نظریه بیگ بنگ | نظریه ی عجیب بیگ بنگ رقیب فلسفه آفرینش را بشناسید

نظریه بیگ بنگ

نظریه بیگ بنگ یا انفجار بزرگ (به فارسی مه بانگ)، مدلی کیهان شناختی و کامل را در توضیح ایجاد و تکامل جهان ارائه می کند. گذشته از دلایل اصلی و جانبی در حمایت از این نظریه، شواهد محکمی برای حمایت از تئوری بیگ بنگ وجود دارد. بر اساس این نظریه، جهان از نقطه ای تکین و فوق العاده داغ و چگال تشکیل شده است و سپس انبساطی پیوسته را به همراه کاهش دما و چگالی تجربه کرده است. انبساط جهان از لجظه آغاز تا همین لحظه ادامه دارد و در نتیجه این انبساط، تمام مراتب جهان از دنیای زیراتمی گرفته تا دنیای ستارگان شکل گرفته اند. لومتر، هابل و اینشتین سه نامی هستند که در شکل گیری نظریه بیگ بنگ از سهم بسزایی برخوردار بودند. از طرفی،  این نظریه به دلیل پرداختن به موضوع مهم منشا عالم، به لحاظ فلسفی از اهمیت بسزایی برخودار است.

بر اساس نظریه بیگ بنگ، جهان 13.8 میلیارد سال پیش از نقطه ای تکین، فوق العاده داغ و چگال بر اثر انفجاری بزرگ به وجود آمده است و پیوسته انبساط یافته است. با انبساط جهان به تدریج، چگالی و حرارت جهان کاهش یافته و جهان ما از دنیای زیراتمی گرفته تا ستارگان و سیاره ها به وجود آمده است. بر این اساس، جهان ما درست مثل یک بالن در حال باد شدن انبساط پیدا می کند و کهکشان ها و ستارگان پیوسته از هم دورتر و دورتر می شوند و این روند تا پایان جهان ادامه خواهد داشت.

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!

اثبات نظریه بیگ بنگ

طبق نظریه مه‌بانگ، جهان ما به شکلی که امروز می‌بینیم، از حالتی بی‌نهایت داغ، متراکم و تقریبا به‌طور کامل یکدستی ظهور کرد. برای اثبات این نظریه چهار مدرک وجود دارد:

1. قانون هابل که نشان می‌دهد هرچه طول موج نوری که از جسمی دوردست به ما می‌رسد، بیشتر باشد، فاصله آن جسم با ما بیشتر است.

2. وجود تابش زمینه کیهانی (CMB) در تمام جهات و در همه جا با دمای یکسان، فقط چند درجه بالاتر از صفر مطلق.

3. عناصر سبُک، مثل هیدروژن، دوتریم، هلیوم-۳، هلیوم-۴ و لیتیوم -۷، که پیش از تشکیل هر ستاره‌ای در فضا وجود داشته‌اند.

4. و شبکه کیهانی عظیمی که با گذشت زمان متراکم‌تر و شلوغ‌تر می‌شود و فضای بین توده‌های آن بزرگ‌تر و بزرگ‌تر می‌شود.

این چهار مورد، قانون هابل، وجود و خصوصیات تابش زمینه کیهانی، فراوانی عناصر سبُک ناشی از هسته‌زایی و شکل‌گیری و انبساط سازه‌ی بزرگی در جهان، چهار سنگ بنای نظریه بیگ بنگ را تشکیل می‌دهند.

در دهه ۱۹۲۰ ادوین هابل، ستاره‌شناس آمریکایی، به کمک بزرگ‌ترین و قوی‌ترین تلسکوپ جهان آن روزها، موفق شد مقدار تغییرات روشنایی ستاره‌های مختلف را در طول زمان اندازه بگیرد. این محاسبات کمک کرد مسافت کهکشان‌هایی را که این ستاره‌ها در آن‌ها حضور داشتند، محاسبه کنیم.

براساس قانون هابل. هرچه کهکشان از ما دورتر باشد، نور آن بیشتر به سمت طول موج‌های بزرگ‌تر متمایل می‌شود (پدیده انتقال به سرخ یا redshift). در مفهوم نسبیت عام، این پدیده نشانگر جهانی است که تاروپود آن در طول زمان در حال انبساط است. با گذشت زمان، آن دسته از نقاط جهان که به کمک نیرویی به هم متصل نیستند، از نقاط دیگر دور می‌شوند و هر نور ساطع‌شده تا زمانی که به چشم بیننده برسد، به سمت طول موج‌های بزرگ‌تر می‌رود.

برای تأثیری که در اثر قانون هابل مشاهده می‌کنیم (یعنی دورتر شدن کهکشان‌ها از ما) توضیحات بسیاری وجود دارد؛ اما نظریه بیگ بنگ بین تمام این احتمالات، ایده‌ی منحصربه‌فردی است چون در عین سادگی، بسیار قدرتمند است. طبق این ایده:‌

• جهان در حال انبساط است و طول موج نور را بزرگ‌تر می‌کند (و سطح دما و انرژی را پایین‌تر می‌آورد).

• و این یعنی هرچه در زمان به عقب برویم، جهان متراکم‌تر و داغ‌تر می‌شود.

• چون جهان تمام مدت در حال حرکت است، به مرور زمان شلوغ‌تر می‌شود و بعدها، سازه‌های کیهانی بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهد.

• اگر به‌اندازه کافی به عقب برویم، خواهیم دید کهکشان‌ها کوچک‌تر و بیشتر می‌شوند و ستاره‌های تشکیل‌دهنده آن‌ها، جوان‌تر و آبی‌تر هستند.

• حتی اگر از این هم عقب‌تر برویم، به زمانی می‌رسیم که هنوز هیچ ستاره‌ای فرصت شکل‌گیری نیافته است.

• از این هم عقب‌تر، دما به قدری در فضا بالا است که نور حتی اتم‌های خنثی را از هم جدا کرده و یک پلاسمای یونیزه شده ایجاد می‌کند که با خنثی شدن جهان، بالاخره تابش خود را آزاد می‌کند (عامل تابش زمینه کیهانی).

• و حتی در زمانی عقب‌تر از همه این‌ها، اجرام به قدری داغ بودند که حتی هسته‌های اتم از هم می‌پاشیدند. با خنک‌تر شدن فضا، اولین واکنش‌های هسته‌ای پایدار برای شکل‌گیری عناصر سبُک به وقوع می‌پیوندد.

تمام این ادعاها در قرن بیستم مشاهده و اثبات شده است؛ اما نظریه مه‌بانگ می‌تواند ما را از این هم عقب‌تر ببرد. به زمانی که انرژی از حدود قوانین فیزیک آزمایش‌شده فراتر می‌رود، حتی ورای شتاب‌دهنده‌های ذرات و پرتوهای کیهانی. در این شرایط، فرایندهایی باید اتفاق افتاده باشد تا جهان را به این شکل که امروز می‌بینیم، به وجود آورد. چیزی باید ماده تاریک را ایجاد کرده باشد. چیزی باید ماده بیشتری از پادماده در جهان به وجود آورده باشد؛ و چیزی باید زمانی اتفاق افتاده باشد تا جهان اصلا به مرحله پیدایش برسد.

مشکلات نظریه بیگ بنگ

از همان لحظه‌ای که ایده‌ عقب رفتن در زمان برای رسیدن به مبدا جهان در دهه ۱۹۲۰ مطرح شد و بعد دوباره در دهه‌های ۴۰ و ۶۰ میلادی پروبال گرفت، تصور این بود که مه‌بانگ ما را تا خود نقطه تکینگی در زمان به عقب خواهد برد. از بسیاری جهات، ایده‌ اصلی بیگ بنگ این بود که اگر جهانی در اختیار داشته باشیم که پر از ماده و انرژی باشد و تا امروز در حال انبساط بوده باشد، آن وقت اگر به اندازه کافی در زمان به عقب برویم، به حالتی خواهیم رسید که آنقدر داغ و متراکم است که قوانین فیزیک در آنجا از کار می‌افتند.

در برهه‌ای از زمان به مقداری از انرژی، تراکم و دما می‌رسیم که آنقدر زیاد است که اصل عدم قطعیت کوانتومی که در ذات طبیعت وجود دارد و می‌گوید نمی‌توان به‌طور هم‌زمان همه‌ کمیت‌های یک الکترون را اندازه‌گیری کرد، به پیامدهایی می‌انجامد که از لحاظ منطقی قابل‌توجیه نیستند. در این شرایط،‌ نوسانات کوانتومی، سیاه‌چاله‌هایی ایجاد می‌کنند که کل جهان را فرا می‌گیرند. احتمالات صفر و یک به جواب‌هایی می‌رسند که یا منفی یا از یک بزرگ‌ترند و هر دو این جواب‌ها در دنیای فیزیکی غیر ممکن هستند.

ما می‌دانیم گرانش و فیزیک کوانتومی در این شرایط عجیب، معنی نمی‌دهند و این همان تکینگی است:‌ جایی که قوانین فیزیک دیگر کاربردی ندارند. در این شرایط، حتی این امکان وجود دارد که خود فضا و زمان متولد شود. بیگ بنگ ابتدا نظریه‌ای در مورد تولد فضا و زمان بود.

اما تمام این ایده‌ها بر پایه این تصور بود که ما واقعا می‌توانیم سناریو بیگ بنگ را به هر اندازه که می‌خواهیم در زمان عقب ببریم: یعنی به زمان انرژی‌ها، دماها و تراکم‌های بی‌نهایت بالا. در واقع ژرژ لومتر، اولین فردی که ایده انبساط تاروپود فضازمان را مطرح کرد، گفت بیگ بنگ «روزی بدون دیروز» بوده است؛ اما این موضوع منجر به بروز معماهایی فیزیکی شد که هیچ توضیحی برای آن‌ها وجود نداشت. معماهایی از جمله:

• چرا مناطقی در فضا که به هم اتصالی نداشتند و برای تبادل انرژی، وقت کافی نداشتند‌ (حتی اگر با سرعت نور در حرکت بودند)، دماهای یکسانی داشتند؟

• چرا سرعت اولیه انبساط جهان در تعادل کامل با مقدار کل انرژی جهان بود تا در نهایت جهان مسطح امروزی حاصل شود؟

• و چرا، اگر آن اوایل چنین دماها و تراکم بیش از حد بالایی در فضا بود، هیچ آثاری از آن دوران را در جهان امروزی خود نمی‌بینیم؟

اگر بخواهیم تنها به نظریه معمول بیگ بنگ اکتفا کنیم، جواب این سؤال‌ها این است: چون جهان به همین شکل متولد شده و هیچ دلیلی هم برای آن نیست.

اما در دنیای فیزیک چنین جوابی شبیه تسلیم شدن است. در عوض رویکرد دیگری برای حل این معماها وجود دارد؛ ایجاد مکانیزمی که می‌تواند این خصوصیات مشاهده‌شده را توضیح بدهد و در عین حال تمام ایده‌های موفق بیگ بنگ را هم بازتولید کند. این رویکرد جدید به «تورم کیهانی» شهرت یافته است.

جهان چه طور پایان می یابد؟

دانستن نقطه شروع جهان، چیزی درباره نقطه پایان و مرگ آن به ما نمی‌گوید. مه‌بانگ می‌گوید میلیاردها سال پیش، بین «گرانش» که می‌خواست جلوی انبساط افسارگسیخته جهان را بگیرد و «انبساط» اولیه که می‌خواست همه چیز را از هم دور کند، رقابتی درگرفت که همچنان ادامه دارد؛ اما خود بیگ بنگ مشخص نمی‌کند سرنوشت این مسابقه چه خواهد بود. برای دانستن این جواب باید بدانیم جهان دقیقا از چه ساخته شده است. مثلاً با کشف انرژی تاریک که همین ۲۳ سال پیش اتفاق افتاد، این نظریه مطرح شد که نه‌تنها برد احتمالا با انبساط است، بلکه کهکشان‌های بسیار دور با سرعت بیشتری به دور شدن از ما ادامه خواهند داد و جهان در آخر سرد، تاریک و خالی خواهد بود.

فیزیکدان‌ها می‌گویند تمام جهان احتمالا روزی با یکی از این چهار سناریو به پایان خواهد رسید: انجماد بزرگ، فشردگی بزرگ، تغییر بزرگ یا شکاف بزرگ.

سناریوی انجماد بزرگ یا مرگ حرارت (Big Freeze) می‌گوید زمانی دمای همه چیز در همه جا یکسان می‌شود، تمام فعل و انفعالات در جهان متوقف‌ می‌شود، آنتروپی در بالاترین حد خود قرار می‌گیرد و در این حالت جهان تا ابد مرده است.

سناریوی فشردگی بزرگ یا مه‌رمب (Big Crunch)‌ در واقع معکوس پدیده‌ی انفجار بزرگ است و زمانی را توصیف می‌کند که گرانش، نیروی غالب در دنیا خواهد شد؛ جهان شروع به منقبض شدن می‌کند. کهکشان‌ها به سمت یکدیگر کشیده می‌شوند، با هم ادغام می‌شوند و جهان کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شود؛ و چون جهان کوچک‌تر، داغ‌تر خواهد بود، دما در همه جا به‌طور هم‌زمان افزایش می‌یابد تا اینکه همه چیز به جهنمی بسیار فشرده تبدیل می‌شود.

تغییر بزرگ یا زوال خلأ (‌Big Change) می‌گوید حباب مرگ ناشی از آزادسازی انرژی بالقوه‌ی میدان هیگز، همه چیز را سر راه خود پاک و ماهیت ذرات و قوانین فیزیکی را عوض می‌کند.

سناریوی چهارم برای پایان دنیا به شکاف بزرگ (مه‌گسست) یا بیگ‌ریپ (Big Rip) مشهور است که در آن مقدار انرژی تاریک با سرعتی بیشتر از انبساط جهان افزایش یابد. با گذشت زمان، چگالیِ انرژی تاریک ممکن است افزایش یابد و تاروپود جهان را از هم بشکافد.