برای قرن‌ها، انسان‌ها به ستارگان خیره شده‌اند و در این اندیشه بوده‌اند که جهان هستی چگونه به شکل امروزی خود تکامل یافته است. این موضوع، مورد بحث مناظره‌های مذهبی، فلسفی و علمی بوده است. افرادی که تلاش کرده‌اند تا اسرار تکامل جهان را کشف کنند، شامل دانشمندان مشهوری مانند آلبرت اینشتین (Albert Einstein)، ادوین هابل (Edwin Hubble) و استیون هاوکینگ (Stephen Hawking) می‌شوند. یکی از مشهورترین و پذیرفته‌شده‌ترین مدل‌ها برای تکامل جهان، نظریه مِه‌بانگ (Big bang theory) است.
اگرچه نظریه مه‌بانگ مشهور است، اما به‌طور گسترده‌ای نیز دچار کژفهمی شده است. یک تصور غلط رایج در مورد این نظریه این است که منشأ جهان را توصیف می‌کند. این دقیقا درست نیست. مه‌بانگ تلاشی است برای توضیح اینکه جهان چگونه از یک حالت بسیار کوچک و متراکم، به شکل امروزی خود تکامل یافته است. این نظریه تلاشی برای توضیح اینکه چه چیزی باعث آغاز آفرینش جهان شده است، یا قبل از مه‌بانگ چه چیزی وجود داشته است یا حتی اینکه در خارج از جهان چه چیزی وجود دارد، نیست.
یکی دیگر از تصورات غلط این است که مه‌بانگ نوعی انفجار بوده است. این نیز دقیق نیست. مه‌بانگ، انبساط جهان را توصیف می‌کند. در حالی که برخی از نسخه‌های این نظریه به یک انبساط فوق‌العاده سریع (احتمالاً سریعتر از سرعت نور) اشاره می‌کنند، اما مه‌بانگ همچنان یک انفجار به معنای کلاسیک آن نیست.
خلاصه کردن نظریه مه‌بانگ یک چالش است. این نظریه شامل مفاهیمی است که با نحوه درک ما از جهان در تضاد است. مراحل اولیه مه‌بانگ بر لحظه‌ای تمرکز دارد که در آن تمام نیروهای جداگانه جهان هستی، بخشی از یک نیروی واحد بودند. قوانین علم هر چه بیشتر به عقب نگاه کنید، شروع به از هم پاشیدن می‌کنند. در نهایت، شما نمی‌توانید هیچ نظریه علمی در مورد آنچه در حال رخ دادن است ارائه دهید، زیرا خود علم در آنجا کاربرد ندارد.
پس نظریه مه‌بانگ در یک کلام چیست؟
نظریه چیست؟
در علم، یک نظریه تلاشی است برای توضیح یک جنبه خاص از جهان. نظریه‌ها را نمی‌توان اثبات کرد، اما می‌توان آنها را رد کرد. اگر مشاهدات و آزمایش‌ها از یک نظریه پشتیبانی کنند، قوی‌تر می‌شود و معمولاً دانشمندان بیشتری آن را می‌پذیرند. اگر شواهد با نظریه مغایرت داشته باشند، دانشمندان باید یا نظریه را کنار بگذارند یا آن را در پرتو شواهد جدید، اصلاح کنند.
کوتاه و لاغر در مه‌بانگ
نظریه مه‌بانگ توسعه جهان را از زمان پیدایش تا به امروز توصیف می‌کند. این یکی از چندین مدل علمی است که تلاش می‌کند توضیح دهد چرا جهان به این شکل است. این نظریه چندین پیش‌بینی ارائه می‌دهد که بسیاری از آنها از طریق داده‌های مشاهداتی به اثبات رسیده‌اند. در نتیجه، این نظریه محبوب‌ترین و پذیرفته‌شده‌ترین نظریه در مورد توسعه جهان ما است.
مهم‌ترین مفهومی که باید هنگام صحبت در مورد مه‌بانگ به آن اشاره کرد، انبساط (Expansion) است. بسیاری از مردم فکر می‌کنند که مه‌بانگ لحظه‌ای است که در آن تمام ماده و انرژی موجود در جهان در یک نقطه کوچک متمرکز شده بود. سپس این نقطه منفجر شد و ماده را به سراسر فضا پرتاب کرد و جهان متولد شد. در واقع، مه‌بانگ انبساط خود فضا را توضیح می‌دهد، که به نوبه خود به این معنی است که هر چیزی که در فضا وجود دارد در حال دور شدن از بقیه است. تصاویر ارائه‌شده در بالا باید کمی به درک این انبساط کمک کنند.
امروزه، وقتی به آسمان شب نگاه می‌کنیم، کهکشان‌هایی را می‌بینیم که با فضاهای وسیعی از فضای خالی ظاهری از هم جدا شده‌اند. در نخستین لحظات مه‌بانگ، تمام ماده، انرژی و فضایی که می‌توانستیم مشاهده کنیم در ناحیه‌ای با حجم صفر و چگالی بی‌نهایت فشرده شده بود. کیهان‌شناسان این را یک تکینگی (Singularity) می‌نامند.
جهان در آغاز مه‌بانگ چگونه بود؟ طبق این نظریه، بسیار متراکم و بسیار داغ بود. در آن لحظات اولیه، آنقدر انرژی در جهان وجود داشت که ماده به شکلی که ما می‌شناسیم نمی‌توانست شکل بگیرد. اما جهان به سرعت منبسط شد، به این معنی که چگالی آن کاهش یافت و سرد شد. با انبساط، ماده شروع به شکل‌گیری کرد و تابش شروع به از دست دادن انرژی کرد. تنها در چند ثانیه، جهان از یک تکینگی که در فضا امتداد یافت، شکل گرفت.
یکی از نتایج مه‌بانگ، شکل‌گیری چهار نیروی اساسی در جهان بود. این نیروها عبارتند از:
۱. الکترومغناطیس (Electromagnetism)
۲. نیروی هسته‌ای قوی (Strong nuclear force)
۳. نیروی هسته‌ای ضعیف (Weak nuclear force)
در آغاز مه‌بانگ، این نیروها همه بخشی از یک نیروی واحد بودند. تنها مدت کوتاهی پس از آغاز مه‌بانگ بود که نیروها به شکل امروزی خود از هم جدا شدند. اینکه چگونه این نیروها زمانی بخشی از یک کل واحد بودند، برای دانشمندان یک راز است. بسیاری از فیزیکدانان و کیهان‌شناسان هنوز در تلاشند تا نظریه وحدت بزرگ (Grand Unified Theory) را شکل دهند، که توضیح می‌دهد چگونه این چهار نیرو زمانی متحد بودند و چگونه با یکدیگر ارتباط دارند.
می‌توانید نام نظریه را سرزنش کنید
سردرگمی در مورد مه‌بانگ تا حدی به دلیل نام گیج‌کننده‌اش است – به نظر می‌رسد که باید یک انفجار باشد. مقصر آن آقای فرد هویل (Fred Hoyle)، منتقد این نظریه است، که برای تحقیر، این مدل را “مه‌بانگ” نامید. این نظر تحقیرآمیز مورد توجه قرار گرفت و این نام ماندگار شد.
نظریه مه‌بانگ از کجا آمده است؟
نظریه مه‌بانگ نتیجه دو رویکرد متفاوت برای مطالعه جهان است: ستاره‌شناسی (Astronomy) و کیهان‌شناسی (Cosmology). ستاره‌شناسان از ابزارهایی برای مشاهده ستارگان و دیگر اجرام آسمانی استفاده می‌کنند. کیهان‌شناسان به مطالعه خواص اخترفیزیکی جهان می‌پردازند.
در دهه 1800، ستاره‌شناسان شروع به آزمایش با ابزارهایی به نام طیف‌سنج (spectroscope) کردند. طیف‌سنج دستگاهی است که نور را به طیفی از طول‌موج‌های سازنده‌اش تقسیم می‌کند. طیف‌سنج‌ها نشان دادند که نور حاصل از یک ماده خاص، مانند یک لوله درخشان از هیدروژن، همیشه همان توزیع طول‌موج‌های منحصر به فرد آن ماده را تولید می‌کند. مشخص شد که با نگاه کردن به توزیع طول موج از یک طیف‌نگار (Spectrograph)، می‌توان فهمید چه نوع عناصری در یک منبع نور وجود دارد.
در همین حال، فیزیکدان اتریشی، کریستین دوپلر (Christian Doppler)، کشف کرد که فرکانس یک موج صوتی به موقعیت نسبی منبع صدا بستگی دارد. هنگامی که یک شیء پر سر و صدا به شما نزدیک می‌شود، امواج صوتی تولید شده توسط آن فشرده می‌شوند. این کار فرکانس صدا را تغییر می‌دهد و بنابراین شما صدا را به صورت یک زیر و بم (pitch) متفاوت درک می‌کنید. وقتی شیء از شما دور می‌شود، امواج صوتی کشیده می‌شوند و زیر و بم صدا پایین می‌آید. این پدیده اثر دوپلر (Doppler effect) نامیده می‌شود.
نور نیز به صورت موج حرکت می‌کند و ستاره‌شناسان دریافتند که نور برخی از ستارگان بیشتر از حد انتظار به سمت قرمز طیف نور متمایل است. آنها نظریه دادند که این بدان معناست که آن ستارگان در حال دور شدن از زمین هستند. با دور شدن ستارگان، طول‌موج‌های نور ساطع شده از آنها کشیده می‌شود. آنها به سمت انتهای قرمز طیف منتقل می‌شوند زیرا آن قسمت دارای طول‌موج‌های بلندتری است. کیهان‌شناسان این پدیده را انتقال به سرخ (redshift) می‌نامند. انتقال به سرخ یک ستاره، نشانه‌ای از سرعت دور شدن آن از زمین است. هرچه نور به سمت انتهای قرمز طیف متمایل‌تر باشد، ستاره با سرعت بیشتری در حال دور شدن است.
در دهه 1920، ستاره شناسی به نام ادوین هابل (Edwin Hubble) متوجه نکته جالبی شد. به نظر می‌رسید سرعت یک ستاره متناسب با فاصله آن از زمین است. به عبارت دیگر، هر چه ستاره از زمین دورتر بود، با سرعت بیشتری از ما دور می‌شد. هابل تئوریزه کرد که این بدان معناست که خود جهان در حال انبساط است.
کشف هابل منجر به یک بحث طولانی شد که هنوز هم ادامه دارد: رابطه دقیق بین سرعت یک جرم آسمانی دور و فاصله آن از ناظر چیست؟ کیهان شناسان این رابطه را ثابت هابل (Hubble constant) می‌نامند، اما هیچ کس در مورد اینکه این رابطه چیست، توافق نظر ندارد. هابل تئوریزه کرد که این مقدار ۴۶۴ کیلومتر (km) در ثانیه (sec) در هر مگاپارسک (Megaparsec (Mpc)) است. یک مگاپارسک واحدی از فاصله است که برابر با بیش از ۱۰۲۲ × 3.08 متر (یا ۱۰۱۹ × ۱.۹) است.
مشخص شد که هابل این عدد را بیش از حد تخمین زده است. دلیلش این است که در زمان هابل، ابزارهای نجومی به اندازه کافی حساس نبودند که بتوانند فاصله بین زمین و اجرام آسمانی را با دقت اندازه گیری کنند. با بهبود ابزارها، دانشمندان ثابت هابل را اصلاح کردند، اما بحث بر سر مقدار واقعی ثابت هابل همچنان ادامه دارد.
همه اینها چه ارتباطی با نظریه مه‌بانگ دارد؟ برای یافتن پاسخ، ادامه مطلب را بخوانید.
به آسمان اشاره کن
تیم‌های مختلف دانشمندان هنگام تلاش برای تعیین مقدار واقعی ثابت هابل، به اجرام آسمانی مختلفی نگاه می‌کنند. برخی به ستارگان جوانی به نام ستارگان متغیر قیفاووسی (Cepheid variables) نگاه می‌کنند. برخی دیگر به ابرنواخترها (Supernovae) نگاه می‌کنند. نتیجه این است که تخمین‌ها برای ثابت هابل از ۵3 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک تا 80 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک متغیر است (منبع: آموزش کیهان‌شناسی).
اطلاعات بیشتر درباره داستان مه‌بانگ
هابل نظریه داد که جهان با گذشت زمان در حال انبساط است. این بدان معنا بود که میلیاردها سال پیش، جهان بسیار کوچکتر و متراکم‌تر بود. اگر به اندازه کافی به عقب برگردیم، جهان در ناحیه‌ای با چگالی بی‌نهایت فرو می‌ریزد که شامل تمام ماده، انرژی، فضا و زمان جهان است. به نوعی، نظریه مه‌بانگ نتیجه مهندسی معکوس بود.
برخی از مردم با این نظریه مشکل اساسی داشتند. از جمله آنها فیزیکدان مشهور، آلبرت اینشتین بود. اینشتین به این باور پایبند بود که جهان ایستا (Static) است. یک جهان ایستا تغییر نمی‌کند. همیشه یکسان بوده و همیشه یکسان خواهد بود. اینشتین امیدوار بود که نظریه نسبیت عام (General relativity) او درک عمیق‌تری از ساختار جهان به او بدهد.
اینشتین پس از تکمیل نظریه‌اش، با کمال تعجب دریافت که طبق محاسبات او، جهان باید در حال انبساط یا انقباض باشد. از آنجایی که این با اعتقاد او مبنی بر ایستا بودن جهان در تضاد بود، به دنبال توضیح احتمالی گشت. او یک ثابت کیهان‌شناختی (Cosmological constant) را پیشنهاد کرد—عددی که وقتی در نظریه نسبیت عام او گنجانده شود، ضرورت ظاهری انبساط یا انقباض جهان را از بین می‌برد.
هنگامی که با یافته‌های هابل مواجه شد، اینشتین اعتراف کرد که اشتباه کرده است. به نظر می‌رسید که جهان در حال انبساط است و نظریه خود اینشتین از این نتیجه‌گیری حمایت می‌کرد. این نظریه و مشاهدات، منجر به چند پیش‌بینی شد که بسیاری از آنها از آن زمان تاکنون مشاهده شده‌اند.
یکی از این پیش‌بینی‌ها این است که جهان همگن (Homogeneous) (اندازه‌گیری آن در هر نقطه‌ای از فضا به نتیجه‌ای یکسان منجر شود – مترجم) و همسانگرد (Isotropic) (اندازه‌گیری آن در هر جهت فضایی به نتیجه‌ای یکسان منجر شود – مترجم) است. اساساً، این بدان معناست که جهان بدون توجه به نقطه دید ناظر، یکسان به نظر می‌رسد. در سطح محلی، این پیش‌بینی نادرست به نظر می‌رسد: به هر حال، هر ستاره‌ای، منظومه‌ای از سیارات مانند منظومه شمسی ما ندارد. هر کهکشانی هم یکسان (شبیه به بقیه) به نظر نمی‌رسد. اما در یک سطح ماکروسکوپی که میلیون‌ها سال نوری را در بر می‌گیرد، توزیع ماده در جهان از نظر آماری همگن است. این بدان معناست که حتی اگر در سراسر جهان بودید، مشاهدات شما از ساختار جهان مشابه مشاهدات اینجا روی زمین خواهد بود.
یکی دیگر از پیش‌بینی‌ها این بود که جهان در مراحل اولیه مه‌بانگ به شدت داغ بوده است. تابش یا تشعشات این دوره فوق‌العاده زیاد بوده است و باید شواهدی از این تابش باقی مانده باشد. از آنجایی که جهان باید همگن و همسانگرد باشد، این شواهد باید به طور مساوی در سراسر جهان توزیع شده باشد. دانشمندان شواهدی از این تابش را در دهه 1940 کشف کردند، اگرچه در آن زمان نمی‌دانستند چه چیزی یافته‌اند. تا دهه 1960 طول کشید که دو تیم جداگانه از دانشمندان چیزی را کشف کردند که اکنون آن را تابش زمینه کیهانی (Cosmic Microwave Background Radiation (CMB)) می‌نامیم. CMB بقایای انرژی شدیدی است که توسط گوی آتشین نخستین در مه‌بانگ ساطع شده است. زمانی به شدت داغ بود، اما اکنون تا دمای سرد 2.72۵ درجه کلوین (270٫۴- درجه سانتیگراد یا ۴۵۴٫8- درجه فارنهایت) خنک شده است.
این مشاهدات به تثبیت نظریه مه‌بانگ به عنوان مدل غالب برای تکامل جهان کمک کرد.
در ادامه به شما نشان خواهیم داد که دانشمندان در مورد آنچه در طول مه‌بانگ رخ داده است، چه فکر می‌کنند.
روزی از همین روزها
دانشمندان از مشاهدات هابل برای تخمین عمر جهان استفاده می‌کنند. تخمین‌های کنونی بر اساس ثابت هابل، حدود 13.7 میلیارد سال است، با خطای 200 میلیون سال. روش های دیگر برای تخمین سن، بستگی به تعیین سن ستارگان و عناصر دارد. این روش‌ها محدوده‌ای را به ما می‌دهند که حداکثر حدود 1۵ میلیارد سال است.
ثانیه اول
به دلیل محدودیت‌های قوانین علم، نمی‌توانیم هیچ حدسی در مورد لحظه پیدایش جهان بزنیم. در عوض، می‌توانیم به دوره بلافاصله پس از آفرینش جهان نگاه کنیم. در حال حاضر، اولین لحظه‌ای که دانشمندان در مورد آن صحبت می‌کنند، در t = ۱۰-۴۳ × ۱ ثانیه رخ می‌دهد (حرف “t” مخفف زمان پس از آفرینش جهان است).
دانشگاه کمبریج (Cambridge University) به مطالعه این لحظات اولیه، کیهان‌شناسی کوانتومی (Quantum Cosmology) می‌گوید (منبع: دانشگاه کمبریج). در اولین لحظات مه‌بانگ، جهان آنقدر کوچک بود که فیزیک کلاسیک در مورد آن صدق نمی‌کرد. در عوض، فیزیک کوانتومی در جریان بود. فیزیک کوانتومی به فیزیک در مقیاس زیراتمی می‌پردازد. بسیاری از رفتارهای ذرات در مقیاس کوانتومی برای ما عجیب به نظر می‌رسند، زیرا به نظر می‌رسد ذرات درک ما از فیزیک کلاسیک را به چالش می‌کشند. دانشمندان امیدوارند پیوندی بین فیزیک کوانتومی و کلاسیک کشف کنند، که اطلاعات بسیار بیشتری در مورد چگونگی عملکرد جهان به ما می‌دهد.
در ۱۰-۴۳ × ۱ = t ثانیه، جهان فوق‌العاده کوچک، متراکم و داغ بود. این ناحیه همگن از جهان، منطقه‌ای به وسعت تنها ۱۰-۳۳ × ۱ سانتی‌متر (۱۰-۳۴ × ۳٫۹ اینچ) را در بر می‌گرفت. امروزه، آن امتداد فضا، میلیاردها سال نوری را در بر می‌گیرد. نظریه‌پردازان مه‌بانگ بر این باورند که در طول این مرحله، ماده و انرژی از هم جدا نبودند. چهار نیروی اصلی جهان نیز یک نیروی متحد بودند. دمای این جهان ۱۰۳۲ × ۱ درجه کلوین (۱۰۳۲ × ۱ درجه سانتیگراد، ۱۰۳۲ × ۱٫۸ درجه فارنهایت) بود. با گذشت کسری از ثانیه، جهان به سرعت منبسط شد. کیهان‌شناسان به انبساط جهان، تورم (Inflation) می‌گویند. جهان در کمتر از یک ثانیه چندین برابر شد (منبع: UCLA).
با انبساط جهان، خنک شدن شروع شد. در حدود ۱۰-۳۵ × ۱ = t ثانیه، ماده و انرژی از هم جدا شدند. کیهان‌شناسان این را باریون‌زایی (Baryogenesis) می‌نامند – ماده باریونی (Baryonic matter) نوعی ماده است که می‌توانیم آن را مشاهده کنیم. در مقابل، ما نمی‌توانیم ماده تاریک (Dark matter) را مشاهده کنیم، اما از طریق تأثیری که بر انرژی و سایر مواد می‌گذارد، می‌دانیم که وجود دارد. در طول باریون‌زایی، جهان با مقدار تقریباً مساوی از ماده و پادماده پر شد. ماده، بیشتر از پادماده بود، بنابراین در حالی که بیشتر ذرات و پادذرات یکدیگر را نابود کردند، برخی از ذرات زنده ماندند. این ذرات بعداً برای تشکیل تمام ماده موجود در جهان ترکیب شدند.
دوره‌ای از کیهان‌شناسی ذرات (Particle cosmology)، عصر کوانتومی را دنبال کرد. این دوره از ۱۰-۱۱ × ۱ = t ثانیه شروع می‌شود. این مرحله‌ای است که دانشمندان می‌توانند با شتاب‌دهنده‌های ذرات (Particle accelerators) در شرایط آزمایشگاهی آن را بازسازی کنند. این بدان معناست که ما اطلاعات مشاهداتی در مورد اینکه جهان در این زمان چگونه بوده است، داریم. نیروی متحد به اجزای سازنده خود تجزیه شد. نیروهای الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف از هم جدا شدند. تعداد فوتون‌ها از ذرات ماده بیشتر بود، اما جهان برای تابش نور از داخل آن (به بیرون) بسیار متراکم بود.
در مرحله بعد دوره کیهان‌شناسی استاندارد قرار دارد که ۰٫۰۱ ثانیه پس از آغاز انفجار بزرگ شروع می‌شود. از این لحظه به بعد، دانشمندان احساس می‌کنند که درک خوبی از نحوه تکامل جهان دارند. جهان به گسترش و خنک شدن ادامه داد و ذرات زیراتمی که در طول باریون‌زایی تشکیل شده بودند، شروع به پیوند با یکدیگر کردند. آنها نوترون‌ها و پروتون‌ها را تشکیل دادند. تا زمانی که یک ثانیه کامل سپری شد، این ذرات می‌توانستند هسته‌های عناصر سبک مانند هیدروژن (به شکل ایزوتوپ آن، دوتریوم (Deuterium))، هلیوم (Helium) و لیتیوم (Lithium) را تشکیل دهند. این فرآیند به عنوان هسته‌زایی (Nucleosynthesis) شناخته می‌شود. اما جهان هنوز برای پیوستن الکترون‌ها به این هسته‌ها و تشکیل اتم‌های پایدار، بسیار متراکم و داغ بود.
این یک ثانیه اول بسیار پرمشغله بود. در ادامه خواهیم فهمید که در ۱۳ میلیارد سال بعد چه اتفاقی افتاد.
تسلط نجومی
گفتن اینکه جهان همگن و همسانگرد است، روش دیگری برای بیان این است که هر مکان در جهان با هر مکان دیگر یکسان است و هیچ نقطه خاص یا مرکزی برای جهان وجود ندارد. این اغلب به عنوان اصل کوپرنیکی (Copernican principle) یا اصل کیهان‌شناختی (Cosmological principle) نامیده می‌شود.
۱۳ میلیارد سال بعد
در آن یک ثانیه اول انفجار بزرگ، اتفاقات زیادی افتاد. اما این تازه شروع ماجراست. پس از 100 ثانیه، دمای جهان به 1 میلیارد درجه کلوین (1 میلیارد درجه سانتیگراد، 1.8 میلیارد درجه فارنهایت) کاهش یافت. ذرات زیراتمی به ترکیب شدن ادامه دادند. از نظر جرم، توزیع عناصر تقریباً 7۵ درصد، هسته‌های هیدروژن و 2۴ درصد، هسته‌های هلیوم بود (درصد دیگر شامل عناصر سبک دیگری مانند لیتیوم بود).
دمای جهان هنوز برای پیوند الکترون‌ها با هسته‌ها خیلی زیاد بود. در عوض، الکترون‌ها با سایر ذرات زیراتمی به نام پوزیترون (Positrons) برخورد کردند و فوتون‌های بیشتری ایجاد کردند. اما جهان برای درخشش نور از داخل آن بسیار متراکم بود.
جهان به گسترش و سرد شدن ادامه داد. پس از حدود ۵۶000 سال، جهان تا 9000 درجه کلوین (۸۷۲۶ درجه سانتیگراد، 1۵۷۴0 درجه فارنهایت) سرد شده بود. در این زمان، چگالی توزیع ماده در جهان با چگالی تابش مطابقت داشت. پس از 32۴000 سال دیگر، جهان به اندازه کافی منبسط شده بود که تا 3000 درجه کلوین (2727 درجه سانتیگراد، ۴۹۴۰ درجه فارنهایت) سرد شود. سرانجام، پروتون‌ها و الکترون‌ها توانستند با هم ترکیب شوند و اتم‌های هیدروژن خنثی را تشکیل دهند.
در این زمان، 380,000 سال پس از رویداد اولیه، بود که جهان شفاف شد. نور می‌توانست در سراسر جهان بتابد. تابشی که انسان‌ها بعداً به عنوان تابش پس‌زمینه کیهانی مایکروویو (Cosmic microwave background radiation) شناسایی می‌کردند، در جای خود قفل شد. وقتی امروز CMB را مطالعه می‌کنیم، می‌توانیم تصویری از ظاهر جهان در آن زمان استنباط کنیم.
در 100 میلیون سال آینده یا بیشتر، جهان به گسترش و سرد شدن ادامه داد. نوسانات گرانشی کوچک باعث شد ذرات ماده به هم بپیوندند. گرانش باعث شد گازها در جهان به صورت پاکت‌ها یا بسته‌های فشرده جمع شوند. با انقباض این گازها، آنها متراکم‌تر و گرم‌تر شدند. حدود 100 تا 200 میلیون سال پس از ایجاد اولیه جهان، ستارگان از این پاکت‌های گازی شکل گرفتند.
ستارگان شروع به جمع شدن و خوشه‌‌خوشه‌شدن کردند تا کهکشان‌ها را تشکیل دهند. در نهایت، برخی از ستارگان به ابرنواختر (Supernova) تبدیل شدند. با انفجار این ستارگان، ماده را در سراسر جهان پرتاب کردند. این ماده شامل تمام عناصر سنگین‌تری است که در طبیعت می‌یابیم (همه چیز تا اورانیوم (Uranium)). کهکشان‌ها به نوبه خود خوشه‌های خود را تشکیل دادند (خوشه‌های کهکشانی-م). منظومه شمسی ما حدود ۴٫۶ میلیارد سال پیش شکل گرفت.
امروزه، دمای جهان 2.72۵ درجه کلوین (۲۷۰- درجه سانتیگراد، ۴۵۵- درجه فارنهایت) است که تنها چند درجه بالاتر از صفر مطلق است. ابعاد بخش همگن جهان که می‌توانیم درباره آن نظریه‌پردازی کنیم به ۱۰۲۹ × ۱ سانتی‌متر (۱۰۲۳ × ۶٫۲۱ مایل) می‌رسد. این مقدار بزرگتر از آن چیزی است که ما قادریم با استفاده از پیشرفته‌ترین ابزارهای نجومی خود به طور فیزیکی مشاهده کنیم.
نظریه انفجار بزرگ چه چیزی در مورد جهان به ما می گوید؟ دفعه بعد متوجه خواهیم شد.
صفر مطلق چقدر سرد است؟
اتم‌ها و مولکول‌ها در داخل ماده نوسان می‌کنند. حتی اجسامی که بی‌اثر به نظر می‌رسند، مانند سنگ‌ها، از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند که در حال حرکت هستند. با سرد شدن ماده، اتم‌ها کمتر و کمتر حرکت می‌کنند. در دمای معینی، اتم‌ها به کندترین شکل ممکن حرکت خواهند کرد. دانشمندان این دما را صفر مطلق (Absolute zero) می‌نامند — یا 0 درجه کلوین (270- درجه سانتیگراد، ۴۶۰- درجه فارنهایت).
مه‌بانگ به ما چه می‌گوید؟
برخی از کیهان‌شناسان از نظریه مه‌بانگ برای تخمین عمر جهان استفاده می‌کنند. اما به دلیل تفاوت در تکنیک‌های اندازه‌گیری، همه کیهان‌شناسان در مورد سن واقعی جهان توافق ندارند. در واقع، این محدوده بیش از یک میلیارد سال اختلاف دارد!
کشف اینکه جهان در حال انبساط است، سؤال دیگری را به وجود آورد. آیا این انبساط برای همیشه ادامه خواهد داشت؟ آیا متوقف خواهد شد؟ آیا معکوس خواهد شد؟ بر اساس نظریه نسبیت عام، همه چیز به این بستگی دارد که چه مقدار ماده در جهان وجود دارد.
مسئله به گرانش برمی‌گردد. گرانش نیروی جاذبه بین ذرات ماده است. میزان نیروی گرانشی که یک جسم بر جسم دیگر وارد می‌کند، به اندازه دو جسم و فاصله بین آنها بستگی دارد. اگر ماده کافی در جهان وجود داشته باشد، نیروی گرانش در نهایت سرعت انبساط را کاهش می‌دهد و باعث انقباض جهان می‌شود. کیهان‌شناسان این را یک جهان بسته (Closed universe) با انحنای مثبت می‌نامند. اما اگر ماده کافی برای معکوس کردن انبساط وجود نداشته باشد، جهان برای همیشه به انبساط خود ادامه خواهد داد. چنین جهانی یا انحنا ندارد یا انحنای منفی دارد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد انحنای جهان، مقاله “آیا فضا شکل دارد؟” را بخوانید.
اگر ما در یک جهان بسته باشیم، در نهایت کل جهان منقبض می‌شود و در هم فرو می‌رود. کیهان‌شناسان این را “مِه‌رُمب (Big crunch)” می‌نامند. برخی نظریه‌پردازی می‌کنند که جهان ما فقط واپسین مورد از یک سری جهان‌ها است که در چرخه‌ای از انبساط و انقباض فضا ایجاد شده‌اند.
بر اساس نظریه مه‌بانگ، هیچ مرکزی برای جهان وجود ندارد. هر نقطه در جهان با هر نقطه دیگر یکسان است و هیچ مکان متمرکزی وجود ندارد. تصور این موضوع دشوار است، اما این یک شرط لازم برای جهانی است که هم همگن و هم همسانگرد باشد. از دیدگاه ما، به نظر می‌رسد که همه چیز در جهان به شکلی که توسط مه‌بانگ پیشنهاد می‌شود، در حال دور شدن است. یک نظریه جایگزین این است که خود زمین مرکز جهان است، که توضیح می‌دهد چرا همه چیز دیگر در حال دور شدن است. کیهان‌شناسان این نظریه را رد می‌کنند زیرا بسیار بعید است که ما نقطه مرکزی کل جهان را اشغال کنیم.
همچنین سوالات بسیار بزرگی وجود دارد که نظریه مه‌بانگ به آنها پاسخ نمی‌دهد:
- قبل از مه‌بانگ چه اتفاقی افتاد؟ طبق درک ما از علم، نمی‌توانیم بدانیم. قوانین علم با نزدیک شدن به t = 0 ثانیه از بین می‌روند. در واقع، از آنجایی که نظریه نسبیت عام به ما می‌گوید که فضا و زمان به هم مرتبط هستند، خود زمان از بین می‌رود. از آنجایی که پاسخ این سوال خارج از پارامترهای قابل بررسی توسط علم است، ما واقعاً نمی‌توانیم در مورد آن فرضیه‌پردازی کنیم.
- فراتر از جهان چیست؟ باز هم، این سوالی است که علم نمی‌تواند به آن پاسخ دهد. به این دلیل که ما نمی‌توانیم چیزی را که در خارج از مرزهای جهان قرار دارد، مشاهده یا اندازه‌گیری کنیم. جهان ممکن است در داخل ساختار دیگری در حال انبساط باشد یا نباشد، اما دانستن آن برای ما غیرممکن است.
- شکل جهان چیست؟ نظریه‌های بسیاری در مورد اینکه جهان چه شکلی می‌تواند داشته باشد وجود دارد. برخی بر این باورند که جهان نامحدود و بی‌شکل است. برخی دیگر فکر می‌کنند که جهان محدود است. نظریه مه‌بانگ به طور خاص به این موضوع نمی‌پردازد.
همه به نظریه مه‌بانگ اعتقاد ندارند. چرا با این نظریه مخالف هستند و مدل‌های جایگزین برای جهان ما چیست؟ برای دیدن حرف‌های منتقدان، ادامه مطلب را بخوانید.
مشکلات نظریه مه‌بانگ
از زمانی که دانشمندان برای اولین بار نظریه مه‌بانگ را مطرح کردند، بسیاری از مردم این مدل را زیر سوال برده و مورد انتقاد قرار داده‌اند. در اینجا فهرستی از رایج ترین انتقادات وارد شده به نظریه مه‌بانگ آورده شده است:
- این نظریه قانون اول ترمودینامیک (First law of thermodynamics) را نقض می‌کند، که می‌گوید نمی‌توان ماده یا انرژی را خلق یا نابود کرد. منتقدان ادعا می‌کنند که نظریه مه‌بانگ حاکی از آن است که جهان از هیچ به وجود آمده است. طرفداران نظریه مه‌بانگ می‌گویند که چنین انتقادی به دو دلیل موجه نیست. اول اینکه مه‌بانگ به خلقت جهان نمی‌پردازد، بلکه به تکامل آن می پردازد. دلیل دیگر این است که از آنجایی که قوانین علمی با نزدیک شدن به خلقت جهان از کار می‌افتند، دلیلی وجود ندارد که باور کنیم قانون اول ترمودینامیک اعمال می‌شود.
- برخی از منتقدان می‌گویند که تشکیل ستارگان و کهکشان‌ها قانون آنتروپی (Entropy) را نقض می‌کند، که نشان می‌دهد سیستم‌های متغیر با گذشت زمان کمتر سازماندهی می‌شوند (سیستم‌ها تمایل به بی‌نظم‌تر شدن دارند-م). اما اگر جهان اولیه را کاملاً همگن و همسانگرد در نظر بگیرید، جهان کنونی نشانه‌هایی از پیروی از قانون آنتروپی را نشان می‌دهد.
- برخی از اخترفیزیکدانان و کیهان‌شناسان استدلال می‌کنند که دانشمندان شواهدی مانند انتقال به سرخ اجرام آسمانی و تابش زمینه کیهانی را به اشتباه تفسیر کرده‌اند. برخی به فقدان وجود اجرام کیهانی عجیب و غریبی اشاره می‌کنند که طبق این نظریه، باید محصول مه‌بانگ بوده باشند.
- به نظر می‌رسد دوره تورم یا انبساط اولیه مه‌بانگ این قاعده را نقض می‌کند که هیچ‌چیز نمی‌تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند. طرفداران این نظریه پاسخ‌های مختلفی به این انتقاد دارند. یکی این است که در ابتدای مه‌بانگ، نظریه نسبیت صدق نمی‌کرد. در نتیجه، مشکلی با سفر سریعتر از سرعت نور وجود نداشت. پاسخ مرتبط دیگر این است که خود فضا می‌تواند سریعتر از سرعت نور منبسط شود، زیرا فضا خارج از حوزه نظریه گرانش قرار می‌گیرد.
چندین مدل جایگزین وجود دارد که تلاش می‌کنند توسعه جهان را توضیح دهند، اگرچه هیچ یک از آنها به اندازه نظریه مه‌بانگ مورد پذیرش گسترده قرار نگرفته‌اند:
- مدل حالت پایدار (Steady-state) جهان پیشنهاد می‌کند که جهان همیشه چگالی یکسانی داشته و خواهد داشت. این نظریه شواهد ظاهری مبنی بر اینکه جهان در حال انبساط است را با پیشنهاد اینکه جهان ماده را با نرخی متناسب با نرخ انبساط جهان تولید می‌کند، آشتی می‌دهد.
- مدل اِکپیروتیک (Ekpyrotic model) پیشنهاد می‌کند که جهان ما نتیجه برخورد دو دنیای سه‌بعدی در یک بعد چهارم پنهان است. این مدل به طور کامل با نظریه مه‌بانگ در تضاد نیست، زیرا پس از مدتی با رویدادهای توصیف شده در نظریه مه‌بانگ همسو می‌شود.
- نظریه جهش بزرگ (Big bounce) پیشنهاد می‌کند که جهان ما یکی از سری جهان‌هایی است که ابتدا منبسط می‌شوند، سپس دوباره منقبض می‌شوند. این چرخه پس از چندین میلیارد سال تکرار می‌شود.
- کیهان‌شناسی پلاسمایی (Plasma cosmology) تلاش می‌کند تا جهان را بر اساس خواص الکترودینامیکی جهان توصیف کند. پلاسما (Plasma) یک گاز یونیزه شده است، به این معنی که گازی است با الکترون‌های سرگردان آزاد که می‌توانند الکتریسیته را هدایت کنند.
مدل‌های دیگری نیز وجود دارد. آیا ممکن است یکی از این نظریه‌ها (یا نظریه‌های دیگری که حتی به آنها فکر نکرده‌ایم) روزی جایگزین نظریه مه‌بانگ به عنوان مدل پذیرفته شده جهان شود؟ کاملاً ممکن است. با گذشت زمان و افزایش توانایی ما در مطالعه جهان، قادر خواهیم بود مدل‌های دقیق‌تری از نحوه توسعه جهان ارائه دهیم.
پرسش‌های متداول درباره نظریه مه‌بانگ
چه کسی نظریه مه‌بانگ را کشف کرد؟
به گفته موزه تاریخ طبیعی آمریکا، این ایده برای اولین بار در مقاله‌ای در سال 1931 نوشته ژرژ لومتر (Georges Lemaître) ظاهر شد.
مه‌بانگ چگونه از هیچ به وجود آمد؟
بر اساس این نظریه، جهان فوق‌العاده متراکم و داغ بود. در آن لحظات اولیه، انرژی بسیار زیادی در جهان وجود داشت که ماده به شکلی که ما می‌شناسیم نمی‌توانست شکل بگیرد. اما جهان به سرعت منبسط شد، به این معنی که چگالی آن کاهش یافت و سرد شد. با گسترش آن، ماده شروع به شکل‌گیری کرد و تابش شروع به از دست دادن انرژی کرد. تنها در چند ثانیه، جهان از یک تکینگی که در سراسر فضا کشیده شده بود، شکل گرفت.
نظریه مه‌بانگ به زبان ساده چیست؟
مه‌بانگ تلاشی است برای توضیح اینکه جهان چگونه از یک حالت بسیار کوچک و متراکم به شکل امروزی خود تکامل یافته است. این نظریه تلاشی برای توضیح اینکه چه چیزی باعث آغاز آفرینش جهان شده است، یا قبل از مه‌بانگ چه چیزی وجود داشته است یا حتی اینکه در خارج از جهان چه چیزی وجود دارد، نیست.
نظریه مه‌بانگ به ما چه می‌گوید؟
بر اساس نظریه مه‌بانگ، هیچ مرکزی برای جهان وجود ندارد. هر نقطه در جهان، همانند هر نقطه دیگر است و هیچ مکان متمرکزی وجود ندارد.
مه‌بانگ چگونه آغاز شد؟
در اولین لحظات مه‌بانگ، تمام ماده، انرژی و فضایی که می‌توانستیم مشاهده کنیم، در ناحیه‌ای با حجم صفر و چگالی بی‌نهایت فشرده شده بود. کیهان‌شناسان این را تکینگی (Singularity) می‌نامند.
