وبلاگ شخصی عباس خندان

{big-bang}

بيگ بنگ - انفجار بزرگ

. يكى از اين نظريه ها كه حدود سى و هفت يا سى و هشت سال قبل ارائه شد بيگ بنگ ياهمان انفجار بزرگ نام داشت كه توانست به خيلى از ابهامات پاسخ بدهد. اين نظريه، آغاز كائنات را از يك هسته اتم در فضا و زمان صفر مى داند زيرا آن هنگام هنوز فضا وزمان آغاز نشده بود. تصور بكنيد كه تمام كائنات در يك هسته اتم ياحتى كوچكتر از آن جاى داشت و در يك لحظه اين فضا و زمان آغاز مى شود يعنى اينكه يك انفجار بزرگ كه حاصل گرانش شديد ناشى از فشردگى بوده، شروع شد.
اين واقعه بين سيزده تا پانزده ميليارد سال پيش رخ داده است، درحقيقت اين حادثه از آن نقطه صفر شروع مى شود. قابل ذكر است كه باوجودچنين فشردگى اى طبيعتاً دماى بسيار زيادى در لحظه كمى قبل از انفجار بزرگ حاكم بوده است. هنگامى كه فضا وزمان شروع به بزرگ و باز شدن كرد، دما مدام رو به كاهش بوده به طورى كه تخمين زده مى شود وقتى فقط يك ثانيه ازتشكيل كائنات مى گذشته است ده ميليارد كلوين نزول دما داشته ايم.
انبساط جهان به قدرى شديد رخ داده است كه از اندازه كوچكتر از يك هسته اتم در يك لحظه به اندازه كره زمين بزرگ مى شده، يعنى انبساط و تورم بعد از بيگ بنگ شروع شده بود اما هنوز كهكشانها به وجودنيامده بودند. نور آغاز كائنات بود سپس بعداز نور، ماده ايجاد شد و شايد بعد از دو ميليارد سال از انفجار بزرگ كهكشانها شكل گرفتند و خورشيد ما يكى از ذرات كوچك آنهاست.
كهكشانها چگونه و چه زمانى شكل گرفتند؟
كهكشانى كه ما در آن هستيم (كهكشان راه شيرى) حدود ده ميليارد سال پيش به وجود آمده است البته اگر قبول كنيم كه بيك بنگ سيزده ميلياردسال پيش رخ داده است.
اما كهكشانها انواع مختلفى دارند كه عبارت است از: نامنظم، بيضوى و مارپيچى. ازمواد اطراف كهكشانها كه باقى مانده بودند بازوهاى كهكشانى شكل گرفتند اما چون فشردگى مواد را در آن قسمت فضا داشتيم ونيز كهكشانهاى شكل گرفته بسيار نزديك به هم بودند طبيعتاً برخوردها هم زياد بوده است يعنى دوكهكشان با هم ادغام شده و يك كهكشان بزرگتر تشكيل مى دادند يا سبب ساز بازوهاى كهكشانى بزرگتر مى شدند. اين اثرات در بحث انتقال به سمت قرمز يا رد شيفت مى گنجند.
اين انفجار چقدر طول كشيد؟
براى لحظه انفجار بزرگ عدد ده به توان منفى چهل و سه را در نظر مى گيرند و بعد از آن لحظه، حادثه شروع مى شود كه حتى هنوز به هزارم ثانيه نرسيده، تغييرات در حال رخ دادن بوده است.
عالم در ابتدا چگونه به نظر مي آمد؟
آشكار است براي آگاهي از چگونگي اولين ثانيه ها و يا بهتر بگوييم اولين اجزاي ثانيه هاي پس از انفجار اوليه نبايد از ستاره شناسان پرسيد بلكه در اين مورد بايد به فيزيكدان هاي متخصص در امر فيزيك ذره اي مراجعه كرد كه در مورد تشعشعات و ماده در شرايط كاملا سخت و غير عادي تحقيق مي كنند و تجربه مي كنند. تاريخ كيهان معمولا به 8 مقطع كاملا متفاوت و غير مساوي تقسيم مي شود :
مرحله اول - صفر تا 43- 10 ثانيه
اين مساله هنوز برايمان كاملا روشن نيست كه در اين اولين اجزاي ثانيه ها چه چيزي تبديل به گلوله آتشيني شد كه كيهان بايد بعدا از آن ايجاد گردد . هيچ معادله و يا فرمول هاي اندازه گيري براي درجه حرارت بسيار بالا و غير قابل تصوري كه در اين زمان حاكم بود در دست نمي باشد.
مرحله دوم- 43- 10 تا 32- 10 ثانيه
اولين سنگ بناهاي ماده مثلا كوارك ها و الكترون ها و پاد ذره هاي آنها از برخورد پرتوها با يكديگر به وجود مي آيند. قسمتي از اين سنگ بناها دوباره با يكديگر برخورد مي كنند و به صورت تشعشع فرو مي پاشند. در لحظه هاي بسيار بسيار اوليه ذرات فوق سنگين - نيز مي توانسته اند به وجود آمده باشند. اين ذرات داراي اين ويژگي هستند كه هنگام فروپاشي ماده بيشتري نسبت به ضد ماده و مثلا كوارك هاي بيشتري نسبت به آنتي كوارك ها ايجاد مي كنند. ذرات كه فقط در همان اولين اجزاي بسيار كوچك ثانيه ها وجود داشتند براي ما ميراث مهمي به جا گذاردند كه عبارت بود از : افزوني ماده در برابر ضد ماده
مرحله سوم- از 32- 10 ثانيه تا 6- 10 ثانيه
كيهان از مخلوطي از كوارك ها - لپتون ها - فوتون ها و ساير ذرات ديگر تشكيل شده كه متقابلا به ايجاد و انهدام يكديگر مشغول بوده و ضمنا خيلي سريع در حال از دست دادن حرارت هستند
مرحله چهارم- از 6- 10 ثانيه تا 3- 10ثانيه
تقريبا تمام كوارك ها و ضد كوارك ها به صورت پرتو ذره ها به انرژي تبديل مي شوند. كوارك هاي جديد ديگر نمي توانند در درجه حرارت هاي رو به كاهش به وجود آيند ولي از آن جايي كه كوارك هاي بيشتري نسبت به ضد كوارك ها وجود دارند برخي از كوارك ها براي خود جفتي پيدا نكرده و به صورت اضافه باقي مي مانند. هر 3 كوارك با يكديگر يك پروتون با يك نوترون مي سازند. سنگ بناهاي هسته اتم هاي آينده اكنون ايجاد شده اند.
مرحله پنجم - از 3- 10 ثانيه تا 100 ثانيه
الكترون ها و ضد الكترون ها در برخورد با يكديگر به اشعه تبديل مي شوند. تعدادي الكترون باقي مي ماند زيرا كه ماده بيشتري نسبت به ضد ماده وجود دارد. اين الكترون ها بعدا مدارهاي اتمي را مي سازند

مرحله ششم - از 100 ثانيه تا 30 دقيقه
در درجه حرارت هايي كه امروزه مي توان در مركز ستارگان يافت اولين هسته هاي اتم هاي سبك و به ويژه هسته هاي بسيار پايدار هليم در اثر همجوشي هسته اي ساخته مي شوند. هسته اتم هاي سنگين از قبيل اتم آهن يا كربن در اين مرحله هنوز ايجاد نمي شوند. در آغاز خلقت عملا فقط دو عنصر بنيادي كه از همه سبكتر بودند وجود داشتند : هليم و هيدروژن
مرحله هفتم - از 30 دقيقه تا 1 ميليون سال پس از خلقت
پس از گذشت حدود 300000 سال گوي آتشين آنقدر حرارت از دست داده كه هسته اتم ها و الكترون ها مي توانند در درجه حرارتي در حدود 3000 درجه سانتي گراد به يكديگر بپيوندند و بدون اينكه دوباره فورا از هم بپاشند اتم ها را تشكيل دهند . در نتيجه آن مخلوط ذره اي كه قبلا نامرئي بود اكنون قابل ديدن مي شود.
مرحله هشتم - از يك ميليون سال پس از خلقت تا امروز
از ابرهاي هيدروژني دستگاههاي راه شيري ستارگان و سيارات به وجود مي ايند. در داخل ستارگان هسته اتم هاي سنگين از قبيل اكسيژن و آهن توليد مي شوند. كه بعد ها در انفجارات ستاره اي آزاد مي گردند و براي ساخت ستارگان و سيارات و حيات جديد به كار مي ايند.
عناصر اصلي حيات زميني چه زماني پديدار شد؟
براي زمين با توجه به گوناگوني حيات كه در آن وجود دارد 3 چيز از اهميت خاصي برخوردار بوده است:
از همان ابتداي خلقت هميشه ماده بيشتري نسبت به ضد ماده وجود داشته و بنابراين همواره ماده براي ما باقي مي ماند.
در مرحله ششم هيدروژن به وجود آمد اين ماده كه سبك ترين عنصر شيميايي مي باشد سنگ بناي اصلي كهكشانه ها و سيارات مي باشد. هيدروژن همچنين سنگ بناي اصلي موجودات زنده اي است كه بعدا روي زمين به وجود آمدند و احتمالا روي ميلياردها سياره ديگر نيز وجود دارند. در مركز ستارگان اوليه هسته اتم هاي سنگين از قبيل اكسيژن و يا كربن يعني سنگ بناهاي اصلي لازم و ضروري براي زندگي و حيات بوجود آمدند.
آيا عالم همواره در حال انبساط خواهد بود؟
جنبش انبساطي يا به عبارت ديگر از همديگر دور شدن كهكشانه ها به هر حال رو به كند شدن است. زيرا جزاير جهاني متعدد در واقع به سمت يكديگر جذب مي شوند و در نتيجه حركت انبساطي آن ها كند تر مي شود. اكنون پرسش فقط اين است كه آيا زماني تمام اين حركت ها متوقف خواهد گرديد و اين عالم در هم فرو خواهد پاشيد؟ اين مساله بستگي به تراكم ماده در جهان هستي دارد. هر چه اين تراكم بيشتر باشد نيرو هاي جاذبه بين كهكشانه ها و ساير اجزاي گيتي بيشتر بوده و به همان نسبت حركت آن ها با شدت بيشتري متوقف خواهد شد. در حال حاضر چنين به نظر مي رسد كه تراكم جرم بسيار كمتر از آن است كه زماني عالم در حال انبساط را به توقف در آورد. به هر حال اين امكان وجود دارد كه هنوز جرم هاي بسيار بزرگ ناشناخته اي از قبيل ( سياهچاله هاي اسرار آميز) يا ( ابرهاي گازي شكل تاريك) وجود داشته باشند و نوترينو ها كه بدون جرم محسوب مي شوند جرمي هرچند كوچك داشته باشند. اگر اين طور باشد در اين صورت حركت كيهاني زماني شايد 30 ميليارد سال ديگر متوقف خواهد شد. در آن زمان كهكشان ها با شتابي زياد حركت به سوي يكديگر را اغاز خواهند كرد تا در نهايت به شكل يك گوي آتشين عظيم با يكديگر متحد شوند. آن زمان شايد مي بايد روي يك انفجار اوليه جديد ديگر و تولد يك عالم جديد حساب كنيم. با توجه به سطح كنوني دانش بشر و ميزان پژوهش هاي انجام شده بايد اينطور فرض كرد كه عالم تا ابديت انبساط خواهد يافت.
با توجه به بزرگى وعظمت كائنات، پيدايش حيات غيرزمينى چقدر احتمال دارد؟ با يك حساب سرانگشتى متوجه مى شويم كه باوجود اين تعداد ستاره احتمال حيات بسيار زياد است. حتى بعضى از ستاره ها داراى سياره نيستند و يا اين سياره بسيار دور از ستاره يا بسيار نزديك به آن هستند و برخى هم گازى مى باشند اگر تمام اين موارد را از كل ستاره ها كم كنيم تقريباً بيست وپنج درصد آنها امكان وجود حيات را دارند.
آيا ميدانستيد …؟

- فقط حدود 4درصد عالم از ماده ، به شكلي كه ما مي شناسيم تشكيل شده است ، يعني ماده معمولي كه ما مي شناسيم و در آزمايشگاه وجود دارد، فقط 4درصد كل عالم را مي سازد. 23درصد عالم را ماده تاريك سرد تشكيل داده كه دانشمندان اطلاعات خيلي كمي درباره اش دارند و 73درصد باقي مانده را انرژي تاريك عجيب تشكيل مي دهد كه تقريبا تنها چيزي كه در موردش مي دانيم ، اين است كه وجود دارد!

منبع :mollasadra & roshd.ir

آيا انفجار بزرگ واقعا وجود داشته است؟
دانشمندان در اين زمينه هر چه بيشتر درباره گذشته و آينده پژوهش مي كنند نظرياتشان نامطمئن تر و ناپايدارتر مي شود. مثلا در حاليكه فاصله ماه از زمين و يا تاريخ اوليه كره زمين را به خوبي مي شناسيم به توجه به اين كه فقط 400 سال از عمر تاريخ پژوهش هاي جديد گذشته است بسيار مشكل مي توان به تاريخ ميلياردها ساله آغاز خلقت نظر انداخت. فرضيه انبساط عالم به خودي خود كافي نيست كه ما با اطمينان نتيجه بگيريم كه انفجار اوليه وجود داشته است. ولي در اينجا يك نكته جالب توجه ديگر نيز به آن افزوده مي شود: هرچه ما بيشتر به عمق كيهان نظاره مي كنيم در واقع بيشتر به عمق زمان گذشته مي نگريم. يك ستاره را كه در فاصله 10 سال نوري قرار دارد به همان صورتي مي بينيم كه 10 سال قبل بوده است. دورترين اجرامي را كه انسان مي تواند با تلسكوپ هاي بزرگ نجومي نظاره كند كوازارها هستند. ( Quasar مخفف عبارت نجومي Quasistallar object و عبارت است از عضوي از گروههاي گوناگون ستاره مانند كه داراي پرتوهاي قرمز استثنايي مي باشند و غالبا از خود فركانسهاي راديويي و نيز امواج نوري قابل ديدن منتشر مي كنند.) آنها در واقع كهكشانه هاي كاملا جواني هستند كه در مراحل اوليه شكل گيري به سر مي برند. حال اگر انسان نگاهش را در سمت دلخواهي به دورتر و بازهم دورتر متوجه كند بايد به مرزي برسد كه در آنجا آغاز خلقت را مشاهده كند و به عبارت ديگر آن گاز داغ اوليه را ببيند كه تمام كهكشانه ها - ستارگان - سيارات و موجودات از آن ايجاد شده اند. بنابراين مي بايست پيرامون ما را پيوسته پوسته كاملا درخشاني در دوردست احاطه مي كرد و آسمان هم مي بايست شب ها همچون روز روشن مي شد اما اين ديوار آتشين با سرعت زيادي از ما دور مي شود زيرا كه عالم لحظه به لحظه انبساط مي يابد سرعت دورشدن به قدري زياد است كه نور اين پوسته داراي طول موج بلندتري مي شود كه ما آن را فقط به صورت تشعشعات و امواج راديويي دريافت مي كنيم.دقيقا همين امواج هستند كه اكنون كشف شده. امواج مفروضي كه از همه جهات به طور يكنواخت بر ما مي تابند و به نام تشعشعات پيشينه - 3k نامگذاري شده اند. وجود اين پرتو ها را مي توان با راديو تلسكوپ ها به سادگي اثبات كرد اين تشعشعات تكيه گاهي مهم براي اثبات فرضيه انفجار اوليه مي باشد.

تصور كنيد اگر راندن در يك جاده كوهستاني براي شخصي مثلاً هشت ساعت طول بكشد، شايد يافتن يك تونل در آنجا، زمان لازم براي پيمودن اين مسير را به ده دقيقه كاهش دهد. پس اگر كسي با دوستانش قرار بگذارد كه اين مسير را برود و سپس به آنها اطلاع دهد كه به مقصد رسيده و آنها هم از داستان آن تونل فرضي آگاهي نداشته باشند، شايد بتواند براي دوستانش چنين وانمود كند كه راه هشت ساعته را چنان تند پيموده كه ده دقيقه اي رسيده!

اما مگر ميشود كه در هر شرايطي فاصله فيزيكي را چنان كوتاه كرد كه زودتر به مقصد برسيم؟ مگر ميشود در هر شرايطي ميانبر پيدا كرد؟ پاسخ دانش فيزيك به اين پرسش آري است.

براي شكافتن بهتر موضوع بهتر است كمي درباره نيروي گرانش (جاذبه) بگوييم. در افسانه ها ميگويند كه نيوتن با افتادن سيبي به سرش قانون گرانش را كشف كرد. او فكر كرد كه چرا سيب بالا نميرود و پايين ميايد؟ او پي برد كه اگر هر جسمي را با سرعت به اندازه كافي به هوا پرتاب كنيم، با شتاب ثابتي و در يك مسير راست به زمين برميگردد. پس ميتوان گفت كه كشش زمين و جسم دليل اين رويداد است. از آن پس دانش فيزيك پيشرفت كرد و دانشمندان فهميدند كه حركت سيارات به دور خورشيد هم از همين گونه است. گرچه به خاطر جرم زياد سيارات و خورشيد و مسافت زياد ميان آنها، خورشيد نميتواند آنها را در يك مسير راست به سوي خود بكشد و آنها روي خورشيد نمي افتند. پس با اينكه گرانش همان گرانش است و نيروي تازه اي در كار نيست، اما در اينجا كمي پيچيده تر خود را نشان ميدهد و اثر گذاري آن از حركت ساده و سقوط راست اجسام بر روي زمين، به حركت پيچيده و چرخشي سيارات گرد خورشيد با سرعتها و دوره هاي تناوب و ... متفاوت تبديل شده. پس ميتوان اينگونه نتيجه گيري كرد كه در شرايط پيچيده تر، گرانش ميتواند اثر گذاريهاي پيچيده تري را به بار دهد.

در اينجاي داستان لازم است نگاه خود را از دستاورد نيوتن به دستاورد انيشتين تغيير دهيم. نظريه نسبيت عام انيشتين گرانش نيوتن را كامل كرد و يك برداشت متفاوت از آنرا به دست داد. نظريه انيشتين گفت كه هنگام سخن از نيروي گرانش، چيزي چيزي را به سوي خود نميكشد، بلكه جرم ها فضا را به گونه اي خم ميكنند كه حركت اجسام ناشي از نيروي گرانش (آن گونه كه ما مي بينيم) در واقع سقوط آزاد آنها در يك فضاي خميده است. پس زمين سيب را به سوي خود نميكشد، بلكه نيروي گرانش كره زمين فضاي پيرامون اين سياره را جوري خم كرده كه هر جسمي بسته به ويژگي هايش (جرم، سرعت، ...) در اين فضاي خميده حركت ميكند. خورشيد هم طوري فضاي منظومه شمسي را خم كرده كه هر سياره ناگزير بايد گرد آن بچرخد. براي تجسم بهتر به سوراخ چاه حمام نگاه كنيد كه چطور آب و كفها را به سوي خودش ميكشد، طوري كه اگر هر چيزي همراه آنها باشد (مثلاً يك سوسك!) به گرد سوراخ چاه ميچرخد و ميچرخد و سرانجام به درون سوراخ ميريزد. خورشيد نيز چنين ميكند، اما خوشبختانه سيارات به اين زوديها به آن نزديك نميشوند و تنها پس از ميلياردها سال است كه ما هم مانند كفهاي درون حمام به درون خورشيد كشيده ميشويم.
به هر حال، ميخواستم اين را بگويم كه نيروي گرانش ميتواند حركتهاي پيچيده اي را نتيجه دهد، حركت راست و حركت چرخشي. همه چيز به سيستم مورد مطالعه بستگي دارد؛ اينكه جرمها چه اندازه اند و چه ويژگيهايي دارند (سرعت، شتاب، اندازه حركت، اندازه حركت زاويه اي، ...) و چه مسافتي از هم دارند و مانند اينها. بر پايه نسبيت عام انيشتين، هر چه سيستم مورد مطالعه پيچيده تر باشد، ميتواند فضاي پيرامونش را پيچيده تر خم كند. اما آيا ميتوان طوري پيچيدگي را بالا برد كه خميدگي فضاي اطراف به كم شدن فاصله ميان دو مكان بيانجامد؟ در مثال جاده كوهستاني با زدن تونل از دل كوه، ميشد كه بگوييم مسير (بهتر بگوييم: مسير موثر و نه مسير واقعي) را كوتاه كرده ايم؛ انگار كه جاده كوهستاني جوري خم شده كه آغاز و پايانش همان آغاز و پايان تونل شده است. پس براي زودتر رسيدن بايد مسير دلخواه را طوري خم كنيم كه ابتدا و انتهايش در يك مسير فشرده شده و كوتاه شده قرار بگيرد. اگر بتوانيم تا اين اندازه پيچيده كار كنيم و فضا را خميده در بياوريم، خواهيم توانست مسير را كوتاه كنيم و سرعت موثر پيمودن در آنرا افزايش دهيم.

معادلات نسبيت عام انيشتين ميگويند كه چنين كاري شدني است و اگر شما مسير مورد نظر و ويژگي هاي خمش آنرا به معادلات بدهيد، معادلات به شما ويژگي هاي آن سامانه از جرمها را ميدهند.

دانشمندان سالها روي اين موضوع كار كرده اند و به پاسخ هايي از معادلات ميدان گرانش نسبيت عام دست يافته اند كه ميتوانند كوتاه كردن مسير را براي ما به بار دهند.

دو دسته از پاسخها كه بيشترين كار روي آنها انجام پذيرفته، متريكهاي كرمچاله گذرپذير و حامل پيچشي ميباشند. در مدل يك كرمچاله گذرپذير استاتيك و كروي-متقارن، ميتوان با گذر از گلوگاه كرمچاله، از يك دهانه در يك فضاي مجانبي-تخت، به يك فضاي مجانبي-تخت ديگر رفت كه در فاصله ي به اندازه بسنده دوري قرار دارد. اينگونه كه بر ميايد، محدوديتي در برد اين سامانه نيست! پس هر دو جا در يك جهان يا دو جهان را ميتوان به هم پيوند داد. اما بررسيهاي بيشتر نشان داده اند كه چنين هندسه زمختي، نياز به مقادير زمختي از ماده شگفت يا به زبان فني تر: ماده ناقض شرط انرژي ميانگين پوچ، را به همراه مياورد.

پيوستگي مولفه هاي متريك چنان است كه گريزي براي رسيدن به يك ساختار خوشرفتار نيست. چنانكه اگر اندازه انرژي كاهش يابد، كاهش شعاع گلوگاه را به بار ميدهد؛ يا اندازه فاصله ميان دهانه تا گلوگاه را به مقادير حدي ميل ميدهد. پس بايد رهيافت رقيق سازي هندسه را برگزيد. يعني روي هر مولفه از متريك خام نخستين چنان كار ميكنيم كه - در دامنه ي توانش - به تمركززدايي چگالي انرژي در فضازمان پيرامونش كمك كند.

يكي از بهترين گزينه ها رفتن به سوي بي تقارني در اسكلت متريك است، به هدف آنكه به جز مولفه هاي قطر تانسور ماده-انرژي (كه چهار تا هستند)، هر شانزده مولفه اين تانسور باري از ماده شگفت همبسته را به دوش بگيرند و فشار ضريب كلان اندازه انرژي بجاي چهار مولفه، در پشت شانزده مولفه پخش شود. پيچيدگي رياضي چنين رهيافتي بسيار بالاست و بي ترديد نيرومندترين راهكار پرداختن به آن، به كار بردن تقريبهاي عددي و مانند سازيهاي رايانه اي است. بزرگترين گامي كه در اين راه تاكنون برداشته شده، رفتن از هندسه متقارن-كروي به هندسه متقارن-محوري بوده است.

ديگر گزينه ديناميك سازي هندسه است. يعني بگذاريم هندسه در زمان جريان بيابد و تمركز زمخت ماده شگفت "جاري" شود. گرچه در جهان واقعي هم رودخانه زمان هميشه به جلو در پيش ميرود.

گزينه ديگر افزودن چرخش به توابع ريخت و جابجايي به سرخ در متريك است كه بخشي از انرژي همبسته را به خود جذب ميكند و آنرا كاهش ميدهد.

و همچنين گزينه ديگر افزودن بار الكتريكي به متريك است كه با برپايي بر هم كنش ميان ميدانهاي الكترومغناطيسي و گرانشي ميتواند بر هندسه اثرگذار باشد. با فناوري كنوني، اين كاراترين راهكار رقيق سازي هندسه كرمچاله است.

همه گزينه هاي بالا در جبهه اي به نام كار روي سمت چپ معادلات ميدان نسبيت عام و كار روي هندسه ي بهتر جاي ميگيرند. اما جبهه دومي هم در كار است كه همان كار روي سمت راست معادلات ميدان و كار روي انرژي بيشتر نام دارد.