد، ماده تاریک سرد، ماده تاریک گرم، ماده تاریک داغ و ماده باریونیک چهار نوع ماده هستند که کیهان شناسان پیشنهاد کرده‌اند. با این حال، مدل ماده تاریک سرد لامبدا (Lambda-Cold Dark Matter) یا لامبدا-سی‌دی‌ام (Lambda-CDM) که در آن ذرات ماده تاریک در مقایسه با سرعت نور به آرامی حرکت می‌کنند، به عنوان بهترین مدل کیهان شناسی مهبانگ در نظر گرفته می‌شود، زیرا با داده‌های موجود در تناسب است.
در این مدل تخمین زده می‌شود که ماده تاریک سرد حدود ۲۳٪ ماده/انرژی جهان را تشکیل داده است، در حالی که ماده باریونیک حدود ۴٫۶٪ جهان را تشکیل می‌دهد. لامبدا به ثابت کیهان شناختی اشاره دارد، نظریه‌ای که ابتدا توسط انیشتین ارائه شد. در این نظریه انیشتین تلاش کرد تا نشان دهد که تعادل جرم-انرژی در جهان ثابت است. در این حالت کیهان شناسان آن را با انرژی تاریک مرتبط می‌دانند که برای تسریع انبساط جهان و حفظ ساختار بزرگ مقیاس آن تا حد زیادی یکنواخت است.
بیشتر بخوانید: ماده تاریک چیست؟ بررسی تاریخچه و ماهیت آن
مبدل لامبدا که نرخ انبساط جهان را نشان می‌دهد
پیش‌بینی‌های طولانی مدت مهبانگ
این فرضیه که در آن جهان دارای یک نقطه شروع است، طبیعتاً سوالاتی درباره یک نقطه پایان احتمالی برمی‌انگیزد. اگر جهان به عنوان یک نقطه کوچک با تراکم بی‌نهایت شروع به گسترش کرده است، 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 نقطه کوچک تبدیل شوند؟
از زمان آغاز بحث در مورد مدل صحیح جهان، پاسخ این سوال همواره مورد مناظره کیهان شناسان بوده است. با پذیرش نظریه بیگ بنگ، تا دهه ۱۹۹۰ کیهان شناسان در مورد دو سناریوی احتمالی برای پایان جهان مطرح کرده بودند.
در سناریوی اول که با نام بیگ کرانچ (Big Crunch) شناخته می‌شود، جهان منبسط شده و به حداکثر اندازه خود می‌رسد، سپس شروع به انقباض و فروریزش در خود می‌کند. این سناریو تنها درصورتی امکان‌پذیر خواهد بود که چگالی جرم جهان از چگالی بحرانی بیشتر باشد. به عبارت دیگر، تا زمانی که چگالی ماده در یک مقدار مشخص یا بالاتر از آن باقی بماند (۲۶-۱۰ × ۳-۱ کیلوگرم ماده در هر متر مکعب)، جهان در نهایت منقبض می‌شود.
اما اگر چگالی در جهان برابر یا کمتر از چگالی بحرانی باشد، انبساط کند می‌شود اما هرگز متوقف نمی‌شود. در این سناریو که به انجماد بزرگ (Big Freeze) معروف است، جهان همچنان به انبساط خود ادامه می‌دهد تا این که در نهایت با مصرف تمام گازهای میان‌ستاره‌ای کهکشانها، تشکیل ستاره‌های جدید متوقف شود. در همین حال، با به پایان رسیدن سوخت ستاره‌ها، آنها به کوتوله‌های سفید، ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله تبدیل می‌شوند.
به تدریج با برخورد سیاهچاله‌ها به یکدیگر، جرم آنها در سیاهچاله‌های بزرگ و بزرگتر انباشته می‌شود. در این دوره دمای متوسط جهان به صفر مطلق نزدیک می‌شود و سیاهچاله‌ها پس از انتشار آخرین تابش هاوکینگ تبخیر می‌شوند. سرانجام آنتروپی جهان تا حدی افزایش می‌یابد که هیچ شکل سازمان یافته‌ای از انرژی از آن خارج نمی‌شود (این سناریو به مرگ گرما هم معروف است).
مشاهدات امروزی که شامل وجود انرژی تاریک و تأثیر آن بر انبساط کیهانی است، به این نتیجه رسیده‌اند که با ادامه رشد، بخش زیادی از جهان قابل مشاهده از افق رویداد ما عبور کرده (محدوده‌ای از جهان که ما توانایی مشاهده آن را داریم) و برای ما نامرئی خواهد شد (آیا جهان لبه دارد؟ آیا انسان قادر به مشاهده آن خواهد بود؟). نتیجه نهایی این سناریو در حال حاضر مشخص نیست، اما مرگ گرما نیز در این نظریه به عنوان یک نقطه پایان احتمالی در نظر گرفته شده است.
سایر توضیحات مربوط به انرژی تاریک، به نام نظریه‌های انرژی فانتوم ، حاکی از آن است که در نهایت خوشه‌های کهکشانی، ستارگان، سیارات، اتمها، هسته‌ها و ماده به دلیل انبساط روز افزون از هم پاشیده می‌شوند. این سناریو به گسستگی بزرگ (Big Rip) یا مه‌گسست معروف است، که در آن گسترش جهان در نهایت به خودی خود خنثی خواهد شد.
تماشا کنید: ۳ سناریوی احتمالی برای پایان جهان (فیلم)
تاریخچه نظریه بیگ بنگ
اولین نشانه‌های بیگ بنگ در نتیجه مشاهدات انجام شده در اوایل قرن ۲۰ صورت گرفت. در سال ۱۹۱۲ ستاره شناس آمریکایی وستو اسلیفر (Vesto Slipher) مجموعه‌ای از مشاهدات درباره کهکشانهای مارپیچی انجام داده و انتقال به سرخ دوپلر آنها را اندازه گیری کرد. تقریباً در همه موارد، کهکشانهای مارپیچی در حال دور شدن از کهکشان راه شیری بودند.
در سال ۱۹۲۲ کیهان شناس روسی الکساندر فریدمن (Alexander Friedmann)، با استفاده از معادلات نظریه نسبیت عام اینشتین معادلات فریدمن را بسط داد. برخلاف ثابت کیهان شناسی انیشتین، کارهای فریدمن نشان داد که جهان احتمالاً در حالت انبساط است.
در سال ۱۹۲۴ اندازه گیری ادوین هابل (Edwin Hubble) با اندازه گیری نزدیکترین سحابی مارپیچی نشان داد که این سیستم‌ها در واقع کهکشانهای دیگری هستند. هابل با استفاده از تلسکوپ ۲٫۵ متری هوکر (Hooker telescope) یک سری از نشان دهنده‌های فاصله را توسعه داد. او در سال ۱۹۲۹ همبستگی بین فاصله دور شدن یک کهکشان و سرعت دور شدن آن را کشف کرد که اکنون به عنوان قانون هابل شناخته می‌شود. قانون هابل فرض می‌کند که جهان با یک سرعت ثابت که در تمام زمان‌ها یکسان میباشد، در حال گسترش است.
سپس در سال ۱۹۲۷ ژرژ لومتر (Georges Lemaitre) کشیش و فیزیکدان بلژیکی، به طور مستقل همان نتایج معادلات فریدمن را بدست آورده و به این نتیجه رسید که دور شدن کهکشانها به دلیل گسترش جهان است. وی در سال ۱۹۳۱ پا را فراتر گذاشته و این پیشنهاد را مطرح کرد که گسترش فعلی جهان به این معنی است که جهان با برگشتن به گذشته، کوچکتر خواهد شد. لومتر اظهار کرد که در برهه‌ای از گذشته، کل جرم جهان در یک نقطه واحد متمرکز بود که تار و پود فضا و زمان از همانجا نشات گرفته است.
این اکتشافات در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ بحث‌های زیادی را در میان فیزیکدان‌ها برانگیخت زیرا در آن زمان اکثریت دانشمندان طرفدار این بودند که جهان در یک وضعیت ثابت قرار دارد. در این مدل، ماده جدید به طور مداوم با انبساط جهان ایجاد می‌شود، بنابراین یکنواختی و چگالی ماده در طول زمان حفظ می‌شود. در میان دانشمندان ایده بیگ بنگ بیشتر مذهبی به نظر می‌رسید تا علمی، از اینرو براساس سوابق لومتر اتهامات مغرضانه‌ای به او نسبت داده شد.
علاوه بر نظریه مهبانگ، نظریه‌های دیگری مانند مدل میلن (Milne model) و مدل جهان نوسانی (Oscillary Universe) نیز ارائه شده است. این دو نظریه براساس نظریه نسبیت عام بنا شده و معتقدند که جهان از چرخه‌های محدود یا نامحدود پایدار پیروی می‌کند.
پس از جنگ جهانی دوم درباره این نظریه‌ها در بین طرفداران نظریه حالت پایدار (Steady State) که توسط کیهان شناس فرد هویل مطرح شده بود، و طرفداران نظریه بیگ بنگ بحث‌های زیادی صورت گرفت. از قضا، این هویل بود که برای اولین بار در یک مصاحبه با رادیو بی بی سی در مارس ۱۹۴۹ عبارت “بیگ بنگ” را ابداع کرد. البته عده‌ای از دانشمندان اعتقاد داشتند که هویل برای تحقیر از این عبارت استفاده کرده است اما او این مسئله را انکار کرد.
سرانجام مشاهدات دانشمندان نظریه بیگ بنگ را تقویت نموده و نظریه حالت پایدار به دلیل منطبق نبودن با قوانین فیزیک رد شد. کشف و تأیید تابش زمینه کیهانی، بیگ بنگ را به عنوان بهترین نظریه مبدا و تکامل جهان تأیید کرد. از اواخر دهه ۱۹۶۰ تا دهه ۱۹۹۰، ستاره شناسان و کیهان شناس با حل مشکلات نظری بیگ بنگ، آن را توسعه داده‌اند. نظریاتی که توسط استیون هاوکینگ و سایر فیزیکدانان ارائه شده بود نشان داد که تکینگی شرط اولیه اجتناب ناپذیر نسبیت عام و یک مدل کیهان شناسی برای بیگ بنگ است. در سال ۱۹۸۱ آلن گوت (Alan Guth) این نظریه را مطرح کرد که یک دوره انبساط سریع کیهانی، مشکلات نظری بیگ بنگ را حل می‌کند.
از دهه ۱۹۹۰ ظهور نظریه انرژی و ماده تاریک تلاشی برای حل مسائل برجسته کیهان شناسی بود. این نظریه علاوه بر ارائه توضیح در مورد جرم مفقود شده جهان، به مسئله شتاب گرفتن کیهان نیز پرداخته است.
امروزه به لطف پیشرفت تلسکوپ‌ها، ماهواره‌ها و شبیه سازی‌های کامپیوتری ستاره شناسان و کیهان شناسان امکان دیدن بخش‌های بیشتری از جهان را داشته و درک بهتری از سن واقعی کیهان (۱۳٫۸ میلیارد سال) به دست آورده‌اند. تلسکوپ‌های فضایی مانند کاوشگر پس زمینه کیهانی (COBE)، تلسکوپ فضایی هابل، کاوشگر ناهمسان گرد ریزموجی ویلکینسون (WMAP) و رصدخانه پلانک نیز از ارزش بی نظیری برای دانشمندان برخوردار هستند.
امروزه کیهان شناسان اندازه گیری‌های نسبتاً صحیح و بسیار دقیقی از پارامترهای مدل مهبانگ انجام داده‌اند. همه این موارد با این مشاهدات که اجرام عظیم ستاره‌ای با فواصل بسیار دور به آرامی از ما دور می‌شوند، آغاز شد. با وجود این که هنوز مطمئن نیستیم که جهان چگونه به پایان خواهد رسید، اما می‌دانیم که در مقیاس کیهان شناسی تا آن موقع زمان بسیار بسیار طولانی باقی مانده است!
.
منابع:
جهان های موازی – میچیو کاکو
حیات هوشمند در کائنات- پیتر اولم اشنایدر
پس از نخستین سه دقیقه – ت.پادمانایان
ویکی پدیا
ناسا
بیگ بنگ: در طول پنج قرن گذشته از قدرت مشاهدات و آزمایش و استدلال‌های ریاضی استفاده کرده‌ایم تا سد باورهای اشتباه گذشته را بشکنیم. نوع بشر راهی طولانی و پر فراز و نشیب را در تغییر درک خود از عالم، پشت سر گذاشته است. از عالمی که زمین کوچک مرکز آن بود تا کیهان وسیعی که صدها میلیارد کهکشان چون ذرات گرد و غبار در آن پراکنده‌اند. سر آغاز این هستی به وسیله نظریه بیگ بنگ شرح داده شده است. این نظریه یک مدل کیهان شناسی است که تاکنون از دیدگاه آزمایشات و رصدهای نجومی توانسته است بیشترین تائیدات را از سوی جامعه علمی بین المللی به دست آورد. کیهان شناسان با اصطلاح بیگ بنگ به شرح و تفسیر این ایده می پردازند که جهان از یک حالت نخستین بی نهایت گرم تشکیل شده و تمام کائنات در یک هسته اتم یاحتی کوچکتر از آن جای داشت و در یک لحظه این فضا و زمان آغاز می شود یعنی با یک بیگ بنگ که حاصل گرانش شدید ناشی از فشردگی بوده، شروع شد.
بطور کلی امروزه چنین پذیرفته می شود که فضا، زمان، ماده، انرژی و قوانین طبیعت جملگی با بیگ بنگ پا به عرصه وجود گذاشته اند. شاهد و دلیل وجود بیگ بنگ، قانون مشاهده شده هابل است. ادوین هابل (Edwin Hubble) در سال 1929 از طریق مشاهدات خود و بررسی روی انتقال به سرخ 24 کهکشان و مقایسهٔ آنها با یکدیگر به این نتیجه رسید که کهکشانهای دورتر با سرعت بیشتری در حال دور شدن هستند، همانطوری که معادلات اینشتین پیش بینی کرده بودند. دانشمندان به این فکر افتادند که اگر جهان در حال انبساط باشد، پس احتمالا آغازی دارد. اگر این کهکشان ها در گذشته های دور، به زمین خیلی نزدیک تر بودند. اگر حرکت کهکشان ها در زمان گذشته را در ذهن خود مسیریابی کنیم ، نه تنها به زمانی می رسیم که جهان آغاز شده، بلکه به این مفهوم می رسیم که کلیه کهکشان ها باید از یک حجم کوچکی شروع به حرکت کرده باشند.
ثابت هابل ( H ) که یکی از مهمترین ثابت ها در علم کیهان شناسی محسوب می شود، نشان می دهد که جهان با چه سرعتی در حال انبساط است. به عنوان مثال، نوار ویدئویی ضبط شده از یک انفجار را در نظر بگیرید. در ویدئوی ضبط شده، ذرات ناشی از انفجار را در حال دور شدن از مرکز انفجار می بینیم. به این ترتیب می توانیم سرعت دور شدن ذرات را از مرکز انفجار محاسبه کنیم. ولی از طرف دیگر همچنین می توانیم ویدئو را به عقب باز گردانیم تا لحظه ای که تمام ذرات در یک نقطه متمرکز شوند. از آنجایی را که سرعت انبساط را از قبل می دانیم، می توانیم به عقب بازگشته و زمانی را که در آن انفجار رخ داده است را محاسبه کنیم.(این مثال برای درک موضوع است و بیگ بنگ قابل مقایسه با هیچ انفجاری نیست، چون جهان پس از بیگ بنگ، تورم یافت و منبسط شد)
خط زمانی بیگ بنگ و کیهان شناسی نوین
از سن عالم تاكنون، 13.82 ميليارد سال گذشته ( طبق مشاهدات جدید ماهواره پلانک که نشان داد کیهان نزدیک به 100 میلیون سال قدیمی تر است ) طبيعي است براي بيان مرحله هاي اين تحول از زمان استفاده كنيم. ذره هايي مانند پروتون و نوترون، كه در فيزيك آنها را با نام كلي باريون مي شناسيم، در همان يك ثانيه ي اول بعد ازبیگ بنگ به وجود آمده اند. شايد تصور كنيد يك ثانيه در مقابل 13.8 ميليارد سال كه اصلاً به حساب نمي آيد. اما در فيزيك اين طور نيست! كيهان زماني كه يك ثانيه يا كسري از ثانيه سن داشته است بسيار داغ بوده است، يك ثانيه بعد از بیگ بنگ را به چند قسمت مي شود تقسيم كرد كه معني داشته باشد؟ كوچكترين زماني كه به لحاظ علم فيزيك از ثابت هاي جهاني که طبق گرانش نيوتن، پلانك، و نيز سرعت نور مي توان ساخت زمان پلانك ناميده مي شود و برابر 43- ^10 ثانيه، توجه كنيد يعني كه ثانيه را به 1043 قسمت تقسيم كنيم و تنها يك قسمت از آن را بگيريم!
اين زمان شاخص است براي محدوده اي از تحول عالم كه انتظار مي رود گرانش كوانتومي شود؛ علت اين ادعا اين است كه در محاسبه ي زمان پلانك ثابت پلانك كه نشانه ي كوانتومي بودن است وارد مي شود. بنابراين اين زمان مرز اعتبار نظريه ي گرانش اینشتين را تعيين مي كند و انتظار داريم در زمان هاي كوتاه تر از آن، كه عالم فشرده تر بوده است، گرانش كوانتومي بشود. هیچ رابطه یا فرمول فیزیکی شناخته شده ای وجود ندارد وفقط از این زمان به بعد است که روابط فیزیکی وجود دارند. بعد از عبور از چند مرحله ویژه وکاهش تدریجی دما در زمان ده بتوان منفی 12 چهار نیروی بنیادی شکل گرفته و در زمان ده بتوان منفی شش هم دما آنقدر پایین آمده تا شرایط برای شکل گیری هسته اتمها فراهم شود. دراین زمان عناصر طبیعی بویژه هلیوم وهیدروژن شکل گرفته اند. بعد از گذشت سیصدهزار سال از لحظه آفرینش کیهان برای فوتونها شفاف شده وتابش از ماده جداشده است. با انبساط کیهان ماده ٬از تابش زمینه جداشده و اتمها تشکیل شده اند. گرانش موجب تغییر چگالی های موضعی شده و ستاره ها شکل گرفته اند.
قدیمی ترین و مستقیم ترین انواع شواهد تجربی عباراتند از انبساط نوع هابل که در انتقال سرخ کهکشانها مشاهده شده است، اندازه گیری‌های جزئیات تابش زمینه کیهانی و فراوانی نسبی عناصر سبک که در جریان هسته زایی بیگ بنگ تولید شنده‌اند. امروزه توزیع، تشکیل و تکامل کهکشانها در مقیاس بزرگ نیز به این شواهد افزوده شده است. از این موارد به عنوان چهار ستون نظریه بیگ بنگ یاد شده است.
به تازگی نیز طبق مشاهدات ماهواره پلانک تخمین زده می شود سرعت انبساط جهان که برابر ثابت هابل شناخته می شود، برابر 67.15 مثبت/منفی 1.2 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک است. (پارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر 3 سال نوری است). که کمتر از برآوردهای قبلی به دست آمده از تلسکوپ های فضایی اسپیتزر ناسا و هابل میباشد. ( داده های پیشین نشان می داد که جهان با سرعت شگفت آور 71 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک در حال انبساط است.)
بیگ بنگ و تاریخچه تحول کیهانی
یافته های ماهواره WMAP و ماهواره پلانک به دانشمندان اطمینان داد که آنان به سمت یک «مدل استاندارد» کیهان شناسی ، پیش روند. داده های جدید پلانک همچنین بیانگر این است که انرژی تاریک کمتری و ماده ی تاریک و ماده ی معمولی بیشتری در کیهان وجود دارند.این نقشه حاصل پانزده و نیم ماه خیره شدن به دمای و اندازه گیری تابش مایکرو ویو پس زمینه ی کیهان است. برابر برآورد جدیدی ماده تاریک در جهان 26.8 درصد است، که قبلا 24 درصد بود، در حالی که انرژی تاریک به میزان 68.3 درصد میباشد، در حالی که قبلا 71.4 درصد بود. ماده ی معمولی در حال حاضر 4.9 درصد براورد می شود، که قبلا 4.6 درصد بود.
تابش پس زمینه کیهانی دقیق‌ترین نقشه از توزیع ماده در جهان اولیه است. این نقشه، نوسانات ریز دمایی متناظر با تفاوت‌های اندک چگالی روزهای اولیه نواحی مختلف عالم را نشان می‌دهد. این تفاوت‌های بذر ساختار آینده جهان را شکل دادند، یعنی همان چیزی که نمود آن امروزه به شکل ستارگان و کهکشانها در تمام کیهان پراکنده شده است. نقشه تهیه شده پلانک از CMB اخترشناسان و کیهان‌شناسان را قادر ساخته تا طیف وسیعی از مدل‌های مربوط به منشاء و تکامل کیهان را به بوته آزمایش بگذارند. ماهواره پلانک در زمستان سال 2009 به فضا پرتاب شد و مدت 4.5 سال را به پیمایش و جستجوی آسمان پرداخت؛ تا روند تکامل ماده کیهانی را در طول زمان مطالعه کند. در نهایت روز 1 آبان تلسکوپ فضایی پلانک به ماموریت تهیه نقشه تابش پس زمینه کیهانی پایان داد، پیش از پلانک ماهواره COBE و WMAP این وظیفه را بر عهده داشتند.
اگر چه هنوز شکافهای زیادی وجود دارد ، با این حال اختر فیزیکدانان با استفاده از داده های دریافتی، در حال ترسیم نمای کلی یک نظریه استاندارد هستند. با استفاده از تصاویری که ما امروز در کنار هم قرار می دهیم، می بینیم که سیر تکاملی جهان، با خنک شدن آن مراحل متفاوت و مستقلی را پیموده است. گذار از این مراحل مختلف بیانگر به هم ریختن تقارن و تجزیه یک نیروی واحد طبیعت است.
بیگ بنگ: در طول پنج قرن گذشته از قدرت مشاهدات و آزمایش و استدلال‌های ریاضی استفاده کرده‌ایم تا سد باورهای اشتباه گذشته را بشکنیم. نوع بشر راهی طولانی و پر فراز و نشیب را در تغییر درک خود از عالم، پشت سر گذاشته است. از عالمی که زمین کوچک مرکز آن بود تا کیهان وسیعی که صدها میلیارد کهکشان چون ذرات گرد و غبار در آن پراکنده‌اند. سر آغاز این هستی به وسیله نظریه بیگ بنگ شرح داده شده است. این نظریه یک مدل کیهان شناسی است که تاکنون از دیدگاه آزمایشات و رصدهای نجومی توانسته است بیشترین تائیدات را از سوی جامعه علمی بین المللی به دست آورد. کیهان شناسان با اصطلاح بیگ بنگ به شرح و تفسیر این ایده می پردازند که جهان از یک حالت نخستین بی نهایت گرم تشکیل شده و تمام کائنات در یک هسته اتم یاحتی کوچکتر از آن جای داشت و در یک لحظه این فضا و زمان آغاز می شود یعنی با یک بیگ بنگ که حاصل گرانش شدید ناشی از فشردگی بوده، شروع شد.
بطور کلی امروزه چنین پذیرفته می شود که فضا، زمان، ماده، انرژی و قوانین طبیعت جملگی با بیگ بنگ پا به عرصه وجود گذاشته اند. شاهد و دلیل وجود بیگ بنگ، قانون مشاهده شده هابل است. ادوین هابل (Edwin Hubble) در سال 1929 از طریق مشاهدات خود و بررسی روی انتقال به سرخ 24 کهکشان و مقایسهٔ آنها با یکدیگر به این نتیجه رسید که کهکشانهای دورتر با سرعت بیشتری در حال دور شدن هستند، همانطوری که معادلات اینشتین پیش بینی کرده بودند. دانشمندان به این فکر افتادند که اگر جهان در حال انبساط باشد، پس احتمالا آغازی دارد. اگر این کهکشان ها در گذشته های دور، به زمین خیلی نزدیک تر بودند. اگر حرکت کهکشان ها در زمان گذشته را در ذهن خود مسیریابی کنیم ، نه تنها به زمانی می رسیم که جهان آغاز شده، بلکه به این مفهوم می رسیم که کلیه کهکشان ها باید از یک حجم کوچکی شروع به حرکت کرده باشند.
ثابت هابل ( H ) که یکی از مهمترین ثابت ها در علم کیهان شناسی محسوب می شود، نشان می دهد که جهان با چه سرعتی در حال انبساط است. به عنوان مثال، نوار ویدئویی ضبط شده از یک انفجار را در نظر بگیرید. در ویدئوی ضبط شده، ذرات ناشی از انفجار را در حال دور شدن از مرکز انفجار می بینیم. به این ترتیب می توانیم سرعت دور شدن ذرات را از مرکز انفجار محاسبه کنیم. ولی از طرف دیگر همچنین می توانیم ویدئو را به عقب باز گردانیم تا لحظه ای که تمام ذرات در یک نقطه متمرکز شوند. از آنجایی را که سرعت انبساط را از قبل می دانیم، می توانیم به عقب بازگشته و زمانی را که در آن انفجار رخ داده است را محاسبه کنیم.(این مثال برای درک موضوع است و بیگ بنگ قابل مقایسه با هیچ انفجاری نیست، چون جهان پس از بیگ بنگ، تورم یافت و منبسط شد)
خط زمانی بیگ بنگ و کیهان شناسی نوین
از سن عالم تاكنون، 13.82 ميليارد سال گذشته ( طبق مشاهدات جدید ماهواره پلانک که نشان داد کیهان نزدیک به 100 میلیون سال قدیمی تر است ) طبيعي است براي بيان مرحله هاي اين تحول از زمان استفاده كنيم. ذره هايي مانند پروتون و نوترون، كه در فيزيك آنها را با نام كلي باريون مي شناسيم، در همان يك ثانيه ي اول بعد ازبیگ بنگ به وجود آمده اند. شايد تصور كنيد يك ثانيه در مقابل 13.8 ميليارد سال كه اصلاً به حساب نمي آيد. اما در فيزيك اين طور نيست! كيهان زماني كه يك ثانيه يا كسري از ثانيه سن داشته است بسيار داغ بوده است، يك ثانيه بعد از بیگ بنگ را به چند قسمت مي شود تقسيم كرد كه معني داشته باشد؟ كوچكترين زماني كه به لحاظ علم فيزيك از ثابت هاي جهاني که طبق گرانش نيوتن، پلانك، و نيز سرعت نور مي توان ساخت زمان پلانك ناميده مي شود و برابر 43- ^10 ثانيه، توجه كنيد يعني كه ثانيه را به 1043 قسمت تقسيم كنيم و تنها يك قسمت از آن را بگيريم!
اين زمان شاخص است براي محدوده اي از تحول عالم كه انتظار مي رود گرانش كوانتومي شود؛ علت اين ادعا اين است كه در محاسبه ي زمان پلانك ثابت پلانك كه نشانه ي كوانتومي بودن است وارد مي شود. بنابراين اين زمان مرز اعتبار نظريه ي گرانش اینشتين را تعيين مي كند و انتظار داريم در زمان هاي كوتاه تر از آن، كه عالم فشرده تر بوده است، گرانش كوانتومي بشود. هیچ رابطه یا فرمول فیزیکی شناخته شده ای وجود ندارد وفقط از این زمان به بعد است که روابط فیزیکی وجود دارند. بعد از عبور از چند مرحله ویژه وکاهش تدریجی دما در زمان ده بتوان منفی 12 چهار نیروی بنیادی شکل گرفته و در زمان ده بتوان منفی شش هم دما آنقدر پایین آمده تا شرایط برای شکل گیری هسته اتمها فراهم شود. دراین زمان عناصر طبیعی بویژه هلیوم وهیدروژن شکل گرفته اند. بعد از گذشت سیصدهزار سال از لحظه آفرینش کیهان برای فوتونها شفاف شده وتابش از ماده جداشده است. با انبساط کیهان ماده ٬از تابش زمینه جداشده و اتمها تشکیل شده اند. گرانش موجب تغییر چگالی های موضعی شده و ستاره ها شکل گرفته اند.
قدیمی ترین و مستقیم ترین انواع شواهد تجربی عباراتند از انبساط نوع هابل که در انتقال سرخ کهکشانها مشاهده شده است، اندازه گیری‌های جزئیات تابش زمینه کیهانی و فراوانی نسبی عناصر سبک که در جریان هسته زایی بیگ بنگ تولید شنده‌اند. امروزه توزیع، تشکیل و تکامل کهکشانها در مقیاس بزرگ نیز به این شواهد افزوده شده است. از این موارد به عنوان چهار ستون نظریه بیگ بنگ یاد شده است.
به تازگی نیز طبق مشاهدات ماهواره پلانک تخمین زده می شود سرعت انبساط جهان که برابر ثابت هابل شناخته می شود، برابر 67.15 مثبت/منفی 1.2 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک است. (پارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر 3 سال نوری است). که کمتر از برآوردهای قبلی به دست آمده از تلسکوپ های فضایی اسپیتزر ناسا و هابل میباشد. ( داده های پیشین نشان می داد که جهان با سرعت شگفت آور 71 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک در حال انبساط است.)
بیگ بنگ و تاریخچه تحول کیهانی
یافته های ماهواره WMAP و ماهواره پلانک به دانشمندان اطمینان داد که آنان به سمت یک «مدل استاندارد» کیهان شناسی ، پیش روند. داده های جدید پلانک همچنین بیانگر این است که انرژی تاریک کمتری و ماده ی تاریک و ماده ی معمولی بیشتری در کیهان وجود دارند.این نقشه حاصل پانزده و نیم ماه خیره شدن به دمای و اندازه گیری تابش مایکرو ویو پس زمینه ی کیهان است. برابر برآورد جدیدی ماده تاریک در جهان 26.8 درصد است، که قبلا 24 درصد بود، در حالی که انرژی تاریک به میزان 68.3 درصد میباشد، در حالی که قبلا 71.4 درصد بود. ماده ی معمولی در حال حاضر 4.9 درصد براورد می شود، که قبلا 4.6 درصد بود.
تابش پس زمینه کیهانی دقیق‌ترین نقشه از توزیع ماده در جهان اولیه است. این نقشه، نوسانات ریز دمایی متناظر با تفاوت‌های اندک چگالی روزهای اولیه نواحی مختلف عالم را نشان می‌دهد. این تفاوت‌های بذر ساختار آینده جهان را شکل دادند، یعنی همان چیزی که نمود آن امروزه به شکل ستارگان و کهکشانها در تمام کیهان پراکنده شده است. نقشه تهیه شده پلانک از CMB اخترشناسان و کیهان‌شناسان را قادر ساخته تا طیف وسیعی از مدل‌های مربوط به منشاء و تکامل کیهان را به بوته آزمایش بگذارند. ماهواره پلانک در زمستان سال 2009 به فضا پرتاب شد و مدت 4.5 سال را به پیمایش و جستجوی آسمان پرداخت؛ تا روند تکامل ماده کیهانی را در طول زمان مطالعه کند. در نهایت روز 1 آبان تلسکوپ فضایی پلانک به ماموریت تهیه نقشه تابش پس زمینه کیهانی پایان داد، پیش از پلانک ماهواره COBE و WMAP این وظیفه را بر عهده داشتند.
اگر چه هنوز شکافهای زیادی وجود دارد ، با این حال اختر فیزیکدانان با استفاده از داده های دریافتی، در حال ترسیم نمای کلی یک نظریه استاندارد هستند. با استفاده از تصاویری که ما امروز در کنار هم قرار می دهیم، می بینیم که سیر تکاملی جهان، با خنک شدن آن مراحل متفاوت و مستقلی را پیموده است. گذار از این مراحل مختلف بیانگر به هم ریختن تقارن و تجزیه یک نیروی واحد طبیعت است.
.
براساس این تئوری جهان از انفجار یک نقطه بوجود آمده است.این تئوری اولین بار براساس مشاهدات ادوین هابلوهمکارانش مبنی بردور شدن همه کهکشانهای آسمان از کهکشان راه شیری بجز کهکشانهای محلی مطرح شد.
دور شدن کهکشانها با تعیین انتقال به قرمز خطوط طیفی آنها نتیجه گیری شده است.مشاهدات نشان می دادند که هر چه کهکشانهای دورتر باشند سرعت دور شدن آنها هم بیشتر است.منطقی است که نتیجه گیری کنیم که اگر در زمان به عقب برگردیم در زمانی همه کهکشانها حرکت خود را از یک نقطه شروع کرده باشند.این نقطه یگانه (نقطه تکینگی کیهانی ) نه تنها کهکشانها بلکه ستاره ها٬ گازها وغبارها وحتی تابش الکترومغناطیسی را شامل می شده است.با توجه به این موارد وبا در نظر گرفتن نظریه نسبیت عام ٬دو مدل برای کیهان مطرح شده است.یکی نظریه کیهان ثابت یا پایدار ودیگری تئوری بیگ بنگ.
براساس مدل اول ٬در حالیکه کیهان منبسط می شود مواد٬ بینکهکشانها ودر فضای خالی ایجاد شده ودر مجموع چگالی کیهان وتمام خواص آن ثابت می ماند.این کیهان نه آغاز دارد ونه پایان بطور پیوسته منبسط شده ومواد جدید خلق می شود..براساس مدل دوم جهان از انفجار یک نقطه بوجود آمده است.این مدل بهمراه نظریه نسبیت عام٬ بااین واقعیت که هرچه کهکشانها از هم دورتر باشند با سرعت بیشتری از هم دور می شوند(آن چیزی که قانون هابل نامیده شده )مطابقت دارند.این مدل پیش بینی می کند که دمای اولیه در زمان انفجار در حد یک میلیارد درجه بوده است .از لحظه آغاز فرآیند آفرینش تا زمانی که به زمان پلانک مشهور است(ده بتوان منفی 43)هیچ رابطه یا فرمول فیزیکی شناخته شده ای وجود ندارد وفقط از این زمان به بعد است که روابط فیزیکی وجود دارند.بعد از عبور از چند مرحله ویژه وکاهش تدریجی دما در زمان ده بتوان منفی 12 چهار نیروی بنیادی شکل گرفته ودر زمان ده بتوان منفی شش هم دما آنقدر پایین آمده تا شرایط برای شکل گیری هسته اتمها فراهم شود.دراین زمان عناصر طبیعی بویژه هلیوم وهیدروژن شکل گرفته اند.بعد از گذشت سیصدهزار سال از لحظه آفرینش کیهان برای فوتونها شفاف شده وتابش از ماده جداشده است.با انبساط کیهان ماده ٬از تابش زمینه جداشده واتمها تشکیل شده اند.گرانش موجب تغییر چگالی های موضعی شده وستاره ها شکل گرفته اند.براساس این مدل ٬تابش زمینه باید دمای خاصی داشته باشد وبا گذشت زمان کاهش یافته ودر حال حاضر نیز دمای آن 5 درجه کلوین باشد.کشف تابش زمینه توسط پنزیاس وروبرت ویلسون وعکسبرداری های ماهواره COBE از نقاط قوت این مدل است.گفتنی است در کنار این موارد تایید کننده ایراداتی نیز بر آن وارد است. نقطه مقابل بیگ بنگ بیگ کرانچ یا مهرمبش نام دارد.
.
بیگ بنگ: در طول پنج قرن گذشته از قدرت مشاهدات و آزمایش و استدلال‌های ریاضی استفاده کرده‌ایم تا سد باورهای اشتباه گذشته را بشکنیم. نوع بشر راهی طولانی و پر فراز و نشیب را در تغییر درک خود از عالم، پشت سر گذاشته است. از عالمی که زمین کوچک مرکز آن بود تا کیهان وسیعی که صدها میلیارد کهکشان چون ذرات گرد و غبار در آن پراکنده‌اند. سر آغاز این هستی به وسیله نظریه بیگ بنگ شرح داده شده است. این نظریه یک مدل کیهان شناسی است که تاکنون از دیدگاه آزمایشات و رصدهای نجومی توانسته است بیشترین تائیدات را از سوی جامعه علمی بین المللی به دست آورد. کیهان شناسان با اصطلاح بیگ بنگ به شرح و تفسیر این ایده می پردازند که جهان از یک حالت نخستین بی نهایت گرم تشکیل شده و تمام کائنات در یک هسته اتم یاحتی کوچکتر از آن جای داشت و در یک لحظه این فضا و زمان آغاز می شود یعنی با یک بیگ بنگ که حاصل گرانش شدید ناشی از فشردگی بوده، شروع شد.
ادوین هابل کاشف انبساط کیهان
بطور کلی امروزه چنین پذیرفته می شود که فضا، زمان، ماده، انرژی و قوانین طبیعت جملگی با بیگ بنگ پا به عرصه وجود گذاشته اند. شاهد و دلیل وجود بیگ بنگ، قانون مشاهده شده هابل است.ادوین هابل (Edwin Hubble) در سال 1929 از طریق مشاهدات خود و بررسی روی انتقال به سرخ 24 کهکشان و مقایسهٔ آنها با یکدیگر به این نتیجه رسید که کهکشانهای دورتر با سرعت بیشتری در حال دور شدن هستند، همانطوری که معادلات اینشتین پیش بینی کرده بودند. دانشمندان به این فکر افتادند که اگر جهان در حال انبساط باشد، پس احتمالا آغازی دارد. اگر این کهکشان ها در گذشته های دور، به زمین خیلی نزدیک تر بودند. اگر حرکت کهکشان ها در زمان گذشته را در ذهن خود مسیریابی کنیم ، نه تنها به زمانی می رسیم که جهان آغاز شده، بلکه به این مفهوم می رسیم که کلیه کهکشان ها باید از یک حجم کوچکی شروع به حرکت کرده باشند.
ثابت هابل ( H ) که یکی از مهمترین ثابت ها در علم کیهان شناسی محسوب می شود، نشان می دهد که جهان با چه سرعتی در حال انبساط است. به عنوان مثال، نوار ویدئویی ضبط شده از یک انفجار را در نظر بگیرید. در ویدئوی ضبط شده، ذرات ناشی از انفجار را در حال دور شدن از مرکز انفجار می بینیم. به این ترتیب می توانیم سرعت دور شدن ذرات را از مرکز انفجار محاسبه کنیم. ولی از طرف دیگر همچنین می توانیم ویدئو را به عقب باز گردانیم تا لحظه ای که تمام ذرات در یک نقطه متمرکز شوند. از آنجایی را که سرعت انبساط را از قبل می دانیم، می توانیم به عقب بازگشته و زمانی را که در آن انفجار رخ داده است را محاسبه کنیم.(این مثال برای درک موضوع است و بیگ بنگ قابل مقایسه با هیچ انفجاری نیست، چون جهان پس از بیگ بنگ، تورم یافت و منبسط شد)
این گرافیک زمان بندی شکل گیری جهان را طبق نظریه بیگ بنگ و تورم کیهانی نشان می دهد.
خط زمانی بیگ بنگ و کیهان شناسی نوین
از سن عالم تاكنون، 13.82 ميليارد سال گذشته ( طبق مشاهدات جدید ماهواره پلانک که نشان داد کیهان نزدیک به 100 میلیون سال قدیمی تر است ) طبيعي است براي بيان مرحله هاي اين تحول از زمان استفاده كنيم. ذره هايي مانند پروتون و نوترون، كه در فيزيك آنها را با نام كلي باريون مي شناسيم، در همان يك ثانيه ي اول بعد ازبیگ بنگ به وجود آمده اند. شايد تصور كنيد يك ثانيه در مقابل 13.8 ميليارد سال كه اصلاً به حساب نمي آيد. اما در فيزيك اين طور نيست! كيهان زماني كه يك ثانيه يا كسري از ثانيه سن داشته است بسيار داغ بوده است، يك ثانيه بعد از بیگ بنگ را به چند قسمت مي شود تقسيم كرد كه معني داشته باشد؟ كوچكترين زماني كه به لحاظ علم فيزيك از ثابت هاي جهاني که طبق گرانش نيوتن، پلانك، و نيز سرعت نور مي توان ساخت زمان پلانك ناميده مي شود و برابر 43- ^10 ثانيه، توجه كنيد يعني كه ثانيه را به 1043 قسمت تقسيم كنيم و تنها يك قسمت از آن را بگيريم!
اين زمان شاخص است براي محدوده اي از تحول عالم كه انتظار مي رود گرانش كوانتومي شود؛ علت اين ادعا اين است كه در محاسبه ي زمان پلانك ثابت پلانك كه نشانه ي كوانتومي بودن است وارد مي شود. بنابراين اين زمان مرز اعتبار نظريه ي گرانش اینشتين را تعيين مي كند و انتظار داريم در زمان هاي كوتاه تر از آن، كه عالم فشرده تر بوده است، گرانش كوانتومي بشود. هیچ رابطه یا فرمول فیزیکی شناخته شده ای وجود ندارد وفقط از این زمان به بعد است که روابط فیزیکی وجود دارند. بعد از عبور از چند مرحله ویژه وکاهش تدریجی دما در زمان ده بتوان منفی 12 چهار نیروی بنیادی شکل گرفته و در زمان ده بتوان منفی شش هم دما آنقدر پایین آمده تا شرایط برای شکل گیری هسته اتمها فراهم شود. دراین زمان عناصر طبیعی بویژه هلیوم وهیدروژن شکل گرفته اند. بعد از گذشت سیصدهزار سال از لحظه آفرینش کیهان برای فوتونها شفاف شده وتابش از ماده جداشده است. با انبساط کیهان ماده ٬از تابش زمینه جداشده و اتمها تشکیل شده اند. گرانش موجب تغییر چگالی های موضعی شده و ستاره ها شکل گرفته اند.
قدیمی ترین و مستقیم ترین انواع شواهد تجربی عباراتند از انبساط نوع هابل که در انتقال سرخکهکشانها مشاهده شده است، اندازه گیری‌های جزئیات تابش زمینه کیهانی و فراوانی نسبی عناصر سبک که در جریان هسته زایی بیگ بنگ تولید شنده‌اند. امروزه توزیع، تشکیل و تکامل کهکشانها در مقیاس بزرگ نیز به این شواهد افزوده شده است. از این موارد به عنوان چهار ستون نظریه بیگ بنگ یاد شده است.
به تازگی نیز طبق مشاهدات ماهواره پلانک تخمین زده می شود سرعت انبساط جهان که برابر ثابت هابل شناخته می شود، برابر 67.15 مثبت/منفی 1.2 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک است. (پارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر 3 سال نوری است). که کمتر از برآوردهای قبلی به دست آمده از تلسکوپ های فضایی اسپیتزر ناسا و هابل میباشد. ( داده های پیشین نشان می داد که جهان با سرعت شگفت آور 71 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک در حال انبساط است.)
بیگ بنگ و تاریخچه تحول کیهانی
یافته های ماهواره WMAP و ماهواره پلانک به دانشمندان اطمینان داد که آنان به سمت یک «مدل استاندارد» کیهان شناسی ، پیش روند. داده های جدید پلانک همچنین بیانگر این است که انرژی تاریک کمتری و ماده ی تاریک و ماده ی معمولی بیشتری در کیهان وجود دارند.این نقشه حاصل پانزده و نیم ماه خیره شدن به دمای و اندازه گیری تابش مایکرو ویو پس زمینه ی کیهان است. برابر برآورد جدیدی ماده تاریک در جهان 26.8 درصد است، که قبلا 24 درصد بود، در حالی که انرژی تاریک به میزان 68.3 درصد میباشد، در حالی که قبلا 71.4 درصد بود. ماده ی معمولی در حال حاضر 4.9 درصد براورد می شود، که قبلا 4.6 درصد بود.
تابش پس زمینه کیهانی دقیق‌ترین نقشه از توزیع ماده در جهان اولیه است. این نقشه، نوسانات ریز دمایی متناظر با تفاوت‌های اندک چگالی روزهای اولیه نواحی مختلف عالم را نشان می‌دهد. این تفاوت‌های بذر ساختار آینده جهان را شکل دادند، یعنی همان چیزی که نمود آن امروزه به شکل ستارگان و کهکشانها در تمام کیهان پراکنده شده است. نقشه تهیه شده پلانک از CMB اخترشناسان و کیهان‌شناسان را قادر ساخته تا طیف وسیعی از مدل‌های مربوط به منشاء و تکامل کیهان را به بوته آزمایش بگذارند. ماهواره پلانک در زمستان سال 2009 به فضا پرتاب شد و مدت 4.5 سال را به پیمایش و جستجوی آسمان پرداخت؛ تا روند تکامل ماده کیهانی را در طول زمان مطالعه کند. در نهایت روز 1 آبان تلسکوپ فضایی پلانک به ماموریت تهیه نقشه تابش پس زمینه کیهانی پایان داد، پیش از پلانک ماهواره COBE و WMAP این وظیفه را بر عهده داشتند.
نقشه پلانک از قدیمی ترین نور در جهان که به نام پس زمینه کیهانی شناخته می شود ، با دقت بی سابقه ای انجام شد
اگر چه هنوز شکافهای زیادی وجود دارد ، با این حال اختر فیزیکدانان با استفاده از داده های دریافتی، در حال ترسیم نمای کلی یک نظریه استاندارد هستند. با استفاده از تصاویری که ما امروز در کنار هم قرار می دهیم، می بینیم که سیر تکاملی جهان، با خنک شدن آن مراحل متفاوت و مستقلی را پیموده است. گذار از این مراحل مختلف بیانگر به هم ریختن تقارن و تجزیه یک نیروی واحد طبیعت است. در ادامه، مراحلی که تا به امروز شناخته شده اند، از این قرارند :
1 ) قبل از 43- ^10 ثانیه، عصر پلانک
تقریبا هیچ چیز در مورد عصر پلانک مشخص نیست. در انرژی پلانک ( 19^10 میلیارد الکترون ولت ) ، نیروی گرانش به اندازۀ نیروهای کوانتومی قوی بوده است. در نتیجه ، چهار نیروی جهان احتمالا در یک «ابر نیرو» متحد بوده اند. شاید جهان در فاز کاملی از «هیچ» یا فضای خالی با ابعاد بیشتر، وجود داشته است. تقارن مرموزی که تمام این چهار نیرو را با هم ترکیب می کند باعث تغییر ناپذیری معادلات می گردد، بیشتر «ابر تقارن» است. به دلایل ناشناخته، تقارن مرموزی که تمام چهار نیرو را متحد ساخته، شکسته شده و حباب کوچکی شکل گرفته است. این حباب کوچک همان جهان جنینی ما است که شاید در نتیجه یک افت و خیز کوانتومی تصادفی ایجاد شده باشد. اندازۀ این حباب برابر «طول پلانک» یعنی 33- ^10 سانتیمتر، بوده است.
2 ) 34- ^10 ثانیه ، عصر گات
شکست تقارن حبابی به وجود آورد که به سرعت انبساط یافت. با متورم شدن حباب، چهار نیروی بنیادی به سرعت جدا شدند. گرانش، اولین نیرویی بود که از سه نیروی دیگر جدا شد و به این ترتیب موج ضربه ای را در سراسر جهان آزاد کرد. تقارن اصلی ابر نیرو به تقارن کوچکتری شکسته شد، شاید به تقارن گات. بر هم کنشهای قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی باقی مانده، هنوز از طریق تقارن گات با هم متحد بودند. جهان در طی این مرحله، به دلایلی که هنوز مشخص نیست، با ضریب بسیار بزرگی، حدود 50^10 متورم و باعث شد فضا سریع تر از سرعت نور منبسط شود. دما در این حالت برابر 32^10 بوده است.
3 ) 24- ^10 ثانیه ، پایان تورم
با جدا شدن نیروی قوی از دو نیروی دیگر، دما به 27^10 درجه کاهش یافت. دورۀ تورم پایان یافت، جهان آرام گرفت و از آن پس با انبساط استاندارد فریدمن به کار خود ادامه داد. در این حالت، جهان «سوپ» پلاسمای داغ شامل کوارک ها، گلئون ها و لپتون ها آزاد بود. کوارک های آزاد پس از تراکم به پروتون ها و نوترونهای امروزی تبدیل شدند. جهان ما در این مرحله هنوز بسیار کوچک بود و ابعاد آن تنها به ابعاد فعلی منظومۀ شمسی می رسید. ماده و پاد ماده یکدیگر را خنثی کردند، اما مقدار ماده نسبت به پاد ماده کمی بیشتر بود ( یک در میلیارد ) و باعث به وجود آمدن ماده ای شد که امروزه در اطراف خود می بینیم. ( با مشاهدۀ ذره بوزون هیگز و چگونگی جرم دار شدن ماده که توسط برخود دهندۀ بزرگ هادرون انجام شد دانشمندان توانستند این مرحله را بازسازی کنند. )
جدول زمانی جهان در مدت 13.8 میلیارد سال ، از بیگ بنگ، دوران تاریک کیهانی، تشکیل نخستین ستارگان، و گسترش و انبساط کیهان تا دوران کنونی نشان می دهد.
4 ) سه دقیقه ، شکل گیری هسته ها
دما به اندازۀ کافی برای شکل گرفتن هسته ها کاهش پیدا کرده است. طی فرایند همجوشی، هیدروژن به هلیم تبدیل شد. ( که نسبت 75 درصد هیدروؤن به 25 درصد هلیم را در جهان ایجاد کرد. ) مقادیر ناچیزی لیتیم شکل گرفت، ولی فرایند همجوشی عناصر بالاتر ، به دلیل اینکه هسته های دارای 5 ذره خیلی ناپایدار بودند، متوقف شد. جهان به دلیل تفرق نور به وسیلۀ الکترون های آزاد غیر شفاف بود. این مرحله ، پایان عمر گوی آتشین اولیه محسوب می شود.
5 ) 380000 سال بعد ، اتم ها متولد می شوند
دما به 3000 درجه کلوین کاهش یافت. با جایگیری الکترون ها در اطراف هسته ها، اتم ها شکل گرفتند، بدون اینکه به دلیل گرما از هم پاشیده شوند. فوتون ها هم اکنون می توانستند بی آنکه جذب شوند، آزادانه حرکت کنند. این همان تابشی است که به وسیلۀ COBE و WMAP اندازه گیری شده است. جهانی که زمانی مات و مملو از پلاسما بود، حالا شفاف شد. آسمان بجای سفید، اکنون سیاه بود.
6 ) یک میلیارد سال بعد ، ستارگان متراکم می شوند
دما به 18 درجه کلوین کاهش یافت. اختروش ها ، کهکشان ها و خوشه های کهکشانی، عمدتا به عنوان نتایج فرعی افت و خیزهای کوچک کوانتومی در گوی آتشین اولیه، شروع به تراکم نمودند. عناصر سبک، مثل کربن ، اکسیژن و نیتروژن در ستارگان ساخته شدند. ستارگان شاخته شدند. ستارگان در حال انفجار ، عناصر بعد از آهن را در اسمانها پراکندند. این دوره، دورترین دوره ای است که به وسیلۀ تلسکوپ هابل تصویربرداری شده و قابل تجسس و بررسی است.
7 ) 6.5 میلیارد سال ، انبساط دِسیتر
انبساط فریدمن به تدریج پایان یافت و سرعت انبساط جهان رو به افزایش گذاشت. به این ترتیب، جهان وارد مرحله ای به نام انبساط دِسیتر شد. در این مرحله، نیروی مرموز ضد گرانشی که هنوز شناسایی نشده، جهان را به پیش می راند.
8 ) 13.8 میلیار سال ، امروز
اکنون دما به 2.7 درجه کلوین کاهش یافته است. ما شاهد جهان امروزی، شامل کهکشانها، ستاره ها و سیارات هستیم. سرعت جهان، در یک حالت گریز، رو به افزایش است.
بیگ بنگ و جهانی بر خاسته از هیچ
ممکن است درنگاه اول با نظریه جهانی از هیچ و جهان های چندگانه مخالفت کنیم، زیرا به نظر می رسد این نظریه قوانین شناخته شده ای مثل قانون بقای ماده و انرژی را به هم می ریزد. در واقع، مجموع کل ماده به علاوه انرژی در جهان احتمالا خیلی کوچک است. درست است که مقدار ماده موجود در جهان شامل تمام ستارگان، سیارات و کهکشان ها مقداری مثبت و بزرگ است، بااین حال انرژی ذخیره شده در گرانش، ممکن است منفی باشد. اگر انرژی مثبت ماده را با انرژی منفی گرانش جمع کنیم، نتیجه عددی نزدیک به صفر خواهد بود! از بعضی جهات می توان گفت چنین جهان هایی آزاد هستند. آنها می توانند از درون خلاء تقریبا بدون هیچ تلاشی، بیرون بجهند. در جهان بسیار شگفت انگیز مکانیک کوانتوم که به توصیف رفتارها در مقیاس زیر اتمی می پردازد، نوسان ها و بی ثباتی های گاه به گاهی می تواند ماده و انرژی را از هیچ پدید آورد و به گفتۀ محققان، این در واقع می تواند به پدید آمدن چیزهای بسیار بزرگ هم بیانجامد.
انرژی تمامي ذرات بنيادي در لحظه تولد جهان ( بیگ بنگ ) بدون جرم بوده اند اما در كسر بسيار كوچكي از ثانيه پس از آن هنگامي كه ذرات هيگز از « انرژي بیگ بنگ» پديد آمده و كل جهان را پُر كردند و ناگهان برخي از ذرات بنيادي به واسطه برهم كنش با آنها جرمدار شدند و همچنان این ذرات نامرئی در میدان هیگز جهان انرژی ابتدایی خود را حفظ کرده اند. خوب حال سوال پیش می آید بیگ بنگ انرژی اش را چطور بدست آورده است؟ در مدل های کوانتومی به علت افت و خیزهای میدان گرانشی ناپایدار، باعث می شود گذاری خود به خود به عالم در حال انبساط و ماده رخ دهد. ممکن است فکر کنید خلق ماده و انبساط آن به مقداری انرژی نیاز دارد و بنابراین اگر ماده از « فضای خالی » به وجود آمده باشد؛ پایستگی انرژی که یکی از اصول مسلم فیزیک است، بر هم خواهد خورد.
در واقع ، در فرایند هیچ؛ نقض پایستگی انرژی وجود ندارد. به یاد بیاورید که میدان گرانشی دارای انرژی منفی است. ( حالتی مقید به پروتون در حالتی با انرژی منفی وجود دارد؛ هر نیروی جاذبه ای چنین خصوصیتی دارد و نیروی گرانشی همیشه جاذبه ای است.) بنابراین می توان به موقعیتی رسید که انرژی گرانشی منفی با انرژی مثبت ماده ( و انبساط )در تعادل باشد که در نتیجه انرژی کل صفر می شود. معادلات کیهان شناسی کوانتومی نشان می دهند که عالم به علت افت و خیزهای کوانتومی بطور خود به خودی از خلا به وجود آمده است و بیگ بنگ های متعدد در اعصار مختلف بوده و خواهد بود.
منابع:
جهان های موازی – میچیو کاکو
حیات هوشمند در کائنات- پیتر اولم اشنایدر
پس از نخستین سه دقیقه – ت.پادمانایان
ویکی پدیا
«بیگ بنگ» و «انفجار بزرگ» به اینجا تغییر مسیر دارند. برای گروه موسیقی، بیگ بنگ (گروه موسیقی) را ببینید. برای مجموعه تلویزیونی کمدی، تئوری بیگ بنگ را ببینید. برای دیگر کاربردهای انفجار بزرگ، انفجار بزرگ (ابهام‌زدایی) را ببینید.
نظریه مِه‌بانگ یا بیگ بنگ (به انگلیسی: Big Bang Theory) تولد زمان و مدل کیهان‌شناسی پذیرفته‌شده جهان، از کهن‌ترین دوران شناخته‌شده و تکامل آن در اندازه و مقیاس بزرگ است.[۱][۲][۳] این نظریه بیان می‌کند که گیتی از یک وضعیت بسیار چگال (متراکم) نخستین آغاز شده و در گذر زمان انبساط یافته‌است[۴][۵] این نظریه طیف گسترده‌ای از پدیده‌های مشاهده‌شده را به خوبی توضیح می‌دهد. از جمله این پدیده‌ها می‌توان به فراوانی عناصر سبک اولیه، تابش زمینه کیهانی، ساختار بزرگ مقیاس و قانون هابل اشاره نمود.[۶] اگر در زمان به عقب برگردیم، به نقطه‌ای در گذشته می‌رسیم که در آن قوانین فیزیکی شناخته‌شده کارایی خود را از دست می‌دهند و نقطه تکینگی نام دارد. این نقطه، نقطه پیدایش گیتی است و بر اساس اندازه‌گیری‌های جدید، این لحظه تقریباً ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش رخ داده‌است و از این رو سن گیتی ۱۳٫۸ میلیارد سال تخمین زده می‌شود.[۷] پس از انبساط اولیه گیتی به اندازه کافی سرد شد که امکان پیدایش ذرات زیراتمی و بعدها اتمهای ساده، پدید آید. به هم پیوستن ابرهای غول‌پیکر از عناصر اولیه بر اثر نیروی گرانش، باعث پیدایش ستارگان و کهکشانها شد.
بر طبق نظریه مه بانگ،جهان از یک نقطه بسیار‌چگال و داغ گسترش یافته است.هم اکنون به علت وجود انرژی تاریک ، به سرعت در حال گسترش است.
از زمانی که ژرژ لومتر، کشیش و اخترشناس بلژیکی، برای نخستین بار در سال ۱۹۲۷ متوجه شد که انبساط جهان را می‌توان در زمان رو به عقب دنبال نمود تا به نقطه اولیه رسید، تاکنون دانشمندان متعددی بر پایه ایده انبساط جهان نظریه‌پردازی کرده‌اند. اگرچه در ابتدا جامعه علمی به دو دسته طرفداران نظریه مهبانگ و نظریه حالت پایدار تقسیم می‌شد، اما شواهد تجربی کشف‌شده در گذر زمان، درستی نظریه مهبانگ را تأیید می‌کنند.[۸] در سال ۱۹۲۹، ادوین هابل با بررسی پدیده 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 فرضیه جهان در حال انبساط سازگار بود. در سال ۱۹۶۴ تابش زمینه کیهانی کشف شد، که مدرکی کلیدی در تأیید مدل مهبانگ محسوب می‌شد، زیرا این نظریه وجود تابش پس‌زمینه در سراسر جهان را پیش از کشف آن پیش‌بینی کرده‌بود. به تازگی، بررسی انتقال به سرخ در ابرنواخترها نشان داد که سرعت انبساط گیتی نیز در حال افزایش می باشد . علت فزونی یافتن سرعت انبساط گیتی، وجود انرژی تاریک است.[۹] با استفاده از قوانین فیزیکی شناخته‌شده می‌توان جزئیات ویژگی‌های جهان را در گذشته تا حالت نخستین چگالی و دمای بسیار بالا محاسبه نمود.[۱۰][۱۱][۱۲] مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین (CFA) می‌گوید: سناریوی مهبانگ دربارهٔ منشأ جهان هستی کاملاً ساکت
نظریه بیگ بنگ چیست؟ تاریخچه آغاز جهان
به روز رسانی شده در نوامبر 28, 2020
بیگ بنگ چیست؟ جهان ما چگونه ایجاد شد؟ چگونه این دنیایی که امروز در آن قرار داریم، اینقدر نامتناهی شد؟ یا در اعصار آینده چه اتفاقی برای آن خواهد افتاد؟ اینها سوالاتی هستند که از دیرباز فیلسوفان و دانشمندان را متحیر نموده و منجر به ارائه نظریه‌های متعدد و گاهی جالبی شده است. اکنون دانشمندان، ستاره شناسان و کیهان شناسان بر این باورند که جهان ما در یک انفجار عظیم ایجاد شده است. در این انفجار نه تنها بخش زیادی از ماده به وجود آمد بلکه قوانین فیزیک حاکم بر کیهان نیز ایجاد شدند.
این نظریه با نام بیگ بنگ (Big Bang) یا مهبانگ شناخته می‌شود. این اصطلاح تقریباً یک قرن است که توسط دانشمندان و سایر افراد به طور یکسان مطرح شده است، اما معنی دقیق آن چیست؟ جهان ما چگونه در یک انفجار عظیم متولد شده است، چه اثباتی در این مورد وجود دارد و این نظریه درباره پیش‌بینی‌های طولانی مدت برای جهان چه می‌گوید؟
اصول نظری، نظریه بیگ بنگ کاملاً ساده است. به طور خلاصه، این نظریه بیان می‌کند که همه مواد موجود در گذشته و امروز جهان، تقریباً ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش به صورت همزمان به وجود آمدند. در این زمان تمام مواد جهان به صورت یک نقطه بسیار کوچک با چگالی بی‌نهایت و گرمای بسیار شدیدی بود که تکینگی (Singularity) نام دارد. تکینگی ناگهان شروع به گسترش کرده و جهان آغاز شد.
این تئوری، تنها نظریه مدرن درباره چگونگی به وجود آمدن جهان نیست. به عنوان مثال نظریه حالت ثابت (Steady State Theory) یا نظریه جهان نوسانی (Oscillating Universe Theory) نیز وجود دارد که در میان برخی از دانشمندان به طور گسترده‌ای مورد قبول هستند. این مدل نه تنها منشأ همه مواد شناخته شده، قوانین فیزیک و ساختار مقیاس بزرگ جهان را توضیح می‌دهد، بلکه گسترش جهان و طیف وسیعی از پدیده‌های دیگر را نیز در برمی‌گیرد.
تماشا کنید: فیلم شکل گیری جهان پس از بیگ بنگ
گاهشمار بیگ بنگ
دانشمندان این نظریه را مطرح کرده‌اند که منشأ همه چیز در یک نقطه با چگالی بی نهایت و زمان محدود بوده است که از آنجا شروع به گسترش کرد. این نظریه معتقد است که پس از گسترش اولیه، جهان به اندازه کافی سرد شد 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 دادند.
همه اینها تقریباً ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش آغاز شد، به همین علت سن جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال برآورد می‌شود. دانشمندان از طریق آزمایش اصول نظری، آزمایش‌های مربوط به شتاب دهنده‌های ذرات (مانند شتاب دهنده هادرون و سرن) و حالت‌های پرانرژی و مطالعات نجومی درباره اعماق جهان، یک جدول زمانی از وقایع ساخته‌اند که با بیگ بنگ آغاز شده و منجر به وضعیت تکاملی کنونی کیهان شده است.
با این حال، اولین زمان‌های جهان تقریباً از ۴۳-۱۰ تا ۱۱-۱۰ ثانیه پس از بیگ بنگ به طول انجامید، موردی که محل گمانه‌زنی‌های گسترده‌ای است. با توجه به اینکه قوانین فیزیک به گونه‌ای که امروز می‌شناسیم در این زمان نمی‌توانستند وجود داشته باشند، درک اینکه چگونه جهان اداره می‌شد دشوار است.
تکینگی
تکینگی که با عنوان دوره پلانک (Planck Era) نیز شناخته می‌شود ، اولین دوره زمانی شناخته شده جهان است. در این زمان کل ماده در یک نقطه با چگالی بی‌نهایت و گرمای شدید متراکم بود. اعتقاد بر این است که در دوره پلانک اثرات کوانتومی گرانش بر فعل و انفعالات فیزیکی غالب بوده و سایر نیروی‌های فیزیکی توان برابری با قدرت جاذبه را نداشتند.
دوره زمانی پلانک از لحظه ۰ تا تقریباً ۴۳-۱۰ ثانیه ادامه داشت، این زمان بسیار کوتاه فقط در زمان پلانک قابل اندازه گیری میباشد به همین علت به نام دوره پلانک نامگذاری شده است. به دلیل گرما و تراکم شدید ماده، وضعیت جهان بسیار ناپایدار بود. بنابراین شروع به گسترش و خنک شدن کرده و منجر به ظهور نیروهای بنیادی فیزیک شد.
تقریباً از ۴۳-۱۰ ثانیه و ۳۶-۱۰ جهان شروع به عبور از دمای انتقال می‌کند. در اینجا است که تصور می‌شود نیروهای بنیادی حاکم بر جهان شروع به جدا شدن از یکدیگر کرده‌اند. اولین قدم در این کار نیروی جاذبه بود که از نیروهای هسته‌ای قوی، ضعیف و الکترومغناطیس جدا شد.
سپس از لحظه ۳۶-۱۰ تا ۳۲-۱۰ ثانیه پس از مهبانگ دمای جهان ۱۰۲۸ درجه کلوین بود، که برای جدا شدن نیروهای الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف مناسب بود، بنابراین این دو نیروی مجزا تشکیل شدند.
دوران تورم
با ایجاد اولین نیروهای بنیادی جهان، دوران تورم آغاز شده و از لحظه ۳۲-۱۰ ثانیه تا یک نقطه نامعلوم ادامه داشت. بیشتر مدل‌های کیهان شناسی نشان می‌دهند که جهان در این مرحله به طور همگن با چگالی انرژی بالا پر شده که در آن درجه حرارت و فشار فوق العاده زیاد باعث انبساط و خنک سازی سریع می‌شود. این اتفاق در لحظه ۳۷-۱۰ ثانیه شروع شد، زمانی که انتقال فاز باعث جدایی نیروها از هم شده و منجر به دوره‌ای شد که در آن جهان به صورت تصاعدی رشد کرد. همچنین در این برهه از زمان بود که باریوژنز (Baryogenesis) رخ داد، باریوژنز یک رویداد فرضی است که در آن دمای جهان چنان بالا بود که حرکات تصادفی ذرات با سرعت نسبی رخ می‌داد.
در دوره باریوژنز به علت شدت گرما و تراکم زیاد، انواع جفت‌های ماده و ضد ماده به طور مداوم تولید و در برخوردها نابود می‌شدند، گمان می‌رود این دوره منجر به غلبه ماده بر ضد ماده در جهان کنونی شد. بعد از متوقف شدن تورم، جهان از یک پلاسمای کوارک-گلوئون و همچنین سایر ذرات بنیادی تشکیل شد. از این مرحله به بعد جهان شروع به سرد شدن کرد، که در آن ماده بهم پیوسته و شکل گرفت.
دوران سرد شدن
همانطور که تراکم و دمای جهان کاهش می‌یافت، انرژی هر ذره شروع به کاهش کرده و فاز انتقال ادامه داشت تا اینکه نیروهای بنیادی فیزیک و ذرات بنیادی به شکل امروزی تغییر پیدا کردند. به علت این که در این دوره انرژی ذرات به مقداری کاهش یافت که آنها را می‌توان با آزمایش‌های فیزیک ذرات بدست آورد، رخدادهای این دوره کمتر مورد تردید هستند.
به عنوان مثال دانشمندان معتقدند که حدود ۱۱-۱۰ ثانیه پس از بیگ بنگ، انرژی ذرات به طور قابل توجهی کاهش یافته است. در حدود ۶-۱۰ ثانیه کوارک‌ها و گلوئون‌ها با هم ترکیب شده باریون‌هایی مانند پروتون و نوترون را تشکیل دادند، در اینجا زیاد بودن کوارک نسبت به ضدکوارک منجر به افزایش نسبت باریون‌ها به آنتی‌باریون‌ها شد.
از آنجایی که درجه حرارت به اندازه کافی بالا نبود تا بتواند جفت‌های جدید پروتون-آنتی‌پروتون (یا جفت‌های نوترون-آنتی‌نوترون) ایجاد کند، بلافاصله نابودی جرم صورت گرفته و از هر ۱۰۱۰ پروتون و نوترون فقط یک پروتون و نوترون اصلی باقی ماند. در حدود ۱ ثانیه پس از بیگ بنگ فرآیند مشابهی برای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها رخ داد. پس از این نابودی، پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌های باقیمانده دیگر به طور نسبی حرکت نمی‌کردند و فوتونها (و به میزان کمتری نوترینوها) چگالی انرژی جهان را تحت سلطه خود قرار دادند.
چند دقیقه پس از انبساط، دوره‌ای معروف به نوکلئوسنتز بیگ بنگ (Big Bang Nucleosynthesis) آغاز شد. نوکلئوسنتز مرحله‌ای بود که در آن هسته اتمهای پیچیده‌تر از هیدروژن تشکیل شدند. به لطف کاهش دما تا ۱ میلیارد کلوین و تراکم انرژی، نوترون‌ها و پروتون‌ها شروع به ترکیب شدن کرده و اولین دوتریم جهان (ایزوتوپ پایدار هیدروژن) و اتمهای هلیوم جهان را تشکیل داند. با این حال عمده پروتون‌های جهان به صورت هسته‌های هیدروژن بدون ترکیب باقی ماندند.
پس از حدود ۳۷۹۰۰۰ سال، الکترون‌ها با این هسته‌ها ترکیب شده و اتمها را تشکیل دادند (باز هم عمدتاً هیدروژن)، در این حین تشعشعات از ماده جدا شده و بدون هیچ مشکلی در فضا گسترش می‌یافتند. این تشعشع، همان تابش زمینه کیهانی (CMB) بوده و قدیمی‌ترین نور جهان است. با گسترش تابش زمینه کیهانی، جهان به تدریج چگالی و انرژی خود را از دست داد و دمای آن به ۲۷۰٫۴۲۴- درجه سانتیگراد رسید، میزان تراکم انرژی در این مرحله l۰٫۲۵ eV/cm3تخمین زده می‌شود.
دوره تشکیل ساختار
در طی چند میلیارد سال در مناطقی از جهان که در آنها تراکم ماده تقریباً به صورت یکنواخت توزیع شده بود، مواد با گرانش خود شروع به جذب همدیگر کردند. به این ترتیب آنها حتی بیشتر متراکم شده و ابرهای گازی، ستاره‌ها، کهکشانها و سایر ساختارهای نجومی را که امروزه به طور منظم مشاهده می‌کنیم، تشکیل دادند. این همان چیزی است که با عنوان دوره تشکیل ساختار شناخته می‌شود، زیرا در این زمان بود که جهان امروزی شکل گرفت. این ماده از ماده مرئی توزیع شده در ساختارهای با اندازه‌های مختلف ستاره‌ها و سیارات تا کهکشانها، خوشه‌های کهکشانی و ابر خوشه‌ها، تشکیل شده است.
جزئیات این فرآیند به مقدار و نوع ماده موجود در جهان بستگی دارد، ماده تاریک سرد، ماده تاریک گرم، ماده تاریک داغ و ماده باریونیک چهار نوع ماده هستند که کیهان شناسان پیشنهاد کرده‌اند. با این حال، مدل ماده تاریک سرد لامبدا (Lambda-Cold Dark Matter) یا لامبدا-سی‌دی‌ام (Lambda-CDM) که در آن ذرات ماده تاریک در مقایسه با سرعت نور به آرامی حرکت می‌کنند، به عنوان بهترین مدل کیهان شناسی مهبانگ در نظر گرفته می‌شود، زیرا با داده‌های موجود در تناسب است.
در این مدل تخمین زده می‌شود که ماده تاریک سرد حدود ۲۳٪ ماده/انرژی جهان را تشکیل داده است، در حالی که ماده باریونیک حدود ۴٫۶٪ جهان را تشکیل می‌دهد. لامبدا به ثابت کیهان شناختی اشاره دارد، نظریه‌ای که ابتدا توسط انیشتین ارائه شد. در این نظریه انیشتین تلاش کرد تا نشان دهد که تعادل جرم-انرژی در جهان ثابت است. در این حالت کیهان شناسان آن را با انرژی تاریک مرتبط می‌دانند که برای تسریع انبساط جهان و حفظ ساختار بزرگ مقیاس آن تا حد زیادی یکنواخت است.
بیشتر بخوانید: ماده تاریک چیست؟ بررسی تاریخچه و ماهیت آن
مبدل لامبدا که نرخ انبساط جهان را نشان می‌دهد
پیش‌بینی‌های طولانی مدت مهبانگ
این فرضیه که در آن جهان دارای یک نقطه شروع است، طبیعتاً سوالاتی درباره یک نقطه پایان احتمالی برمی‌انگیزد. اگر جهان به عنوان یک نقطه کوچک با تراکم بی‌نهایت شروع به گسترش کرده است، 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 نقطه کوچک تبدیل شوند؟
از زمان آغاز بحث در مورد مدل صحیح جهان، پاسخ این سوال همواره مورد مناظره کیهان شناسان بوده است. با پذیرش نظریه بیگ بنگ، تا دهه ۱۹۹۰ کیهان شناسان در مورد دو سناریوی احتمالی برای پایان جهان مطرح کرده بودند.
در سناریوی اول که با نام بیگ کرانچ (Big Crunch) شناخته می‌شود، جهان منبسط شده و به حداکثر اندازه خود می‌رسد، سپس شروع به انقباض و فروریزش در خود می‌کند. این سناریو تنها درصورتی امکان‌پذیر خواهد بود که چگالی جرم جهان از چگالی بحرانی بیشتر باشد. به عبارت دیگر، تا زمانی که چگالی ماده در یک مقدار مشخص یا بالاتر از آن باقی بماند (۲۶-۱۰ × ۳-۱ کیلوگرم ماده در هر متر مکعب)، جهان در نهایت منقبض می‌شود.
اما اگر چگالی در جهان برابر یا کمتر از چگالی بحرانی باشد، انبساط کند می‌شود اما هرگز متوقف نمی‌شود. در این سناریو که به انجماد بزرگ (Big Freeze) معروف است، جهان همچنان به انبساط خود ادامه می‌دهد تا این که در نهایت با مصرف تمام گازهای میان‌ستاره‌ای کهکشانها، تشکیل ستاره‌های جدید متوقف شود. در همین حال، با به پایان رسیدن سوخت ستاره‌ها، آنها به کوتوله‌های سفید، ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله تبدیل می‌شوند.
به تدریج با برخورد سیاهچاله‌ها به یکدیگر، جرم آنها در سیاهچاله‌های بزرگ و بزرگتر انباشته می‌شود. در این دوره دمای متوسط جهان به صفر مطلق نزدیک می‌شود و سیاهچاله‌ها پس از انتشار آخرین تابش هاوکینگ تبخیر می‌شوند. سرانجام آنتروپی جهان تا حدی افزایش می‌یابد که هیچ شکل سازمان یافته‌ای از انرژی از آن خارج نمی‌شود (این سناریو به مرگ گرما هم معروف است).
مشاهدات امروزی که شامل وجود انرژی تاریک و تأثیر آن بر انبساط کیهانی است، به این نتیجه رسیده‌اند که با ادامه رشد، بخش زیادی از جهان قابل مشاهده از افق رویداد ما عبور کرده (محدوده‌ای از جهان که ما توانایی مشاهده آن را داریم) و برای ما نامرئی خواهد شد (آیا جهان لبه دارد؟ آیا انسان قادر به مشاهده آن خواهد بود؟). نتیجه نهایی این سناریو در حال حاضر مشخص نیست، اما مرگ گرما نیز در این نظریه به عنوان یک نقطه پایان احتمالی در نظر گرفته شده است.
سایر توضیحات مربوط به انرژی تاریک، به نام نظریه‌های انرژی فانتوم ، حاکی از آن است که در نهایت خوشه‌های کهکشانی، ستارگان، سیارات، اتمها، هسته‌ها و ماده به دلیل انبساط روز افزون از هم پاشیده می‌شوند. این سناریو به گسستگی بزرگ (Big Rip) یا مه‌گسست معروف است، که در آن گسترش جهان در نهایت به خودی خود خنثی خواهد شد.
تماشا کنید: ۳ سناریوی احتمالی برای پایان جهان (فیلم)
تاریخچه نظریه بیگ بنگ
اولین نشانه‌های بیگ بنگ در نتیجه مشاهدات انجام شده در اوایل قرن ۲۰ صورت گرفت. در سال ۱۹۱۲ ستاره شناس آمریکایی وستو اسلیفر (Vesto Slipher) مجموعه‌ای از مشاهدات درباره کهکشانهای مارپیچی انجام داده و انتقال به سرخ دوپلر آنها را اندازه گیری کرد. تقریباً در همه موارد، کهکشانهای مارپیچی در حال دور شدن از کهکشان راه شیری بودند.
در سال ۱۹۲۲ کیهان شناس روسی الکساندر فریدمن (Alexander Friedmann)، با استفاده از معادلات نظریه نسبیت عام اینشتین معادلات فریدمن را بسط داد. برخلاف ثابت کیهان شناسی انیشتین، کارهای فریدمن نشان داد که جهان احتمالاً در حالت انبساط است.
در سال ۱۹۲۴ اندازه گیری ادوین هابل (Edwin Hubble) با اندازه گیری نزدیکترین سحابی مارپیچی نشان داد که این سیستم‌ها در واقع کهکشانهای دیگری هستند. هابل با استفاده از تلسکوپ ۲٫۵ متری هوکر (Hooker telescope) یک سری از نشان دهنده‌های فاصله را توسعه داد. او در سال ۱۹۲۹ همبستگی بین فاصله دور شدن یک کهکشان و سرعت دور شدن آن را کشف کرد که اکنون به عنوان قانون هابل شناخته می‌شود. قانون هابل فرض می‌کند که جهان با یک سرعت ثابت که در تمام زمان‌ها یکسان میباشد، در حال گسترش است.
سپس در سال ۱۹۲۷ ژرژ لومتر (Georges Lemaitre) کشیش و فیزیکدان بلژیکی، به طور مستقل همان نتایج معادلات فریدمن را بدست آورده و به این نتیجه رسید که دور شدن کهکشانها به دلیل گسترش جهان است. وی در سال ۱۹۳۱ پا را فراتر گذاشته و این پیشنهاد را مطرح کرد که گسترش فعلی جهان به این معنی است که جهان با برگشتن به گذشته، کوچکتر خواهد شد. لومتر اظهار کرد که در برهه‌ای از گذشته، کل جرم جهان در یک نقطه واحد متمرکز بود که تار و پود فضا و زمان از همانجا نشات گرفته است.
این اکتشافات در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ بحث‌های زیادی را در میان فیزیکدان‌ها برانگیخت زیرا در آن زمان اکثریت دانشمندان طرفدار این بودند که جهان در یک وضعیت ثابت قرار دارد. در این مدل، ماده جدید به طور مداوم با انبساط جهان ایجاد می‌شود، بنابراین یکنواختی و چگالی ماده در طول زمان حفظ می‌شود. در میان دانشمندان ایده بیگ بنگ بیشتر مذهبی به نظر می‌رسید تا علمی، از اینرو براساس سوابق لومتر اتهامات مغرضانه‌ای به او نسبت داده شد.
علاوه بر نظریه مهبانگ، نظریه‌های دیگری مانند مدل میلن (Milne model) و مدل جهان نوسانی (Oscillary Universe) نیز ارائه شده است. این دو نظریه براساس نظریه نسبیت عام بنا شده و معتقدند که جهان از چرخه‌های محدود یا نامحدود پایدار پیروی می‌کند.
پس از جنگ جهانی دوم درباره این نظریه‌ها در بین طرفداران نظریه حالت پایدار (Steady State) که توسط کیهان شناس فرد هویل مطرح شده بود، و طرفداران نظریه بیگ بنگ بحث‌های زیادی صورت گرفت. از قضا، این هویل بود که برای اولین بار در یک مصاحبه با رادیو بی بی سی در مارس ۱۹۴۹ عبارت “بیگ بنگ” را ابداع کرد. البته عده‌ای از دانشمندان اعتقاد داشتند که هویل برای تحقیر از این عبارت استفاده کرده است اما او این مسئله را انکار کرد.
سرانجام مشاهدات دانشمندان نظریه بیگ بنگ را تقویت نموده و نظریه حالت پایدار به دلیل منطبق نبودن با قوانین فیزیک رد شد. کشف و تأیید تابش زمینه کیهانی، بیگ بنگ را به عنوان بهترین نظریه مبدا و تکامل جهان تأیید کرد. از اواخر دهه ۱۹۶۰ تا دهه ۱۹۹۰، ستاره شناسان و کیهان شناس با حل مشکلات نظری بیگ بنگ، آن را توسعه داده‌اند. نظریاتی که توسط استیون هاوکینگ و سایر فیزیکدانان ارائه شده بود نشان داد که تکینگی شرط اولیه اجتناب ناپذیر نسبیت عام و یک مدل کیهان شناسی برای بیگ بنگ است. در سال ۱۹۸۱ آلن گوت (Alan Guth) این نظریه را مطرح کرد که یک دوره انبساط سریع کیهانی، مشکلات نظری بیگ بنگ را حل می‌کند.
از دهه ۱۹۹۰ ظهور نظریه انرژی و ماده تاریک تلاشی برای حل مسائل برجسته کیهان شناسی بود. این نظریه علاوه بر ارائه توضیح در مورد جرم مفقود شده جهان، به مسئله شتاب گرفتن کیهان نیز پرداخته است.
امروزه به لطف پیشرفت تلسکوپ‌ها، ماهواره‌ها و شبیه سازی‌های کامپیوتری ستاره شناسان و کیهان شناسان امکان دیدن بخش‌های بیشتری از جهان را داشته و درک بهتری از سن واقعی کیهان (۱۳٫۸ میلیارد سال) به دست آورده‌اند. تلسکوپ‌های فضایی مانند کاوشگر پس زمینه کیهانی (COBE)، تلسکوپ فضایی هابل، کاوشگر ناهمسان گرد ریزموجی ویلکینسون (WMAP) و رصدخانه پلانک نیز از ارزش بی نظیری برای دانشمندان برخوردار هستند.
امروزه کیهان شناسان اندازه گیری‌های نسبتاً صحیح و بسیار دقیقی از پارامترهای مدل مهبانگ انجام داده‌اند. همه این موارد با این مشاهدات که اجرام عظیم ستاره‌ای با فواصل بسیار دور به آرامی از ما دور می‌شوند، آغاز شد. با وجود این که هنوز مطمئن نیستیم که جهان چگونه به پایان خواهد رسید، اما می‌دانیم که در مقیاس کیهان شناسی تا آن موقع زمان بسیار بسیار طولانی باقی مانده است!
.https://elmiha.com/%D9%86%D8%B8%D8%B1%DB%8C%D9%87-%D8%A8%DB%8C%DA%AF-%D8%A8%D9%86%DA%AF-%DA%86%DB%8C%D8%B3%D8%AA%D8%9F-%D8%AA%D8%A7%D8%B1%DB%8C%D8%AE%DA%86%D9%87-%D8%A2%D8%BA%D8%A7%D8%B2-%D8%AC%D9%87%D8%A7%D9%86/
بیگ بنگ چیست؟
توسط
-
۱۳۹۲/۰۹/۰۱
بیگ بنگ: در طول پنج قرن گذشته از قدرت مشاهدات و آزمایش و استدلال‌های ریاضی استفاده کرده‌ایم تا سد باورهای اشتباه گذشته را بشکنیم. نوع بشر راهی طولانی و پر فراز و نشیب را در تغییر درک خود از عالم، پشت سر گذاشته است. از عالمی که زمین کوچک مرکز آن بود تا کیهان وسیعی که صدها میلیارد کهکشان چون ذرات گرد و غبار در آن پراکنده‌اند. سر آغاز این هستی به وسیله نظریه بیگ بنگ شرح داده شده است. این نظریه یک مدل کیهان شناسی است که تاکنون از دیدگاه آزمایشات و رصدهای نجومی توانسته است بیشترین تائیدات را از سوی جامعه علمی بین المللی به دست آورد. کیهان شناسان با اصطلاح بیگ بنگ به شرح و تفسیر این ایده می پردازند که جهان از یک حالت نخستین بی نهایت گرم تشکیل شده و تمام کائنات در یک هسته اتم یاحتی کوچکتر از آن جای داشت و در یک لحظه این فضا و زمان آغاز می شود یعنی با یک بیگ بنگ که حاصل گرانش شدید ناشی از فشردگی بوده، شروع شد.
ادوین هابل کاشف انبساط کیهان
بطور کلی امروزه چنین پذیرفته می شود که فضا، زمان، ماده، انرژی و قوانین طبیعت جملگی با بیگ بنگ پا به عرصه وجود گذاشته اند. شاهد و دلیل وجود بیگ بنگ، قانون مشاهده شده هابل است.ادوین هابل (Edwin Hubble) در سال 1929 از طریق مشاهدات خود و بررسی روی انتقال به سرخ 24 کهکشان و مقایسهٔ آنها با یکدیگر به این نتیجه رسید که کهکشانهای دورتر با سرعت بیشتری در حال دور شدن هستند، همانطوری که معادلات اینشتین پیش بینی کرده بودند. دانشمندان به این فکر افتادند که اگر جهان در حال انبساط باشد، پس احتمالا آغازی دارد. اگر این کهکشان ها در گذشته های دور، به زمین خیلی نزدیک تر بودند. اگر حرکت کهکشان ها در زمان گذشته را در ذهن خود مسیریابی کنیم ، نه تنها به زمانی می رسیم که جهان آغاز شده، بلکه به این مفهوم می رسیم که کلیه کهکشان ها باید از یک حجم کوچکی شروع به حرکت کرده باشند.
ثابت هابل ( H ) که یکی از مهمترین ثابت ها در علم کیهان شناسی محسوب می شود، نشان می دهد که جهان با چه سرعتی در حال انبساط است. به عنوان مثال، نوار ویدئویی ضبط شده از یک انفجار را در نظر بگیرید. در ویدئوی ضبط شده، ذرات ناشی از انفجار را در حال دور شدن از مرکز انفجار می بینیم. به این ترتیب می توانیم سرعت دور شدن ذرات را از مرکز انفجار محاسبه کنیم. ولی از طرف دیگر همچنین می توانیم ویدئو را به عقب باز گردانیم تا لحظه ای که تمام ذرات در یک نقطه متمرکز شوند. از آنجایی را که سرعت انبساط را از قبل می دانیم، می توانیم به عقب بازگشته و زمانی را که در آن انفجار رخ داده است را محاسبه کنیم.(این مثال برای درک موضوع است و بیگ بنگ قابل مقایسه با هیچ انفجاری نیست، چون جهان پس از بیگ بنگ، تورم یافت و منبسط شد)
این گرافیک زمان بندی شکل گیری جهان را طبق نظریه بیگ بنگ و تورم کیهانی نشان می دهد.
خط زمانی بیگ بنگ و کیهان شناسی نوین
از سن عالم تاكنون، 13.82 ميليارد سال گذشته ( طبق مشاهدات جدید ماهواره پلانک که نشان داد کیهان نزدیک به 100 میلیون سال قدیمی تر است ) طبيعي است براي بيان مرحله هاي اين تحول از زمان استفاده كنيم. ذره هايي مانند پروتون و نوترون، كه در فيزيك آنها را با نام كلي باريون مي شناسيم، در همان يك ثانيه ي اول بعد ازبیگ بنگ به وجود آمده اند. شايد تصور كنيد يك ثانيه در مقابل 13.8 ميليارد سال كه اصلاً به حساب نمي آيد. اما در فيزيك اين طور نيست! كيهان زماني كه يك ثانيه يا كسري از ثانيه سن داشته است بسيار داغ بوده است، يك ثانيه بعد از بیگ بنگ را به چند قسمت مي شود تقسيم كرد كه معني داشته باشد؟ كوچكترين زماني كه به لحاظ علم فيزيك از ثابت هاي جهاني که طبق گرانش نيوتن، پلانك، و نيز سرعت نور مي توان ساخت زمان پلانك ناميده مي شود و برابر 43- ^10 ثانيه، توجه كنيد يعني كه ثانيه را به 1043 قسمت تقسيم كنيم و تنها يك قسمت از آن را بگيريم!
اين زمان شاخص است براي محدوده اي از تحول عالم كه انتظار مي رود گرانش كوانتومي شود؛ علت اين ادعا اين است كه در محاسبه ي زمان پلانك ثابت پلانك كه نشانه ي كوانتومي بودن است وارد مي شود. بنابراين اين زمان مرز اعتبار نظريه ي گرانش اینشتين را تعيين مي كند و انتظار داريم در زمان هاي كوتاه تر از آن، كه عالم فشرده تر بوده است، گرانش كوانتومي بشود. هیچ رابطه یا فرمول فیزیکی شناخته شده ای وجود ندارد وفقط از این زمان به بعد است که روابط فیزیکی وجود دارند. بعد از عبور از چند مرحله ویژه وکاهش تدریجی دما در زمان ده بتوان منفی 12 چهار نیروی بنیادی شکل گرفته و در زمان ده بتوان منفی شش هم دما آنقدر پایین آمده تا شرایط برای شکل گیری هسته اتمها فراهم شود. دراین زمان عناصر طبیعی بویژه هلیوم وهیدروژن شکل گرفته اند. بعد از گذشت سیصدهزار سال از لحظه آفرینش کیهان برای فوتونها شفاف شده وتابش از ماده جداشده است. با انبساط کیهان ماده ٬از تابش زمینه جداشده و اتمها تشکیل شده اند. گرانش موجب تغییر چگالی های موضعی شده و ستاره ها شکل گرفته اند.
قدیمی ترین و مستقیم ترین انواع شواهد تجربی عباراتند از انبساط نوع هابل که در انتقال سرخکهکشانها مشاهده شده است، اندازه گیری‌های جزئیات تابش زمینه کیهانی و فراوانی نسبی عناصر سبک که در جریان هسته زایی بیگ بنگ تولید شنده‌اند. امروزه توزیع، تشکیل و تکامل کهکشانها در مقیاس بزرگ نیز به این شواهد افزوده شده است. از این موارد به عنوان چهار ستون نظریه بیگ بنگ یاد شده است.
به تازگی نیز طبق مشاهدات ماهواره پلانک تخمین زده می شود سرعت انبساط جهان که برابر ثابت هابل شناخته می شود، برابر 67.15 مثبت/منفی 1.2 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک است. (پارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر 3 سال نوری است). که کمتر از برآوردهای قبلی به دست آمده از تلسکوپ های فضایی اسپیتزر ناسا و هابل میباشد. ( داده های پیشین نشان می داد که جهان با سرعت شگفت آور 71 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک در حال انبساط است.)
بیگ بنگ و تاریخچه تحول کیهانی
یافته های ماهواره WMAP و ماهواره پلانک به دانشمندان اطمینان داد که آنان به سمت یک «مدل استاندارد» کیهان شناسی ، پیش روند. داده های جدید پلانک همچنین بیانگر این است که انرژی تاریک کمتری و ماده ی تاریک و ماده ی معمولی بیشتری در کیهان وجود دارند.این نقشه حاصل پانزده و نیم ماه خیره شدن به دمای و اندازه گیری تابش مایکرو ویو پس زمینه ی کیهان است. برابر برآورد جدیدی ماده تاریک در جهان 26.8 درصد است، که قبلا 24 درصد بود، در حالی که انرژی تاریک به میزان 68.3 درصد میباشد، در حالی که قبلا 71.4 درصد بود. ماده ی معمولی در حال حاضر 4.9 درصد براورد می شود، که قبلا 4.6 درصد بود.
تابش پس زمینه کیهانی دقیق‌ترین نقشه از توزیع ماده در جهان اولیه است. این نقشه، نوسانات ریز دمایی متناظر با تفاوت‌های اندک چگالی روزهای اولیه نواحی مختلف عالم را نشان می‌دهد. این تفاوت‌های بذر ساختار آینده جهان را شکل دادند، یعنی همان چیزی که نمود آن امروزه به شکل ستارگان و کهکشانها در تمام کیهان پراکنده شده است. نقشه تهیه شده پلانک از CMB اخترشناسان و کیهان‌شناسان را قادر ساخته تا طیف وسیعی از مدل‌های مربوط به منشاء و تکامل کیهان را به بوته آزمایش بگذارند. ماهواره پلانک در زمستان سال 2009 به فضا پرتاب شد و مدت 4.5 سال را به پیمایش و جستجوی آسمان پرداخت؛ تا روند تکامل ماده کیهانی را در طول زمان مطالعه کند. در نهایت روز 1 آبان تلسکوپ فضایی پلانک به ماموریت تهیه نقشه تابش پس زمینه کیهانی پایان داد، پیش از پلانک ماهواره COBE و WMAP این وظیفه را بر عهده داشتند.
نقشه پلانک از قدیمی ترین نور در جهان که به نام پس زمینه کیهانی شناخته می شود ، با دقت بی سابقه ای انجام شد
اگر چه هنوز شکافهای زیادی وجود دارد ، با این حال اختر فیزیکدانان با استفاده از داده های دریافتی، در حال ترسیم نمای کلی یک نظریه استاندارد هستند. با استفاده از تصاویری که ما امروز در کنار هم قرار می دهیم، می بینیم که سیر تکاملی جهان، با خنک شدن آن مراحل متفاوت و مستقلی را پیموده است. گذار از این مراحل مختلف بیانگر به هم ریختن تقارن و تجزیه یک نیروی واحد طبیعت است. در ادامه، مراحلی که تا به امروز شناخته شده اند، از این قرارند :
1 ) قبل از 43- ^10 ثانیه، عصر پلانک
تقریبا هیچ چیز در مورد عصر پلانک مشخص نیست. در انرژی پلانک ( 19^10 میلیارد الکترون ولت ) ، نیروی گرانش به اندازۀ نیروهای کوانتومی قوی بوده است. در نتیجه ، چهار نیروی جهان احتمالا در یک «ابر نیرو» متحد بوده اند. شاید جهان در فاز کاملی از «هیچ» یا فضای خالی با ابعاد بیشتر، وجود داشته است. تقارن مرموزی که تمام این چهار نیرو را با هم ترکیب می کند باعث تغییر ناپذیری معادلات می گردد، بیشتر «ابر تقارن» است. به دلایل ناشناخته، تقارن مرموزی که تمام چهار نیرو را متحد ساخته، شکسته شده و حباب کوچکی شکل گرفته است. این حباب کوچک همان جهان جنینی ما است که شاید در نتیجه یک افت و خیز کوانتومی تصادفی ایجاد شده باشد. اندازۀ این حباب برابر «طول پلانک» یعنی 33- ^10 سانتیمتر، بوده است.
2 ) 34- ^10 ثانیه ، عصر گات
شکست تقارن حبابی به وجود آورد که به سرعت انبساط یافت. با متورم شدن حباب، چهار نیروی بنیادی به سرعت جدا شدند. گرانش، اولین نیرویی بود که از سه نیروی دیگر جدا شد و به این ترتیب موج ضربه ای را در سراسر جهان آزاد کرد. تقارن اصلی ابر نیرو به تقارن کوچکتری شکسته شد، شاید به تقارن گات. بر هم کنشهای قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی باقی مانده، هنوز از طریق تقارن گات با هم متحد بودند. جهان در طی این مرحله، به دلایلی که هنوز مشخص نیست، با ضریب بسیار بزرگی، حدود 50^10 متورم و باعث شد فضا سریع تر از سرعت نور منبسط شود. دما در این حالت برابر 32^10 بوده است.
3 ) 24- ^10 ثانیه ، پایان تورم
با جدا شدن نیروی قوی از دو نیروی دیگر، دما به 27^10 درجه کاهش یافت. دورۀ تورم پایان یافت، جهان آرام گرفت و از آن پس با انبساط استاندارد فریدمن به کار خود ادامه داد. در این حالت، جهان «سوپ» پلاسمای داغ شامل کوارک ها، گلئون ها و لپتون ها آزاد بود. کوارک های آزاد پس از تراکم به پروتون ها و نوترونهای امروزی تبدیل شدند. جهان ما در این مرحله هنوز بسیار کوچک بود و ابعاد آن تنها به ابعاد فعلی منظومۀ شمسی می رسید. ماده و پاد ماده یکدیگر را خنثی کردند، اما مقدار ماده نسبت به پاد ماده کمی بیشتر بود ( یک در میلیارد ) و باعث به وجود آمدن ماده ای شد که امروزه در اطراف خود می بینیم. ( با مشاهدۀ ذره بوزون هیگز و چگونگی جرم دار شدن ماده که توسط برخود دهندۀ بزرگ هادرون انجام شد دانشمندان توانستند این مرحله را بازسازی کنند. )https://bigbangpage.com/science-content/%D8%A8%DB%8C%DA%AF-%D8%A8%D9%86%DA%AF-%DA%86%DB%8C%D8%B3%D8%AA%D8%9F/
بیگ بنگ چیست؟
توسط
-
۱۳۹۲/۰۹/۰۱
بیگ بنگ: در طول پنج قرن گذشته از قدرت مشاهدات و آزمایش و استدلال‌های ریاضی استفاده کرده‌ایم تا سد باورهای اشتباه گذشته را بشکنیم. نوع بشر راهی طولانی و پر فراز و نشیب را در تغییر درک خود از عالم، پشت سر گذاشته است. از عالمی که زمین کوچک مرکز آن بود تا کیهان وسیعی که صدها میلیارد کهکشان چون ذرات گرد و غبار در آن پراکنده‌اند. سر آغاز این هستی به وسیله نظریه بیگ بنگ شرح داده شده است. این نظریه یک مدل کیهان شناسی است که تاکنون از دیدگاه آزمایشات و رصدهای نجومی توانسته است بیشترین تائیدات را از سوی جامعه علمی بین المللی به دست آورد. کیهان شناسان با اصطلاح بیگ بنگ به شرح و تفسیر این ایده می پردازند که جهان از یک حالت نخستین بی نهایت گرم تشکیل شده و تمام کائنات در یک هسته اتم یاحتی کوچکتر از آن جای داشت و در یک لحظه این فضا و زمان آغاز می شود یعنی با یک بیگ بنگ که حاصل گرانش شدید ناشی از فشردگی بوده، شروع شد.
ادوین هابل کاشف انبساط کیهان
بطور کلی امروزه چنین پذیرفته می شود که فضا، زمان، ماده، انرژی و قوانین طبیعت جملگی با بیگ بنگ پا به عرصه وجود گذاشته اند. شاهد و دلیل وجود بیگ بنگ، قانون مشاهده شده هابل است.ادوین هابل (Edwin Hubble) در سال 1929 از طریق مشاهدات خود و بررسی روی انتقال به سرخ 24 کهکشان و مقایسهٔ آنها با یکدیگر به این نتیجه رسید که کهکشانهای دورتر با سرعت بیشتری در حال دور شدن هستند، همانطوری که معادلات اینشتین پیش بینی کرده بودند. دانشمندان به این فکر افتادند که اگر جهان در حال انبساط باشد، پس احتمالا آغازی دارد. اگر این کهکشان ها در گذشته های دور، به زمین خیلی نزدیک تر بودند. اگر حرکت کهکشان ها در زمان گذشته را در ذهن خود مسیریابی کنیم ، نه تنها به زمانی می رسیم که جهان آغاز شده، بلکه به این مفهوم می رسیم که کلیه کهکشان ها باید از یک حجم کوچکی شروع به حرکت کرده باشند.
ثابت هابل ( H ) که یکی از مهمترین ثابت ها در علم کیهان شناسی محسوب می شود، نشان می دهد که جهان با چه سرعتی در حال انبساط است. به عنوان مثال، نوار ویدئویی ضبط شده از یک انفجار را در نظر بگیرید. در ویدئوی ضبط شده، ذرات ناشی از انفجار را در حال دور شدن از مرکز انفجار می بینیم. به این ترتیب می توانیم سرعت دور شدن ذرات را از مرکز انفجار محاسبه کنیم. ولی از طرف دیگر همچنین می توانیم ویدئو را به عقب باز گردانیم تا لحظه ای که تمام ذرات در یک نقطه متمرکز شوند. از آنجایی را که سرعت انبساط را از قبل می دانیم، می توانیم به عقب بازگشته و زمانی را که در آن انفجار رخ داده است را محاسبه کنیم.(این مثال برای درک موضوع است و بیگ بنگ قابل مقایسه با هیچ انفجاری نیست، چون جهان پس از بیگ بنگ، تورم یافت و منبسط شد)
این گرافیک زمان بندی شکل گیری جهان را طبق نظریه بیگ بنگ و تورم کیهانی نشان می دهد.
خط زمانی بیگ بنگ و کیهان شناسی نوین
از سن عالم تاكنون، 13.82 ميليارد سال گذشته ( طبق مشاهدات جدید ماهواره پلانک که نشان داد کیهان نزدیک به 100 میلیون سال قدیمی تر است ) طبيعي است براي بيان مرحله هاي اين تحول از زمان استفاده كنيم. ذره هايي مانند پروتون و نوترون، كه در فيزيك آنها را با نام كلي باريون مي شناسيم، در همان يك ثانيه ي اول بعد ازبیگ بنگ به وجود آمده اند. شايد تصور كنيد يك ثانيه در مقابل 13.8 ميليارد سال كه اصلاً به حساب نمي آيد. اما در فيزيك اين طور نيست! كيهان زماني كه يك ثانيه يا كسري از ثانيه سن داشته است بسيار داغ بوده است، يك ثانيه بعد از بیگ بنگ را به چند قسمت مي شود تقسيم كرد كه معني داشته باشد؟ كوچكترين زماني كه به لحاظ علم فيزيك از ثابت هاي جهاني که طبق گرانش نيوتن، پلانك، و نيز سرعت نور مي توان ساخت زمان پلانك ناميده مي شود و برابر 43- ^10 ثانيه، توجه كنيد يعني كه ثانيه را به 1043 قسمت تقسيم كنيم و تنها يك قسمت از آن را بگيريم!
اين زمان شاخص است براي محدوده اي از تحول عالم كه انتظار مي رود گرانش كوانتومي شود؛ علت اين ادعا اين است كه در محاسبه ي زمان پلانك ثابت پلانك كه نشانه ي كوانتومي بودن است وارد مي شود. بنابراين اين زمان مرز اعتبار نظريه ي گرانش اینشتين را تعيين مي كند و انتظار داريم در زمان هاي كوتاه تر از آن، كه عالم فشرده تر بوده است، گرانش كوانتومي بشود. هیچ رابطه یا فرمول فیزیکی شناخته شده ای وجود ندارد وفقط از این زمان به بعد است که روابط فیزیکی وجود دارند. بعد از عبور از چند مرحله ویژه وکاهش تدریجی دما در زمان ده بتوان منفی 12 چهار نیروی بنیادی شکل گرفته و در زمان ده بتوان منفی شش هم دما آنقدر پایین آمده تا شرایط برای شکل گیری هسته اتمها فراهم شود. دراین زمان عناصر طبیعی بویژه هلیوم وهیدروژن شکل گرفته اند. بعد از گذشت سیصدهزار سال از لحظه آفرینش کیهان برای فوتونها شفاف شده وتابش از ماده جداشده است. با انبساط کیهان ماده ٬از تابش زمینه جداشده و اتمها تشکیل شده اند. گرانش موجب تغییر چگالی های موضعی شده و ستاره ها شکل گرفته اند.
قدیمی ترین و مستقیم ترین انواع شواهد تجربی عباراتند از انبساط نوع هابل که در انتقال سرخکهکشانها مشاهده شده است، اندازه گیری‌های جزئیات تابش زمینه کیهانی و فراوانی نسبی عناصر سبک که در جریان هسته زایی بیگ بنگ تولید شنده‌اند. امروزه توزیع، تشکیل و تکامل کهکشانها در مقیاس بزرگ نیز به این شواهد افزوده شده است. از این موارد به عنوان چهار ستون نظریه بیگ بنگ یاد شده است.
به تازگی نیز طبق مشاهدات ماهواره پلانک تخمین زده می شود سرعت انبساط جهان که برابر ثابت هابل شناخته می شود، برابر 67.15 مثبت/منفی 1.2 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک است. (پارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر 3 سال نوری است). که کمتر از برآوردهای قبلی به دست آمده از تلسکوپ های فضایی اسپیتزر ناسا و هابل میباشد. ( داده های پیشین نشان می داد که جهان با سرعت شگفت آور 71 کیلومتر در ثانیه در مگا پارسک در حال انبساط است.)
بیگ بنگ و تاریخچه تحول کیهانی
یافته های ماهواره WMAP و ماهواره پلانک به دانشمندان اطمینان داد که آنان به سمت یک «مدل استاندارد» کیهان شناسی ، پیش روند. داده های جدید پلانک همچنین بیانگر این است که انرژی تاریک کمتری و ماده ی تاریک و ماده ی معمولی بیشتری در کیهان وجود دارند.این نقشه حاصل پانزده و نیم ماه خیره شدن به دمای و اندازه گیری تابش مایکرو ویو پس زمینه ی کیهان است. برابر برآورد جدیدی ماده تاریک در جهان 26.8 درصد است، که قبلا 24 درصد بود، در حالی که انرژی تاریک به میزان 68.3 درصد میباشد، در حالی که قبلا 71.4 درصد بود. ماده ی معمولی در حال حاضر 4.9 درصد براورد می شود، که قبلا 4.6 درصد بود.
تابش پس زمینه کیهانی دقیق‌ترین نقشه از توزیع ماده در جهان اولیه است. این نقشه، نوسانات ریز دمایی متناظر با تفاوت‌های اندک چگالی روزهای اولیه نواحی مختلف عالم را نشان می‌دهد. این تفاوت‌های بذر ساختار آینده جهان را شکل دادند، یعنی همان چیزی که نمود آن امروزه به شکل ستارگان و کهکشانها در تمام کیهان پراکنده شده است. نقشه تهیه شده پلانک از CMB اخترشناسان و کیهان‌شناسان را قادر ساخته تا طیف وسیعی از مدل‌های مربوط به منشاء و تکامل کیهان را به بوته آزمایش بگذارند. ماهواره پلانک در زمستان سال 2009 به فضا پرتاب شد و مدت 4.5 سال را به پیمایش و جستجوی آسمان پرداخت؛ تا روند تکامل ماده کیهانی را در طول زمان مطالعه کند. در نهایت روز 1 آبان تلسکوپ فضایی پلانک به ماموریت تهیه نقشه تابش پس زمینه کیهانی پایان داد، پیش از پلانک ماهواره COBE و WMAP این وظیفه را بر عهده داشتند.
نقشه پلانک از قدیمی ترین نور در جهان که به نام پس زمینه کیهانی شناخته می شود ، با دقت بی سابقه ای انجام شد
اگر چه هنوز شکافهای زیادی وجود دارد ، با این حال اختر فیزیکدانان با استفاده از داده های دریافتی، در حال ترسیم نمای کلی یک نظریه استاندارد هستند. با استفاده از تصاویری که ما امروز در کنار هم قرار می دهیم، می بینیم که سیر تکاملی جهان، با خنک شدن آن مراحل متفاوت و مستقلی را پیموده است. گذار از این مراحل مختلف بیانگر به هم ریختن تقارن و تجزیه یک نیروی واحد طبیعت است. در ادامه، مراحلی که تا به امروز شناخته شده اند، از این قرارند :
1 ) قبل از 43- ^10 ثانیه، عصر پلانک
تقریبا هیچ چیز در مورد عصر پلانک مشخص نیست. در انرژی پلانک ( 19^10 میلیارد الکترون ولت ) ، نیروی گرانش به اندازۀ نیروهای کوانتومی قوی بوده است. در نتیجه ، چهار نیروی جهان احتمالا در یک «ابر نیرو» متحد بوده اند. شاید جهان در فاز کاملی از «هیچ» یا فضای خالی با ابعاد بیشتر، وجود داشته است. تقارن مرموزی که تمام این چهار نیرو را با هم ترکیب می کند باعث تغییر ناپذیری معادلات می گردد، بیشتر «ابر تقارن» است. به دلایل ناشناخته، تقارن مرموزی که تمام چهار نیرو را متحد ساخته، شکسته شده و حباب کوچکی شکل گرفته است. این حباب کوچک همان جهان جنینی ما است که شاید در نتیجه یک افت و خیز کوانتومی تصادفی ایجاد شده باشد. اندازۀ این حباب برابر «طول پلانک» یعنی 33- ^10 سانتیمتر، بوده است.
2 ) 34- ^10 ثانیه ، عصر گات
شکست تقارن حبابی به وجود آورد که به سرعت انبساط یافت. با متورم شدن حباب، چهار نیروی بنیادی به سرعت جدا شدند. گرانش، اولین نیرویی بود که از سه نیروی دیگر جدا شد و به این ترتیب موج ضربه ای را در سراسر جهان آزاد کرد. تقارن اصلی ابر نیرو به تقارن کوچکتری شکسته شد، شاید به تقارن گات. بر هم کنشهای قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی باقی مانده، هنوز از طریق تقارن گات با هم متحد بودند. جهان در طی این مرحله، به دلایلی که هنوز مشخص نیست، با ضریب بسیار بزرگی، حدود 50^10 متورم و باعث شد فضا سریع تر از سرعت نور منبسط شود. دما در این حالت برابر 32^10 بوده است.
3 ) 24- ^10 ثانیه ، پایان تورم
با جدا شدن نیروی قوی از دو نیروی دیگر، دما به 27^10 درجه کاهش یافت. دورۀ تورم پایان یافت، جهان آرام گرفت و از آن پس با انبساط استاندارد فریدمن به کار خود ادامه داد. در این حالت، جهان «سوپ» پلاسمای داغ شامل کوارک ها، گلئون ها و لپتون ها آزاد بود. کوارک های آزاد پس از تراکم به پروتون ها و نوترونهای امروزی تبدیل شدند. جهان ما در این مرحله هنوز بسیار کوچک بود و ابعاد آن تنها به ابعاد فعلی منظومۀ شمسی می رسید. ماده و پاد ماده یکدیگر را خنثی کردند، اما مقدار ماده نسبت به پاد ماده کمی بیشتر بود ( یک در میلیارد ) و باعث به وجود آمدن ماده ای شد که امروزه در اطراف خود می بینیم. ( با مشاهدۀ ذره بوزون هیگز و چگونگی جرم دار شدن ماده که توسط برخود دهندۀ بزرگ هادرون انجام شد دانشمندان توانستند این مرحله را بازسازی کنند. )https://bigbangpage.com/science-content/%D8%A8%DB%8C%DA%AF-%D8%A8%D9%86%DA%AF-%DA%86%DB%8C%D8%B3%D8%AA%D8%9F/
