بررسی فیزیکی روند وقوع انفجار بزرگ

تا آنجا كه درك و بینش بشربه او اجازه می دهد، خلقت جهان از پدیده ای فیزیكی كه میلیاردها سال پیش اتفاق افتاده است، شروع می شود؛ پدیده ای كوچك و بسیار داغ. ستاره شناسان آن پدیده را انفجار بزرگ (بیگ بنگ) می نامند، چون در آغاز بیشتر شبیه یك انفجار دانسته می شد.آنچه كه از این پدیده در دست است حاصل تلفیق دانسته های انسان از فیزیك ذرات و مدل های ریاضی بیان كننده نحوه پیدایش و رفتار آنها در میلیاردها سال پیش است و اگر روزی در آینده این نظریات كاملا رد شوند، نباید انسان عصر معاصر را مقصر دانست، چون فعلا دانش ما بیشتر از این نمی تواند در مورد پیدایش كیهان بحث كند. در این زمینه نظریه نسبیت عام اینشتین مهمترین دستاویز بشر برای توجیه نظریات امروزی ست. این نظریه بخوبی ماهیت و چگونگی رشد كمی جهان را توسط مدل های ریاضی توجیه می كند. علاوه بر آن نظریات دانشمندان در مورد ماده و چگالش تشعشعات ابتدای پیدایش كیهان با مطالعه تشعشعات نوری باستانی كه در طول شب از گذشته های بسیار دورتر می رسند، وجهه علمی و مستندی به خود می گیرند. با این حال، اینها همه نظریاتی هستند كه از سوی انسان مبتلا به نقص نسبی دانش ارائه می شود و هیچ گاه مطلقا درست یا مطلقا غلط نیستند.در این نوشته سعی خواهد شد انفجار بزرگ و به طور كلی سیر روند پیدایش كیهان در بازه های زمانی گوناگون (از آغاز تاكنون) به صورت اجمالی مورد بحث واقع شوند تا تصویری كلی از نظریات دانشمندان در مورد پیدایش كیهان ارائه شود.
۱ زمان: بازه پلانك، ۴۳ - ۱۰ ثانیه پس از انفجار
در این بازه زمان از تكامل جهان، اگر نظریه String درست باشد، نمی توان چیز زیادی از دما و شكل هندسی زمان گفت. از رابطه دوگانگی نظریه می دانیم كه هندسه زمان فضایی اساسی و بنیادی نیست، اما با بررسی بازه های زمانی بزرگتر می توان برای آن ماهیت و رفتار مشخصی قائل شد. به طور كلی می توان گفت: فیزیك در بازه زمانی پلانك غیرقابل فهم و تعریف است.كیهان شناسان عقیده دارند پس از بازه پلانك، بازه Inflation (برآمدن) قرار دارد. دوره برآمدگی زمین قابل فهم تر و منطقی تر از دوره پلانك به نظر می رسد، اما با این حال فیزیك نظری هر دو این بازه های زمانی در روند پیدایش كیهان را ادوار برآمدگی و بزرگ شدن جهان می داند. با توجه به این موضوع بازه های زمانی پلانك و Inflation پررمز و رازترین دوره های تاریخ پیدایش جهان به شمار می روند.
۲ زمان: بین ۱۲ ۱۰ و ۱۰ ۱۰ ثانیه پس از انفجار
این بازه زمانی جایی ست كه بیگ بنگ رسما شروع می شود. پس از پایان دوره Inflation جهان در حالت كوچك و داغ كوانتومی رها شد. در این بازه انرژی خلاء میدان های كوانتومی به حالت سوپ جوشانی از فوتون ها، گلون ها و دیگر ذرات عنصری جهان تبدیل شد. در نظریه نسبیت عام اینشتین، رشد پیدایش جهان با تبدیل انرژی چگالش به ماده و تشعشعات توجیه پذیر است. در اولین مرحله از وقوع بیگ بنگ قسمت تشعشی انرژی چگالش بقدری از قسمت مادی آن بزرگتر است كه می توان از وجود ماده لااقل برای زمان كوتاهی چشم پوشی كرد.
۳ زمان: ۱۱ ۱۰ ثانیه پس از انفجار
در این مرحله از بیگ بنگ جهان در حال انبساط كوچك ما پر است از جفت ذرات ماده و ضدماده كه توسط تشعشعات پدید آمده اند و هر دو آنها بلافاصله پس از تشكیل دوباره نابود شده و به تشعشعات تبدیل می شوند. در حال حاضر و با مشاهده ذراتی كه در این بازه قرار دارند، می دانیم كه هر ذره شناخته شده ضدماده ای با بار مخالف و اسپین (چرخش الكترون ها به دور هسته) همسان دارد. ذراتی كه بار آنها صفر است ضد ماده خود به شمار می روند. مثلا ضد ماده ذره كوارك (نوعی از ذرات عنصری) ضد كوارك نامیده می شود. در آغاز وقوع بیگ بنگ، جهان بقدری داغ بود كه كوارك ها و آنتی كوارك ها در مقیاس بسیاربزرگی از تشعشعات تولید و دوباره تبدیل به آنها می شدند؛ به گونه ای كه در هر لحظه تعداد معینی كوارك و آنتی كوارك در جهان وجود داشت، اما با ادامه روند انبساط جهان، جهان سردتر شد و تشعشعات كمتر می توانستند جفت ذرات كوارك و آنتی كوارك تولید كنند. با یخ زدن كوارك ها و آنتی كوارك ها در خارج از زمینه تشعشع، میزان بیشتری از كوارك ها نسبت به آنتی كوارك ها باقی ماند. ما از آنجا به این اتفاق پی می بریم كه امروزه كوارك های بیشتری در جهان مشاهده می كنیم تا آنتی كوارك .همه پروتون ها و نوترون ها در تمامی عناصر جهان از كوارك ها ساخته شده اند نه آنتی كوارك ها و به وضوح مشاهده می شود كه كوارك ها بسیار بیشتر از آنتی كوارك ها هستند. این فزونی چشمگیر كوارك ها به وسیله مدل استاندارد فیزیك ذرات توجیه نمی شود؛ به همین خاطر فزونی كوارك ها نسبت به آنتی كوارك ها مسئله ای ست كه در مطالعه پیدایش جهان، ایرادات اساسی به فیزیك ذرات وارد كرده و انتظار می رود تا وقتی كه انسان نتواند عملا رفتار ذرات را در یك شتاب دهنده (همانند شتاب دهنده سرن در سوئیس كه فعلا در مراحل اولیه ساخت به سر می برد) بررسی كند، این ایرادات اساسی بدون جواب باقی بمانند.
۴ - زمان: ۱۰-۱۰ ثانیه پس از انفجار
در این مرحله از انبساط و سرد شدن جهان، میانگین انرژی ذرات به انرژی هسته ای ضعیف تبدیل می شود و اتفاق دراماتیكی برای ذراتی كه انرژی ضعیف هسته ای را انتقال می دهند، می افتد.ما در فیزیك ذرات عناصر، یاد گرفته ایم كه بوزون هایی كه انرژی ضعیف هسته ای را حمل می كنند (همانند شكافت هسته ای)، بسیار سنگین هستند و حجم بسیار زیاد خود را در پروسه ای به نام شكست متقارن اسپونتانوس به دست می آورند. این پروسه در مقیاس های معینی از انرژی اتفاق می افتد؛ در انرژی نیروی هسته ای ضعیف. بالاتر از این میزان انرژی، بوزون ها بدون حجم هستند مثل فوتون هایی كه نیروی الكترومغناطیسی را بین پروتون ها و الكترون ها منتقل می كنند و گلون هایی كه نیروی هسته ای قوی بین كوارك ها جابه جا می كنند. پایین تر از این میزان انرژی، بوزون های ضعیف، بزرگ و سنگین هستند و به همین خاطر نیروی هسته ای ضعیف فقط در مقیاس های بسیار كوچك، در حدود ۱۶-۱۰ سانتی متر یعنی در حدود یك هزارم اندازه یك هسته عمل می كند.به همین خاطر، كهكشان شناسان معتقدند هنگامی كه جهان بسیار داغ بود، میانگین انرژی تشعشعی آن بالاتر از انرژی نیروی ضعیف هسته ای بود، بوزون های هسته ای ضعیف بدون حجم بودند و نیروی هسته ای ضعیف، برد معینی همانند فوتون ها و گلون ها داشت، اما به محض اینكه جهان بزرگتر و سردتر شد، سطح انرژی به جایی رسید كه شكست متقارن اسپونتانوس اتفاق افتاد و بوزون های هسته ای ضعیف، حجم به دست آوردند. این مسئله آنها را آهسته كرد و میزان انرژی آنها را محدود ساخت.۵ - زمان: ۴-۱۰ ثانیه پس از انفجار
در این بازه زمانی، جهان به حدی از انبساط و سرد شدن رسیده كه می دانیم اتفاقات اجتناب ناپذیری برای كوارك ها و گلون هایی كه با سرعت بسیار بالا در حال حركت هستند،می افتد. در این مرحله كه تغییر اساسی و گسترده ای در جهان اتفاق می افتد، همه آنها با یكدیگر تركیب شده و در اثر این محدودیت، مزون ها همانند مزون pi و باریون ها همانند پروتون و نوترون پدید می آیند. پیش از این پروتون ها و نوترون ها و مزون ها وجود نداشتند و به جای آنها سوپ داغی از كوارك ها و گلون ها در جهان وجود داشت.در مورد تعداد كوارك ها و گلون ها باید صادقانه گفت فیزیك ذرات فقط آنهایی را كه در مزون ها و باریون ها به دام افتاده اند، اندازه گیری كرده است. هیچ كس تا به حال كوارك یا گلونی را كه برای خود آزادانه حركت می كند، اندازه گیری نكرده است. در تئوری كوارك ها و گلون ها كه كرومودینامیك كوانتوم (QCD) گفته می شود، نظریه ای وجود دارد كه می گوید در دماهای بسیار بالا مرحله تغییری وجود دارد كه كوارك ها و گلون ها می توانند در آن از مزون ها و باریون ها جدا شده و به صورت آزادانه برای خود درجهان سیر كنند.
جزئیات این مرحله تغییر حتی به صورت تئوری هم بخوبی قابل فهم نیستند، اما فیزیكدانان بر وجود آن اصرار دارند و با توجه به موفقیت نظریه های پیشین فیزیكدانان ذرات در پیش بینی نظریاتی كه بعدها به اثبات رسید، پذیرش این نظریه كه جهان روزی به قدری سرد شد كه كوارك ها و گلون ها دیگر نمی توانستند آزادانه حركت كنند و برای اولین بار باریون ها و مزون ها را (كه جهانی را كه امروز می بینیم از آنها تولید شده است) تشكیل دادند، چندان غیرمنطقی نیست.
۶ - زمان: ۱۰۰ ثانیه پس از انفجار
در این مرحله از انبساط و سرد شدن جهان، میانگین دما به اندازه كافی پایین است تا نوترون ها و پروتون ها با هم تركیب شوند و هسته عناصر سبك تر همانند هیدروژن، هلیوم و لیتیوم را تشكیل دهند. فیزیكدانان، این مرحله از پیدایش جهان را تركیب هسته ای (nucleosynthesis) می دانند و عقیده دارند این اتفاق باید پیش از ایجاد ساختارهایی كه امروزه می بینیم همانند اتم ها و مولكول ها می افتاده است. نوترون ها و پروتون ها فقط در فاصله های بسیار كم، حدود ۱۳-۱۰ سانتی متر (مقیاس بین پیكو و فمتو) همدیگر را جذب می كنند. نیروی هسته ای قوی كه آنها را نزدیك به هم نگه می دارد محدود است و با افزایش فاصله، خودبه خود از بین می رود. بنابراین برای تشكیل هسته، نوترون ها و پروتون ها باید مدت زمانی را در فاصله بسیار نزدیكی به هم بگذرانند. این اتفاق در دماهای بالا امكانپذیر نیست، چون در این حالت نوترون ها و پروتون ها بسیار سریع حركت می كنند و مدت زمانی كه در كنار یكدیگر قرار می گیرند برای تشكیل هسته كافی نیست. اولین هسته هایی كه در جهان تولید شدند همانطور كه گفته شد، هسته های هلیوم و لیتیوم و هیدروژن بودند. تشكیل هسته در جهان، اولین گام برای تشكیل ساختارهای پیچیده تر بعدی نظیر اتم ها و بعدها ستاره ها وكهكشان ها به شمار می رود.
۷ - زمان:۱۰ هزار سال پس از انفجار
در این بازه زمانی هم همانند گذشته، جهان به صورت مداوم در حال سرد شدن و بزرگ شدن است، اما در حالی كه این اتفاق می افتد، مواد بیشتر و بیشتری با انرژی تشعشعی بالا ساخته می شوند. در این بازه زمانی بالاخره انرژی چگالی در ماده- بیشتر در هسته های تازه تشكیل شده- بزرگتر از انرژی چگالی در تشعشعات ، در ذرات بدون حجم و نزدیك بدون حجم و بخصوص فوتون ها می شود. این بدان معناست كه در نظریه نسبیت عام كه انبساط عالم هستی را توضیح می دهد، عددی كه نمایشگر انرژی چگالی ماده است بسیار بزرگتر از عددی می شود كه نمایشگر انرژی چگالی تشعشعات است و ما می توانیم در این نظریه تعششعات را فراموش كرده و فقط روی اتفاقاتی كه برای ماده می افتد تمركز كنیم. درا ین لحظه است كه دیگر ماده روایتگر تاریخ پیدایش جهان می شود و نه تشعشعات.در پایان این فرآیند، فوتون ها بیشتر با هم نزدیك می شوند تا به ماده. درنتیجه تبادل انرژی بین ماده و انرژی تاثیر كمتری پیدا می كند. فوتون ها گرم می شوند و رفتار آنها شبیه به تشعشعات سیاه می شود. پس از میلیاردها سال سرد شدن دمای این تشعشعات فقط چند درجه بالاتر از صفر مطلق یا كلوین(۱۵/۲۷۳ درجه سانتی گراد) خواهد بود. اما ما می توانیم این میزان را اندازه بگیریم و بگوییم دمای این تشعشعات پس زمینه ای هستی چگونه با حركت در جهات مختلف هستی تغییر خواهند كرد. این اندازه گیری همچنین جزئیات بسیار مهمی را از وقوع بیگ بنگ و فیزیك ذرات برای ما روشن خواهد كرد.
-۸ زمان:۵۰۰ هزار سال پس از انفجار
در این بازه زمانی مقادیر بسیار زیادی پروتون و الكترون و هسته های سبك در جهان وجود دارد. اما با این حال جهان برای اینكه الكترون ها برای مدت زمان زیادی توسط هسته ها جذب شوند و اتم تشكیل شود، بسیار داغ و چگال بوده است.در این زمان است كه جهان تا حدی سرد می شود و میانگین سرعت الكترون ها به حدی می رسد كه توسط پروتون ها جذب می شود و اتم ها پا به عرصه هستی می گذارند. از آنجا كه در این زمان تنها هسته های موجود در دنیا هسته های هیدروژن، هلیوم و لیتیوم هستند اولین اتم هایی هم كه در هستی تولید می شوند هیدروژن، هلیوم و لیتیوم هستند.
عناصر سنگین تر كه می دانیم برای زندگی لازم و ضروری هستند مثل كربن به روش های جالب تری، بعدها تولید شدند.
۹ - زمان: یك میلیاردسال پس از انفجار
حالا كه تشعشعات، سرد و از زمان جدا شده اند و تقریبا همه الكترون ها جذب هسته های موجود در عالم شده اند و عالم سرشار از اتم های هیدروژن، هلیوم و لیتیوم است، نیروهای گرانشی نقش بسیار مهمی پیدا می كنند.تغییرات جزئی چگالی میدان های گرانشی ماده شروع می شود. گاز هیدروژن به هم فشرده می شود و طی شكافت هسته ای، اولین ستاره های جهان پدید می آیند.
۱۰ - زمان:۲ تا۱۳میلیارد سال پس از انفجار
هنگامی كه ستاره ها پدید آمدند و حدود كهكشانی تعریف شدند، هیدروژن به همراه هلیوم و لیتیوم تنها عناصر هستی به شمار می رفتند. عناصر سنگین تر از دل ستارگان پدید آمدند. ستاره ها هیدروژن مصرف كردند و طی فرآیند گداخت هسته ای، باعث پدیدآمدن عناصر سنگین تر شدند. اما این عناصر چگونه از دل ستارگان در كهكشان ها رها شدند؟ باید گفت این عناصر براحتی قادر به خروج از ستاره ها نبودند، بلكه با پایان عمر ستاره ها و تبدیل شدن آنها به ستاره های نوترونی و سیاهچاله ها، عناصر سنگین تر فرصت یافتند به فضای لایتناهی كهكشان ها راه پیدا كنند.فرآیند آزاد شدن عناصر سنگین تر از لیتیوم در جهان مساوی ست با زمان تشكیل و مرگ اولین ستاره های جهان و از آنجا كه اولین ستاره ها در ۲میلیارد سال پس از بیگ بنگ پدید آمدند و اولین نسل از آنها ۱۳میلیارد سال پس از آن از بین رفتند، در بررسی تاریخ پیدایش جهان ۲ میلیارد تا ۱۳ میلیارد سال پس از بیگ بنگ زمان پیدایش عناصر سنگین تر از لیتیوم محسوب می شود.
۱۱ - زمان: به تقویم خود نگاه كنید!
امروز ما اینجا هستیم. میراث دار پروسه ای چندین میلیارد ساله و تدریجی، پروسه ای كه به بیان آن حتی به صورت گنگ و نامفهوم افتخار می كنیم و به واسطه همین بیان مختصر و ساده، خود را برترین موجوداتی می دانیم كه پس از بیگ بنگ در هستی وجود داشته اند.
میلیاردها سال بعد
آیا ما تنها موجودات زنده جهان هستیم؟ ما نمی دانیم احتمال وجود حیات در دیگر مناطق جهان و به دور از زمین چقدر است. مسئله اینجاست كه ما وقت كافی برای پی بردن به این مسئله نداریم. آخرین مشاهدات از لایه های كهكشانی در تركیب با اندازه گیری هایی از سوپر نوواها مشخص ساخته اند كه احتمالا جهان هنوز در حال انبساط و سرد شدن است و به نظر می رسد این روند برای همیشه ادامه خواهد داشت.
بالاخره روزی ستاره ها تمام هیدروژن هستی را خواهند سوزاند و همه چیز سرد و آزاردهنده خواهد شد. اما این دلیل نمی شود كه تا آنموقع برای یافتن حیات در دیگر مناطق جهان نباید تلاش كرد. چه می دانیم، شاید موجوددات فرا زمینی ما را زودتر پیدا كنند.

منبع : روزنامه همشهری