نظریه بیگ بنگ و انبساط جهان
بحث بیگ‌بنگ و انبساط جهان یکی از اون چیزایی بود که
توی کامنت‌ها زیاد پرسیده شده بود.
وقتی که نظریه‌ی بیگ‌بنگ رو به عنوان یه توضیح برای نحوه‌ی شروع این جهان
در نظر می‌گیریم و می‌پذیریم که جهان ما در حال انبساطه، سوالاتی پیش میاد مثل اینکه:
این انبساط تا کی قراره ادامه داشته باشه؟
یعنی تا ابد همینطور جهان بزرگ و بزرگتر میشه؟
یا اینکه بالاخره یه جایی متوقف میشه؟
این درسته که میگن بعد از انفجار بزرگ، جهان با سرعتی بالاتر از سرعت نور منبسط شده؟
اگه اینجوریه پس تکلیف نسبیت خاص چی میشه که میگه هیچ چیزی نمی‌تونه
سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنه؟ جهان قابل مشاهده چیه؟
چرا وسعتش از عمر جهان بیشتره؟
اگه جهان ما از یه نقطه‌ی خیلی ریز شروع شده، پس الان
می‌تونیم یه جای مشخصی رو به عنوان مرکز جهان یا نقطه‌ی شروع جهان در نظر بگیریم؟
توی این ویدیو می‌خوایم با هم به این سوال‌های جالب
جواب بدیم که میشه گفت لبه‌ی دانش ما انساناست.
با بیگ‌بنگ شروع می‌کنیم.
اصلا چی شد که یه همچین ایده‌ی عجیبی مطرح شد که جهان ما با این وسعتش
از یه نقطه‌ای خیلی کوچیکتر از یدونه اتم به وجود اومده که یهو دچار یه انفجار خیلی عظیم
میشه که فضا و زمان و ماده و خلاصه همه چیز از تو دل همین انفجار به وجود میاد.
از زمانی که انسان شروع به تفکر کرد این سوال توی ذهنش بود که
این جهانی که داره توش زندگی می‌کنه چطوری به وجود اومده.
اواخر قرن شونزدهم میلادی، یه کشیش ایتالیایی به نام جوردانو برونو
ایده‌ی جهان ایستا (Static Universe) رو مطرح کرد.
توی این مدل، فضا و زمان بی‌نهایت بودن، جهان هم کاملا ثابت بود،
یعنی نه در حال انبساط بود نه در حال انقباض.
با اینکه کلیسای کاتولیک که اون زمان حسابی جولان میداد،
برونو رو به جرم کفر، زنده‌زنده آتیشش زد و کشت،
ولی ایده‌ی جهان ایستا تا چند قرن بعد همچنان پرطرفدار باقی موند.
سال 1912 یه ستاره‌شناس آمریکایی به نام وستو اسلیفر (Vesto Slipher)
دنبال کشف این موضوع بود که سحابی‌های مارپیچی از چه موادی ساخته شدن.
اون زمان ما هنوز هیچ اطلاعی از کهکشانهای دیگه نداشتیم،
جهان برای ما فقط همین کهکشان راه‌شیری خودمون بود،
لکه‌های نورانی کوچیک و بزرگی که الان می‌دونیم کهکشانهای دیگه‌ای هستن،
اون زمان فکر می‌کردیم سحابی‌ان، یعنی ابرهایی از گاز گردوغبارن.
اسلیفر متوجه شد که این اجرام دارن با سرعت زیادی از ما دور میشن.
این کشف رو با استفاده از اثر داپلر یا دوپلر (Doppler Effect) انجام داد،
که قبلا ازش حرف زدم اما یه خلاصه‌ی کوچولو هم اینجا میگم.
صدای بوق ماشین اگه دقت کرده باشید، زمانی که داره به شما نزدیک میشه
فرق می‌کنه با زمانی که داره از شما دور میشه.
دلیل این اتفاق، که بهش میگن اثر داپلر، اینه که وقتی منبع
تولید کننده‌ی صوت (یعنی همون ماشین) داره به شما نزدیک میشه،
امواج صوتی که از خودش منتشر می‌کنه طول موجشون کوتاه‌تر میشه.
برای همین هرچی به شما نزدیک‌تر میشه، صداش زیرتر میشه، صداش جیغ‌تر میشه.
برعکس، وقتی که منبع صوت از شما دور میشه،
طول موج صداش بلندتر میشه، برای همین صداش بم‌تر میشه.
این قضیه فقط مخصوص امواج صوتی نیست، در مورد نور و
بقیه‌ی امواج الکترومغناطیسی هم اثر داپلر اتفاق میفته.
اجرام فضایی که به ما نزدیک میشن، نوری که ازشون به ما میرسه،
طول موجش کوتاه‌تر میشه، یعنی میره به سمت نور آبی،
که به این حالت میگن Blue Shift یا انتقال به آبی.
اما برعکس، اجرامی که از ما دور میشن، نورشون طول موجش بلندتر میشه،
میره به سمت نور قرمز، که بهش میگن Red Shift یا انتقال به سرخ.
اسلیفر با استفاده از همین قضیه نتیجه گرفت که اون سحابی‌های مارپیچی،
که الان می‌دونیم کهکشان بودن، دارن از ما دور میشن.
پس اینجا برای اولین بار این ایده مطرح شد که دنیای ما در حال منبسط شدنه،
البته خیلی دیگه طول کشید تا از طرف دانشمندا پذیرفته بشه.
حتی اینشتین هم طرفدار نظریه‌ی جهان ایستا بود، سال 1917،
توی مقاله‌ای که در مورد کیهان‌شناسی نوشت نظرش این بود که
یه جهان ثابت داریم که توش زمان بی‌نهایته اما فضا محدوده.
سال 1922 یه دانشمند روسی به نام الکساندر فریدمان (Alexander Friedmann)
فرمول‌هایی به دست آورد که نشون میداد جهان در حال انبساطه،
بر خلاف چیزی که اینشتین فکر می‌کرد.
دو سال بعد ادوین هابل معروف (Edwin Hubble) کشف کرد که این سحابی‌ها در واقع
خودشون کهکشانهای دیگه‌ای هستن که فاصله‌های خیلی زیادی از ما دارن.
اینجا نقطه‌ای بود که باورهای ما در مورد اینکه مرکز جهانیم و
همه چیز داره حول ما می‌چرخه، شکستن و فروریختن.
معلوم شد که کهکشان ما فقط یکی از میلیاردها کهکشان دیگه‌ست که تو فضا شناورن.
هیچ امتیاز خاصی هم نسبت به اونا نداره.
بعد از چند سال تحقیق، سال 1929، هابل با تخمین زدن
فاصله‌ی کهکشان‌هایی که قبلا اسلیفر انتقال به سرخشون رو اندازه‌گیری کرده بود،
به این نتیجه رسید که هرچقدر فاصله‌ی این کهکشان‌ها
از زمین بیشتر باشه با سرعت بیشتری از ما دور میشن.
چیزی که به عنوان قانون هابل شناخته میشه.
سال 1931 یه دانشمند بلژیکی به نام ژرژ لومتر (Georges Lemaitre)
که یه کشیش مسیحی بود، براساس معادلات فریدمان و بحث انبساط جهان،
پیشنهاد کرد که بیاییم جهت زمان رو معکوس کنیم.
یعنی الان هرچقدر که زمان می‌گذره، اجزای سازنده‌ی جهان دارن از هم دورتر میشن،
حالا اگه بیایم مثل یه فیلم برعکسش کنیم، هرچقدر به زمان‌های گذشته برگردیم،
قاعدتا این اجزا دوباره باید به هم نزدیک‌تر بشن، یعنی درنهایت
به یه نقطه‌ای می‌رسیم که تمام این اجزا از اون نقطه شروع به حرکت کردن.
اسم این نقطه رو گذاشت اتم اولیه (Primeval Atom)،
نظریه‌ش هم معروف شد به نظریه‌ی اتم اولیه.
لومتر معتقد بود جهان ما نتیجه‌ی یه انفجار بزرگه که میلیاردها سال قبل اتفاق افتاده.
اما جالبه که اون زمان برخلاف الان، بیشتر دانشمندا و ستاره‌شناسا با این ایده مخالف بودن.
یکی از دلایل این مخالفت این بود که این نظریه،
یه نقطه‌ی شروعی برای زمان در نظر می‌گرفت.
حتی خیلی‌ها اعتراض داشتن که این نظریه داره مفاهیم مذهبی رو وارد مسایل علمی می‌کنه،
اصلا خودِ کشیش بودن لومتر باعث میشد که این بدبینی بیشتر بشه.
به هر حال کسایی که موافق این ایده بودن سعی می‌کردن ایراداتشو برطرف کنن و
کامل‌ترش کنن، مخالفا هم سعی می‌کردن نظریه‌های جایگزینی براش پیدا کنن.
مثلا یکیشون نظریه‌ی حالت پایدار (Steady State) بود که سال 1948
توسط سه تا دانشمند به نام فرد هویل (Fred Hoyle) و
توماس گولد (Thomas Gold) و هرمان بوندی (Hermann Bondi) ارائه شد.
اینا انبساط جهان رو همچنان قبول داشتن، اما مشکلشون این بود که
نمی‌تونستن بپذیرن که فضا و زمان یه نقطه‌ی شروعی دارن.
خلاصه‌ی نظریه‌شون این بود که جهان ما دائما در حال منبسط شدنه،
اما توی فضاهای بین کهکشان‌ها مرتبا ماده‌ی جدید ساخته میشه،
که باعث میشه ستاره‌ها و کهکشانهای جدید به وجود بیان.
یعنی جهانی که این نظریه توصیف می‌کرد، نه ابتدایی داشت،
نه انتهایی، همیشه وجود داشته و تا ابد هم وجود داره.
البته خب الان دیگه این نظریه کاملا رد شده
چون با شواهدی که توی دنیای واقعی می‌بینیم جور در نمیاد.
اصطلاح بیگ‌بنگ (Big Bang) یا انفجار بزرگ هم اولین بار سال 1949
از طرف یکی از مخالفان این نظریه بهش داده شد، یعنی همین فرد هویل.
هنوزم نظریات مختلفی وجود داره، احتمالشم خیلی زیاده که در آینده بیگ‌بنگ
جاشو بده به یه نظریه‌ی بهتر و کاملتر، اما خب فعلا با تمام ایراداتی که داره
بهتر از بقیه تونسته جهان ما رو توصیف کنه.
حالا دیگه مراحل کاملتر شدن این نظریه رو ازش رد میشیم،
میریم سراغ اینکه اصلا حرفش چیه، شروع جهان ما رو چطوری توضیح میده.
بیگ‌بنگ، خارج از اینکه اصلا درست باشه یا نباشه، فقط مربوط به اینه که جهان
چطور از اون نقطه‌ی اولیه به اینجا رسیده، با قبلش کاری نداره.
با محاسباتی که دانشمندا و ستاره‌شناسا تو چند دهه‌ی گذشته انجام دادن،
مراحل شکل‌گیری جهان بعد از انفجار بزرگ به این صورت پیشنهاد شده.
حدود 13.8 میلیارد سال پیش، جهان ما از یه نقطه‌ی بی‌نهایت کوچیک و داغ و متراکم،
به نام تکینگی (Singularity) شروع به انبساط می‌کنه.
بیشترین ابهام مربوط به اون لحظات اولیه‌ی بعد از انفجاره، هرچقدر که زمان
بیشتری می‌گذره بهتر می‌تونیم توضیح بدیم که چه اتفاقاتی افتاده.
از شروع انفجار تا 10 به توان منفی 43 ثانیه، اندازه‌ی جهان 1.6 ضربدر 10 به توان منفی
35 متر بود یعنی میلیاردها میلیارد برابر کوچیکتر از یه دونه اتم.
10 به توان منفی 43 ثانیه هم، یعنی یک ثانیه به رو یک میلیارد میلیارد میلیارد میلیارد
میلیارد (5 تا) قسمت تقسیم کنید، یکی از اون قسمت‌ها.
اینجا تمام نیروهای بنیادی یکی بودن، یعنی گرانش و الکترومغناطیس و
هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف، هر چهارتاشون یه نیروی واحد بودن.
دمای جهان هم حدود 10 به توان 32 درجه بود که
هیچ ذره‌ای توی این دما نمی‌تونست وجود داشته باشه.
10 به توان منفی 37 ثانیه بعد از انفجار، دما شروع به پایین اومدن کرد
و نیروی گرانش از اون نیروی واحد جدا شد.
این مرحله معروفه به مرحله‌ی تورم که جهان با یه سرعت
خیلی خیلی بیشتر از سرعت نور شروع به انبساط کرد.
اینجا نیروی هسته‌ای قوی هم از اون نیروی واحد جدا شد.
این تورم شدید حدود 10 به توان منفی 32 ثانیه بعد از انفجار، متوقف شد،
یعنی جهان همچنان به انبساطش ادامه میداد اما سرعتش یه مقدار کمتر شد.
اینجا اندازه‌ی جهان تقریبا یک میلی‌متر بود.
دما به اندازه‌ای رسید که ذرات بنیادی مختلفی مثل کوارک و گلوئون تونستن به وجود بیان.
سرد شدن جهان همچنان ادامه داشت تا اینکه نیروهای الکترومغناطیس و
هسته‌ای ضعیف هم از همدیگه جدا شدن.
تقریبا یک میکروثانیه بعد از انفجار، کوارک‌ها و گلوئون‌ها با هم
ترکیب شدن و پروتون‌ها و نوترون‌ها به وجود اومدن.
اینجا یه فرایند نابودسازی بزرگ شروع شد که باعث شد ذرات پروتون و نوترون
با ذرات پادپروتون و پادنوترون همدیگه رو نابود کنن،
طوری که تقریبا از هر صد میلیارد تا فقط یکیشون باقی موند.
یک ثانیه بعد از انفجار، الکترون‌ها و پوزیترون‌ها هم با همدیگه
خنثی شدن که باعث شد یه مقدار کمی الکترون باقی بمونه.
نکته‌ی جالب اینه که گفته میشه بعد از گذشت یک ثانیه از عمر جهان،
اندازه‌ش به چند سال نوری میرسه که یه کم جلوتر میگم چطور چنین چیزی ممکنه.
بعد از گذشت چند دقیقه، دمای جهان کاهش پیدا کرد به یک میلیارد درجه
که باعث شد بعضی از پروتون‌ها و نوترون‌ها بتونن کنار هم جمع بشن و
هسته‌های دوتریوم و هلیوم به وجود بیاد.
حدود 380 هزار سال بعد هم الکترون‌ها تونستن جذب پروتون‌ها و نوترون‌ها بشن و
اولین اتم‌های خنثی تشکیل بشن، که بیشترشون اتم‌های هیدروژن بودن.
این باعث شد تابش از ماده جدا بشه و فوتون‌ها توی فضا پراکنده بشن.
این فوتون‌ها که از 13.8 میلیارد سال پیش تا همین الان
توی همه‌ی قسمت‌های جهان ما وجود دارن معروفن به تابش زمینه‌ی کیهانی.
این تابش قبل از اینکه سال 1964 کشف بشه، توی نظریه‌ی بیگ‌بنگ پیش‌بینی شده بود.
از این به بعد، کم‌کم اون جاهایی که اتم‌های هیدروژن یه مقدار غلظت بیشتری داشتن،
بر اثر جاذبه کنار هم جمع شدن و ابرهای هیدروژنی رو تشکیل دادن.
باز این ابرها به هم فشرده شدن و اولین ستاره‌ها و
بعد هم اولین کهکشانهای جهان به وجود اومدن.
کهکشانهای اولیه هم دوباره بر اثر جاذبه با هم ترکیب شدن و
کهکشانهای بزرگتر و پیچیده‌تر تشکیل شدن که این فرایند همچنان ادامه داره.
خب حرف کلی نظریه‌ی بیگ‌بنگ رو شنیدیم،
حالا بریم ببینیم مخالفان این نظریه چی میگن.
