آفرینش: بیگ بنگ
شاید بی راه نباشد، اگر بگوییم، بعد از انیشتین و نسبیتش و رابطه انرژی معروفش، مشهورترین تئوری ، در حوزه فیزیک و کیهانشناسی باشد و این شاید کار را برای نوشتن مطلبی تازه پیرامون بیگ بنگ سخت کند. اما نکته مثبت علم همین است که هیچوقت کهنه نمی شود و حتی تکراری هم نمی شود.
همانند مطلب اول، در این قسمت نیز برای شروع بحث، جمله ای از ریچارد فاینمن را به کمک می گیریم : ” هیچ نظریه ای را نمیتوان درستی اش را اثبات کرد، اما میتوان غلط بودنش را اثبات کرد و تمام تلاش ماهم در علم همین است،که اثبات کنیم، نظریه ای اشتباه است، ما در آزمایش هایمان به سراغ جاهایی می رویم که احتمال می دهیم، نظریه ممکن است خطا کند و این است که موجب پیشرفت علم می شود” (کتاب سرشت قانون فیزیکی – ریچارد فاینمن)
همانطور که در شماره قبل گفتیم نظریه ی بیگ بنگ ( انفجار بزرگ ) مورد قبولترین نظریه های بیان شده در مورد آغاز جهان هستی است و اما نظریه انفجار بزرگ چیست؟،از کجا آمده و تا کجا پیش خواهد رفت. به صورت خیلی ساده نظریه انفجار بزرگ، پیدایش جهان را حاصل انفجار یک نقطه و گسترش سریع آن می داند. اما این تئوری،صرفا یک تفکر نظری نیست، بلکه حاصل و چکیده آزمایشات و مشاهدات فراوانی است. شروع شکل گیری این نظریه با مشاهدات هابل آغاز شد.
هابل و انبساط جهان
هابل، دقیقا در زمانی شناخته شد، که کیهان شناسی بیش از آنکه در انحصار رصدخانه ها باشد، در انحصار ذهن هایی مانند انیشتین بود. اما مشاهدات هابل، بیش از بیش ما را در جهان هستی جلو راند، در ابتدا او، دریافت که جهان پیرامون ما، بزرگ تر از یک کهکشان است و در واقع متشکل از میلیون ها کهکشان و قطری به اندازه میلیارد ها سال نوری است. پس از این هابل، به بررسی سرعت کهکشان ها مشغول شد و پس از مشاهدات بسیار توانست، به ثابتی دست پیدا کند که یکی از مهم ترین ثابت های کیهان شناسی است. ثابت هابل، در واقع بیانگر این نکته است که هرچه فاصله بیشتر باشد، سرعت دور شدن آن جرم از ما نیز بیشتر است. اگر با استفاده از ریاضیات مقدار عددی ثابت هابل را حساب کنیم ، به عددی مثبت می رسیم و این نشانگر آن است که جهان ما در حال انبساط است. در حال حاضر ما در معادلات مربوط به کیهان شناسی ثابت هابل را برابر با H0 قرار می دهیم. نکته ای که در اینجا باید به آن اشاره شود این است که همواره، ما از عبارت ثابت هابل استفاده می کنیم،اما با کمی دقت می توانیم به این نکته برسیم، که این مقدار همواره ثابت نیست و در واقع در طی زمان می تواند کاهش پیدا کند و یکی از علل آن می تواند این باشد که سرعت انبساط با افزایش جاذبه مواد در جهان کاهش پیدا خواهد کرد، پس بهتر آن است که به جای ثابت هابل از عبارت پارامتر هابل استفاده کنیم.
اما اینکه چطور هابل به این نتیجه رسید به بررسی اثر دوپلری امواج نوری بر میگردد، به طور خلاصه اثر دوپلری بیان میدارد که اگر يك منبع نور به سرعت به طرف ما حركت كند فركانس آن ا فزايش مي يابد (طول موج كاهش مييابد)و در خطوط طيف مرئي آن يك انتقال به سمت رنگ آبي در آن آشكار مي گردد و در صورت دور شدن منبع نور از ما در خطوط طيفي آن انتقال به رنگهاي پائين طيف ايجاد خواهدشد يعني رنگ نور گسيل شده از منبع آن به سمت رنگ قرمز گرايش مي يابد بنابراين مي توان با توجه به مقدار انتقال به سرخ طيف جذبي منبع نور سرعت حركت آن منبع را بدست آورد.
اگر كهكشانها از يكديگر دور ميشوند بنابراين آنها ميبايست در گذشته بهم نزديكتر ميبودند بر همين اساس در زمانهاي بسيار دور دنيا چگالتر و متراكم تر از امروز بوده است. اگر اين حركت به عقب كهكشانها ادامه دار باشد در يك لحظه مشخص تمام ماده تشكيل دهنده جهان در يك نقطه با تراكم بينهايت بايد فشرده شده باشد. از سرعت انبساط عالم ميتوان لحظه آغاز آفرينش و پيدايش ماده سازنده هستي را در حدود 10 تا 15 ميليارد سال پيش تخمين زد( بايد توجه داشت عمر منظومه شمسي كه زمين ما نيز جزئي از آن است در حدود 5/4 ميليارد سال ميباشد) براساس، نظریه بیگ بنگ ميتوان به خوبي چگونگي لحظات آغازين جهان را بررسي كرد طبق اين مدل شروع جهان بر اثر يك انفجار بود كه در آن لحظات آغازين دما و چگالي ذرات بينهايت بالا بود، رفته رفته عالم نازك و منبسط مي شد و دما نيزبه شدت كاهش مي يافت ، معادلات مربوط به تئوري گرانش انيشين به خوبي انبساط عالم را كه از مدل كيهانشناختي مهبانگ (بيگ بنگ) استنتاج ميشود توصيف ميكند یکی از نتایج فعالیت های هابل، تخمین سن کیهان بود، يكي از راه هاي تست كردن اين تخمين اين است كه به ذنبال كهن ترين جسم در كيهان باشيم اين جسم مي بايد سني در حدود 10 تا 15 ميليارد سال داشته باشد نه بيشتر . روش ديگر بررسي فعاليت هاي راديو اكتيوي ايزوتوپ هاي اورانيوم است . مي دانيم كه كهن ترين ايزوتوپ هاي تشكيل شده توسط فعاليت هاي هسته اي ابر –نو اخترها 10 ميليارد سال سن دارند . با استفاده از مدل هاي امروزي تحول ستاره اي مي دانيم كه كهن ترين ستارهاي موجود در كهكشان را شيري در حدود 10 ميليارد سال سن دارند . سنين به دست آمده با تخمين -هاي ما مطابقت دارند.
گاموف و سنتز هسته ای
اگر تئوری بیگ بنگ بخواهد، آغاز جهان را توضیح دهد، یکی از مواردی که باید برای آن پاسخی داشته باشد، چگونگی تشکیل ذرات و اتم ها و ترکیبات جهان است.
در سال 1946 ، جورج گاموف يكي ازدانشجويان فريدمن پيشنهاد داد كه همجوشي هسته اي مي بايست در كيهان اوليه زماني كه دما بسيار بالا بود اتفاق افتاده باشد . اين فرآيند سنتز هسته اي نام دارد ، كه منجر به توليد هليوم و دوتريم (همچنن مقداري ليتيم و بريليوم) از میزان بسیار زیاد پروتون ها و نوترون هاي پر انرژي كيهان اوليه شده است .در دهه 60 میلادی، مطالعات طیف سنجی بر روی سحابی های مختلف نشان داد، که حدود 20 درصد جرم ستارگان را شامل می شود.هلیوم در اثر همجوشی هسته ای می تواند از هیدروژن حاصل شود، اما نکته ای که در این بین وجود دارد این است که واکنش های همجوشی، انرژی بسیاری را آزاد می کنند و اگر تمام هلیوم حاصل از واکنش همجوشی باشد، روشنایی آسمان باید بیشتر از میزان حال حاضر باشد و این نتیجه حاصل می شود که از ابتدا مقداری هلیوم وجود داشته است.
برپايه تئوري سنتز هسته اي مدل بيگ بنگ فيزيكدان ها در اواسط دهه ي 1960 تخمين زدند كه در حدود يك چهام جرم كيهان در ابتدا به هليوم تبديل شده است ، در حالي كه باقيمانده جرم به هيدروژن تبديل شده. اين مقدار با اندازه گيري هاي اوليه 20 تا 30 درصد فراواني هليوم ، كه امروزه مشاهده مي كنيم – كه توسط بيگ بنگ ، قبل از اينكه در ستاره اي توليد شود، توليد شده است – سازگار است . یکی از عناصری که به عنوان یک شاخص از میزان فعالیت ستاره مورد بررسی قرار می گیرد،اکسیژن می باشد. مقدار اكسيژن موجود در ستاره ميزان سنتز هسته اي ستاره را نشان مي دهد زيرا اين ستاره ها هستند كه توسط همجوشي هسته اي هيدروژن عناصر سنگين تري مثل : اكسيژن ، نيتروژن ، كربن و هليوم را توليد مي كنند . اگر همانند اكسيژن تمامي هليوم موجود در كيهان توسط ستاره ها توليد شده باشد انتظار نمي رود در كهكشان هايي كه اكسيژن ندارند هليوم يافت شود زيرا كهكشان ها قبل از شكل گيري عناصرسنگين در ستاره ها شكل گرفته اند . براي شكل گيري يك كهكشان مقدار اوليه هليوم مورد نياز در حدود 24 درصد است و اين مطلب تاييدي بر وجود تئوري سنتز هسته اي بيگ بنگ است .
اما این تمام ماجرا نیست، عنصر دیگری که تئوری سنتز هسته ای را قوت می بخشد، دوتریم می باشد. دوتریم که یکی از ایزوتوپ های هیدروژن با یک پرتون و نوترون می باشد، این عنصر نمی تواند در داخل ستاره ها تشکیل شود، به علت آنکه در دمای بالای ستاره ها به سرعت به یک پروتون و نوترون تجزیه می شود. اما مطالعات طیف سنجی در اینباره نشان داد که در ترکیب کهکشان ها، میزانی دوتریم وجود دارد، از آنجایی که با توجه به توضیحات بالا امکان تشکیل دوتریم در ستاره ها وجود ندارد ، این نتیجه حاصل می شود که این عنصر نیز در ابتدای هستی تولید شده است. با وجود اينكه در كيهان اوليه دما به شدت بالا بوده است ولي به دليل انبساط عالم چگالي و فشار به سرعت كاهش يافته طي اين مدت دوتریم توليد شده فرصتي براي تجزيه پيدا نكرده است . بر اين اساس فراواني هليوم و دوتریم موجود در جهان شاهد ديگري است بر آغازي با دماي بالا، براي كيهان كه اين انفجار نيرومند با مدل بيگ بنگ سازگاري دارد .
تابش پس زمينه ي كيهاني
دليل سوم و نهايي براي مدل بيگ بنگ تابش پس زمينه ي كيهاني است . در سال 1948 گاموف پيش بيني كرد كه تابش حاصل از سنتز هسته اي كيهان اوليه هنوز فابل آشكار سازي است . او دماي لازم براي تشكيل هليوم در كيهان اوليه را محاسبه كرد و بر اساس آن دماي تابش هاي به جا مانده از آن فرآيند را در جهان امروز حدود 5 درجه ي كلوين تخمين زد . اغلب فيزيكدان هاي تئوري و حتي خود او بر اين باور بودند كه اين دما براي رديابي بسيار ضعيف است.
به هر حال در سال 1964 دو ستاره شناس راديويي به نام هاي آرنو پنزياس (Arno Penzias) و رابرت ويلسون (Robert Wilson) مي كوشيدند تا سيگنال هاي مزاحم پس زمينه را از سيگنال هاي دريافتي آنتن راديويي خود حذف كنند . آنها بر اين باور بودند كه عامل اين نويز مزاحم پس زمينه فضله ي كبوتراني است كه در آنتن راديويي آنها لانه كرده اند و با پاك كردن اين فضله ها مي توانند اين نويز مزاحم را حذف كنند اما پس از يك سال آنها همچنان اين نويز مزاحم را دريافت مي كردنند ، و قادر به حذف آن نبودند . آن دو متوجه شدن كه اين نويز در تمام جهات به صورت يكسان دريافت مي شود – چه آنتن راديويي آن ها به سمت خورشيد هدفگيري شده باشد يا به سمت مركز كهكشان و يا حتي محدوده هاي خالي آسمان- اين بدان معنا بود كه اين سيگنال مي بايستي از وراي كهكشان منشاء داشته باشد ، در غير اين صورت نمي توانست در تمام جهات آسمان به صورت يكسان دريافت شود . همگرايي شديد اين سيگنال نشان مي داد كه منبع اين سيگنال در فاصله ي دوري از ما قرار دارد به عبارت ديگر در اوايل عمر كيهان اتفاق افتاده است .همچنين منبع اين سيگنال مي بايستي پر قدرت باشد كه در حال حاضر ما قادر به آشكار سازي آن هستيم . سرانجام فيزيكدان ها پي بردند كه اين تابش ها از انفجار اوليه كيهان منشاء گرفته اند. اما آن ها چگونه مي توانستند مطمئن شوند كه كشف پنزياس و ويلسون همان تابش پس زمينه ي كيهاني است ؟
اگر اين تابش حاصل بيگ بنگ باشد بايد از طيف جسم متعارفي كه جسم سياه ناميده مي شود پيروي كند. جسم سياه جسمي است كه تمام تابش دريافتي را جذب مي كند . بر اساس مدل بيگ بنگ كيهان اوليه تجمعي فشرده شده از ذره و نور بوده است ، و دمايي بسيار بالا داشته است . در يك چنين محيطي ذره دائما با نور در برخورد بوده است ، آن را جذب مي كرده و دوباره آن را تابش مي كرده است . نور در يك چنين شرايطي داراي طيف جسم سياه مي باشد ، و اين مشخصه نور در طول سفرش در فضاي منبسط شونده ثابت مي ماند . در طيف جسم سياه هر طول موج داراي شدت خاصي است . و اين شدت در طول موج هاي مختلف تنها تابع دماي جسم است . بنابراين ستاره شناسان با اندازه گيري شدت تابش در طول موج هاي مختلف ميتوانند نتيجه يگيرند كه اين تابش با تابش جسم سياه مطابقت دارد يا خير.
در دهه ي 1970 گروه هاي مختلفي شدت تابش را در امواج ماكرو ويو و فروسرخ اندازه گيري كردند . تمامي اين مشاهدات تاييد كرد كه تابش پس زمينه ي كيهاني يك تابش جسم سياه مي باشد و دماي آن در حدود 3 درجه ي كلوين است . در سال 1991 رصد خانه فضايي COBE اندازه گيري دقيقي از تابش پس زمينه ي كيهاني انجام داد و نتيجه بسيار شگفت آور بود . در 43 مورد اطلاعات اندازه گيري شده همخواني كاملي با طيف جسم سياه داشتند . اين اطلاعات چنان با طيف جسم سياه هم خواني داشتند كه نمودار طيف جسم سياه به طور كامل در پس آن ها محو مي شد. اين مورد ، آخرين نمونه از يكسان بودن فيزيك تئوري و مشاهدات انجام گرفته شده توسط نجوم بود .
بر اساس اندازه گيري هاي ماهواره COBE دماي تابش پس زمينه ي كيهاني مي بايستي 0.010±2.726باشد . اين مقدار اندازه گيري شده به اندازه قابل توجهي از مقدار اصلي تابش كمتر است ودليل اين امر انبساط عالم مي باشد -عالم منيسط شونده منجر به افزايش طول موج تابش شده و انرژي موج را كاهش مي دهد – اين موج به اندازه سن عالم در راه بوده تا به ما برسد . امروزه ستاره شناسان مي دانند كه عالم منبسط شونده طول موج تابش پس زمينه ي كيهاني را با ضريب 1000 افزايش مي دهد . درخش پس از بيگ بنگ در زماني اتفاق افتاده است كه عالم تنها 000/500 هزار سال عمر داشته است در نتيجه تابش پس زمينه ي كيهاني قديمي ترين سوژه رصد شده تا كنون است .در حقيقت ما اتفاقات حاصل از بيگ بنگ را نظاره مي كنيم.
تا به اینجا سه مشاهده اصلی که تائید بزرگی برای تئوری بیگ بنگ محسوب میشوند را بررسی کردیم، در ادامه به برخی از مشکلات این تئوری میپردازیم :
مدل كيهانشناختي مهبانگ نحوه خلقت هستي و روند تكاملي جهان اوليه را به صورت قانع كننده اي توضيح ميدهد. اما اين مدل نميتواند توضيح مستدلي براي توجيه مشاهدات نجومي سالهاي 1970 تا 1980 ارائه دهد و تأييد بيش از پيش يافته هاي اين دهه توسط دانشمندان ديگر موجبات متزلزل شدن اين نظريه را فراهم آوردنند.
1- مجذوب كننده تاريك( Dark Attractors )
در طول سالهاي دهه هفتاد ميلادي برخي از اخترشناسان اقدام به تهيه نقشهاي از سرعت دوران كهكشانها نمودنند زيرا آنان در هنگام رصد برخي از كهكشانها به چرخش غير متعارف آنها مظنون شدند زیرا آنان بر اين عقيده بودنند كه قوانين فيزيك كلاسيك به اجرام آسماني دورتر از مركز كهكشان (بالاخص ستارگاني كه در بازوي كهكشان قرار دارند)اجازه نميدهند كه از سرعتهاي فوق العاده زيادي برخوردار باشند( زيرا براساس قانون عكس مجذور فاصله(قانون گرانش) هر چه فاصله بين دو جسمي كه نيروي جاذبه بر هم وارد مي آوردند بيشتر باشد بزرگي نيروي وارده آنها بر يكديگر كمتر خواهد بود بنابراين جسمي كه دورتر است براي غلبه بر جاذبه جسم ديگر به نيروي گريز از مركز كمتري نياز دارد. برهمين اساس كم شدن سرعت دوران سيارات دورتر از زمين در حول خورشيد بخاطر اينست كه از جاذبه گرانشي كم خورشيد خارج نشوند)چون در اين صورت ستارگان دور دست در يك كهكشاان از حيطه جاذبه مركز كهكشان خارج ميشوند.
طبق عقيده دانشمندان كهكشان ها نيز بايد از قوانيني پيروي كنند كه منظومه خورشيدي پيروي ميكند مثلاً در اين منظومه عطارد كه سيارهاي نزديك به مركز جرم منظومه خورشيدي است از سرعتي بسيار بيشتر از پلوتو كه سيارهاي دورتر از مركز جرم قراردارد ميچرخد زيرا نيروي گرانشي وارد بر عطارد خيلي بيشتر از نيروي گرانشي است كه خورشيد برپلوتو وارد ميكند، حال اگر پلوتو از سرعت دوراني مساوي با سرعت چرخش عطارد حول خورشيد برخوردار ميبودآنگاه سياره موردنظر از جاذبه وارد از طرف خورشيد محروم ميشد و مسيري مستقيم در پيش ميگرفت و از منظومه خورشيد خارج ميگشت.هنگاميكه اخترشناسان انتقال به قرمز ستارههاي خارجيتر كهكشان ها را ملاحظه كردند ديدند كه اين ستارهها سريعتر از ستارگان داخليتر كهكشان كه خيلي نزديكتر به جرم مركزي هستند ميچرخند اين اتفاق آنان را بسيار حيرت زده كرد زيرا اين موضوع در صورتي قابل درك ميباشد كه نوعي ماده ناديدني كه داراي جرم ميباشد در كهكشان وجود داشته باشد تا مجموع جرم اين ماده ديدني با جرم قابل مشاهده كهكشان كه شامل ستارگان ميباشند عدم گريز ستارههاي بيروني كهكشان را بخاطر سرعت زياد چرخيد نشان توجيه كند.
دومين گواه اين ادعا مسير چرخش اجتماع، گروهي كهكشان هاست اين گروه هاي كهكشاني با سرعتهاي تقريباً يكنواخت به دور يكديگر دوران مي نمايند. اين نكته نيز براساس واقعيتهاي قابل مشاهده غير قابل درك است زيرا قانون گرانش نيوتن اين اجازه را به كهكشان هاي بيرونيتر نمي دهد كه با سرعتي مساوي يا بيشتر از سرعت چرخش كهكشان هاي درونيتر حول مركز جرم، چرخش نمايند مگر اينكه ماده عظيمي در بين كهكشانها وجود داشته باشد كه جاذبه گرانشي آن باعث كنار هم نگه داشتن اين اجتماع كهكشاني و همچنين توجيه كننده سرعت دوران غير عادي كهكشان هاي بيروني تر باشد را بين و فورد در بين سالهاي 1970 تا 1980 ميلادي جرم ماده نامرئي را در حدود 10 برابر جرم مرئي و قابل مشاهده جهان تخمين زدنند آنان اين واقعيت را از طريق مطالعه برروي سرعت دوران بيش از دويست كهكشان به دست آوردنند. اين بدان معناست كه ما قادر به درك آن قسمت از جهان نيستم كه از نظر جرم 90 برابر جرم ستارگان و ذرات گرد وغبارتشكيل دهنده ي عالم ميباشد. به عبارت ديگر در حدود %90 از جرم ماده تشكيل دهنده عالم به حساب نيامده است در حقيقت ما هر آنچه راكه ميبينيم تنها ده درصد عالم است و در حدود نود درصد آن از ديده ها پنهان ميباشد براساس اين واقعيت انكار ناپذير فيزيكدانان پيشنهاد كردند كه بايد هالهاي سياهگرداگرد تمامي كهكشان هاي عالم را فراگرفته باشد كه در حدود ده برابر جرم جهان را تشكيل ميدهد آنان اين ماده مرموز را «ماده تاريك» dark matter)) ناميدند كه وجود دارد ولي هيچگونه تابشي از خود ساطع نميكند تا از طريق آن بتوان آن را ديد يا حتي به وجودش پي برد ، تصور اينكه ما قادرنيستيم %90 دنيا را بينيم و آنرا حس كنيم حول انگيزه و شگفتآور به نظر مي آيد اين كه دراين دنياي نامرئي چه ميگذرد و از چه نوع مادهاي ساخته شده است جزء مجهولات عالم به حساب ميآيد.
2-مشكل افق( The Horizon Problem)
در سال 1969 تنها 4 سال بعد از كشف تابش ميكرو موج زمينه اخترشناسان به تحقيق درباره اين موضوع عجيب كه چرا تابش زمينه در همه جهات كاملاً يكنواخت است پرداختنند مشكل بود كه تابش زمينه در تمامي فاصلهها هموار باشد همين طور عالم خيلي بزرگتر از آنست كه نور بتواند در سراسر عمر بيگ بنگ آنرا طي كند و از يك نقطه در يك طرف جهان به نقطهاي در طرف ديگر برود متخصصين فيزيك نجومي موفق به نظاره حاشيه عالم شدنند آنان به اين محدوده قابل مشاهده افق ميگويند اگر در يك جهت خاص به افق نظر بياندازيم و آنگاه نگاه را به سوئي ديگر از عالم معطوف نمائيم آنوقت خواهيم ديد كه در تمام جهات تابش زمينه به طور يكنواخت از دماي 735/2 درجه كلوين، برخوردار است.
تفاوت رنگ ها تنها بعلت چندين ميليونيوم درجه كلوين تفاوت دمااست(نقشه DMRاز جهان)
اين موضوع را چگونه ميتوان توضيح داد كه ميلياردها سال پيش تمام نقاط هستي بدون اين كه با هم تماس داشته باشند اكنون در تمام جهات به طور يكسان از يكنواختي دما برخوردارند. افق كه اكنون 15 ميليارد سال نوري از هر سوئي امتداد يافته موجب شده است تابش زمينه نيز كه از حاشيه عالم به طرف ما ميآيد از هر سوئي نيز با ما درحدود 15 ميليارد سال نوري فاصله داشته باشد.تابشي كه عالم را فرا گرفته است دو سوي آن بايد از هم 30 ميليارد سال نوري فاصله داشته باشد . اگر جهان نزديك به 15ميلياردسال عمر دارد اين سؤال پيش مي آيد كه اين مناطق كه در اين مدت طولاني كاملاً جدا از هم بودهاند و هرگز در اين مدت با هم تماس نداشتهاند چگونه از دماي يكنواختي برخوردارند. چرا كه افقهاي عالم با اختلاف مسافتي حدود سيميليارد سال نوري كه با هم دارند امكان تبادل هيچگونه سيگنالي را با هم نداشتهاند چراكه در غير اين صورت اين سيگنال بايد سرعتي فراتر از سرعت نور داشته باشد و اين امر خلاف قانون نسبيت خاص اينيشين ميباشد كه در آن بيان شده است هيچ جسمي نميتواند از سرعتي معادل سرعت نور برخوردار باشد.
3-معماي صاف بودن(The Flatness Problem )
وقايع آغازين جهان بخصوص در چند ثانيه اوليه به بخوبي توسط نظريه بيگ بنگ توصيف مي شود ولي يك مشكل بزرگ ديگر در مسير اين نظريه قرار دارد و آن، مشكل صاف بودن است. عموماً از نتايج معادلات اينيشين سرنوشت جهان را ميتوان در دو حالت پيش بيني كرد اول اينكه جهان همراه با تمام كائناتش براي هميشه و تا ابد دهر بسط مييابدو هستي در يك سرماي بي نهايت خاموش خواهد شد( Cold Death)(مدل باز) و ديگر اينكه انبساط عالم متوقف ميشود و ماده تشكيل دهنده هستي با بازگشت به نقطه آغازين در خود خرد خواهد شد( Big Crunch ) (مدل بسته) در آن هنگام ماده به اندازه كافي بايد وجود داشته باشد تا نيروي گرانش بتواند ايفاي نقش كرده و از انبساط عالم جلوگيري نمايد.
چقدر ماده نياز است تا اين رويداد به وقوع بپيوندد؟ محاسبات انجام شده با دقت بسيار بالا مقدار ماده مورد نياز جهت متوقف شدن انبساط عالم را در حدود سه اتم هيدروژن در هر يارد مكعب ميدانند يا ماده در هر متر مكعب است.به اين مقدار ماده در واحد حجم كه نياز داشت. تا نيروي گرانش موجب توقف حركت كهكشان ها شود جرم بحراني يا چگالي بحراني ميگويند(critical density )اگر جهان به اين جرم بحراني رسيد كائنات با حركت در جهت عكس حركت كنوني خود گسترش يافته و در خود خرد و نابود ميشود در آن لحظه چگالي به بينهايت و گرماي آتشين به دماي باور نكردني خواهد رسيد (Hot Death ).
اماشق سوي هم وجود دارد كه د رآن نه جهان تا ابديت منبسط ميشود كه كائنات در سرماي سوزناك به خواب ابدي فرو رودو نه با برگشت برقآساي خود به عقب در يك نقطه با گرماي باور نكردني خرد و متلاشي شود اين حالت نسبتاً متعادل بين سرنوشت فشردگي ابدي و انبساط ابدي است. اختر فيزيكدانان حرف يوناني امگا را براي تعيين تراكم جرم كيهاني در نظر گرفته بنابراين تصميمگيري آنها در مورد سرنوشت جهان براساس مشاهدات و چگالي بحراني صورت ميگيرد .
اگر مقدار امگا كمتر از يك شود در آن حالت مقدارتراكم جرم براي توقف انبساط كهكشان ها كم خواهد بود و حركت آنها همچنان درجهت دور شدن از يكديگر ادامه مييابد اگر امگا بزرگتر از يك شود آن هنگام مقدار ماده براي بسته شدن عالم فراهم شده و جهان از انبساط باز ميماند. در آن صورت حركت رو به عقب كهكشانها آغاز ميگردد.
از بالا به پائين
الف) جهان باز : امگا<1 انحناى جهان منفى است
ب) جهان تخت : امگا = 1
پ)جهان بسته : امگا >1 انحناى جهان مثبت است
مشاهدات اخترشناسان نميتوانست به درستي حكم كند كه در صورت منحني بودند فضا آيا اين منحني باز خواهد بود يا بسته دليل ظاهري كه امروز جهان در حالت توازن وجود دارد آنست كه امگاي آن برابر يك است حاميان نظريه مهبانگ بخوبي توضيح ميدهند كه چگونه جهان به موقعيت امروزي خود رسيده است و چگونه دوره هاي متعددش را پشت سرگذارنده و كهكشانها به مانند امروزه پراكنده و پخش شدهاند آنها حتي ميتوانند خلقت دنيا را در دقيقه اول يا حتي در ثانيه و كمتر از آن بخوبي تشريح كنند.براساس مدل كيهانشناختي مهبانگ در زمان ثانيه بعد از انفجار بزرگ جهان بينهايت خرد و كوچك بود چنانچه عالم براحتي در درون يك پرتون جاي ميگرفت مواد ايجاد شده به سرعت منبسط شدند واين انبساط چنان نيرو مندبود كه نيروي گرانش قادر به متوقف كردن آن نبود. و تنها بخش كوچكي از بيشتر ماده توسط نيروي قوي گرانشي از منبسط شدن مداوم باز ايستاد كه از اين مقدار ماده همه ستارگان و كهكشانها بوجود آمدنند.امروزه با توجه به تمامي ماده قابل رؤيت و كشف شده كيهاني 1/0 ماده مورد نياز جهت بسته شدن عالم در آن وجود دارد يعني براي اينكه حركت كهكشان ها و دور شدن آنها از هم متوقف شودو بدنبال آن حركت رو به عقب آنها آغاز گردد تا سرانجام همه عالم در يك نقطه متمركز و متلاشي گردد بايد مقدار امگا به بيشتراز يك برسد كه هم اكنون اين مقدار بسيار كمتر از اين است (حدود 1/0) هرچند كه مقدار زيادي از ماده هنوز به حساب نيامده يعني تقريباً نود درصدجهان هنوز ماهيت و چيستي آن ناشناخته و كشف نشده است.
4-كوازارها يادگارهاي كيهاني
(كوازارها: كهكشانهاي جواني هستند كه بسيار فعالند و سياهچاله مركزي آن هنوز خيلي چيزهاي برد بلعيدن دارد كه بدين خاطر انرژي بسيار فراواني از آن آزاد ميگردد)در سالهاي 1980 ميلادي يك سري از مشاهدات صورت گرفته توسط كيهان شناسان موجب شد تا حيرت و شگفتي جديدي در ميان اخترشناسان ايجاد شود و معماي ديگري بر معماهاي قديمي نظير صافي آسمان و مشكل افق ايجاد كند، آنها يك شي جديد آسماني را كشف كردنند كه در فاصله بسيار دوري از زمين قرار داشت و با سرعت بسيار زيادي از ما دور مي شد.آنها نام اين شي ناشناخته را كه شبيه به ستارهاي بسيار درخشان بود اختر نما ناميدند يك اختر نما ميتواند صد برابر پرنورتر از يك كهكشاني مانند كهكشان راه شيري باشد. يعني صد بار درخشند تر از يكصد ميليارد ستاره اما اندازه اين اخترنماها تنها به بزرگي يك منظومه مانند منظومه خورشيدي خودمان ميرسد اين اختر نماها كه در دورترين شعاع از دنيا قرار دارند با سرعتي نزديك به نود درصد سرعت نور از ما دور ميشوند. در آغاز براين باور بودند كه اگر طيف انتقال به قرمز اين اشياء نوراني درست باشد كوازارها بايد درحدود ده ميليارد سال پيش شكل گرفته باشند ولي كشف اخترنماي 4635+1158 PC در سال 1989 شوك بزرگي بر اختر فيزيكدانان وارد آوردو حيرت همگان را برانگيخت زيرا به خلاف يافته هاي گذشته اين اختر نما 14 ميليارد سال نوري از زمين دور بود براين اساس يك اختر نما در فاصله اي دورتر از جائي قرار داشت كه از نظر زماني نميتوانست وجودداشته باشد و نگران كنندهتر از آن اين ست كه بدانيم در حول حوش اختر نماها با طيف انتقال به قرمز بزرگ كه در حاشيه ترين قسمت عالم قرار گرفته است كهكشان هايي ديده ميشود كه از انتقال به قرمز كمتري(از سرعت دور شدن كمتري) نسبت به اختر نماها برخوردار بودند .يعني دو شيء با سرعتهاي متفاوت نسبت بهم از نظر موقعيت مكاني در يك محل قرار گرفتهاند.اين انتقال به قرمز ها يا شايد تمام طيفهاي انتقال به قرمز نتيجه يك اثر طبيعي ديگري باشد؟.
5-تورم: نوشداروي فراگير
در اواخر دهه هفتاد و اوايل دهه هشتاد صافي شگفتآور دنيا و تعادل باور نكردني كيهان بين انبساط لجام گسيخته وجاذبه قوي خرد كننده مشكلاتي غيرقابل حل شدن به نظر ميآمدنند در همان سالها گوث Guth)) يك راه حل پيشنهاد كرد راه حل او بدين صورت بود كه جهان در بدو خلقت ميتوانست وارد يك حالت ناپايدار شود. فيزيكدانان به اين حالت ناپايدار « خلأ كاذب » ( false vacuum ) ميگويند اين حالت گذار و آني ميتوانست موجبات تغيير سريع در عالم را فراهم آورده باشد اين مرحله از عمر هستي را « فاز گذار» ( phase transition ) ميگويند بعد از آن است كه جهان به سمت سرد شدن سريع پيش ميرود( وقتي آب به سرعت سرد شود مي تواند در زير نقطه انجماد بدون اينكه يخ ببندد مايع بماند و بعد از آن به يكبار همه آب يخ مي بندد). گوث( Guth) پيشنهاد كرد كه جهان بوسيله انبساط رونده و فراگير جهان به زير دماي انجماد خود رسيد و در يك لحظه خلاء كاذب بوجود آمد و جهان بسوي سرد شدن روز افزون پيش رفت دنيا اين مسير را به خودي خود طي كرد براساس محاسبات گوث( Guth) ميبايست تورم جهان دقيقا در ثانيه بعد از مهبانگ شروع شده باشد. وقتي كه چگالي فوق العاده بر جهان حاكم بود ميبايست كه در آن شرايط يك خلا كاذبي بوجود آمده باشد.مطابق معادلات ميدان نسبت عام يك نوع نيروي ضد گرانش برماده وارد شده و موجب خرد شدن آن به اجزاي كوچكتري شدو به آن طرح و شكل ديگري بخشيد.
در محدوده زماني بي نهايت كوچك ثانيه نيروي ضد گرنش موجب شد تا جهان تا برابر حجيم شود ( دنياي قبل از تورم را يك دانه ى ماسه در نظر بگيريد و دنياي متورم شده تا ده به توان پنجاه برابر را دنياي كنوني خودمان كه قطري حدود سي ميليارد سال نوري دارد تصور كنيد) و بعد از اين انبساط بسيار سريع جهان، سرعت انبساط به مدل كيهانشناختي مهبانگ استاندارد برگشت.تورم مي توانست مشكل افق را نيز حل كند، همه نقاط جهان كه امروز آنها را بسيار دور از هم مشاهده ميكنيم دقيقاً تا قبل از آغاز تورم بزرگ در ثانيه بعد از آفرينش كاملاً با هم در تماس بودندبرهمين اساس همه انرژي عالم نيز بطور يكنواخت در آن فضاي محدود توزيع شده بود و دراين هنوز تورم بزرگ رخ نداده بود مهمتر اينكه سناريو تورم ميتواند معماي صاف بودن جهان را بوسيله استفاده از مفاهيم علم هندسه بصورت جالبي حل كند.شما جهان را قبل از تورم مانند سطح يك بادكنك در نظر بگيريد كه در اين صورت از انحناي زيادي برخوردار است حال اگر بادكنك را تا ميزان زيادي باد كنيم رفته رفته انحناي اوليه بادكنك ناپديد شده و سطح بادكنك مسطح به نظر خواهد آمد جهان نيز بعد از انبساط سريع كه برابر حجم تر شده است نيز ديگر جهاني منحني به نظر نخواهد آمد بلكه جهان به يك جهان تخت و صاف مبدل خواهد شد.
مشكل عمده گسترش جهان بوسيله تورم:
تورم پيشگويي ميكند از انبساط سريع جهان يكسري حبابهائي فضائي بوجود آمده است كه امروز بايد قابل مشاهده باشند. حباب ها مشكلي براي تورم بحساب ميآيند زيراتاكنون كسي قادر به ديدن آنها نشده است مشكل « ديوار حباب» the bubble wall)) كه زائيده انديشه جديد تورم بوده هنوز بصورت معمائي لاينحل گريبانگير دنياي كيهانشناختي شده است يك راه حل براي حل مشكل حباب اينست كه اين پيشگوئي كه بيان ميدارد دنياي قابل مشاهد توسط ده به توان 21حباب انفرادي اشغال شده عملي گردد و بتوان آنرا به اثبات رسانيد رفع مشكل ديوارهاي حباب عمده ترين نگراني براي اثبات تئوري تورم است چرا كه اين ديوارها فراسوي نقاطي است كه ما امروزه ميتوانيم مشاهده كنيم ما تنها قادر به ديدن نقاطي هستيم كه در فاصله 15 ميليارد سال نوري از ما قرار دارند بنابراين هرگز امكان رويت آنها وجود ندارد.
اينكه نميتوان صحت و سقم نظريه تورم را معلوم كرد يك عيب اصلي براي آن به حساب مي آيد در تمام تاريخ علم بهترين نظريه ها همواره پيش بيني هاي قابل اثباتي مي نمودند كه ميشد درستي اين پيش بينيها را به كمك آزمايش يا مشاهده كردن سنجيد بعنوان مثال نسبيت عام اينشيتن برخي از پديده هاي طبيعي را پيش بيني كرد كه بعداً اين پيش بيني ها تحقق يافتند و مشاهده گرديدند ويا تئوري كوانتوم كه در گذشته آزمايشهاي زيادي به صورت ذهني در سطح زير هستهاي انجام ميداد كه با اختراع شتابدهنده ها صحت بيشتر آنها تأئيد گرديد .از اينرو كه تئوري تورم غير قابل آزمايش است يك ضعف اساسي براي أن به حساب مي أيد تئوري تورم گوث (Guth) تنها يك پيشگوئي آن قابل آزمايش است و ميتوان درستي يا نادرستي آنرا تأئيد نمود و آن اينست كه اخترشناسان مي بايد قادر باشند ديوارهائي از حباب را در حوزه هاي ديدشان ببينند ولي تاكنون هيج اشارهاي مبني بر مشاهده قلمرو ديوارها گزارش نشده است.مشكل عمده ديگر تورم اين است كه مقدار امگا دقيقاً بايد برابر يك باشد از اينرو لازم مي آيد كه جرم جهان ده برابر مقداري باشد كه ما ميتوانستيم با مشاهدات خود بدست آوريم و تخمين بزنيم متخصصان علوم نظري معتقدند كه اگر تورم اعتقاد دارد كه امگاي جهان برابر با يك است بنابراين مسئلهاي كه بيگ بنگ( مهبانگ) با آن رو به رو است و براساس آن بيان ميدارد كه نود درصد از جرم جهان مفقود شده و از ديدهها پنهانست ميتواند حل شود و درست از آب د ر آيد آنها اين جرم گمشده را كه حدود ده برابر دنياي قابل مشاهده است را « ماده تاريك سرد» cold dark matter)) مينامند كه هرگز قابل ديدن نيست.
امواج گرانشی بیگ بنگ
یکی از جنجنالی ترین مشاهدات چند سال اخیر پیرامون این تئوری، مشاهده امواج گرانشی حاصل از بیگ بود که در سال 2014، محققان اعلام کردند که که تلسکوپ بایسپ در قطب جنوب توانسته امواج گرانشی بیگ بنگ را مشاهده کند.و این مشاهده می توانست بهترین تائید بر نظریه تورم باشد زیرا فقط تورم میتواند امواج گرانشی نخستین را بهقدری تقویت کند که بتوان آنها را بعد از ۱۴ میلیارد سال شناسایی کرد. پژوهش بایسپ۲ از آشکارسازهای بسیار حساس در یک تلسکوپ قطبی برای بررسی نور لبه جهان مرئی – تابش زمینه کیهانی (CMB) – استفاده کرده بود. محققان در این بررسیها به دنبال چرخشهای درون قطبش نور بودند. این الگو در کیفیت جهت CMB، پیشبینی بنیادی مفهوم «انبساط» است که بر اساس آن، تنها در کسری از ثانیه پس از بیگ بنگ یک انبساط فوق سریع رخ داده است. چرخشهای موسوم به حالتهای-B، نشانهای از انرژی امواج گرانشی هستند که احتمالا با این رشد ناگهانی شدید در حدود ۱۳٫۸۲ میلیارد سال قبل همراه بودهاند اما این سیگنال بسیار کهن، حتی در صورت وجود داشتن، بسیار ظریف بوده و برخی دانشمندان به محض اعلام نتایج گروه بایسپ۲ در مارس ۲۰۱۴، در مورد صحت آن ابراز تردید کردند و بعد از مدتی نیز پژوهشگران اعلام کردند که در شناسایی این امواج اشتباه کردند تا مشاهده امواج گرانشی به 2 سال بعد یعنی در سال 2016 موکول شود. در حال حاضر سومین امواج گرانشی نیز دیده شدند و این خود نوید آن است که شاید به زودی بتوان امواج گرانشی حاصل از بیگ بنگ و تورم نخستین را رصد کنیم .
تا به اینجا با چگونگی شکل گیری این نظریه و چالش های آن آشنا شدیم ، اما مسیر این نظریه به اینجا ختم نمیشود و همچنان دانشمندان در حال بررسی این نظریه هستند و هر از چندی آزمایش هایی در تائید یا رد این نظریه انجام می شود. این تئوری مانند سایر تئوری های آفرینش، آمیخته با فلسفه نیز است و در ادامه به این تئوری از منظر فلسفه خواهیم نگریست.
امیرعلی حریری
مژگان فتوحی
برای خواندن این مطلب میتوانید به ماهنامه پنجم خورشید در کانال تلگرام خورشید مراجعه کنید. https://t.me/SunAstronomy