نظریه بیگ بنگ توضیح اصلی برای چگونگی شروع جهان است. به بیان ساده‌تر، می‌گوید جهان همانطور که می‌دانیم با یک نقطه منفرد بی‌نهایت داغ و متراکم آغاز شد که در طی 13.7 میلیارد سال آینده به کیهانی که هنوز در حال انبساط است متورم و کشیده شد. ابتدا با سرعت‌های غیرقابل تصور و سپس با سرعتی قابل اندازه‌گیری که امروزه از آن استفاده می شود.
فناوری موجود هنوز به اخترشناسان اجازه نمی دهد که به معنای واقعی کلمه به تولد کیهان نگاه کنند، بسیاری از آنچه در مورد انفجار بزرگ می فهمیم از فرمول ها و مدل های ریاضی می آید. با این حال، ستاره شناسان می توانند “پژواک” انبساط را از طریق پدیده ای به نام پس زمینه مایکروویو کیهانی ببینند.
در حالی که اکثریت جامعه نجومی این نظریه را می پذیرند، برخی از نظریه پردازان وجود دارند که علاوه بر انفجار بزرگ، توضیحات دیگری نیز دارند مانند تورم ابدی یا جهان در حال نوسان.
با نگاهی به اعماق کیهان با تلسکوپ فضایی هابل، می توانید کهکشان هایی را در فاصله 13 میلیارد سال نوری از ما ببینید. بنابراین، سال نوری چیست؟ ابتدا باید بدانید که نور با سرعت 186000 مایل در ثانیه حرکت می کند! این مانند این است که فقط در یک ثانیه 7-1/2 بار به دور استوا سفر کنید. این سریع ترین چیزی است که می دانیم.
برای اینکه ایده دیگری در مورد سرعت حرکت نور به شما ارائه دهیم، تصور کنید که می‌توانیم یک سوئیچ را بچرخانیم تا خورشید را خاموش کنیم. خورشید حدود 93 میلیون مایل از زمین فاصله دارد. [برای مقایسه، فاصله در سراسر ایالات متحده 3000 مایل است.] با «خاموش کردن» خورشید، باید حدود 8 دقیقه منتظر بمانیم تا متوجه خاموش شدن نور شویم.
ستاره‌ها و کهکشان‌ها “سال نوری” از ما فاصله دارند، به این معنی که اگر ستاره‌ای که فقط 1 سال نوری از ما فاصله دارد، “خاموش” شود، باید یک سال تمام منتظر بمانیم تا متوجه اینجا روی زمین شویم. به همین دلیل است که تلسکوپ ها را اغلب ماشین زمان می نامند. ما می‌توانیم با نگاه کردن به نوری که میلیاردها سال نوری پیش ستاره‌ای دور را ترک کرده، به گذشته نگاه کنیم.
تصویر فضای اعماق هابل (در سمت راست) در سال 1996 منتشر شد و نور کهکشان‌های بیش از 13 میلیارد سال نوری از ما را نشان می‌دهد، زمانی که کیهان بسیار جوان‌تر و کوچک‌تر بود. این تصویر کهکشان‌ها را به شکلی نشان می‌دهد که بیش از 13 میلیارد سال پیش بوده‌اند، حتی اگر تصویر در سال 1996 گرفته شده است.
زمین در منظومه شمسی قرار دارد که به دور خورشید ما می چرخد. خورشید تنها یکی از میلیاردها ستاره ای است که در یک بازوی کهکشان راه شیری قرار دارد. کهکشان راه شیری متعلق به گروهی متشکل از 30 کهکشان در جهان به نام گروه کهکشانی محلی است. کهکشان آندرومدا نیز در گروه کهکشانی محلی قرار دارد و همچنین یک کهکشان مارپیچی با بیش از یک تریلیون ستاره است.
گروه کهکشانی محلی متعلق به یک “ابرخوشه” بسیار بزرگتر از کهکشان ها به نام ابرخوشه سنبله است که به گروهی از ابرخوشه های همسایه محلی تعلق دارد. برای دیدن نمای نزدیکتر از هر تصویر زیر روی تصویر کلیک کنید.
هنگامی که یک چوب دینامیت منفجر می شود، انفجار در یک مکان رخ می دهد و ترکش به داخل فضای خالی پرواز می کند. در بیگ بنگ، هیچ مرکز و هیچ خلأ قبلی وجود نداشت، بنابراین در هیچ «مکانی» اتفاق نیفتاد. خود فضا به وجود آمد و به یکباره شروع به گسترش در همه جا کرد.
در آغاز بیگ بنگ خلاء تورمی وجود داشت. هنگامی که حجم خود را دو برابر کرد، انرژی خود را دو برابر کرد. وقتی حجم خود را سه برابر کرد، انرژی خود را سه برابر کرد. اگر اسکناس‌ها به این شکل بودند و شما یک پشته را جدا می‌کردید، تعداد بیشتری ظاهر می‌شد. فیزیکدانان تورم را «نهار مجانی نهایی» می نامند!
خلاء تورمی با سرعت بیشتری گسترش یافت. اما این یک چیز «کوانتومی» بود. و چیزهای کوانتومی اساساً غیرقابل پیش بینی هستند. به‌طور تصادفی، در سرتاسر خلاء تورمی، بخش‌هایی از آن به خلاء معمولی و روزمره تبدیل می‌شد.
به شکل گیری حباب های کوچک در یک اقیانوس وسیع فکر کنید. در هر حباب، خلاء تورمی ناپدید می شد، اما انرژی عظیم آن باید به جایی می رفت. وارد ساختن ماده و گرمایش آن شد. این کار باعث ایجاد یک انفجار بزرگ شد. جهان بیگ بنگ ما فقط یکی از این حباب ها در میان بی نهایت احتمالی جهان های بیگ بنگ در خلاء تورمی رو به گسترش است!
حدود 13.7 میلیارد سال پیش، همه چیز در کل جهان در یک تکینگی بی نهایت کوچک متراکم شد، نقطه ای از چگالی و گرمای بی نهایت. ناگهان، یک انبساط انفجاری آغاز شد و جهان ما را با سرعتی بیشتر از سرعت نور به سمت بیرون پرتاب کرد.
این دوره تورم کیهانی بود که تنها کسری از ثانیه طول کشید – طبق نظریه فیزیکدان آلن گوث در سال 1980 که طرز فکر ما را در مورد بیگ بنگ برای همیشه تغییر داد. هنگامی که تورم کیهانی به پایانی ناگهانی و هنوز مرموز رسید، توصیفات کلاسیک تری از انفجار بزرگ مطرح شد. سیل ماده و تشعشع، که به عنوان “گرم شدن مجدد” شناخته می شود، شروع به پر کردن جهان ما با موادی کرد که امروز می شناسیم: ذرات، اتم ها، موادی که به ستاره ها و کهکشان ها تبدیل می شوند.
تصاویر هابل کهکشان دوردست GN-z11 را نشان می دهد که اندکی پس از انفجار بزرگ ظاهر شد. (اعتبار تصویر: ناسا)
به گفته ناسا این همه فقط در اولین ثانیه پس از شروع جهان اتفاق افتاد، زمانی که دمای همه چیز هنوز به طرز دیوانه کننده ای گرم بود، در حدود 10 میلیارد درجه فارنهایت (5.5 میلیارد سانتیگراد). کیهان اکنون حاوی مجموعه وسیعی از ذرات بنیادی مانند نوترون‌ها، الکترون‌ها و پروتون‌ها است – مواد خامی که به بلوک‌های ساختمانی برای هر چیزی که امروز وجود دارد تبدیل می‌شوند.
دیدن این “سوپ (soup)” اولیه غیرممکن بود زیرا نمی توانست نور مرئی را در خود نگه دارد. ناسا اظهار داشت: «الکترون‌های آزاد باعث می‌شوند نور (فوتون‌ها) به روشی که نور خورشید از قطرات آب در ابرها پراکنده می‌شود، پراکنده شوند. اما با گذشت زمان، این الکترون‌های آزاد با هسته‌ها برخورد کردند و اتم‌های خنثی یا اتم‌هایی با بارهای الکتریکی مثبت و منفی برابر ایجاد کردند.
این نور که گاهی اوقات “پس درخشش” بیگ بنگ نامیده می شود، به درستی به عنوان پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) شناخته می شود. اولین بار توسط رالف آلفر و دانشمندان دیگر در سال 1948 پیش بینی شد اما تقریباً 20 سال بعد به طور تصادفی یافت شد.
نقشه ای از تابش پس زمینه به جا مانده از بیگ بنگ، که توسط فضاپیمای پلانک ESA گرفته شده است، قدیمی ترین نور جهان را ثبت کرده است. این اطلاعات به ستاره شناسان کمک می کند تا سن کیهان را تعیین کنند. (اعتبار تصویر: ESA and the Planck Collaboration، CC BY-SA)
از آنجایی که ما نمی‌توانیم مستقیماً آن را ببینیم، دانشمندان در تلاش بوده‌اند تا از طریق اقدامات دیگر بیگ بنگ را “دیدن” کنند. در یک مورد، کیهان‌شناسان برای رسیدن به اولین لحظه پس از انفجار بزرگ، با شبیه‌سازی ۴۰۰۰ نسخه از جهان کنونی بر روی یک ابررایانه عظیم، به عقب فشار می‌دهند.
ماساتو شیراساکی، رهبر این مطالعه، کیهان شناس رصدخانه ملی نجوم ژاپن (NAOJ)، در ایمیلی به وب سایت Live Science نوشت: “ما در تلاش هستیم تا کاری انجام دهیم مانند حدس زدن عکس کودک از جهان خود از روی جدیدترین تصویر.”
با آنچه در مورد جهان امروزی شناخته شده است، محققان در این مطالعه 2021 درک خود را از نحوه برهمکنش نیروهای گرانشی در جهان اولیه با هزاران جهان مدل‌سازی شده کامپیوتری مقایسه کردند. اگر آنها می توانستند شرایط شروع جهان های مجازی خود را پیش بینی کنند، امیدوار بودند که بتوانند به طور دقیق پیش بینی کنند که جهان خودمان در ابتدا چگونه به نظر می رسید.
در یک مطالعه در سال 2020، محققان این کار را با بررسی شکاف بین ماده و پادماده انجام دادند. در این مطالعه که هنوز توسط همتایان بررسی نشده است، آنها پیشنهاد کردند که عدم تعادل در مقدار ماده و پادماده در جهان به مقادیر بسیار زیاد ماده تاریک جهان مربوط می شود، ماده ناشناخته ای که بر گرانش تأثیر می گذارد و در عین حال برهم کنش ندارد.
با نور آنها پیشنهاد کردند که در لحظات حساس بلافاصله پس از انفجار بزرگ، ممکن است جهان برای ساختن ماده بیشتر از معکوس خود، ضد ماده، تحت فشار قرار گرفته باشد، که پس از آن می تواند به تشکیل ماده تاریک منجر شود.
برداشت هنرمند از فضاپیمای پلانک آژانس فضایی اروپا. هدف اصلی پلانک مطالعه پس‌زمینه مایکروویو کیهانی است – تشعشعات باقی مانده از انفجار بزرگ. (اعتبار تصویر: ESA/C. Carreau)
CMB توسط بسیاری از محققان در حال حاضر و با بسیاری از ماموریت های فضاپیما مشاهده شده است. یکی از معروف‌ترین ماموریت‌های فضایی برای انجام این کار، ماهواره کاوشگر پس‌زمینه کیهانی (COBE) ناسا بود که در دهه 1990 از آسمان نقشه‌برداری کرد.
چندین مأموریت دیگر از COBE پیروی کرده‌اند، مانند آزمایش BOOMERanG (مشاهدات بالون تابش میلی‌متری برون‌کهکشانی و ژئوفیزیک)، کاوشگر ناهمسانگردی مایکروویو ویلکینسون ناسا (WMAP) و ماهواره پلانک آژانس فضایی اروپا.
مشاهدات پلانک که برای اولین بار در سال 2013 منتشر شد، نقشه CMB را با جزئیات بی سابقه ای ترسیم کرد و نشان داد که کیهان قدیمی تر از آن چیزی است که قبلاً تصور می شد: 13.82 میلیارد سال، به جای 13.7 میلیارد سال. ماموریت رصدخانه تحقیقاتی ادامه دارد و نقشه های جدید CMB به صورت دوره ای منتشر می شود.
با این حال، این نقشه‌ها اسرار جدیدی را ایجاد می‌کنند، مانند اینکه چرا نیمکره جنوبی کمی قرمزتر (گرم‌تر) از نیمکره شمالی به نظر می‌رسد. نظریه بیگ بنگ می گوید که CMB بدون توجه به اینکه به کجا نگاه می کنید، بیشتر یکسان خواهد بود.
بررسی CMB همچنین سرنخ هایی در مورد ترکیب کیهان به اخترشناسان می دهد. محققان بر این باورند که بیشتر کیهان از ماده و انرژی تشکیل شده است که نمی‌توان آنها را با ابزارهای متعارف ما “احساس” کرد که منجر به نام‌های “ماده تاریک” و “انرژی تاریک” می‌شود. تصور می شود که تنها 5 درصد از جهان از موادی مانند سیارات، ستاره ها و کهکشان ها تشکیل شده است.
در حالی که ستاره شناسان آغاز جهان را از طریق اقدامات خلاقانه و شبیه سازی های ریاضی مطالعه می کنند، آنها همچنین به دنبال اثبات تورم سریع آن بوده اند. آنها این کار را با مطالعه امواج گرانشی، آشفتگی‌های کوچک در فضا-زمان انجام داده‌اند که از آشفتگی‌های بزرگ مانند، برای مثال، برخورد دو سیاهچاله، یا تولد جهان، به بیرون موج می‌زند.
بر اساس تئوری های پیشرو، در اولین ثانیه پس از تولد جهان، کیهان ما سریعتر از سرعت نور بالون شد. (به هر حال، این محدودیت سرعت آلبرت انیشتین را نقض نمی کند. او یک بار گفت که سرعت نور سریعترین چیزی است که هر چیزی می تواند در جهان حرکت کند – اما این عبارت در مورد تورم خود جهان صدق نمی کند.)
طبق همکاری علمی LIGO ، با انبساط جهان، CMB و یک “صدای پس زمینه” مشابه ایجاد کرد که از امواج گرانشی تشکیل شده بود که مانند CMB، نوعی ایستا بودند و از تمام نقاط آسمان قابل تشخیص بودند.
در سال 2014، اخترشناسان گفتند که با استفاده از تلسکوپ قطب جنوب به نام «تصویربرداری پس‌زمینه قطبش فراکهکشانی کیهانی» یا BICEP2، شواهدی از حالت‌های B (در تب جدید باز می‌شود) پیدا کرده‌اند.
نیویورک تایمز نوشت: تا ژانویه 2015، محققان هر دو تیم که با هم کار می کردند “تأیید کردند که سیگنال Bicep بیشتر، اگر نه همه، غبار ستاره ای است.”
این گرافیک جدول زمانی جهان را بر اساس نظریه بیگ بنگ و مدل های تورم نشان می دهد. (اعتبار تصویر: ناسا / تیم علمی WMAP)
با این حال، از آن زمان به بعد نه تنها وجود امواج گرانشی تایید شد، بلکه چندین بار مشاهده شد. این امواج، که حالت B از زمان تولد کیهان نیستند، بلکه از برخوردهای اخیر سیاهچاله ها هستند، چندین بار توسط رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (بازشده در برگه جدید) (LIGO) با اولین تشخیص امواج گرانشی که در سال 2016 انجام شد. با حساس‌تر شدن LIGO، پیش‌بینی می‌شود که کشف امواج گرانشی مرتبط با سیاهچاله یک رویداد نسبتاً مکرر باشد.
اگرچه انفجار بزرگ اغلب به عنوان یک “انفجار” توصیف می شود، اما این یک تصویر گمراه کننده است. در یک انفجار، قطعات از یک نقطه مرکزی به یک فضای از قبل موجود پرتاب می شوند. اگر در نقطه مرکزی بودید، می دیدید که تمام قطعات تقریباً با همان سرعت از شما دور می شوند.
اما بیگ بنگ اینطور نبود. این خود گسترش فضا بود – مفهومی که از معادلات نسبیت عام اینشتین بیرون می‌آید، اما هیچ مشابهی در فیزیک کلاسیک زندگی روزمره ندارد. این بدان معنی است که تمام فواصل در جهان با سرعت یکسان در حال کشیده شدن هستند. هر دو کهکشان که با فاصله X از هم جدا شوند با سرعت یکسان از یکدیگر دور می شوند، در حالی که کهکشانی در فاصله 2X با سرعت دو برابر آن عقب می نشیند.
جهان نه تنها در حال انبساط است، بلکه سریعتر نیز منبسط می شود. این بدان معنی است که با گذشت زمان، هیچ کس نمی تواند کهکشان های دیگر را از زمین یا هر نقطه برتری در کهکشان ما تشخیص دهد.
Avi Loeb، ستاره شناس دانشگاه هاروارد، در مقاله ای در مارس 2014 در Space.com گفت: “ما شاهد دور شدن کهکشان های دور از ما خواهیم بود، اما سرعت آنها با گذشت زمان افزایش می یابد.”
بنابراین، اگر به اندازه کافی صبر کنید، در نهایت، یک کهکشان دور به سرعت نور خواهد رسید. معنایش این است که حتی نور نیز نمی تواند شکافی را که بین آن کهکشان و ما باز می شود، پر کند. هیچ راهی برای آن وجود ندارد. فرازمینی ها در آن کهکشان برای ارتباط با ما، ارسال هر سیگنالی که به ما می رسد، هنگامی که کهکشان آنها نسبت به ما سریعتر از نور حرکت می کند.
برخی از فیزیکدانان همچنین معتقدند که کیهانی که ما تجربه می کنیم تنها یکی از بسیاری از جهان است. در مدل «چندجهانی»، جهان‌های مختلف مانند حباب‌هایی که در کنار هم قرار گرفته‌اند، با یکدیگر همزیستی می‌کنند. این نظریه نشان می‌دهد که در اولین فشار بزرگ تورم، بخش‌های مختلف فضا-زمان با نرخ‌های متفاوتی رشد کردند.
این می‌توانست بخش‌های مختلف (جهان‌های مختلف) با قوانین بالقوه متفاوت فیزیک را ایجاد کند.
تلسکوپ فضایی جیمز وب این توانایی را دارد که به عمق گذشته نگاه کند. (اعتبار تصویر: dima_zel از طریق گتی ایماژ)
تلسکوپ تقریباً مانند یک ماشین زمان است که به ما امکان می دهد به گذشته های دور نگاه کنیم. با کمک تلسکوپ فضایی هابل، ناسا کهکشان ها را مانند میلیاردها سال پیش به ما نشان داد – و جانشین هابل، تلسکوپ فضایی جیمز وب، این توانایی را دارد که حتی عمیق تر به گذشته نگاه کند.
ناسا امیدوار است که تمام راه های بازگشت به زمان شکل گیری اولین کهکشان ها، تقریبا 13.6 میلیارد سال پیش را ببیند. و برخلاف هابل که عمدتاً در باند موج مرئی می‌بیند، JWST یک تلسکوپ مادون قرمز است – یک مزیت بزرگ در نگاه کردن به کهکشان‌های بسیار دور. انبساط کیهان به این معنی است که امواج ساطع شده از آنها کشیده می شوند، بنابراین نوری که در طول موج های مرئی ساطع شده است در واقع در مادون قرمز به ما می رسد.
ایده اصلی اینکه جهان گرم و متراکم شروع شده و از آن زمان در حال انبساط و سرد شدن بوده است غیرقابل انکار است. اما کیهان شناسان مجبور شده اند در این نظریه تغییراتی ایجاد کنند تا مشاهدات خاصی را توضیح دهند.
اول، در مدل استاندارد بیگ بنگ، کهکشان ها با کشیدن ماده به صورت گرانشی رشد می کنند. اما اگر این تنها چیزی بود که در حال وقوع بود، تشکیل آنها بسیار بیشتر از 13.82 میلیارد سال طول می کشید. اخترشناسان با این فرض که ستارگان و کهکشان های مرئی با ضریب 6 برابر «ماده تاریک» نامرئی که گرانش اضافی آن شکل گیری کهکشان ها را سرعت می بخشد، این مسئله را برطرف می کنند.
دوم، انفجار بزرگ پیش‌بینی می‌کند که جاذبه گرانشی بین کهکشان‌ها مانند شبکه‌ای از انبساط کیهانی کشسان عمل می‌کند. با این حال، در سال 1998، ستاره شناسان دریافتند که انبساط کیهان در حال افزایش است. آنها با فرض وجود «انرژی تاریک» که نامرئی است، فضا را پر می کند و گرانش دافعه دارد، این مسئله را برطرف می کنند.
دو ستون فیزیک مدرن نسبیت عام انیشتین و نظریه کوانتومی هستند. اولی در جهان در مقیاس بزرگ حاکم است، در حالی که دومی جهان کوچک مقیاس اتم ها و اجزای آنها را تنظیم می کند. آنها در برابر ادغام مقاومت کرده اند، که یک مشکل است زیرا در انفجار بزرگ، جهان کوچک بود.
برای درک چگونگی ظهور، ضروری است که نظریه انیشتین را با نظریه کوانتومی متحد کنیم. بهترین نامزد، «نظریه ریسمان» است، که بلوک‌های سازنده اصلی واقعیت را به‌عنوان رشته‌های کوچکی از انرژی جرمی می‌بیند که در فضا-زمان 10 بعدی ارتعاش می‌کنند. تنها در صورت دستیابی به چنین نظریه ای می توانیم به سؤالات نهایی پاسخ دهیم: فضا چیست؟ ساعت چنده؟ کیهان چیست؟ و از کجا آمده است؟