بیگ‌بنگ چیست و چگونه رخ داده است؟

برترین‌ها: بیگ بنگ شاید شروع کل جهان نباشد؛ اما شروع جهانی است که ما می‌شناسیم. در این مقاله با تعریف این نظریه، تاریخچه آن، اثبات و مشکلات آن آشنا خواهید شد.

از بین تمام سؤالاتی که تاکنون ذهن بشر را به خود مشغول کرده است (از جمله «بودن یا نبودن، مسئله این است!»)، شاید مهم‌ترین آن‌ها این باشد:

جهان چگونه آغاز شد؟

اکثر فیزیکدانان معتقدند که عالم ۱۳/۸ میلیارد سال پیش در اثر یک انفجار بزرگ یا بیگ بنگ متولد شده است. در این مدل قبل از این انفجار انرژی تشکیل دهنده همه اجسام و اجرام در کیهانی که امروز می‌بینیم، در داخل یک فضای کوچک غیر قابل تصور فشرده شده بوده است (بسیار ریزتر از یک دانه شن، یا حتی یک اتم). سپس این دیگ داغ، متراکم و غیرقابل تصور به هر دلیلی با سرعت زیاد منبسط و تبدیل به یک بالون شد.

در اولین ثانیه وجود جهان درک ما از آنچه اتفاق می‌افتد به طرز شگفت انگیزی خوب است. ما می‌دانیم که مفاهیم زمان، مکان و قوانین فیزیک خیلی سریع تحکیم شدند. از آنجا بود که رویداد پدیده‌ها از هرج و مرج و حرکات تصادفی بیرون آمد و اولین ذرات زیر اتمی مانند کوارک شکل گرفتند.

سپس ذرات بزرگتر مانند پروتون و نوترون شکل گرفتند و حدود سه دقیقه بعد جهان تا ۱ میلیارد درجه سانتیگراد سرد شده بود. این امر باعث شد تا پروتون‌ها و نوترون‌ها از طریق همجوشی به هم برسند و هسته‌هایی را تشکیل دهند که هسته‌های اتم هستند.

اما بعد از ۲۰ دقیقه جهان دیگر به اندازه کافی برای همجوشی گرم نبود و آنچه باقی مانده بود یک سوپ گرم و ابری از الکترون‌ها و هسته‌های هیدروژن و هلیوم بود. این مرحله حدود ۳۸۰,۰۰۰ سال به طول انجامید. سرانجام کیهان به اندازه کافی سرد شد تا الکترون‌ها با هسته‌ها جفت شوند و اولین اتم‌ها را بسازند. پس از آن صد‌ها میلیون سال طول کشید تا اولین ستاره‌ها شکل بگیرند و تاریکی را روشن کنند و بالاخره به شکلی که امروز آن را می‌بینیم برسند.

جهان ما چگونه ایجاد شده است؟ چگونه این مکان ظاهراً نامحدودی که امروزه آن را می‌شناسیم به وجود آمده است؟ و در سال‌های آینده چه اتفاقی برای آن خواهد افتاد؟ این‌ها سوالاتی است که از همان ابتدا فیلسوفان و دانشمندان را درگیر کرده و منجر به پیدایش نظریه‌های بسیار بکر و جالب شده است. امروزه دانشمندان، ستاره شناسان و کیهان شناسان بر این موضوع اتفاق نظر دارند که جهان همانطور که می‌دانیم در یک انفجار عظیم یا بیگ بنگ ایجاد شده است که نه تنها سبب ایجاد ماده شده است بلکه قوانین فیزیکی حاکم بر کیهان در حال انبساط ما را پدید آورده است.

این تئوری که با نام نظریه بیگ بنگ یا بیگ بنگ شناخته می‌شود برای تقریباً یک قرن توسط محققان و دیگران مورد بحث و گفتگو بود. این موضوع زمانی که می‌توان امروزه میزان مقبولیت این نظریه را در جامعه دید عجیب نیست. اما سوالی که مطرح است این است که این اصطلاح دقیقاً به چه معنا است؟ جهان ما چگونه در یک انفجار عظیم تصور شده است، چه مدرکی در این مورد وجود دارد و این نظریه درباره طرح‌های طولانی مدت جهان ما چه می‌گوید؟

اصول این نظریه بسیار ساده است. به طور خلاصه، نظریه بیگ بنگ بیان می‌کند که همه مواد موجود و گذشته در جهان همزمان یعنی تقریبا از ۱۳/۸ میلیارد سال پیش وجود داشته است. در این زمان تمام مواد به صورت یک توپ بسیار کوچک با چگالی بی نهایت و گرمای شدید فشرده شده‌اند که تکینگی نامیده می‌شوند. در این نظریه ناگهان تکینگی گسترش یافته و جهان همانطور که می‌دانیم آغاز شده است.

در حالی که این تنها نظریه مدرن در مورد چگونگی به وجود آمدن جهان نیست و نظریه‌های دیگری مانند نظریه عالم در حالت ثابت یا نظریه جهان دارای نوسان نیز وجود دارد، این نظریه به طور گسترده پذیرفته شده و محبوب است.

نظریه بیگ بنگ نه تنها منشأ تمام مواد شناخته شده، قوانین فیزیک و ساختار مقیاس بزرگ جهان را توضیح می‌دهد بلکه گسترش جهان و طیف وسیعی از پدیده‌های دیگر را نیز به خود اختصاص می‌دهد.

چه کسی بیگ بنگ را کشف کرد؟

ژرژ لمیتر کیهان شناس بلژیکی و کشیش کاتولیک اولین کسی بود که نظریه بیگ بنگ را مطرح کرد. این نظریه که امروزه تقریباً توسط همه منجمان پذیرفته شده است خروج اساسی از ارتدوکسی علمی در دهه ۱۹۳۰ بود. با این حال در آن زمان بسیاری از ستاره شناسان هنوز با این ایده که جهان در حال گسترش است راحت نبودند و این که کل جهان مشاهده شده کهکشان‌ها با یک انفجار آغاز شده است مزاحم به نظر می‌رسید. همچنین اصطلاح بیگ بنگ اولین بار توسط فرد هویل در یک برنامه رادیویی استفاده شد.

شواهد بیگ‌بنگ

ابزار‌های فعلی به ما اجازه نمی‌دهند که از بدو تولد کیهان به عقب برگردیم. بسیاری از آنچه که ما درباره نظریه بیگ بنگ می‌دانیم از فرمول‌ها و مدل‌های ریاضی است، اما تنها این ریاضیات نیست که این نظریه را تایید می‌کند. می‌توان اثرات انبساط و گسترش کیهان را از طریق پدیده‌ای به نام تابش زمینه کیهانی مشاهده کرد. در سال ۲۰۱۳ تصاویر پرتو‌های پس زمینه‌ای که از بیگ بنگ بجا مانده ثبت شده است.

البته نخستین شواهد تجربی از بیگ بنگ توسط قانون هابل بود. در سال ۱۹۲۹ هابل طبق مشاهدات پژوهش‌های مرتبط با انتقال به سرخ چندین کهکشان و مقایسهٔ آن‌ها با هم متوجه شد کهکشان‌های دورتر با سرعت بیشتری در حال دور شدن از یکدیگر هستند. پیش از آن هم این موضوع در معادلات اینشتین پیش بینی شده بود. (لومتر نیز قبلاً نشان داده بود که این موضوع با استفاده از اصل کیهان‌شناختی قابل پیش‌بینی است.) دانشمندان پس از کشف این موضوع به این نتیجه رسیدند که کیهان شروع داشته است. به این دلیل که گفتیم اگر هرچه به عقب‌تر برگردیم جهان کوچک‌تر می‌شود، تا جایی که به یک جرم کوچک می‌رسیم که بسیار پر حرارت و با چگالی فوق العاده بالاست و تمام کیهان فعلی از آنجا شروع می‌شود؛ با نوع خاص و منحصر بفردی از انفجار که پس از آن کیهان با تورم اولیه منبسط می‌شود.

ثابت هابل (H) در کیهان شناسی نشانگر سرعت انبساط کیهان است. یعنی از لحظه آغاز کیهان تاکنون آهنگ انبساط تمام اجرام کیهان قابل محاسبه است. طبق آخرین مشاهدات ماهواره پلانک سرعت انبساط کیهان حدودا برابر با ۶۷ کیلومتر در هر ثانیه در هر مگاپارسِک (parsec) است. پارسک یکی از واحد‌های سنجش مسافت در اخترشناسی است. یک پارسک برابر با ۳۰.۹ تریلیون کیلومتر و معادل ۳.۲۶ سال نوری است.

پایه ای‌ترین "شواهد تجربی مستقیم" از بیگ بنگ؛ انبساط نوع هابل، اندازه گیری جزئیات تابش پس زمینه کیهانی، فراوانی نسبتا زیاد عناصر سبک در روند هسته زایی بیگ بنگ و همچنین سازوکار نقشه و تکامل اجرام در مقیاس بزرگ است. این چهار شواهد تجربی مستقیم در تایید نظریه بیگ بنگ می‌باشد و علاوه بر این انبوهی از شواهد ریز و درشت غیر مستقیم که باعث شد اکثر کیهان شناسان امروز، بیگ بنگ را بپذیرند و مدل‌های رقیب، تاکنون از کیهان شناسی استاندارد کنار گذاشته شوند.

عالم بیش از بیگ‌بنگ

هاوکینگ در مصاحبه‌ای در برنامه «استارتاک» (StarTalk) که از شبکه نشنال جئوگرافیک در سال ۲۰۱۸ پخش شد گفت: از آنجا که حوادث قبل از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ هیچ پیامد قابل مشاهده‌ای ندارند می‌توان آن‌ها را از تئوری و نظریه‌ها خارج کرد و گفت که زمان از بیگ بنگ آغاز شده است.

با این حال شاید قبل از بیگ بنگ چیز دیگری وجود داشته که قابل تأمل است. یک ایده دیگر این است که انفجار بزرگ یا بیگ بنگ نقطه شروع زمان نیست بلکه مقارن با لحظه تقارن عالم است. در این نظریه قبل از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ جهان دیگری وجود داشته که با این جهان یکسان بوده، اما آنتروپی یا بی نظمی در آن به جای اینکه به سمت آینده افزایش داشته باشد به سمت گذشته افزایش داشته است.

افزایش آنتروپی یا افزایش بی نظمی در یک سیستم اساساً جهت پیکان زمان است، بنابراین در این جهان آینه‌ای زمان بر خلاف جهت زمان در جهان مدرن جریان می‌یابد و جهان ما در گذشته خواهد بود. طرفداران این نظریه همچنین معتقدند که سایر خصوصیات جهان در این جهان آینه‌ای معکوس می‌شود. به عنوان مثال «دیوید اسلوان» (David Sloan) فیزیکدان، در وبلاگ علمی دانشگاه آکسفورد نوشته است که عدم تقارن مولکول‌ها و یون‌ها در جهان آینه‌ای در جهت مخالف آنچه در جهان ما قرار دارد خواهد بود.

یک نظریه مرتبط دیگر معتقد است که انفجار بزرگ آغاز همه چیز نبوده است بلکه لحظه‌ای از زمان بوده که جهان از یک دوره انقباض به یک دوره انبساط تبدیل شده است. این نظریه که با عنوان «بیگ بانس» (Big Bounce) شناخته می‌شود، نشان می‌دهد که با گسترش، انقباض و گسترش دوباره عالم می‌توان بیگ بنگ‌های بی‌نهایت داشت.

برخی فیزیکدانان معتقدند که مشکل این ایده‌ها و نظریه‌ها این است که هیچ توضیحی در مورد اینکه چرا و چگونه یک جهان در حال انبساط منقبض شده و به حالت آنتروپی پایین‌تر برمی‌گردد وجود ندارد.

«شان کارول» (Sean Carroll) و همکارش «جنیفر شن» (Jennifer Chen)، فیزیکدانان نظری در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا، بیگ بنگ را یک لحظه در زمان می‌دانند و اظهار می‌کنند این اتفاق یک نقطه در فضا و مکان نیست. این دو نظریات جالبی برای پیش از بیگ بنگ دارند، از نظر آن‌ها شاید جهان همانطور که می‌دانیم فرزند یک جهان مادر است که کمی از زمان و مکان آن جدا شده است.

بر اساس نظر کارول این فرضیه مانند یک هسته رادیواکتیو است که از خود تابش ساطع می‌کند. بر این اساس وقتی هسته از خود تابش ساطع می‌کند یک ذره آلفا یا بتا می‌پراکند. عالم والد نیز می‌تواند همین کار را انجام دهد و فقط به جای ذره، ممکن است بی نهایت عالم کودک پراکنده کند. بر اساس این نظریه این اتفاق ناشی از یک نوسان کوانتومی است که اجازه می‌دهد این رویداد رخ دهد. بر این اساس جهان‌های کودک، جهان‌هایی به معنای واقعی کلمه موازی هستند و با یکدیگر تعامل و برهمکنش ندارند.

با این همه هنوز دانشمندان راهی برای تصویر مجدد حتی در لحظه انفجار بزرگ را ندارند و طبیعی است که تصور و تصویر آن چه قبل از بیگ بنگ نیز رخ داده است آسان نیست و جای تحقیق و کار فراوان دارد.

مشاهده امواج گرانشی از برخورد قدرتمند کهکشان‌ها در سال ۲۰۱۵، این احتمال را به وجود آورد که بتوان از این امواج برای حل رمز و راز‌های اساسی در مورد انبساط جهان در همان ثانیه‌های اول استفاده کرد. با این حال فیزیکدانان در این زمینه معتقدند که ساز و کار برخی نیرو‌های کوانتومی مانند گرانش کوانتومی باید با دقت بیشتری بررسی شوند. بر اساس صحبت‌های کارل ما در این مسئله تا زمانی که نظریه‌ای نداشته باشیم نمی‌دانیم که به دنبال چه چیز هستیم.

جهان چه طور تمام می‌شود؟

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.

مواردی که در مورد بیگ بنگ مطرح شد، درباره چگونگی پیدایش جهان است، نه چرایی آن. این نظریه می‌گوید جهان ما از حالتی داغ‌تر، متراکم‌تر و یکدست‌تر از حالا در زمان گذشته وجود داشته است. دیگر این ایده که فضا و زمان از نقطه تکینگی حدود ۱۴ میلیارد سال پیش به وجود آمد، پذیرفته نیست، بلکه پیش از آن فضایی با انرژی ذات خود بود که در اثر تورم کیهانی، شرایط را برای وقوع بیگ بنگ مهیا کرد. به عبارت دیگر، بیگ بنگ شاید شروع کل جهان نباشد اما بخش مهمی از داستان کیهانی جهانی است که تمام ما را به هم متصل می‌کند.