جهان از کجا شروع شد؟ | |||||
Big Bang
حتما همه تا به حال راجع به بیگ بنگ یا انفجار بزرگ شنیدید؟ نظزییه ای که میگه همه چیز از یه انفجار شروع شده! خیلیها فکر میکنند که اینجور نظرییه ها اولا قابل اثبات حتی در کلیاتشون هم نیستند ثانیا خیلی قابل فهم برای عوام نیستند.
البته بخش دوم تا حدودی درست ولی!! اونچه که از ریاضیات میدونیم هم اگر یک روز به ما آموزش داده نشده یود الان به نظرمون پیچیده و غیر قابل درک میومد!! ?=2x2
همونطور که وقتی کلاس چهارم دبستان بودیم فکر میکردیم سوم چه قدر آسون بود و چهارم سخته و کلاس پنجمی ها هم همین حس رو نسبت به کلاس چهارم و .....
این مقاله رو بخونید قول میدم سردربیارید مهبانگ
مِهبانگ یا انفجار بزرگ 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 همین کهکشان راه شیری خودمان 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 1. انبساط دائم 2. رسیدن به یک حالت ثابت و پایدار 3. انقباض بعد از انبساط مقدمه پژوهش های 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 شده است . پس از آنکه شتاب جهان مطرح شد، باید یک دلیل منطقی برای توجیه آن ارائه میشد. همچنانکه می دانید 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 ناشناخته است. البته در این زمینه نظریههای گوناگونی مطرح شده است، اما هیچ کدام نتوانسته پاسخی پذیرفتنی به آن بدهد . چکیده در این مقاله ابتدا به تعریف CPH که همه ی ماده های جهان از آن تشکیل شده اند می پردازیم سپس به نخستین لحظات یدایش کیهان رفته که چگونه پس از انفجار بزرگ کیهان تشکیل شد و چگونه هلیم و دتریم با همجوشی هم 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 زمینه ی کیهانی حادثه ی انفجار بزرگ را اثباط میکنیم و در آخر میبینیم که کیهان همواره در حال انبساط خواهد بود.
نام در زبان پارسی «مِه» یعنی «بزرگ» و بانگ به معنای صدای بلند است.
نظریههای مخالف این نظریه با وجود شهرتی که دارد، مخالفانی داشته] که نظریه مهبانگ را مردود دانسته اند، و نظریههای رقیبی (بطور نمونه بر اساس Redshift quantization) دارد
ماده متراکم تئوری تراکم عالم قبل از انفجار بزرگ را میتوان با مطالعه در چیستی سیاهچالههای فضایی بهتر دریافت. در سیاهچالههای فضایی، اتم هابه اجزای سازنده شان تجزیه شده و فضای میان آنها از بین میرود. به این ترتیب ماده شدیدا متراکم و چگال میشود. این عکس اتفاقی است که در هنگام انفجار بزرگ روی دادهاست.
تاریخچه ایده و تئوری مهبانگ (انفجار بزرگ) با نگرش بر ساختار کیهان ایجاد شد . در سال 1912 میلادی (1291 ه.ش) وستو اسلیفر این تحقیق آغاز شد .
نظریهٔ CPH و انرژی تاریک ( CPH Theory and Dark Energy ) طبق نظریهٔ CPH همهٔ ذرات موجود در جهان از CPH تشکیل شده اند و CPH همواره با مقدار سرعت ثابت حرکت می کنند و هنگامیکه یکدیگر را جذب می کنند مقداری از این سرعت ثابت به حرکت دورانی تبدیل میشود که آن را اسپین می نامند 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 CPH ها 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 شده اند و این CHP ها در ساختمان ماده دارای حرکت دورانی یا اسپین هستند، لذا هر انفجاری که در جهان صورت گیرد، مقداری از حرکت دورانی یا اسپین CPH ها به حرکت انتقالی تبدیل میشود . چون بیشتر مادهٔ موجود در جهان در ستارگان در حال انفجار است، لذا بطور مداوم حرکت دورانی CPH ها به حرکت انتقالی تبدیل میشود و این امر موجب انبساط و در عین حال شتاب جهان میشود [۸]
- نگاهی به چگونگی ایجاد و گسترش کیهان همه چیز در حال گردش است. زمین به گرد خورشید می چرخد و ماه به گرد زمین. زمین و همهٔ سیارهها ی منظومه خورشیدی نیز به دور ستاره بزرگ خورشید می چرخند. منظومه خورشیدی ما که در یکی از بازوهای کهکشان راه شیری قرار دارد به گرد هسته مرکزی راه شیری می چرخد. کهکشان راه شیری در خوشهای به نام گروه محلی قرار دارد. همگی کهکشان های گروه محلی نیز به دور مرکز گروه محلی می چرخند[۹] 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 می کنیم از میلیون ها ابر خوشه تشکیل شده است. اکنون می خواهیم 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 13 میلیارد سال پیش همهٔ انرژی های دنیا، یعنی همهٔ آن چیزی که هم اکنون وجود دارد به صورت اصلی ترین ماده تشکیل دهندهٔ انرژی در یک نقطه وجود داشت. (در طول مقاله واژههای کیهان و عالم به کار برده شده است که هر دو به یک معنا است. ) این نقطه با انفجاری بزرگ گسست و انرژی خود را به هر سو پخش کرد. [۱۰] این لحظه را «مهبانگ» -(انفجار بزرگ –(( Big Bang ) میگویند. پس از انفجار بزرگ همهٔ انرژی های 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 پروتون ها و نوترون ها، دوتریوم درست شد. پس از سه دقیقه، هلیم از همجوشی دوتریوم، پروتون ها و نوترون ها پدیدار شد. در آن هنگام چگالی جرمی ماده از چگالی ماده معادل انرژی فوتون ها کمتر بوده است، در حالی که هم اکنون چگالی جرمی ماده از چگالی ماده معادل انرژی فوتون ها بیشتر است. در آغاز ساخته شدن کیهان نوترون ها، پروتون ها و الکترون ها تنها سهم ناچیزی از مقدار ماده را داشتند و این فوتون ها بوده اند 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 پروتون ها و الکترون ها با یکدیگر درهم آمیخته شدند تا این که اتم های خنثای هیدروژن را به وجود آوردند. کیهان در این زمان (یک میلیون سالگی) برای نخستین بار شفاف شد که با وقوع شفافیت فوتون های زمینه میکرو موجی کیهانی در تمام عالم گسترش یافتند. در این هنگام بخش هایی از کیهان که مقداری از میانگین چگال تر بودند تبدیل به خوشه ها، ابرخوشهها و کهکشان ها شدند و بخش های کوچک و کم تراکم تر باقیمانده تبدیل به فضای میان ابرخوشهها شدند. طی یک دوره چند میلیون ساله ابر های 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 100 کیلو پارسک (326 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 شده اند. 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 5/4 میلیارد سال پیش منظومه خورشیدی ما در درون یکی از ابرهای گازی کهکشان راه شیری زاده شد. در آغاز بخش هایی 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 می چرخید و از خود ماده در فضا رها می کرد. 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. [۱۱] 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 مدار هایی 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 " [۱۲] یوهان کپلر قانون های سه گانهای را کشف و برای حرکت سیارهها وضع کرده است که شامل مواد زیر است: 1. همه سیارهها در یک مدار بیضی شکل به گرد خورشید می چرخند 2. هر سیارهای که در گردش خود نزدیک به خورشید میرسد، سرعتش بیشتر میشود 3. بین مسافت و دوری سیاره از خورشید با زمانی که مدار خود را می پیماید، نسبت خاصی برقرار است[۱۳] 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 کهکشان های دوردست با سرعتی به تناسب دوریشان از ما فاصله میگیرند، بنابراین کیهان به طور یکنواخت در حال انبساط است. البته بایستی بدانید که کهکشان ها خود در حال انبساط و بزرگ شدن نیستند بلکه این فضا- زمان است که باز میشود و کهکشان ها 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) می کند. چون گرانش از سرعت انبساط عالم می کاهد ممکن است که روزی پیروز شود و موجب توقف گسترش کیهان و در نتیجه فروریختن کیهان در خود شود. برای درک بهتر آن نمونهای می آوریم: سرعت گریز از زمین 4/11 کیلومتر بر ثانیه است. 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 می کند 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 ریسمان ها» هستند. نظریه ریسمان ها فرضیهای نوین است که هنوز به صورت تجربی ثابت نشده است. بر طبق این نظریه، کیهان در ردهای بنیادی تر از رشتهها یا ریسمان هایی ساخته شده که با فرکانس های مختلف ارتعاش می کنند. پژوهش درباره ماهیت انفجار بزرگ به ظاهر تنها از طریق نظریه ریسمان ها امکان دارد اما زمان پاسخ به چنین پرسشی سخت و دشوار که بزرگ ترین معمای عالم است مشخص نیست[۱۴]
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 فیزیکدان های متخصص در امر فیزیک ذرهای مراجعه کرد که در مورد تشعشعات و ماده در شرایط کاملا سخت و غیر عادی جستجو و تجربه می کنند. تاریخ کیهان معمولا به 8 مقطع کاملا متفاوت و نا مساوی بخش میشود:
مرحله نخست ( صفر تا10 به توان 43- ثانیه) این مساله هنوز برایمان کاملا روشن نیست که در این نخستین اجزای ثانیهها چه چیزی تبدیل به گلوله آتشینی شد که کیهان باید بعدا 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 ( از10 به توان 43- تا 10 به توان 32- ثانیه ( نخستین سنگ بناهای ماده مثلا کوارک ها و الکترون ها و پاد ذرههای آنها از برخورد پرتوها با یکدیگر به وجود میآیند. بخشی از این سنگ بناها دوباره با یکدیگر برخورد می کنند و به صورت تشعشع فرو می پاشند. در لحظههای بسیار بسیار اولیه ذرههای فرا سنگین - x نیز میتوانسته اند به وجود آمده باشند. این ذرهها دارای این ویژگی هستند که هنگام فروپاشی ماده بیشتری نسبت به پاد ماده و مثلا کوارک های بیشتری نسبت به آنتی کوارک ها ایجاد می کنند. 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 ( از10 به توان 32- ثانیه تا 10 به توان 6- ثانیه ( کیهان از مخلوطی از کوارک ها - لپتون ها - فوتون ها 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 10 به توان 6- ثانیه تا 10 به توان 3- ثانیه ( کمابیش همگی کوارک ها و پاد کوارک ها به صورت پرتو ذرهها به انرژی تبدیل میشوند. کوارک های جدید دیگر نمیتوانند در دماهای رو به کاهش به وجود آیند ولی از آن جایی که کوارک های بیشتری نسبت به پاد کوارک ها وجود دارند برخی از کوارک ها برای خود جفتی پیدا نکرده و به صورت اضافه باقی می مانند. هر 3 کوارک با یکدیگر یک پروتون با یک نوترون می سازند. سنگ بناهای هسته اتم های آینده اکنون ایجاد شده اند.
مرحله پنجم( از 10 به توان 3- ثانیه تا 100 ثانیه ( الکترون ها و پاد الکترون ها در برخورد با یکدیگر به اشعه تبدیل میشوند. شماری از الکترون ها باقی می ماند زیرا که ماده بیشتری نسبت به پاد ماده وجود دارد. این الکترون ها بعدا مدارهای اتمی را می سازند.
مرحله ششم ( از 100 ثانیه تا 30 دقیقه ( در دماهایی که امروزه میتوان در مرکز ستارگان یافت نخستین هستههای اتم های سبک و به ویژه هستههای بسیار پایدار هلیم در اثر همجوشی هستهای ساخته میشوند. هسته اتم های سنگین از قبیل اتم آهن یا کربن در این مرحله هنوز ایجاد نمیشوند. در آغاز آفرینش عملا تنها دو عنصر بنیادی که از همه سبکتر بودند وجود داشتند : هلیم و هیدروژن
مرحله هفتم ( از 30 دقیقه تا 1 میلیون سال پس از آفرینش ) پس از گذشت حدود 300000 سال گوی آتشین آنقدر دما از دست داده که هسته اتم ها و الکترون ها میتوانند در دمایی در حدود 3000 درجه سانتی گراد به یکدیگر بپیوندند و بدون اینکه دوباره بی درنگ از هم بپاشند اتم ها 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 دستگاههای راه شیری، ستارگان و سیارهها به وجود میآیند. در درون ستارگان هسته اتم های سنگین از قبیل اکسیژن و آهن تولید میشوند. که بعد ها در انفجارهای ستارهای آزاد میگردند و برای ساخت ستارگان و سیارهها و زندگی جدید به کار میآیند[۱۵] .
عناصر پیدایش زندگی زمینی برای زمین با توجه به گوناگونی زندگی که در آن وجود دارد 3 چیز از اهمیت ویژهای برخوردار بوده است: 1. از همان ابتدای خلقت همیشه ماده بیشتری نسبت به ضد ماده وجود داشته و بنابراین همواره ماده برای ما باقی می ماند 2. در مرحله ششم هیدروژن به وجود آمد این ماده که سبک ترین عنصر شیمیایی میباشد سنگ بنای اصلی کهکشان ها و سیارهها میباشد. هیدروژن همچنین سنگ بنای اصلی موجودات زندهای است که بعدا روی زمین به وجود آمدند و احتمالا روی میلیاردها سیاره دیگر نیز وجود دارند 3. در مرکز ستارگان نخستین هسته اتم های سنگین از قبیل اکسیژن و یا کربن یعنی سنگ بناهای اصلی مورد نیاز برای زندگی به وجود آمدند[۱۶] ا جزای سازندهٔ کیهان تنها حدود 4 درصد کیهان از ماده ، به شکلی که ما می شناسیم تشکیل شده است ، یعنی ماده معمولی که ما می شناسیم و در آزمایشگاه وجود دارد، تنها 4درصد همهٔ عالم را می سازد. 23درصد کیهان را ماده تاریک سرد تشکیل داده که دانشمندان دادههای خیلی کمی درباره اش دارند و 73 درصد مانده را انرژی تاریک شگفت انگیز تشکیل میدهد که تقریبا تنها چیزی که در موردش می دانیم ، این است که وجود دارد![۱۷]
اثبات نظریه مهبانگ نتایج 3 رصد مهم طی قرن گذشته به ستاره شناسان کمک کرد تا اطمینان حاصل کنند که جهان با بیگ بنگ آغاز شده است . اولین آنها این است که جهان در حال انبساط است – بدین معنی که فضای میان کهکشان ها در حال بزرگ و بزرگتر شدن است - این مشاهده منجر به این حدس شد که قبل ازانبساط همه چیز در جایی کنار هم قرار داشته است . 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 شده اند . 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 .[۱۳]
انبساط جهان همزمان با این ایده که جهان در حال انبساط است ، ستاره شناسی یه اسم وستو سلیفر (Vesto Slipher) متذکر شد که تعداد کهکشان هایی که از ما دور می شوند بیشتر از آنهایی هستند که به ما نزدیک می شوند .ستاره شناسان با استفاده از نور دریافتی از یک کهکشان قادرند دریابند که یک کهکشان به ما نزدیک یا از ما دور می شود . 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 می یابد . میزان اتقال به سرخ یا آبی بستگی به سرعت دور شدن یا نزدیک شدن کهکشان دارد . بنابراین وستو سلیفر مشاهده کرد که بیشتر کهکشان ها دارای انتقال به سرخ هستند تا اتقال به آبی . [۱۸] درسال 1929 ، ادوین هابل (Edwin Hubble) کشف کرد کهکشان هایی که در فاصله ی بیشتری از ما قرار دارند با سرعت بیشتری از ما دور می شوند ، این سرعت متناسب با فاصله است . به عبارت دیگر کهکشان هایی که در فاصله دورتری نسبت به ما هستند دارای اتقال به سرخ بیشتری نیز می باشند . کهکشان های دور دست فاصله ای در ابعاد میلیون و میلیارد سال نوری با ما دارند و این به این معناست که ما به گذشته ای در ابعاد میلیون یا میلیارد سال نوری نگاه می کنیم . در حین سفر نور کهکشان ها به سمت ما طیف نور ازطول موج های کوتا هتر به سمت طول موج های بلند تر - انتقال به سرخ – اتقال می یابد . این انتقال به سرخ در اثر انبساط ساختار فضا است. اگر طول موج دو برابر شود ، جهان می باید با ضریب 2 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 می کنید . 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 گذشته ی یک جهان منبسط شونده خواهیم دید که فاصله ی میان کهکشان ها در حال کاهش و چگالی جهان در حال افزایش است . این روند تا جایی ادامه پیدا می کند که تمامی ماده جهان در حجمی بسیار کوچک متراکم می شود ، که نتیجه این روند چگالی باور نکردنی جهان اولیه - لحظه بیگ بنگ – است . با تقسیم فاصله ی کهکشان بر سرعت ذاتی آن قادر به تخمین طول عمر جهان خواهیم بود . با این روش می توانیم تخمین بزنیم که در چه زمانی فاصله ی ما تا دیگر کهکشان ها صفر بوده است . محاسبات نشان می دهند که بیگ بنگ در حدود 10 تا 15 میلیون سال قبل - 3 برابر عمر زمین – اتفاق افتاده است . [۱۹] یکی از راه های تست کردن این تخمین این است که به ذنبال کهن ترین جسم در کیهان باشیم این جسم می باید سنی در حدود 10 تا 15 میلیارد سال داشته باشد نه بیشتر . روش دیگر بررسی فعالیت های رادیو اکتیوی ایزوتپ های اورانیوم است . می دانیم که کهن ترین ایزوتوپ های تشکیل شده توسط فعالیت های هسته ای ابر –نو اخترها 10 میلیارد سال سن دارند . با استفاده از مدل های امروزی تحول ستاره ای می دانیم که کهن ترین ستارهای موجود در کهکشان را شیری در حدود 10 میلیارد سال سن دارند . سنین به دست آمده با تخمین -های ما مطابقت دارند [۲۰]
فراوانی هلیم و دتریم در کیهان با توجه به این که در ابتدای کیهان دما بسیار زیاد بوده است می تواند دلیل خوبی برتائید این مطلب باشد که هلیم و دتریم پیش از تشکیل هر ستاره ای در جهان بوجود آمده اند . این عناصر در همجوشی های هسته ای تولید می شوند. همجوشی یک پروتون با یک نترون منجر به تولید دتریم - هیدروژن سنگین - می شود . این فرایند تنها در دماهای بسیاربالا مثل دمای هسته ی ستارهها امکان پذیر است . در سال 1946 ، جورج گاموو(George Gamow) یکی ازدانشجویان فریدمن پیشنهاد داد که همجوشی هسته ای می بایست در کیهان اولیه زمانی که دما بسیار بالا بود اتفاق افتاده باشد . این فرآیند سنتز هسته ای نام دارد ، که منجر به تولید هلیم و دتریم (همچنن مقداری لیتیم و بریلیوم) از دریای انبوه پروتون ها و نترون های پر انرژی کیهان اولیه شده است .در اوایل دهه ی 1960 طیف سنجی ستاره های محلی نشان داد که هلیم 20 تا 30 در صد از جرم ستارهها را تشکیل می دهد . و بقیه جرم ستاره را غالبا ازهیدروژن تشکیل شده است . تنها دو منبع در جهان حاضر فادر به تولید هلیم هستند که یکی ستاره های آسمانند و دیگری بمب های اتمی . هر دو این ها با استفاده از همجوشی هسته ای و در آمیختن هسته های هیدروژن ، هلیم تولید می کنند که انرژی فراوانی نیز از این فرایند تولید می شود .ستاره شناسان بر این اعتقادنند که اگر تمامی هلیم موجود در جهان توسط ستارهها تولید شده است درنتیجه روشنایی آسمان باید بیشتر از حال حاضر باشد . بنابراین هلیوم موجود می باید قبل از ستارهها تولید شده باشد . برپایه تئوری سنتز هسته ای مدل بیگ بنگ فیزیکدان ها در اواسط دهه ی 1960 تخمین زدند که در حدود یک چهام جرم کیهان در ابتدا به هلیم تبدیل شده است ، در حالی که باقیمانده جرم به هیدروژن تبدیل شده. این مقدار با اندازه گیری های اولیه 20 تا 30 درصد فراوانی هلیم ، که امروزه مشاهده می کنیم - که توسط بیگ بنگ ، قبل از اینکه در ستاره ای تولید شود، تولید شده است - سازگار است . در اوایل دهه ی 1970 با مطالعه طیف دیگر کهکشان ها مشخص شد که اکثریت هلیم مشاهده شده قبل از شکل گیری ستاره ای در کیهان وجود داشته است . مقدار اکسیژن موجود در ستاره میزان سنتز هسته ای ستاره را نشان می دهد زیرا این ستارهها هستند که توسط همجوشی هسته ای هیدروژن عناصر سنگین تری مثل : اکسیژن ، نیتروژن ، کربن و هلیوم را تولید می کنند . اگر همانند اکسیژن تمامی هلیوم موجود در کیهان توسط ستارهها تولید شده باشد انتظار نمی رود در کهکشان هایی که اکسیژن ندارند هلیوم یافت شود زیرا کهکشان ها قبل از شکل گیری عناصرسنگین در ستارهها شکل گرفته اند . برای شکل گیری یک کهکشان مقدار اولیه هلیوم مورد نیاز در حدود 24 درصد است و این مطلب تاییدی بر وجود تئوری سنتز هسته ای 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 هسته ای به هلیوم تبدیل شده است - دفاع می کنند . شاهد دیگری برای تایید سنتز هسته ای در کیهان اولیه دتریوم می باشد . دتریم بر خلاف هلیوم هرگز در مرکز ستارهها تولید نمی شود .دتریم تولید شده در ستارهها در دمای بالا و فشار زیاد بلا فاصله یا تجزیه می شود- در دمایی بالاتر از یک میلیون درجه کلوین دتریم به یک پروتون و یک نترون تجزیه می شود- و یا اینکه به هلیوم تبدیل می شود . ستاره شناسان در اوایل دهه 1970 پی بردنند که عاملی نا مشخص در کیهان حاضر منجر به تولید دتریم می شود . مطالعات انجام گرفته در سال 1973 بر روی طیف جذبی ستاره های نزدیک شان داد که ماده ی میان ستاره ای حاوی مقدار کمی دتریوم می باشد . و از آنجا که ستارهها قادر به تولید دتریوم نمی باشد ، در نتیجه دتریوم موجود می بایستی درابتدای شکل گیری کهکشان ها یا حتی قبل از آن تولید شده باشد . با وجود اینکه در کیهان اولیه دما به شدت بالا بوده است ولی به دلیل انبساط عالم چگالی و فشار به سرعت کاهش یافته طی این مدت دتریوم تولید شده فرصتی برای تجزیه پیدا نکرده است . 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 [۱۸]
تابش پس زمینه ی کیهانی دلیل سوم و نهایی برای مدل بیگ بنگ تابش پس زمینه ی کیهانی است . در سال 1948 آقای گاموو پیش بینی کرد که تابش حاصل از سنتز هسته ای کیهان اولیه هنوز فابل آشکار سازی است . او دمای لازم برای تشکیل هلیوم در کیهان اولیه را محاسبه کرد و بر اساس آن دمای تابش های به جا مانده از آن فرآیند را در جهان امروز حدود 5 درجه ی کلوین تخمین زد . اغلب فیزیکدان های تئوری و حتی خود او بر این باور بودند که این دما برای ردیابی بسیار ضعیف است. به هر حال در سال 1964 دو ستاره شناس رادیویی به نام های آرنو پنزیاس (Arno Penzias) و رابرت ویلسون (Robert Wilson) می کوشیدند تا سیگنال های مزاحم پس زمینه را از سیگنال های دریافتی آنتن رادیویی خود حذف کنند . آنها بر این باور بودند که عامل این نویز مزاحم پس زمینه فضله ی کبوترانی است که در آنتن رادیویی آنها لانه کرده اند و با پاک کردن این فضلهها می توانند این نویز مزاحم را حذف کنند اما پس از یک سال آنها همچنان این نویز مزاحم را دریافت می کردنند ، و قادر به حذف آن نبودند . آن دو متوجه شدن که این نویز در تمام جهات به صورت یکسان دریافت می شود - چه آنتن رادیویی آن ها به سمت خورشید هدفگیری شده باشد یا به سمت مرکز کهکشان و یا حتی محدوده های خالی آسمان- این بدان معنا بود که این سیگنال می بایستی از ورای کهکشان منشاء داشته باشد ، در غیر این صورت نمی توانست در تمام جهات آسمان به صورت یکسان دریافت شود . همگرایی شدید این سیگنال نشان می داد که منبع این سیگنال در فاصله ی دوری از ما قرار دارد به عبارت دیگر در اوایل عمر کیهان اتفاق افتاده است .همچنین منبع این سیگنال می بایستی پر قدرت باشد که در حال حاضر ما قادر به آشکار سازی آن هستیم . سرانجام فیزیکدان ها پی بردند که این تابش ها از انفجار اولیه کیهان منشاء گرفته اند - همان طور که آقای گاموو پیش بینی کرده بود - . اما آن ها چگونه می توانستند مطمئن شوند که کشف پنزیاس و ویلسون همان تابش پس زمینه ی کیهانی است ؟ اگر این تابش حاصل بیگ بنگ باشد باید از طیف جسم متعارفی که جسم سیاه نامیده می شود پیروی کند. جسم سیاه جسمی است که تمام تابش دریافتی را جذب می کند . بر اساس مدل بیگ بنگ کیهان اولیه تجمعی فشرده شده از ذره و نور بوده است ، و دمایی بسیار بالا داشته است . در یک چنین محیطی ذره دائما با نور در برخورد بوده است ، آن را جذب می کرده و دوباره آن را تابش می کرده است . نور در یک چنین شرایطی دارای طیف جسم سیاه می باشد ، و این مشخصه نور در طول سفرش در فضای منبسط شونده ثابت می ماند . در طیف جسم سیاه هر طول موج دارای شدت خاصی است . و این شدت در طول موج های مختلف تنها تابع دمای جسم است . بنابراین ستاره شناسان با اندازه گیری شدت تابش در طول موج های مختلف میتوانند نتیجه یگیرند که این تابش با تابش جسم سیاه مطابقت دارد یا خیر. در دهه ی 1970 گروه های مختلفی شدت تابش را در امواج ماکرو ویو و فروسرخ اندازه گیری کردند . تمامی این مشاهدات تایید کرد که تابش پس زمینه ی کیهانی یک تابش جسم سیاه می باشد و دمای آن در حدود 3 درجه ی کلوین است . در سال 1991 رصد خانه فضایی COBE اندازه گیری دقیقی از تابش پس زمینه ی کیهانی انجام داد و نتیجه بسیار شگفت آور بود . در 43 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 آن ها مهو می شد . این مورد ، آخرین نمونه از یکسان بودن فیزیک تئوری و مشاهدات انجام گرفته شده توسط نجوم بود . بر اساس اندازه گیری های ماهواره COBE دمای تابش پس زمینه ی کیهانی می بایستی 0.010±2.726باشد . این مقدار اندازه گیری شده به اندازه قابل توجهی از مقدار اصلی تابش کمتر است ودلیل این امر انبساط عالم می باشد -عالم منیسط شونده منجر به افزایش طول موج تابش شده و انرژی موج را کاهش می دهد - این موج به اندازه سن عالم در راه بوده تا به ما برسد . امروزه ستاره شناسان می دانند که عالم منبسط شونده طول موج تابش پس زمینه ی کیهانی را با ضریب 1000 افزایش می دهد . درخش پس از بیگ بنگ در زمانی اتفاق افتاده است که عالم تنها 000/500 هزار سال عمر داشته است در نتیجه تابش پس زمینه ی کیهانی قدیمی ترین سوژه رصد شده تا کنون است .در حقیقت ما اتفاقات حاصل از بیگ بنگ را نظاره می کنیم . [۱۹]
مشخصات جهان
عمر جهان(Age of universe) T=13.7x1012 years =4.3x1020 s
شعاع جهان(Radius of universe) R=1.6x1026 m
حجم جهان (Volume of universe) V=17.1x1078m3
چگالی چهان(Density of universe) D=10-18 kg/m3
جرم جهان(Mass of universe) M=(density)x(volume), so; M= 17.1x1060 kg توجه شود که ارقام فوق تقریبی است، اما نتیجه ای که از آنها می خوهیم بگیریم، عمیقتر از اهمیت درستی یا نادرستی ارقام فوق است[۱۴]
تداوم انبساط کیهان جنبش انبساطی یا به عبارت دیگر از همدیگر دور شدن کهکشان ها به هر حال رو به کند شدن است. زیرا جزایر جهانی متعدد در واقع به سمت یکدیگر جذب میشوند و در نتیجه حرکت انبساطی آن ها کند تر میشود. اکنون پرسش این است که آیا زمانی همهٔ این حرکت ها 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 نیرو های گرانش میان کهکشان ها و دیگر اجزای گیتی بیشتر بوده و به همان نسبت حرکت آن ها 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 جرم های بسیار بزرگ ناشناختهای از قبیل ( سیاه چالههای اسرار آمیز) یا ( ابرهای گازی شکل تاریک) وجود داشته باشند و یا نوترینو ها که بدون جرم به شمار میآیند جرمی هرچند کوچک داشته باشند. اگر این طور باشد در این صورت حرکت کیهانی زمانی شاید 30 میلیارد سال دیگر متوقف خواهد شد. در آن زمان کهکشان ها 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 می باید روی یک انفجار اولیه جدید دیگر و زاده شدن یک کیهان دیگر حساب کنیم. با توجه به سطح کنونی دانش آدمی و میزان پژوهش های 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 می دهد که جهان در حال انقباض است.نخست نور دریافتی از ستارگان به طرف آبی جابجا می شوند.فاصله بین اجسام در حال کاهش است. بنابراین فاصله بین زمین و ماه کاهش می یابد، ماه به زمین وصل می شود. زمین و سایر سیارات در خورشید سقوط می کنند. فشار گرانش افزایش می یابد. خورشید وستاره ی آلفا قنطورس (نزدیکترین ستاره به خورسید) یکدیگر را جذب می کنند. فاصلهها به سرعت کاهش می یابد. حجم جهان کاهش می یابد و شدت گرانش و فشار آن افزایش می یابد. چه اتفاقی برای اتمها می افتد؟[۲۰] شعاع مدار اتمها کاهش می یابد. الکترونها در هسته سقوط می کنند. بنابراین تنها هستهها باقی می مانند. 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[۱۴] چگالی هسته 2x1017 kg/m3 فرض کنیم جهان کاملاً درهم فرو ریزد. بنابراین با توجه به چگالی هسته حجم جهان را حساب می کنیم حجم جهان Vo=M/D=8.5x1043 m3 آنگاه شعاع جهان برابر خواهد شد با Ro=2.7x1014 m و این یک سیاه چاله ی مطلق است[۸]
سیاه چاله مطلق با توجه به نظریه سی. پی. اچ. همه چیز از سی. پی. اچ. ساخته شده است. همچنین هستهها نیز از سی. پی. اچ. ساخته شده اند. سی. پی. اچ. ها در هسته اتم اسپین دارند و در کنار یکدیگر حرکت می کنند. سی. پی. اچ. دارای اسپین و حرکت انتقالی است. بطوریکه gradVc=0 in all inertial frames and any space فرض کنیم یک سی. پی. اچ. دارای سرعت انتقالی و اسپین v, sهنگامیکه سرعت انتقالی آن به سمت صفر میل می کند، اسپین آن به ماکزیمم می رسد. هنگامیکه فشار گرانش خیلی افزایش یابد، فاصله بین سی. پی. اچ. ها کاهش می یابد. هیچ جسم یا ذره ای حتی نور و سایر امواج الکترمغناطیسی نمی تواند از میدان گرانش آن بگریزد. شکل زیر در این حالت سرعت انتقالی سی. پی. اچ. نزدیک به صفر است. مهبانگ (بیگ بنگ ) از سیاه چاله ای نظیر آن بوجود آمده است. با توجه به معادله زیر ما می توانیم 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 چاله ای یک سیاه چاله ی 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 نمی کند و سیاه چاله ی مطلق منفجر می شود در لحظات اولیه سی. پی. اچ. ها با سرعت Vc می گریزند و اثر گرانش در همه جا گسترش می یابد. با توجه به اینکه شعاع جهان در این حالت از رابطه زیر به دست می آید Ro<<2.7x1014 m و با توجه به سرعت سی. پی. اچ. جهان در چند ثانیه شدیداً منبسط می شود. اما در آنجا ماده و انرژی وجود ندارد. در این وضعیت تنها سی. پی. اچ. است که با سرعت انتقالی Vc در فضا منتشر می شود. اما سی. پی . اچ. ها با یکدیگر دارای کنش متقابل هستند و یکدیگر را جذب می کنند. سی. پی. اچ. ها اسپین می گیرند و کوانتوم های کوچک انرژی شکل می گیرند. آنگاه امواج الکترومغناطیسی ظاهر می شوند. این مرحله در یک مدت زمان بسیار طولانی اتفاق می افتد. بتدریج انرژی در مدت های کوتاه تری تولید می شود. و مقدار زیادی کوانتوم های بزرگ انرژی ظاهر می شود 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 می شود، مرکز آن تحت فشار شدید از همه ی اطراف قرار می گیرد. شکل زیر در ثانیه اول انفجار کنش و واکنش ها در مرکز جهان بسیار شدید است. مقادیر متنابهی انرژی تشکیل می شود و به ماده و پاد ماده تبدیل می شوند. بتدریج گرد وعبار و اجسام ظاهر می شوند. با انبساط جهان اندازه اتمها نیزافزایش می یابد.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 نمی گذرد . کهکشان های دوردست که از ما دور می شوند ما را متوجه ساختند که جهان در حال انبساط است . با سفری به گذشته این جهان منبسط شونده ما به کیهان اولیه ای چگال و داغ می رسیم . در میانه های قرن بیستم به این مطلب پی بردیم که واکنش های هسته ای در کیهان اولیه رخ داده اند دلیلی بر فراوانی نسبی هلیوم و دتریوم می باشند . با حرکت به جلو توانستیم درخش پس از بیگ بنگ را که میلیارد ها سال پیش اتفاق افتاده است ، آشکار سازی کنیم . در نهایت کشف این که جهان با بیگ بنگ آغاز شده است 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 فیزیکدان های ذره ای در حال تدارک تئوری در مورد تاریخ جهان در چند ترلیونیوم ثانیه پس از بیگ بنگ هستند . آنها قادرند که نظری های خود را با استفاده از شتاب دهنده های ذرات امتحان کنند و وقایع را ( حتی با انرژی های بالا ) همانند جهان اولیه شبیه سازی کنند . برای درک اینکه جهان چگونه آغاز شده است 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 جاذبه است تا جایی که روزی ما به این حقیقت پی ببریم که چه چیزی در لحظه ی تولد جهان اتفاق افتاده است . |