بیگ بنگ و پیدایش کیهان: از نظریه تا شواهد علمی ...

۱. مقدمه

در تلاش برای پاسخ به این پرسش بنیادین که “جهان چگونه آغاز شد؟”، دانشمندان مدل‌های متعددی ارائه داده‌اند، اما نظریه بیگ بنگ همچنان معتبرترین مدل علمی برای توضیح پیدایش و تکامل کیهان است. این نظریه بیان می‌کند که جهان از یک حالت فوق‌العاده داغ و چگال آغاز شده و طی ۱۳.۸ میلیارد سال گذشته گسترش یافته است (Peebles, 1993). بررسی دقیق شواهد تجربی و پژوهش‌های علمی در این حوزه می‌تواند به درک بهتر چگونگی پیدایش و سرنوشت نهایی کیهان کمک کند.

۲. مبانی نظری بیگ بنگ

نظریه بیگ بنگ بیان می‌کند که جهان در ابتدا در وضعیتی موسوم به “تکینگی اولیه” قرار داشته است، وضعیتی که در آن چگالی و دما بی‌نهایت بوده و قوانین فیزیک کلاسیک قابلیت توصیف آن را ندارند. این نظریه از سه رکن اساسی تشکیل شده است:

1. تورم کیهانی: فاز ابتدایی انبساط فوق‌العاده سریع که توضیح‌دهنده یکنواختی تابش پس‌زمینه کیهانی است (Guth, 1981).
2. انبساط هابل: افزایش فاصله بین کهکشان‌ها با سرعتی متناسب با فاصله آنها که بیانگر گسترش فضا است (Hubble, 1929).
3. تشکیل عناصر اولیه: فرآیند هسته‌زایی اولیه که منجر به شکل‌گیری عناصر سبک مانند هیدروژن و هلیوم شد (Alpher et al., 1948).

۳. شواهد تجربی بیگ بنگ

۳.۱ تابش پس‌زمینه کیهانی (CMB)

یکی از مهم‌ترین شواهد تجربی نظریه بیگ بنگ، کشف تابش پس‌زمینه کیهانی (Cosmic Microwave Background Radiation) در سال ۱۹۶۵ توسط پنزیاس و ویلسون بود (Penzias & Wilson, 1965). این تابش یک زمینه الکترومغناطیسی یکنواخت در سراسر کیهان است که دمای فعلی آن حدود ۲.۷۲۵ کلوین است و نشانگر بقایای دوران اولیه جهان می‌باشد.

۳.۲ گسترش جهان و قانون هابل

ادوین هابل در سال ۱۹۲۹ کشف کرد که کهکشان‌ها از یکدیگر دور می‌شوند و این افزایش فاصله با سرعتی متناسب با فاصله کهکشان‌ها از زمین صورت می‌گیرد (Hubble, 1929). این یافته تأییدکننده انبساط فضا و به تبع آن نظریه بیگ بنگ است.

۳.۳ ترکیب عناصر اولیه

مقادیر نسبی هیدروژن (۷۵٪) و هلیوم (۲۵٪) در کیهان کاملاً با پیش‌بینی‌های مدل بیگ بنگ سازگار است (Alpher et al., 1948). عدم مشاهده مقادیر قابل‌توجهی از عناصر سنگین در جهان اولیه نیز نشان‌دهنده فرآیندهای اولیه هسته‌زایی است.

۳.۴ ساختار کهکشانی بزرگ‌مقیاس

چگونگی توزیع کهکشان‌ها در کیهان و ساختارهای بزرگ‌مقیاس مانند خوشه‌های کهکشانی و دیوارهای بزرگ کیهانی نیز با مدل بیگ بنگ و تورم کیهانی همخوانی دارد (Peebles, 1980).

۴. مدل‌های جایگزین و چالش‌های نظریه بیگ بنگ

۴.۱ نظریه حالت پایدار

این مدل که توسط هویل، بوندی و گلد در دهه ۱۹۴۰ پیشنهاد شد، بیان می‌کرد که جهان در حال گسترش است، اما چگالی آن ثابت می‌ماند زیرا ماده جدید به‌طور پیوسته ایجاد می‌شود (Hoyle et al., 1948). این مدل با کشف CMB رد شد.

۴.۲ مدل چرخشی (Big Bounce)

برخی نظریه‌ها پیشنهاد می‌کنند که جهان در چرخه‌های متناوب از انبساط و انقباض قرار دارد (Steinhardt & Turok, 2002). این مدل نیازمند اصلاحات اساسی در فیزیک کوانتومی گرانشی است.

۵. مسیرهای پژوهشی آینده

1. کاوش انرژی تاریک و اثر آن بر انبساط جهان (Riess et al., 1998).
2. بررسی دقیق‌تر ناهنجاری‌های تابش پس‌زمینه کیهانی با ماموریت‌هایی مانند ماهواره پلانک (Planck Collaboration, 2020).
3. مدل‌های گرانش کوانتومی برای توصیف وضعیت تکینگی اولیه (Rovelli, 2004).

۶. نتیجه‌گیری

نظریه بیگ بنگ همچنان بهترین چارچوب علمی برای درک پیدایش کیهان است. شواهد متعدد از جمله تابش پس‌زمینه کیهانی، انبساط جهان، ترکیب عناصر اولیه و ساختارهای بزرگ‌مقیاس، همگی از این مدل حمایت می‌کنند. در عین حال، پرسش‌های مهمی مانند ماهیت انرژی تاریک و رفتار فضا-زمان در نزدیکی تکینگی اولیه همچنان بی‌پاسخ باقی مانده و نیازمند تحقیقات بیشتر است.

۷. ارجاعات علمی

• Alpher, R. A., Bethe, H., & Gamow, G. (1948). The Origin of Chemical Elements. Physical Review, 73(7), 803-804.
• Guth, A. H. (1981). Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems. Physical Review D, 23(2), 347.
• Hubble, E. (1929). A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae. Proceedings of the National Academy of Sciences, 15(3), 168-173.
• Peebles, P. J. E. (1993). Principles of Physical Cosmology. Princeton University Press.
• Penzias, A. A., & Wilson, R. W. (1965). A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s. Astrophysical Journal, 142, 419-421.
• Planck Collaboration. (2020). Planck 2018 results. Astronomy & Astrophysics, 641, A1.
• Riess, A. G., et al. (1998). Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant. The Astronomical Journal, 116(3), 1009-1038.
• Rovelli, C. (2004). Quantum Gravity. Cambridge University Press.
• Steinhardt, P. J., & Turok, N. (2002). A Cyclic Model of the Universe. Science, 296(5572), 1436-1439.