مهبانگ

مِهبانگ یا انفجار بزرگ به انگلیسی: (Big Bang) یک نظریه علمی است، و لحظه آغازین هستی را گویند که کل هستی (شامل زمان و هر سه بعد) از آن هنگام، بر طبق این نظریه، شروع شده‌است.
بر طبق این نظریه، جهان فعلی ما از ذره بسیار کوچک تر از کوچک‌ترین ذرات بنیادی بوجود آمد. البته علم فیزیک در آن لحظه وجود نداشت، و به این حالت تکینگی گویند. در واقع بر طبق این نظریه، از این تکینگی جهان منفجر شد و از این ذره همهٔ ذرات بنیادی به وجود آمدند و شروع کردند از مرکز آن دور شدن، که میلیاردها کهکشان و از جمله کهکشان راه شیری به وجود آمدند.
این انفجار باعث انبساط جهان به صورت بادکنکی می‌شود. البته نیروی دیگری که در این انبساط و کند شدن سرعت انبساط ان تأثیر دارد نیروی جاذبه‌است و خمیدگی‌های فضا زمان نسبیتی و در این صورت سه حالت متصور است

۱٫ انبساط دائم
۲٫رسیدن به یک حالت ثابت و پایدار
۳٫انقباض بعد از انبساط

پژوهش‌های انجام شده در سالهای پیش نشان می‌دهد که جهان افزون بر آنکه در حال بزرگ شدن است، این انبساط دارای شتاب نیز می‌باشد. یعنی همچنان که کهکشانها در حال دور شدن از یکدیگر هستند، افزون بر تندی (سرعت(دارای شتاب نیز می‌باشد.
هنگامی که بحث انبساط جهان مطرح شد، برای توجیه آن باید یک نظریه منطقی و نو ارائه می‌شد تا بتواند بزرگ شدن جهان را توجیه کند.
این نظریه باید توضیح می‌داد که بزرگ شدن جهان از کجا و چه زمانی آغاز شده است؟ برای توجیه بزرگ شدن جهان نظریه «مهبانگ» -(انفجار بزرگ-((Big Bang) مطرح شد که بر پایهٔ آن جهان از انفجار یک تودهٔ فوق العاده متراکم و با حجم ناچیز آغاز شده‌است.

پس از آنکه شتاب جهان مطرح شد، باید یک دلیل منطقی برای توجیه آن ارائه می‌شد. همچنانکه می‌دانید طبق قوانین فیزیک شتاب ناشی از اعمال نیرو یا انتقال انرژی صورت می‌گیرد. بنابراین باید نیرویی به جهان اعمال شود یا انرژی وجود داشته باشد تا بتواند شتاب جهان را توجیه کند. براین پایه بحث انرژی تاریک یا Dark Energy مطرح شد که هنوز سرچشمه و چرایی آن ناشناخته‌است. البته در این زمینه نظریه‌های گوناگونی مطرح شده‌است، اما هیچ کدام نتوانسته پاسخی پذیرفتنی به آن بدهد.

چکیده
در این مقاله ابتدا به تعریف CPH که همهٔ ماده‌های جهان از آن تشکیل شده‌اند می‌پردازیم سپس راجع به نخستین لحظات پیدایش کیهان صحبت می‌کنیم که چگونه پس از انفجار بزرگ کیهان تشکیل شد و چگونه هلیم و دتریم از طریق همجوشی با یکدیگر هیدروژن که عنصر اصلی تشکیل ستارگان وسیارات هست را بوجود آوردند سپس نگاهی به مقادیر تقریبی مشخصات کیهان پرداخته وبا توجه به انبساط همیشگی کیهان , فراوانی هلیم و دتریم و تابش پس زمینهٔ کیهانی حادثهٔ انفجار بزرگ را اثبات می‌کنیم و در آخر می‌بینیم که کیهان همواره در حال انبساط خواهد بود.

نام

در زبان پارسی «مه» یعنی «بزرگ» و بانگ به معنای صدای بلند است.

تاریخچه

ایده و تئوری مهبانگ (انفجار بزرگ) با نگرش بر ساختار کیهان ایجاد شد. در سال ۱۹۱۲ میلادی (۱۲۹۱ ه. ش) توسط وستو اسلیفر این تحقیق آغاز شد.

نظریهٔ CPH و انرژی تاریک

طبق نظریهٔ CPH همهٔ ذرات موجود در جهان از CPH تشکیل شده‌اند و CPH همواره با مقدار سرعت ثابت حرکت می‌کنند و هنگامیکه یکدیگر را جذب می‌کنند مقداری از این سرعت ثابت به حرکت دورانی تبدیل می‌شود که آن را اسپین می‌نامند به طوری که طبق نظریه CPH پس از مهبانگ CPHها به همهٔ اطراف جهان پراکنده شدند که با سرعت ثابت Vc>c به حرکت خود ادامه می‌دادند. بتدریج CPHها یکدیگر را جذب کردند و به انرژی تبدیل شدند و انرژی نیز به ماده و پاد ماده تبدیل شد. بتدریج غبارهای آسمانی تشکیل گردید و ستارگان و کهکشانها پدید آمدند. از آنجایی که همهٔ اجسام و ذرات موجود در جهان از CPH تشکیل شده‌اند و این CHPها در ساختمان ماده دارای حرکت دورانی یا اسپین هستند، لذا هر انفجاری که در جهان صورت گیرد، مقداری از حرکت دورانی یا اسپین CPHها به حرکت انتقالی تبدیل می‌شود. چون بیشتر مادهٔ موجود در جهان در ستارگان در حال انفجار است، لذا بطور مداوم حرکت دورانی CPHها به حرکت انتقالی تبدیل می‌شود و این امر موجب انبساط و در عین حال شتاب جهان می‌شود.

نگاهی به چگونگی ایجاد و گسترش کیهان

همه چیز در حال گردش است. زمین به گرد خورشید می‌چرخد و ماه به گرد زمین. زمین و همهٔ سیاره‌ها ی منظومه خورشیدی نیز به دور ستاره بزرگ خورشید می‌چرخند. منظومه خورشیدی ما که در یکی از بازوهای کهکشان راه شیری قرار دارد به گرد هسته مرکزی راه شیری می‌چرخد. کهکشان راه شیری در خوشه‌ای به نام گروه محلی قرار دارد. همگی کهکشان‌های گروه محلی نیز به دور مرکز گروه محلی می‌چرخند.

از گرد هم آمدن گروه‌ها و خوشه‌های بسیاری همچون گروه محلی، مجموعه بسیار بزرگ تری به نام «ابر خوشه» تشکیل می‌شود. جهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم از میلیون‌ها ابر خوشه تشکیل شده‌است. اکنون می‌خواهیم از زمین کوچکمان که در این جهان بزرگ، حتی به اندازه یک نقطه کوچک هم نیست بیرون رویم و به سوی نخستین لحظه‌های تشکیل کیهان برویم.

بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش همهٔ انرژی‌های دنیا، یعنی همهٔ آن چیزی که هم اکنون وجود دارد به صورت اصلی‌ترین ماده تشکیل دهندهٔ انرژی در یک نقطه وجود داشت. (در طول مقاله واژه‌های کیهان و عالم به کار برده شده‌است که هر دو به یک معنا است.) این نقطه با انفجاری بزرگ گسست و انرژی خود را به هر سو پخش کرد.

این لحظه را «مهبانگ» -(انفجار بزرگ –((Big Bang) می‌گویند. پس از انفجار بزرگ همهٔ انرژی‌های جهان که در یک نقطه جمع شده بود به هر سو پخش و گسترده شد که اکنون نیز ادامه دارد. به زبان ساده جهان از زمان مهبانگ تا اکنون در حال انبساط (باز شدن) ات. پس از دو دقیقه با همجوشی پروتون‌ها و نوترون‌ها، دوتریوم درست شد. پس از سه دقیقه، هلیم از همجوشی دوتریوم، پروتون‌ها و نوترون‌ها پدیدار شد. در آن هنگام چگالی جرمی ماده از چگالی ماده معادل انرژی فوتون‌ها کمتر بوده‌است، در حالی که هم اکنون چگالی جرمی ماده از چگالی ماده معادل انرژی فوتون‌ها بیشتر است. در آغاز ساخته شدن کیهان نوترون‌ها، پروتون‌ها و الکترون‌ها تنها سهم ناچیزی از مقدار ماده را داشتند و این فوتون‌ها بوده‌اند که انحنای فضا- زمان را به وجود می‌آوردند.

صدهزار سال پس از تشکیل عالم، دمای کیهان هشت هزار کلوین بود در حالی که نهصد هزار سال بعد دمای جهان به سه هزار درجه کلوین کاهش یافت. در این زمان به دلیل افت دما و خنکی نسبی ای که به وجود آمده بود پروتون‌ها و الکترون‌ها با یکدیگر درهم آمیخته شدند تا این که اتم‌های خنثای هیدروژن را به وجود آوردند. کیهان در این زمان (یک میلیون سالگی) برای نخستین بار شفاف شد که با وقوع شفافیت فوتون‌های زمینه میکرو موجی کیهانی در تمام عالم گسترش یافتند. در این هنگام بخش‌هایی از کیهان که مقداری از میانگین چگال تر بودند تبدیل به خوشه‌ها، ابرخوشه‌ها و کهکشان‌ها شدند و بخش‌های کوچک و کم تراکم تر باقیمانده تبدیل به فضای میان ابرخوشه‌ها شدند.

طی یک دوره چند میلیون ساله ابرهای گازی به وجود آمدند که هسته آغازین تشکیل ستارگان بودند. کهکشان راه شیری در یک ابر چرخنده کم سرعت از هیدروژن و هلیوم که در حدود ۱۰۰ کیلو پارسک (۳۲۶ سال نوری) پهنا دارد تشکیل شد. البته هنوز معلوم نیست که کهکشان ما از یک ابر بزرگ گازی تشکیل شده یا آن که شماری از ابرهای کوچک که با یکدیگر درهم آمیخته شده‌اند. در راه تکمیل و گسترش کیهان در مرکز کهکشان راه شیری دو مرکز بسیار پرانرژی که سیاه چاله هستند به وجود آمد که به نوعی نقطه تعادل و جاذبه گردشی کهکشان است. بیش از ۵/۴ میلیارد سال پیش منظومه خورشیدی ما در درون یکی از ابرهای گازی کهکشان راه شیری زاده شد. در آغاز بخش‌هایی از این ابر بزرگ شروع به متراکم شدن کرد و بر اثر کشش گرانشی فشرده شد تا به صورت یک توده کروی شکل درآمد. پس از صد هزار سال خورشید به صورت یک کره بسیار کوچک زاده شد. خورشید کوچک پیاپی داغ تر و گرم تر می‌شد و به سرعت به گرد خود می‌چرخید و از خود ماده در فضا رها می‌کرد. پس از مدتی خورشید به دوران بلوغ خود رسید. در این دوره نخستین انفجارهای هسته‌ای خورشید آغاز شد که سبب درخشش این ستاره بزرگ می‌شد. خورشید از آغاز پیدایش خود تاکنون پیاپی در حال تبدیل ماده به انرژی است.

حلقه‌هایی از موادی که از خورشید جدا می‌شدند کم کم به صورت اجرام کوچکی درآمدند و پس از مدتی بر اثر گرانش بسیار بالای خورشید در مدارهایی متفاوت شروع به چرخیدن کردند. این اجرام که توده‌های کوچک چرخانی در میان توده‌های بزرگی از گاز و غبار بودند پس از طی چندین میلیون سال تبدیل به سیاره‌های بزرگ و کوچکی شدند که امروزه به نه نام مختلف همچنان به دور خورشید بزرگ در حال گردش هستند. هر نه سیاره منظومه خورشیدی در نه مدار مختلف و در فاصله‌های معینی از خورشید قرار دارند که به ترتیب از اولین سیاره نزدیک به خورشید عبارتند از «تیر (عطارد)، ناهید (زهره)، زمین، بهرام (مریخ)، برجیس (مشتری)، کیوان (زحل)، اورانوس، نپتون و پلوتو یوهان کپلر قانون‌های سه گانه‌ای را کشف و برای حرکت سیاره‌ها وضع کرده‌است که شامل مواد زیر است:

۱٫ همه سیاره‌ها در یک مدار بیضی شکل به گرد خورشید می‌چرخند

۲٫ هر سیاره‌ای که در گردش خود نزدیک به خورشید می‌رسد، سرعتش بیشتر می‌شود

۳٫ بین مسافت و دوری سیاره از خورشید با زمانی که مدار خود را می‌پیماید، نسبت خاصی برقرار است

جهان پهناور ما همچون بادکنکی که در حال باد شدن است مدام در حال بزرگ شدن است و هر روز بر پهنای آن افزوده می‌شود. بر طبق قانون هابل کهکشان‌های دوردست با سرعتی به تناسب دوریشان از ما فاصله می‌گیرند، بنابراین کیهان به طور یکنواخت در حال انبساط است. البته بایستی بدانید که کهکشان‌ها خود در حال انبساط و بزرگ شدن نیستند بلکه این فضا- زمان است که باز می‌شود و کهکشان‌ها را با خود می‌برد. بر پایهٔ این قانون اگر کیهان باز باشد، انبساط تا بی نهایت ادامه دارد و اگر بسته باشد انبساط متوقف شده و کیهان شروع به رمبش (انقباض) می‌کند. چون گرانش از سرعت انبساط عالم می‌کاهد ممکن است که روزی پیروز شود و موجب توقف گسترش کیهان و در نتیجه فروریختن کیهان در خود شود. برای درک بهتر آن نمونه‌ای می‌آوریم: سرعت گریز از زمین ۴/۱۱ کیلومتر بر ثانیه‌است. حال اگر موشکی با سرعت کمتر بخواهد از جو زمین خارج شود گرانش زمین این اجازه را به او نمی‌دهد و موشک به سوی زمین باز می‌گردد. پس اگر سرعت سبی دو کهکشان از سرعت گریزشان کمتر باشد روزی انبساط پایان یافته و کیهان آغاز به انقباض می‌کند و اگرسرعت گریزشان بیشتر باشد انبساط عالم ادامه خواهد داشت. برای رسیدن به پاسخی قطعی درباره رنوشت کیهان ما، در آغاز بایستی به چگونگی پیدایش آن پی برد. هم اکنون گروهی از دانشمندان فیزیک در حال بررسی زمان صفر انفجار بزرگ از راه «نظریه ریسمان‌ها» هستند. نظریه ریسمان‌ها فرضیه‌ای نوین است که هنوز به صورت تجربی ثابت نشده‌است. بر طبق این نظریه، کیهان در رده‌ای بنیادی تر از رشته‌ها یا ریسمان‌هایی ساخته شده که با فرکانس‌های مختلف ارتعاش می‌کنند. پژوهش درباره ماهیت انفجار بزرگ به ظاهر تنها از طریق نظریه ریسمان‌ها امکان دارد اما زمان پاسخ به چنین پرسشی سخت و دشوار که بزرگ‌ترین معمای عالم است مشخص نیست.

نظریهٔ مهبانگ (انفجار بزرگ)

شرح گام به گام تاریخ کیهان از دید نظریهٔ «مهبانگ»: آشکار است برای آگاهی از چگونگی نخستین ثانیه‌ها و یا بهتر بگوییم نخستین اجزای ثانیه‌های پس از انفجار آغازین نباید از ستاره شناسان پرسید بلکه در این مورد باید به فیزیکدان‌های متخصص در امر فیزیک ذره‌ای مراجعه کرد که در مورد تشعشعات و ماده در شرایط کاملا سخت و غیر عادی جستجو و تجربه می‌کنند. تاریخ کیهان معمولاً به ۸ مقطع کاملا متفاوت و نا مساوی بخش می‌شود:

مرحله نخست (صفر تا۱۰ به توان ۴۳- ثانیه) این مساله هنوز برایمان کاملا روشن نیست که در این نخستین اجزای ثانیه‌ها چه چیزی تبدیل به گلوله آتشینی شد که کیهان باید بعداً از آن ایجاد گردد. هیچ معادله اندازه گیری برای دمای بسیار بالا و تصورناپذیری که در این زمان حاکم بود در دست نمی‌باشد.

مرحله دوم ( از۱۰ به توان ۴۳- تا ۱۰ به توان ۳۲- ثانیه )نخستین سنگ بناهای ماده مثلا کوارک‌ها و الکترون‌ها و پاد ذره‌های آنها از برخورد پرتوها با یکدیگر به وجود می‌آیند. بخشی از این سنگ بناها دوباره با یکدیگر برخورد می‌کنند و به صورت تشعشع فرو می‌پاشند. در لحظه‌های بسیار بسیار اولیه ذره‌های فرا سنگین – x نیز می‌توانسته‌اند به وجود آمده باشند. این ذره‌ها دارای این ویژگی هستند که هنگام فروپاشی ماده بیشتری نسبت به پاد ماده و مثلا کوارک‌های بیشتری نسبت به آنتی کوارک‌ها ایجاد می‌کنند. ذره‌های x که تنها در همان نخستین اجزای بسیار کوچک ثانیه‌ها وجود داشتند برای ما میراث مهمی به جا گذاردند که عبارت بود از: «افزونی ماده در برابر پاد ماده»

مرحله سوم (از۱۰ به توان ۳۲- ثانیه تا ۱۰ به توان ۶- ثانیه (کیهان از مخلوطی از کوارک‌ها – لپتون‌ها – فوتون‌ها و ذره‌های دیگر تشکیل شده که متقابلا به ایجاد و نابودی یکدیگر مشغول بوده و همچنین خیلی سریع در حال از دست دادن دما هستند.

مرحله چهارم (از ۱۰ به توان ۶- ثانیه تا ۱۰ به توان ۳- ثانیه (کمابیش همگی کوارک‌ها و پاد کوارک‌ها به صورت پرتو ذره‌ها به انرژی تبدیل می‌شوند. کوارک‌های جدید دیگر نمی‌توانند در دماهای رو به کاهش به وجود آیند ولی از آن جایی که کوارک‌های بیشتری نسبت به پاد کوارک‌ها وجود دارند برخی از کوارک‌ها برای خود جفتی پیدا نکرده و به صورت اضافه باقی می‌مانند. هر ۳ کوارک با یکدیگر یک پروتون با یک نوترون می‌سازند. سنگ بناهای هسته اتم‌های آینده اکنون ایجاد شده‌اند.

مرحله پنجم (از ۱۰ به توان ۳- ثانیه تا ۱۰۰ ثانیه ) الکترون‌ها و پاد الکترون‌ها در برخورد با یکدیگر به اشعه تبدیل می‌شوند. شماری از الکترون‌ها باقی می‌ماند زیرا که ماده بیشتری نسبت به پاد ماده وجود دارد. این الکترون‌ها بعداً مدارهای اتمی را می‌سازند.

مرحله ششم (از ۱۰۰ ثانیه تا ۳۰ دقیقه )در دماهایی که امروزه می‌توان در مرکز ستارگان یافت نخستین هسته‌های اتم‌های سبک و به ویژه هسته‌های بسیار پایدار هلیم در اثر همجوشی هسته‌ای ساخته می‌شوند. هسته اتم‌های سنگین از قبیل اتم آهن یا کربن در این مرحله هنوز ایجاد نمی‌شوند. در آغاز آفرینش عملاً تنها دو عنصر بنیادی که از همه سبکتر بودند وجود داشتند: هلیم و هیدروژن

مرحله هفتم (از ۳۰ دقیقه تا ۱ میلیون سال پس از آفرینش) پس از گذشت حدود ۳۰۰۰۰۰ سال گوی آتشین آنقدر دما از دست داده که هسته اتم‌ها و الکترون‌ها می‌توانند در دمایی در حدود ۳۰۰۰ درجه سانتی گراد به یکدیگر بپیوندند و بدون اینکه دوباره بی درنگ از هم بپاشند اتم‌ها را تشکیل دهند. در نتیجه آن مخلوط ذره‌ای که قبلا نا مرئی بود اکنون قابل دیدن می‌شود.

مرحله هشتم (از یک میلیون سال پس از آفرینش تا امروز ) از ابرهای هیدروژنی کهکشانها، ستارگان و سیاره‌ها به وجود می‌آیند. در درون ستارگان هسته اتم‌های سنگین از قبیل اکسیژن و آهن تولید می‌شوند. که بعدها در انفجارهای ستاره‌ای آزاد می‌گردند و برای ساخت ستارگان و سیاره‌ها و زندگی جدید به کار می‌آیند.

عناصر پیدایش زندگی زمینی

برای زمین با توجه به گوناگونی زندگی که در آن وجود دارد ۳ چیز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار بوده‌است:

1. از همان ابتدای خلقت همیشه ماده بیشتری نسبت به ضد ماده وجود داشته و بنابراین همواره ماده برای ما باقی می‌ماند
2. در مرحله ششم هیدروژن به وجود آمد این ماده که سبک‌ترین عنصر شیمیایی می‌باشد سنگ بنای اصلی کهکشان‌ها و سیاره‌ها می‌باشد. هیدروژن همچنین سنگ بنای اصلی موجودات زنده‌ای است که بعداً روی زمین به وجود آمدند و احتمالا روی میلیاردها سیاره دیگر نیز وجود دارند
3. در مرکز ستارگان نخستین هسته اتم‌های سنگین از قبیل اکسیژن و یا کربن یعنی سنگ بناهای اصلی مورد نیاز برای زندگی به وجود آمدند

اجزای سازندهٔ کیهان

تنها حدود ۴ درصد کیهان از ماده، به شکلی که ما می‌شناسیم تشکیل شده‌است، یعنی ماده معمولی که ما می‌شناسیم و در آزمایشگاه وجود دارد، تنها ۴درصد همهٔ عالم را می‌سازد. ۲۳درصد کیهان را ماده تاریک سرد تشکیل داده که دانشمندان داده‌های خیلی کمی درباره اش دارند و ۷۳ درصد مانده را انرژی تاریک شگفت انگیز تشکیل می‌دهد که تقریبا تنها چیزی که در موردش می‌دانیم، این است که وجود دارد!

شواهد در دفاع از نظریه مهبانگ

نتایج ۳ رصد مهم طی قرن گذشته به ستاره شناسان کمک کرد تا اطمینان حاصل کنند که جهان با بیگ بنگ آغاز شده‌است. اولین آنها این است که جهان در حال انبساط است – بدین معنی که فضای میان کهکشان‌ها در حال بزرگ و بزرگتر شدن است – این مشاهده منجر به این حدس شد که قبل ازانبساط همه چیز در جایی کنار هم قرار داشته‌است. دوم اینکه این نظریه به خوبی قادر به توضیح فراوانی هلیم و دتریم (ایزوتوب هیدروژن) در جهان است. دما و چگالی و محیط منبسط شونده جهان اولیه شرایط خوبی برای تولید این هسته‌ها با فراوانی که امروز شاهد آن هستیم می‌باشد. دلیل سوم اینکه ستاره شان موفق به رصد تابش پس زمینه کیهانی – نابش بس از انفجار اولیه – از هر سمت کیهان شده‌اند. تابش پس زمینه کیهانی دلیل قاطعی بر تایید آغازی این چنین – با یک انفجار- برای جهان است. آفای استفان هاوکینگ در این مورد می‌گوید: این اکتشاف بی نظیر، اکتشاف قرن است.

انبساط جهان

همزمان با این ایده که جهان در حال انبساط است، ستاره‌شناسی یه اسم وستو سلیفر (Vesto Slipher) متذکر شد که تعداد کهکشان‌هایی که از ما دور می‌شوند بیشتر از آنهایی هستند که به ما نزدیک می‌شوند..

ستاره شناسان با استفاده از نور دریافتی از یک کهکشان قادرند دریابند که یک کهکشان به ما نزدیک یا از ما دور می‌شود. اگر طیف نوری کهکشان به سمت طول موج کوتاه تر اتقال یابد – انتقال به آبی – کهکشان در حال نزدیک شدن به ماست، مثال معروف این مطلب تغییر طول موج صدای یک آمبولانس در حال نزدیک شدن به ما است. اگر طیف نوری کهکشان به سمت طول موج بلند تر انتقال یابد – انتقال به سرخ – کهکشان در حال دور شدن از ماست، همان طور که طول موج صدای یک آمبولانس که در حال دور شدن از ما است افزایش می‌یابد. میزان اتقال به سرخ یا آبی بستگی به سرعت دور شدن یا نزدیک شدن کهکشان دارد. بنابراین وستو سلیفر مشاهده کرد که بیشتر کهکشان‌ها دارای انتقال به سرخ هستند تا انتقال به آبی.

درسال ۱۹۲۹، ادوین هابل (Edwin Hubble) کشف کرد کهکشان‌هایی که در فاصلهٔ بیشتری از ما قرار دارند با سرعت بیشتری از ما دور می‌شوند، این سرعت متناسب با فاصله‌است. به عبارت دیگر کهکشان‌هایی که در فاصله دورتری نسبت به ما هستند دارای اتقال به سرخ بیشتری نیز می‌باشند. کهکشان‌های دور دست فاصله‌ای در ابعاد میلیون و میلیارد سال نوری با ما دارند و این به این معناست که ما به گذشته‌ای در ابعاد میلیون یا میلیارد سال نوری نگاه می‌کنیم. در حین سفر نور کهکشان‌ها به سمت ما طیف نور ازطول موج‌های کوتا هتر به سمت طول موج‌های بلند تر – انتقال به سرخ – اتقال می‌یابد. این انتقال به سرخ در اثر انبساط ساختار فضا است. اگر طول موج دو برابر شود، جهان می‌باید با ضریب ۲ منبسط شود. بنابراین کشف هابل این بود که عامل انبساط به نحوی با مسیر طی شده توسط نور در ارتباط است، معادل با اینکه شما به چه میزان به گذشته نگاه می‌کنید. این مطلب بیان گر این است که هر چه در زمان به عقب و عقب تر برگردیم جهان کوچک و کوچکتر است. با سفر به گذشتهٔ یک جهان منبسط شونده خواهیم دید که فاصلهٔ میان کهکشان‌ها در حال کاهش و چگالی جهان در حال افزایش است.

این روند تا جایی ادامه پیدا می‌کند که تمامی ماده جهان در حجمی بسیار کوچک متراکم می‌شود، که نتیجه این روند چگالی باور نکردنی جهان اولیه – لحظه بیگ بنگ – است. با تقسیم فاصلهٔ کهکشان بر سرعت ذاتی آن قادر به تخمین طول عمر جهان خواهیم بود. با این روش می‌توانیم تخمین بزنیم که در چه زمانی فاصلهٔ ما تا دیگر کهکشان‌ها صفر بوده‌است. محاسبات نشان می‌دهند که بیگ بنگ در حدود ۱۰ تا ۱۵ میلیارد سال قبل – ۳ برابر عمر زمین – اتفاق افتاده‌است.

یکی از راه‌های تست کردن این تخمین این است که به ذنبال کهن‌ترین جسم در کیهان باشیم این جسم می‌باید سنی در حدود ۱۰ تا ۱۵ میلیارد سال داشته باشد نه بیشتر. روش دیگر بررسی فعالیت‌های رادیو اکتیوی ایزوتپ‌های اورانیوم است. می‌دانیم که کهن‌ترین ایزوتوپ‌های تشکیل شده توسط فعالیت‌های هسته‌ای ابر –نو اخترها ۱۰ میلیارد سال سن دارند. با استفاده از مدل‌های امروزی تحول ستاره‌ای می‌دانیم که کهن‌ترین ستارهای موجود در کهکشان را شیری در حدود ۱۰ میلیارد سال سن دارند. سنین به دست آمده با تخمین -های ما مطابقت دارند.

فراوانی هلیم و دتریم در کیهان

با توجه به این که در ابتدای کیهان دما بسیار زیاد بوده‌است می‌تواند دلیل خوبی برتائید این مطلب باشد که هلیم و دتریم پیش از تشکیل هر ستاره‌ای در جهان بوجود آمده‌اند. این عناصر در همجوشی‌های هسته‌ای تولید می‌شوند. همجوشی یک پروتون با یک نترون منجر به تولید دتریم – هیدروژن سنگین – می‌شود. این فرایند تنها در دماهای بسیاربالا مثل دمای هستهٔ ستاره‌ها امکان پذیر است. در سال ۱۹۴۶، جورج گاموو(George Gamow) یکی ازدانشجویان فریدمن پیشنهاد داد که همجوشی هسته‌ای می‌بایست در کیهان اولیه زمانی که دما بسیار بالا بود اتفاق افتاده باشد. این فرآیند سنتز هسته‌ای نام دارد، که منجر به تولید هلیم و دتریم (همچنن مقداری لیتیم و بریلیوم) از دریای انبوه پروتون‌ها و نترون‌های پر انرژی کیهان اولیه شده‌است. در اوایل دههٔ ۱۹۶۰ طیف سنجی ستاره‌های محلی نشان داد که هلیم ۲۰ تا ۳۰ در صد از جرم ستاره‌ها را تشکیل می‌دهد. و بقیه جرم ستاره را غالبا ازهیدروژن تشکیل شده‌است. تنها دو منبع در جهان حاضر فادر به تولید هلیم هستند که یکی ستاره‌های آسمانند و دیگری بمب‌های اتمی. هر دو این‌ها با استفاده از همجوشی هسته‌ای و در آمیختن هسته‌های هیدروژن، هلیم تولید می‌کنند که انرژی فراوانی نیز از این فرایند تولید می‌شود. ستاره شناسان بر این اعتقادنند که اگر تمامی هلیم موجود در جهان توسط ستاره‌ها تولید شده‌است درنتیجه روشنایی آسمان باید بیشتر از حال حاضر باشد. بنابراین هلیوم موجود می‌باید قبل از ستاره‌ها تولید شده باشد.

برپایه تئوری سنتز هسته‌ای مدل بیگ بنگ فیزیکدان‌ها در اواسط دههٔ ۱۹۶۰ تخمین زدند که در حدود یک چهام جرم کیهان در ابتدا به هلیم تبدیل شده‌است، در حالی که باقیمانده جرم به هیدروژن تبدیل شده. این مقدار با اندازه گیری‌های اولیه ۲۰ تا ۳۰ درصد فراوانی هلیم، که امروزه مشاهده می‌کنیم – که توسط بیگ بنگ، قبل از اینکه در ستاره‌ای تولید شود، تولید شده‌است – سازگار است. در اوایل دههٔ ۱۹۷۰ با مطالعه طیف دیگر کهکشان‌ها مشخص شد که اکثریت هلیم مشاهده شده قبل از شکل گیری ستاره‌ای در کیهان وجود داشته‌است.

مقدار اکسیژن موجود در ستاره میزان سنتز هسته‌ای ستاره را نشان می‌دهد زیرا این ستاره‌ها هستند که توسط همجوشی هسته‌ای هیدروژن عناصر سنگین تری مثل: اکسیژن، نیتروژن، کربن و هلیوم را تولید می‌کنند. اگر همانند اکسیژن تمامی هلیوم موجود در کیهان توسط ستاره‌ها تولید شده باشد انتظار نمی‌رود در کهکشان‌هایی که اکسیژن ندارند هلیوم یافت شود زیرا کهکشان‌ها قبل از شکل گیری عناصرسنگین در ستاره‌ها شکل گرفته‌اند. برای شکل گیری یک کهکشان مقدار اولیه هلیوم مورد نیاز در حدود ۲۴ درصد است و این مطلب تاییدی بر وجود تئوری سنتز هسته‌ای بیگ بنگ است. به این معنا که باید در جهان اولیه هلیوم تولید شده باشد. نتایج رصدی از این تئوری – که در جهان اولیه یک چهارم جرم کیهان توسط سنتز هسته‌ای به هلیوم تبدیل شده‌است – دفاع می‌کنند.

شاهد دیگری برای تایید سنتز هسته‌ای در کیهان اولیه دتریوم می‌باشد. دتریم بر خلاف هلیوم هرگز در مرکز ستاره‌ها تولید نمی‌شود. دتریم تولید شده در ستاره‌ها در دمای بالا و فشار زیاد بلا فاصله یا تجزیه می‌شود- در دمایی بالاتر از یک میلیون درجه کلوین دتریم به یک پروتون و یک نترون تجزیه می‌شود- و یا اینکه به هلیوم تبدیل می‌شود. ستاره شناسان در اوایل دهه ۱۹۷۰ پی بردنند که عاملی نا مشخص در کیهان حاضر منجر به تولید دتریم می‌شود. مطالعات انجام گرفته در سال ۱۹۷۳ بر روی طیف جذبی ستاره‌های نزدیک شان داد که مادهٔ میان ستاره‌ای حاوی مقدار کمی دتریوم می‌باشد. و از آنجا که ستاره‌ها قادر به تولید دتریوم نمی‌باشد، در نتیجه دتریوم موجود می‌بایستی درابتدای شکل گیری کهکشان‌ها یا حتی قبل از آن تولید شده باشد. با وجود اینکه در کیهان اولیه دما به شدت بالا بوده‌است ولی به دلیل انبساط عالم چگالی و فشار به سرعت کاهش یافته طی این مدت دتریوم تولید شده فرصتی برای تجزیه پیدا نکرده‌است. بر این اساس فراوانی هلیوم و دتریوم موجود در جهان شاهد دیگری است بر آغازی با دمای بالا، برای کیهان که این انفجار نیرومند با مدل بیگ بنگ سازگاری دارد.

تابش پس زمینهٔ کیهانی

دلیل سوم و نهایی برای مدل بیگ بنگ تابش پس زمینهٔ کیهانی است. در سال ۱۹۴۸ آقای گاموو پیش بینی کرد که تابش حاصل از سنتز هسته‌ای کیهان اولیه هنوز فابل آشکار سازی است. او دمای لازم برای تشکیل هلیوم در کیهان اولیه را محاسبه کرد و بر اساس آن دمای تابش‌های به جا مانده از آن فرآیند را در جهان امروز حدود ۵ درجهٔ کلوین تخمین زد. اغلب فیزیکدان‌های تئوری و حتی خود او بر این باور بودند که این دما برای ردیابی بسیار ضعیف است.

به هر حال در سال ۱۹۶۴ دو ستاره شناس رادیویی به نام‌های آرنو پنزیاس (Arno Penzias) و رابرت ویلسون (Robert Wilson) می‌کوشیدند تا سیگنال‌های مزاحم پس زمینه را از سیگنال‌های دریافتی آنتن رادیویی خود حذف کنند. آنها بر این باور بودند که عامل این نویز مزاحم پس زمینه فضلهٔ کبوترانی است که در آنتن رادیویی آنها لانه کرده‌اند و با پاک کردن این فضله‌ها می‌توانند این نویز مزاحم را حذف کنند اما پس از یک سال آنها همچنان این نویز مزاحم را دریافت می‌کردنند، و قادر به حذف آن نبودند. آن دو متوجه شدن که این نویز در تمام جهات به صورت یکسان دریافت می‌شود – چه آنتن رادیویی آن‌ها به سمت خورشید هدفگیری شده باشد یا به سمت مرکز کهکشان و یا حتی محدوده‌های خالی آسمان- این بدان معنا بود که این سیگنال می‌بایستی از ورای کهکشان منشاء داشته باشد، در غیر این صورت نمی‌توانست در تمام جهات آسمان به صورت یکسان دریافت شود. همگرایی شدید این سیگنال نشان می‌داد که منبع این سیگنال در فاصلهٔ دوری از ما قرار دارد به عبارت دیگر در اوایل عمر کیهان اتفاق افتاده‌است. همچنین منبع این سیگنال می‌بایستی پر قدرت باشد که در حال حاضر ما قادر به آشکار سازی آن هستیم. سرانجام فیزیکدان‌ها پی بردند که این تابش‌ها از انفجار اولیه کیهان منشاء گرفته‌اند – همان طور که آقای گاموو پیش بینی کرده بود -. اما آن‌ها چگونه می‌توانستند مطمئن شوند که کشف پنزیاس و ویلسون همان تابش پس زمینهٔ کیهانی است؟

اگر این تابش حاصل بیگ بنگ باشد باید از طیف جسم متعارفی که جسم سیاه نامیده می‌شود پیروی کند. جسم سیاه جسمی است که تمام تابش دریافتی را جذب می‌کند. بر اساس مدل بیگ بنگ کیهان اولیه تجمعی فشرده شده از ذره و نور بوده‌است، و دمایی بسیار بالا داشته‌است. در یک چنین محیطی ذره دائما با نور در برخورد بوده‌است، آن را جذب می‌کرده و دوباره آن را تابش می‌کرده‌است. نور در یک چنین شرایطی دارای طیف جسم سیاه می‌باشد، و این مشخصه نور در طول سفرش در فضای منبسط شونده ثابت می‌ماند. در طیف جسم سیاه هر طول موج دارای شدت خاصی است. و این شدت در طول موج‌های مختلف تنها تابع دمای جسم است. بنابراین ستاره شناسان با اندازه گیری شدت تابش در طول موج‌های مختلف می‌توانند نتیجه یگیرند که این تابش با تابش جسم سیاه مطابقت دارد یا خیر.

در دههٔ ۱۹۷۰ گروه‌های مختلفی شدت تابش را در امواج ماکرو ویو و فروسرخ اندازه گیری کردند. تمامی این مشاهدات تایید کرد که تابش پس زمینهٔ کیهانی یک تابش جسم سیاه می‌باشد و دمای آن در حدود ۳ درجهٔ کلوین است. در سال ۱۹۹۱ رصد خانه فضایی COBE اندازه گیری دقیقی از تابش پس زمینهٔ کیهانی انجام داد و نتیجه بسیار شگفت آور بود. در ۴۳ مورد اطلاعات اندازه گیری شده همخوانی کاملی با طیف جسم سیاه داشتند. این اطلاعات چنان با طیف جسم سیاه هم خوانی داشتند که نمودار طیف جسم سیاه به طور کامل در پس آن‌ها مهو می‌شد. این مورد، آخرین نمونه از یکسان بودن فیزیک تئوری و مشاهدات انجام گرفته شده توسط نجوم بود.

بر اساس اندازه گیری‌های ماهواره COBE دمای تابش پس زمینهٔ کیهانی می‌بایستی ۰٫۰۱۰±۲٫۷۲۶باشد. این مقدار اندازه گیری شده به اندازه قابل توجهی از مقدار اصلی تابش کمتر است ودلیل این امر انبساط عالم می‌باشد -عالم منیسط شونده منجر به افزایش طول موج تابش شده و انرژی موج را کاهش می‌دهد – این موج به اندازه سن عالم در راه بوده تا به ما برسد. امروزه ستاره شناسان می‌دانند که عالم منبسط شونده طول موج تابش پس زمینهٔ کیهانی را با ضریب ۱۰۰۰ افزایش می‌دهد. درخش پس از بیگ بنگ در زمانی اتفاق افتاده‌است که عالم تنها ۰۰۰/۵۰۰ هزار سال عمر داشته‌است در نتیجه تابش پس زمینهٔ کیهانی قدیمی‌ترین سوژه رصد شده تا کنون است. در حقیقت ما اتفاقات حاصل از بیگ بنگ را نظاره می‌کنیم.

مشخصات عالم:

عمر جهان

T=13.8*10^12 years= 4.3 * 10^20

شعاع جهان

شعاع جهان ۴۵٫۷ میلیارد سال نوری است که معادل عدد

R=4٫۳*۱۰^۲۹ m

حجم جهان

فرض این که جهان را کروی در نظر بگیریم داریم:

V= 33.3 * 10^88 m^3

چگالی جهان

D= 10^-18 kg/m^3

جرم جهان

M= 17.1*10^60 kg

توجه شود که ارقام فوق تقریبی است، اما نتیجه‌ای که از آنها می‌خوهیم بگیریم، عمیقتر از اهمیت درستی یا نادرستی ارقام فوق است.

تداوم انبساط کیهان

جنبش انبساطی یا به عبارت دیگر از همدیگر دور شدن کهکشان‌ها به هر حال رو به کند شدن است. زیرا جزایر جهانی متعدد در واقع به سمت یکدیگر جذب می‌شوند و در نتیجه حرکت انبساطی آن‌ها کند تر می‌شود. اکنون پرسش این است که آیا زمانی همهٔ این حرکت‌ها متوقف خواهد گردید و این عالم در هم فرو خواهد پاشید؟ این مساله بستگی به تراکم ماده در جهان هستی دارد. هر چه این تراکم بیشتر باشد نیروهای گرانش میان کهکشان‌ها و دیگر اجزای گیتی بیشتر بوده و به همان نسبت حرکت آن‌ها با شدت بیشتری متوقف خواهد شد. هم اکنون چنین به نظر می‌رسد که تراکم جرم بسیار کمتر از آن است که زمانی عالم در حال انبساط را به توقف در آورد. به هر روی این امکان وجود دارد که هنوز جرم‌های بسیار بزرگ ناشناخته‌ای از قبیل (سیاه چاله‌های اسرار آمیز) یا (ابرهای گازی شکل تاریک) وجود داشته باشند و یا نوترینوها که بدون جرم به شمار می‌آیند جرمی هرچند کوچک داشته باشند. اگر این طور باشد در این صورت حرکت کیهانی زمانی شاید ۳۰ میلیارد سال دیگر متوقف خواهد شد. در آن زمان کهکشان‌ها با شتابی زیاد حرکت به سوی یکدیگر را آغاز خواهند کرد تا در پایان به شکل یک گوی آتشین بزرگ یکپارچه شوند. آن زمان شاید می‌باید روی یک انفجار اولیه جدید دیگر و زاده شدن یک کیهان دیگر حساب کنیم. با توجه به سطح کنونی دانش آدمی و میزان پژوهش‌های انجام شده باید اینطور فرض کرد که کیهان تا ابدیت انبساط خواهد یافت.

برای یک لحظه شتاب جهان و انبساط جهان را فراموش کنید. حالا فرض کنید جهان در حال فرو ریختن در خود است. چه اتفاقی خواهد افتاد؟

در این حالت تمام شواهد نشان می‌دهد که جهان در حال انقباض است. نخست نور دریافتی از ستارگان به طرف آبی جابجا می‌شوند. فاصله بین اجسام در حال کاهش است.

بنابراین فاصله بین زمین و ماه کاهش می‌یابد، ماه به زمین وصل می‌شود. زمین و سایر سیارات در خورشید سقوط می‌کنند. فشار گرانش افزایش می‌یابد. خورشید وستارهٔ آلفا قنطورس (نزدیکترین ستاره به خورسید) یکدیگر را جذب می‌کنند. فاصله‌ها به سرعت کاهش می‌یابد. حجم جهان کاهش می‌یابد و شدت گرانش و فشار آن افزایش می‌یابد.

چه اتفاقی برای اتمها می‌افتد؟ شعاع مدار اتمها کاهش می‌یابد. الکترونها در هسته سقوط می‌کنند. بنابراین تنها هسته‌ها باقی می‌مانند. همچنین ممکن است حجم هسته‌ها نیز کاهش یابد. اما ما هیچگونه شاهدی بر این امر نداریم. لذا اجازه بدهید با توجه به چگالی هسته بحث را ادامه دهیم.

چگالی هسته ۲*۱۰^۱۷kg/m^3 فرض کنیم جهان کاملاً درهم فرو ریزد. بنابراین با توجه به چگالی هسته حجم جهان را حساب می‌کنیم حجم جهان Vo=M/D=8.5*10^43 m^3 آنگاه شعاع جهان برابر خواهد شد با Ro= 2.7* 10^14m و این یک سیاه چالهٔ مطلق است.

سیاه چاله مطلق

با توجه به نظریه سی. پی. اچ. همه چیز از سی. پی. اچ. ساخته شده‌است. همچنین هسته‌ها نیز از سی. پی. اچ. ساخته شده‌اند. سی. پی. اچ.‌ها در هسته اتم اسپین دارند و در کنار یکدیگر حرکت می‌کنند. سی. پی. اچ. دارای اسپین و حرکت انتقالی است. بطوریکه in all inertial frames and any space gradVc=0 فرض کنیم یک سی. پی. اچ. دارای سرعت انتقالی و اسپین v, sهنگامیکه سرعت انتقالی آن به سمت صفر میل می‌کند، اسپین آن به ماکزیمم می‌رسد. هنگامیکه فشار گرانش خیلی افزایش یابد، فاصله بین سی. پی. اچ.‌ها کاهش می‌یابد. هیچ جسم یا ذره‌ای حتی نور و سایر امواج الکترمغناطیسی نمی‌تواند از میدان گرانش آن بگریزد. شکل زیر

در این حالت سرعت انتقالی سی. پی. اچ. نزدیک به صفر است. مهبانگ (بیگ بنگ) از سیاه چاله‌ای نظیر آن بوجود آمده‌است. با توجه به معادله زیر ما می‌توانیم درک خوبی از مهبانگ داشته باشیم

فرض کنیم شدت گرانش به قدری باشد که اسپین سی. پی. اچ.‌ها در سطح یک سیاه چاله به حداکثر ممکن برسند، یعنی سرعت انتقالی آنها بسمت صفر میل کند. چنین سیاه چاله‌ای یک سیاه چالهٔ مطلق است. در این حالت سیاه چاله حالت بحرانی خواهد داشت و با افزایش شدت میدان گرانشی آن، سی. پی اچ. از نیروی خارجی تبعیت نمی‌کند و سیاه چالهٔ مطلق منفجر می‌شود

در لحظات اولیه سی. پی. اچ.‌ها با سرعت Vc می‌گریزند و اثر گرانش در همه جا گسترش می‌یابد. با توجه به اینکه شعاع جهان در این حالت از رابطه زیر به دست می‌آید Ro<< 2.7*1014 m و با توجه به سرعت سی. پی. اچ. جهان در چند ثانیه شدیداً منبسط می‌شود. اما در آنجا ماده و انرژی وجود ندارد. در این وضعیت تنها سی. پی. اچ. است که با سرعت انتقالی Vc در فضا منتشر می‌شود. اما سی. پی. اچ.‌ها با یکدیگر دارای کنش متقابل هستند و یکدیگر را جذب می‌کنند. سی. پی. اچ.‌ها اسپین می‌گیرند و کوانتوم‌های کوچک انرژی شکل می‌گیرند. آنگاه امواج الکترومغناطیسی ظاهر می‌شوند. این مرحله در یک مدت زمان بسیار طولانی اتفاق می‌افتد. بتدریج انرژی در مدت‌های کوتاه تری تولید می‌شود. و مقدار زیادی کوانتوم‌های بزرگ انرژی ظاهر می‌شود حال به مرکز انفجار توجه فرمایید. مرکز سیاه چاله مطلق نظیر مرکز سایر اجسام بزرگ است و فشار گرانش در آنجا تقریباً صفر است. بنابراین هنگامیکه جهان (سیاه چاله مطلق) منفجر می‌شود، مرکز آن تحت فشار شدید از همهٔ اطراف قرار می‌گیرد.

در ثانیه اول انفجار کنش و واکنش‌ها در مرکز جهان بسیار شدید است. مقادیر متنابهی انرژی تشکیل می‌شود و به ماده و پاد ماده تبدیل می‌شوند. بتدریج گرد وعبار و اجسام ظاهر می‌شوند. با انبساط جهان اندازه اتمها نیزافزایش می‌یابد. و این تاریخ واقعی جهان ما است.

نتیجه

در قرن بیستم ما نظاره گر جهش بزرگی در درک و شناخت کیهان بودیم. از زمانی که معتقد به جهانی پایدار بودیم چندی نمی‌گذرد. کهکشان‌های دوردست که از ما دور می‌شوند ما را متوجه ساختند که جهان در حال انبساط است. با سفری به گذشته این جهان منبسط شونده ما به کیهان اولیه‌ای چگال و داغ می‌رسیم. در میانه‌های قرن بیستم به این مطلب پی بردیم که واکنش‌های هسته‌ای در کیهان اولیه رخ داده‌اند دلیلی بر فراوانی نسبی هلیوم و دتریوم می‌باشند. با حرکت به جلو توانستیم درخش پس از بیگ بنگ را که میلیاردها سال پیش اتفاق افتاده‌است، آشکار سازی کنیم. در نهایت کشف این که جهان با بیگ بنگ آغاز شده‌است ممکن است مانند سایر اکتشافات انسان ثابت و پا بر جا باقی بماند.

اگر چه بیگ بنگ به عنوان تنها تصور جهانی از جهان است. اما امروزه فیزیکدان‌های ذره‌ای در حال تدارک تئوری در مورد تاریخ جهان در چند ترلیونیوم ثانیه پس از بیگ بنگ هستند. آنها قادرند که نظری‌های خود را با استفاده از شتاب دهنده‌های ذرات امتحان کنند و وقایع را (حتی با انرژی‌های بالا) همانند جهان اولیه شبیه سازی کنند. برای درک اینکه جهان چگونه آغاز شده‌است تئوری باید تدوین شود که شامل نظریه نسبیت عام (به دلیل جاذبه باور نکردنی جهان اولیه) و مکانیک کوانتومی (به دلیل چگال و فشرده بودن جهان اولیه) باشد. هدف فیزیک امروزه ارتقا بخشیدن نظریه کوانتومی جاذبه‌است تا جایی که روزی ما به این حقیقت پی ببریم که چه چیزی در لحظهٔ تولد جهان اتفاق افتاده‌است.

منبع: فیزیکال

ادامه مطلب