انفجار بزرگ: داستانی از پیدایش هستی که باید بدانید!

آیا می‌دانستید نظریه‌ای وجود دارد که کل جهان را از یک نقطه بسیار کوچک آغاز شده می‌داند؟ این همان نظریه “مه‌بانگ” یا “انفجار بزرگ” (Big Bang) است. در این مقاله، قصد داریم این نظریه جذاب را به زبانی ساده و قابل فهم بررسی کنیم.

در روزگاری که هیچ چیز نبود، ناگهان از یک نقطه بسیار کوچک، انفجاری عظیم رخ داد که سرآغاز شکل‌گیری کهکشان‌ها و هرآنچه که امروز می‌شناسیم، شد. این رویداد، که به “انفجار بزرگ” یا “مه‌بانگ” مشهور است، نه تنها یک حادثه فیزیکی عظیم بود، بلکه نقطه شروعی برای پیدایش زمان، فضا و ماده به شکلی که امروز درک می‌کنیم، به شمار می‌رود.

مه بانگ چیست؟

نظریه «مه‌بانگ» (Big Bang) یا در فارسی «انفجار بزرگ»، پذیرفته‌شده‌ترین توضیح علمی برای چگونگی پیدایش جهان هستی است. بر اساس این نظریه، جهان از یک نقطه بسیار کوچک و بی‌نهایت داغ آغاز شده و در طی حدود ۱۳.۸ میلیارد سال با سرعت سرسام‌آوری منبسط شده و همچنان نیز در حال انبساط است. این دوران اولیه، زمینه را برای ایجاد کهکشان‌های وسیع و شکل‌گیری عناصری فراهم کرد که امروزه شاهد آن هستیم.

بیگ بنگ
Credit: USRA/ADNET

ستاره‌شناسان نمی‌توانند مستقیماً شکل‌گیری کهکشان‌ها را ببینند، اما بخش زیادی از آنچه درباره نظریه بیگ بنگ می‌دانیم، نتیجه مدل‌ها و شبیه‌سازی‌های پیشرفته ریاضی است. از جمله شواهدی که از این نظریه پشتیبانی می‌کنند، می‌توان به تابش پس‌زمینه کیهانی اشاره کرد که دانشمندان می‌توانند آن را با تلسکوپ‌های قدرتمند مشاهده کنند و درک بهتری از شرایط اولیه جهان به دست آورند.

در حالی که نظریه مهبانگ به طور گسترده در جامعه علمی پذیرفته شده است، برخی از پژوهشگران ایده‌های جایگزینی ارائه می‌دهند و یا جنبه‌هایی از نظریه مهبانگ را به چالش می‌کشند. هدف از این نظریه‌ها، ارائه پاسخ‌هایی برای پرسش‌هایی است که بیگ بنگ به طور کامل به آنها پاسخ نداده. دانشمندان امیدوارند با مطالعه دقیق‌تر شرایط اولیه‌ی جهان، بتوانند آن را با جزئیات بیشتری مطالعه کنند.

بیگ بنگ و آغاز جهان

حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش، همه چیز در کل جهان در یک تکینگی بی‌نهایت کوچک، داغ و چگال متراکم شده بود. ناگهان یک انبساط انفجاری آغاز شد و جهان ما را با سرعتی بسیار بیشتر از سرعت نور به بیرون پرتاب کرد. این دوره‌ای از کیهان‌زایی بود که تنها کسری از ثانیه به طول انجامید؛ طبق نظریه فیزیکدان آلن گوث (Alan Guth) در سال ۱۹۸۰، این دوره مرموز، زمینه را برای همه‌ی آنچه که پس از آن رخ داد، مهیا کرد.

هنگامی که تورم کیهانی به پایان رسید و مرموز باقی ماند، توصیفات کلاسیک از بیگ بنگ به کار گرفته شد. سیلی از ماده و تابش، جهانی را شکل داد که ما می‌شناسیم. ذرات، اتم‌ها و چیزهایی را که می‌توانیم اندازه‌گیری کنیم را ایجاد کرد. این رخداد به عنوان «گرمایش مجدد» شناخته می‌شود و جهان ما را با چیزهایی که برای شناسایی‌شان ابزار داریم، پر کرد. ذرات، اتم‌ها و چیزهایی که به ستاره‌ها و کهکشان‌ها تبدیل می‌شوند.

طرحی گرافیکی از بیگ بنگ
Credit: Getty Images

اینها تنها در نخستین ثانیه‌ها پس از آغاز جهان اتفاق افتادند. در حالی که هنوز نمی‌توان نور مرئی را در این سوپ اولیه دید، ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها و الکترون‌ها به وفور در جهان وجود داشتند.

دقیقاً ۳۸۰ هزار سال پس از انفجار بزرگ، فضا به اندازه‌ی کافی خنک شده بود تا نور بتواند برای نخستین بار در آن حرکت کند. الکترون‌های آزاد با هسته‌ها ترکیب شدند و اتم‌های خنثی (دارای بار الکتریکی متعادل) را شکل دادند. این رویداد مهم به عنوان «تابش پس‌زمینه کیهانی» شناخته می‌شود و به‌نوعی، قدیمی‌ترین نوری است که می‌توانیم آن را تشخیص دهیم.

پستاب بیگ بنگ
Credit: NASA / WMAP

این نورِ گریزپا که “تابش پس‌زمینه” بیگ بنگ هم نامیده می‌شود، امروزه به عنوان “تابش پس‌زمینه کیهانی” یا (CMB) شناخته می‌شود. این پدیده نخستین بار به صورت تئوری توسط رالف آلفر (Ralph Alpher) و همکارانش در سال ۱۹۴۸ پیش‌بینی شد، اما تقریباً ۲۰ سال بعد، به طور تصادفی کشف شد. طبق مقاله‌ای از ناسا، این کشف تصادفی زمانی روی داد که آرنو پنزیاس (Arno Penzias) و رابرت ویلسون (Robert Wilson)، هر دو از آزمایشگاه‌های تلفن بل در نیوجرسی، در سال ۱۹۶۵ در حال ساخت یک گیرنده رادیویی بودند و به طور مداوم با یک نویز پس‌زمینه مواجه می‌شدند که نمی‌توانستند آن را حذف کنند. در ابتدا، آنها تصور می‌کردند که این ناهنجاری به دلیل تلاش کبوترها برای لانه‌سازی در داخل آنتن و فضولات آنهاست، اما حتی با پاکسازی کبوترها و فضولاتشان هم، این ناهنجاری همچنان پابرجا بود.

هم‌زمان، تیمی از دانشگاه پرینستون به سرپرستی رابرت دیکه (Robert Dicke) در تلاش برای یافتن شواهدی از CMB بود و دریافت که مشاهدات عجیب پنزیاس و ویلسون به طور اتفاقی با یافته‌های آن‌ها مطابقت دارد. این دو گروه هر کدام مقالاتی را در Astrophysical Journal در سال ۱۹۶۵ منتشر کردند.

نام‌گذاری بیگ بنگ

برای نخستین بار فرد هویل (Fred Hoyle)، اختر فیزیکدان بریتانیایی، در سال ۱۹۴۹ در یک برنامه رادیویی در BBC از این اصطلاح استفاده کرد که به تدریج با استقبال گسترده در جامعه علمی و فرهنگ عامه مواجه شد. در زبان فارسی هم اصطلاح «مه‌بانگ» بر این اساس انتخاب شده است که یکی از معانی «مه»، «بزرگ» است و «بانگ» هم به معنی آوا بلند به کار می‌رود.

نظریه بیگ بنگ

مفهوم نظریه بیگ بنگ که به طور گسترده درباره تکامل جهان پذیرفته شده و به ایجاد جهان از حالتی با دما و چگالی بسیار بالا اشاره دارد، بر اساس دو فرض بنا شده است:

• نخست، نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین به درستی برهم‌کنش گرانشی همه مواد را توصیف می‌کند.
• دوم دیدگاه ناظر از جهان، نه به جهت نگاه او و نه به مکان او بستگی ندارد؛ موضوعی که «اصل کیهان‌شناسی» نامیده می‌شود.

این اصل فقط در مورد خوشه‌های بزرگ مقیاس جهان صدق می‌کند و دلالت بر این دارد که جهان هیچ لبه‌ی ندارد و بدین ترتیب نه در یک نقطه خاص از فضا، بلکه به طور همزمان در سراسر فضا رخ داده است. این دو فرض، محاسبه تاریخ کیهان را پس از دوره‌ای خاص به نام «زمان پلانک» امکان‌پذیر می‌کنند. یک زمان پلانک، مدت زمانی است که نور در خلاء مسافت یک طول پلانک را می‌پیماید. دانشمندان اما هنوز مشخص نکرده‌اند که پیش از زمان پلانک چه چیزی غالب بوده است.

طبق نظریه بیگ بنگ، جهان از یک حالت اولیه‌ بسیار فشرده به سرعت در حال گسترش بوده و همچنان نیز گسترش می‌یابد که منجر به کاهش تدریجی دما و چگالی آن می‌شود. کمی پس از آن، امکان غلبه‌ی ماده بر پادماده توسط فرآیندهایی که واپاشی پروتون را هم پیش‌بینی می‌کنند، ایجاد شد. احتمال می‌رود در این مرحله، انواع زیادی از ذرات بنیادی وجود داشته باشند.

این نظریه پیش‌بینی می‌کند که در این هنگام، انواع زیادی از ذرات بنیادی وجود داشته باشد. پس از چند ثانیه، جهان به اندازه‌ی کافی سرد شده بود تا امکان تشکیل هسته‌های خاص عناصر فراهم شود. فراوانی آن‌ها، که عمدتاً هیدروژن و هلیوم هستند، مطابق با آنچه امروزه مشاهده می‌شود است.

حدود ۱ میلیون سال بعد، جهان به اندازه‌ای سرد شده بود که اتم‌ها تشکیل شوند. سپس تابشی که جهان را پر کرده بود، آزادانه در فضا حرکت کرد، و این نور باستانی هنوز هم به عنوان تابش پس‌زمینه کیهانی قابل تشخیص است. دمای پس‌زمینه کیهانی حدود ۳ درجه (در واقع ۲.۷۲۸ درجه) بالاتر از صفر مطلق است. وجود این تابش برای نخستین بار در سال ۱۹۶۵ توسط دو فیزیکدان آمریکایی به نام‌های آرنو اِی. پنزیاس (Arno A. Penzias) و رابرت دابلیو. ویلسون (Robert W. Wilson) کشف شد.

این مدل کیهان‌شناسی، علاوه بر در نظر گرفتن وجود ماده و تابش معمولی، پیش‌بینی می‌کند که جهان کنونی باید مملو از نوترینوها باشد و از این رو در نظر گرفتن وجود ذرات دیگری نیز از جهان اولیه هم کشف شدند.

بیگ بنگ از چه چیزی آغاز شد؟

بیگ بنگ اغلب به عنوان یک “انفجار” توصیف می‌شود، اما مهم است این تصویر گمراه‌کننده را اصلاح کنیم. در یک انفجار، قطعات از یک نقطه مرکزی به فضایی که از قبل وجود داشته پرتاب می‌شوند و با سرعت به سمت بیرون حرکت می‌کنند. اما مهبانگ اینگونه نبود.

این رویداد کیهانی، خودِ انبساط فضا بود. مفهوم فضا وجود نداشت، بلکه انبساطِ خود فضا بود. در کسری از ثانیه، جهان به صورت تصاعدی شروع به انبساط کرد. همانطور که جهان رشد کرد، دمای آن نیز کاهش یافت و مراحلی را طی کرد که به عنوان تشکیل شناخته می‌شود.

قیف مهبانگ
Credit: NASA, Illustrator: Britt Griswold (Maslow Media Group)

نرخ انبساط کیهان

سرعت انبساط کیهان به عنوان ثابت هابل (Hubble constant) شناخته می‌شود و قطعه‌های کلیدی از پازل درک چگونگی تغییر جهان در طول زمان است. اما یک راز دیرهنگام به نام “تنش هابل” وجود دارد که دانشمندان نتوانسته‌اند با شبیه‌سازی اندازه گیری‌های ثابت هابل چه با نگاه به پس‌تاب بیگ بنگ و چه با استفاده از روش‌های دیگر برای اندازه‌گیری فاصله‌های کیهانی، مقادیر کمی متفاوت برای آن به دست آورند.

ساده‌ترین اندازه گیری‌های سرعت انبساط جهان، که توسط قابلیتی به نام “ثابت هابل” شناخته می‌شود، با هم سازگار نیستند. اختلاف بین دو روش اندازه‌گیری انبساط کیهان، دانشمندان را گیج کرده است. هیچ کس با اطمینان نمی‌داند چه چیزی باعث این تطابق نداشتن می‌شود، اما برخی فکر می‌کنند که ممکن است به فیزیک جدیدی اشاره داشته باشد که ایده‌های ما را در حال حاضر در حالت حاضر شامل شود.

آیا بیگ بنگ ثابت شده است؟

دقت درک این موضوع ضروری است، اما می‌توان گفت که شواهد محکمی برای نظریه بیگ بنگ وجود دارد و تمامی آزمایش‌ها، این نظریه را تایید می‌کنند. ریاضیدانان چیزهایی را اثبات می‌کنند، اما فیزیکدانان تنها می‌توانند بگویند که شواهد موجود از یک نظریه با چه درجه‌ای از اطمینان پشتیبانی می‌کنند که همیشه کمتر از صد درصد است.

برخی از مهم‌ترین شواهد موجود از این نظریه عبارتند از:

1. قانون هابل: نشان می‌دهد اجرام دوردست با سرعتی متناسب با فاصله‌شان از ما دور می‌شوند و این زمانی روی می‌دهد که انبساط یکنواخت در همه‌ی جهات وجود داشته باشد.
2. خواص تابش پس‌زمینه کیهانی: نشان می‌دهد جهان از یک گاز یونیزه‌شده (پلاسما) و یک گاز خنثی عبور کرده است. چنین گذاری به معنای جهان اولیه داغ و متراکم است که بر اثر انبساط، سرد شده است.
3. فراوانی نسبی عناصر سبک که در چند دقیقه اول و در طول هسته‌زایی بیگ بنگ (BBN) شکل گرفته‌اند نشان می‌دهد که جهان در گذشته واقعا داغ و بسیار متراکم بوده است.

بیگ بنگ و جیمز وب

یک تلسکوپ تقریباً مانند یک ماشین زمان به ما این امکان را می‌دهد که گذشته‌های دور را تماشا کنیم. ناسا (NASA) با کمک تلسکوپ فضایی هابل، که کهکشان‌ها را آن‌طور که میلیاردها سال پیش بودند به ما نشان داده است و جانشین هابل، یعنی تلسکوپ فضایی جیمز وب (James Webb Space Telescope)، توانایی نگاه عمیق‌تر به گذشته را دارد.

طرحی گرافیکی از تلسکوپ فضایی جیمز وب
Credit: NASA

ناسا امیدوار است بتواند تمام راه را تا زمان شکل‌گیری نخستین کهکشان‌ها یعنی تقریبا ۱۳.۶ میلیارد سال قبل ببیند و بر خلاف هابل که عمدتا در فرکانس‌های مرئی رصد می‌کند، جیمز وب یک تلسکوپ فروسرخ است که برای مشاهده کهکشان‌های بسیار دوردست کارآمدتر است. به این معنی است که امواج ساطع شده از اجرام مختلف کشیده می‌شوند و در طول موج‌های مریی با چشم دیده نمی‌شوند، اما در طول موج فروسرخ به ما می‌رسند. پدیده‌ای که به آن « انتقال به سرخ» گفته می‌شود.

نظریه بیگ بنگ: یک نام آشنا

نام “نظریه بیگ بنگ” برای دهه‌ها، روشی رایج برای صحبت در مورد این مفهوم در بین اخترفیزیکدانان بوده است، اما در سال ۲۰۰۷ زمانی که یک سریال کمدی تلویزیونی با همین نام از شبکه CBS پخش شد، به موضوعی متداول تبدیل شد.

سریال “نظریه بیگ بنگ” که در ۱۲ فصل و با ۲۷۹ قسمت پخش شد، زندگی گروهی از دانشمندان شامل فیزیکدانان، اخترفیزیکدانان و مهندسان هوافضا را به تصویر می‌کشید و به بررسی دوستی‌ها، روابط عاشقانه و ماجراهای این گروه می‌پرداخت. فصل اول آن در تاریخ ۲۴ سپتامبر ۲۰۰۷ پخش شد و سریال رسما در ۱۶ می ۲۰۱۹ به پایان رسید.

به گزارش نشریه «Science»، هر چند خود سریال خیلی به علم واقعی نمی‌پرداخت، گردانندگان آن، فیزیکدانان و اخترفیزیکدانان، از جمله دیوید سالتزبرگ (David Saltzberg) از دانشگاه UCLA را به عنوان مشاور علمی برای کل سریال استخدام کردند. مشاوران علمی اغلب برای سریال‌ها و فیلم‌های علمی-تخیلی و مرتبط با علم استخدام می‌شوند تا به نگاه داشتن جنبه‌های خاص از آن طبق واقعیت کمک کنند.

جمع‌بندی

تئوری بیگ بنگ در حال حاضر، قانع‌کننده‌ترین ت وصیف موجود از آغاز جهان است. طبق این نظریه، جهان حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش از نقطه‌ای بی‌نهایت کوچک، داغ و متراکم آغاز شده و با انبساطی شدید، فضا-زمان شکل گرفته است. این انبساط در کسری از ثانیه روی داد و پس از آن، ماده، تابش و ذرات بنیادی پدید آمدند. در دقایق نخست، عناصر سبکی مانند هیدروژن و هلیوم شکل گرفتند و پس از حدود ۳۸۰,۰۰۰ سال، نوری که امروزه به عنوان تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی (CMB) قابل مشاهده است، آزاد شد.

اکنون در پایان این سفر علمی، این جمله مشهور از دیوید آگیلار (David A. Aguilar) را به یاد داشته باشیم: “آسمان حد و مرز نیست، بلکه نقطه آغاز است.”

منابع: Space, Britanica, Phys.Org

پرسش‌های متداول درباره‌ی بیگ بنگ

در این قسمت به سوالات متداول شما در مورد مهبانگ پاسخ خواهیم داد:

بیگ بنگ چیست؟
بیگ بنگ به عنوان نظریه‌ای شناخته می‌شود که توضیح می‌دهد چگونه جهان از نقطه‌ای آغازین و بسیار کوچک و فشرده، به وجود آمد.

بیگ بنگ چه زمانی اتفاق افتاد؟
بر اساس محاسبات، بیگ بنگ حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش به وقوع پیوست. در آن زمان، جهان به شکل امروزی وجود نداشت.

دمای بیگ بنگ چقدر بود؟
در لحظات اولیه بیگ بنگ، دمای جهان به طرز غیرقابل تصوری بالا بود، چیزی در حدود ۱۰ به توان ۳۲ کلوین! این دما بسیار فراتر از تصور ما است و شرایطی را ایجاد کرد که قوانین فیزیک در آن زمان متفاوت بود.

به‌روزرسانی:
با توجه به این دستورالعمل‌ها، محتوای بازنویسی‌شده با عنوان «انفجار بزرگ: داستانی از پیدایش هستی که باید بدانید!» به صورت زیر ارائه می‌شود:

مهبانگ: بزرگ‌ترین راز کیهان و داستان آفرینش هستی

نظریه مهبانگ یا بیگ‌بنگ، یکی از جذاب‌ترین و در عین حال پیچیده‌ترین نظریه‌های علمی است که به بررسی چگونگی آغاز جهان هستی می‌پردازد. آیا می‌دانستید که بر اساس این نظریه، کل جهان از یک نقطه بسیار کوچک‌تر از یک اتم آغاز شده است؟ این همان چیزی است که در این مقاله قصد داریم در مورد آن صحبت کنیم.

در لحظه‌ای که هیچ‌چیز وجود نداشت، ناگهان از دل یک نقطه متراکم و بی‌نهایت کوچک، انفجاری عظیم موسوم به بیگ‌بنگ رخ داد که سرآغاز شکل‌گیری فضا، زمان، ماده و تمامی ساختارهای کیهانی شد. این رویداد، نه تنها یک حادثه فیزیکی عظیم بود، بلکه نقطه عطفی در تاریخ کیهان و سرآغاز شکل‌گیری ساختارهایی شد که امروزه می‌شناسیم.

نظریه بیگ بنگ چیست؟

نظریه “مه‌بانگ” (Big Bang)، که در زبان فارسی با نام “انفجار بزرگ” نیز شناخته می‌شود، اصلی‌ترین و پذیرفته‌شده‌ترین مدل کیهان‌شناسی برای توصیف چگونگی شکل‌گیری جهان است. بر پایه این نظریه، جهان از یک وضعیت اولیه بسیار داغ و متراکم آغاز شده و طی ۱۳.۸ میلیارد سال گذشته به طور مداوم در حال انبساط بوده است.

بر اساس این مدل، جهان در کسری از ثانیه پس از بیگ‌بنگ شاهد یک دوره انبساط بسیار سریع بوده است. این دوره که “تورم کیهانی” نامیده می‌شود، نقش مهمی در یکنواختی و ساختار کنونی جهان ایفا کرده است.

تصویری فرضی از بیگ بنگ
Credit: USRA/ADNET

اگرچه ستاره‌شناسان نمی‌توانند مستقیماً لحظات اولیه پس از بیگ‌بنگ را مشاهده کنند، اما تابش پس‌زمینه کیهانی (CMB) که باقی‌مانده‌ای از آن دوران است، به عنوان شاهدی قوی برای این نظریه محسوب می‌شود. این تابش، نخستین بار به‌طور نظری در سال ۱۹۴۸ توسط رالف آلفر (Ralph Alpher) و همکارانش پیش‌بینی شد و بعدها در سال ۱۹۶۵ به طور تصادفی توسط آرنو پنزیاس (Arno Penzias) و رابرت ویلسون (Robert Wilson) کشف شد.

با این حال، با وجود شواهد قوی، برخی از دانشمندان همچنان در جستجوی نظریه‌های جایگزین یا اصلاح نظریه بیگ‌بنگ هستند تا بتوانند به پرسش‌های بی‌پاسخ درباره‌ی منشاء جهان پاسخ دهند. این تلاش‌ها به درک بهتر و دقیق‌تر ما از کیهان کمک می‌کنند.

جهان چگونه آغاز شد: مروری بر رویدادهای اولیه

براساس مدل‌های کیهان‌شناسی، حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش، کل کیهان در وضعیتی بسیار چگال و داغ وجود داشت. سپس، رویدادی رخ داد که به “بیگ بنگ” مشهور شد و منجر به انبساط ناگهانی و سریع فضا شد.

در لحظات ابتدایی پس از بیگ‌بنگ، رویدادهای مهمی رخ داد. یکی از این رویدادها، “تورم کیهانی” بود، دوره‌ای از انبساط بسیار سریع که در کسری از ثانیه رخ داد. آلن گوث (Alan Guth)، فیزیکدان، در سال ۱۹۸۰ میلادی نظریه تورم کیهانی را ارائه کرد. پس از پایان دوره تورم کیهانی، جهانی با انرژی بسیار زیاد و در حال انبساط به‌وجود آمد.

در این دوره، الکترون‌ها، پوزیترون‌ها و نوترینوها به وفور وجود داشتند و در تعادل با فوتون‌ها عمل می‌کردند. با گذشت زمان، جهان به تدریج سرد شد و ذرات سنگین‌تر شروع به شکل‌گیری کردند. این دوره، که “گرمایش مجدد” نامیده می‌شود، زمینه را برای شکل‌گیری عناصر سنگین‌تر و در نهایت، ساختارهای بزرگ‌تر مانند کهکشان‌ها فراهم کرد.

نمایی گرافیکی از چگونگی وقوع بیگ بنگ
Credit: Getty Images

تقریباً ۳۸۰ هزار سال پس از بیگ بنگ، اتفاق مهمی افتاد: نور توانست آزادانه در فضا حرکت کند. این اتفاق زمانی رخ داد که الکترون‌های آزاد با هسته‌های اتم‌ها ترکیب شدند و اتم‌های هیدروژن خنثی را شکل دادند. این نور، که اکنون به عنوان تابش پس‌زمینه کیهانی شناخته می‌شود، قدیمی‌ترین نوری است که ما می‌توانیم آن را ردیابی کنیم.